Цифровые технологии в малом бизнесе машиностроительной отрасли

Вячеслав Булавин,
к.т.н., доцент кафедры технологий машиностроения, Вологодский государственный университет (ВоГУ)

Виктор Яхричев,
ведущий инженер кафедры технологий машиностроения, Вологодский государственный университет (ВоГУ)

Автоматизированная подготовка производства объединяет следующие этапы: конструкторский, технологический и инженерный анализ. ЛОЦМАН:PLM объединяет в единое информационное поле по единым стандартам весь набор приложений, формируя проект, содержащий чертежи и техническую информацию по составу изделия. Набор документов является основой для производства, модификаций изделия, условием коллективной работы и выступает средством согласования всех звеньев в цепи: заказчик — разработчики — производитель — поставщики.

Цифровая экономика требует расширения информационного пространства для инновационных программных продуктов и технологий в сферу малого бизнеса машиностроительного направления. Результатом этого процесса будет преодоление отставания в организационных и управленческих принципах подготовки производства. Цифровое направление в развитии экономики определяет стратегию дигитализации всего состава конструкторско­технологической документации, необходимой для производства [1, 2].

Цифровое документирование и инновационные технологии на базе PLM­решений в организации труда ускоряют процесс подготовки перехода на новые виды продукции, что в итоге становится основным фактором конкурентоспособности на рынке товаров и услуг [2, 3, 4].

Автоматизированная конструкторская подготовка опирается на 3D­проектирование моделей деталей и узлов изделий, оформление 2D­чертежей и спецификаций. Ассоциативная связь цифровых образов и чертежей позволяет учесть все изменения электронной модели в технических документах [2­4].

Технологическая подготовка включает выбор заготовки, определение методов и способов обработки детали, а также уточнение состава оборудования и назначение режущего инструмента. Особенностью малого бизнеса является мелкосерийное производство деталей и комплектующих, а также изделий среднего уровня сложности в условиях ограниченного станочного парка. Это требует привязки технологий изготовления к возможностям станочного парка и его технологических решений. Отдельным моментом выступает вопрос о проектировании вспомогательных приспособлений и выбора измерительных средств.

Сопровождение на этапе эксплуатации требует разработки и создания иллюстрированных каталогов для проведения ремонтных и сервисных мероприятий, а также формирования логистики предоставления услуг дистанционного доступа [2]. Выполнение сформулированных положений приводит к соблюдению стандартов системы менеджмента качества ISO 9000:2000, что позволяет проводить уверенную политику на рынке товаров и услуг.

При многономенклатурном выпуске продукции гибкость может быть обеспечена только при условии автоматизированной подготовки производства, ориентированной на конкретное оборудование. Именно в рамках малых предприятий существует широкое поле для внедрения инновационных технологий в организацию их деятельности.

Интеграция отечественных САПР: КОМПАС­3D, ТП: ВЕРТИКАЛЬ и ЛОЦМАН:PLM, а также линейки программ компании «Спрут­Технология» позволяет реализовать сквозную интегрированную программно­информационную среду для повышения эффективности подготовки производства. Процесс валидации российских САПР в условиях малых предприятий мы покажем на примере подготовки производства мобильного бурового комплекса (МБК), представленного цифровым макетом на рис. 1.

Рис. 1. Цифровая модель мобильного бурового комплекса

В ходе конструкторской подготовки уточняется общая компоновка, кинематические связи и состав будущего изделия из условия унификации и максимального использования стандартных узлов. Последующие действия опираются на предварительную классификацию и кодирование деталей с последующим поиском прототипов в базах данных.

Методической основой автоматизированного проектирования служат методы адресации и синтеза. В рамках этого раздела КОМПАС­3D позволяет создавать и редактировать 3D­модели всех деталей и в итоге формировать рабочие чертежи (рис. 2) с изображением необходимых проекций, сечений, разрезов, а также сборочные единицы.

Рис. 2. 3D-модель детали «Вал» из сборки «Редуктор конический»

После создания требуемых проекций, сечений, разрезов чертеж проверяется с помощью приложения КОМПАС­Эксперт, функционал которого связан с поиском ошибок в оформлении конструкторской документации. Процесс заканчивается созданием спецификаций.

