eng
Выпуск #1/2017
А. Андриченко
Три поколения отечественных САПР технологических процессов
Три поколения отечественных САПР технологических процессов
Просмотры: 1997
Рассмотрен опыт трансформации отечественных САПР ТП с начала 90х годов по настоящее время. Описана эволюция двух моделей данных – технологического процесса и НСИ. Представлены преимущества системы следующего поколения САПР ТП Timeline, ее принципиальные особенности, функционал и основные расчетные приложения.
Теги: cad/cam data models reference data semantic model of master data модели данных нормативносправочная информация сапр технологических процессов семантическая модель мастерданных
САПР технологических процессов – одно из немногих направлений отечественной ИТ-индустрии, где российские разработки были и остаются лучше западных. В 80-х годах Г.К. Горанский, Н.М. Капустин, В.В. Павлов, А.С. Старец, В.Г. Старостин, Б.Е. Челищев и В.Д. Цветков заложили основы советской школы автоматизированного проектирования технологических процессов (ТП). Всех интересовал синтез технологий на основе разбиения деталей на конструкторско-технологические элементы (КТЭ) и механизмы принятия решений при автоматизации трудноформализуемых технологических задач. Конечной целью была «красная кнопка» − автоматическое создание технологии на основе чертежа детали − и возможность оценки технологичности конструкции еще на этапе ее проектирования. Эти задачи актуальны и сегодня. Реализация механизмов представления знаний в САПР – это одно из перспективных направлений, которое позволяет создать новый класс конкурентоспособных интеллектуальных информационных систем с высоким уровнем автоматизации принятия решений.
Коллектив разработчиков компании ЗАО «ЭсДиАй Солюшен» (SDI Solution) имеет уникальный многолетний опыт работы в области автоматизации технологической подготовки производства. Авторскими проектами коллектива являются:
Ф САПР ТП «Автопроект» (ОАО «НИАТ», 1991);
Ф САПР ТП «Вертикаль» (ЗАО «Аскон», 2004);
Ф САПР ТП Timeline (ЗАО «ЭсДиАй Солюшен», 2011).
Эти системы внедрены и работают на десятках крупнейших предприятий России и СНГ: АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» (Москва), ОАО «ПО «Севмаш», ОАО НПК «Уралвагонзавод», ОАО «РСК МиГ» и др.
Смена поколений технологических САПР сопровождалась изменениями пользовательского интерфейса, форматов базы данных, расширением состава функциональных задач, возможностей настроек и конфигурирования программного комплекса, но в первую очередь − перераспределением функций между двумя моделями данных: технологии и управления нормативно-справочной информации (НСИ).
Под термином НСИ (в зарубежной терминологии – основные, мастер-данные) понимается условно-постоянная информация не транзакционного характера, которая не претерпевает существенных изменений в процессе повседневной деятельности компании. К данному типу информации относятся информационно-технические справочники, классификаторы, электронные каталоги средств производства, комплектующих изделий, нормативно-техническая документация.
Принципы построения САПР технологических процессов (ТП), реально работающих на производстве, за последние 20 лет практически не изменились: основные трудноформализуемые решения принимаются технологом, а затем оформляются в САПР ТП в «диалоговом» режиме при постоянном обращении к базам данных НСИ, из которых в нужный момент времени извлекаются информационные объекты: оборудование, оснастка, инструменты и т.д.
Преимуществом написания технологии в САПР ТП является возможность автоматизации расчетных задач, использование часто повторяемых решений в виде типовых технологических процессов и операций, быстрая корректировка ранее разработанной и сохраненной в архиве технологии, автоматическое формирование комплекта документации, доступ к систематизированным базам данных НСИ и, что самое главное, возможность сохранения информации о разработанном ТП в электронном виде в PDM-системе (Product Data Management − система управления данными об изделии) для последующего анализа технологических данных с целью формирования различных сводных отчетов и ведомостей.
Конкурентная способность САПР определяется многими параметрами, но, поскольку речь идет об автоматизированном проектировании, ключевым показателем является степень автоматизации принятия решений. Для того чтобы он был высоким, в систему необходимо закладывать знания о правилах поведения и взаимодействия материально-технических объектов, используемых при конструировании и изготовлении. Для этого в САПР должны развиваться механизмы принятия решений и представления знаний, основанные на семантических технологиях и построении онтологической модели предметной области, оперирующей описаниями объектов и правилами их взаимодействия.
Специфика разработки такого программного продукта как САПР ТП заключается в том, что одновременно с развитием прикладной функциональности в САПР необходимо обеспечить создание и сопровождение технологических баз данных, что в общем объеме работ может занимать от 30% всей трудоемкости разработки программного комплекса.
Именно технолог на предприятии должен видеть характеристики различных производственных объектов максимально подробно. Детальное описание параметров оборудования, инструментов, материалов и проч. нужны ему для принятия решения о применимости того или иного объекта в технологическом процессе, а также для расчетов режимов обработки. Ни одна из существующих на предприятии автоматизированных систем − ERP, MES, PDM, CAD − не может предоставить ему такую информацию, потому что ею не обладает.
При разработке систем класса САПР приходится иметь дело с двумя принципиально различными моделями данных: прикладной моделью (3D-модели детали, сборки в CAD-системе, программы ЧПУ в CAM, технологический процесс в САПР ТП) и моделью мастер-данных (НСИ) для представления различных иерархических классификаций компонентов, из которых формируется прикладная модель (материалы, комплектующие, конструктивные элементы, оборудование, инструменты и т.д.).
