1. Cовременный подход к конструированию (cad/cam/cae/pdm)

В настоящее время на мировом рынке производства наукоемких изделий четко прослеживаются следующие основные тенденции:

• повышение сложности и ресурсоемкости изделий;

• расширение кооперации между участниками жизненного цикла изделия;

• повышение конкуренции на рынке.

Для решения указанных задач сформулирована концепция и созданы технологии PLM (Product Life Management), обеспечивающие:

1. электронный архив документации по изделию

2. рабочие процессы и документооборот

3. единую среду проектирования изделий (CAD/CAM/CAE)

4. единую систему управления проектом и структурой изделий (PDM)

5. единую среду поддержки жизненного цикла изделий (система PLM)

Технологии cad/cam/cae

Технологии CAD/CAM/CAE реализуются программными системами автоматизированного конструирования (CAD – Computer Aided Design), автоматизации технологической подготовки производства (CAM – Computer Aided Manufacturing) и автоматизации инженерного анализа (CAE – Computer Aided Engineering).

Технологии CAD/CAM/CAE – это современный подход к автоматизации проектно-конструкторской и технологической разработки изделия, который предполагает параллельную разработку или совмещение этапов разработки изделия. В рамках единого процесса объединяются проектирование и конструирование, инженерный анализ и технологическая подготовка производства в совокупности с маркетингом и работой с заказчиками.

Технология автоматизированной разработки изделий с совмещением этапов позволяет:

• существенно уменьшить стоимость и сократить время разработки изделия, в том числе затраты на конструкторскую и технологическую подготовку производства;

• исследовать большее число вариантов изделия и повысить степень проработки каждого варианта за счет учета большего количества факторов (технологических, экономических и т.д.) уже на ранних стадиях разработки изделия;

• успешно проводить оптимизацию конструкции по нескольким критериям;

• снизить конечную стоимость изделия и существенно улучшить его параметры;

• в короткие сроки эффективно решать любые частные задачи (трехмерная компоновка, расчет массово-инерционных характеристик и т.п.);

• эффективно использовать накопленный ранее опыт проведения проектно-конструкторских и технологических работ.

Главными особенностями технологии автоматизированной разработки изделий с совмещением этапов являются:

• иерархическая многоуровневая параметрическая трехмерная геометрическая компьютерная модель изделия (мастер-модель) как основа и главный результат проектно-конструкторской деятельности;

• автоматизированный выпуск технической документации (чертежей, спецификаций и т.д.) на основе мастер-модели и проектных данных;

• корректная взаимосвязь и эффективное управление всей совокупностью проектных данных и постоянный контроль над проектом;

• коллективная работа специалистов в интерактивном режиме с отслеживанием изменений в проекте и разграничением доступа в условиях распределенной обработки данных;

• совмещение нескольких проектных стадий на едином временном интервале (проектирование, конструирование, инженерный анализ, подготовка производства и т.д.), основой чего является единая мастер-модель;

• опережающая подготовка рекламных и иных материалов с целью эффективной работы с заказчиком и своевременного анонсирования продукции на рынке (маркетинг).

Организация работы над проектом (PDM)

В силу комплексного характера и наличия центрального эталона данных в виде мастер-модели изделия, процесс разработки с использованием технологий CAD/CAM/CAE предъявляет достаточно жесткие требования к характеру связей между отдельными исполнителями, так и целыми структурными подразделениями предприятия.

Для обеспечения непротиворечивости данных и осуществления эффективного управления ходом разработки используется специальная программная система управления данными проекта (PDM – Product Data Management), интегрирующая одну или несколько баз данных (возможно имеющих распределенную структуру) как с системой геометрического моделирования, так и с иными программными приложениями (аэродинамических расчетов, прочностного анализа, массово-инерционных расчетов, технологической подготовки производства и т.д.). Применение подобных систем эффективно при достаточно большом количестве параллельно работающих специалистов (не менее 10-15 человек).

Каждое из подразделений предприятия, каждая бригада разработчиков или даже отдельные инженеры работают с единой геометрической моделью создаваемого изделия или его элементов, причем эта геометрическая модель является базой для создания других математических моделей изделия, например функционально-ориентированных, используемых специализированными подразделениями (динамика, баллистика и т.д.). С этими же моделями могут работать и предприятия-смежники.

