Характеристики CALS-технологий и их роль в автоматизированных машиностроительных производствах

Внедрение сетевых информационно-компьютерных технологий (ИКТ) на промышленных предприятиях позволяет им активно работать на рынке машиностроительной продукции в условиях жестокой конкуренции. Автоматизация технической подготовки производства обеспечивает возможность быстро реагировать на изменение спроса, в короткие сроки выпускать новые виды продукции, модернизировать производство и изготавливаемую продукцию, отслеживать жизненный цикл изделий и повышать их качество.

Применительно к машиностроению ИКТ используются в форме принятой во всем мире среды CALS / ИПИ-технологий. Обозначение CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support) означает компьютерное сопровождение и поддержку жизненного цикла изделий, русская аббревиатура ИПИ — информационную поддержку жизненного цикла. Процедуры отработки изделий, направленные на повышение их качества, надежности и технологичности, проводятся в рамках CALS -технологий. Они охватывают практически все сферы производственной, проектной и коммерческой деятельности. Общепринято, что технологические процессы на современном предприятии подвергаются сертификации.

Среда CALS -технологий очень обширна. Перечислим функции основных систем (рис. 1). Так, программные продукты CAD (Computer Aided Design)охватывают комплекс средств компьютерного проектирования, конструирования и 3 D -моделирования. Системы САМ (Computer Aided Manufacturing)относятся к технологической подготовке производства, охватывающей геометрическое моделирование и имитацию процессов автоматизированной механической и специальной обработки, а также разработку программ для оборудования с ЧПУ. При этом широко используются приемы прямой передачи программ числового управления непосредственно на станки с применением систем DNC (Direct Numerical Control)и локальных компьютерных сетей. Программные комплексы САРР (Computer Aided Process Planning)обеспечивают общую часть технологической подготовки производства — разработку маршрутных и операционных технологических процессов, расчет режимов и нормативных показателей обработки и сборки.

 

Рис. 2.3. Функции основных систем CALS -технологий машиностроительного предприятия

 

Системы САЕ (Computer Aided Engineering)представляют собой автоматизированные системы физико-математического моделирования технических и технологических процессов и инженерных расчетов. Моделирование осуществляется средствами прикладной математики с использованием сеток и конечных элементов разнообразной конфигурации применительно к пространственным геометрическим моделям изделий. Системы PDM (Product Data Management)предназначены для описания состава изделий и технических документов, управления проектами и техническим документооборотом, а также создания взаимосвязанных потоков работ.

Автоматизированные системы класса MRP (Manufacturing Resource Planning)и их дальнейшее развитие — MRP 2 включают в себя комплекс процессов управления ресурсами предприятия, т.е. его финансово-хозяйственной деятельностью, технологической подготовкой и планированием производства, материально-техническим снабжением и т.д. Автоматизированные системы ERP (Enterprise Resource Planning)представляют собой класс интегрированных компьютерных информационных систем, предназначенных для полного управления процессами производства. Системы СРС (Collaborative Product Commerce)предназначены для ведения совместного электронного бизнеса.

Системы ILS / ИЛП(Integrated Logistic Support), что означает интегрированную логистическую поддержку, предназначены для ведения эксплуатационного и ремонтного обслуживания изделий, а также поставки запасных частей. Такие системы весьма эффективно обеспечивают работоспособное состояние ГПС, ГПМ и других технологических систем. Одним из важных потребительских параметров технологических систем следует считать размер затрат на поддержание их жизненного цикла. Они складываются из затрат на разработку и производство изделия, ввод его изделия в эксплуатацию, собственно эксплуатацию и поддержание в работоспособном состоянии. Для технологических систем, имеющих длительный (10 — 20 лет) срок использования по назначению, затраты, возникающие на стадиях эксплуатации, превышают в 2 — 3 раза расходы на приобретение технологического оборудования. Сокращение затрат на поддержание жизненного цикла станков и другого технологического оборудования и обеспечение его надежности и долговечности — важная задача CALS /ИПИ-технологий. Компьютеризированный комплекс мероприятий, направленных на существенное уменьшение подобных затрат и повышение надежности технологических систем, выполняют системы ILS /ИЛП. Они в числе прочих функций обеспечивают наличие всей технической эксплуатационной и ремонтной документации в форме интерактивных электронных технических руководств, снабженных иллюстрированными компьютерными каталогами запасных частей и материалов. Системы ILS /ИЛП обладают инструментальными средствами заказа запасных частей и вспомогательных материалов по компьютерным сетям.