В каждой из трех разработанных в разное время САПР ТП («Автопроект», «Вертикаль» и Timeline) заложена определенная концепция реализации двух моделей данных: технологического процесса и НСИ. В САПР ТП «Автопроект», созданной в НИИ авиационных технологий (НИАТ) в 1991 году, была сформирована универсальная модель данных, позволяющая средствами конфигурирования создавать любую иерархическую модель и отображать ее в виде графической навигационной схемы (рис. 2). Пользователь в ранге администратора, работающий на предприятии, с помощью специальных средств настройки системы имел возможность создавать новые и вносить изменения в существующие схемы навигации.
Модель технологического процесса в САПР ТП «Автопроект» была представлена в виде трехуровневой цепочки связанных реляционных таблиц: «Деталь» – «Операция» – «Переход» (рис. 3), записи которых, в зависимости от типа технологической операции или перехода, могли менять состав и наименование своих полей – атрибутов. Такое свойство универсальной модели позволяло средствами настройки создавать технологии для различных видов производств и моделировать любой состав их инструментального оснащения. Гибкость и возможность конфигурирования системы «Автопроект» в процессе внедрения и эксплуатации была решающим фактором ее жизнеспособности.
За десять лет развития САПР ТП «Автопроект» было выпущено девять версий этой системы, разработаны модули управления конструкторско-технологическими спецификациями, расчета режимов резания, трудового и материального нормирования. Система получила широкое внедрение в промышленности, включая мелкосерийное и массовое производство [2].
В 2002 году под эгидой компании «Аскон» стартовала разработка новой системы – САПР ТП «Вертикаль». Предпосылкой ее создания стали ограничения универсальной модели данных, построенной на реляционных таблицах. Система «Автопроект» была разделена на две части: модуль «Вертикаль» стал отвечать за реализацию объектной модели технологии, а универсально-технологический справочник (УТС) − за управление справочными данными (НСИ). Модель ТП была вынесена за пределы универсальной модели данных, получила объектный формат представления и отдельный конфигуратор [3].
Отличительной особенностью данного программного комплекса стала возможность работы с конструкторско-технологическими элементами (КТЭ). В отдельном встроенном ActiveX-окне системы «Вертикаль» отображалась 3D-модель детали, для которой разрабатывалась технология. Грани 3D-модели, образующие конструктивные элементы, посредством уникальных идентификаторов связывались с элементами дерева КТЭ, которые, в свою очередь, были связаны с технологическими переходами обработки этого КТЭ в технологии (рис. 4).
Такая двухсторонняя связь позволяла при выделении грани в 3D-модели детали активизировать соответствующий элемент в дереве КТЭ совместно с технологическим планом его обработки. В свою очередь, при выборе технологического перехода активизировался соответствующий элемент КТЭ и подсвечивались обрабатываемые поверхности в 3D-модели, которая в данном случае являлась средством навигации в технологическом процессе.
Идея создания централизованной библиотеки КТЭ, объединяющей 3D-модели конструктивных элементов и технологические планы их обработки, была толчком к созданию корпоративной общезаводской системы управления НСИ (рис. 5).
Библиотека КТЭ так же, как и база данных (БД) материалов и сортаментов, лежит на пересечении интересов конструктора и технолога. Она должна быть помещена в корпоративную БД, к которой имеет доступ как CAD-система, так и САПР ТП. Такой БД на предприятии может стать система класса MDM, адаптированная к работе с инженерными данными[1].
В 2011 году в рамках компании SDI Solution стартовала разработка принципиально новой системы следующего поколения – САПР ТП Timeline. Основная идея проекта – это перенос логики взаимосвязи информационных объектов из прикладной модели технологии в семантическую модель справочных данных. Это позволило, с одной стороны, упростить настройку и конфигурирование прикладной модели технологического процесса (рис. 6), а с другой − расширить функциональные возможности системы управления НСИ за счет консолидации знаний о взаимосвязях информационных объектов: станок, инструмент, материал, конструктивный элемент и т.д.
В среде НСИ такие объекты, как оборудование, операции, переходы, оснастка, материалы и т.д., формируют семантическую сеть справочных объектов – «информационную модель предметной области, имеющую вид ориентированного графа, вершины которого соответствуют объектам предметной области, а дуги (ребра) задают отношения между ними».
Информация о совместимости операций и переходов, оборудования и оснастки, режущего инструмента и материала обрабатываемой детали востребована многими службами предприятия и теми автоматизированными системами, которые ее используют. Перенос правил взаимодействия объектов из прикладной модели САПР в семантическую модель мастер-данных системы управления НСИ делает эти знания корпоративными, то есть общедоступными (рис. 7).
Одним из ключевых сервисов такой организации данных является семантический поиск, при котором в качестве критериев выбора объектов можно задавать не только их параметры, но и взаимосвязи с другими объектами. Например, при поиске сверла в классификаторе режущих инструментов можно указать его длину и диаметр, а также материал обрабатываемой детали, схему обработки и металлорежущий станок, на который это сверло планируется установить. Семантическая модель мастер-данных подберет все сверла соответствующих габаритов при условии их совместимости с предопределенными смежными объектами. В отличие от параметрического поиска, семантический – «осмысленный» − поиск объектов позволяет в несколько раз сократить число альтернативных решений, удовлетворяющих критериям выбора.
