Автоматизация КТПП в машиностроении, проблемы и решения

КТПП - конструкторско-технологическая подготовка производства. Процесс, охватывающий практически весь цикл проектирования изделия от определения облика до запуска в производство. От того насколько эффективно организована КТПП, напрямую зависит конкурентоспособность и качество продукции и в конечном итоге - экономическое состояние предприятия.

Основная нагрузка в период КТПП возложена на проектные, конструкторские и технологические подразделения, а также на расчетные (прочность, аэродинамика и т.п.), метрологические, материаловедческие, экспериментальные и другие службы.

В этот период определяются все параметры изделия, которые необходимы для его производства. При этом формируется один из главных экономических критериев - себестоимость.

Рассмотрим, как происходит процесс КТПП в основных подразделениях, и какие средства автоматизации применимы на различных этапах.

Проектные и конструкторские подразделения

Задача проектных подразделений состоит в определении структуры изделия и параметров, которые обеспечивают тактико-технические характеристики. В зависимости от вида изделия методы, которые применяют при проектировании, могут быть совершенно разными, начиная от эвристики и художественного дизайна, заканчивая системой проектировочных расчетов.

Например, внешний облик автомобиля может быть определен в результате эскизных экспериментов художника, геометрия летательного аппарата в результате аэродинамических продувок, структура коробки передач - в результате расчетов.

В связи с таким разнообразием подходов для автоматизации этого процесса применяются и различные программные средства автоматизации. Среди них компьютерные программы для рисования и CAD-системы для черчения и объемного моделирования, включая системы свободного поверхностного моделирования. А в случае расчетных решений - CAE системы специального или общего назначения.

СAD (Computer Aided Design) - автоматизированные системы для проектирования. Предназначены для решения геометрических задач проектирования и конструирования с помощью интерактивных методов вычислительной геометрии. Условно разделяются на плоские (2D) и объемные (3D). Как правило, содержат инструментарий для оформления конструкторской документации, геометрические библиотеки стандартных и типовых элементов (крепеж, сортамент и т.п.) и форм документов.

CAE (Computer Aided Engineering) - автоматизированные системы для расчетов. Предназначены для решения инженерных задач. Эти программные продукты для проектно-конструкторской деятельности появились одними из самых первых. Как и расчетные методики подразделяются на две группы. Проверочные - которые на основе геометрии изделия определяют его характеристики, например прочность. Проектировочные - которые решают обратную задачу получения геометрических параметров конструкции из заданных условий, например нагрузок и предельно допустимых напряжений.

Заметим, что если CAE системы общего назначения присутствуют на рынке программных продуктов, то специализированные системы, являются, как правило, плодом творчества непосредственно самих компаний-потребителей. Нередко специализированные системы разрабатываются по заказу.

Все разнообразие методов проектирования объединяет результат, который представляет будущее изделие в виде структуры, составляющих его компонент, их связей и основных геометрических параметров. Все это может быть определено понятиями - компоновка и теоретические обводы изделия, которые в соответствии с ЕСКД должны быть оформлены в виде чертежных или текстовых документов.

Поэтому, независимо от средств, которыми пользуются проектанты, на конечной стадии процесс может быть автоматизирован с помощью CAD систем, которые позволяют оформлять соответствующие документы. При этом, рационально напрямую использовать имеющиеся проектные наработки, например плоские и объемные модели, спроектированные с использованием других программных продуктов.

Конструкторские подразделения определяют все геометрические и физические параметры конструкции, обеспечивающие ее работоспособность и возможность изготовления. На этом этапе должны быть полностью назначены все размеры для всех деталей входящих в изделие.

Многие параметры могут быть определены из динамических, кинематических, прочностных и других расчетов, которые помогают автоматизировать CAE системы.

Львиная доля параметров уточняется в результате решения геометрических задач. Это происходит в результате так называемой провязки (прорисовки) элементов конструкции с максимально возможной точностью.

В последнее время классические методы провязки на кульмане или на плазе полностью вытеснены компьютерным моделированием с использованием CAD систем. Во-первых, погрешность решения геометрических задач в этих системах не выше 10-6, что перекрывает не только традиционные методы, но и обеспечивает необходимую точность при изготовлении (10-3). Во-вторых, возможности объемного моделирования позволяют исключить ошибки проектирования, которые были свойственны решению объемных задач плоскими методами.
Есть еще одно важнейшее условие, которое влияет на принятие конструктором того или иного решения и окончательного назначения геометрических параметров - технологичность конструкции. Критерий этот имеет довольно сложную природу и зависит от правильного прогноза способа изготовления, знания технологических требований к геометрии изделий разной формы и типоразмеров, условий и традиций производства и других, иногда трудно формализуемых, аспектов.

