1 Информационные технологии в машиностроительной отрасли

Машиностроение – одна из тех отраслей, где ИТ внедряются полным ходом на большей части предприятий. ИТ участвует во всех областях промышленности: планирование, учет материальных и товарных ценностей, непосредственное управление производством и многие другие внутренние процессы, характерные для машиностроительных предприятий. Применение информационных технологий и автоматизация производственных процессов, столь высокие в этой отрасли по сравнению с другими, объясняется в первую очередь высокой конкуренцией. Совершенствование и автоматизация способов и методов производства и является гарантией успешности предприятия.

Конечная цель ИТ-проектов автоматизации производства очевидна и связана с необходимостью не только получать на любом уровне оперативную и актуальную информацию для принятия эффективных и своевременных решений, но и заботиться о снижении себестоимости и улучшении качества продукции, а также об оптимизации производства. Прежде многие ИТ-задачи решались собственными силами, при этом квалифицированных кадров, способных разобраться с пробелами автоматизации в целом, не хватало - в результате автоматизация проводилась локально, то есть компьютеризировались лишь отдельные рабочие места, остальные же сотрудники действовали по старинке. Сегодня же для решения комплексных задач автоматизации машиностроительных предприятий применяются такие продукты, как "1С", "Компас", "Парус", SiteLine, "Галактика ERP", IFS Applications, а также бизнес-решения Microsoft, SAP и Oracle.

Решения для проектирования и дизайна, используемые в различных отраслях промышленности, включая машиностроительную, электромеханическую, автомобильную производство промышленного оборудования и потребительских товаров. Многие продукты основаны на технологии цифровых прототипов. К решениям этого сегмента относятся: Autodesk Inventor, продукты семейства Autodesk Alias, AutoCAD Electrical, AutoCAD Mechanical, Autodesk Vault и др.

Autodesk Inventor — базовое решение на основе параметрического 3D моделирования для промышленности. Программа позволяет проектировать, визуализировать и моделировать различные трехмерные объекты в цифровой среде. В результате получается так называемый «цифровой прототип», свойства которого полностью соответствуют свойствам будущего физического прототипа вплоть до характеристик материалов.

AutoCAD Mechanical и AutoCAD Electrical — cпециализированные решения для промышленности на основе AutoCAD, предназначенные для проектирования механических и электрических систем соответственно. Содержат дополнительные инструменты и библиотеки компонентов, ориентированные именно на использование в машиностроительных отраслях.

Autodesk Showcase — продукт, предназначенный для создания трехмерных визуализаций на основе данных САПР.

Аutodesk SketchBook Pro — приложение для рисования и черчения, разработанное специально для использования с цифровыми планшетами и планшетными ПК.

Autodesk Alias — семейство программ (Alias Sketch, Alias Design, Alias Surface и Alias Automotive), предназначенных для моделирования поверхностей и дизайна внешнего облика промышленных изделий сложной формы.

Autodesk Algor Simulation и Autodesk Moldflow — инструменты для расчета и моделирования деталей и сборок конструкций на основе цифрового прототипа, а также процесса их литья.

Autodesk Vault — семейство программ (Vault Manufacturing и Vault Workgroup) на основе технологии цифровых прототипов для управления проектами в рабочей группе.

Autodesk Inventor Publisher — решение, предназначенное для создания технических инструкций и документации на продукцию на основе того же цифрового прототипа, что был использован в ходе проектирования.

ИТ используют не только при проектировании изделия и разработках тпп, но и в управленческой структуре, бухгалтерии и управление персоналом. Так широко используют отраслевые ERP (планирование ресурсов предприятия), семейство программ "1С: Предприятие", с помощью которых автоматизируются складские операции, продукты SAP, которая занимается разработкой автоматизированных систем управления такими внутренними процессами предприятия, как: бухгалтерский учет, торговля, производство, финансы, управление персоналом, управление складами, и т. д. Поэтому ИТ в машиностроении являются основополагающими, которые упрощают весь процесс промышленности.

2. Жизненный цикл изделия (продукции) — это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта.

Этот цикл проходит последовательно этапы, которые могут называться по разному, но содержание этапов остается одинаковым. ЖЦИ образуется в соответствии с принципом нисходящего проектирования и носит итерационный характер. Реализованные этапы, начиная с самых ранних, могут циклически повторяться что, из-за изменения требований и/или внешних условий, введения дополнительных ограничений и т.п. приводит к изменениям в проектных решениях, выработанных на более ранних этапах. Применяется по отношению к продукции с высокими потребительскими свойствами и к сложной наукоёмкой продукции высокотехнологичных предприятий.

