Автоматизация проектирования управлением ЖЦП.

Лекция 6

Автоматизация проектирования управлением ЖЦП.

 

Системы конструкторского проектирования. Примеры, особенности и виды систем

В области проектирования и технологической подготовки производства (ТПП) изделий принципы ИПИ/CALS нашли свое отражение в создании ведущими западными разработчиками ряда программных систем, обеспечивающих комплексную поддержку этапов ЖЦИ на основе концепции PLM (Product Life-cycle Management – управление жизненным циклом продукта)., “PLM – это стратегический подход к ведению бизнеса, который использует набор совместимых решений для поддержки общего представления информации о продукте в процессе его создания, реализации и эксплуатации, в среде расширенного предприятия, начиная от концепции создания продукта до его утилизации – при интеграции людских ресурсов, процессов и информации”.

 

Aвтоматизированное проектирование управлением ЖЦП.

Системы CAD (computer aided design)

 

Представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов.

Сначала CAD-системы применялись лишь для трассировки печатных плат. Однако по мере развития технологии автоматизации проектирования базовые CAD отошли на второй план, а первое место заняли продукты, которые помимо физической трассировки выполняли моделирование и анализ. В результате, сейчас в электронном проектировании первую скрипку играет CAE, а CAD-системы, тесно интегрированные с CAE, занимают важное, но менее заметное положение.

Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение, используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования.

Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических прогpaмм для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа.

Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т.п.), поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах.

Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

 

Системы САD, анализ возможностей, тенденции развития. Примеры.

Рассмотрим интегрированный процесс параллельного проектирования мехатронных изделий.

В настоящее время на мировом рынке наукоемких промышленных изделий отчетливо наблюдаются три основные тенденции: повышение сложности и ресурсоемкости изделий; повышение конкуренции на рынке;

развитие кооперации между участниками жизненного цикла (ЖЦ) изделия (в т.ч., создание «виртуальных предприятий»).

Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. Синергия (греч.) – это совместное действие, направленное на достижение обшей цели). При этом принципиально важно, что составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми

свойствами.

Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. В широком смысле мехатроника изучает технические системы, агрегаты, машины и комплексы машин различного назначения с компьютерным управлением движением.

Главная методологическая идея мехатроники состоит в системном сочетании таких ранее обособленных научно-технических областей как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информационные технологии.

При традиционном проектировании машин с компьютерным управ-

лением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонент системы.

Развитие мехатроники как междисциплинарной научно-технической области помимо очевидных технико-технологических сложностей ставит и целый ряд новых организационно-экономических задач для современных предприятий, приступающих к разработке и выпуску мехатронных изделий.

Основные задачи:

• структурно-организационная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило, функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы.

• интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач,

• стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве мехатронных систем.

• подготовка «мехатронно-ориентированных» инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификация.

Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи.

Именно поэтому средние и малые предприятия, которые могут легко и

гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к

переходу к производству мехатронной продукции.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат

методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонент системы.

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению с

традиционными средствами автоматизации следует отнести:

• относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов,

• высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления,

• высокую надежность, долговечность и помехе защищённость, конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в

микромашинах),

• улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей,

• возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Рассмотрим алгоритм RFLP подхода, собирающего в одно целое Требования (Requirements), Функциональные (Functional), Логические (Logical), и Физические (Physical) определения изделия. Исходные данные: результаты предпроектного исследования, техническое задание на разработку.

Этапы реализации подхода:

1. Начало, анализ технического задания (ТЗ), формирование функциональной структуры.

2. Декомпозиция изделия на принципах мехатроники.

3. Формирование критериев качества проекта.

4. Формирование обще проектных решений (ОПР).

5. Разработка ОПР по устройству управления.

6. Определение ОПР по информационной системе.

7. Разработка ОПР по устройству управления.

8. Моделирование взаимных соответствий частей изделия в силу принятых ОПР.

9. Анализ результатов моделирования и коррекция ОПР по п. 3… п.7 данного алгоритма.

При отыскании обще проектных решений, будущее изделие целесообразно разбить на составные элементы, провести декомпозицию изделия.

Любая декомпозиция должна отвечать целям, с которыми она проводится.

Цели декомпозиции:

• упрощение анализа структуры изделия;

• применение типовых, апробированных методов синтеза;

• упрощение конструкции;

• повышение коэффициента стандартизации и/или унификации изделия;

• обеспечение технологических условий производства.

