3. Сквозное автоматизированное премирование

3.1. Автоматизации жизненного цикла изделия

Современные предприятия не смогут выжить во всемирной конкуренции, если не будут выпускать новые продукты лучшего качества (quality), более низкой стоимости (cost) и за меньшее время (delivery). Поэтому они стремятся ис­пользовать огромные возможности компьютеров, их высокое быстродействие и удобный интерфейс программ для того, чтобы автоматизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства, которые раньше были весьма трудоемкими и совершенно не связанными друг с другом. Тем самым обеспечить сокращение времени и стоимости разработки и выпуска изделия. Для этой цели используются технологии автоматизированного проектирования (computer aided design - CAD), автоматизированного производства (computer aided manufacturing - CAM) и автоматизированного инженерного анализа разработки (computer aided engineering - CAE). Все задачи решаемые в процессе разработки и производства изделия называются жизненным циклом изделия (product cycle) (рис.3.1).

Жизненный цикл изделия составляют два основных процесса: разработка и собственно производство. Процесс разработки начинается с запросов потребителей, которые обслуживаются отделом маркетинга, и заканчивается полным описанием продукта, обычно выполняемым в форме проектной документации. Процесс производства начинается с технической документации и заканчивается поставкой готовых изделий.

Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналитические и синтетические. Как следует из схемы (рис. 3.1), первичные операции разработки, такие как определение необходимости разработки, формулирование технических требований, анализ осуществимости и сбор необходимой информации, а также концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатом подпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продукта в форме эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различных компонентов продукта. В этой части цикла делаются основные финансовые вложения, необходимые для реализации идеи проекта, а также определяется функциональность изделия. Большая часть информации, используемой в рамках подпроцесса синтеза, является качественной, а следовательно, неудобной для компьютерной обработки.

Готовый концептуальный проект анализируется и оптимизируется — это уже подпроцесс анализа. Прежде всего вырабатывается математическая модель изделия, поскольку анализируется именно модель, а не сам продукт. Несмотря на быстрый рост вычислительных возможностей компьютеров, используемых в конструировании, в обозримом будущем отказаться от использования абстракции в виде математической модели невозможно. Модель получается путем удаления из проекта маловажных элементов. Качество результатов анализа непосредственно связано с качеством выбранной математической модели.

После завершения проектирования и выбора оптимальных параметров начина­ется этап оценки проекта. Для этой цели могут изготавливаться прототипы. В конструировании прототипов все большую популярность приобретает новая технология, названная быстрым прототипированием (rapid prototyping). Эта тех­нология позволяет конструировать прототип непосредственно из проекта. Если оценка проекта на основании прототипа показывает, что проект не удовлетворяет требованиям, описанный выше процесс разработки повторяется вновь. Если же результат оценки проекта оказывается удовлетворительным, начинается подготовка проектной документации. К ней относятся чертежи, пояснительные записки, отчеты. Чертежи обычно передаются на производство виде твердых копий или электронном представлении.

Процесс производства начинается с планирования технологий, которое выполняется на основании полученных на этапе проектирования чертежей, а заканчивается готовым продуктом. При технологической подготовке производства устанавливаются списки технологических процессов и последовательность операций по изготовлению изделия. Одновременно выбирается оборудование, на котором будут производиться технологические операции. В результате подготовки производства составляются план выпуска, списки материалов и программы для оборудования. На этом же этапе отрабатываются прочие специфические требования по организации производства. Подготовка занимает в процессе производства примерно такое же место, как подпроцесс синтеза в процессе проектирования, требуя значительного человеческого опыта и принятия качественных решений. Такая оценка данного этапа подразумевает сложность его компьютеризации.

После завершения технологической подготовки начинается выпуск готового продукта и его проверка на соответс твие требованиям. Изделия, соответствующие требованиям контроля, проходят тестирование на функциональность, упаковываются и отгружаются потребителям.

