Системы поддержки инженерного анализа



Развитие средств вычислительной техники стимулировало распростра­нение инженерного анализа практически на все этапы проектирования как отдельных деталей, узлов и агрегатов, так и изделий в целом. Многообразие физических процессов в наукоемких изделиях, субъективность в постановке задач анализа, подходах к идеализации протекающих процессов, выборе ме­тодов решения и многие другие причины привели к созданию огромного числа специальных методик, алгоритмов и программ, предназначенных для решения задач анализа машиностроительных изделий. В настоящем парагра­фе рассматриваются вопросы организации сквозного процесса конструиро­вания и анализа в концепции CALS-технологий и особенности использования наиболее распространенных программ, к которым относятся:

- универсальные программы;

- специализированные программы;

- программы анализа систем управления.

Мировым лидером разработки, поставки и сопровождения программ первой группы являются ANSYS Inc. (США), SAMTECH (Бельгия), MacNeal Schwendler Corporation (США). В 1970-е годы одним из ведущих методов компьютерного моделирования стал метод конечно-элементного анализа (FEA). Благодаря разработкам этих и многих других фирм, инже­нерный анализ стал практически повсеместным и постепенно перерос в мощное направление, получившее свое воплощение в системах автома­тизированного анализа (САЕ).

Наиболее полно в универсальных программах разработаны различные виды инженерного анализа, включая статистический и динамический ана­лизы, анализ устойчивости, нелинейный температурный анализ (в том числе с учетом процесса фазового перехода или химических реакций), спектраль­ный анализ, статистический анализ циклических структур, расчет электри­ческого поля и др. Универсальные программы используются при проекти­ровании изделий машиностроения, судостроения, аэрокосмической и элек­тротехнической отраслей для решения таких специфических задач, как не­линейный теплообмен (с переходным или стационарным режимом, включая ^действие радиации), структурная оптимизация, анализ упругих механиз­ме, усталостные разрушения, анализ явлений вязкопластичности и др.

Многоцелевая направленность этих программ дает возможность применять Для решения даже таких смешанных задач, как анализ прочности при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Программы позволяют учи­тывать разнообразные конструктивные нелинейности, наличие больших де­формаций, получать решение задач гидроаэродинамики и др.

В универсальные программы включены собственные средства по­строения геометрической модели изделия. Однако возможности геометри­ческого моделирования этих пакетов намного слабее по сравнению с про­граммными системами проектирования, т.к. с их помощью могут решаться задачи твердотельного моделирования сравнительно простых форм.

Все универсальные программы анализа имеют стандартные форматы обмена графической информацией с пакетами конструирования. При необ­ходимости геометрическая модель проектируемого изделия может быть предварительно создана на этапе конструирования в CAD-системе.

Вторую группу программ составляют многочисленные специали­зированные программы. К их числу можно отнести пакеты фирм MSC, SFTC (США), компании TRANVALOR (Франция), фирмы «Квантор- Софт» (Россия).

Для исследования динамических процессов, протекающих в систе­мах автоматического регулирования и управления, а также для решения других задач анализа широкое применение находят специальные про­граммные комплексы MATRIX, Simulink, VisSim, EASY5, МВТУ, состав­ляющие третью группу.

Постановка задачи конечно-элементного анализа. Различные ви­ды анализа, выполняемые в системах первой и второй групп, основаны на классических инженерных подходах к разработке математических моделей поведения изделия при различных воздействиях. В конечно-элементной постановке задачи моделирования исследуемая область предварительно разбивается на ограниченное множество коечных элементов, связанных между собой конечным числом узлов. Искомыми переменными уравнений математических моделей являются перемещения, повороты, температура, давление, скорость, потенциалы электрических или магнитных полей. Эти переменные определяют степени свободы узлов. Их конкретное содержа­ние зависит от типа (физической природы) элемента, который связан с данным узлом. Например, в задачах прочностного анализа для каждого элемента с учетом степеней свободы его узлов могут быть сформированы матрицы масс, жесткости (или теплопроводности) и сопротивления (или удельной теплоемкости). Множество степеней свободы, определяющих со­стояние всей системы в данный момент, называют волновым фронтом, ко­торый может расширяться или сужаться по мере того, как неизвестные пе­ременные вводятся в рассматриваемую совокупность или исключаются из нее. После прохождения волнового фронта через все элементы и вычисле­ния всех искомых переменных можно анализировать полученные резуль­таты и строить гипотезы о поведении исследуемого изделия.

В постановке задачи прочностного динамического анализа учитывает­ся возмущающее воздействие, которое является функцией времени. Можно принимать во внимание рассеяние энергии, инерционные эффекты и пере­менные вол времени нагрузки. Примерами таких нагрузок являются:

- циклические нагрузки (например, вращение коленчатого вала дви­гателя);

- внезапно прикладываемая нагрузка (удар или взрыв);

- случайные нагрузки и любые другие переменные нагрузки.

Общее уравнение движения в конечно-элементной форме записыва­ется в виде

MU" + CU' + KU = F(7),             (2.1)

где М, С, К — матрицы соответственно масс, сопротивлений, жесткостей; U", U\ U - векторы соответственно узловых ускорений, скоростей и пере­мещений; F - вектор нагрузки, t - время.

Искомые переменные системы уравнений - это элементы вектора уз­ловых перемещений U, которые в любой момент времени должны удовле­творять условиям равновесия системы при наличии сил инерции и рассея­ния энергии. Решение этой системы уравнений выполняется либо прямым методом Ньюмарка, либо методом суперпозиции форм колебаний. К тако­му типу анализа относятся: динамика переходных процессов, модальный анализ, отклик на гармоническое воздействие, спектральный анализ и от­клик на случайную вибрацию.

Если действие сил инерции или процессы рассеяния энергии пренеб­режимо малы и не оказывают существенного влияния на поведение изде­лия, то задача может быть сформулирована в виде статического прочност­ного анализа. Такой тип анализа наиболее часто используется, например, Для определения концентрации напряжений в галтелях конструктивных элементов или для расчета температурных напряжений, для определения перемещений, напряжений, деформаций и усилий, которые возникают в изделии в результате приложения механических сил.

Уравнение статического анализа записывается в виде

KU = F,                                (2.2)

где К - матрица жесткостей; U - вектор перемещений; F - вектор сил.

Компоненты вектора сил: сосредоточенные силы, тепловые нагруз­ки, давления и силы инерции. В процессе анализа можно учитывать такие нелинейные свойства, как пластичность и ползучесть материала, большие прогибы, большие деформации и контактное взаимодействие при условии, что нагрузки возрастают постепенно.

Библиотека конечных элементов. В каждой программе, реализую­щей конечно-элементный анализ, описывается совокупность используе­мых элементов. Чем шире набор и функциональные свойства элементов, тем большими возможностями обладает тот или иной программный ком­плекс.

Конечные элементы обычно группируются по их назначению, на­пример:

- элементы стационарного и нестационарного теплообмена;

- элементы для моделирования вязкоупругих и вязкопластичных ма­териалов;

- элементы сплошной среды для анализа движения потоков жидко­сти и газа, решения задач гидроаэромеханики, акустики и течения сред в каналах;

- элементы для расчета статических и динамических напряжений;

- элементы для анализов, включающих как тепловые, так и электри­ческие эффекты;

- элементы для анализа произвольно меняющихся во времени маг­нитных полей;

- элементы связанной задачи для расчетов, в которых учитывается взаимовлияние результатов двух или более видов анализа (прочностного, теплового, магнитного, сплошной среды, электрического);

- элементы для моделирования нелинейного контакта;

- элементы комбинированные, матричные, поверхностные и др.

Конечные элементы предназначены для формирования задач в дву­мерной (2D) или трехмерной (3D) постановке. Графическими примитива­ми элементов являются «узел», «связь», «грань».

Элементы могут быть линейными или нелинейными (с промежуточ­ными узлами в середине связи). Нелинейные элементы позволяют полу­чать более достоверные результаты.

Примеры некоторых коечных элементов, их графическое представ­ление и краткое описание приведены в табл. 2.1.

 

 

Препроцессорная подготовка. Конечно-элементный анализ состоит из трёх этапов

начальная (препроцессорная) подготовка;

- получение решений;

обработка результатов моделирования (постпроцессорная обработка)

Среди задач, которые решаются на первом этапе, можно выделить создание модели изд елия, создание сеточной модели, контроль качества сеточной модели и ее модификацию, определение данных и ограничений.

Типы моделей. В инженерном анализе различают три типа моделей: геометрическую, расчетную и сеточную.

Геометрическая модель обычно представляет собой модель изделия в целом или его детали. Расчетная модель — это упрощенная геометрическая модель, которая используется для анализа. Упрощение или идеализация геометрической модели достигается путем удаления тех ее элементов, ко­торые несущественно влияют на расчетную модель (рис. 2.3).

 

Рис. 2.3. Переход от геометрической модели к сеточным моделям

 


 

Построение сеточной модели. В универсальных программах суще­ствует несколько способов генерации сети. Например, в программе ANSYS используются методы экструзии, создания упорядоченной сетки, создания произвольной сетки и адаптивного построения. В программе SAMCEF, кроме перечисленных методов, применяются методы балок, Delaunay- Voronoi, Pavior и др.

Экструзия (выдавливание) - способ построения трехмерной модели сетки путем перемещения и сдвига основания в определенном направлении или путем вращения поперечного сечения вокруг заданной оси (рис. 2.4). Этот способ позволяет создать сеточную модель, не используя ассоцииро­ванную расчетную модель изделия.


 

 


Методом экструзии можно генерировать одномерные, двумерные (обычно четырехугольники) и трехмерные элементы (пяти- и шестигран­ники). Так, треугольник генерирует пятигранник, а четырехугольник - шестигранник.

Основание, на котором строится экструзия, может быть скомпонова­но из узлов или одно- и двумерных элементов. В качестве основания также может использоваться ранее созданная вся сеточная модель. Можно ис­пользовать результат экструзии в качестве основания следующей экстру­зии. Например, при помощи экструзии одномерного элемента будет полу­чен двумерный элемент, который может быть использован как основание для экструзии трехмерного элемента.

При построении упорядоченной сетки необходимо предварительно разбить расчетную модель на участки с простой геометрией, ввести ог­раничения и критерии качества сеточной модели, а затем запустить про­грамму генерации сетки. Сетка может состоять из шести-, четырех- и треугольных элементов. Например, метод Pavior предназначен для гене­рации сетки преимущественно в виде четырехугольников. Им можно воспользоваться для предварительных расчетов, т.к. часто сетка получа­ется невысокого качества. Чтобы получить треугольную сетку, програм­ма выделяет области расчетной модели, предназначенные для нанесения Упорядоченной сетки, используя ранее заданные ограничения и критерии качества сеточной модели. Затем полученная методом Pavior или любым другим методом четырехугольная сетка перестраивается в сетку из треугольных элементов (рис. 2.5). В этом случае для построения тре­угольной сетки более высокого качества можно воспользоваться мето­дом Delaunay-Voronoi. На завершающем этапе отдельные участки сетки собираются в единую сеточную модель. Метод построения упорядочен­ной сетки является одним из наиболее распространенных и базируется на использовании расчетной модели.

 

Рис. 2.5. Результаты построения сетки различными методами


 

В различных программах анализа имеются специальные средства ге­нерации произвольной сетки, с помощью которых она может наноситься непосредственно на модель достаточно сложной геометрии. Произвольную сетку можно строить из треугольных, четырехугольных и четырехгранных элементов. Генераторы произвольной сетки обладают широким набором функций управления качеством сетки. Например, в программе ANSYS реализован алгоритм выбора размеров конечного элемента, позволяющий строить сетку элементов с учетом кривизны поверхности модели и наи­лучшего отображения ее реальной геометрии.

Метод построения тетраэдной сетки полезен для создания трехмер­ных элементов, в основе которых лежат треугольники. Используемая базо­вая геометрия двумерной сетки не должна иметь свободных незамкнутых граней. На предварительном этапе проверяется качество сетки, а именно выявляются и предъявляются пользователю незамкнутые элементы и эле­менты с несогласованной ориентацией.

