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 малочисленнее. Среди принятых можно отметить группу стандартов «Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными», включающую в себя:
ГОСТ Р ИСО 10303-1—99. Часть 1. Общие представления и основополагающие принципы»;
ГОСТ Р ИСО 10303-11—2000. Часть 11. Методы описания. Справочное руководство по языку EXPRESS»;
ГОСТ Р ИСО 10303-12—2000. Часть 12. Методы описания. Справочное руководство по языку EXPRESS-1»;
ГОСТ Р ИСО 10303-21—99. Часть 21. Методы реализации. Кодирование открытым текстом структуры обмена»;
ГОСТ Р ИСО 10303-41—99. Часть 41. Интегрированные обобщенные ресурсы. Основы описания и поддержки изделий»;
ГОСТ Р ИСО 10303-45—2000. Часть 45. Интегрированные обобщенные ресурсы. Материалы».
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.
г). Системы автоматизации проектирования
Системы автоматизации, использующиеся на различных этапах ЖЦИ, весьма разнообразны и включают соответствующие программные компоненты:
• САЕ — Computer Aided Engineering (автоматизированные расчеты и анализ);
Можно отметить следующие направления систем автоматизации.
Современные конструкторские 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/САМ, или CAE/CAD/CAM. Основные функции современных систем САМ сосредоточены, 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 управления проектными данными об изделии — системы PDM. Они либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР, например, CAD/CAM/CAPP/PDM.
Функции управления на промышленных предприятиях выполняют автоматизированные системы на нескольких иерархических уровнях. Автоматизацию управления на верхних уровнях от корпорации (производственных объединений предприятий) до цеха осуществляют системы ERP или MRP-2.
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. Для выполнения диспетчерских функций (сбора и обработки данных о состоянии оборудования и ТП) и разработки программного обеспечения для встроенного оборудования в состав рассматриваемых систем вводят систему SCAD А.
Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы CNC на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), встроенных в технологическое оборудование.
На этапе реализации продукции выполняют функции управления отношениями с заказчиками и покупателями, проводят анализ рыночной ситуации, определяют спрос на планируемые к выпуску изделия. Эти задачи решают с помощью систем CRM. Маркетинговые функции и управление обслуживанием иногда возлагают на систему S&SM.
На этапе эксплуатации применяют специализированные компьютерные системы, для проведения ремонта, контроля и диагностики эксплуатируемых изделий. Обслуживающий персонал может использовать интерактивные учебные пособия и технические руководства, а также программы автоматизированного поиска неисправностей, средства дистанционного консультирования и программы автоматизированного заказа деталей взамен отказавших.
Функции некоторых автоматизированных систем часто перекрываются. В частности, это относится к системам ERP и MRP-2. Управление маркетингом может быть «поручено» как системе ERP, так и системе CRM или S&SM.
На решение оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом ориентированы системы MES. Они близки по некоторым выполняемым функциям к системам ERP, PDM, 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.
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.
д). Основные принципы при разработке систем автоматизации ТПП
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.
Рис. 1.4 Оценка полноты автоматизации основных функций ТПП.
Состояние поддержки решений, принимаемых при выполнении отдельных функций и задач ТПП, различно (рис. 1.4). На рисунке заштрихована доля трудоемкости работ, выполняемых в автоматизированном режиме. 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 1 000 переменных различных типов;
• большой ролью знаний, полученных из опыта (эмпирических знаний), и наличием скрытых объективных законов;
• необходимостью взаимодействия при принятии решений со сложными информационными потоками, состоящими из большого числа переменных различных типов, раскрывающих сущность технологии (характеристики оборудования, инструмента, оснастки; параметры режимов резания; данные о свойствах материалов и т.д.);
• итерационным характером процесса принятия технологических решений: решение обычно формируется путем последовательного приближения к наиболее приемлемому для заданных условий результату.
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.
1.1.3. Современное состояние автоматизации проектирования
технологических процессов изготовления машин
Системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) изготовления изделий машиностроения способствуют выполнению важнейшей функции при поддержке решений, принимаемых и реализующихся в ЖЦИ (см. рис. 1.1). Эти системы должны обеспечивать:
• проектирование ТП изготовления деталей;
• подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ;
• проектирование ТП сборки изделий.
Основная идея, положенная в основу автоматизации проектирования ТП, может быть сформулирована следующим образом:
1. Задается (и вводится в автоматизированную систему) информация о конструктивно-технологических параметрах предмета производства (детали, сборочной единицы, изделия), данные о производственных условиях и ресурсах, об объеме выпуска изделий и т.д.
2. Система должна обеспечить проектирование ТП и выдачу в заданных форматах проектные решения, пригодные для реализации в заданных производственных условиях, при минимальном приложении интеллекта специалиста. Качество полученного проектного решения должно быть не ниже, чем при его формировании специалистом соответствующей квалификации.
