Автоматизация поддержки жизненного цикла изделий машиностроения

Конструкции машин непрерывно совершенствуются, а условия их эксплуатации — усложняются. Требования потребителей к качесгву изделий машиностроения растут. За XX в. точность изготовления некоторых элементов машин увеличилась почти в 2000 раз.

Качество современных машиностроительных изделий характеризуют, например:

• точность размеров основных поверхностей деталей — до 3-го квалитета;

• допустимые отклонения формы поверхностей деталей: от плоскостности 0,2...2,0 мкм, от крутости 0,2... 1.0 мкм;

• шероховатость поверхностей деталей Ra 0,1...0,0075 мкм.

Технологические решения, принятые при ТПП, определяют эффективность производства, а время, затрачиваемое на ТПП —

суммарную длительность ПТЦ и соответствующие затраты. Анализ отображенных на рис. 1.4 тенденций показывает следующее:

• наблюдается объективный рост длительности ПТЦ, которую определяет постоянно увеличивающаяся длительность ТПП;

• непрерывно увеличивается длительность этапа разработки конструкций изделий, которые становятся все более наукоемкими — для их создания

Усложнение конструкций изделий машиностроения, рост требований к их качеству, усложнение условий их эксплуатации, необходимость сокращения длительности ПТЦ требует принятия сложных и эффективных решений в минимальные сроки. Это возможно лишь при автоматизации процесса принятия (поддержки) решений, что нашло отражение в появлении нового класса автоматизированных информационных систем — систем поддержки решений (Decision Support Systems — DSS). Системы поддержки решений ориентированы не на полную автоматизацию функций лица, принимающего решения, а на предоставление ему необходимой информационной или даже интеллектуальной помощи в поиске наилучшего, наиболее эффективного в заданном смысле решения. Современные информационные технологии дают принципиальную возможность создания интегрированной системы поддержки решений для всего ЖЦИ. Последнее нашло отражение в pазработке, так называемых, CALS-технологий (Computer Aided Acquisition and Life-Cycle Support — CALS) переводится как «информационная поддержка жизненного цикла изделия».

СALS-технологии — современные информационные технологии, обеспечивающие автоматизированную поддержку решений на отдельных этапах ЖЦИ, а также информационную интеграцию всех этапов. Впервые концепция CALS возникла в середине 70-х гг.20 века в оборонном комплексе США в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие в процессе заказов, поставок и эксплуатации средств вооружения. Доказав свою эффективность,

CALS-технологии начали активно применяться в промышленноcти, расширяясь и охватывая все этапы ЖЦИ — от маркетинга до утилизации. Сегодня концепция CALS является глобальной стратегиейповышения эффективности процессов, выполняемых на этапах ЖЦИ за счет информационной интеграции и преемственности информации, порождаемой на всех этапах. Средствами реализации этой стратегии являются CALS-технологии, в основе которых лежит набор интегрированных информационных моделей —самого ЖЦИ и выполняемых в его ходе процессов, продукта (изделия),производственной и эксплуатационной среды и пр. Возможность совместного использования информации обеспечивается применением компьютерных сетей и стандартизацией форматов данных. Используют единую интегрированную модель изделия и его ЖЦИ, выступающих в роли источника информации для любых, выполняемых в ЖЦИ процессов. CALS-технологии состоят из набора приемов, методических и программных инструментов.

К методическим инструментам относят прежде всего комплект международных и национальных стандартов, регламентирующих представление изделия и его ЖЦИ на концептуальном и логическом уровнях. Использование стандартов обеспечивает интеграцию данных, относящихся к различным этапам ЖЦИ, за счет унификации их представления.

Чтобы достичь должного уровня взаимодействия промышленных, автоматизированных и информационных систем, требуется создание единого информационного пространства не только на отдельных предприятиях, но и, что более важно, в рамках объединения предприятий. Единое информационное пространство создается благодаря унификации как формы, так и содержания информации о конкретных изделиях на различных этапах их жизненного цикла.