Этапы ЖЦИ

• Маркетинговые исследования

• Проектирование продукта

• Планирование и разработка процесса

• Закупка

• Производство или обслуживание

• Проверка

• Упаковка и хранение

• Продажа и распределение

• Монтаж и наладка

• Техническая поддержка и обслуживание

• Эксплуатация по назначению

• Послепродажная деятельность

• Утилизация и(или) переработка

Основные этапы ЖЦП: проектирование, производство, эксплуатация, утилизация.

Маркетинговые исследования

Цель маркетинговых исследований - анализ состояния рынка, прогноз спроса на планируемые изделия и развития их технических характеристик. На данном этапе жизненного цикла находит применение система CRM (Customer Requirement Management - Управление взаимоотношениями с заказчиками).

Система CRM - это система, на вход которой поступают данные, связанные с клиентами компании, а на выходе появляется информация, влияющая на поведение компании в целом или на поведение ее отдельных элементов (вплоть до конкретного работника компании). Другими словами, CRM-система - это, прежде всего, база данных с информацией о клиентах, и набор приложений, которые позволяют, во-первых, собирать информацию о клиенте, во-вторых, ее обрабатывать, в третьих, делать определенные выводы на базе этой информации, экспортировать ее в другие приложения или просто при необходимости предоставлять эту информацию в удобном виде. Собственно, эти моменты и являются ключевыми функциями CRM-систем. Результатами работы CRM-системы могут пользоваться не только сотрудники компании, но и непосредственно сам клиент.

Примером использования может быть разработка дизайна нового продукта, который подходит по стилю к уже выполненным для данного заказчика работам, доступ к просмотру которых можно легко получить с помощью CRM-системы.

Проектиро Одним из наиболее важных этапов является этап проектирования. Автоматизация проектирования осуществляется САПР (Системами автоматизированного проектирования). В САПР машиностроительных отраслей промышленности принято выделять системы функционального (системы расчетов и инженерного анализа - системы CAE (Computer Aided Engineering)), конструкторского (системы CAD (Computer Aided Design)) и технологического проектирования (системы CAM (Computer Aided Manufacturing)).

На этом этапе формируется объемная геометрическая модель машиностроительного изделия или, так называемая, мастер - модель, которая будет играть определяющую роль на многих последующих этапах. На этом этапе выполняются различные виды инженерного анализа.

Для создания объемной модели изделия конструктор может воспользоваться методами трехмерного твердотельного, поверхностного моделирования или сочетанием этих методов.

Современные программные средства CAE позволяют решать широкий спектр задач анализа линейной и нелинейной статики и динамики, устойчивости, теплопередачи, акустики, аэроупругости, оптимизации конструкции и многие другие.

Ведущими CAE-системам в настоящее время являются ABAQUS, ANSYS, COSMOS/M, LS-DYNA, MSC.ADAMS, MSC.NASTRAN.

вание

Подготовка производства

Назначение этого этапа сводится к решению следующих основных задач:

• разработка технологий изготовления изделия, электродов, пресс-форм и штампов на основе их геометрических моделей, полученных на этапе проектирования;

• подготовка программ для станков с ЧПУ по спроектированным технологиям;

• контроль качества работы управляющих программ для станков с ЧПУ;

В производстве машиностроительных и части приборостроительных изделий используются технологии, в основе которых лежат различные физические процессы: механообработка, электроэрозионная обработка, литье металлов и пластмасс и др.

Подготовка программ при механообработке для всех видов оборудования с ЧПУ выполняется автоматически, когда выбран станок и указан тип процессора, установленный на данный станок (например, CNC). Основными CAM-системами являются EdgeCAM, PowerMill, Mastercam.

При выборе и установке той или иной конфигурации ПО важно учитывать специфику моделей и задач, решаемых на каждом рабочем месте. В этом случае вместо одного пакета со множеством универсальных функций должны устанавливаться строго специализированные пакеты программ, разработанные в соответствии с этими задачами.

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения, координации работы систем CAD/CAM/CAE, управления проектными данными и проектированием разрабатываются системы, получившие название систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). Системы PDM либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР.

производство

На большинстве этапов жизненного цикла, начиная с определения предприятий-поставщиков исходных материалов и компонентов и кончая реализацией продукции, требуются услуги системы управления цепочками поставок - Supply Chain Management (SCM). Цепь поставок обычно определяют как совокупность стадий увеличения добавленной стоимости продукции при ее движении от компаний-поставщиков к компаниям-потребителям. Управление цепью поставок подразумевает продвижение материального потока с минимальными издержками. При планировании производства система SCM управляет стратегией позиционирования продукции. Если время производственного цикла меньше времени ожидания заказчика на получение готовой продукции, то можно применять стратегию "изготовление на заказ". Иначе приходится использовать стратегию "изготовление на склад". При этом во время производственного цикла должно входить время на размещение и исполнение заказов на необходимые материалы и комплектующие на предприятиях-поставщиках.