При декомпозиции должны учитываться принципы мехатроники, сформулированные выше. Например, разбиение устройства на механическую и электрическую части из условия разделения производства на механическое и электромонтажное цехи, наверняка приведет к нарушению принципов мехатроники и снижению качества изделия. Наиболее целесообразно разделение машины на модули движения, а модулей движения на характерные для мехатронных модулей движения сборочные единицы. Декомпозицию можно проводить на основании имеющегося опыта, известных аналогов и т.п., но наиболее объективна следующая схема.

 

На основании функциональной структуры ТЗ строится виртуальная

модель функциональных блоков. Виртуальный функциональный блок это

элемент, структурная единица изделия, которая выполняет группу функций проектируемого устройства. Например, для выполнения арифметическо- логических операций вводится блок "Процессор". Функции, выполняемые "Процессором" реально могут выполняться мультипроцессорной системой с иерархической или распределенной структурой, содержащей аналоговые, цифровые или конечно автоматные процессоры и т.п., но в виртуальной структуре вопросы технической реализации могут не рассматриваться. Затем виртуальная структура функциональных блоков преобразуется в архитектуру блоков, модулей узлов и т.п. которые рассматриваться как сборочные единицы будущего изделия.

Системотехника, научно-техническая дисциплина, охватывающая вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем (больших систем, систем большого масштаба, large scale systems).

При разработке сложных систем возникают проблемы, относящиеся не

только к свойствам их составных частей (элементов, подсистем), но также и к закономерностям функционирования объекта в целом (общесистемные проблемы); появляется широкий круг специфических задач, таких, как оп-

ределение общей структуры системы, организация взаимодействия между

подсистемами и элементами, учёт влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление системой и т. д.

По мере усложнения систем всё более значительное место отводится общесистемным вопросам, они и составляют основное содержание Системотехника Научной, главным образом математической, базой Системотехника служит сравнительно новая научная дисциплина — теория сложных систем.

Для сложных систем характерна своеобразная организация проектирования — в две стадии: макропроектирование (внешнее проектирование), в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом, и микропроектирование (внутреннее проектирование), связанное с разработкой элементов системы как физических единиц оборудования. Системотехника объединяет точки зрения, подходы и методы по вопросам внешнего проектирования сложных систем.

Макропроектирование начинается с формулировки проблемы, кото-

рая включает в себя по крайней мере 3 основных раздела:

• определение целей создания системы и круга решаемых ею задач;

• оценка действующих на систему факторов и определение их характеристик;

• выбор показателей эффективности системы.

Цели и задачи системы определяют, исходя из потребностей их практического использования, с учётом тенденций и особенностей технического прогресса.

 

Проектировщики сложных систем — специалисты широкого профиля, инженеры-системотехники, обладающие достаточными знаниями в конкретной области техники (например, в машиностроении, электронике пищевой промышленности, авиации), имеющие повышенную математическую подготовку, а также знающие основы вычислительной техники, автоматизации управления, исследования операций и особенности их практического применения. Помимо них в группу внешнего проектирования сложных систем обычно включают специалистов по системному анализу и математическому моделированию, а также инженеров, способных организовать взаимодействие между элементами системы.

Существенные особенности имеют испытания сложных систем. Натурный эксперимент в чистом виде используется только для оценки параметров важнейших элементов системы. В комплексных же испытанияхсистемы значительную роль играют имитационные модели. В частности, на их основе строят имитаторы воздействий внешней среды, генераторы фиктивных сигналов и сообщений, формируют реализации процессов функционирования элементов, участие которых в натурном эксперименте нецелесообразно.

На основании исходных данных для проектирования формулируют

потребность в новом изделии в виде предварительного набора технических

характеристик, параметров изделия.

Для решения вопроса об уточненных технических требованиях к вновь создаваемому изделию привлекаются следующие сведения:

• данные об устройствах, которые будут работать с вновь создаваемым

образцом;

• данные о необходимой доработке устройств, которые будут работать с вновь создаваемым образцом;

• степень влияния параметров вновь создаваемого образца на параметры процессов, в которых создаваемый образец будет участвовать;

• данные о среде, на которую ориентирован создаваемый образец;

• данные о влиянии новых качеств создаваемого образца на организационно-экономические параметры производства (коэффициент сменности, форму специализации, тип производства, систему оперативного планирования, материально-техническое снабжение и т.п.), быта или другой среды использования изделия;

• данные о социальных последствиях использования новых качеств проектируемого образца на производстве (потребность в квалификации персонала, требования к возрасту, образованию, стажу работы, измене-

ния в интенсивности труда, влияние на заработную плату и т.п.);

• данные о влиянии новых качеств создаваемого образца на существующие конструкции предметов труда и технологическую подготовку производства или другие параметры среды использования;

• данные о влиянии характеристик нового образца на компоновку или планировку среды использования, возможность их наладки и ремонта;

• данные о влиянии характеристик нового образца на параметры автоматизированной системы управления и других систем, обеспечивающих функционирование среды использования;

• данные о влиянии характеристик нового образца на безопасность жизнедеятельности в среде использования;

• данные о результатах социологических исследований по изделиям потребительского назначения;

• лимитная цена образца и лимитная стоимость проектирования.

