Интегрированные технологии CV

Определяющими факторами успеха в промышленном производстве сегодня и в обозримом будущем являются уменьшение времени выхода продукции на рынок, снижение стоимости и повышение качества. Практическая реализация этих требований требует модернизации проектно-технологических и производственных процессов как в рамках отдельных предприятиях, так и в условиях "расширенного предприятия", объединяющего всех поставщиков, соисполнителей и участников проектирования и производства продукции. На сегодняшний день наиболее радикальным средством решения задач модернизации является внедрение интегрированных информационных технологий на базе использования современных средств вычислительной техники и сетевых решений. К числу наиболее эффективных технологий, дающих весомый выигрыш в короткие сроки, принадлежат системы автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки (CAD/CAM/CAE-системы), а также системы управления проектными и инженерными данными предприятия (PDM-системы). В данной статье содержится изложение позиции компании Computer-vision в отношении проблемы модернизации технологий, оказывающих влияние на промышленное производство.

Большое значение при проведении автоматизации имеет выбор оптимальной стратегии внедрения систем. Решающую роль здесь играют цели, которые ставит перед собой предприятие, объем задач, подлежащих автоматизации, и конкретные особенности предприятий, важнейшими из которых являются уровень развитости информационной инфраструктуры и интеграция всех решений. В отличие от былой практики внедрения автоматизированных систем, сводившейся к автоматизации отдельных задач или этапов проектно-технологической цепочки, сегодня больше выигрывают те предприятия, которые внедряют системы в комплексе путем создания единой интегрированной информационной среды. Такая стратегия внедрения систем, решающих задачи реинжиниринга, сформулированные в ходе анализа проектно-технологической и производственной сфер предприятия вкупе с обеспечением необходимой интеграции внедряемых систем, обуславливает соответствующий выбор программных и технических средств.

Сейчас на рынке CAD/CAM/CAE/PDM-систем имеется большая гамма программных систем, занимающих определенные рыночные ниши как по функциональности, так и по степени охвата проектно-технологической и производственной сферы предприятия (рисунок 1).

На рисунке 1 по горизонтали выделены три градации систем, отражающие их концептуальную сущность. Не нуждаются в комментариях чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е годы и успешно применяются в ряде случаев до сих пор. Следующая градация - это системы, позволяющие создавать электронную модель объекта, которая, будучи представлена в трехмерном пространстве, дает возможность решения задач моделирования объекта вплоть до момента его изготовления. Сегодняшний уровень, которому должны соответствовать системы автоматизации, можно определить, пользуясь терминологией компании Computer-vision (далее CV), как "Полное электронное описание объекта" (EPD - Electronic Product Definition). EPD - это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла объекта, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. По вертикали показаны степени интеграции проекта - от конкретной задачи, решаемой отдельным проектировщиком, до проекта, выполняемого в рамках расширенного предприятия. Комплексное внедрение технологии EPD на всех уровнях, включая расширенное предприятие, обеспечивают, в частности, программные продукты CV - CADDS 5 и Optegra - систем управления проектными и производственными данными.

Интегральный комплекс CADDS 5

CADDS 5 - это интегрированная инструментальная программная среда для автоматизации процессов проектирования и технологической подготовки производства изделий машиностроения и объектов других отраслей промышленности. Она включает в себя более 85 отдельных программных продуктов, функционально охватывающих эскизное и рабочее проектирование, синтез геометрических моделей, инженерный анализ, разработку чертежно-конструкторской документации и подготовку производства. Продукты, входящие в CADDS 5, обеспечивают функциональную гибкость в применении к конкретным особенностям как предприятий, так и проектируемой и производимой ими продукции. Благодаря своим функциональным возможностям CADDS 5 позволяет выполнять проектно-технологическую разработку многих типов технических объектов, начиная от машиностроительных деталей, конструкций и отдельных изделий до таких сложных сборок, как автомобиль, корабль, морская буровая платформа или производственные предприятия нефтегазовой и энергетической отраслей.

