Решения IBM и Dassault Systemes для двигателестроения
Процесс проектирования изделия
Формирование технико-экономических показателей изделия
Поставка и покупка набора инструментов
Для проектирования сложных изделий, к которым относятся двигатели, необходимы современные методы проектирования, а также системы автоматизированного проектирования, которые позволяют реализовать сквозное решение от создания концепции изделия до производства, эксплуатации и утилизации. В последнее время бизнес-стратегия IBM под названием «управление жизненным циклом» (Product Lifecycle Management, PLM), нацеленная на решения этих задач и опирающаяся на такие САПР, получает все большее распространение в мире. При проектировании двигателя приходится работать с огромным количеством конструктивных элементов и оборудования, а кроме того, управлять большими базами данных.
Одним из широко распространенных пакетов PLM-решений является пакет, базирующийся на программных продуктах фирмы Dassault Systemes — на САПР высокого уровня CATIA и на технологии коллективного управления данными PDM (Product Data Management), реализованной в системах ENOVIA и SmarTeam.
Управление данными
С ростом электронной инфраструктуры данных многим фирмам требуется эффективное управление информацией: результатами инженерных расчетов, таблицами параметров и т.д. SmarTeam — это система управления данными изделия (PDM), которая способна управлять данными о продукции и бизнес-процессами на протяжении всего жизненного цикла изделия, а также обладает развитыми средствами для обмена информацией со смежниками, заказчиками и поставщиками.
Управление проектом двигателя дает возможность конструкторам управлять техническими спецификациями на каждой стадии проектирования (рис. 1), обеспечивая регламентированный доступ к данным и реализацию заданного процесса прохождения данных по цепочке — от создания, утверждения, модификации до применения изделий в коллективной работе.
 |
|
Совместный проект
Процесс проектирования в CATIA V5 происходит в стандартном формате данных с помощью инструментов, разработанных для поддержки совместной работы. Если имеются сложные детали или сборки, то проект может быть разделен между многими конструкторами, создающими «мастер-модель», к которой каждый из конструкторов имеет индивидуальный доступ. Мастер-модель содержит все спецификации и создается ими совместно от концептуального к детальному проектированию с помощью средств ENOVIA или CATIA. Примером может служить проект двигателя (рис. 2).
Важный момент этого процесса — ассоциативность связей. Это означает, что все модели содержат информацию об изменениях в мастер-модели, вследствие чего проектировщики могут работать над разными сложными деталями, в то время как полный проект развивается параллельно, что значительно сокращает сроки разработки.
Обнаружение на раннем этапе проекта несовместимости между моделью проекта и функциональными спецификациями происходит посредством инструментов раннего контроля (CAE). На этапе концептуального проектирования они дают возможность утвердить проект, а результат сохраняется непосредственно в модели, где присутствует ассоциативность, позволяющая производить изменения в проекте. На рис. 3 в полном объеме представлено исследование напряженно-деформированного состояния блока цилиндров, головки цилиндров и других деталей, в результате чего была создана анимационная модель двигателя.
При использовании PDM конструктор, аналитик, технолог, испытатель и экономист работают над проектом совместно. С учетом крайне сжатых сроков, отведенных на разработку, и ограниченных объемов финансирования заказчики и разработчики могут одновременно подключаться к проекту.
|
|
Процесс проектирования изделия
Процесс проектирования в CATIA V5 основан на создании параметрической управляемой базой знаний модели-шаблона, состоящей из многих компонентов, и содержит необходимые условия рассмотрения различных итераций проекта. В модель-шаблон входят: измерения; информация, извлеченная из документов; рекомендации; стандарты; отчеты компании; база данных деталей и т.д. Созданная модель, как правило, включает в свой состав все указанные требования и формирует условия для ускорения процесса проектирования.
Рассматриваемый проект с типичными компонентами, основанный на концепции шаблона и созданный при использовании системы CATIA V5, является основой процесса проектирования, вследствие чего значительно снижается время проектирования и стоимость жизненного цикла изделия. В течение периода установленного концептуального определения двигателя, проект должен быть сделан с учетом технических затрат. На рис. 4 показан процесс проектирования двигателя.