В технологии все объекты располагаются в том иерархическом порядке, который им диктует логика прикладной модели данных «Деталь – Операция – Переход – Оснастка». В этой модели нет необходимости дублировать правила совместимости информационных объектов, поскольку они уже предопределены семантической моделью, реализованной в системе управления НСИ. В прикладной модели технологии эти связи должны быть просто унаследованы (рис. 8). Такой подход повышает степень автоматизации принятия решений в САПР ТП (за счет семантического поиска) и упрощает конфигурирование прикладной модели ТП при изменении производственных условий. Создание нового технологического передела в САПР Timeline происходит за счет внесения в базу данных НСИ Semantic MDM информации об операциях, переходах, оборудовании и оснастке для нового вида производства и установления связей совместимости между этими информационными объектами.
Основное назначение САПР ТП Timeline – это проектирование технологических процессов для различных видов производств и формирование комплекта технологической документации в формате PDF в соответствии с ЕСТД. Оптимизация объектной модели технологии привела к упрощению архитектуры системы Timeline, что, в свою очередь, позволило сосредоточить основной ресурс разработки на удобстве и простоте представления технологической информации в интерфейсе системы (рис. 9).
САПР ТП Timeline унаследовала лучшие интерфейсные решения САПР предыдущих поколений. Многозакладочный механизм, используемый в интернет-браузерах, позволяет открыть в Timeline несколько файлов технологических процессов и копировать фрагменты технологии между вкладками. Библиотека пользователя предоставляет возможность хранить любые фрагменты ТП для повторного использования. Технологические эскизы могут быть выполнены в различных CAD-системах: AutoCAD, Solid Edge, «Компас» и др.
В базовой поставке Timeline реализовано более 50 технологических карт в соответствии с ГОСТ: маршрутные и маршрутно-операционные карты, ведомости оснастки, материалов и т. д. Пользователь-администратор имеет возможность при помощи специального модуля настройки вносить изменения в существующие шаблоны карт и создавать новые.
Стартовая страница в САПР ТП Timeline является «рабочим столом» технолога и позволяет оперативно открывать ранее редактируемые технологии, которые отображаются в виде графических миниатюр чертежа или 3D-модели детали. Наглядная компоновка информации на вкладках и отображение технологических эскизов в практически любых CAD-системах делают интерфейс системы Timeline простым и интуитивно понятным, что сокращает время освоения системы технологами. Развитый API-функционал позволяет интегрировать Timeline с различными приложениями: ERP, PDM, MES, CAD, CAM и т.д.
САПР ТП Timeline позволяет:
Ф проектировать технологические процессы для различных видов производств;
Ф разрабатывать сквозные технологии в режиме коллективного проектирования;
Ф разрабатывать типовые и групповые технологии изготовления групп деталей или сборочных единиц;
Ф рассчитывать режимы резания для различных видов технологических операций;
Ф рассчитывать материальные затраты и трудовые нормы времени;
Ф формировать комплект технологической документации по ЕСТД в формате Adobe PDF;
Ф редактировать существующие шаблоны карт и создавать новые;
Ф разрабатывать технологические эскизы в любых графических редакторах и практически во всех CAD-системах;
Ф редактировать технологические параметры, такие как размер, резьба, угол, шероховатость и др. в специализированных формах (рис. 10) и т. д.
В САПР ТП Timeline реализована технология коллективного проектирования технологических процессов. Данный режим позволяет формировать сквозные технологии, состоящие из операций на различные виды производств. В процессе разработки сквозного ТП принимают участие несколько технологов, каждый из которых имеет право на редактирование только своих технологических операций.
Реализован режим проектирования типовых (ТТП) и групповых (ГТП) процессов изготовления групп деталей или сборочных единиц (ДСЕ). Технологические процессы ТТП / ГТП формируются из двух частей:
Ф общая часть содержит информацию по всем операциям и переходам, которые могут быть выполнены для группы ДСЕ, на которую разрабатывается ТТП / ГТП;
Ф переменная часть (на каждую ДСЕ, входящую в комплексный ТП) содержит список операций и переходов, дополняющий и уточняющий содержимое общей части техпроцесса.
Расчет режимов резания (РРР) в САПР ТП Timeline реализован для точения, растачивания, фрезерования и обработки отверстий, в том числе:
Ф черновое и получистовое точение и растачивание;
Ф отрезание резцом;
Ф нарезание резьбы резцами;
Ф рассверливание, цекование, зенкование;
Ф фрезерование концевыми фрезами плоскостей и уступов;
Ф фрезерование пазов концевыми фрезами;
Ф объемное фрезерование концевыми радиусными фрезами и др.
Расчет основан на методике, изложенной в [4].