Цифровые модели подсборок и всего изделия дают возможность выявить коллизии и ошибки. Технология параметризации позволяет получать модели требуемых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Проектирование в 3D на малых предприятиях машиностроительного сектора является одной из сторон цифровой экономики.

Современные САПР, использующие методы трехмерного моделирования, обеспечивают выполнение компоновки конечного продукта. Программный функционал дает возможность увидеть будущее изделие в объеме и различных проекциях, придать ему реалистичное изображение в соответствии с заданным материалом для предварительной оценки конструкторских и дизайнерских решений [2­4]. На рис. 3­5 представлены 3D­модели некоторых сборочных единиц МБК.

Рис. 3. 3D-модель сборочной единицы «Полумуфта упругая втулочно-пальцевая и фрикционная муфта сцепления»

Рис. 4. 3D-модель сборочной единицы «Вращатель»

Рис. 5. Цифровая модель сборочной единицы «Редуктор конический»

Одновременно в системе ЛОЦМАН:PLM формируется электронный состав изделия путем добавления соответствующих цифровых объектов (сборочные единицы, подсборки, детали, стандартные компоненты и т.д.) и введения всех необходимых атрибутов [2].

Для наглядного представления состава изделия, облегчения сборки и разборки узлов разрабатывается каталог разнесенной сборки. Функционал САПР позволяет выполнить разнесение узлов конструкции на детали, при этом подузлы, входящие в сборку, могут быть вынесены одним элементом или также разнесены подетально. Требования к результату — наглядность разнесения и возможность быстрого редактирования.

Пример цифровой модели «Основание» МБК, полученной при помощи 3D­технологий, представлен на рис. 6. Модель металлоконструкции может быть оперативно отредактирована и использована в качестве сборочной единицы в других изделиях. Проектирование в 3D обеспечивает быструю модификацию, создание параметрических библиотек металлоконструкций, что значительно сокращает трудоемкость и временные затраты при подготовке производства.

Рис. 6. Компьютерная модель сборочной единицы «Основание»

Второй этап подготовки производства состоит в разработке в САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ технологических процессов с использованием Справочника технолога. В функции единой системы технологической подготовки производства входит обеспечение технологичности деталей и конструкции изделия в целом. В ходе работы САПР ТП поддерживает связь с групповыми и типовыми технологическими процессами. На этой основе модифицируются технологии изготовления деталей и разрабатываются новые под возможности имеющегося оборудования, назначаются инструментальные средства, выбирается материал и вид заготовок, рассчитываются трудовые нормативы.

Помимо рабочего архива технологических данных спроектированный техпроцесс сохраняется ЛОЦМАН:PLM в виде объектной модели и связывается с деталью, для которой был разработан. Для детали из состава изделия МБК приведен пример разработки технологического маршрута с последующим выбором режущих инструментов, расчетом режимов резания и назначением измерительных средств (рис. 7).

Рис. 7. Технологический процесс в системе САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ

Среди специализированных приложений для разработки программ ЧПУ выделим модуль SprutCAM. Работа с платформой предполагает выбор инструмента, назначенного в базах данных ТП ВЕРТИКАЛЬ, и, после задания траектории режущего инструмента, получение требуемого продукта. Функционал платформы позволяет оценить время, затраченное на станочные операции, и получить итоговое время металлообработки.

Визуализация процесса механообработки в форме имитации траектории режущего инструмента, с учетом перемещений всех вспомогательных органов, дает возможность выявить коллизии. Постпроцессорная обработка позволяет получить готовую программу обработки детали для конкретной стойки станка ЧПУ. На рис. 8 и 9 показана имитация траектории режущих инструментов при обработке детали «Полумуфта».

Рис. 8. Токарная операция

Рис. 9. Сверление отверстия

Электронная модель в системе ЛОЦМАН:PLM является главным элементом структуры автоматизированной конструкторско­технологической подготовки производства. Прямая интеграция продуктов КОМПАС­3D, ВЕРТИКАЛЬ, ЛОЦМАН:PLM и ГОЛЬФСТРИМ позволяет создать сквозную интегрированную программно­информационную среду, что следует рассматривать как инновационное решение в программе автоматизации и повышения производительности инженерного труда.