В последнее время усилия многих компаний, производящих программно-аппаратные средства автоматизированных систем, направлены на создание систем электронного бизнеса (E-commerce). Задачи, решаемые системами E-commerce, сводятся не только к организации на сайтах Internet витрин товаров и услуг. Они объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях множества организаций, специализирующихся на предоставлении различных услуг и выполнении тех или иных процедур и операций по проектированию, изготовлению, поставкам заказанных изделий. Проектирование непосредственно под заказ позволяет добиться наилучших параметров создаваемой продукции, а оптимальный выбор исполнителей и цепочек поставок ведет к минимизации времени и стоимости выполнения заказа. Координация работы многих предприятий-партнеров с использованием технологий Intrenet возлагается на системы E-commerce, называемые системами управления данными в интегрированном информационном пространстве CPC (Collaborative Product Commerce).

Управление в промышленности, как и в любых сложных системах, имеет иерархическую структуру. В общей структуре управления выделяют несколько иерархических уровней, показанных на рис. 3. Автоматизация управления на различных уровнях реализуется с помощью автоматизированных систем управления (АСУ).

К АСУП относятся системы планирования и управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning), планирования производства и требований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) и системы SCM. Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п. Системы MRP-2 ориентированы, главным образом, на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством. В некоторых случаях системы SCM и MRP-2 входят как подсистемы в ERP, в последнее время их чаще рассматривают как самостоятельные системы.

Эксплуатация, обслуживание, утилизация

Понятие Единого Информационного Пространства (ЕИП) является ключевым понятием CALS-технологий. Потребитель является полноправным участником ЖЦИ на этапе эксплуатации изделия и ему необходимо обеспечить доступ в ЕИП. Однако использование для этих целей PDM-системы нецелесообразно в силу ее большой стоимости и значительного срока внедрения и освоения. Учитывая это, а также то, что потребителю необходимы только эксплуатационные данные об изделии, в качестве средства доступа к ЕИП он будет использовать не PDM-систему, а интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР, IETM (Interactive Electronic Technical Manuals)).

Интерактивные электронные технические руководства также выполняют функции обучения обслуживающего персонала. С их помощью выполняются диагностические операции, поиск отказавших компонентов, заказ дополнительных запасных деталей и некоторые другие операции на этапе эксплуатации систем.

Типичный состав ИЭТР:

-описание устройства и функционирования изделия и его частей;

-правила эксплуатации изделия, включая ограничения, подготовку, собственно использование;

-диагностика оборудования и поиск неисправностей, ТОиР;

-регламент технического обслуживания, планирование и учет регламентных работ;

-каталоги запасных частей, ведомости ЗИПа;

-обмен информацией с заводом-поставщиком, автоматизированный заказ материалов и запасных частей;

-упаковка, транспортирование, консервация, хранение;

-утилизация.

Использование ИЭТР дает следующие преимущества по сравнению с традиционными бумажными техническими руководствами:

-сокращение на 20 - 25 процентов сроков освоения новых изделий потребителем.

-в интегрированном ИЭТР организовать обновление информации гораздо проще, чем в бумажных руководствах.

-в ИЭТР высокого уровня встраивается система диагностики неисправностей.

Техническая подготовка производства включает в себя конструкторскую и технологическую подготовку производства. Во время производственного цикла получают заготовки, из которых, используя различные методы обработки  получают детали, собираемые затем в узлы и станок в целом. Станок испытывается и

отправляется заказчику. На этом производственный процесс заканчивается. Начинается следующий этап жизненного цикла станка – его эксплуатация.  Системуа менеджмента качества заключается в следующем: начиная с момента разработки ТЗ на станок, и до момента его отправки заказчику инженерно–технические службы (конструкторские, технологические, метрологические, контроля качества) работают в тесном взаимодействии в режиме реального времени, что возможно только в условиях автоматизированного производства. В условиях обычного производства высший менеджмент обязан организовать параллельную коллективную работу всех инженерных служб своего предприятия с целью повышения эффективности

производства.

Используемые сокращения:

ТЗ – техническое задание. КД – конструкторская документация. ТД – технологическая документация. ТУ – технические условия. КТУ – карта технического уровня. УП – управляющая программа на станки с ЧПУ. ТП – технологический процесс. ОКК – отдел контроля качества. ОГК – отдел главного конструктора. ОГТ – отдел главного технолога. КПП – конструкторская подготовка производства. ТПП – технологическая подготовка производства.