Изготовление конкретного изделия всегда осуществляют по единичному ТП. Поэтому, спроектированный с помощью рассматриваемой системы процесс чаще всего должен быть единичным. Проектирование единичного процесса может осуществляться либо только на основе описания конструктивно-технологических параметров предмета производства (индивидуальное проектирование), либо на основе ТП-аналогов (типовых и групповых). В соответствии с этим, различают САПР ТП, обеспечивающие автоматизированный синтез структур единичных процессов и САПР ТП, использующие ТП-аналоги. Однако и в последнем случае, результатом работы системы является единичный ТП.
Исторически усилия большинства исследователей и разработчиков направлялись на создание САПР ТП изготовления деталей. Теория и практика автоматизации проектирования ТП изготовления деталей наиболее разработаны. Вместе с тем в настоящее время практически отсутствуют полноценные системы, позволяющие осуществлять автоматизированный синтез единичных ТП (прежде всего — маршрутных) на основании конструктивно-технологических моделей детали и исходной заготовки. Это объясняется сложностью, наличием трудноформализуемых этапов проектирования ТП, недостаточной разработанностью теории синтеза структур сложных систем. Однако объективная потребность в автоматизации синтеза структур ТП неуклонно возрастает, что объясняется:
• необходимостью постоянного поиска новых технологических решений, позволяющих повысить конкурентоспособность изделий;
• желанием получать альтернативные варианты ТП с последующим их отбором и оптимизацией;
• стремлением максимально адаптировать ТП к изменениям производственной ситуации (нарушения заданного процесса, выход из строя оборудования, внесение изменений в конструкцию изделия и ТП) с целью гарантированного обеспечения качества изделия.
В последнем случае автоматизированный синтез ТП применяют не только для проектирования при ТПП, но и при непосредственном производстве для обеспечения качества технологических решений при их реализации.
Особенно актуально создание синтезирующих САПР единичных ТП изготовления деталей для производственных систем многономенклатурного (единичного и среднесерийного) производства.
В мировом машиностроении около 85 % всех предприятий являются предприятиями именно с единичным и среднесерийным производством, причем доля этих предприятий постоянно увеличивается. Машиностроение становится все более многономенклатурным — это одна из основных тенденций его современного развития. На долю индивидуального проектирования единичных ТП изготовления изделий машиностроения приходится до 60 % объема всех задач проектирования ТП. Около 40 % приходится на долю задач проектирования, решаемых с использованием ТП-аналогов.
Любая производственная система обладает ограниченными технологическими возможностями и ресурсами. Автоматизация синтеза единичных ТП позволяет в максимальной степени учесть имеющиеся производственные ресурсы и наиболее эффективно использовать их. Синтезирующие САПР единичных ТП должны:
• удовлетворять основным принципам построения систем автоматизации ТПП;
• обеспечивать формирование единичных ТП (включая маршрутную и операционную технологию) изготовления деталей, независимо от класса последних, а лишь на основании их конструктивно-технологических характеристик, требований к качеству, данных об условиях изготовления и использующихся при этом ресурсах;
• обеспечивать выдачу результатов проектирования в форматах, указываемых поль- зователем и соответствующих требованиях ЕСТПП.
В основу создания САПР ТП изначально были положены идеи формализации процедур проектирования и, в целом, копирования действий человека—технолога—проектировщика ТП. Трудно- и не-формализуемые этапы проектирования предполагалось выполнять в режиме диалога проектировщика с системой. При разработке САПР зачастую игнорировалось принципиальное различие процессов формирования решений в результате алгоритмического (процедурного) выполнения некоторой задачи (например, расчета припусков на механическую обработку, определения штучного времени и т.п.) и решений, принятие которых невозможно без участия специалиста.
При создании синтезирующих САПР единичных ТП принцип копирования действий человека-проектировщика несостоятелен вследствие ряда причин:
• особенности мыслительной деятельности человека (зрительное распознавание и восприятие геометрических образов, ассоциативное мышление, умение мыслить по аналогии и т.д.) в настоящее время исследованы недостаточно. Формализуется, как правило, лишь малая часть внешних (результативных) проявлений этой деятельности. Оставшаяся часть, определяющая основное содержание указанной деятельности человека, находится вне возможностей современной формализации, что, естественно, резко обедняет возможности создаваемых систем;
• современные информационные технологии дают ряд возможностей и преимуществ, которыми не обладает человек: возможность практически мгновенного перебора и селекции огромного числа вариантов решений, методы обработки нечисловой информации (ассоциативный выбор в базах данных, обработка списков и т.д.).
Это позволяет организовать процедуры, не выполняющиеся человеком при неавтоматизированном проектировании ТП, но способствующие при автоматизации проектирования достижению его целей. Отказ от копирования действий человека при работе САПР ТП снимает многие ограничения, накладываемые на систему и действия ее разработчика, например, необходимость технологической понятности каждого из выполняющихся этапов создания системы. Вместе с тем апробированная общая последовательность выполнения отдельных этапов проектирования ТП должна быть сохранена при работе САПР ТП.