Концепция технологии сквозной поддержки обеспечивает быстрое изменение состава конструкции (модификации) с помощью опций управления конфигурациями изделий. Эти функции описывают возможные замены деталей (сборочных единиц), применяемых на этапе конечной сборки. Изменения отражаются в дереве построения модели в КОМПАС­3D, а информация передается в ЛОЦМАН:PLM при их совместном использовании (рис. 10).

Рис. 10. Электронная модель МБК в системе ЛОЦМАН:PLM

Инженерный анализ позволяет спрогнозировать поведение отдельных деталей и конструкции в целом — как в рабочем режиме, так и в экстремальных условиях. Прочностные расчеты можно выполнить непосредственно в САПР КОМПАС­3D, либо на базе либо платформы APM WinMachine, либо других. Полный объем исследований, предоставляемых пользователю, широк, однако, как правило, в качестве первоначального этапа выполняется статический расчет [2]. В перечень возможных видов анализа входят следующие опции: статический расчет деталей и сборок, устойчивость и тепловые явления.

Библиотека материалов позволяет выбирать требуемый компонент. При исследовании на прочностные характеристики первоочередной задачей является определение вида эксперимента. Предварительно требуется провести анализ условий работы детали (сборки) и выявить характер действующих нагрузок. Результатом расчета является графический отчет с изображением формы детали после эксперимента, распределения напряжений и перемещений, дополненных цветовой шкалой со значениями параметров. Цветовая легенда позволяет определить зоны максимальных значений параметров исследования и сделать выводы о прочностных характеристиках конструкции (рис. 11).

Рис. 11. Распределение перемещений в сборочной единице «Вал» при номинальном моменте на валу

Взаимосвязь CAD­продуктов заложена в дереве изделия, на основе которого в ЛОЦМАН:PLM формируется его состав. Структура содержит все сопровождающие документы, а также атрибутивную информацию. В созданном рабочем архиве данных спроектированный объект сохраняется как объектная модель, с которой связаны детали и узлы, присутствующие в разработке. Сформированный набор документов является основой дальнейших модификаций изделия и условием организации коллективной работы над проектом [2], а также выступает средством согласования всех звеньев в цепи: заказчик — разработчики — производитель — поставщики.

Внедрение PLM­концепции в деятельность малых предприятий является средством повышения их эффективности при многономенклатурном и ограниченном выпуске изделий, а при приемлемой стоимости обеспечит юридическую чистоту конечного продукта. Экспертные оценки прогнозируют рост эффективности в целом до ~40% и отдают этому направлению стратегическую инициативу. Эта концепция предполагает организационную инновацию в принципах работы предприятий: быстрый и рациональный учет изменений, а также обмен данными всех участников процесса производства.

PDM­системы выступают фактором повышения производительности труда и конкурентоспособности отечественных изделий машиностроения. 

Список использованной литературы:

1. Дигитализация преобразует экономику и повышает эффективность инвестиционных проектов // САПР и графика. 2016. № 1. C. 4­7.
2. Булавин В.Ф. Валидация CAD­продуктов в малых предприятиях машиностроительного сектора / В.Ф. Булавин, Т.Г. Булавина, В.В. Яхричев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2017. № 5 (325). С. 64­72.
3. Волков Е.В. Российские CAD­системы в приборостроительном секторе производства / Е.В. Волков, В.Ф. Булавин, Н.С. Григорьев, В.В. Яхричев и др. // Эффективные исследования современности: материалы Междунар. XXXII научн. конф. Москва: ЕНО. 2017. Ч. 1. № 10 (32). С. 65­68.
4. Благовестова М.Е. CAD/СAPP­технологии в машиностроительном производстве / С.А. Казакова, В.Ф. Булавин, В.В. Яхричев и др. // Наука и современность 2018: материалы Междунар. XXXV научн. конф. Москва: ЕНО. 2018. Ч. 1. № 1 (35). С. 70