Система трудового нормирования (СТН), входящая в состав технологического комплекса компании SDI Solution, позволяет нормировать трудовые затраты производства изделий на основе общемашиностроительных укрупненных и других норм времени. В базу данных СТН введено более 50 источников трудового нормирования на различные виды операций, содержащих порядка 4 000 нормировочных карт, размещенных в базе данных системы Semantic MDM. Нормирование осуществляется в диалоговом режиме в соответствии с предопределенными сценариями, которые позволяют отображать, редактировать и выбирать табличные нормы времени на выполнение различных технологических операций с учетом поправочных коэффициентов (рис. 12). Перечень операций включает:
Ф разметочные и заготовительные работы по металлоконструкциям;
Ф механообработку: работы, выполняемые на токарно-винторезных, карусельных, токарно-револьверных, координатно-расточных, фрезерных, шлифовальных, отделочно-расточных, сверлильных, строгальных, долбежных, горизонтально-расточных, зубообрабатывающих, расточных, гравировальных станках, а также станках с числовым программным управлением (ЧПУ);
Ф сборку, сварку, обработку давлением, термообработку;
Ф гальванопокрытие, изготовление изделий из пластмасс;
Ф консервацию, упаковку, ремонтные работы, транспортировку грузов и др.
СТН работает в комплексе с САПР ТП Timeline и системой управления НСИ Semantic MDM. Поставщиком исходной информации в СТН является технологический процесс, разработанный в Timeline, а первоисточником справочных данных – Semantic MDM. Результаты расчетов СТН сохраняются в САПР ТП Timeline. Вместе с рассчитанными нормами в технологии запоминается история расчета, что делает их технически обоснованными, поскольку всегда существует ссылка на первоисточник – справочник, утвержденный на предприятии.
Система трудового нормирования также может работать автономно или включаться в комплексы других поставщиков программного обеспечения.
СТН реализована в виде простого, интуитивно понятного пошагового мастера. Назначение норм производится по шагам, в соответствии с определенным настраиваемым сценарием. Система анализирует формулы, по которым в каждом конкретном случае рассчитывается норма времени, и предлагает пользователю заданную последовательность прохождения нормировочных таблиц. В этом случае неопытный нормировщик не пропустит необходимых шагов для расчета конечного значения.
Если предприятие использует отраслевые справочники, которые не издавались для общего использования, то актуальной является задача расширения базы данных трудовых нормативов. В состав СТН входит модуль администрирования, который позволяет добавлять, удалять и редактировать нормировочные карты любой сложности.
Модуль настройки СТН позволяет вносить изменения в нормировочные карты непосредственно на предприятии без участия разработчика. Карты могут быть любой сложности, содержать многострочные заголовки столбцов и строк, рисунки, комментарии и примечания. Изображения в область заголовков добавляются в форматах BMP, JPEG, ICO, EMF, WMF (рис. 13). Конфигуратор позволяет копировать нормировочные карты целиком и фрагментами, изменять шрифт и цвета ячеек, осуществлять импорт / экспорт таблиц в различные форматы, включая XLS.
Система трудового нормирования, интегрированная с САПР ТП Timeline и Semantic MDM, может быть рекомендована как небольшим предприятиям с производством единичного и мелкосерийного типа, так и крупным, которым необходим оперативный расчет трудозатрат на изготовление изделий.
Расчет норм расхода основного материала для мерного проката различного профиля реализован на основе алгоритмов, описанных в справочнике [5]. В систему Semantic MDM внесены электронные таблицы, полностью идентичные таблицам из справочной литературы, по которой настраивался расчет.
Таким образом, технологический комплекс компании SDI Solution, объединяющий САПР ТП Timeline, систему управления НСИ Semantic MDM, расчетные приложения СТН, СМН и РРР, является составной частью единой системы автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства (рис. 14). Тесная интеграция компонентов данного комплекса с PDM-, CAD-, CAM-системами зарубежных и отечественных поставщиков позволяет решать задачи, связанные с расчетом трудоемкости, материалоемкости и себестоимости изготовления изделий.
Особо следует отметить, что поэтапное и рациональное импортозамещение в области инженерного программного обеспечения (ИПО) может быть реализовано за счет включения в состав существующих зарубежных комплексов PLM отечественных подсистем, адаптированных к специфике отечественного промышленного производства.
Поставку комплексов PLM на российском рынке осуществляют четыре зарубежные компании: Siemens PLM Software (подразделение немецкого концерна Siemens AG, США), PTC (США), Dassault Systemes (Франция) и Autodesk (США). Специалистами SDI Solution реализовано несколько проектов по локализации данных комплексов PLM, за счет включения в их состав САПР ТП Timeline и системы централизованного управления корпоративными мастер-данными Semantic MDM, которая является связующим звеном интегрированных программных комплексов (рис. 15).
Semantic MDM обеспечивает единство конструкторского и технологического этапов проектирования на основе централизации и устранения дублирования объектов НСИ. Semantic MDM позволяет создать на предприятии единое информационное пространство, в котором корпоративные справочные данные принадлежат всем пользователям: конструкторам, технологам, бухгалтерам, снабженцам и др.
MDM-система в составе отечественного комплекса PLM, создаваемого в рамках подпрограммы Минпромторга России «Разработка отечественного инженерного программного обеспечения», может стать инфраструктурной составляющей, обеспечить качество мастер-данных, стандартизацию и унификацию описаний объектов промышленного производства на основе гармонизированных национальных и международных стандартов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андриченко А.Н. Комбинированный метод автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления деталей резанием : Дис. канд. техн. наук. – М., 1990. 121 с.
2. Андриченко А.Н. КОМПАСАВТОПРОЕКТ 9.0 – инструментальные средства САПР технологических процессов // САПР и Графика. 2001. № 12.
3. Андриченко А.Н. «Вертикаль» – новое поколение технологических САПР: объектный подход // САПР и Графика. 2005. № 5.