До последнего времени подобные знания приобретались конструктором в результате длительного опыта работы и обратной связи, идущей от технологических подразделений и производства. Сегодня появилась новая возможность приобретения конструктором технологического опыта на своем рабочем месте, о чем мы предполагаем рассказать в следующих статьях.

Процесс конструирования так же завершается выпуском комплекта конструкторской документации, в соответствии с ЕСКД. Для автоматизации этого этапа успешно применяются CAD системы.

Опять же заметим, что для конструкторской проработки в CAD системах рационально напрямую использовать данные, разработанные в проектных подразделениях, например модели, теоретические обводы и компоновку. В связи с этим важно обеспечить совместимость проектных и конструкторских наработок.

Более того, для конструкторских подразделений является очень важным аспектом поддержка архивов чертежей, сделанных традиционным ручным способом. Некоторые CAD системы предоставляют возможность хранения и доработки сканированных документов.

Технологические подразделения

Технологические подразделения определяют последовательность, способы и методы изготовления изделия. Кроме того, эти подразделения проектируют спец. оснастку, необходимую для производства и создают управляющие программы для оборудования с ЧПУ.

Отправной точкой технологической проработки являются знания о возможностях производства. Именно на их основе формируется технологический маршрут получения той или иной детали.

Вспомним, что технология накладывает свои требования на геометрию детали. Например, если предполагается изготавливать деталь штамповкой, то и геометрия ее должна быть соответствующей, включать штамповочные уклоны и радиусы, иметь возможность разъема штамповочной оснастки.

Поэтому, очень часто после технологической проработки приходится возвращаться вновь к уточнению конструкторских решений и, соответственно, конструкторской документации.

Программные продукты для автоматизации технологического звена подразделяются на четыре группы:

• CAD системы для разработки специальной оснастки и инструмента
• CAE системы для расчета и анализа физических процессов (литья, штамповки и т.п.)
• CAPP системы для проектирования техпроцессов и оформления технологической документации в соответствии с ЕСТПП
• CAM системы для программирования станков с ЧПУ

Все эти системы основаны на использовании данных из конструкторских CAD систем. Например, CAM и CAE системы для выполнения своих функций должны иметь на входе геометрические модели, а CAPP системы должны читать чертежи для формирования на их основе эскизов.

СAPP (Computer Aided Process Planning) - автоматизированные системы для проектирования техпроцессов и оформления технологической документации. Продукт является интерактивной средой, наполненной базами данных по материалам, сортаменту, оборудованию, технологическому оснащению и прочей справочной информацией. Современные CAPP включают расчетные модули по технологическим режимам и нормированию, а также настройку под специализированные формы документов.

CAM (Computer Aided Manufacturing) - автоматизированные системы программирования оборудования с ЧПУ. CAM системы пришли на смену ручным методам программирования, которые не в состоянии поддерживать обработку деталей сложной формы с необходимым качеством поверхности. Принцип действия состоит в автоматической генерации траектории движения инструмента на основе математической модели изделия и заданных технологических параметров. Современные CAM системы, как правило, содержат также модули для контроля геометрических конфликтов и виртуального контроля процесса обработки до выхода на станок, а также инструментарий для адаптации к оборудованию.

На практике отечественных предприятий наблюдается совершенно иная картина. Почти всегда эти системы работают в технологических подразделениях в автономном режиме. Причин здесь несколько, вот две главные:

• сложившиеся структурные барьеры между КБ и производством и технологическими службами.
• реальная сложность обмена данными между системами различных типов и различных производителей, применяемых в КБ и техотделах.

Ведь для нормальной работы нужна не только прямая, но и обратная связь для уточнения конструкторских решений.

Из этого положения следует простой, казалось бы, выход. Во избежание потери данных и их повторной переработки, в том числе и для лучшего взаимного понимания, автоматизацию конструкторских и технологических подразделений проводить на базе единой системы. Такие системы существуют, их называют интегрированными CAD/CAM системами.