Система CADDS 5 представляет собой целостную интегрированную среду интероперабельных инструментальных систем, способных функционировать на практически любых технических платформах аппаратных средств и взаимодействовать с другими прикладными программами, относящимися к области CAD/CAM/ CAE/PDM и c ЧПУ-оборудованием. В системе имеется возможность передавать и обрабатывать данные, полученные не только в модулях CADDS 5, но и созданные ранее в других CAD/CAM-системах. CADDS 5 позволяет в масштабах предприятия логически связывать информацию об изделии, обеспечивая быструю обработку и доступ к ней пользователей, работающих в разнородных системах. Она поддерживает технологию параллельной работы (Concurrent Engineering) различных проектно-технологических групп, согласованно выполняющих в рамках единой информационной модели операции проектирования, сборки, анализа, тестирования и проверки корректности модели изделия и подготовки его к производству. Создаваемая в системе модель, основанная на интеграции всех относящихся к ней данных, представляет собой реализацию основного компонента EPD.

Геометрическое моделирование в системе CADDS 5

Средства создания геометрических моделей представлены целым рядом связанных между собой модулей, имеющих различную функциональность.

Модуль параметрического конструирования Parametric Design обеспечивает функциональность для создания геометрической модели изделия с использованием методов параметрического каркасного, поверхностного и твердотельного моделирования. В модуль включены функции вариационной геометрии, эскизного черчения, решения уравнений, вывода изображений с затенением и раскраской, расчета масс-геометрических характеристик модели и ряд других. Также имеется возможность синтеза моделей с использованием конструктивных технологических элементов (Features). Этот механизм позволяет пользователю добавлять в модель отдельные компоненты как элементы формы, описываемые в терминах технологических процессов, например отверстия, канавки, пазы, шлицы, карманы и т. п. Это исключает необходимость многократного описания часто используемых технологических элементов конструкции, которые можно просто выбирать из поставляемой с данным модулем библиотеки конструктивных элементов, хранящихся в форматах стандарта STEP, или из собственной библиотеки.

Hybrid Modeler. Это модуль, обеспечивающий интеграцию параметрических и непараметрических методов каркасного, поверхностного и твердотельного моделирования. Модуль позволяет переходить от одного метода моделирования к другому в рамках единой модели и дает возможность сочетать как параметрические, так и явно заданные размеры.

NURBS Surface Design - реализация технологии неоднородных рациональных В-сплайнов (NURBS) для интерактивного проектирования сложных поверхностей. Благодаря высокой точности и гибкости обеспечивается механизм построения поверхностей любого уровня сложности.

Parametric Tolerance Modeling предназначен для параметрического моделирования допусков. Конструктор может выполнить оценку геометрической модели при различных значениях допусков и проверить ее свойства, варьируя номинальные параметры, с постепенным накоплением и фиксацией результатов для процессов анализа или последующей подготовки производства.

Table-Driven Design позволяет на базе созданной параметрической "материнской" модели или мастер-детали и таблицы параметров, содержащей обозначения различных размеров, создавать автоматически ряд вариантов детали.

Parametric Multipart Design - модуль параметрического многокомпонентного моделирования, который обеспечивает возможности эффективного моделирования сборки, включая учет ограничительных условий, накладываемых на пары деталей, входящих в сборку. Иными словами, обеспечивается связь параметров различных деталей одной сборки и простое ориентирование ("навигация") по структуре изделия. Пользователь может работать со сборкой с одновременным представлением геометрии деталей и иерархической структуры сборки в виде дерева. Работа данного модуля тесно связана с программными средствами CV по управлению проектными данными, включая создание документации, спецификаций и внесение изменений в ранее разработанные документы.

Concurrent Assembly Mock-Up (CAMU). Этот программный продукт является одним из основных компонентов концепции EPD и реализует технологию параллельного проектирования и работы с крупными сборками (до 100 000 и более элементов) в групповом режиме использования данных, предоставляя всем участникам проектно-конструкторского коллектива возможность одновременного и согласованного использования средств системы CADDS 5 для создания, анализа и модификации компонентов модели сборки изделия в целом. Модуль позволяет работать со сборками, в состав которых входят разнотипные компоненты, например параметрические модели деталей и модели с явно заданными размерами, модели деталей и подсборок, импортированные из других систем в стандартных форматах представления и обмена данными.