4. Гузеев В.И., Батуев В.А., Сурков И.В. Режимы резания для токарных и сверлильнофрезернорасточных станков с числовым программным управлением : Справочник / Под ред. В.И. Гузеева; 2е изд. – М.: Машиностроение, 2007.
5. Бабаев Ф.В. Нормирование расхода металлопроката и стальных труб в промышленности. – М.: Машиностроение, 2010.
АНДРИЧЕНКО Андрей Николаевич –
кандидат технических наук, председатель Наблюдательного совета консорциума «Современные технологии управления корпоративными мастерданными», председатель совета директоров ЗАО «ЭсДиАй Солюшен»
[1] См.: Андриченко А. Управление корпоративными мастер-данными в промышленных холдингах и корпорациях // СТАНКОИНСТРУМЕНТ. 2016. № 4. С. 54.
Коллектив разработчиков компании ЗАО «ЭсДиАй Солюшен» (SDI Solution) имеет уникальный многолетний опыт работы в области автоматизации технологической подготовки производства. Авторскими проектами коллектива являются:
Ф САПР ТП «Автопроект» (ОАО «НИАТ», 1991);
Ф САПР ТП «Вертикаль» (ЗАО «Аскон», 2004);
Ф САПР ТП Timeline (ЗАО «ЭсДиАй Солюшен», 2011).
Эти системы внедрены и работают на десятках крупнейших предприятий России и СНГ: АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» (Москва), ОАО «ПО «Севмаш», ОАО НПК «Уралвагонзавод», ОАО «РСК МиГ» и др.
Смена поколений технологических САПР сопровождалась изменениями пользовательского интерфейса, форматов базы данных, расширением состава функциональных задач, возможностей настроек и конфигурирования программного комплекса, но в первую очередь − перераспределением функций между двумя моделями данных: технологии и управления нормативно-справочной информации (НСИ).
Под термином НСИ (в зарубежной терминологии – основные, мастер-данные) понимается условно-постоянная информация не транзакционного характера, которая не претерпевает существенных изменений в процессе повседневной деятельности компании. К данному типу информации относятся информационно-технические справочники, классификаторы, электронные каталоги средств производства, комплектующих изделий, нормативно-техническая документация.
Принципы построения САПР технологических процессов (ТП), реально работающих на производстве, за последние 20 лет практически не изменились: основные трудноформализуемые решения принимаются технологом, а затем оформляются в САПР ТП в «диалоговом» режиме при постоянном обращении к базам данных НСИ, из которых в нужный момент времени извлекаются информационные объекты: оборудование, оснастка, инструменты и т.д.
Преимуществом написания технологии в САПР ТП является возможность автоматизации расчетных задач, использование часто повторяемых решений в виде типовых технологических процессов и операций, быстрая корректировка ранее разработанной и сохраненной в архиве технологии, автоматическое формирование комплекта документации, доступ к систематизированным базам данных НСИ и, что самое главное, возможность сохранения информации о разработанном ТП в электронном виде в PDM-системе (Product Data Management − система управления данными об изделии) для последующего анализа технологических данных с целью формирования различных сводных отчетов и ведомостей.
Конкурентная способность САПР определяется многими параметрами, но, поскольку речь идет об автоматизированном проектировании, ключевым показателем является степень автоматизации принятия решений. Для того чтобы он был высоким, в систему необходимо закладывать знания о правилах поведения и взаимодействия материально-технических объектов, используемых при конструировании и изготовлении. Для этого в САПР должны развиваться механизмы принятия решений и представления знаний, основанные на семантических технологиях и построении онтологической модели предметной области, оперирующей описаниями объектов и правилами их взаимодействия.
Специфика разработки такого программного продукта как САПР ТП заключается в том, что одновременно с развитием прикладной функциональности в САПР необходимо обеспечить создание и сопровождение технологических баз данных, что в общем объеме работ может занимать от 30% всей трудоемкости разработки программного комплекса.
Именно технолог на предприятии должен видеть характеристики различных производственных объектов максимально подробно. Детальное описание параметров оборудования, инструментов, материалов и проч. нужны ему для принятия решения о применимости того или иного объекта в технологическом процессе, а также для расчетов режимов обработки. Ни одна из существующих на предприятии автоматизированных систем − ERP, MES, PDM, CAD − не может предоставить ему такую информацию, потому что ею не обладает.
При разработке систем класса САПР приходится иметь дело с двумя принципиально различными моделями данных: прикладной моделью (3D-модели детали, сборки в CAD-системе, программы ЧПУ в CAM, технологический процесс в САПР ТП) и моделью мастер-данных (НСИ) для представления различных иерархических классификаций компонентов, из которых формируется прикладная модель (материалы, комплектующие, конструктивные элементы, оборудование, инструменты и т.д.).
В каждой из трех разработанных в разное время САПР ТП («Автопроект», «Вертикаль» и Timeline) заложена определенная концепция реализации двух моделей данных: технологического процесса и НСИ. В САПР ТП «Автопроект», созданной в НИИ авиационных технологий (НИАТ) в 1991 году, была сформирована универсальная модель данных, позволяющая средствами конфигурирования создавать любую иерархическую модель и отображать ее в виде графической навигационной схемы (рис. 2). Пользователь в ранге администратора, работающий на предприятии, с помощью специальных средств настройки системы имел возможность создавать новые и вносить изменения в существующие схемы навигации.