Технологии CALS представляют собой средство комплексной компьютеризации разработки, технической подготовки промышленного производства, эксплуатации и утилизации изделий на основе унификации моделей, спецификаций изделий и потоков данных. Эти самые современные технологии относятся к наиболее универсальным средствам информационного обмена и поддержания ЖЦ продукции. Они особенно эффективны при разработке конструкторской и технологической документации. Их использование в процессах технологической подготовки производства позволяет повысить производительность труда в несколько раз.

Применение CALS /ИПИ-технологий на машиностроительном предприятии обеспечивает управление проектами, информационными службами, объектами, моделями и массивами информации по единому стандарту, а также требуемое качество и оптимизацию объектов и процессов производства посредством изменения их конфигурации. Принятая методология наиболее приемлема в условиях рыночных отношений. Главным инструментом CALS -технологий следует считать SDE (Shared Data Environment) — среду совместно используемых данных, т. е. ЕИП.

Понятие CALS не следует смешивать со сходным понятием PLM (Product Lifecycle Management), которое также относится к компьютерной поддержке жизненного цикла изделия. Однако если CALS -технологии не привязаны к конкретным разработчикам CAD /САМ/САРР и других подобных систем, то системы PLM относятся только к определенному разработчику систем, пусть даже очень сложных с большой степенью охвата функций поддержки программных комплексов.

В интегрированных распределенных производственных средах круг задач значительно расширился и включил в себя разработку, проектирование, материально-техническое обеспечение, изготовление, эксплуатационную и логистическую поддержку и т. д.

Многообразие процессов в ходе обеспечения жизненного цикла продукции и необходимость их интенсификации требуют активного информационного взаимодействия предприятий и организаций — участников распределенных производственных сред. Значительную роль в этом играют виртуальные предприятия, функционирующие в распределенных производственных средах при широком использовании кооперативных связей. С увеличением числа участников распределенных производственных сред растет объем используемой и передаваемой информации. Имеется высокий уровень потребностей в создании интегрированной системы поддержания жизненного цикла изделия и систематизации информационного взаимодействия компонентов, значительная часть которых относится к процессам технологической подготовки производства.

Одно из основных преимуществ CALS /ИПИ-технологий реализуется в форме параллельного инжиниринга, который заключается в возможности совершенствования структуры и свойств изделий на любой стадии проектирования одновременно специалистами разных отраслей знаний. Например, конструктор может направить чертеж по электронным сетям специалисту в области прочности или, что не менее важно, технологу для анализа технологичности детали или сборочной единицы.

Технологии CALS /ИПИ предполагают непрерывную модернизацию (реинжиниринг) производственных структур и бизнес-процессов. К числу унифицированных технологий управления процессами относятся специальные структурированные методы, инвариантные по отношению к объекту (продукции), а именно непрерывное управление проектами и заданиями, ресурсами и качеством.

Технологии CALS /ИПИ основаны на целом ряде основополагающих международных стандартов, главным из которых является многотомный стандарт, который реализован в нашей стране в виде ГОСТ Р ИСО 10303. Концепции CALS отражены и в других международных стандартах.

Основой технической и технологической составляющих производственной CALS -среды являются интегрированные друг с другом СА D /САМ/САРР/САЕ/Р D М -системы, которые могут работать при поддержке систем управления проектами и заданиями типа PDM.