В результате анализа этих сведений формируют

технико-экономическое обоснование создания нового образца;

• исходные данные для разработки технического задания на проектирование;

• заявку на проектирование или контракт.

Таким образом, суть мехатронного (системного) подхода заключается в тесной взаимосвязи указанных компонент на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его проектирования и маркетинга и заканчивая производством и эксплуатацией заказчиком.

Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машины, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве иэксплуатации машины.

 

 

Лекция 7

Лекция 8

 

Рассмотрим более подробно содержание ряда предметных областей CATIA V5.

Машиностроительное проектирование (Mechanical Design). Работая в рамках данной предметной области, пользователь CATIA V5 может решать следующий круг задач:

• твердотельное и каркасно-поверхностное моделирование деталей и сборочных единиц;

• формирование чертежно-конструкторской документации;

• простановка допусков и обозначений на модели с их контролем;

• импорт моделей призматических деталей с восстановлением дерева компонентов;

• проверка корректности и «лечение» импортируемой геометрии;

• проектирование формообразующих элементов пресс-форм и штампов;

• проектирование конструкции (пакетов) формообразующей оснастки;

• конструирование изделий из листового металла;

• проектирование сварных конструкций;

• проектирование сборок на основе каталогов и пользовательских биб-

лиотек;

• проектирование конструкций из листового металла в авиастроении;

• проектирование деталей из композитных материалов с использованием баз знаний;

• функциональное проектирование изделий из пластмасс (т.е. с учетом их назначения, на соответствующем семантическом уровне).

Таким образом, функциональность данной предметной области соответствует функциональности мощной CAD-системы, расширенной рядом специализированных приложений.

 

Программирование обработки на станках с ЧПУ (NC Manufacturing).

Функциональность данной области соответствует функциональности мощной САМ-системы. Работа в рамках этой области может быть охарактеризована следующими параметрами:

• Высокая эффективность программирования обработки за счет тесной интеграции построения и расчета траектории инструмента, верификации траектории и формирования управляющей программы;

• Эффективное управление изменениями за счет высокого уровня ассоциативности между проектированием детали, процессами ее обработки и используемыми ресурсами;

• Оптимизация траектории и сокращение времени обработки благодаря использованию возможностей высокоскоростной обработки (HSM);

• Простота в освоении за счет интуитивного пользовательского интерфейса;

• Высокий уровень автоматизации благодаря возможности использования типовых технологических решений и баз знаний;

• Уменьшение требований к подготовке технологов ЧПУ за счет наличия

спектра интегрированных приложений (токарная обработка, 5-

координатное фрезерование и др.).

Система обеспечивает построение траектории инструмента для фрезерной (2.5-, 3-, 4- и 5-координатной) и токарной обработки, ее симуляцию (реалистичную имитацию процесса обработки) и верификацию (контроль точности обработки), формирование управляющей программы для требуемой модели станка с ЧПУ.

Инженерный анализ (Analysis). Функциональность данной области соответствует функциональности САE-системы. Работа в рамках этой области может быть охарактеризована следующими параметрами:

• Интегрированное выполнение анализа: единый пользовательский интерфейс поддерживает CAE-функции в процессе проектирования;

• Не требуется преобразования геометрии: сокращается или устраняется необходимость преобразований из формата IGES или других форматов, что существенное сокращает цикл разработки;

• Взаимодействие «Конструктор/Расчетчик»: упрощается совместная ра-

бота конструктора и расчетчика (специалиста по инженерному анализу);

Простота в освоении: достигается благодаря интуитивному пользовательскому интерфейсу;

• Ассоциативность: связь анализа с геометрией существенно упрощает выполнение итераций в процессе проектирования;

• Использование знаний: обеспечивает учет имеющегося практического опыта и гибкость при выборе вариантов проектирования;

• Открытость для стандартных решений: решения CATIA V5 являются базисом для стандартных промышленных САЕ-решений (MSC, LMS, FTI, HKS, SAMTECH, MECALOG, ICEM).