Модуль Physical Properties выполняет расчеты масс-геометрических характеристик, к которым относятся площади поверхностей, объемы трехмерных объектов, массы и центры тяжести, моменты инерции.

Средства инженерного анализа

В системе CADDS 5 имеется широкая гамма средств для инженерного анализа разрабатываемых конструкторских решений. Эти продукты интегрированы в среду CADDS 5, что обеспечивает прямой доступ к моделям для выполнения тех или иных расчетов.

StressLab - модуль прочностного анализа, позволяющий инженерам-конструкторам на базе метода конечных элементов (МКЭ) выполнить анализ и решать задачи линейной статики и динамики конструкций. Генератор сетки по МКЭ, расчеты и представление результатов интегрированы в рамках одного пакета. Данные, полученные в результате расчетов (МКЭ-модели), ассоциативно связаны с анализируемой геометрией, поэтому любое изменение в геометрической модели приводит к автоматическому пересчету этих данных. Конечноэлементные модели могут быть преобразованы в форматы MSC/NASTRAN, ANSYS, COSMIC NASTRAN, PATRAN, GTSTRUDL, нейтральный формат и/или переданы в другие системы инженерных расчетов. Также может быть осуществлена и обратная передача данных для использования в модуле StressLab. Результаты анализа представляются анимацией деформируемых структур и цветовым тоновым распределением напряжений в соответствии со шкалой.

Для интерактивного анализа и расчета теплопередачи при устойчивом состоянии объекта с учетом теплопроводности и конвекции служит модуль ThermaLab. Он также имеет встроенный генератор сеток по МКЭ для последующего использования при анализе тепловых полей. В модуле предусмотрены интерфейсы к системам NASTRAN, ANSYS, PATRAN, ABAQUS и STRUDL.

Модуль PlasticsLab служит для анализа заполнения форм пластическими материалами. В модуле осуществляется анализ пластической деформации и оценка технологичности изготовления деталей методом инжекционного литья. На основании модели, полученной в результате анализа тонкостенной структуры по методу конечных элементов, создается процесс заполнения литьевой формы искусственным пластическим материалом с анализом послойного заполнения с учетом изменения температур. Модуль SystemsLab дает возможность в интерактивном режиме, используя модель сборки, синтезировать ее кинематическую модель, в которой определяются различные типы сочленений ее частей.

Принципиально важным модулем является Design Optimizer, реализующий технологию получения оптимальной модели с помощью автоматизированного итерационного процесса (в стиле "что-если"). Используя механизм решения связывающих уравнений, конструктор может оптимизировать такие параметры, как: масса, объем, площадь поверхности, моменты инерции, центр тяжести или определенные пользователем переменные. Эти процедуры обеспечивают при последующем производстве изделий снижение материалоемкости продукции, простоту изготовления и поддержку требуемых эксплуатационных показателей. Работая в среде параметрического конструирования системы CADDS 5, пользователь определяет целевую функцию, указывает изменяемые параметры и задает, в случае необходимости, связывающие условия. Далее осуществляется соответствующая настройка и запускается автоматический процесс. Design Optimizer последовательно просматривает различные варианты конструкции, приближаясь к оптимальному решению.

Средства разработки чертежной документации

В состав CADDS 5 входит модуль Drafting, представляющий собой полный набор программных средств для решения задач трехмерного каркасного моделирования и разработки чертежной документации. Модуль поддерживает основные чертежные стандарты - ЕСКД, ANSY14.5, JIS, ISO, DIN, GD&T и DoD MilSpec. Данный модуль может использоваться автономно или в среде продуктов CADDS 5.

С помощью модуля Solid Detailing обеспечивается разработка деталировочных и сборочных чертежей, отображающих каркасные, поверхностные и твердотельные модели.