Адаптивное построение сетки состоит в том, что после создания расчетной модели и задания граничных условий генерируется конечно­элементная сетка, затем выполняется анализ, оценивается ошибка дискре­тизации сетки, после чего меняется размер сетки. Процесс продолжается до тех пор, пока значение погрешности не станет меньше заданного, или число итераций не достигнет допустимого значения.

Универсальные программы анализа (ANSYS, SAMTECH и др.) распо­лагают дополнительными возможностями формирования сеточных моделей, к которым относятся метод суперэлементов и метод подмоделей.

В методе суперэлементов некоторая часть смежных элементов сводится к одному эквивалентному элементу. Суперэлемент может формироваться из коечных элементов любого типа, однако нужно учитывать, что в этом случае поведение суперэлемента предполагается линейным даже в том случае, когда в его в его состав введен нелинейный элемент. Аналогичные упрощения можно выполнить и с расчетной моделью - простые участки расчетной модели изде­лия рассматриваются как домен, на котором создается один конечный супер­элемент. В основе такого подхода лежит матричное уплотнение, с помощью которого такие параметры, как жесткость (проводимость), масса (удельная те­плоемкость) и сопротивление приводятся к системе ведущих степеней свобо­ды. Метод супермоделей позволяет сократить время решения.

Для того чтобы повысить эффективность моделирования, можно воспользоваться методом подмоделей. Сущность этого метода сводится к следующему.

По опыту своей работы инженер знает, на каких участках геометри­ческой модели могут возникнуть повышенные напряжения, изменения плотности потока, скачки температур и т.п. В сеточной модели можно вы­делить эти участки и для них построить сетку с параметрами, отличными от параметров сетки остальных участков. Теперь методом подмоделей можно провести анализ как для всей сетки, так и получить более подроб­ный анализ только для выделенной области.

Важной особенностью этого метода является возможность задания граничных условий для подмодели на основе отклика начальной сеточной модели. В программе ANSYS, например, используя результаты решения Для грубой модели, можно определить соответствующие ограничения сте­пеней свободы на границах подмодели (перемещения, температуры, на­пряжения или потенциалы) и использовать их при проведении анализа подмодели. Повторять анализ всей модели нет необходимости.

Контроль качества сеточной модели и ее модификация. В уни­версальных программах анализа заложены широкие возможности оценки качества сеточных моделей и широкий спектр методов их модификаций.

Качество сетки можно оценить как визуально в интерактивном, так и в па­кетном режиме. В процессе визуального контроля есть возможность ото­бражать на экране монитора:

- любой тип модели (геометрическую, расчетную или сеточную);

- нумерацию узлов и элементов;

- пограничные узлы или связи;

- ориентацию 20-элементов или наружных ребер 3 D-элементов;

- целиком сеточную модель, ее элементы, связи и узлы.

Графические элементы могут быть представлены в виде каркаса, од­нотонной заливки граней, путем отображения только границ и участков.

Приведем несколько примеров вычисления критериев качества и ог­раничений.

Так, относительное удлинение 2D- и 3D-элементов находится путем деления длин наибольшей и наименьшей связей элемента. Элементы с меньшим значением этой величины предпочтительнее. Отношение, равное единице, описывает равносторонние элементы и является идеальным.

Угол наклона четырехугольных элементов проверяется следующим образом. Середины противоположных сторон четырехугольника соединя­ются отрезками, и находится наименьший угол между этими отрезками. Идеальный угол наклона равен 90°, что характеризует прямоугольный че­тырехугольник.

Ориентация 2D-элемента по умолчанию принимается такой же, что и у исходного геометрического элемента, если он имеет место и т.д.

Средства управления качеством сетки также позволяют контролиро­вать такие параметры, как размер элемента, деление граничной линии, размеры в окрестности заданных геометрических точек, коэффициенты растяжения или сжатия вдали от границ, ограничения на кривизну и воз­можность задания «жестких» точек (т.е. задание точного положения узла вместе с размерами сетки в каждой точке).

Модификация конечно-элементной сетки может вестись как в инте­рактивном, так и в пакетном режиме. Широкие возможности визуализации различных графических примитивов и имеющихся средства редактирова­ния позволяют пользователю выполнять модификацию при необходимости вручную, хотя эффективность этого режима низкая.

Основным режимом модификации сетки является пакетный режим. В этом случае используются различные алгоритмы сглаживания сетки, из­менения атрибутов узлов и элементов, измельчения и улучшения формы элементов и др. Например, процедура слияния узлов позволяет модифици­ровать сеточную модель путем объединения в один узел тех из ее узлов, расстояние между которыми меньше заданного значения. Так формируется новая сеточная модель с меньшим количеством неоднородностей и более согласованной длиной связей (рис. 2.6).

 


 

 

Рис. 2.6. Редактирование элементов сетки


 

Программы могут выполнять контроль соответствия элементов расчет­ной и сеточной моделей, вводить, удалять и изменять положение конечных элементов, обеспечивая тем самым формирование сетки высокого качества.

Определение данных и ограничений. Исходные данные анализа, введенные на этапе предварительной подготовки, становятся частью базы данных пакета. Ее содержанием являются множества типов элементов, свойств материала, параметров узлов, нагрузок и др., которые соответст­вующим образом группируются и этим группам присваиваются идентифи­каторы (число или имя). Выбор необходимых данных осуществляется либо путем указания графических примитивов расчетной модели на экране мо­нитора, либо используя идентификаторы групп конечных элементов, видов материалов, узлов и элементов и др. Например, граничные условия можно вызвать из базы данных и отредактировать, используя геометрию модели, а не номера отдельных узлов или элементов.

Управление работой решателя. Прежде чем конкретный вариант задачи будет передан на расчет, выполняются проверка и подтверждение входных данных анализа на соответствие их выбранному методу решения задачи и настройкам опций решателя. Для этих целей используются, как

правило, многочисленные контекстно-независимые меню. Например, меню среды анализа отражает общую информацию о решаемой задаче и содер­жит описание вида анализа, типа выбранного решателя, размерности моде­ли, метода решения и др.

Группы назначаемых нагрузок формируются на этапе подготовки данных. Каждая группа имеет свое имя. В процессе проверки можно до­полнить необходимые нагрузки в группу, используя соответствующее меню.

Затем можно перейти к следующим действиям:

-выбор рабочей директории, т.е. директории, в которой решатель будет формировать файл результатов и временные файлы;

-выбор имени задачи. Это имя будет использоваться как префикс всех имен файлов, создаваемых в процессе решения;

-выбор шага анализа. Шаг всегда может быть модифицирован;

выбор группы нагрузок.

В следующем окне диалога можно модифицировать значения пере­менных параметров, используемых при вычислениях:

-память - выделяемый для решателя объем памяти (Мб);

-удаленный узел - имя компьютера, используемого для вычислений. Если этот параметр не указан, то используется локальная ЭВМ;

-удаленная память - место для запоминания файлов;

-исполняемая директория - путь к выбранному решателю.

После этого запускается процесс вычислений, который требует боль­ших затрат компьютерного времени. Потери времени в значительной степени зависят от выбранного решателя. Многочисленные решатели разных фирм- разработчиков используют различные алгоритмы решения систем уравнений.

Решатели явного типа, к которым относится фронтальный решатель, определяют точное решение для совместной системы линейных уравнений. Например, фронтальный решатель программы ANSYS использует так на­зываемый Rank-n алгоритм, обеспечивающий параллельную обработку системы уравнений. Решатель явного типа ANSYS/LS-DYNA фирмы Liv­ermore Software Technology (США) дает возможность эффективно прово­дить анализ динамических процессов.

Кроме фронтальных решателей, разработаны итеративные решатели, которые сокращают время решения и ресурсы компьютера при анализе больших моделей. При расчетах систем совместных линейных уравнений итеративные решатели дают сходящееся от итерации к итерации решение. Например, в программе ANSYS используются три итеративных алгоритма: алгоритм PowerSolver на основе метода обусловленных сопряженных гра­диентов (PCG), алгоритм на основе метода частично сопряженных гради­ентов Чолески и др.

Пользователь имеет возможность выполнить решение задачи в инте­рактивном или групповом режиме. Когда назначен интерактивный режим, обновление данных осуществляется решателем автоматически. В случае группового режима пользователь может произвольно запрашивать инфор­мацию о протекании процесса.

По завершении вычислений:

- полученные результаты будут визуализированы в окне данных;

- предельные значения результата будут показаны в области выход­ных данных протокола анализа;

- решатель сформирует текстовый файл выходных данных, который может открываться любым текстовым редактором.

Постпроцессорная обработка результатов. Результаты решателя в виде нескольких таблиц могут быть записаны в текстовый или бинарный файлы, не пригодные для чтения. Поэтому существуют следующие воз­можности представления результатов:

 

Рис. 2.7. Визуализация нагрузок и распределения деформаций

- области напряжений, деформаций, температур и т.д. отображаются функциями визуализации в виде геометрии или сетки (рис. 2.7);

- функции выделения, рекомбинации и сортировки параметров по­зволяют найти предельные значения полей напряжений, деформаций или температур.

Приведем некоторые параметры настройки постпроцессора.


- визуализация деформированного состояния на исходном объеме;

- режим отображения результата (способ представления):

• градуированное цветоделение до 10 цветов;

• тонирование - спектр от синего до красного (рис. 2.8, справа);

• символьный - стрелки вектора в узлах или многогранники, размер и цвет которых отражают величину соответствующего значения (рис. 2.8, слева);

• цифровой - значения параметра располагаются в центре эле­мента или в узле (рис. 2.9).

- графическое представление значений результата в виде:

• объемной оболочки - показывает значения на внешней оболочке объема, например, для визуализации деформаций показывает из­менение результата, уменьшая и увеличивая его значения от ну­левого до максимального;

• плоского сечения - показывает значения внутри объема, разрезая геометрию плоскостью и двигая это сечение в любом направле­нии внутри объема от места максимального значения до места минимального значения;

• патча (элементарного участка) поверхности - показывает ре­зультаты внутри объема в виде изоповерхности, она искажает­ся, изображая значения от нижней до верхней границы резуль­тата;

- анимация любого из графических режимов;

- листинг результатов - интерактивное окно с числовыми результатами, в динамическом режиме позволяет вести обработку полученных значений, на­пример, сортировать полученные значения по порядковому номеру и величине или в каких-либо границах значений (ограниченном поле значений);

- оценка погрешности результатов в линейном статическом анализе для объемных элементов. Ошибки представляются в виде:

• абсолютной ошибки (в единицах параметров, например, давле­ния);

• относительной ошибки напряжения (в %);

• количества элементов, имеющих совокупную ошибку, значе­ние которой составляет более 10%.

Эти данные могут быть получены с помощью специальной настрой­ки контроля решателя на этапе задания условий анализа

Рис. 2.8. Режимы отображения результатов анализа


 

 

Рис. 2.9. Представление результатов в виде значений параметров в узлах сетки


 

Анализ динамических процессов систем управления. В отдельную группу задач анализа выделяются исследования динамических процессов, протекающих в системах автоматического регулирования и управления наукоемких машиностроительных изделий. К таким изделиям можно отне­сти тепловые энергетические установки, ядерные установки различного на­значения, системы автоматического управления следящих приводов и робо­тов, двигателей, а также других технических систем, описание динамики которых может быть выполнено методами структурного моделирования. Для решения задач этого класса широкое применение находят специальные программные комплексы MATRIX, Simulink, VisSim и др.

Приложение к учебному пособию содержит материалы для выполне­ния курсовой работы, позволяющие ознакомиться с одним из таких про­граммных комплексов, который разработан в МГТУ «Станкин» для расчета динамических характеристик изгибных механических систем.

2.3. Системы поддержки этапа проектирования

Проектирование является одним из наиболее важных этапов проек­тирования изделий. Его значимость состоит не только в том, что на здесь формируется концептуальный облик будущего изделия, но и в том, что именно на этапе конструирования создаются математически точные гео­метрические модели как отдельных деталей, так и всего изделия, которые будут играть определяющую роль на всех последующих этапах его жиз­ненного цикла.

В основе систем автоматизированного проектирования машинострои­тельных изделий (CAD-систем) лежит реализация функций двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся чер­чение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D - по­лучение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуа­лизация, взаимное преобразование 2D и 3D моделей.