Дальнейшее совершенствование автоматизированного технологического проектирования прямо зависит от решения проблемы автоматизированного синтеза структур технологических объектов, в частности, ТП. Создание полноценных автоматизированных систем синтеза единичных ТП позволит оснастить производственные системы мощными средствами поддержки технологических решений, функционирующими в режиме реального времени производственной системы. Приближенные оценки соотношений долей трудоемкости проектных работ, выполняющихся в автоматизированном режиме при индивидуальном проектировании единичных ТП изготовления деталей, приведены в табл. 1.1. Эти оценки отражают современный уровень автоматизации проектирования указанных ТП и свидетельствуют о недостаточной разработанности САПР ТП, осуществляющих индивидуальное проектирование процессов изготовления деталей машин. Создание полноценных САПР ТП данного класса является делом будущего.
Таблица 1.1. Соотношение трудоемкости основных этапов
индивидуального проектирования единичных ТП изготовления деталей
Проектирование единичного ТП изготовления конкретной детали на основе аналогов выполняют по следующей схеме:
• проводят поиск ТП-аналога (обычно это типовой, реже — групповой ТП);
• выполняют корректировку ТП-аналога на основе сравнения конструкции и технологических параметров типовой и конкретной деталей, т. е. включают в базовый ТП-аналог дополнительные технологические операции или, наоборот, исключают ненужные.
В результате получают единичный ТП изготовления конкретной детали. Принципиальным отличием такого проектирования от индивидуального является замена процедуры создания (синтеза) структуры процесса поиском аналога и его корректировкой. Качество спроектированного ТП в последнем случае определяется качеством поиска аналога и его корректировки.
Методология создания САПР ТП на основе аналогов разработана значительно глубже, чем САПР ТП, осуществляющих автоматизированный синтез единичных процессов. Известен ряд примеров реализации САПР ТП данного класса, различающихся полнотой удовлетворения потребностей пользователя и построенных по единому принципу. Однако при создании подобных систем существует ряд нерешенных научно-технических задач, например:
• классификации — выделение необходимого и достаточного множества конструктивно-технологических признаков, на базе которых конкретная деталь с достаточной достоверностью может быть отнесена к определенному классу;
• выбора (коррекции) схем установки заготовок при выполнении технологических операций.
Подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ в настоящее время можно считать полностью автоматизированной подфункцией ТПП. Разработано значительное число систем автоматизированного программирования, позволяющих получать управляющие программы высокого качества независимо от используемого постпроцессора системы ЧПУ. Подготовку программ выполняют, как правило, в следующей последовательности:
• указывают модель постпроцессора системы ЧПУ;
• на специализированном языке описывают геометрию обрабатываемых на станке с ЧПУ зон заготовки и технологические параметры, соответствующие выполняемой операции;
• по окончании работы системы автоматизированного программирования контролируют полученную управляющую программу.
Системами автоматизированного программирования часто оснащают современные станки с ЧПУ. В этом случае система управления станком работает в мультипрограммном режиме, обеспечивая одновременно и управление станком по уже введенной про-
грамме, и подготовку новой управляющей программы.
Системы автоматизированного программирования иногда специализированы по технологическим методам, недостаточно универсальны по типам устройств ЧПУ. К нерешенным научно-техническим задачам, связанным с автоматизацией подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, можно отнести обеспечение качества обработки при подготовке управляющей программы. Прежде всего это автоматизация коррекции траектории относительного движения инструмента или режимов обработки с целью обеспечения заданного качества, в особенности при изготовлении сложных и ответственных деталей.
Автоматизация проектирования ТП сборки изделий в настоящее время является одной из наиболее актуальных, сложных и наименее разработанных проблем современного машиностроения. Число САПР ТП, поддерживающих проектирование процессов сборки, незначительно. Уровень автоматизации проектирования процессов сборки низок. Это объясняется следующими основными причинами:
• технологические методы сборки по своей сути, в частности – кинематически, сложны. Их практическая реализация отличается большим разнообразным действием, выполнение которых лежит за пределами возможностей современных средств автоматизации.
• процессы сборки имеют ветвящуюся (древовидную) структуру, их отличает исключительная многовариантность и возможность неожиданных для разработчика продолжений.
• сборка является завершающим этапом изготовления машины, поэтому требования к обеспечению качества (точности) приобретают особую остроту.
• методы обеспечения заданной точности сборки весьма разнообразны и слабо формализованы, строгие правила их эффективного применения отсутствуют.
• базовые методологические принципы и правила проектирования ТП сборки разработаны недостаточно, процесс проектирования зачастую носит творческий характер и не может быть реализован без участия специалиста.
Трудность формализации сборочных задач вызывает серьезные затруднения при разработке САПР ТП сборки. Интенсификация исследований в этой области желательно проводить на основе CALS – стандартов.
