Информационная поддержка жизненного цикла изделия (PLM)

Компании, выпускающие сложную, наукоемкую продукцию, стремятся обеспечить непрерывную информационную поддерж­ку всех этапов жизненного цикла изделия. Под жизненным цик­лом изделия (Product Life (или Live) Management - PLM) подра­зумевают совокупность взаимосвязанных процессов создания и последовательного изменения состояния изделия от технико-экономического обоснования формирования исходных требова­ний к нему, дизайнерской проработки, конструкторской и техно­логической подготовки производства, ее изготовления, выпуска на рынок, сервисного обслуживания до окончания эксплуатации и утилизации.

Определенная часть производителей имеют значительные материальные затраты на техническое обслуживание в период действия гарантии. Избежать этого позволяет использование опыта, накопленного в данной области. Включение техническо­го обслуживания в систему управления жизненным циклом изде­лий представляет собой большой потенциал для компаний.

Технология управления жизненным циклом изделия в основ­ном применяется по отношению к сложной наукоемкой продук­ции высокотехнологичных предприятий. Полная автоматизация всех работ, связанных с жизненным циклом изделия, способствует снижению временных и материальных затрат на проектирование и изготовление выпускаемой продукции, сокращает время выпуска новых продуктов на рынок, обеспечивает повышение их качества.

В полное PLM-решение, по современным представлениям, входят CAD-CAM-CAE-PDM системы, которые связаны с проек­тированием изделия, технической подготовкой производства, с организацией планирования и моделирования производственных процессов, а также системы индустриального дизайна (Computer-Aided induct rial Design - CAID), цифрового производства (Digital Manufacturing - DM), поддержки эксплуатации, обслуживания и ремонта изделия (Maintenance, Repair and Operations or Overhaul -MRO). Основу управления жизненным циклом изделий состав­ляет общекорпоративная информационная система управления. В целях объединения информации об объекте в течение всего его жизненного цикла разработаны специальные средства накопле­ния, обработки и распространения информации.

По мнению аналитиков, эффективная организация управле­ния жизненным циклом изделия должна помочь предприятию быстрее организовать выпуск новой продукции, обеспечить рост его доходов за счет многократного использования проектов и за­мены физического моделирования на виртуальное, улучшить ка­чество продукции, ускорить выход ее на рынок.

Чтобы добиться преимуществ перед конкурентами, на раз­ных этапах жизненного цикла изделия, необходимо выполнить следующие работы:

- задать модификации изделия, управлять ими, отслежи­вать и повторно использовать их на протяжении жизнен­ного цикла изделия;

- синхронизировать процессы, требующие участия по­ставщиков и их доступа к той части информации об изде­лии, которая необходима для выполнения совместных работ;

- обеспечивать взаимодействие конструкторов, техноло­гов и производственников.

Концепция управления жизненным циклом изделия была предложена в 2000 г. альянсом IBM/Dassault Systems. В последние годы она регулярно рассматривается в печати и на многих между­народных конференциях, что сыграло важную роль в популяри­зации этой технологии. В целях объединения информации об объекте в течение всего его жизненного цикла разработаны спе­циальные средства накопления, обработки и распространения информации.

PLM-архитектура базируется на трех составляющих:

- инженерная - управление жизненным циклом изделия;

- производственная - управление процессами и ресурсами;

- обслуживания - работа с данными, хранящимися в опре­делённых спецификациях, используемых на различных стадиях жизненного цикла.

Инженерная составляющая связана с технической подго­товкой производства, производственная - с организацией планирования и моделирования производственных процессов. В совокупности все три составляющие отвечают за то, как спроектировано, изготовлено и как обслуживается конкретное изделие.

Системы управления жизненным циклом изделия включены в PLM-решения некоторых САПР. В качестве примера рассмот­рим систему управления информацией ЛОЦМАН:PLM. компа­нии «АСКОН». Она имеет в своем составе средства создания эле­ктронного архива документов, автоматизации документооборо­та, управления составом изделия и конфигурациями, формиро­вания отчетов и средства для расширения функциональных воз­можностей решения (макрокоманды и скрипты). Под­держка нескольких версий документов позволяет хранить раз­личные промежуточные варианты документа на всех стадиях жизненного цикла не только для одного изделия, но и для всей линейки продуктов.