Модель технологического процесса в САПР ТП «Автопроект» была представлена в виде трехуровневой цепочки связанных реляционных таблиц: «Деталь» – «Операция» – «Переход» (рис. 3), записи которых, в зависимости от типа технологической операции или перехода, могли менять состав и наименование своих полей – атрибутов. Такое свойство универсальной модели позволяло средствами настройки создавать технологии для различных видов производств и моделировать любой состав их инструментального оснащения. Гибкость и возможность конфигурирования системы «Автопроект» в процессе внедрения и эксплуатации была решающим фактором ее жизнеспособности.
За десять лет развития САПР ТП «Автопроект» было выпущено девять версий этой системы, разработаны модули управления конструкторско-технологическими спецификациями, расчета режимов резания, трудового и материального нормирования. Система получила широкое внедрение в промышленности, включая мелкосерийное и массовое производство [2].
В 2002 году под эгидой компании «Аскон» стартовала разработка новой системы – САПР ТП «Вертикаль». Предпосылкой ее создания стали ограничения универсальной модели данных, построенной на реляционных таблицах. Система «Автопроект» была разделена на две части: модуль «Вертикаль» стал отвечать за реализацию объектной модели технологии, а универсально-технологический справочник (УТС) − за управление справочными данными (НСИ). Модель ТП была вынесена за пределы универсальной модели данных, получила объектный формат представления и отдельный конфигуратор [3].
Отличительной особенностью данного программного комплекса стала возможность работы с конструкторско-технологическими элементами (КТЭ). В отдельном встроенном ActiveX-окне системы «Вертикаль» отображалась 3D-модель детали, для которой разрабатывалась технология. Грани 3D-модели, образующие конструктивные элементы, посредством уникальных идентификаторов связывались с элементами дерева КТЭ, которые, в свою очередь, были связаны с технологическими переходами обработки этого КТЭ в технологии (рис. 4).
Такая двухсторонняя связь позволяла при выделении грани в 3D-модели детали активизировать соответствующий элемент в дереве КТЭ совместно с технологическим планом его обработки. В свою очередь, при выборе технологического перехода активизировался соответствующий элемент КТЭ и подсвечивались обрабатываемые поверхности в 3D-модели, которая в данном случае являлась средством навигации в технологическом процессе.
Идея создания централизованной библиотеки КТЭ, объединяющей 3D-модели конструктивных элементов и технологические планы их обработки, была толчком к созданию корпоративной общезаводской системы управления НСИ (рис. 5).
Библиотека КТЭ так же, как и база данных (БД) материалов и сортаментов, лежит на пересечении интересов конструктора и технолога. Она должна быть помещена в корпоративную БД, к которой имеет доступ как CAD-система, так и САПР ТП. Такой БД на предприятии может стать система класса MDM, адаптированная к работе с инженерными данными[1].
В 2011 году в рамках компании SDI Solution стартовала разработка принципиально новой системы следующего поколения – САПР ТП Timeline. Основная идея проекта – это перенос логики взаимосвязи информационных объектов из прикладной модели технологии в семантическую модель справочных данных. Это позволило, с одной стороны, упростить настройку и конфигурирование прикладной модели технологического процесса (рис. 6), а с другой − расширить функциональные возможности системы управления НСИ за счет консолидации знаний о взаимосвязях информационных объектов: станок, инструмент, материал, конструктивный элемент и т.д.
В среде НСИ такие объекты, как оборудование, операции, переходы, оснастка, материалы и т.д., формируют семантическую сеть справочных объектов – «информационную модель предметной области, имеющую вид ориентированного графа, вершины которого соответствуют объектам предметной области, а дуги (ребра) задают отношения между ними».
Информация о совместимости операций и переходов, оборудования и оснастки, режущего инструмента и материала обрабатываемой детали востребована многими службами предприятия и теми автоматизированными системами, которые ее используют. Перенос правил взаимодействия объектов из прикладной модели САПР в семантическую модель мастер-данных системы управления НСИ делает эти знания корпоративными, то есть общедоступными (рис. 7).
Одним из ключевых сервисов такой организации данных является семантический поиск, при котором в качестве критериев выбора объектов можно задавать не только их параметры, но и взаимосвязи с другими объектами. Например, при поиске сверла в классификаторе режущих инструментов можно указать его длину и диаметр, а также материал обрабатываемой детали, схему обработки и металлорежущий станок, на который это сверло планируется установить. Семантическая модель мастер-данных подберет все сверла соответствующих габаритов при условии их совместимости с предопределенными смежными объектами. В отличие от параметрического поиска, семантический – «осмысленный» − поиск объектов позволяет в несколько раз сократить число альтернативных решений, удовлетворяющих критериям выбора.
В технологии все объекты располагаются в том иерархическом порядке, который им диктует логика прикладной модели данных «Деталь – Операция – Переход – Оснастка». В этой модели нет необходимости дублировать правила совместимости информационных объектов, поскольку они уже предопределены семантической моделью, реализованной в системе управления НСИ. В прикладной модели технологии эти связи должны быть просто унаследованы (рис. 8). Такой подход повышает степень автоматизации принятия решений в САПР ТП (за счет семантического поиска) и упрощает конфигурирование прикладной модели ТП при изменении производственных условий. Создание нового технологического передела в САПР Timeline происходит за счет внесения в базу данных НСИ Semantic MDM информации об операциях, переходах, оборудовании и оснастке для нового вида производства и установления связей совместимости между этими информационными объектами.