3. Иерархическая структура технического устройства (объекта). При разработке, проектировании и изготовлении технических объектов любой природы и сложности приходиться решать целый ряд творческих, изобретательских и проектно-конструкторских задач. Как правило, задачи эти решаются в строго определенной, логически обоснованной последовательности или, как принято говорить, в иерархической соподчиненности. Иерархия — это расположение частей или элементов какой-либо целой системы в порядке от высшего к низшему. В аналогичной иерархической соподчиненности на каждом из уровней даются описания технических объектов.

На первом, высшем уровне дается описание потребности, которую реализует ТО. Второй уровень — описание технической функции (ТФ), посредством которой эта потребность реализуется. На третьем уровне дается описание функциональной структуры ТО, отражающее взаимодействие между отдельными элементами объекта на уровне выполняемых функций (ФС). На 4-ом уровне дается описание принципов действия ТО, отражающих взаимосвязи между его элементами, но уже на уровне реализуемых ими физических процессов и явлений (ПД). Описание ТО в виде перечня его элементов, их взаимосвязей и взаимного расположения, особенностей конструктивного исполнения элементов по форме, материалу и т.п. составляет содержание пятого уровня описания, называемого техническим решением (ТР). И, наконец, шестой уровень описания отражает параметры технического объекта (П), т.е. количественные характеристики структуры ТО, необходимые для его изготовления и эксплуатации. Параметрическое описание структуры вновь создаваемого или модернизируемого ТО будем в дальнейшем называть проектом технического объекта.

Любое описание нового или усовершенствованного технического объекта всегда начинается с описания его назначения, цели его создания или модернизации. В предназначении технического объекта и содержится суть его потребительской функции. Этот исходный и, вместе с тем, наиболее ответственный уровень описания технического объекта требует глубокого анализа проблемы создания нового, более совершенного (конкурентоспособного, патентоспособного, более эффективного) ТО, знания предыстории и эволюции его развития и состояния, обоснованного прогноза показателей его качества и масштабов потребления.

4. Основные этапы компьютерного моделирования. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования. В общем случае процесс построения и исследования модели можно представить следующей схемой:

Первый этап — постановка задачи включает в себя стадии: описание задачи, определение цели моделирования, анализ объекта. Описание задачи - Задача формулируется на обычном языке. По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы. К первой группе можно отнести задачи, в которых требуется исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него, «что будет, если?...».В задачах, относящихся ко второй группе, требуется определить, какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию, «как сделать, чтобы?..». Определение цели моделирования - На этой стадии необходимо среди многих характеристик (параметров) объекта выделить существенные. для одного и того же объекта при разных целях моделирования существенными будут считаться разные свойства. Определение цели моделирования позволяет четко установить, какие данные являются исходными, что требуется получить на выходе и какими свойствами объекта можно пренебречь. Анализ объекта подразумевает четкое выделение моделируемого объекта и его основных свойств. Второй этап — формализация задачи связан с созданием формализованной модели, то есть модели, записанной на каком-либо формальном языке. Например, данные переписи населения, представленные в виде таблицы или диаграммы — это формализованная модель. Для решения задачи на компьютере больше всего подходит язык математики. В такой модели связь между исходными данными и конечными результатами фиксируется с помощью различных формул, а также накладываются ограничения на допустимые значения параметров.

Третий этап — разработка компьютерной модели начинается с выбора инструмента моделирования, другими словами, программной среды, в которой будет создаваться и исследоваться модель. От этого выбора зависит алгоритм построения компьютерной модели, а также форма его представления. В среде программирования это программа, написанная на соответствующем языке. В прикладных средах (электронные таблицы, СУБД, графических редакторах и т. д.) это последовательность технологических приемов, приводящих к решению задачи.

Четвертый этап — компьютерный эксперимент включает две стадии: тестирование модели и проведение исследования. Тестирование модели- процесс проверки правильности построения модели. Тестирование должно быть целенаправленным и систематизированным, а усложнение тестовых данных должно происходить постепенно. Чтобы убедиться, что построенная модель правильно отражает существенные для цели моделирования свойства оригинала, то есть является адекватной, необходимо подбирать тестовые данные, которые отражают  р е а л ь н у ю ситуацию. Исследование модели К этой стадии компьютерного эксперимента можно переходить только после того, как тестирование модели прошло успешно, и вы уверены, что создана именно та модель, которую необходимо исследовать.

Пятый этап — анализ результатов является ключевым для процесса моделирования. Именно по итогам этого этапа принимается решение: продолжать исследование или закончить. Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. В этом случае необходимо корректировать модель, то есть возвращаться к одному из предыдущих этапов. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты компьютерного эксперимента не будут отвечать целям моделирования.