Проанализируем приведенный типичный жизненный цикл изделия на возможность применения на его этапах технологий CAD, САМ и САЕ. Компьютеры не могут широко использоваться в подпроцессе синтеза, поскольку они не обладают способностью хорошо обрабатывать качественную информацию. Однако даже на этом этапе разработчик может, например, при помощи доступных баз данных собирать важную для анализа осуществимости проекта информацию. Непросто представить себе использование компьютера и в процессе концептуа­лизации проекта, потому что компьютер пока еще не стал мощным средством для интеллектуального творчества. На этом этапе компьютер может сделать свой вклад, обеспечивая эффективность создания различных концептуальных проек­тов. Полезными здесь могут оказаться средства геометрического моделирования (geometric modeling system) и подсистемы автоматизированной разработки чертежей (computer aided drafting). Все это функции имеют системы CAD.

В фазе анализа проекта ценность компьютеров проявляется в полной мере. Программных пакетов для различных видов автоматизированного конструирования и инженерного анализа (САЕ) существует большое количество. Главная проблема, связанная с их использованием, заключается в необходимости формирования математической модели. Проблемы не существовало бы вовсе, если бы эта модель автоматически выводилась из концептуального проекта. Однако математическая модель не идентична концептуальному проекту — она выводится из него путем исключения второстепенных свойств объекта. Необходимый уровень абстракции зависит от вида анализа и требуемой точности решения. Автоматизировать процесс абстрагирования достаточно сложно, поэтому математическую модель создают отдельно. Чаще всего математическая модель проекта или его частей реализуется в системе САЕ методом конечных элементов (finite element modeling).

Подпроцесс анализа может выполняться в цикле оптимизации проекта по ка­ким-либо параметрам. Разработано множество алгоритмов поиска оптимальных решений и на их основе разработаны коммерчески доступные программы. Проце­дура оптимизации может считаться компонентом системы автоматизированного проектирования либо реализовываться автономно.

Фаза оценки проекта также выигрывает от использования компьютера. Если для оценки проекта нужен прототип, он может быстро сгенерирован по результатам геометрического моделирования, при помощи специальных программных пакетов для установок быстрого прототипирования (3D-принтеров). 1акие пакеты могуч считаться программами для автоматизированной подготовки производства (САМ).

Быстрое прототипирование — удобный способ конструирования прототипа, однако еще удобнее пользоваться виртуальным прототипом, который часто называется «цифровой копией (digital mock-up) и который позволяет получить столь же полезные сведения. Когда аналитические средства для работы с цифровыми копиями станут достаточно мощными, чтобы давать столь же точные результаты, что и эквивалентные эксперименты на реальных прототипах, цифровые копии начнут вытеснение обычных прототипов. Эта тенденция будет усиливаться по мере совершенствования технологий виртуальной реальности, позволяющих пользователю ощущать цифровую копию так же, как реальный прототип. Построение цифровой копии называется виртуальным прототипированием. Виртуальный прототип может быть создан и специализированной программе геометрического моделирования.

Последняя фаза процесса разработки — подготовка проектной документации. На этом этапе чрезвычайно полезным оказывается использование систем автоматизированной подготовки рабочих чертежей. Способность подобных систем работать с архивными файлами позволяет систематизировать хранение и обеспечить удобство поиска информации.

Компьютерные технологии используются и на стадии производства. Процесс производства включает в себя планирование выпуска, разработку технологий, проектирование новых инструментов, заказ материалов, программирование для оборудования с ЧПУ, контроль качества и упаковку. Компьютерные системы, используемые для выполнения этих операций, могут быть классифицированы как системы автоматизированного производства (САМ). Например, программа автоматизированной технологической подготовки САРР (computer aided process planning), используемая при технологической подготовке производства. Подготовку производства достаточно сложно формализовать, что затрудняет ее автоматизацию. Поэтому полностью автоматических систем технологической подготовки в настоящий момент не существует. Однако создано много программных пакетов, генерирующих программы для станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Станки этого класса позволяют обрабатывать детали требуемой конструкции по данным, хранящимся в компьютере.

К системам автоматизированного производства относят также программы, управляющие промышленными роботами для сборки и перемещении изделий между операциями, а также программное обеспечение для координатно- измерительных машин СММ (coordinate measuring machine), используемые при контроле геометрических характеристик изделия.