Среди CAD-систем различают «легкие» и «тяжелые» системы. Первые из них ориентированы преимущественно на 2D графику, сравнительно деше­вы и менее требовательны в отношении вычислительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое (твердотельное, поверхностное или их со­четание) моделирование (3D), более универсальны, дороги, оформление чер­тежной документации в них обычно осуществляется с помощью предвари­тельной разработки трехмерных геометрических моделей.

Твердотельное моделирование наиболее часто используется в сле­дующих случаях:

- при построении типовых деталей и узлов машиностроительных изде­лий, например унифицированных элементов пресс-форм;

- для выполнения модификации модели с использованием истории ее создания;

- для оценки свойств проектируемых деталей (площадь поверхности, масса, центр тяжести и т.п.);

- для контроля взаимного расположения деталей и работы механизма;

- для автоматизации подготовки конструкторской документации;

- для последующей обработки на 2,5-координатных станках с ЧПУ.

Поверхностное моделирование предназначено:

для создания объектов сложной формы, таких как поверхности де­талей внешнего вида (самолеты, автомобили, бытовая техника);

- для проектирования изделий, изготавливаемых штамповкой, и оформляющих элементов штампов и пресс-форм;

- для проектирования изделий, изготавливаемых литьем, их литье­вых форм.

Поверхностное моделирование позволяет:

-достоверно представить изделия сколь угодно сложной формы;

- точно рассчитать инерционно-массовые характеристики проекти­руемых изделий;

- проконтролировать взаимное расположение деталей, их собираемость;

- готовить управляющие программы для станков с ЧПУ.

Изготовление таких деталей может выполняться, как правило, на

оборудовании с 3- и 5-координатным управлением.

Объемное моделирование с помощью адаптивных форм является промежуточной формой между твердотельным и поверхностным модели­рованием. Адаптивные формы сохраняют историю своего создания и мо­гут участвовать в топологических операциях как тела, а также могут быть незамкнутыми, как поверхности.

Важное значение для обеспечения открытости CAD-систем и их ин­тегрируемости с другими системами имеют интерфейсы, представляемые реализованными в системах форматами межпрограммных обменов. Оче­видно, что, в первую очередь, необходимо обеспечить связи CAD-систем с системами САЕ и САМ, поскольку большинство машиностроительных из­делий проектируется с использованием сложных формообразующих кон­туров. Для этого необходим обширный инструментарий создания и редак­тирования как двумерных примитивов (прямых, дуг, окружностей, много­угольников и т.д.), так и сложных контуров. Выбор метода построения, а значит, и конкретных функций построения контуров и тел в дальнейшем будет определять как способ внесения изменений в геометрическую мо­дель изделия, так и проектирование технологии ее обработки.

Приведем некоторые способы получения сложного контура.

1. Получение сложного контура по вспомогательным пересекаю­щимся (рис. 2.10) или непересекающимся (рис. 2.11) линиям. В первом случае указываются части сегментов и точки их пересечения, во втором - все элементы в указанном порядке замыкаются в цепочку, недостающие сегменты контура достраиваются автоматически.

2.

3.

4.

1. Построение сложного контура одной полилинией за одну операцию,

2. используя для задания вершин алфавитно-цифровой ввод, ссылочные точки или «привязки» к уже созданным линейным или трехмерным объектам.

3.

4. Формирование контура в результате топологических операций над замкнутыми контурами (рис. 2.12).

5. Получение сложного контура в результате применения к линей­ным элементам матрицы преобразований (сдвиг, поворот, копирование массивом и т.д.) (рис. 2.13).

 

 

Рис. 2.13. Получение незамкнутого контура как линейного массива
шести копий исходного контура

Редактирование сложных контуров включает следующие функции.

1. Добавление, удаление и изменение положения вершин контура.

2. Геометрическое перестроение сегментов контура: отсечение и до­тягивание до указанных границ, удаление указанной части сегмента, рас­сечение в указанных точках и т.д.

3. Геометрическое перестроение контура в целом: добавление или удаление отверстий, растягивание или сжатие в заданном направлении или масштабе, создание скруглений и фасок и т.д.

Изложенное означает, что принципиальным становится этап кон­цептуальной разработки изделия (см. п. 1.3), на котором по сути должна быть сформирована идеология его проектирования. Классификации из­делий с рекомендациями к используемым способам построения нет ни в одной CAD-системе. К настоящему времени еще не создана программ­ная среда, заранее определяющая методологию проектирования в зави­симости от типа изделий. Сделать более или менее оптимальный выбор способа построения можно с учетом следующих критериев: компакт­ность модели, время и трудоемкость ее построения, технологичность. Иногда геометрия модели или отсутствие в ее истории конструктивных элементов не позволяют правильно «обработать» деталь и тогда прихо­дится перестраивать модель. Это означает, что в основе методологии проектирования лежит субъективный подход к использованию тех или иных функций построения.

Геометрические модели твердых тел. Одной из важных характери­стик твердого тела в CAD-системах является история его создания. Со­держательная часть истории включает описание всех элементов, исполь­зуемых для построения тела, параметры и последовательность выполнения операций. История создания имеет иерархическую структуру:

- на нижнем уровне размещаются геометрические примитивы (пло­ские и объемные) и их параметры;

- на последующих уровнях могут размещаться сборки тел, получен­ные в результате преобразований над объектами нижнего уровня, а также промежуточные результаты топологических операций над отдельными конструктивными элементами;

- на верхнем уровне истории создания всегда находится результи­рующее тело (например, деталь) или сборка результирующих тел (напри­мер, узел или агрегат).

История создания твердого тела содержит граничное представление всех использованных объектов. Выделение самостоятельных геометриче­ских моделей конструктивных элементов производится копированием прямо из истории создания. Это дает возможность быстрого доступа в лю­бых моделях сложных тел, к любым промежуточным результатам и ис­пользования их при построении новых тел, а также позволяет организовать коллективный доступ к результатам работы многих конструкторов в еди­ном проекте, не создавая дополнительных (резервных) копий всех конст­руктивных элементов. Кроме самой геометрии, в истории создания хра­нится описание каждой операции в хронологическом порядке их выполне­ния, которые можно редактировать прямо в дереве истории создания.

Для выполнения в процессе проектирования преобразования исход­ной модели в новую модель изделия в CAD-системах используется проце­дура модификации. Она зависит от способа построения модели и базиру­ется на истории создании твердого тела. Редактирование модели сложного тела выполняется на любом этапе истории его создания. Так, на нижнем уровне можно редактировать параметры контуров, перестраивать их гео­метрию, а также изменять значения параметров твердотельных примити­вов. На любом другом уровне модификацию сложного тела можно выпол­нять путем манипуляций конструктивными элементами.

Модификация включает следующие способы.

1. Изменение формы путем ввода новых значений параметров (в примитивах), а также методом графического редактирования формообра­зующих контуров.

2. Редактирование назначенных параметров, обеспечивающих изме­нение формы детали в соответствии с установленными зависимостями (па­раметризация).

3. Изменение положения в составном теле его твердотельных конст­руктивных элементов - изменение расстояний между элементами и базовыми точками, между осями элементов, изменение наклона элемента, изменение углового расстояния между массивом элементов, повтор или отмена послед­него перемещенияУдаление элемента из составного тела, добавление элемента, замена новым элементом существующего элемента составного тела.

4. Преобразования в дереве истории создания (обмен элементами в де­реве истории, выделение их из дерева истории, дублирование элементов) и получение новых версий модели.

В качестве примера на рис. 2.14 приведена модификация сборки двух деталей, которая выполняется в результате манипуляций с ветвями дерева истории создания, а именно изменения последовательности элементов в то­пологических операциях. Сборка SB_ 1 состоит из двух деталей - CUT_ 1 и CUT 2. Деталь CUT_\ получена в результате вычитания из параллелепипеда В\ цилиндрического отверстия Тоо1_\, а деталь CUTJ2 - в результате вычи­тания из параллелепипеда В2 отверстия квадратной формы Tool 2. Если по­менять местами в дереве истории элементы Tool_ 1 и Тоо1_2, то сборка авто­матически перестроится.

 

Рис. 2.14. Результаты модификации твердого тела с использованием дерева его истории


В твердотельном моделировании реализованы два режима параметри­зации (создания объектов) - режим адаптивной (свободной) параметризации и режим принудительной параметризации. В режиме в режиме адаптивной параметризации модель изделия создается без первоначальных позиционных ограничений на ее конструктивные элементы. Адаптивная параметризация позволяет оперативно вносить изменения в модель, активизируя необходи­мые параметры элементов конструкции. В процессе оперативного редактиро­вания можно просмотреть различные варианты и вернуться к первоначальному, при этом нет необходимости беспокоиться о потере последовательно­сти данных построения. На любом этапе модель может быть модифицирова­на, проанализирована с выбором ее окончательного варианта.

Принудительная параметризация предполагает описание арифметиче­скими выражениями или отношениями совокупности связанных друг с другом геометрических элементов конструкции. Любой параметр геометрического элемента можно представить его значением, переменной или выражением.

Геометрические модели поверхностей. Деталь, построенная методами поверхностного моделирования, представляется пустотелой оболочкой - «по­верхностью» (surface), состоящей из большого числа элементарных участков - «патчей» (patch - лоскут, кирпич). Два понятия - топологическая поверхность и патч - являются основными понятиями поверхностного моделирования.

Геометрические модели поверхностей в CAD-системах являются аналитическими и в отличие от моделей твердых тел имеют единственное представление в структуре данных и не имеют истории создания. Точность отображения поверхностей на экране монитора регулируется коэффициен­том полигонизации.

В программном обеспечении CAD-систем обычно представлены два типа участков поверхностей - базовые (или точные) и свободные. Различия определяются способом их формирования. Деление участков на поверхно­сти точные и свободные не влияет на точность их изготовления.

Базовые поверхности строятся на основе генераторов (линейчатые участки, поверхность вращения, параллелепипед, цилиндр, сфера, призма, конус, тор). При свободном формообразовании поверхности (поверхности Безье, В-сплайн и др.) качество результата чаще оценивается визуально. Точные участки используются для создания конструктивных элементов на сложных деталях и конструктивных элементов деталей, аналогичных по­строенным методом твердотельного моделирования. Свободные участки используются как для формирования видовых деталей (дизайна изделия), так и для построения сложных сопряжений на деталях, где обычные под­ходы е позволяют получить удовлетворительные результаты.

Над поверхностями могут выполняться сопряжения и топологиче­ские операции (сложение, вычитание, выделение части). При выполнении топологических операций над поверхностями результат может отличаться от результата аналогичных операций над твердыми телами. Поверхности можно преобразовать в тела или в адаптивные элементы.

Поверхности могут быть проанализированы на топологию (контроль дефектов), при этом могут быть точно рассчитаны их геометрические иинерционно-массовые характеристики (объем, масса, моменты инерции, площадь поверхности и др.).

В поверхностном моделировании модифицируется только структура связности патчей поверхности. Патчи могут как объединяться в одну по­верхность, так и разбиваться на части. Из поверхности можно удалить часть ее патчей. В процессе модификации поверхности могут быть разре­заны, разбиты, сглажены, сопряжены. Форму патча можно изменить путем редактирования положения вершин его дескрипторов - линии, соединяю­щих вершины (рис. 2.15).

 

Рис. 2.15. Деформация поверхности Безье путем изменения положения вершин ее дескрипторов


 

Построение изделий методом поверхностного моделирования имеет

°ПРеДОЛГогоэГмГтГеТпо;ерхноети могут обрабатываться как единые геометрические элементы (топологические поверхности);

I _ пересечения и топологические операции выполняются над поверх­ностью как над единым объектом;

- поверхности автоматически обрезаются при сопряжении или объе­динении;

- одну поверхность можно объединять с другими многоэлементными поверхностями;

- по заданной поверхности может быть построена сетка конечных элементов.

Адаптивные формы делятся на базовые и составные. Строятся они аналогично телам. В отличие от операций над телами, топологические операции над адаптивными формами выполняются над замкнутыми или незамкнутыми поверхностями. Созданные ранее тела и поверхности могут быть преобразованы в адаптивные формы.