Отечественные нормативные документы по этой теме приве­дены ниже:

- Р 50.1.029-2001. Информационные технологии под­держки жизненного цикла продукции. Интерактивные электронные технические руководства. Общие требова­ния к содержанию, стилю и оформлению.

- Р 50.1.030-2001. Информационные технологии под­держки жизненного цикла продукции. Интерактивные электронные технические руководства. Требования к ло­гической структуре базы данных.

САПР CATIA предлагает систему управления жизненным циклом изделия SMARTEAM. Устанавливая бизнес-совместимость производителей и покупателей, SMARTEAM улучшает структуру и организацию данных об изделии, упрощает методы и процессы, позволяет безопасно работать с партнерами.

По опубликованным данным внедрение систем PLM и PDM позволяет улучшить следующие показатели:

- сократить сроки проведения изменений на 40%;

- уменьшить длительность этапа подготовки опытных об­разцов на 15-30%;

- сократить время подготовки производства на 40%;

- увеличить производительность в проектировании на 25%;

- уменьшить время разработки изделия на 75%;

- уменьшить время согласования отдельных этапов проек­та примерно на 80%;

- уменьшить расходы и сократить время поставок;

- контроль выполнения поставленных целей;

- снизить себестоимость изделия за счет повторного ис­пользования проектных решений;

- значительно уменьшить время поиска необходимой ин­формации.

Широкому внедрению технологии PLM препятствует то, что информация о жизненном цикле изделия записывается в разные часто несовместимые системы и в большинстве случаев ее слож­но интегрировать в единую среду.

Рынок САП P/PLM, несмотря на все сложности процесса вне­дрения PLM-систем, демонстрирует устойчивую динамику роста на протяжении последних нескольких лет. По данным широко из­вестной консалтинговой фирмы CIMdata, Inc., в 2006 г. этот рынок достиг объема в 20.1 млрд долларов, к 2010 г. он приблизил­ся к 30 млрд долларов. В России доля продаж продуктов PLM со­ставляет около 5% продаж САПР, а за рубежом - около 25%. Это объясняется низким уровнем автоматизации проектирования.

CALS технологии

В информационной поддержке жизненного цикла изделий используются CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support) технологии. Их применение позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных се­тевых серверов, доступных любому пользователю технологий CALS. Существенно облегчается решение проблем ремонтопри­годности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специ­ализации проектных организаций и т.п. CALS-технологии при­званы обеспечить повышение качества продукции, быстрый воз­врат инвестиций, скорейший выход на рынок новых продуктов, и, в конечном счете, рост доходов самого предприятия за счет ин­теграции всей информации об изделии.

Предполагается, что развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных произ­водств, в которых процесс создания документации может быть распределен во времени и пространстве между многими органи­зационно-автономными проектными студиями. Среди несо­мненных достижений CALS-технологий следует отметить лег­кость распространения передовых проектных решений, возмож­ность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др.

В настоящее время организации, занимающиеся вопросами развития CALS-технологий, функционируют в США, Канаде, Великобритании, Германии, Японии, Швеции, Австралии и не­которых других странах. Например, в США CALS-технологиями занимаются такие всемирно известные организации как ASME (American Society of Mechanical Engineers), NIST (National Institute of Standards and Technology), ANSI (American National Standard Institute), IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), EIA (Electronic Institute of America), EPRl (Electric Power Research Institute) и другие.

Одним из ведущих в семействе специализированных CALS стандартов является стандарт STEP (Standard for Exchange of Product data - стандарт для обмена данными о промышленных изделиях). Он является информационным стандартом нового по­коления, который устанавливает единый формат представления данных об изделии в виде информационной модели. Модель из­делия включает геометрические данные, информацию о конфи­гурации изделия, сведения об изменениях, согласованиях и ут­верждениях. В стандарте STEP описаны основные принципы обмена дан­ными, изложены правила языка Express, методы его реализации, модели и методы тестирования моделей, средства описания (моде­лирования) промышленных изделий на всех стадиях их жизненно­го цикла. В соответствии со стандарт STEP должно выполняться создание многоуровневой иерархической информационной моде­ли (ГОСТ Р 10303, ISO 10303 STEP).