Унификации формы достигают использованием стандартных форматов и языков представления информации при документировании и межпрограммных обменах. Унификация содержания, понимаемая как однозначная правильная интерпретация данных о конкретном изделии на всех этапах его жизненного цикла, обеспечивается разработкой приложений, закрепляемых в прикладных CALS-протоколах. Система международных CALS-стандартов весьма обширна и разветвлена. Центральное место в ней занимает стандарт ISO 10303 (STEP), определяющий средства описания (моделирования) промышленных изделий на всех этапах жизненного цикла.

Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается использованием в STEP языка EXPRESS, инвариантного к приложениям. Созданы единые информационные модели целого ряда приложений, получившие название прикладных протоколов.

Стандарт ISO 10303 состоит из ряда документов (томов), в которых описаны его основные принципы и язык EXPRESS, приведены методы реализации, модели и ресурсы как общие для приложений, так и некоторые специальные (например, геометрические и топологические модели, описание материалов, процедуры черчения, метод конечно-элементного анализа и т.п.), прикладные протоколы, отражающие специфику моделей в конкретных предметных областях, методы тестирования моделей и объектов. Удовлетворению требований создания открытых систем уделяется основное внимание — специальный раздел посвящен правилам написания файлов обмена данными между разными системами, созданными в рамках CALS-технологии.

Семейство отечественных CALS-стандартов значительно малочисленное. Среди принятых можно отметить группу стандартов «Системы автоматизации производства и их интеграция» включающую в себя:

■ГОСТ P ИСО 10303-1-99 «Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 1. Обшие представления и основополагающие принципы»;

■ГОСТ Р ИСО 10303-21- 99 «Системы автоматизации производственных данных и их интеграция Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 21. Методы реализации. Кодирование открытым текстом структуры обмена»;

■ ГОСТ Р ИСО 10303-41—99 «Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 41. Интегрированные обобщенные ресурсы. Основы описания и поддержки изделий».

Соблюдение CALS-стандартов устанавливает известные ограничения на принципы создания и применения программных средств, использующихся на различных этапах ЖЦИ: указанные средства должны быть CALS совместимыми, т.е. разработанными на общей (единой) методической базе. CALS-технологии не отвергают, в принципе, автоматизированные системы проектирования и управления, а являются средством обеспечения их эффективного взаимодействия. Поэтому интеграция автоматизированных систем на современных предприятиях должна быть основана на CALS-технологиях. Их внедрение требует освоения имеющихся технологий и CALS-стандартов, развития моделей, методов и программ автоматизированного проектирования и управления.

Системы автоматизации, использующиеся на различных этапах ЖЦИ, весьма разнообразны и включают соответствующие программные компоненты:

■ САЕ — Computer Aided Engineering (автоматизированные расчеты и анализ);

■CAD – Computer Aided Design (автоматизированное проектирование изделий);

■CAM - Computer Aided Manufacturing (автоматизированная технологическая подготовка производства);

■CAPP - Computer Aided Process Planning (автоматизированное проектирование технологических процессов);

■PLM – Product Life Cycle Management (управление жизненным циклом изделия) и др.

Современные САПР К (или системы CAD; CAE/CAD), обеспечивающие сквозное проектирование сложных изделий или, по крайней мере, выполняющие большинство проектных процедур, имеют модульную структуру. Модули различаются своей ориентацией на те или иные проектные задачи применительно к тем или иным типам устройств и конструкций.

Системы САМ призваны решать отдельные задачи проектирования ТП (построение операций; выбор оборудования, инструмента; оснастки и т.п.), а также обеспечивать подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ. Модули системы САМ часто входят в состав развитых (интегрированных) САПР, называемых системами CAD/CAM, или CAE/CAD/CAM. Основные функции современных систем САМсосредоточены, в основном, на автоматизации подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ.