Над адаптивными формами могут производиться топологические операции:

- объединение двух или группы элементов. В случае пересечения не­замкнутых адаптивных форм результат объединения всегда можно вы­брать (рис. 2.16);

- вычитание одной адаптивной формы из другой;

- пересечение между двумя адаптивными формами с одновремен­ным скруглением получаемой общей части;

- соединение двух незамкнутых адаптивных форм с общей границей.

Существует несколько способов модификации адаптивных форм:

- изменение геометрии — модификация геометрических примитивов или топологических операций путем обращения к истории создания и ре­дактирования параметров базовых геометрических примитивов или обра­зующих линий;

- изменение топологии - изменение типа топологических операций и сопрягающих радиусов. В этом случае можно изменить тип топологической операции между двумя адаптивными формами и радиус скругления, но нельзя редактировать составные адаптивные формы;

- изменение сопряжений - создание или редактирование сопрягаю­щих радиусов у адаптивных форм;

- изменение структуры - удаление, замена или извлечение геометриче­ских примитивов из адаптивных форм. Можно модифицировать историю создания путем удаления примитивов или замены одних форм другими;

- изменение положения — изменение положения геометрических примитивов в адаптивной форме (расстояния от ссылочной точки, угла на­клона по отношению к ссылочной плоскости, расположении осей).

Оформление конструкторской документаций.

 В условиях приме­нения сквозных компьютерных технологий, когда информация с компью­тера передается непосредственно на станок по локальной сети, чертежи те­ряют то ведущее положение, которое они занимали в традиционном конст­руировании. Однако во всех программных пакетах CAD-систем есть сред­ства разработки чертежей, а в отдельных пакетах - средства подготовки необходимой документации.

Для получения чертежа необходимо выполнить следующие этапы:

- выбрать структуру чертежа;

- определить необходимые проекции изделия;

- оформить чертеж.

Структура чертежа содержит описание видов формата чертежа. Ви­ды, в которых будут располагаться спроецированные линии трехмерного объекта, размеры и условные обозначения, могут быть стандартными (сверху, слева, аксонометрический и т.д.) или ранее созданными нестан­дартными. Формат чертежа обеспечивается нужным стандартом (ISO или ЕСКД) или может создаваться пользователем. В итоге на экране монитора появится несколько видов, которые будут представлены системами коор­динат. К созданным видам можно по мере необходимости добавлять дру­гие виды, а также редактировать существующие виды:

- изменять их положение на чертеже (перемещение, поворот);

- изменять их количество;

- изменять свойства вида (масштаб, размеры).

Для получения проекций модели на чертеже можно сначала импор­тировать объект в виды чертежа, а затем получить сами проекции его ви­димых и невидимых линий. На этом этапе принимается решение о связи чертежа с исходной моделью. Если эта связь сохраняется, после модифи­кации модели чертеж может быть автоматически отредактирован. В нем обновятся все проекции, связанные с моделью. Если связи нет, все линии чертежа становятся самостоятельными объектами и перестраиваются вручную с помощью функций редактирования плоской геометрии.

После получения линий, изображающих виды модели, можно при­ступить к созданию выносных и проекционных видов. В последнюю оче­редь оформляются местные разрезы.

Оформление чертежа начинается с создания осевых линий. Создают­ся надписи. Используя функции создания допусков и шероховатостей, на чертеж наносят необходимые обозначения и проставляют размеры.

Если между чертежом и исходными трехмерными моделями сущест­вует связь через базу данных, т.е. проекции чертежа сохраняют ссылки на соответствующие модели, то в случае изменения одной или сразу несколь­ких моделей редактирование чертежа может быть выполнено следующими способами.

1. Из базы данных вызываются как чертеж, так и модель. Необходи­мые изменения производятся в модели с обязательным пересчетом резуль­татов. В том же рабочем сеансе открывается нужный чертеж, и старые проекции модели меняются на новые, например с использованием функ­ции редактирования параметров проекций или функции замены проеци­руемого объекта. Затем новая модель и ее отредактированный чертеж со­храняются в базе данных.

2. Трехмерная модель детали модифицируется и сохраняется в базе данных. В дальнейшем, вызывая из базы данных чертежи, имеющие ссыл­ки на эту модель, система предложит выбор между старыми чертежами чертежа и новой версией. В новой редакции чертежа автоматически будут обновлены все ссылки на измененные модели.

Следует учитывать, что, кроме проекций, на чертеже могут присут­ствовать другие элементы, которые никак не будут связаны с исходными моделями. Поэтому при редактировании чертежа необходимо согласова­ние между новыми проекциями и всеми добавленными вручную геометри­ческими элементами и размерными линиями.

Организация хранения и доступа к информации в CAD-системах со­ставляет отдельную проблему, поэтому в рамках данного учебного посо­бия она не рассматривается.

2.4. Системы поддержки этапа технологической подготовки производства

Этап технологической подготовки производства тесно связан с преды­дущими этапами, так как входной информацией для него являются данные геометрической модели изделия. В процессе работы технолог будет часто обращаться к предыдущим этапам для проектирования моделей инструмента, оснастки или модификации модели изделия совместно с конструктором.

Назначение этапа технологической подготовки производства в ос­новном состоит в решении следующих задач:

- разработка технологий изготовления изделия, инструментов, при­способлений и т.д. на основе их геометрических моделей, полученных на этапе проектирования;

— подготовка программ для станков с ЧПУ по спроектированным технологиям.

Автоматизированные системы, с помощью которых решаются как эти задачи, так и задачи моделирования процессов обработки, в том числе построения траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерации постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ и расчета норм времени обработки, получили назва­ние С AM-систем.

Наиболее известны следующие CAM-системы, предназначенные для машиностроения:

- «тяжелые» для сквозного проектирования и технологической подго­товки производства: Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC - Parametric Technology Corp.); CATIA (Dassault Systemes); EUCLID (Matra Datavision); CADDS.5 (Computervision) и др.;

— «легкие» для выполнения всего цикла или отдельных процедур технологической подготовки производства: AutoCAD (Autodesk); ADEM; ArtCAM; EdgeCAM; Caddy (Ziegler Informatics), а также разработки россий­ских фирм: КОМПАС АВТОПРОЕКТ (Аскон) — проектирование техноло­гических процессов механообработки, штамповки, сборки, термообработ­ки; СИТЕП МО (Станкин СОФТ) - механообработка, СИТЕП ЛШ - листо­вая штамповка; TECHCARD (Интермех) — комплексная система автомати­зации технологической подготовки производства; ТехноПРО (Вектор) - универсальная система автоматизации технологического проектирования; SprutCAM; СПРУТ-ТП (СПРУТ-Технологии) - система автоматизирован­ного проектирования технологических процессов и др.;

- занимающие промежуточное положение (среднемасштабные): Cimatron; Microstation (Bentley); Euclid Prelude (Matra Datavision); T- FlexCAD (Топ Системы) и др.

С ростом возможностей персональных ЭВМ грани между «тяжелы­ми» и «легкими» системами постепенно стираются.

В CAM-системах сквозного проектирования и подготовки производст­ва наиболее часто реализуются следующие виды механообработки: 2.5-, 3- и 5-координатное фрезерование, токарная обработка, сверление, нарезание резьбы и др. Имеется возможность моделировать движение инструмента и снятие материала во время черновой и чистовой обработки поверхности из­делия. Например, в простейшем варианте 2- и 2,5-координатной обработки во многих CAM-системах реализованы следующие способы обработки поверх­ностей: контурная обработка, фрезерование призм и тел вращения, выборка карманов с возможностью движения «в одну сторону», зигзаг, спираль, а также нарезание резьбы и снятие фасок. В модулях 3- и 5-координатного фрезерования CAM-систем сквозного проектирования и технологической подготовки производства реализованы практически все возможные способы обработки всех поверхностей изделий, например, такие, как фрезерование поверхности с управлением угла наклона инструмента, шлифующее резание с возможностью обдувки и др.

В CAM-системах обычно не определятся жесткий порядок создания технологического процесса. Тем не менее во многих случаях создавать процесс следует определенным образом:

1. Вызвать из базы данных модели элементов среды;

2. Вызвать из базы данных модели конечной детали и заготовки;

3. Создать первую последовательность (совокупность операций, вы­полняемых данным станком с данной оснасткой без переустановки детали) процесса обработки:

- задать исходное положение станка и типы циклов (элементарных ти­пов механической обработки: контурной, по параллельным плоскостям и т.п.);

- вычислить первый и остальные циклы операции (совокупности циклов, выполняемых данным инструментом);

- проверить, промоделировать и декодировать первую операцию;

- отредактировать операцию, если потребуется;

- создать другие операции, если потребуется.

4. Создать другие последовательности процесса обработки, если это необходимо.

В результате расчета созданного процесса будут сформированы тра­ектории движения инструмента. В процессе расчета можно оперативно управлять ходом вычислений, определяя, какую часть процесса, последо­вательности или операции необходимо выполнять. Расчет можно продол­жить с последней успешно вычисленной точки траектории, соединив ее со следующим рассчитанным элементом.

Стандартные операции контроля корректности сделанных изменений CAM-система выполняет при пересчете элементов. В случае обнаружения некорректности выдается соответствующее сообщение. Кроме того, поль­зователь может определить свои операции проверки, например, выполне­ние частичного пересчета элементов после каждого внесенного изменения и отображения новой траектории инструмента. Расчет прерывается в слу­чае обнаружения ошибки в траектории цикла.

Контроль качества спроектированных процессов всех видов механо­обработки выполняется одними и теми же методами. На всех этапах про­ектирования технологического процесса имеется возможность визуально проверить настройку оборудования, а во время имитации процесса резания увидеть формирование эквидистант инструмента (рис. 2.17).

 

Рис. 2.17. Моделирование процесса механообработки


 

С помощью специальных программ выполняется анимация всего процесса обработки заготовки с визуализацией удаляемого материала и за- резов (рис. 2.18).

 

Рис. 2.18. Визуализация цикла обработки: 1 - область зареза


 

В тех случаях, когда пользователь не удовлетворен результатами спроектированного процесса, он может выполнить редактирование как па­раметров циклов, так и любых других составляющих процесса. Для этих целей существуют следующие функции:

- добавление элементов в структуру процесса;

- замена элемента текущего процесса;

- обмен местами двух элементов процесса;

- удаление элемента процесса;

- перемещение элементов процесса;

- копирование элементов операции;

- изменение параметров элемента процесса;

- удаление траекторий инструментов;

- отображение геометрических параметров элемента;

- отображение выбранного элемента;

- поиск элемента процесса;

- назначение имени элементу процесса.

Внесенные изменения начинают действовать после пересчета эле­ментов процесса.

Выходная информация процесса может быть представлена в виде.

- управляющей программы на проблемно-ориентированном языке,

- управляющей программы в коде конкретного станка с ЧГГУ,

- проектно-технологической документации в требуемом формате.

Проектно-технологическая документация может быть оформлена в ви­де чертежей, текстовой информации или рисунков. Документы создаются ав­томатически по указанному шаблону и могут при необходимости редактиро­ваться вручную. Существуют следующие типы документов: список инстру­ментов, карты цикла, карты инструмента, карты последовательности.

2.5. Системы поддержки этапа производства

Структуру современных систем поддержки этапа производства мож­но представить как многоуровневую, где на верхнем (АСУП) уровне (от предприятия до цеха) решаются задачи стратегического характера - управ­ление ресурсами предприятия и укрупненное планирование, а на нижнем (АСУТП) уровне (от цеха и ниже) определяется, сколько и каких машин, узлов и деталей необходимо изготовить к определенному сроку. В АСУТП могут быть и межцеховые связи, если единый технологический процесс реализуется в нескольких цехах.

В дальнейшем эти объемы работ необходимо выполнить на конкрет­ных единицах оборудования с учетом их переналадок, ремонтов, отказов, транспортных и складских операций, состава и численности персонала це­ха и других производственных факторов. При выполнении работ необхо­димо стремиться к максимально полной загрузке оборудования и в то же время - к высвобождению лишних станков, т.е. составлять расписание ра­боты цехов так, чтобы минимизировать объем незавершенного производ­ства. За выполнение этих задач отвечает автоматизированная система управления производственными процессами (АСУПП) класса MES.