Применение CALS /ИПИ-технологий в процессах технической подготовки производства позволяет осуществлять параллельный инжиниринг при отработке изделий на технологичность и организации выпуска новых изделий, быстро разрабатывать технологические процессы с высокой степенью детализации на основе электронных конструкторских документов, качественно проектировать средства технологического оснащения в единой CAD / CAM / CAPP -среде, выполнять программное 3 D -моделирование или прототипирование изделий сложной конфигурации, формируя их из дешевых легкообрабатываемых материалов, осуществлять непосредственное проектирование программ для станков с ЧПУ, производить виртуальную компьютерную имитацию процесса обработки с изображением последовательного съема материала, выполнять технологические расчеты (вычислять точность обработки, режимы резания, нормы времени) и т.д.

Весьма значительное место в процессе технологической подготовки производства занимает 3 D -проектирование. Технолог имеет возможность увидеть 3 D -модель сложной детали в любой позиции и оценить сложность обработки. Такая модель удобна для выбора базирующих поверхностей, формирования маршрута обработки заготовки, построения технологических операций и конструирования приспособлений. Использование 3 D -модели значительно упрощает и ускоряет создание любой технологической документации для выполнения цикла обработки с более высокой степенью технологичности.

Одним из методов моделирования изделий является создание их физических прототипов из тех или иных материалов с помощью компьютера. Прототипы позволяют наглядно представить пространственные обводы изделий и имитировать дорогостоящую обработку. Их применяют при сборке геометрических макетов. С использованием прототипов упрощается создание сложных технологических элементов, штампов, пресс-форм, литейных моделей и т.д.

Существуют несколько методов прототипирования, связанных с применением стереолитографии, термоструйных принтеров и обработкой на станках с ЧПУ материалов с пониженной прочностью. Например, при помощи термоструйных принтеров производится послойное наращивание объема прототипируемого изделия посредством компьютерного управления струей нагретого жидкого полимера, который при остывании образует его рельеф с достаточно высокой точностью. При использовании САМ -систем ускоряется разработка программ для станков с ЧПУ в виртуальном режиме. Кроме того, возможна компьютерная визуальная имитация обработки в режиме движущихся изображений инструмента и удаления материала заготовки. При автоматической генерации программ обработки происходит взаимная привязка инструмента и вспомогательной оснастки (переходные втулки, оправки, державки и т.п.) по базирующим поверхностям станка посредством компьютерной сборки технологической системы.

Для решения задач технической подготовки производства существенно важной является система класса PDM, которая обеспечивает ведение функциональной структуры изделия с ее наглядным отображением и иерархической структуры архивов для хранения различных типов документов, функционирование подсистемы управления проектами, административное управление доступом, ведение конструкторских спецификаций и технологических ведомостей с целью управления данными об изделии и поддержания жизненного цикла, а также документооборота предприятия с организацией потока работ и др.

Компьютерные системы классов САМ и САРР выполняют основные функции технологической подготовки производства. Они позволяют разрабатывать маршрутные и операционные технологические процессы, вести материальные спецификации, обеспечивать материальное и трудовое нормирование, разрабатывать программы обработки для прямого управления СЧПУ, совместно с CAD выполнять прототипирование сложных изделий для поиска их оптимальной конфигурации. Наиболее широкое распространение на предприятиях России получили такие системы, как «T - FLEX -Технология» («Топ Системы»), «ТехноПро» («Вектор—Альянс»), TechCard («Интер-мех»), и др.

С помощью САРР -систем предоставляется возможность считывания данных с электронных макетов и чертежей, а также включения графических эскизов в карты технологического процесса. Эти системы обеспечивают связь с конструкторскими, т.е. CAD -системами, обладают специальными средствами организации сопряжения с любой PDM -системой ведения документооборота в процессе технологической подготовки производства и позволяют проектировать технологические процессы по различным технологическим переделам любых типов производств, выпускать полные комплекты технологической документации, производить расчеты норм времени, режимов обработки и потребностей в материалах. Эти функции могут выполняться при различных уровнях взаимодействия (диалоговый, автоматический, полуавтоматический),с пользователями при использовании баз знаний.