Проектирование ТП изготовления деталей обеспечивают системы САРР, а сборки - системы СААР. Системы САМ, САРР, СААР относят к САПР ТП. Системы САРР и СААР могут входить в интегрированные САПР, например, системы CAE/CAD/CAM/САРР.

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения применяют системы управленияпроектными данными об изделии — системы PDM. Они и входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПP, например, CAD/CAM/CAPP/PDM.

Функции управления на промышленных предприятиях выполняют автоматизированные системы на нескольких иерархических уровнях.

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 функции, непосредственно связанные с производством. Они контролируют и используют данные, характеризующие состояние технологического оборудования и протекание ТП. Их чаще всего называют системами промышленной автоматизации.

На решение оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом ориентированы системы MES. Они близки по некоторым выполняемым функциям к системам ERP, POM, SCM, S&SM и отличаются от них оперативностью, принятием решений в реальном времени, причем важное значение придается оптимизации этих решений с учетом текущей информации о состоянии оборудования и процессов. Перечисленные автоматизированные системы могут работать автономно, и в настоящее время так обычно и происходит. Однако эффективность автоматизации будет заметно выше, если данные, генерируемые в одной из систем, будут доступны другим системам, поскольку принимаемые в них решения станут более обоснованными.

Более подробно с CALS-технологиями можно познакомиться в специальной литературе, например, в [1].

Обеспечивая информационную поддержку и интеграцию решений, принимаемых и реализующихся на различных этапах ЖЦИ, методический и программный инструментарий CALS-технологий прямо и непосредственно участвует в обеспечении качества изделий как в ПТЦ, так и в ЖЦИ в целом.

В основу разработки эффективных систем автоматизации ТПП должны быть положены следующие базовые принципы:

• комплексный подход к выполнению основных функций и решению основных задач ТПП;

• открытость системы, информационная интеграция с другими системами автоматизированной поддержки ЖЦИ, соответствие разрабатываемой системы CALS-стандартам;

• системы должны создаваться как совокупность ряда подсистем, работа которых подчинена общей цели. Подсистемы при работе взаимодействуют друг с другом, и, следовательно, каждая из них не должна разрабатываться независимо от других;

• система должна быть развивающейся, а развитие направлено на повышение ее эффективности путем сокращения сроков, повышения качества и экономии средств при разработке новых конкурентоспособных изделий.

Автоматизированные системы ТПП, в полной мере отвечающие представленным принципам и требованиям пользователей, в настоящее время еще не разработаны. Их создание представляет серьезную, актуальную научно-техническую проблему, которая еще не решена.

Состояние поддержки решений, принимаемых при выполнении отдельных функций и задач ТПП, различно (рис. 1.5). Наибольшие усилия прилагаются для автоматизации поддержки проектных технологических решений, прежде всего связанных с проектированием ТП и средств технологического оснащения, что нашло отражение в создании и промышленном применении соответствующих систем автоматизации: САПР ТП и САПР К.

Недостаточно высокий общий уровень современной автоматизации ТПП объясняется тем, что технологические решения, подчиняясь общим закономерностям принятия решений, имеют ряд особенностей, обусловленных:

• преобладанием в предметной области технологии машиностроения описательных форм представления знаний при минимальном числе вскрытых строгих аналитических зависимостей;

• сложной логикой суждения, взаимными влияниями различных факторов и большой размерностью задач, например, для автоматизации выбора режима резания необходимо определить более 1000 переменных различных типов;

• большой ролью знаний, полученных из опыта (эмпирических знаний), и наличием скрытых объективных законов и др.

.Большинство задач, выполняемых при ТПП, являются трудно- или неформализуемыми. Для их решения пока не могут быть предложены формальные (базирующиеся на использовании зависимостей, представляемых с помощью формул) алгоритмы. Алгоритм — строгая последовательность формальных процедур, выполнение которых гарантированно ведет к получению искомого решения. Все сказанное в полной мере относится к проектированию ТП изготовления изделий, являющемуся важнейшей функцией ТПП.