Единая геометрическая модель объекта имеет сложную иерархическую структуру и несколько степеней детализации. При этом каждый отдельный пользователь (инженер, бригада, подразделение, предприятие-смежник) могут параллельно работать как с отдельным конечным фрагментом общей совокупной геометрической модели (деталь, узел), так и с агрегированными объектами в виде сборочных моделей агрегатов, отсеков и изделия в целом. Специалисты одного и того же тематического подразделения имеют возможность работать одновременно с геометрическими моделями нескольких деталей, узлов или агрегатов проектируемого изделия. Различные по сложности работы выполняются на оборудовании разной производительности, на простом или сложном программном обеспечении, причем проект удешевляется за счет эффективного использования как дорогих, так и существенно более дешевых рабочих мест.

Программная основа предлагаемой технологии должна быть по возможности однородной, чтобы уменьшить неизбежные потери и погрешности в геометрических моделях, возникающие при преобразовании из одного формата в другой, для чего должны применяться системы геометрического моделирования, построенные на базе одного геометрического ядра (например, Parasolid) и обладающие средствами адекватного преобразования форматов данных геометрических моделей.

Тем не менее, в каждом подразделении могут применяться собственные программно-аппаратные средства, которые наиболее эффективны при решении поставленных перед подразделением задач. При этом максимальный локальный эффект могут дать самые разные средства. Проблема возникает с корректным объединением результатов работы с результатами деятельности смежных коллективов. Задача корректно решается на основе широкого применения современных информационных систем и систем геометрического моделирования (СГМ), имеющих единую математическую основу.

Программное обеспечение

Программное обеспечение подбирается в соответствии с общей технологией работ и кругом решаемых задач. Основные задачи, решаемые подразделениями предприятия, укрупненно можно разделить на следующие группы:

1. Управление проектом.

2. Задачи геометрического моделирования (от теоретических чертежей и трехмерных моделей до деталировок и рабочей документации).

3. Расчетные задачи (расчет массовых характеристик, прочностные расчеты, задачи динамики полета, баллистика, аэродинамика, надежность, обработка результатов экспериментов).

4. Задачи подготовки производства (разработка и создание необходимых технологических приспособлений, подготовка данных для производственных процессов — штамповка, литье, токарная обработка, фрезерование и т.д.).

5. Подготовка и оформление документации и делопроизводство.

Каждая из этих групп предполагает свой набор программных средств. Эти средства образуют единый программный комплекс. Обязательное условие интеграции программных средств – совместимость по данным между отдельными компонентами программного комплекса. Это означает, что данные, полученные в рамках решения одной задачи, могут быть использованы для решения следующих задач либо вообще без дополнительных преобразований, либо с помощью быстрой и эффективной процедуры преобразования форматов данных. Так, например, изображение геометрической модели изделия (группа геометрического моделирования) может быть вставлено в текст отчетной документации (группа делопроизводства).

Программное обеспечение каждой группы задач должно предоставлять специалисту весь необходимый инструментарий. При этом аппаратные средства (вычислительная техника на рабочих местах, средства ввода и вывода информации, сетевое обеспечение) выбираются в соответствии с потребностями программных средств и возможностями предприятия по закупке средств вычислительной техники.

Полный перечень необходимых программных и аппаратных средств определяется при разработке проекта автоматизации деятельности конкретного подразделения или всего предприятия в целом.

В качестве инструмента для координации и управления проектом используются PDM/PLM-системы, например, продукт Teamcenter фирмы Siemens. Такие продукты реализуют средства управления данными проекта с использованием баз данных типа Oracle, использующей язык запросов SQL и обеспечивающей построение гибридных баз данных.

Для решения задач геометрического моделирования (CAD) целесообразно использовать гамму современных программных продуктов разного уровня, отличающихся функциональностью и стоимостью рабочего места. Системы верхнего уровня (Unigraphics NX) экономически обосновано использовать для моделей сложной скульптурной формы и с большим количеством компонентов. Системы среднего уровня (Solid Edge) выгодно использовать на подавляющем количестве рабочих мест для разработки отдельных деталей. Системы нижнего уровня (AutoCAD) можно использовать в качестве вспомогательного программного обеспечения для создания эскизов и чертежей. Все используемые системы должны обеспечивать коллективную работу в распределенных системах в том числе и с удаленным доступом через глобальные сети или Интернет, что позволяет организовать работу в режиме так называемой «виртуальной корпорации».