Основное назначение САПР ТП Timeline – это проектирование технологических процессов для различных видов производств и формирование комплекта технологической документации в формате PDF в соответствии с ЕСТД. Оптимизация объектной модели технологии привела к упрощению архитектуры системы Timeline, что, в свою очередь, позволило сосредоточить основной ресурс разработки на удобстве и простоте представления технологической информации в интерфейсе системы (рис. 9).
САПР ТП Timeline унаследовала лучшие интерфейсные решения САПР предыдущих поколений. Многозакладочный механизм, используемый в интернет-браузерах, позволяет открыть в Timeline несколько файлов технологических процессов и копировать фрагменты технологии между вкладками. Библиотека пользователя предоставляет возможность хранить любые фрагменты ТП для повторного использования. Технологические эскизы могут быть выполнены в различных CAD-системах: AutoCAD, Solid Edge, «Компас» и др.
В базовой поставке Timeline реализовано более 50 технологических карт в соответствии с ГОСТ: маршрутные и маршрутно-операционные карты, ведомости оснастки, материалов и т. д. Пользователь-администратор имеет возможность при помощи специального модуля настройки вносить изменения в существующие шаблоны карт и создавать новые.
Стартовая страница в САПР ТП Timeline является «рабочим столом» технолога и позволяет оперативно открывать ранее редактируемые технологии, которые отображаются в виде графических миниатюр чертежа или 3D-модели детали. Наглядная компоновка информации на вкладках и отображение технологических эскизов в практически любых CAD-системах делают интерфейс системы Timeline простым и интуитивно понятным, что сокращает время освоения системы технологами. Развитый API-функционал позволяет интегрировать Timeline с различными приложениями: ERP, PDM, MES, CAD, CAM и т.д.
САПР ТП Timeline позволяет:
Ф проектировать технологические процессы для различных видов производств;
Ф разрабатывать сквозные технологии в режиме коллективного проектирования;
Ф разрабатывать типовые и групповые технологии изготовления групп деталей или сборочных единиц;
Ф рассчитывать режимы резания для различных видов технологических операций;
Ф рассчитывать материальные затраты и трудовые нормы времени;
Ф формировать комплект технологической документации по ЕСТД в формате Adobe PDF;
Ф редактировать существующие шаблоны карт и создавать новые;
Ф разрабатывать технологические эскизы в любых графических редакторах и практически во всех CAD-системах;
Ф редактировать технологические параметры, такие как размер, резьба, угол, шероховатость и др. в специализированных формах (рис. 10) и т. д.
В САПР ТП Timeline реализована технология коллективного проектирования технологических процессов. Данный режим позволяет формировать сквозные технологии, состоящие из операций на различные виды производств. В процессе разработки сквозного ТП принимают участие несколько технологов, каждый из которых имеет право на редактирование только своих технологических операций.
Реализован режим проектирования типовых (ТТП) и групповых (ГТП) процессов изготовления групп деталей или сборочных единиц (ДСЕ). Технологические процессы ТТП / ГТП формируются из двух частей:
Ф общая часть содержит информацию по всем операциям и переходам, которые могут быть выполнены для группы ДСЕ, на которую разрабатывается ТТП / ГТП;
Ф переменная часть (на каждую ДСЕ, входящую в комплексный ТП) содержит список операций и переходов, дополняющий и уточняющий содержимое общей части техпроцесса.
Расчет режимов резания (РРР) в САПР ТП Timeline реализован для точения, растачивания, фрезерования и обработки отверстий, в том числе:
Ф черновое и получистовое точение и растачивание;
Ф отрезание резцом;
Ф нарезание резьбы резцами;
Ф рассверливание, цекование, зенкование;
Ф фрезерование концевыми фрезами плоскостей и уступов;
Ф фрезерование пазов концевыми фрезами;
Ф объемное фрезерование концевыми радиусными фрезами и др.
Расчет основан на методике, изложенной в [4].
Система трудового нормирования (СТН), входящая в состав технологического комплекса компании SDI Solution, позволяет нормировать трудовые затраты производства изделий на основе общемашиностроительных укрупненных и других норм времени. В базу данных СТН введено более 50 источников трудового нормирования на различные виды операций, содержащих порядка 4 000 нормировочных карт, размещенных в базе данных системы Semantic MDM. Нормирование осуществляется в диалоговом режиме в соответствии с предопределенными сценариями, которые позволяют отображать, редактировать и выбирать табличные нормы времени на выполнение различных технологических операций с учетом поправочных коэффициентов (рис. 12). Перечень операций включает:
Ф разметочные и заготовительные работы по металлоконструкциям;
Ф механообработку: работы, выполняемые на токарно-винторезных, карусельных, токарно-револьверных, координатно-расточных, фрезерных, шлифовальных, отделочно-расточных, сверлильных, строгальных, долбежных, горизонтально-расточных, зубообрабатывающих, расточных, гравировальных станках, а также станках с числовым программным управлением (ЧПУ);
Ф сборку, сварку, обработку давлением, термообработку;
Ф гальванопокрытие, изготовление изделий из пластмасс;
Ф консервацию, упаковку, ремонтные работы, транспортировку грузов и др.