Оптимизация изделия в САПР

Оптимизация - это один из этапов процесса разра­ботки, то есть часть жизненного цикла продукта, а потому технологии оптимиза­ции также относят к средствам автоматизированного проектирования. В прин­ципе, весь процесс проектирования можно считать оптимизацией, потому что в этом процессе создается несколько альтернативных проектов, из которых выби­рается один лучший. Это утверждение становится верным, если понимать слово «оптимизация» в очень широком смысле. Однако обычно под оптимизацией по­нимается не выбор одной из нескольких альтернатив (таких, например, как за­клепка, болт и скоба), а скорее, выбор оптимального размера одной из них (на­пример, заклепки). Понимаемая в этом смысле оптимизация уже является частью процесса проектирования, а не самим этим процессом.

Оптимизация конструкции требует ее параметризации, дающей возможность рассматривать альтернативные конструкции, изменяя значения параметров. На­пример, при разработке цилиндрического сосуда для хранения газов под давле­нием параметрами были бы средний диаметр, толщина, высота и используемый материал. Различные наборы значений параметров будут давать разные сосуды. В зависимости от ситуации некоторые параметры могут не иметь степеней сво­боды из-за ограничений. Например, у нас может быть только один материал, так что для оптимизации сосуда остались бы только средний диаметр, толщина и высота. Мерой качества сосуда может быть максимально допустимое давление, поделенное на вес. Средний диаметр, толщина и высота будут варьируемыми параметрами конструкции. Можно попытаться найти оптимальное сочетание па­раметров, которое приведет к максимальному значению показателя качества. Показатель качества может быть выражен в виде функции параметров, если мы воспользуемся знаниями, полученными при изучении сопротивления материа­лов. Оптимизируемые параметры называются переменными оптимизации (opti ­ mization variables), а показатель качества, вычисляемый по этим переменным, называется целевой функцией (objective function). Очевидно, что переменные оп­тимизации и целевая функция выбираются конструктором в соответствии с тем, для чего предназначается его творение.

САПР сборочной единицы

    Прикладные задачи САПР в области проектирования сводятся к повышению точности, оптимизации и снижению трудоёмкости при создании сборочных единиц, деталей и рабочих чертежей изделия. Так же следует автоматизировать процесс создания элементов, параметры которых придётся существенно видоизменять в процессе проектировании и последующей оптимизации изделия. Для таких элементов необходимо сразу выявить и задать переменные, от которых будут зависеть их геометрические параметры. Так же рекомендуется максимально возможно использовать прикладные библиотеки, встроенные в графическую систему или создавать свои библиотеки часто используемых элементов изделия.

Часто при проектировании какого-либо механизма необходимо изменить число оборотов или направление движения кинематического элемента системы. Рассмотрим процесс проектирования одноступенчатого редуктора с использованием прикладной библиотеки «Редуктор 3D V2.3» графического редактора Компас 3D (класс ЭВМ кафедры «СХМ и О»).

Порядок подключения rtw -библиотеки:

§ после установки модуля, в среде KOMPAS на панели „Стандартная” нажмите кнопку «Менеджер библиотек».

§ в появившемся окне выберите команду контекстного меню „Добавить описание\прикладной библиотеки”, после чего появится диалоговое окно загрузки файла библиотеки, в котором необходимо найти и выбрать файл «reductor3Drus.rtw».

§ при запросе выбора режима работы лучше выбрать пункт «Меню».

Запускаем библиотеку. В появившемся окне производим выбор типа редуктора, который осуществляется нажатием кнопки с названием редуктора, либо нажатием на заголовок над панелью с расчётами. Изображение выбранного на данный момент редуктора показывается в цвете, двух других остаётся монохромным.

 

Вводятся исходные данные на панели «Исходные данные». Они включают в себя: крутящий момент на ведомом валу (Н·м); угловую скорость ведомого вала (рад./с.); передаточное число редуктора U (оно выбирается из раскрывающегося списка, в котором приведены рекомендованные ГОСТом значения для данного типа редукторов) и режим работы механизма. Справа от надписей крутящего момента и угловой скорости указываются их конструктивные границы, для которых программа корректно проведёт расчёт и построение. Сразу после ввода, программа автоматически рассчитает передачу (для этого нужно нажать Enter в поле «Угловая скорость ведомого вала» или произвести изменения в раскрывающемся списке выбора передаточного числа), приняв некоторые значения по умолчанию. Эти значения можно изменять для каждого типа редукторов отдельно.