В последнее время в связи с развитием сети Internet автоматизация распространилась на управление связями между предприятиями. Появи­лись соответствующие подсистемы ERP, но часто взаимодействие с по­ставщиками и заказчиками осуществляют с помощью самостоятельных систем SCM и CRM соответственно.

Уровень АСУТП представляется операционными системами реаль­ного времени и SCADA-системами.

Основными требованиями, предъявляемыми к операционным системам реального времени, являются высокая скорость реакции на запросы внешних устройств, устойчивость системы (способность работы без зависаний) и экономное использование имеющихся в наличии сис­темных ресурсов.

В АСУТП находят применение как варианты широко распространенных операционных систем UNIX и Windows, так и специальные операционные системы реального времени. Перспективной считается LynoxOS - многоза­дачная, многопользовательская, UNTX-совместимая система. Windows NT ста­новится системой реального времени после ее дополнения средой RTX. Раз­витый программный интерфейс RTX API, основанный на Win32 API, обеспе­чивает создание драйверов и приложений реального времени. Кроме того, Microsoft разработала специальную версию операционных систем Windows NT для встроенных приложений, названную Windows NT Embedded.

Системы SCADA являются неизменными компонентами автоматизи­рованной интегрированной системы. Они выполняют функции серверов тех­нологических данных, поддерживающих обмен информацией между техно­логическими устройствами и сетью персональных компьютеров предпри­ятия. В этой связи они могут выступать в роли терминальных станций и в ро­ли систем управления более высокого уровня, чем системы ЧПУ и програм­мируемые контроллеры. В отдельных случаях системы SCAD А могут высту­пать в роли терминала самой системы ЧПУ. Безотносительно к конкретному назначению функции систем SCADA формулируются следующим образом.

1. Сбор, первичная обработка и накопление информации о парамет­рах технологического процесса и состояния оборудования, полученной от систем ЧПУ и программируемых контроллеров, непосредственно связан­ных с технологическими машинами.

2. Отображение информации о текущих параметрах технологическо­го процесса на экране монитора в виде графических мнемосхем.

3. Отображение графиков текущих значений технологических пара­метров в реальном времени за заданный интервал.

4. Обнаружение критических (аварийных) ситуаций. Вывод на экран монитора технологических и аварийных сообщений.

5. Архивирование истории изменения параметров технологического процесса.

6. Оперативное управление технологическим процессом. Диспетчи­рование устройств низшего ранга.

7. Предоставление данных о параметрах технологического процесса для их использования в системе управления предприятием.

Системы SCADA реализованы обычно в виде сетевых персональных компьютеров, причем необязательно все функции сосредоточены в одном компьютере. Так, в интегрированной системе (рис. 2.19) могут быть выде­лены системы SCADA типа Data Access (доступ к данным технологического процесса); типа Alarms and Events (выявление критических и аварийных ситуаций); типа History Access (архивирование истории изменения пара­метров технологического процесса).

 

Рис. 2.19. Структура функционального назначения систем SCADA

Система Data Access:

- считывает технологические параметры;

- сохраняет эти параметры в базе данных реального времени;

- отображает технологические параметры на графических мнемо­схемах;

- отображает технологические параметры в виде графиков (трендов). Система Alarms and Events:

- обнаруживает аварийные ситуации;

- отображает аварийные и технологические сообщения;динамически представляет аварийные ситуации на графических мнемосхемах.

Система History Access:

- архивирует историю изменения параметров технологического про­цесса;

- просматривает историю изменения параметров технологического процесса в виде графиков и таблиц;

- генерирует отчеты по истории изменения параметров технологиче­ского процесса.

Многие фирмы-производители систем SCADA стараются сосредото­чить в этих системах целый комплекс продуктов, удовлетворяющих всем потребностям автоматизации современного промышленного предприятия. Так, фирма Wonderware (США) выпустила продукт FactorySuit, в котором, помимо стандартных функций SCADA, реализованы следующие возмож­ности: управление технологическими маршрутами; программирование контроллеров; ведение проектов; контроль качества продукции; некоторые функции автоматизации административного управления.

Связь с системами ЧПУ, контроллерами и приложениями в SCADA- системах обычно осуществляется посредством технологий DDE, OLE, ОРС или ODBC. В качестве каналов связи используют последовательные про­мышленные шины Profibus, CANbus, Foundation Fields и др.

С развитием сетевой инфраструктуры появляется возможность более тесной интеграции АСУП и АСУТП, ранее развивавшихся автономно. Ис­пользование в АСУП информации о технологических процессах позволяет более рационально планировать производство и управлять предприятием. Интеграция выражается в использовании на этих уровнях общих про­граммных средств, баз данных, связей с сетью Internet на основе развития PC-совместимых контроллеров и сетей Industrial Ethernet и т.п.

Системы MES по своей функциональности близки к системам ERP и имеют ряд подсистем следующего назначения:

- синтез расписаний производственных операций;

- распределение ресурсов, в том числе распределение исполнителей по работам;

- диспетчирование потока заказов и работ;

- оперативный контроль качества;

- оперативная корректировка параметров процессов на основе дан­ных о протекании процессов и др.

MES-система - это интегрированная информационно-вычислительная система, объединяющая инструменты и методы управления подготовкой производства в режиме реального времени. Используя данные уровней пла­нирования и контроля, MES-системы управляют текущей подготовкой про­изводства в соответствии с поступающими заказами и с учетом данных кон­структорской и технологической документации, а также актуального состоя­ния оборудования, в целях максимальной эффективности и минимальной стоимости осуществления производственных процессов.

MES-системы реализуют оперативное планирование и на основании точной информации о технологических процессах отвечают на вопрос, ка­ким образом в заданный срок и в заданном количестве выпускается про­дукция, а также позволяют оптимизировать производство и сделать его бо­лее рентабельным благодаря быстрой реакции на текущие события и от­клонения от плановых заданий.

Программные приложения MES-систем выполняют следующие функ­ции: анализ, планирование, оптимизация и контроль производственных процессов, управление ресурсами и расходом материалов, анализ простоев оборудования, диагностика, техническое обслуживание оборудования и предупреждение его поломок; контроль и управление качеством продук­ции, хранение исходных материалов и произведенной продукции по техно­логическим подразделениям; формирование отчетов о производстве для пе­редачи на уровень ERP; интеграция с ERP-системой.

Взаимосвязь ERP и MES-систем представлена на рис. 2.20. ERP-система формирует объемные планы для цехов, а с помощью сессий MES-системы каждый цех формирует детализированные расписания. В системе управле­ния должны быть два контура диспетчирования. Внешний контур Кь орга­низуемый ERP-системой, следит за выполнением заданного объема работ при существующих временных ограничениях по горизонту планирования и срокам выпуска продукции конкретного наименования. При этом формиру­ется рассогласование Д| между заданным и фактическим объемами работ. Внутренний контур К2, организуемый MES-системой, определяет рассогла­сование Д2 по времени в случае, если расписание для какого-либо цеха по тем или иным причинам не выполняется и подлежит пересчету.

Таким образом, в отличие от ERP-систем MES-системы являются предметно-ориентированными, поэтому они максимально полно отражают особенности технологии конкретных производственных процессов и за­частую включают развитые средства поддержки технологической подго­товки того или иного типа производства

 

Рис. 2.20. Взаимосвязь ERP- и MES-систем

Еще одно положительное отличие MES-систем заключается в том, что в их основе лежат достаточно сложные и точные (в аспекте адекватно­сти реальной производственной среде) математические модели планирова­ния и диспетчирования.

При отыскании оптимальных и близких к оптимальным решений ис­пользуют методы многокритериальной оптимизации, что позволяет опери­ровать десятками различных критериев и ограничений, а также учитывать при построении расписаний работы оборудования цеха различные произ­водственные ситуации.

Алгоритмы, используемые в MES-системах, дают возможность фор­мировать расписания и пересчитывать их в контуре К2 (рис. 2.20) за мини­мальное время (от 3 мин до 10 с для задач с размерностью, соответствую­щей 2000-5000 технологических операций и 150-200 единиц технологиче­ского оборудования).

Весьма привлекательными характеристиками большинства MES- систем являются также их стоимость и сроки внедрения в производство, которые в ряде случаев на порядок меньше аналогичных характеристик ERP-систем. Опыт внедрения MES-систем показывает, что окупаемость всех инвестиций в процесс их внедрения составляет от 4 до 5 лет.

Цель MES-систем состоит не столько в выполнении объемов произ­водства, заданных верхним уровнем управления, сколько в оптимизации расписаний работы оборудования цеха. Результаты этой оптимизации по­зволяют более полно загрузить как основное, так и вспомогательное оборудование (с 40-45 до 80%), высвободить в ряде случаев некоторые единицы оборудования, уменьшить длительность и число операций по его перена­ладке, сократить объемы незавершенного производства на 30-40%, а общую длительность производственного цикла - на 10-15%.

Главные проблемы внедрения MES-систем связаны с их первоначаль­ной стоимостью, обучением персонала, формированием базы данных и кон­тролем руководства за сроками внедрения и окупаемости инвестиций. Тем не менее благодаря своему прикладному и предметно-ориентированному харак­теру MES-системы могут служить для большинства отечественных предпри­ятий наиболее реальным инструментом повышения конкурентоспособности продукции.

Современные системы ERP строятся на основе концепции иерар­хического управления предприятием. Наряду с этой концепцией в по­следнее время все заметнее проявляется тенденция к созданию много­агентных управляющих систем, основанных на принципах процессорно­го управления.

В современных системах ERP выделяют ряд подсистем, выполняю­щих определенные функции (рис. 2.21). Наиболее типичными среди них являются:

 

 

1. Календарное планирование производства: сетевое планирование производства, расчет потребностей в мощностях и материалах, межцеховые спецификации и учет движения изделий, контроль выполнения плановОперативное управление производством: сопровождение данных об изделиях, контроль выполненных работ, брака, отходов, расчет норм расхода ресурсов, управление обслуживающими подразделениями.

2. Управление проектами: сетевое планирование проектных работ и контроль их выполнения, расчет потребности в производственных ресурсах.

3. Финансово-экономическое управление, бухгалтерский учет: учет денежных средств и производственных затрат, маркетинговые исследова­ния, ценообразование составление смет расходов, ведение договоров и взаиморасчетов, финансовые отчеты, отчетность по налогам, анализ пла­тежеспособности предприятия.

4. Логистика: сбыт и торговля, статистика и анализ реализации, складское обслуживание, управление снабжением, запасами и закупка­ми, управление транспортировкой, оптимизация маршрутов транспорт­ных средств.

5. Управление персоналом: кадровый учет, ведение штатного распи­сания, расчеты зарплаты.

6. Управление информационными ресурсами: управление докумен­тами и документооборотом, инсталляция и сопровождение программного обеспечения, генерация моделей и интерфейсов приложений, имитацион­ное моделирование производственных процессов.

Процедуры, выполняющие эти функции, часто называют бизнес- функциями, а маршруты решения задач управления, состоящие из бизнес- функций, называют бизнес-процессами.

Если наиболее общую систему с перечисленными функциями назы­вают ERP, то системы, сконцентрированные на управлении производством (оперирующие информацией о материалах, производстве, контроле и т.п.), называют MRPII.

Характерными особенностями современных ERP-систем являются:

1. Открытость по отношению к ведущим платформам (UNIX, Windows, OS/2) и различным СУБД и, прежде всего, мощным СУБД типа Oracle, In­gres, Informix, Sybase; поддержка технологий типа ODBC (Open Data Base Connection), OLE (Object Linking and Embedding), DDE (Dynamic Data Ex­change); поддержка архитектур клиент/сервер. Важная характеристика - воз­можность работы в среде распределенных вычислений.

2. Возможность сквозного выполнения всех допустимых бизнес- функций или их части, что обеспечивается модульным построением (коли­чество функций может превышать 100).

3. Адаптируемость к конкретным заказчикам и условиям рынка.

4. Наличие инструментальных средств, в том числе языка расшире­ния или 4GL (языка четвертого поколения). Так, в R3 используется язык ABAP/L, в Elite Series - язык Informix-4GL.

5. Техническое обеспечение АСУП - компьютерная сеть, узлы которой расположены как в административных отделах предприятия, так и в цехах.