Для решения задач подготовки чертежно-конструкторской документации можно использовать разработанную компанией CV программную систему DesignPost Drafting. Эта система функционирует на ПК и представляет собой продукт нового поколения объектно-ориентированных инструментальных средств автоматизации чертежно-конструкторских работ.

Широкий набор возможностей по генерации реалистических изображений имеет модуль IMAGEDESIGN II. С его помощью можно создавать высококачественные, близкие к реальности изображения моделей, снабженные обширным набором средств улучшения наглядности изображения и повышения объемности восприятия. Например, пользователь может задавать шероховатость, фактуру, блики, матовость, зеркальность, прозрачность, тени, определять до восьми различных источников света и задавать освещенность. Кроме того, в модуле можно анализировать кривизну скульптурированных поверхностей методом Гаусса.

Технологическая подготовка производства

Целая гамма программных продуктов от CV предназначена для автоматизации технологической подготовки производства. Эти программные продукты представляют собой функциональную интегрированную среду, поддерживающую технологические процессы многокоординатного фрезерования, сверления, токарной обработки, электроэрозионной обработки, производства литейных форм, пресс-форм и штампов. В качестве исходной информации для генерации траекторий движения инструмента используется геометрическая модель изделия, которая может быть синтезирована в системе CADDS 5 или импортирована из других систем геометрического моделирования.

Семейство модулей CVNC предназначено для программирования многокоординатной (от двух до пяти осей) обработки деталей на оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ). Каждый модуль этого семейства включает в себя базовую систему, которая содержит общие для всех модулей функции и средства. В их состав входят функции настройки и адаптации, редактор, с помощью которого можно работать с файлом управления заданиями, создаваемым для каждой процедуры обработки, библиотека режущих инструментов, средства визуализации движения инструментов и траекторий обработки, функции подвода/отвода инструмента, вывод данных в форматах CLData, APT и COMPACT II и некоторые другие. Работа с модулями реализуется через простой интерфейс пользователя, аналогичный интерфейсам других модулей системы CADDS 5. Каждый модуль семейства специально ориентирован на требования отдельных типов оборудования с ЧПУ. Это позволяет подобрать необходимую конфигурацию программного обеспечения, исходя из наличного парка оборудования с ЧПУ и планов его закупок.

CVNC Generic Postprocessor - это универсальный генератор постпроцессоров для различных станков с ЧПУ, расширяющий семейство CVNC возможностями интеграции с широким диапазоном программируемых станков. Данный модуль позволяет за короткое время в форме ответов на задаваемые вопросы разработать постпроцессор к любому оборудованию с ЧПУ.

Модуль CVNC Verifier предназначен для динамического моделирования операций механообработки с генерацией цветного изображения процессов при помощи светотеневых эффектов, повышающих наглядность. При каждом проходе очередной траектории вычисляется объем снятого материала и графически показывается его удаление. Высококачественные цветные полутоновые изображения, создающие на экране дисплея иллюзию объемности, позволяют визуально оценить результаты процесса механообработки и увидеть готовую деталь до ее физического изготовления.

В последнюю версию системы CADDS 5 входят модули NC for Assemblies и NC Builder. Первый модуль позволяет технологам работать в среде CAMU c моделями сборок в режиме параллельной отработки технологии изготовления отдельных деталей, входящих в сборку. С помощью второго модуля можно разрабатывать и создавать библиотеки технологических процессов для обработки и получения геометрических форм различной сложности, используя наиболее рациональные технологические решения.

Модуль Rapid Prototyping Interface позволяет генерировать выходные STL-файлы на основе замкнутых моделей поверхности или твердотельных геометрических моделей. Эти файлы являются входными для производственных технологий быстрого создания физических прототипов, например на основе стереолитографии.

Это далеко не полный перечень программных продуктов, используемых для автоматизации технологической подготовки производства. Предлагаются также специальные программные решения с дифференцированной функциональностью, которые дают возможность полностью учесть специфику технологических процессов конкретного предприятия и обеспечить наилучшее соотношение функциональность/стоимость.