Размеры крышек подшипников, самих подшипников, болтов, гаек, шпонок, значения передаточных чисел, модулей и др. рассчитываются по известным алгоритмам и согласовываются со стандартами и будут созданы в автоматическом режиме.

Цилиндрический редуктор

Цилиндрический редуктор может проектироваться для трёх типов зубчатого зацепления: прямозубого, косозубого и шевронного. Параметры, которые могут быть изменены конструктором во время проектирования, включают:

§  КПД зубчатой цилиндрической передачи, принимается 0,96...0,97;

§  коэффициент ширины зубчатого венца по межосевому расстоянию ψ_ba (для прямозубого зацепления ψ_ba = 0,25...0,4, для косозубого – 0,3...0,6, для шевронного – 0,4...0,8);

§  число зубьев шестерни z_ш = 18...30 (лучше принимать меньшие значения);

§  угол наклона линии зуба β (для прямозубого зацепления – 0º, для косозубого – 8...25º, для шевронного – 22...45º);

Эти параметры изменяются с помощью ползунков на панели «Расчёт параметров зубчатого зацепления».

Обратите внимание: не все комбинации названных параметров могут быть правильными. Критерием является величина действительных контактных напряжений в зубчатом зацеплении. Напряжения в точке контакта зубьев передачи должны находиться в пределах (0,9...1,0)·[σ_H] (где [σ_H] – допустимые контактные напряжения, МПа, которые рассчитываются программой в зависимости от исходных данных и выбранного материала зубчатых колес). Если σ_H выходит за границы указанного диапазона, то значение напряжений отмечается красным цветом. То же касается и напряжений изгиба зубьев шестерни и колеса (правда, превышение этими величинами допустимых напряжений бывает редко – основным считается расчёт на контактную прочность, а не на изгиб). Для того, чтобы действительные напряжения попали в заданный диапазон, нужно изменять какой-либо из параметров: u, ψ_ba, z_ш, β, или несколько из них одновременно, пока соответственная метка (σ_H) опять не закрасится синим цветом. При передвижении одного из ползунков при изменении u, ψ_ba, z_ш или β программа сама произведёт пересчёт всех величин с учётом внесенных изменений.

 

 

На панели «Материалы зубчатых колес» можно выбрать материал для зубчатых колес передачи, а на панели «Выбор подшипников качения» – тип подшипников (шариковые радиальные или радиально-упорные роликовые), которые будут установлены в редукторе. Проектируют опоры качения в таком порядке:

- намечают по эскизной компоновке расстояния между опорами (подшипниками) и закрепляемыми на валу деталями, определяют нагрузку на опоры;

- подбирают предварительно тип подшипника с учётом конструкции опоры качения, условий эксплуатации и монтажа;

- определяют расчётную долговечность подшипника, назначая ориентировочно его типоразмер, и составляют её с рекомендуемой;

- назначают в зависимости от требований, предъявляемых к работе опоры качения, класс точности подшипника, посадки на внутренние и наружные кольца (на вал и в корпус), а так же выбирают способ крепления колец подшипника;

- подбирают тип смазки, марку смазочного материала, конструкцию уплотнений;

- оформляют окончательно конструкцию опоры качения.

В конкретных условиях выбирать тип подшипника необходимо особенно тщательно, так как от этого зависят условия работы и ресурс не только подшипников, но и сопряжённых с ними деталей (например, зубчатых колёс).

Например, шариковые однорядные подшипники предназначены для восприятия в основном радиальной нагрузки, но могут воспринимать и небольшие осевые нагрузки (до 30% от радиальной). Удовлетворительно работают при перекосе колец не более 8’.

В данной прикладной программе подбор типоразмера подшипников производится автоматически по диаметру участка вала под подшипник и проверяется на долговечность. Если долговечность подшипника получена недостаточной, диаметр участка вала под подшипник увеличиваем, и затем заново просчитывается подшипник.

После этого переходим к построению редуктора, для чего следует нажать кнопку «Начать построение» в правом нижнем углу панели расчётов. Появится диалоговое окно «Параметры построения и сборки», в котором следует выбрать директорию для сохранения промежуточных и окончательных результатов построения; есть возможность отредактировать файл с данными о спроектированном редукторе (или вообще запретить создание такого файла); а также есть закладка для выбора режимов построения и сборки (создание сечений, разрезов и др.).