Очевидно, что для создания и развития виртуальных предприятий необходимы распространение CALS-технологии не только на САПР, но и на АСУ, их интеграция в комплексные системы информационной под­держки всех этапов жизненного цикла промышленной продукции.

Применение ERP в CALS не является лишь проблемой выбора той или иной системы. Стратегия ERP является стратегией интегрируемого характера. Термин ERP означает финансово ориентированную информационную систему для определения и планирования ресурсов предприятия, необходимых для по­лучения, изготовления, отгрузки и учета заказов потребителей. Это не кон­кретный инструмент, а стратегия управления информационными потоками компьютеризированного ЖЦИ. Систему ERP необходимо рассматривать как систему автоматизации тех функций, которые существуют в CALS.

Существует не так много автоматизированных систем, отвечающих требованиям подхода ERP; эти системы сейчас внедряются на многих про­изводственных предприятиях, в том числе и в России.

Основным недостатком существующих ERP-систем является требо­вание к «чистоте входящей информации», которое создает множество ог­раничений на пути их внедрения. Проводя аналогию с математикой, можно говорить о неустойчивости ERP-системы по отношению к входным дан­ным. Таким образом, даже незначительное колебание начальных значений может привести к непредсказуемому результату.

Одним из возможных подходов к построению устойчивых моделей планирования производства является введение нечетких параметров и ог­раничений. Производство при этом рассматривается как система, выпол­няющая определенные функции с целью получения прибыли и обладающая следующими характеристиками: продукция позиционируется как производ­ство «на заказ» из типовых сборочных единиц и компонентов; производство является универсальным и для него определены структура продукта, специ­фикации, технологические маршруты; тип системы планирования и опера­тивного управления - «система пополнения запасов»; рассматривается цен­трализованное формирование плана продаж и операций; организационная структура предприятия - смешанная модель, т.е. производство представляет собой набор цехов, внутри которых определены склады материалов и готовой продукции; известны наличие, местоположение, тип и другие характе­ристики рабочих центров (под рабочим центром понимается обобщенная единица производства внутри цеха, выполняющая одновременно только од­ну операцию: участок, станок и т.п.). Все рабочие центры разделены на ти­пы. Рабочие центры одного типа могут встречаться внутри одного цеха не­сколько раз, но между цехами рабочие центры одного типа не встречаются. Это ограничение напрямую следует из определения универсального произ­водства, которое характеризуется группировкой сходного по функциям обо­рудования в рабочие центры. Максимальная загрузка рабочего центра цеха ограничена некоторым количеством часов в календарный день, обычно это одна или две смены по 8 часов. Обычно за единицу измерения времени при­нимается стандартная длительность смены. Однако с учетом всех перенала­док и простоев производства, а также возможности сверхурочной работы, максимальная загрузка рабочего центра не является константой, а определя­ется исходя из имеющихся условий. Таким образом, сверхурочные работы возможны, но это влечет за собой большие затраты, что очень сильно сни­жает комфортность производства в целом. Вводится предположение о том, что показатели максимальной загрузки рабочего центра одинаковы для всех рабочих центров одного типа.

Процесс производства представляется в виде дерева, узлы которого являются материалами и полуфабрикатами для производства, а связи - технологическими операциями. На нижнем уровне дерева находятся толь­ко материалы, на остальных уровнях полуфабрикаты, изделия и агрегаты. За каждым узлом дерева закреплены номенклатура и количество. При этом каждой уникальной номенклатуре компонента присваивается номер.

Таким образом, рассматриваемая задача представляет собой задачу вы­бора оптимальной последовательности производственных операций при всех имеющихся ограничениях (на общее количество операций, максимальную загрузку оборудования, ресурсы и т.п.) с целью получения оптимального плана-графика производства. Отметим, что основными критериями опти­мальности плана-графика производства будут: комфортность производства; время изготовления продукции (должно быть минимальным) и размерность загрузки оборудования. В качестве обобщенного критерия оптимальности плана используется некоторое специальное нечеткое множество, элементами которого будут соответствующие частные критерии.

Система SCM в зависимости от выполняемых функций может включать несколько подсистем, например, управления складским хозяйст­вом, управления взаимоотношениями с поставщиками и партнерами, управления торговыми операциями.

Основными функциями системы CRM являются организация и управление отношениями (контактами) с клиентами: документирование контактов, планирование работы по каждому контакту, накопление стати­стики для последующего маркетингового анализа и т.п.

Одной из главных функций управления промышленным предприяти­ем является планирование его деятельности с последующим контролем за реализацией принятых планов. В связи с этим в настоящее время в отече­ственной и зарубежной литературе и научных исследованиях достаточно большое внимание уделяется мощному инструменту финансового ме­неджмента - бюджетированию (бюджетному управлению).

Для современного промышленного предприятия бюджетирование - это система согласованного управления отдельными его подразделениями на основе систематической обработки экономической информации в усло­виях динамично изменяющегося бизнеса. При этом основная задача бюд­жетирования заключается в повышении эффективности работы хозяйст­вующего субъекта на основании целевой ориентации и координации всех событий, охватывающих изменение хозяйственных средств предприятия и их источников, выявлении рисков и снижения их уровня, а также повыше­ния гибкости в функционировании экономического субъекта.

Бюджетирование является инструментом достижения целей компании, которые формируются на стратегическом уровне корпоративного управле­ния. Таким образом, бюджетирование является инструментом выполнения стратегии предприятия. С помощью этой технологии обеспечивается нераз­рывная связь стратегических целей с планами, направленными на их дости­жение, и обеспечивающими реализацию планов оперативными процессами.

Система управления предприятием является многоуровневой, и каж­дый из уровней управления обеспечивает определенный тип реакции на внешние и внутренние возмущения.

На оперативном уровне управления решаются текущие задачи пред­приятия, связанные в основном с организацией производства и сбыта про­дукции. Следует отметить, что процесс оперативного управления неразрывно связан с процессом стратегического управления. Практически механизмы первого из них являются инструментом достижения стратегических целей.

На стратегическом уровне вырабатывается реакция на глобальные изменения во внешней среде, корректируются цели деятельности предпри­ятия в соответствии с выполняемой миссией, выбирается корпоративная

стратегия, подготавливаются системы, структуры и управленческая куль­тура для реализации стратегии.

Процесс стратегического управления условно можно разделить на три стадии:

- стратегическое планирование (прогнозирование, анализ среды, оп­ределение миссии и целей, оценка стратегического потенциала, разработка стратегического плана);

- стратегическая организация (внедрение и реализация стратегии);

- стратегический контроль и регулирование (оценка стратегии, мо­ниторинг и контроль исполнения).

Бюджетирование является инструментом выполнения стратегии предприятия (инструментом достижения целей), и выбор варианта годово­го бюджета осуществляется в соответствии с краткосрочными задачами и стратегическими целями планирования предприятия. С помощью этой технологии обеспечивается неразрывная связь стратегических целей с пла­нами, направленными на их достижение, и обеспечивающими реализацию планов оперативными процессами. Именно бюджетирование приводит стратегию в действие. Многие крупнейшие предприятия России уже вне­дряют у себя различные автоматизированные системы бюджетирова­ния. Эти системы охватывают весь контур и все уровни управления пред­приятием, поэтому становится возможным на различных уровнях плани­рования использовать их как для анализа текущей ситуации, так и для мо­делирования прогнозного финансового состояния организации, что позво­ляет оценить эффект от реализации запланированных мероприятий не только качественно, но и количественно.

Растущая сложность задач управления, которые приходится решать в производственных системах, обусловливает повышение интереса к логисти­ке и логистическим системам. В информационных системах управляют информационными ресурсами и применительно к таким системам часто ис­пользуют термин «информационная логистика». Под информационной ло­гистикой понимают организацию и использование систем информационно­го обеспечения производственно-хозяйственных процессов на предприятии. Объектом информационной логистики являются информационные потоки, сопровождающие материальные потоки. Информационная логистика бази­руется на системном подходе, который охватывает все виды деятельности, связанные с планированием и управлением процессами, нацеленными на обеспечение предприятия релевантной структурой.

Управление данными требуется в процессах проектирования, произ­водства, эксплуатации изделий с целью минимизации издержек, имеющих место в первую очередь на этапе эксплуатации. Собственно минимизация может быть обеспечена должным учетом логистических требований на этапах проектирования и изготовления изделий.

Стремление максимально повысить эффективность эксплуатации сложной техники привело к появлению концепции интегрированной логи­стической поддержки (ИЛП) изделий.

Главными задачами ИЛП являются:

- определение функций и моделей средств поддержки основных из­делий на этапе их эксплуатации;

- разработка этих средств;

- расчет надежности и длительности безотказной работы изделий;

- определение состава и объема запасных частей;

- упаковка и транспортировка изделий;

- документирование;

- расчет затрат;

- обучение персонала.

Уже на этапе проектирования прогнозируются затраты и определяются ресурсы, требуемые для поддержания изделия в нужном состоянии, создают­ся базы данных, необходимые для отслеживания нужных параметров в ходе ЖЦИ, разрабатывается электронная техническая документация, используе­мая при закупке, поставке, вводе в действие, при эксплуатации, сервисном обслуживании и ремонте изделия, планируются потребности в средствах технического обслуживания. В дальнейшем база данных ИЛП становится доступной заказчикам и покупателям, в системах ИЛП контролируются про­цессы поставки изделий, формирования и исполнения заявок и т.п.

Системы PDM

Системы PDM предназначены преимущественно для информаци­онного обеспечения проектирования - упорядочения информации о проек­те, управления соответствующими документами, включая спецификации и другие виды представления данных, обеспечения доступа к данным по различным атрибутам, навигации по иерархической структуре проекта. В ряде систем PDM поддерживаются информационные связи не только внутри САПР, но и с производственной и маркетинговой документацией. Аналогичные системы, в большей мере ориентированные на управлениеинформацией в системах типа ERP, SCM, CRM и т.п., часто называют сис­темами EDM (Enterprise Data Management).

В PDM разнообразие типов проектных данных поддерживается их классификацией и соответствующим выделением групп с характерными множествами атрибутов. Такими группами данных являются аспекты опи­сания, т.е. описания изделий с различных точек зрения. Для большинства САПР в машиностроении характерными аспектами являются свойства компонентов и сборок (эти сведения называют Bill of Materials - BOM), модели и их документальное выражение (основными примерами могут служить чертежи, 3D модели визуализации, текстовые описания), структу­ра изделий, отражающая взаимосвязи между компонентами и сборками и их описания в разных группах.

Вследствие большого объема проектных данных и наличия ряда вер­сий проектов PDM должна обладать развитой системой поиска нужных данных по различным критериям.

Основные функции PDM. В информационных моделях приложе­ний фигурируют сущности (типы данных) и связи между ними. Установ­ление сущностей, их атрибутов, связей и атрибутов связей означает струк­турирование проектных данных. Структура изделий обычно может быть представлена иерархически в виде дерева. Такая форма удобна при внесе­нии и отслеживании изменений в модели, например, при добавлении и удалении сущностей, изменениях их атрибутов, введении новых связей. Поэтому первоочередными функциями PDM являются поддержка инте­рактивной работы пользователя при создании моделей изделий (процес­сов), структурирование описаний проектируемых объектов, предъявле­ние пользователю этой иерархической структуры вместе с возможностя­ми навигации по дереву и получения нужной информации по каждой ука­занной пользователем структурной компоненте.

Интерфейс с пользователем поддерживается визуализацией данных проекта одновременно в нескольких окнах. Для визуализации данных разных аспектов в PDM имеется ряд браузеров. Типичные изображения, создаваемые браузерами, - дерево проекта или его фрагментов; различные виды, такие как 2D чертеж или 3D изображение; описания моделей; принципиальные схемы; атрибуты объекта (исполнитель, номер версии, дата утверждения и т.п.).

Обычно на экране монитора рядом с названием компонента структу­ры высвечивается также присвоенный ему код. Выбор любого компонента (узла дерева) позволяет, во-первых, получать в появляющихся окнах тре­буемую информацию о компоненте, во-вторых, раскрывать для компонен­та, являющегося сборкой, следующий по иерархии фрагмент, в котором данный компонент будет представлен уже корневым узлом.