Обмен данными и используемые аппаратные платформы

В системе CADDS 5 поддерживаются все основные стандарты представления и обмена данными: IGES, STEP AP203/214, VDA-FS, SET, DXF и ряд специализированных стандартов, например CGM, SLA, PATRAN и др. Кроме этого, имеются прямые трансляторы для обмена с другими системами автоматизированного проектирования: CADDS-CATIA-CADDS, CADDS-Unigrap-hics-CADDS, CADDS-Pro/Engineer-CADDS. Имеется обширный инструментарий для вывода информации на графопостроители. В набор фильтров входят модули, обеспечивающие вывод в форматах устройств и языков Calcomp, Versatec, HPGL1, HPGL2, Benson (OCE Graphics), CGM Postscript.

Программные продукты, входящие в среду CADDS 5, разрабатывались и модифицировались, исходя из условия их функционирования на различных аппаратных платформах. К их числу относятся наиболее распространенные и широко известные Unix-платформы, в том числе: Sun SPARC Solaris, Digital Unix (Alpha), SGI IRIX, Hewlett Packard/HP-UX, IBM AIX/600 и Windows NT.

Optegra - система управления проектными и производственными данными

Система управления инженерными и проектными данными Optegra [1] является основной составной частью технологии EPD и, как следует из данных CIMdata, среди производителей систем класса PDM (Product Data Management) компания CV занимает одно из ведущих мест (рисунок 2). По данным 1996 года, она сохранила свое первенство.

Optegra представляет собой семейство программ для решения задач управления производственными данными предприятия. Своим названием система обязана идеологии оптимизации интегрированного использования данных предприятия в целом.

Optegra обеспечивает глобальный доступ к данным и их использование на любом рабочем месте в любое время. Optegra поддерживает режим параллельной коллективной работы различных групп пользователей и обеспечивает управление информационной моделью объекта в течение его жизненного цикла. Система Optegra является объектно-ориентированным пакетом, использующим технологию клиент-сервер, что позволяет сотрудникам всего предприятия получать доступ к информационной модели изделия, хранящейся в электронном виде в базе данных, и управлять этими данными. Объектно-ориентированный подход обеспечивает возможности разработки структуры желательного для пользователя описания продукта, описания процесса информационного сопровождения технологических данных, интеграции данных из различных разнотипных приложений и обеспечения параллельной работы с документами. Специальные модули Optegra дают возможность пользователям просматривать, размещать и сохранять техническую информацию любого типа, определять и применять методику управления потоком работ и заданий, а также управлять конфигурациями, исходя из целей пользователя. За счет открытости построения всех модулей Optegra может быть интегрирована в общую вычислительную сеть предприятия.

Optegra содержит три основных модуля: Total Data Management (TDM), Workflow Management (WM) и Configuration Management (CM). Совместная работа этих трех модулей обеспечивает реализацию всех возможностей управления в рамках предприятия, в то же время любой из них может использоваться самостоятельно для решения своих специфических задач.

Модуль Total Data Management предоставляет пользователю набор возможностей для управления проектными, технологическими и инженерными данными. Ядром TDM является компонент Optegra Vault. С его помощью осуществляется механизм упорядоченного доступа к хранилищу данных предприятия, поддерживается конфиденциальность и безопасность хранения и использования данных. В качестве данных в системе Optegra могут использоваться любые геометрические и технологические данные, включая модели, полученные в САПР, чертежи в электронном виде, растровые изображения, технические публикации, бумажные чертежи, спецификации, извещения об изменениях и т. п. Если документ не присутствует в электронном виде, то он должен иметь электронный дескриптор, который и является объектом хранения и управления в системе Optegra.

Модуль Workflow Management автоматизирует управление любым процессом, представленным в виде последовательности этапов. Ядром этого модуля является Process Master, который координирует и отслеживает взаимодействие и взаимовлияние между различными рабочими группами одного проекта. С помощью развитого графического интерфейса модуля Task Master, также входящего в Workflow Management, пользователи могут сами определять и модифицировать свои потоки заданий.