CAD/CAM - интегрированные системы для сквозного проектирования и подготовки производств, оснащенных системами ЧПУ. Основной принцип состоит в работе конструкторов и технологов-программистов ЧПУ над единой математической моделью изделия. В отличие от простой связки CAD и CAM систем, интегрированные системы имеют не только прямую, но и обратную связь, обеспечивающую высокую эффективность процесса уточнения модели. Применение таких систем исключает паразитные циклы переработки информации из одного вида в другой, позволяет в разы и десятки раз сократить время КТПП.

Но на деле, в российских условиях их практическое применение крайне ограниченно, и вот почему:

• интегрированные CAD/CAM системы, являются в основном зарубежными продуктами высокой ценовой категории (особенно учитывая затраты на внедрение и поддержку)
• они очень критичны к уровню подготовки пользователей, что в период дефицита квалифицированных кадров является серьезной проблемой, тем более что подготовка таких кадров вопрос не одного месяца
• в части поддержки отечественного и другого не брендового оборудования с ЧПУ применение этих систем проблематично
• несмотря на свою высокую стоимость в них отсутствует такая важная компонента как CAPP, а поддержка ЕСТД находится на нулевом уровне

Но выход все-таки есть! Начиная с конца девяностых годов вначале на российском, а потом и на зарубежном рынке появилась отечественная разработка ADEM. Это интегрированная CAD/CAM/CAPP система среднего класса, созданная группой компаний ADEM technologies.

CAD/CAM/CAPP - интегрированные системы, представляющее единое конструкторско-технологическое пространство. В отличие от CAD/CAM систем, предназначенных в первую очередь для автоматизированных производств, позволяют распространить методы сквозного проектирования на другие участки работ. В современных CAD/CAM/CAPP системах программирование ЧПУ является одной из составляющих частей техпроцесса, что обеспечивает целостность КТПП. С точки зрения управления предприятием CAD/CAM/CAPP система является важнейшим звеном для обеспечения достоверными данными систем управления (ERP, PDM, PLM, и др.)

Основные группы разработчиков системы ADEM из Москвы и Ижевска были известны своими конструкторскими и технологическими программными продуктами еще с восьмидесятых годов. В начале девяностых они объединили свои усилия для создания интегрированной системы.

Позже к ним присоединились специалисты из Западной Германии. Это сыграло и продолжает играть важную роль с точки зрения адаптации системы к новейшим технологиям металлообработки, которые получили наиболее бурное развитие именно в этом промышленном регионе.

Вначале была создана интегрированная CAD/CAM версия системы, ориентированная на автоматизацию КТПП производств, оборудованных ЧПУ. На втором этапе было реализовано единое конструкторско-технологическое CAD/CAM/CAPP пространство.

Продукт оказался настолько удачным, что его с успехом стали внедрять как крупные, так и малые предприятия на территории СНГ и в Европе. Причем область его применения довольно широка. Систему ADEM можно встретить и в проектно-конструкторских отделах, и в технологических подразделениях, и рядом со станком.

ADEM предназначен и для комплексной и для локальной автоматизации следующих видов работ, которые составляют основу КТПП:

• для объемного и плоского моделирования и проектирования
• для оформления проектно-конструкторской и технологической документации
• для проектирования техпроцессов
• для программирования оборудования с ЧПУ (фрезерных, токарных, электроэрозионных, лазерных и др.)
• для ведения архивов документов

fВажной особенностью системы является инструментарий для реновации накопленных знаний. Речь идет не только о работе со сканированными чертежами, но и о поддержке программ ЧПУ, написанных ручным или другим способом. Такая возможность позволяет, например, адаптировать старые наработки для нового оборудования. Более того, ADEM предоставляет возможность подсоединять практически все возможные базы данных, расчетные, проектные и технологические программы.

Идеология, заложенная в систему, позволяет подключать ADEM к любой сложившейся схеме автоматизации КТПП на базе других программных продуктов. Универсальность программного обеспечения, поддержка отечественных и международных стандартов, эффективный механизм адаптации к любым видам импортного и отечественного оборудования, по праву обеспечили системе ADEM лидирующие позиции среди интегрированных конструкторско-технологических систем.

Все об автоматизации производства в машиностроении
В основном автоматизация оказывает положительное влияние на процесс машинопроизводства: уменьшается стоимость производства продукции, шанс получить бракованное изделие ничтожно мал, условия труда становятся лучше