Рассмотрим процесс проектирования более подробно.
|
|
Спецификация
Первый шаг заключается в определении модели-шаблона. Пользователь запрашивает необходимый ряд спецификаций, которые применяются для нового компонента и могут быть основаны на международных стандартах или стандартах предприятий. Мощный и интуитивный интерфейс (набор инструментальных средств и меню) CATIA V5 ведет пользователя через отработанный процесс создания основной геометрии для нового проекта.
Выбор пользователя может быть основан на необходимом наборе модулей, на технических спецификациях, на применяемых инструкциях.
|
|
Архитектура
Архитектура требует, чтобы пользователь определял фундаментальные решения относительно создания компонентов нового проекта и в соответствии со специфическими техническими требованиями.
Выбор базируется на компонентах конструкции, на наборе инструментов, на процессе производства.
|
|
Шаблон
Параметрическая модель шаблона удовлетворяет всем видам выбора и построена на проверках и правилах проекта, включенных в модель. На этом этапе продукты представляют собой твердотельные модели и чертежи, которые необходимы, например, для заказчика и для производства.
|
|
Дизайн
Для многих компонентов дизайн очень важен, поэтому, используя рисунки шаблона, дизайнер может делать набросок в пределах границ, определенных в соответствии с требованиями проекта, и на основе полученных эскизов поверхности могут быть быстро построены. CATIA V5 имеет обширное число инструментов создания поверхностей, включая sketch tracer (трассирующий эскиз).
|
|
Формирование технико-экономических показателей изделия
В то время как дизайнер работает над обликом изделия, конструкторы и технологи начинают исследовать возможности практической реализации этого изделия, выполнимость изготовления на производстве различных его компонентов, применяя различные методы оценки и используя информацию, находящуюся в модели-шаблоне. Для быстрой оценки характерные особенности изделий извлекаются из существующих моделей и помещаются в каталоги.
Проектирование агрегатов и деталей, как правило, ведется с использованием каталогов, что позволяет значительно сократить сроки выпуска конструкторской и технологической документации. Каталоги могут быть как на специализированных подсистемах, так и на PDM-системе SmarTeam, которая используется на всех этапах создания изделия и технологических процессов, управляет данными изделия и поддерживает параллельное проектирование.
|
|
Концепция
На этапе разработки концепции объединяются все предварительно продуманные элементы, с тем чтобы воспроизвести на производстве готовый виртуальный опытный образец, или, как его часто называют, электронный макет изделия (Digital Mock-Up, DMU), который является основой новых технологий. На этом этапе возможно оценить стоимость продукта на основе характеристик материалов и объемов, стоимости отдельных деталей и т.д, для чего составляются чертежи, схемы и список материалов. Проводятся проверки для контроля конечной геометрии, которая должна соответствовать требованиям шаблона, и это происходит автоматически, причем в список вносятся ключевые решения проекта, сопровождаемые стандарты, измерения, а также многократно используются особенности и т.д.
|
|
Обзор проекта
Обзор проекта осуществляется и утверждается в CATIA V5 через DMU, что облегчает полную интеграцию основных процессов работы над электронным цифровым макетом в среде многообразного исследования. Различные методы навигации и проверки макета обеспечивают всесторонний просмотр электронного цифрового макета. В DMU используется самая современная графическая архитектура, чтобы обеспечить соответствия требованиям среды DMU к технологическому синтезу, пространственному синтезу и синтезу просмотра и т.д. Пример использования инструментов DMU представлен на рис. 5, где двигатель установлен на опорах рамы.
|
|
Обратное конструирование
Координаты точек, полученные в результате замера, с помощью контрольно-измерительного оборудования могут быть переданы в электронную модель опытного образца. С помощью «облака точек» в CATIA V5 можно получить поверхности и твердотельные модели. Изменения быстро включаются в цифровой макет изделия с минимальными временными затратами; при этом поддерживаются параллельные процессы.