Управление версиями проекта и внесением изменений в проект должно обеспечивать целостность проектных данных. Если в проект нужно внести изменения, то создается новая версия, основанная на первоначальном проек­те, и изменения вносятся уже в эту новую версию. Исходный вариант проекта при этом сохраняется в прежнем виде. Одна версия каждого объекта является текущей или активной версией. Если имеется несколько версий объекта, то текущей является та, которая последней подвергалась изменениям.

Целостность данных поддерживается также тем, что нельзя одно­временно вносить изменения в один и тот же проект разным разработчи­ком; каждый из них должен работать со своей рабочей версией. Это обес­печивается соответствующим распределением прав доступа к данным ме­жду разными участниками процесса проектирования.

Следующей важной функцией PDM является управление докумен­тами и документооборотом. Проектная документация характеризуется разноплановостью и большими объемами. В процессе проектирования ис­пользуют чертежи, конструкторские спецификации или ВОМ, пояснитель­ные записки, ведомости применяемости изделий, различного рода отчеты и др. Кроме того, в интегрированных САПР и АСУП в документооборот входит большое число документов, связанных с процедурами маркетинга, снабжения, планирования, администрирования и т.п.

Для подготовки, хранения и сопровождения необходимых докумен­тов, в том числе чертежей и схем, в PDM включают специализированные системы управления документами и документооборотом или адаптируют полнофункциональные системы делопроизводства, разработанные незави­симо от конкретных PDM.

Типичными функциями таких систем являются ввод документов, в ча­стности с помощью средств автоматического распознавания; их атрибутиро­вание; поиск нужных данных; поддержка групповой работы над документами; маршрутизация документов, учет их движения; контроль исполнения предпи­сываемых документами действий; автоматическое уведомление соответст­вующих лиц о состоянии документов и содержащихся в них директив и реко­мендаций; планирование работ, связанных с прохождением документов.

Следует отметить, что параллельное (совмещенное) проектирова­ние, интеграция автоматизированных систем проектирования и управле­ния на современных предприятиях возможны только в распределенной среде. Распределенные хранение и обработка информации в большинстве случаев осуществляются на базе применения технологий CORBA или

DCOM, языков Java и XML. Данные проекта при этом находятся в храни­лищах данных, т.е. в нескольких базах распределенного банка данных. Находят применение трехзвенные распределенные системы с уровнями «сервер баз данных - сервер приложений - клиенты». Принимаются меры по защите информации, типичные для корпоративных информационных систем. Разработаны рекомендации по внедрению операций с электрон­ными подписями.

Управление проектами (процессом проектирования) также входит в число функций PDM. Проектирование состоит из многих шагов, объеди­ненных в потоки (workflow). Управление потоком работ включает большое число действий и условий, поддерживающих параллельную работу многих пользователей над общим проектом.

Шаги заданного или динамически определяемого маршрута работ могут представлять собой выполнение проектных операций и процедур, пересылку документов и файлов другим пользователям, изменение статуса объекта, просмотр, контроль и утверждение инженерных проектов, внесе­ние в них изменений и т.п. Между шагами перемещается пакет докумен­тов. На шагах маршрута документы проекта обрабатываются, видоизме­няются, оцениваются, пакет автоматически пополняется, и, в конечном счете, проектная документация выпускается в производство.

Управление потоком работ выполняется на основе моделей вычисли­тельным процессов. Используются спецификации моделей, принятые в CASE-системах, например, диаграммы потоков данных, ориентированные графы, UML-диаграммы. Сначала модели составляют в терминах проект­ных заданий, а затем система осуществляет их покрытие имеющимися проектирующими программами и программными модулями. Применяют также описания в языках расширения или 4GL.

Интеграция данных на ранних этапах развития PDM связывалась только с организацией сквозного проектирования изделий в рамках кон­кретной САПР. В настоящее время в связи с развитием CALS-технологий основным содержанием проблемы интеграции стало обеспечение интер­фейса САПР с другими автоматизированными системами. Проблема реша­ется с помощью поддержки типовых форматов, например, путем конвер­тирования данных из общепринятых форматов во внутренние представле­ния конкретных САПР.

В CALS-технологиях взаимодействие систем основано на стандартах STEP, поэтому в ряде PDM имеются конверторы из предложенного в STEP языка Express.

Адаптация САПР к условиям конкретных предприятий может быть осуществлена с помощью языков расширения.

Язык расширения - это язык программирования, позволяющий адаптировать и настраивать системную среду на выполнение новых про­ектов. Язык расширения должен обеспечивать доступ к различным ком­понентам системной среды, объединять возможности базового языка программирования и командного языка, включать средства процедурно­го программирования. Для большинства языков расширения базовым является Lisp или С.

Системы СРС

В последнее время усилия многих компаний, производящих про­граммно-аппаратные средства автоматизированных систем, направлены на создание систем электронного бизнеса (E-commerce). В основе развитых систем E-commerce лежит управление данными на протяжении всего ЖЦИ, т.е. CALS-технологии, средства PDM и СРС.

Среди систем E-commerce различают системы В2С и В2В.

Система В2С (Business-to-Customer) предназначена для автоматиза­ции процедур взаимоотношений предприятия с конечными потребителями его продукции; чаще всего это взаимоотношения юридического лица с фи­зическими лицами (покупателями товаров).

Но значимость систем E-commerce отнюдь не определяется органи­зацией электронной торговли путем размещения на сайтах сети Internet витрин товаров и услуг. Цель электронного бизнеса заключается в объеди­нении в едином информационном пространстве информации, во-первых, о возможностях множества организаций, специализирующихся на предос­тавлении различных услуг и на выполнении тех или иных процедур и опе­раций по проектированию и изготовлению заказанных изделий, во-вторых, о запросах на использование этих услуг и заказах на поставки изделий и полуфабрикатов. В отличие от В2С такие системы E-commerce называют системами В2В (Business-to-Business). Эти системы автоматизируют про­цедуры взаимодействия юридических лиц друг с другом. Более конкретно системы В2В автоматизируют процессы обмена информацией между ком- паниями-партнерами.

В связи с развитием технологий электронного бизнеса и концепций виртуальных предприятий появились автоматизированные системы управ­ления, взявшие на себя обеспечение информационного взаимодействиявсех участников электронного бизнеса. Такие системы получили название систем управления данными в интегрированном информационном про­странстве - СРС (Collaborative Product Commerce).

Технология CPC - это технология взаимодействия производителей, поставщиков и покупателей на различных этапах ЖЦИ, направленная на оптимальное удовлетворение потребностей заказчиков в продукции и услугах. Благодаря более высокой степени специализации предприятий, проектированию под заказ, комплексному учету затрат на проектирова­ние, изготовление, доставку продуктов можно минимизировать времен­ные и финансовые затраты при высоком качестве изделий. Чтобы ис­пользовать эти возможности, требуются специальные системы СРС, главное назначение которых - обеспечивать информационную согласо­ванность действий всех участников процесса создания продукции. В СРС учитывается, что число участников в цепи поставок может быть весьма значительным, причем состав участников непостоянен, а опреде­ляется исходя из конкретных задач и условий. Для эффективного управ­ления процессами на протяжении всего ЖЦИ все участники должны пользоваться исчерпывающе полными и доступными для правильного восприятия и интерпретации данными.

Систему СРС можно рассматривать как интегрирующую систему, управ­ляющую информацией и аккумулирующую многие функции других авто­матизированных систем управления и проектирования (см. рис. 1.1) таких как SCM, CRM, а также часть функций систем PDM, CAD/CAM и ERP.

В большинстве автоматизированных систем для обменов данными внутри системы используют те или иные форматы, или не являющиеся унифицированными, или признанные в ряде систем лишь как стандарты де-факто. Поэтому в прикладные автоматизированные системы для связей с общей информационной CALS-средой должны быть включены конвер­торы для взаимных преобразований внутренних форматов в STEP- форматы.

В настоящее время существует ряд разработанных различными ком­паниями продуктов СРС. Так, компания РТС создала систему СРС под на­званием Windchill Factor! E-Series, основанную на использовании сети In­ternet и Web-технологий для информационного взаимодействия многих предприятий. Система охватывает все этапы ЖЦИ, выполняет функции, присущие системам документооборота, управления проектами, конфигу­рацией и изменениями проектных данных. Система функционирует в гете­рогенной среде, охватывающей пространство, не ограниченное рамкамиотдельных предприятий и корпораций. Отвечая на запросы пользователей, она может собирать необходимые данные из web-сайтов, баз данных ERP- или PDM-систем и, преобразовав их в единый формат, предоставить поль­зователю. Имеются возможности планирования и моделирования произ­водственных и логистических процессов.

2.8. Применение интеллектуальных технологий
для поддержки ЖЦИ

Современная концепция управления знаниями и требования между­народных стандартов в области CALS-технологий обусловливают необхо­димость разработки и применения интеллектуальных технологий и сред для информационной поддержки ЖЦИ.

Создание перспективных корпоративных информационных систем (КИС), отвечающих современным концепциям обеспечения взаимодейст­вия предприятий, требует принципиально новых подходов к формирова­нию единого информационного пространства в сфере промышленности, организации эффективного информационного обмена данными об издели­ях, созданию распределенных баз данных, формализации проектного и производственного опыта в экспертных системах и др.

В проектировании машиностроительных изделий и управлении про­ектами все большее значение приобретают системы, основанные на знани­ях. К ним можно отнести:

- системы поддержки принятия решений;

- системы извлечения знаний из данных;

- корпоративные порталы знаний;

- базы знаний;

и другие, которые, так или иначе, преследуют цель оперировать зна­ниями.

На качество машиностроительных изделий большое влияние оказыва­ют процессы принятия решений на этапе конструкторско-технологического проектирования. Обеспечить улучшение данных процессов должны интел­лектуальные системы поддержки принятия решений (ИСППР), основанные на формализации экспертных знаний. Наиболее перспективными и приме­нимыми в условиях неполной и противоречивой информации являются системы, построенные на базе логико-семиотического аппарата.

Корпоративные порталы знаний с их персонализированной подачей информационных материалов, имеющимся наготове доступом к инженерно-техническим данным и мощным схемам взаимодействия, могут дать необходимые инструменты для повышения эффективности принятия ре­шений и управления знаниями. Порталы имеют значительное применение как в кодифицируемом, так и в некодифицируемом сценариях управления знаниями.

Следует отметить, что под порталами знаний подразумеваются именно корпоративные порталы знаний и их не следует путать с общедос­тупными порталами, которые в последнее время также начинают переори­ентироваться на знания (например, технологии, основанные на использо­вании онтологий).

В концептуальном плане создание КИС для поставщиков и потребите­лей машиностроительной продукции должно быть ориентировано, во- первых, на использование в качестве базы международных функциональных стандартов и профилей среды открытых систем; во-вторых, на создание кор­поративного портала знаний для обеспечения эффективного информацион­ного взаимодействия и использования знаний (информации, данных) из раз­личных компонентов гетерогенной среды предприятий (рис. 2.22). На основе современных информационно-коммуникационных технологий, технологий порталостроения, систем управления знаниями (СУЗ) и ИСППР в КИС должны быть реализованы следующие основные функции:

- управление корпоративными конструкторско-технологическими, производственными и организационными знаниями;

- извлечение и структурирование знаний;

- поддержка принятия решений на основе использования распределен­ных источников данных и знаний;

- обеспечение совмещенного проектирования изделий и управления проектами;

- управление качеством на основе знаний о процессах и продукции.

Использование корпоративного портала для поддержки управления

знаниями позволит обеспечить интеллектуальную поддержку принятия наиболее ответственных решений на всех этапах ЖЦИ. Взаимодействие с подсистемами, реализующими функции управления знаниями, через пор­тал, а не через отдельные приложения, также совпадает с концепцией, в соответствии с которой пользователи (и, возможно, не только внутрикор­поративные) должны иметь постоянный доступ ко всем необходимым сер­висам и приложениям через портал.

 

Рис. 2.22. Структура корпоративной информационной среды


Управление знаниями особенно эффективно в целях обеспечения каче­ства процессов ЖЦИ и может быть реализовано на основе комплексной сис­темы менеджмента качества (КСМК). Исследования показывают, что приме­нение знаний особенно результативно на ранних этапах проектирования и разработки изделий с учетом принципа наследования качества процессов в качестве продукции.