СТН работает в комплексе с САПР ТП Timeline и системой управления НСИ Semantic MDM. Поставщиком исходной информации в СТН является технологический процесс, разработанный в Timeline, а первоисточником справочных данных – Semantic MDM. Результаты расчетов СТН сохраняются в САПР ТП Timeline. Вместе с рассчитанными нормами в технологии запоминается история расчета, что делает их технически обоснованными, поскольку всегда существует ссылка на первоисточник – справочник, утвержденный на предприятии.
Система трудового нормирования также может работать автономно или включаться в комплексы других поставщиков программного обеспечения.
СТН реализована в виде простого, интуитивно понятного пошагового мастера. Назначение норм производится по шагам, в соответствии с определенным настраиваемым сценарием. Система анализирует формулы, по которым в каждом конкретном случае рассчитывается норма времени, и предлагает пользователю заданную последовательность прохождения нормировочных таблиц. В этом случае неопытный нормировщик не пропустит необходимых шагов для расчета конечного значения.
Если предприятие использует отраслевые справочники, которые не издавались для общего использования, то актуальной является задача расширения базы данных трудовых нормативов. В состав СТН входит модуль администрирования, который позволяет добавлять, удалять и редактировать нормировочные карты любой сложности.
Модуль настройки СТН позволяет вносить изменения в нормировочные карты непосредственно на предприятии без участия разработчика. Карты могут быть любой сложности, содержать многострочные заголовки столбцов и строк, рисунки, комментарии и примечания. Изображения в область заголовков добавляются в форматах BMP, JPEG, ICO, EMF, WMF (рис. 13). Конфигуратор позволяет копировать нормировочные карты целиком и фрагментами, изменять шрифт и цвета ячеек, осуществлять импорт / экспорт таблиц в различные форматы, включая XLS.
Система трудового нормирования, интегрированная с САПР ТП Timeline и Semantic MDM, может быть рекомендована как небольшим предприятиям с производством единичного и мелкосерийного типа, так и крупным, которым необходим оперативный расчет трудозатрат на изготовление изделий.
Расчет норм расхода основного материала для мерного проката различного профиля реализован на основе алгоритмов, описанных в справочнике [5]. В систему Semantic MDM внесены электронные таблицы, полностью идентичные таблицам из справочной литературы, по которой настраивался расчет.
Таким образом, технологический комплекс компании SDI Solution, объединяющий САПР ТП Timeline, систему управления НСИ Semantic MDM, расчетные приложения СТН, СМН и РРР, является составной частью единой системы автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства (рис. 14). Тесная интеграция компонентов данного комплекса с PDM-, CAD-, CAM-системами зарубежных и отечественных поставщиков позволяет решать задачи, связанные с расчетом трудоемкости, материалоемкости и себестоимости изготовления изделий.
Особо следует отметить, что поэтапное и рациональное импортозамещение в области инженерного программного обеспечения (ИПО) может быть реализовано за счет включения в состав существующих зарубежных комплексов PLM отечественных подсистем, адаптированных к специфике отечественного промышленного производства.
Поставку комплексов PLM на российском рынке осуществляют четыре зарубежные компании: Siemens PLM Software (подразделение немецкого концерна Siemens AG, США), PTC (США), Dassault Systemes (Франция) и Autodesk (США). Специалистами SDI Solution реализовано несколько проектов по локализации данных комплексов PLM, за счет включения в их состав САПР ТП Timeline и системы централизованного управления корпоративными мастер-данными Semantic MDM, которая является связующим звеном интегрированных программных комплексов (рис. 15).
Semantic MDM обеспечивает единство конструкторского и технологического этапов проектирования на основе централизации и устранения дублирования объектов НСИ. Semantic MDM позволяет создать на предприятии единое информационное пространство, в котором корпоративные справочные данные принадлежат всем пользователям: конструкторам, технологам, бухгалтерам, снабженцам и др.
MDM-система в составе отечественного комплекса PLM, создаваемого в рамках подпрограммы Минпромторга России «Разработка отечественного инженерного программного обеспечения», может стать инфраструктурной составляющей, обеспечить качество мастер-данных, стандартизацию и унификацию описаний объектов промышленного производства на основе гармонизированных национальных и международных стандартов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андриченко А.Н. Комбинированный метод автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления деталей резанием : Дис. канд. техн. наук. – М., 1990. 121 с.
2. Андриченко А.Н. КОМПАСАВТОПРОЕКТ 9.0 – инструментальные средства САПР технологических процессов // САПР и Графика. 2001. № 12.
3. Андриченко А.Н. «Вертикаль» – новое поколение технологических САПР: объектный подход // САПР и Графика. 2005. № 5.
4. Гузеев В.И., Батуев В.А., Сурков И.В. Режимы резания для токарных и сверлильнофрезернорасточных станков с числовым программным управлением : Справочник / Под ред. В.И. Гузеева; 2е изд. – М.: Машиностроение, 2007.
5. Бабаев Ф.В. Нормирование расхода металлопроката и стальных труб в промышленности. – М.: Машиностроение, 2010.
АНДРИЧЕНКО Андрей Николаевич –
кандидат технических наук, председатель Наблюдательного совета консорциума «Современные технологии управления корпоративными мастерданными», председатель совета директоров ЗАО «ЭсДиАй Солюшен»
[1] См.: Андриченко А. Управление корпоративными мастер-данными в промышленных холдингах и корпорациях // СТАНКОИНСТРУМЕНТ. 2016. № 4. С. 54.
Отзывы читателей