Подготовка производства (CAM) требует сложного комплекса программных средств, создающих на основе геометрической модели программы для станков с ЧПУ (фрезерная, токарная обработка и т.п.), осуществляющих расчет параметров процесса литья, расчет и проектирование оснастки, составление технологических карт, статистический анализ точности изготовления и многое другое. Большая часть этих задач реализована в виде дополнительных модулей на основе системы геометрического моделирования верхнего уровня.

Для решения расчетных задач (CAE) на каждом предприятии, как правило, уже существует множество собственных, часто уникальных, программных наработок и готовых программных продуктов. Часть из них можно использовать без изменений, обеспечив передачу данных в распределенную вычислительную среду (сеть). Другие программы необходимо перенести в среду персональных рабочих станций (под средой понимается не только станция с ее операционной системой, но и пакет прикладных средств, используемых на рабочем месте или в сети). Средства переноса расчетных программ обычно предусмотрены в программном обеспечении, причем часть задач (например, метод конечных элементов для прочностных расчетов) уже реализована в приложениях для инженерного анализа, работающих на основе систем геометрического моделирования верхнего и среднего уровня.

В качестве среды для делопроизводства и подготовки документации может быть использован, например, комплекс программных средств фирмы Microsoft.

Все программное обеспечение должно функционировать в локальных вычислительных сетях, поддерживая тем самым процесс коллективной разработки проекта. Внутри комплекса программных средств существует несколько способов связи по данным – ссылочные файлы, конверторы форматов и др. Также используются распределенные базы данных, позволяющие полнее и эффективнее применять накопленный опыт работ.

Конструирование (CAD)

Трехмерная модель – основа проекта. Информационной основой технологии параллельной разработки изделия для всех участников проекта является геометрическая модель изделия — конструкторов, расчетчиков, технологов, менеджеров. Инструментальные средства моделирования используют единую геометрическую мастер-модель. Это значит, что одни и те же данные модели становятся доступными для создания программ для станков с ЧПУ, выполнения инженерного анализа, технологической подготовки производства, планирования процесса производства, выпуска документации и осуществления других функций.

Разработка внешнего вида. Программные средства предоставляют возможности для эскизного моделирования путем создания и изменения внешних форм, оценки качества поверхности и фотореалистичной визуализации. Возможность комбинирования растровых изображений и трехмерных геометрических моделей — это преимущество, которое позволяет промышленным дизайнерам создавать фотореалистичное изображение будущего изделия, в то время как другая часть проектной группы еще только ведет разработку и подготавливает его производство. Когда замысел изделия воплощен в фотореалистичном изображении, все участники проекта могут обсудить, доработать и утвердить внешний вид изделия уже на раннем этапе разработки.

Создание геометрической модели. Программное обеспечение для моделирования позволяет легко выполнять полное и точное геометрическое описание компонентов изделия и их сборку. Средства моделирования при этом обеспечивают ассоциативное и параметрическое конструирование, использование ассоциативных конструктивных элементов, анализ геометрических свойств, анализ пересечения элементов модели и оформление чертежей.

С помощью средств ассоциативного и параметрического конструирования можно за короткое время получить большое количество вариантов модели. Пользователи определяют связи между элементами формообразующих профилей, и через эти связи система геометрического моделирования интерпретирует требования пользователя, автоматически изменяя форму модели. Наличие средств ассоциативного и параметрического конструирования является обязательным для дальнейшей оптимизации конструкции изделия.

Однажды созданная, модель становится доступной для всех последующих операций. Так как каждая группа из коллектива, ведущего параллельную разработку, анализирует модель с различных точек зрения, то внесение изменений неизбежно. Благодаря объединению геометрических и других данных о модели в единую динамическую структуру, все вносимые изменения в модели приводят к автоматическому изменению соответствующих данных во всех связанных приложениях. Независимо от того, делаются ли изменения в модели конструкторами, расчетчиками, технологами или другими участниками проекта — программы для станков с ЧПУ, чертежи и другие информационно-связанные объекты обновляются автоматически. Такая ассоциативная взаимосвязь гарантирует непротиворечивость и актуальность модели, уменьшает время, требуемое для ручных модификаций.