Исходя из основополагающих принципов всеобщего менеджмента ка­чества (TQM), требований стандартов серии ГОСТ Р ИСО 9000-2001 и специфики машиностроительного производства разработана модель функцио­нирования КСМК, основанная на процессном подходе. В качестве конкрет­ной продукции могут быть рассмотрены полуфабрикаты и изготавливаемые на их основе машиностроительные детали. С учетом этого определена основ­ная целевая функция - выпуск продукции конкурентоспособного качества, которая, во-первых, удовлетворят существующим и перспективным требова­ниям потребителей, во-вторых, ориентирована на применение перспективных технологических процессов, минимизацию затрать ресурсов и экологическую безопасность.

Практическое применение рассмотренных подходов и решений должно обеспечить повышение качества и конкурентоспособности продукции, вы­пускаемой на машиностроительных предприятиях.

2.9. Контрольные вопросы

Параграф 2.1

1. Что такое система качества и для решения каких задач она предна­значена?

2. Что понимается под CALS в настоящее время?

3. Что является целью применения CALS-технологий как инструмента организации и информационной поддержки?

4. Дня чего предназначены стандарты ISO 15531 ManDate и ISO 10303 STEP?

5. Что включает модель технологической среды машиностроительного предприятия?

Параграф 2.2

1. Какие программы анализа включены в концепцию CALS?

2. Какие виды инженерного анализа реализованы в САЕ-системах?

3. На чем основаны виды анализа, выполняемые в САЕ-системах?

4. Что является искомыми переменными системы уравнений прочност­ного динамического анализа (движения) в конечно-элементной форме?

5. В каком случае и для каких целей используется статический прочно­стной анализ?

6. Как обычно группируются конечные элементы?

7. Для чего предназначены конечные элементы и что является их гра­фическими примитивами?

8. Из каких этапов состоит конечно-элементный анализ?

9. Какие типы моделей различают в инженерном анализе?

10. Какие известны способы генерации сетки?

11. Зачем выполняется процедура модификации сетки, и какой ее ре­жим является основным?

12. Какие существуют типы решателей и в каких режимах можно вы­полнить решение задач анализа?

13. Какие существуют возможности постпроцессорной обработки и представления результатов решения задач анализа?

Параграф 2.3

1. Что лежит в основе систем автоматизированного проектирования машиностроительных изделий?

2. В каких случаях используется твердотельное моделирование?

3. Для чего предназначено поверхностное моделирование?

4. Чем является объемное моделирование с помощью адаптивных форм?

5. Какие существуют способы получения сложного контура?

6. Что включает содержательная часть истории создания твердого тела и какую она имеет структуру?

7. Зачем выполняется процедура модификации модели твердого тела, и на чем она базируется?

8. Какие способы включает модификация?

9. Какие режимы параметризации реализованы в твердотельном моде­лировании?

10. Какие понятия являются основными в поверхностном моделирова­нии и почему?

11. Какими являются геометрические модели поверхностей и чем они отличаются от моделей твердых тел?

12. Какие типы поверхностей обычно представлены в программном обеспечении CAD-систем?

13. Какие операции могут выполняться над поверхностями?

14. Что модифицируется в поверхностном моделировании?

15. Какие преимущества имеет построение моделей методом поверхно­стного моделирования?

16. Как подразделяются адаптивные формы и какие топологические операции над ними могут производиться?

17. Какие существуют способы модификации адаптивных форм?

18. Какие действия необходимо выполнить для получения чертежа?

19. Что содержит структура и чем обеспечивается формат чертежа?

20. В каком случае и какими способами может быть выполнено редак­тирование чертежа?

Параграф 2.4

1. В чем состоит назначение этапа технологической подготовки про­изводства?

2. Какие задачи решают САМ-системы?

3. Какие виды механообработки наиболее часто реализуются в САМ- системах сквозного проектирования и подготовки производства?

4. Как выглядит последовательность и что является основным ре­зультатом создания технологического процесса в САМ-системе?

5. В каком виде может быть представлена выходная информация по спроектированному технологическому процессу?

Параграф 2.5

1. Какие задачи и на каких уровнях решают современные системы поддержки этапа производства?

2. Какие требования предъявляются к операционным системам ре­ального времени?

3. Какие операционные системы находят применение в АСУТП?

4. Какие функции выполняют системы SCADA?

5. В каком виде обычно реализуются системы SCAD А?

6. Что делает система Data Access?

7. Что делает система Alarm and Events?

8. Что делает система History Access?

9. Какие дополнительные возможности дает использование в АСУП информации о технологических процессах?

10. Что такое MES-система и из каких подсистем она состоит?

11. Что реализует MES-система и какие выполняет функции?

12. В чем состоят отличия MES-систем от систем ERP?

13. В чем заключается цель MES-систем?

14. В чем заключаются главные проблемы внедрения MES-систем?

15. На какой основе строятся современные системы ERP?

16. Какие функции систем ERP являются наиболее типичными?

17. Что является характерными особенностями современных ERP- систем?Что означает термин ERP?

18. Что является основным недостатком существующих ERP- систем?

19. Какой подход используется для построения устойчивых моделей планирования производства и как рассматриваются при этом само произ­водство и производственный процесс?

20. Какие функции выполняют системы SCM и CRM?

21. Что такое бюджетирование?

22. Для решения какой задачи и достижения какой цели используется бюджетирование?

23. На какие стадии можно разделить процесс стратегического управ­ления?

24. Что такое автоматизированные системы бюджетирования?

25. Что понимают под информационной логистикой?

26. Где и в каких целях требуется управление данными?

27. Каковы главные задачи интегрированной логистической под­держки?

Параграф 2.6

1. Для чего предназначены системы PDM?

2. Чем поддерживается в PDM разнообразие типов данных?

3. Какие основные функции выполняют системы PDM?

4. Для чего в PDM включают специализированные системы управле­ния документами и документооборотом?

5. Какие типичные функции выполняют специализированные систе­мы управления документами и документооборотом?

Параграф 2.7

1. Какие системы различают среди систем E-commerce и для чего они предназначены?

2. Что такое системы СРС?

3. Что такое технология СРС?

4. В чем состоит главное назначение систем СРС?

5. Как можно рассматривать систему СРС?

Параграф 2.8

1. Какие системы относятся к системам, основанным на знаниях?

2. Для чего необходимы интеллектуальные системы поддержки при­нятия решений (ИСППР)?

3. Что подразумевается под порталами знаний?

4. Какие функции должны быть реализованы в корпоративных ин­формационных системах (КИС)?

5. Для чего необходима комплексная система менеджмента качества (КСМК)?

 

                ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Качество продукции является важнейшим фактором, определяющим уровень эффективности производства и стоимости изделий. Повышение качества не только обеспечивает снижение затрат на устранение дефектов в процессе производства и эксплуатации изделий, но и увеличивает дело­вую и инвестиционную привлекательность предприятия.

Для наукоемких изделий доминирующую роль в решении проблем обеспечения качества и конкурентоспособности стали играть новейшие техно­логии электронного сопровождения продукции (CALS-технологии) на всех этапах жизненного цикла изделий. Внедрение этих технологий в полном объ­еме позволяет значительно повысить качество изготавливаемых изделий, на 20-25% сократить стоимость эксплуатации сложной техники, на 20-30% со­кратить затраты на ее разработку и производство, на 60-70% сократить сроки вывода на рынок новейших образцов техники. Кроме того, CALS-технологии дают потребителям большие удобства пользования, заменяя огромные объемы традиционной технической документации небольшим количеством компакт- дисков, содержащих ту же информацию. Появляется возможность интегриро­ванного информационного взаимодействия между заводами-изготовителями и предприятиями-поставщиками комплектующих изделий по вопросам заказа запасных частей, расходных материалов и т.д.

Реализация CALS-программы должна обеспечить:

- упрощение делового сотрудничества в рамках транснациональных (расширенных) предприятий вне зависимости от деятельности конкретной компании за счет применения международных стандартов. Это, в свою очередь, должно повысить гибкость бизнес-процессов и в то же время га­рантировать максимальные шансы для выхода на рынок;

- создание модульной структуры стандартов с согласованными уров­нями специализации и соответствующими определениями совместимости, которые могут быть реализованы по частям, что является вполне оправдан­ным внутри отдельных предприятий (их подразделений) за счет интегриро­ванного подхода. При этом должна сохраняться интероперабельность эле­ментов всей системы;

- формирование четко определенных задач по разработке и приня­тию CALS-стандартов с тем, чтобы промышленные предприятия могли с уверенностью планировать их внедрение. Это особенно важно для под­держки экспериментальных и производственных проектов;концентрирование сравнительно небольших ресурсов на наиболее эффективных направлениях разработки стандартов и проектов их реализа­ции путем устранения необходимости совершенствования/дублирования работ;

- создание основы для гарантии конкуренции и поддержки со сторо­ны рынка;

- устранение противоречивых стандартов и экспериментальных проектов, что позволит избежать не согласующихся друг с другом реко­мендаций;

- обеспечение компаниям, реализующим результаты программы, по­лучения выгоды от расширения доступа на мировой рынок, на котором уже используются международные стандарты, создавая тем самым условия для справедливой конкуренции.

Это позволит создать новую среду деловых отношений и устано­вить правила, которые помогут преодолевать барьеры внутри и между предприятиями и организациями, найти общий язык всем деловым парт­нерам.

Ситуация на мировом рынке развивается в сторону полного пере­хода на безбумажную электронную технологию проектирования, изго­товления и сбыта наукоемкой продукции. По прогнозам зарубежных специалистов уже к началу второго десятилетия XXI века невозможно будет продать на внешнем рынке наукоемкую продукцию без соответст­вующей мировым стандартам технической и эксплуатационной элек­тронной документации

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вожаков А.В. Модель календарного планирования с нечеткими ограничениями / А.В. Вожаков, М.Б. Гитман // Информационные техноло­гии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + S&E'08: тру­ды Международной конференции. - М., 2008. - С.202-204.

2. Загидуллин Р.Р. Вопросы интеграции систем управления класса ERP в CALS-проектах на машиностроительном предприятии / Р.Р. Загидуллин,

B. Ц. Зориктуев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №11. -

C. 54-56.

3. Загидуллин Р.Р. Управление машиностроительным производством с помощью MES-систем / Р.Р. Загидуллин, Е.Б. Фролов // СТИН. - 2007. - №11.-С.2-5.

4. Ибатулин М.Ю. Оптимизационная модель производства / М.Ю. Иба- тулин // Конкурентоспособность машиностроительной продукции и произ­водств: материалы Международного научно-технического семинара; под ред. А.А. Кутана. - М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005. - С.32-33.

5. Кульга К.С. Особенности интеграции CAD/CAM/PDM/MES- и ERP-систем / К.С. Кульга, Р.Р. Гильфанов // СТИН. - 2007. - №11. - С.5-9.

6. Кутан А.А. Факторы обеспечения конкурентоспособности про­дукции и производств / А.А. Кутан // Конкурентоспособность машинострои­тельной продукции и производств: материалы Международного научно- технического семинара; под ред. А.А. Кутана. - М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005. - С.5-7.

7. Норенков И.П. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии / И.П. Норенков, П.К. Кузьмин. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 320 с.

8. Павлов В.В. О логических основах концептуального проектирования / В.В. Павлов // Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств: материалы Международного научно-технического семинара; под ред. А.А. Кутана. -М.: ИЦМГТУ «Станкин», 2005.-С.59-61.

9. Проскуряков А.Н. Применение системы бюджетирования на различ­ных уровнях управления / А.Н. Проскуряков // Конкурентоспособность ма­шиностроительной продукции и производств: материалы Международного научно-технического семинара; под ред. А.А. Кутана. - М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005. - С.69-71.

 

10. Позднеев Б.М. О применении интеллектуальных технологий для поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий / Б.М. Позднеев, Д.В. Мажоров // Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств: материалы Международного научно-технического семинара; под ред. А.А. Кутана. - М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005. - С.62-65.

11. Соломенцев Ю.М. Информационно-вычислительные системы в машиностроении (CALS-технологии) / Ю.М. Соломенцев, В.Г. Митрофа­нов, В.В. Павлов, А.В. Рыбаков. - М.: Наука, 2003. - 292 с.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 165; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!