 

Инженерный анализ (Analysis). Функциональность данной области соответствует функциональности САE-системы. Работа в рамках этой области может быть охарактеризована следующими параметрами:

• Интегрированное выполнение анализа: единый пользовательский интерфейс поддерживает CAE-функции в процессе проектирования;

• Не требуется преобразования геометрии: сокращается или устраняется необходимость преобразований из формата IGES или других форматов, что существенное сокращает цикл разработки;

• Взаимодействие «Конструктор/Расчетчик»: упрощается совместная ра-

бота конструктора и расчетчика (специалиста по инженерному анализу);

 

Системный синтез промышленных изделий (Product Synthesis).

Под системным синтезом понимается процесс проектирования на уровне функциональных требований к изделию. В CATIA V5 средствами системног синтеза, в частности, являются:

• Средства поддержки цифрового макета изделия (DMU – Digital MockUp);

• Средства формализации, хранения и использования корпоративных знаний;

• Средства обеспечения эргономичности изделия, использующие для решения задач виртуальную модель человека (манекен).

 

Цифровой макет изделия (DMU) содержит в своей основе сборочную модель изделия, которая «обогащена» различными дополнительными сведениями о проекте. Кроме того, при работе в среде DMU пользователю доступны не обычные команды моделирования, а функции «обогащения» и анализа модели изделия, а также оптимизации модели сборки. К таким функциям относятся:

• Добавление в проект различных приложений (сцен, видов, 3D-аннотаций, гиперссылок, фильмов и др.);

• Верификация проекта (контроль взаимопересечений объектов, анализ расстояний, сравнение объектов);

• Создание триангулированных «макетов» деталей / сборочных единиц и замещение 3D-моделей макетами для оптимизации работы с проектом (решение проблемы больших сборок);

• Визуализация сборки / разборки изделия;

• Анализ и реалистичная визуализация кинематики механизмов. Отметим, что DMU – это не просто «обогащенная» модель основной сборки, а «концептуализированная» модель, из которой исключены все второстепенные элементы, такие как геометрические компоненты построения деталей. Это достигается за счет использования специальных функций управления данными, содержащимися в предметной области Infrastructure.

Лекция 9

 

Управление производственными заданиями с

Литература.

1. Митрофанов С.П., Куликов Д.Д., Миляев О.Н., Падун Б.С. Технологи-

ческая подготовка гибких производственных систем. / Под общ. ред.

C.П. Митрофанова. Л: Машиностроение, 1987. – 352 с.

 

2. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких

изделий. CALS-технологии. М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. –

320 с.

3. CALS (Поддержка жизненного цикла продукции): Руководство по при-

менению. / Министерство экономики РФ; НИЦ CALS-технологий

"Прикладная логистика"; ГУП "ВИМИ", 1999. – 44 с.

 

4. Судов Е.В., Левин А.И. Концепция развития CALS-технологий в про-

мышленности России. М.: НИЦ CALS “Прикладная логистика”, 2002. –

130 c.

5. Интеграция данных об изделии на основе ИПИ/CALS-технологий.

Часть 1. – М.: “Европейский центр по качеству”, 2002. – 174 c.

 

6. Марка Д., Мак-Гоуэн К. Методология структурного анализа и

14. Гаврилов Д.А. Управление производством на базе стандарта MRP II.

СПб: Питер, 2002. – 320 с.

7. Верников Г.А. Стандарт MRP-II. Структура и основные принципы ра-

боты систем промышленного планирования ресурсов // READ ME, №3,

2000, c. 11-14, 19-21.

8. Петров А., Ганин И. Технология подготовки электронной эксплуата-

ционной документации в системе TGBuilder // САПР и Графика, 2003, с.

27-30.

9. Очередько С.А. Глобальная трансформация промышленного бизнеса и

новая концепция управления жизненным циклом изделия / Информаци-

онные технологии в наукоемком машиностроении. Компьютерное обес-

печение индустриального бизнеса. / Под общ. ред. А.Г. Братухина. –

Киев: Техника, 2001, c. 626- 646.

Лекция 6

Автоматизация проектирования управлением ЖЦП.

 

Системы конструкторского проектирования. Примеры, особенности и виды систем

В области проектирования и технологической подготовки производства (ТПП) изделий принципы ИПИ/CALS нашли свое отражение в создании ведущими западными разработчиками ряда программных систем, обеспечивающих комплексную поддержку этапов ЖЦИ на основе концепции PLM (Product Life-cycle Management – управление жизненным циклом продукта)., “PLM – это стратегический подход к ведению бизнеса, который использует набор совместимых решений для поддержки общего представления информации о продукте в процессе его создания, реализации и эксплуатации, в среде расширенного предприятия, начиная от концепции создания продукта до его утилизации – при интеграции людских ресурсов, процессов и информации”.