Модуль Configuration Management предназначен в первую очередь производственным подразделениям для автоматизации запросов из единой базы данных и работы с полными комплектами данных о структуре конечного продукта, полученными во время разработки. Этот же модуль объединяет инженерные и проектные спецификации и позволяет отслеживать до уровня отдельной записи все исправления и изменения, вносимые в базу данных. Configuration Management также обеспечивает сборку модели, ее просмотр и возможности работы по выделению ее фрагментов. Данный модуль используется также для обеспечения совместной параллельной работы инженеров из различных подразделений и проектировщиков по различным специализациям. Коллектив конструкторов и технологов, не прибегая к дорогостоящему и длительному изготовлению опытного образца, имеет возможность отображения и проверки сложных сборочных изделий за счет работы со структурой изделия и использования окна просмотра трехмерной модели.

Использование системы позволит предприятию добиться следующих преимуществ: экономии времени, параллельного выполнения работы, уменьшения количества ошибок и переделок за счет совместного использования данных в рамках "расширенного предприятия"; надежного централизованного хранения всего множества проектных данных, которые представляют собой полное электронное определение изделия; защиты данных от несанкционированного доступа; архивирования и резервного копирования, позволяющего производить быстрое восстановление в случае разрушения данных; управления атрибутными данными, обеспечивающего немедленный доступ к информации об изделии, которая не является графической; электронного управления процессом проектирования, визуализацией и процедурами утверждения проекта, обеспечивающего рациональный и эффективный цикл работы.

Компания CV на мировом и российском рынках САПР

За последнее время CV заключила ряд крупных контрактов с известными фирмами, среди которых Rolls-Royce Aerospace Group, европейский авиационный консорциум Airbus Industrie, Hyundai Heavy Industry. К крупнейшим контрактам в области поставок программных продуктов относятся соглашения с автомобильными фирмами PSA-Peugeot-Citroen и с крупнейшей судостроительной верфью Великобритании Vickers Shipbuilding and Engineering Ltd.

На российском рынке фирма Computer-vision работает с предприятиями автомобильной, авиакосмической и приборостроительной промышленности. Около 50 российских предприятий используют программные системы от CV - в общей сложности инсталляционная база продуктов компании в России составляет 400 рабочих мест. Среди крупнейших российских пользователей - Ульяновский автомобильный завод, Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин", Пермская приборостроительная кампания и др. На Ульяновском автозаводе продукты Computervision используются для проектирования и технологической подготовки производства новой модели автомобиля - джипа УАЗ 3160. В проектно-конструкторских и технологических подразделениях автозавода установлено 20 рабочих станций с системой CADDS и 90 рабочих мест, на которых используются программные продукты фирмы CV для ПК. Современные технологии позволили не только повысить качество проектного процесса и сократить сроки подготовки новой модели к производству, но и сэкономить значительные средства за счет отказа от поставки из-за рубежа большого количества оснастки, главным образом средних и мелких штампов. В настоящий момент УАЗ успешно внедряет в практику систему управления проектными данными, что позволит оперативно решать проблемы документооборота и управления информационными процессами в проектно-конструкторской и технологической сфере предприятия.

На современном уровне решает проблемы проектирования конверсионной продукции предприятие ЦКБ МТ "Рубин". Использование программных продуктов CV позволило автоматизировать решение задач, связанных с проектированием трубопроводных систем и корпусных конструкций. Кроме того, работа с сертифицированными системами автоматизации проектирования открывает перед предприятием возможности участия в международных проектах - обмен проектными данными может осуществляться в электронном виде, что сейчас распространено практически везде. Сократить временные и материальные затраты, связанные с выпуском новых видов продукции, удалось в Пермской приборостроительной компании.

Заключение

Применение технологий CV дает возможность предприятиям получить целый ряд преимуществ: сокращение сроков разработки изделий, сокращение стоимости при высоком качестве продукции и полное информационное сопровождение изделий на протяжении всего их жизненного цикла.

Литература

[1]. В. Краюшкин. Система OPTEGRA - управление производственными данными. Открытые системы, # 1, 1997. сс. 67-72 http://www.osp.ru/os/1997/01/67.htm