Автоматизация поддержки жизненного цикла изделий машиностроения

Конструкции машин непрерывно совершенствуются, а условия их эксплуатации — усложняются. Требования потребителей к качеству изделий машиностроения растут. За XX в. Точность изготовления некоторых элементов машин увеличилась почти в 2 000 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 округлости 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:

Рисунок 1.4 – Тенденции изменения соотношений:

а – длительности этапов разработки конструкций (Т_р.к), ТПП (Т_ТПП), производства (Т_п), НИР (Т_НИР); б – затрат на изготовление изделия (З_и) и выполнение ТПП (З_ТПП)

· 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 необходимо проведение все более возрастающего объема научно-исследовательских работ (НИР);

• затраты на ТПП непрерывно увеличиваются, их доля в сум­марных затратах на изготовление изделия также возрастает.

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 разработке, так называемых, CALS-технологий (Computer Aided Acquisition and Life-Cycle Support – CALS) переводится как «ин­формационная поддержка жизненного цикла изделия».

CALS-технологии – современные информационные технологии, обеспечивающие автоматизированную поддержку решений на от­дельных этапах ЖЦИ, а также информационную интеграцию всех его этапов. Впервые концепция CALS возникла в середине 70-х гг. XX в. 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 промышленно­сти, расширяясь и охватывая все этапы ЖЦИ — от маркетинга до утилизации. Сегодня концепция CALS является глобальной стра­тегией повышения 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 малочисленнее. Среди принятых можно отметить группу стандартов «Системы автоматизации производства и их интеграция» включа­ющую в себя:

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

ГОСТ Р ИСО 10303-21—99 «Системы автоматизации производ­ства 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»;

ГОСТ Р ИСО 10303-11—2000 «Системы автоматизации произ­водства и их интеграция. Представление данных об изделии и об­мен этими данными. Часть 11. Методы описания. Справочное руко­водство по языку EXPRESS»;

ГОСТ Р ИСО 10303-12—2000 «Системы автоматизации произ­водства и их интеграция. Представление данных об изделии и об­мен этими данными. Часть 12. Методы описания. Справочное руко­водство по языку EXPRESS-1»;

ГОСТ Р ИСО 10303-45—2000 «Системы автоматизации произ­водства и их интеграция. Представление данных об изделии и об­мен этими данными. 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 от­нойяи, 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 рас­
четы и анализ);

· CAD — Computer Aided Design (автоматизированное проектирование изделий);

· САМ — Computer Aided Manufacturing (автоматизированная
технологическая подготовка производства);

· САРР — Computer Aided Process Planning (автоматизирован­но проектирование технологических процессов);

· СААР — Computer Aided Assembly Planning (автоматизированное проектирование процессов сборки);

· PDM — Product Data Management (управление проектными
данными о продукте (изделии));

· PLM — Product Life Cycle Management (управление жизнен­ным циклом изделия);

· ERP — Enterprise Resource Planning (планирование и управле­ние предприятием);

· MRP-2 — Manufacturing (Material) Requirement Planning (планирование производства};

· MES — Manufacturing Execution System (производственная исполнительная система);

· SCM — Supply Chain Management (управление цепочками поставок);

· SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское управление производственными процессами);

· CMC — Computer Numerical Control (компьютерное числовое
управление);

· CRM — Customer Relationship Management (управление взаимоотношениями с заказчиками);

· S&SM — Sales and Service Management (управление продажа­ми и обслуживанием);

· СРС — Collaborative Product Commerce (совместный электронный бизнес).

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 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 состоянии оборудования и ТП) и разработки программного обеспечения для встроенного оборудования в состав рассматриваемых систем вводят систему SCADA. Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы 1NC 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, 3&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.

Рисунок 1.5 – Оценка полноты автоматизации основных функций ТПП (заштрихована доля трудоемкости работ, выполняемых в автоматизированном режиме)

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.