 

 

 

Рис 4.1. Параметры

выбора разреза

 

На следующем скриншоте приведен результат работы библиотеки для таких данных: М = 1500 Н·м, ω = 12 рад/с., u = 4, режим работы – тяжелый, тип зубчатого зацепления – шеврон, ψ_ba = 0,63, z_ш = 18, β = 22º, полная сборка, разрез №3 (рис.4.1).

Если требуется изменить какой-либо конструктивный параметр детали, выбирается сохранённая модель детали и дорабатывается с учетом требований к ней.

 

Рис.4.2. Результат расчёта

цилиндрического редуктора

Конический редуктор

Конструктивные параметры конического редуктора, которые могут быть изменены:

§ КПД зубчатой конической передачи, 0,95…0,96;

§ число зубьев шестерни z_ш = 18...30.

 

Требования к проектному расчёту конического редуктора такие же как и к цилиндрическому: значения действительных контактных напряжений в зацеплении не должно выходить за пределы (0,9...1,0)·[σ_H]. Это достигается изменением перечисленных выше параметров.

Все остальные величины рассчитываются программой самостоятельно. После выбора материала и типа подшипников можно приступить к построению. По умолчанию для конического редуктора приняты роликовые подшипники, так как установка шариковых радиальных подшипников нежелательна из-за присутствия значительных осевых сил. При выборе шариковых подшипников программа выдаст сообщение о том, что этот тип подшипников не рекомендуется для такого редуктора, но оставит пользователю право выбора: продолжить работу с шарикоподшипниками или перейти к роликовым.

Вариант построения зубчатого конического одноступенчатого редуктора (М = 500 Н·м, ω = 25 рад/с, u = 3, режим работы – средний, z_ш = 19, η = 0,96, полная сборка, разрез №1) показан на следующем рисунке (рис.4.3).

 

 

Рис. 4.3. Результат расчёта

конического редуктора

Червячный редуктор

Этот тип редуктора имеет наибольшее количество параметров для редактирования.

Сначала выбирается размещение червяка (верхнее или нижнее), потом задается ориентировочное значение КПД червячной пары, после чего нужно изменять степень точности передачи, число заходов червяка z_ч, коэффициент диаметра червяка q до тех пор, пока значение σ_H не попадёт в допустимый диапазон (соответственно, метка σ_H должна быть синего цвета). Значения этих параметров изменяются с помощью ползунков или раскрывающихся списков на панели «Расчёт параметров червячного зацепления».

Общие рекомендации по подбору параметров:

§ если модуль червячного колеса m выделен красным цветом, это означает, что он превысил наибольший стандартный модуль. В этом случае необходимо принять большее передаточное число U на панели «Исходные данные» или увеличить число заходов червяка z_ч;

§ число зубьев колеса z_к должно быть большим 26. Если z_к < 26, необходимо увеличить число заходов червяка до 2 или 4;

§ если после этого действительные контактные напряжения всё еще находятся за пределами допустимых, можно увеличить степень точности передачи n_ст. В случае, если n_ст и так уже равен максимальному значению 8 (в этой программе), нужно постепенно увеличивать коэффициент диаметра червяка q;

§ если ни одно из приведенных указаний не помогает, лучше всего выбрать другой материал и повторить всё сначала.

Аналогичные действия следует выполнять и тогда, когда стрела прогиба превысит допустимое значение и соответственная метка подсветится красным цветом (как правило, при этом достаточно просто увеличить передаточное число U).

После подбора всех величин можно подогнать ориентировочное значение КПД под расчётное для уточнения расчёта. Подшипники и шпонки подбираются автоматически. Выбор шарикоподшипников в червячном редукторе невозможен.

 

 

Рис. 4.4. Результат расчёта червячного редуктора

с угловым вырезом

 

Вариант построения червячного одноступенчатого редуктора (М = 2100 Н·м, ω = 3 рад/с, u = 14, режим работы – тяжелый, размещение червяка – верхнее, n_ст = 8, z_ч = 2, q =8, полная сборка, разрез №1) (рис.4.4):

Вариант построения червячного одноступенчатого редуктора (М = 1700 Н·м, ω = 6,8 рад/с, u = 32, режим работы – лёгкий, размещение червяка – нижнее, n_ст = 8, z_ч = 1, q =8, полная сборка, без разрезов) (рис.4.5):

 

 

Рис.4.5. Результат расчёта

червячного редуктора