|
|
Поставка и покупка набора инструментов
Очень важным этапом является передача документов на производство, причем необходима цепочка поставок соответствующих материалов. Совместные инструменты SmarTeam позволяют отслеживать этот процесс в реальном масштабе времени. Поставщики набора инструментов могут указать затраты механической обработки, основанные на массе материала, удаленного от заготовки, и т.д. Другие отделы предприятия могут начать предварительную работу, заказывая детали, материал и пр.
|
|
Детальный проект
Модели, соответствующие стандарту предприятия в качестве различных компонентов, используют концепцию «мастер-модель», добавляя технологические особенности производства к деталям там, где это требуется. Участие 3D-назначения допусков в деталях в технологических службах приводит к эффективному созданию сборочных чертежей (рис. 6).
|
|
Механическая обработка
Модели для механической обработки получаются после детального проектирования. В CATIA V5 имеются мощные модули для создания программ ЧПУ для 2,5-; 3-, 4- и 5-осевой фрезерной обработки; при этом сохраняется ассоциативность с исходной геометрией. Широко используется проектирование пресс-форм на основе библиотек, где возможно автоматическое наложение связей между компонентами пресс-формы и автоматическое создание линии разъема.
Посредством метода управления спецификациями интегрируются требования отливки в проектировании модели, что уменьшает число итераций с определением инструментов пресс-форм. На рис. 7 представлена схема процесса изготовления двигателя.
|
|
Подготовка производства
Подготовка производства охватывает большой круг организационно-технических мероприятий. На современных предприятиях, где цена ошибки на этом этапе расценивается как недопустимая, применяются системы моделирования всех операций на этапе производства средствами, которые интегрированы с данными, полученными на всех предыдущих этапах. Среди продуктов, предлагаемых фирмой Dassault Systemes, задачу моделирования и управления технологическими процессами решает пакет DELMIA (рис. 8).
|
|
Заключение
CATIA V5 предлагает единый набор изделий, разработанных для совместной технической работы над каждой стадией процесса проекта. Управление связями (ассоциативное проектирование) дает возможность отдельному конструктору работать на каждом этапе, в то время как полный проект все еще развивается.
Возможность повторного использования проекта и быстрое управление изменения проекта через процесс позволяет сократить число итераций и рассмотреть альтернативный проект.
Управление проектом двигателя дает возможность конструкторам участвовать в работе и управлять выделенными техническими спецификациями на каждой стадии проектирования.
Система CATIA V5 позволяет значительно уменьшить число итераций между проектированием и производственным процессом.
При проектировании двигателя используются основные методологии: методология проектирования, методология отливки, методология назначения допусков. CATIA V5 имеет открытую архитектуру, поэтому можно вставить собственные наработки, программы (например, тепловой расчет и т.п.), функции, необходимые для расширения возможностей специализированных модулей. Программирование с помощью языков VB CATIA, Java, C++, VBA, Basic Script позволяет значительно автоматизировать процесс проектирования двигателя.
Следующий уровень — это то, что называется PPR-технологией (Product—Process—Resource): продукт—технологический процесс—ресурс. На этом этапе не только обрабатываются данные об изделии (ЭМИ), но и происходит управление данными технологического процесса и данными ресурсов. Таким образом, с помощью модели PPR можно управлять всем процессом производства. Как фундамент PPR-архитектуры используются CATIA, ENOVIA и DELMIA. Интеграция данных о продуктах, процессах и ресурсах исключительно важна для оптимизации проектирования и производства двигателя. Эта система позволяет на основе правил проектирования сохранять и повторно использовать базу знаний предприятия. Если учесть, что проектирование является процессом итерационным, то использование базы знаний позволяет автоматизировать процесс оптимизации изделия.
На рис. 9 приведена схема, на которой показано, как следует за короткое время обработать большее число спецификаций с целью получения положительного результата.
Внедрение программного обеспечения, разработанного фирмой Dassault Systemes для проектирования двигателей, позволяет предприятию выпускать качественную продукцию, значительно повышать эффективность производства и достаточно просто переходить от одного проекта к другому, усиливать конкурентоспособность своей продукции.
В статье использованы материалы фирм IBM и Dassault Systemes.