Подготовка документации. Конструкторы могут легко подготавливать чертежи и иную проектно-конструкторскую документацию прямо на основе геометрических моделей. Взаимная ассоциативная связь между моделью и чертежом позволяет существенно сократить ручные операции при оформлении чертежей и технической документации. В случае необходимости, конструктор может извлекать необходимую информацию из электронного архива и использовать ее в качестве прототипа или справочного материала (например, технические требования и т.п.).

Макет изделия. Когда требуется точная физическая модель изделия, использование средств быстрого создания прототипа из полимера (стереолитография) позволяет разработчикам получить дешевую физическую модель за несколько часов или дней, вместо недель или месяцев ожидания при традиционных способах создания макета изделия. Возможность быстрого изготовления прототипов позволяет выявить ошибки и всесторонне оценить изделие до начала его производства.

Подготовка производства (CAM)

Технология позволяет устранить разрыв между проектированием и производством благодаря интеграции программных средств, решающих задачи CAD/CAM. При этом, работая напрямую с мастер-моделью, специализированные программные средства формируют траектории движения обрабатывающего инструмента, устанавливают плоскости обработки и генерируют другие данные, необходимые для изготовления детали. Если вносятся изменения в геометрическую модель, то автоматически изменяются и связанные с ними программы для станков с ЧПУ. Это позволяет составлять планы производства на ранних этапах разработки изделия и обеспечить возможность параллельной работы над проектом. Автоматизация процесса создания программ для станков с ЧПУ уменьшает вероятность ошибки оператора и обеспечивает существенное ускорение подготовки производства изделий и повышение качества изготовления деталей и всего изделия в целом.

Инженерный анализ (CAE)

Технология разработки формы изделия. В эффективном процессе параллельной разработки изделия инженерный анализ обеспечивает не только проверку допустимости проектного решения. Результаты анализа, начиная с первых шагов, определяют пригодность конструкции и обеспечивают непрерывную обратную связь между характеристиками изделия и технологичностью производства. Используя средства инженерного анализа для оценки конструкции с самого начала цикла разработки, можно своевременно принять решение об изменении конструкции и гарантировать надежность изделия в будущем. Для выполнения работ по инженерному анализу существует широкий набор средств численного моделирования и прогнозирования, включая анализ методом конечных элементов, кинематический и динамический анализ, оптимизацию конструкции, анализ литья пластичных материалов и т.д.

Средства инженерного анализа могут быть непосредственно применены к геометрической модели, исключая перекодирование данных. Такая тесная интеграция позволяет свести погрешности к минимуму, и кроме того, расчетная модель изделия автоматически отслеживает изменения, сделанные в геометрической модели. Результаты анализа можно представить в удобном, легко интерпретируемом виде, начиная от простого графика изменения характеристик и изолиний и заканчивая анимацией.

Анализ методом конечных элементов. При таком способе анализа конструкции программные средства обеспечивают автоматическую генерацию расчетной сетки, выполнение структурного анализа и представление результатов. Для программных средств, работающих в области анализа, необходимо предоставлять интерфейсы к таким популярным продуктам анализа методом конечных элементов, как ANSYS или NASTRAN, а также пользовательским расчетным программам.

Анализ влияния допусков. При выходе размера за допустимые пределы, деталь должна быть забракована, что приводит к увеличению издержек производства. Наличие программ для статистического анализа на стадии разработки конструкции позволяет избежать нежелательных расходов благодаря предсказанию возможных эффектов влияния допусков в процессе производства деталей.

Оптимизация конструкции. Применение параметризованной геометрической модели создает возможности для оптимизации конструкции, используя в качестве критериев массу или другие показатели. Система при этом берет на себя основную нагрузку по исследованию вариантов и нахождению оптимального решения на основе параметров геометрической модели, при заданных ограничениях и выбранной целевой функции. После выполнения расчета система автоматически модифицирует геометрическую модель в соответствии с данными анализа.

Анализ механических систем. Для моделирования поведения механической системы в целом необходимо использование средств анализа кинематики и динамики конструкции, которые помогут лучше понять взаимосвязи между элементами будущего изделия без построения дорогостоящего физического прототипа. Программное обеспечение, используя заданные связи, массы, направления движения и силы должно выполнять статический, кинематический и динамический анализ систем и механизмов, а также анализ пересечения деталей.