Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН, г.Новосибирск) — один из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Крупнейший академический институт России, по большинству направлений являющийся единственным в стране. Один из создателей Большого адронного коллайдера в Европейском Центре ядерных исследований. Легендарное научно-исследовательское учреждение с более чем 60-летней историей.
Путь новатора
Науке необходимы инновации. Они позволяют вывести отрасль на новый уровень. Используя современные технологические решения, ученые и исследователи сокращают расходы на проведение НИОКР, структурируют и сохраняют наработки.
ИЯФ СО РАН — новатор со стажем. По словам директора института академика Павла Владимировича Логачева, сотрудники нередко берутся за то, что никто никогда не делал. Более того, институт способен реализовать полный цикл изготовления изделия — от идеи до мелкой серии. В ИЯФ СО РАН ведутся крупномасштабные эксперименты по физике элементарных частиц на электронпозитронных коллайдерах, эксперименты по физике плазмы и управляемого термоядерного синтеза на комплексе открытых плазменных ловушек. Уникальные установки института строят инфраструктуру для широкого спектра междисциплинарных научных и научнотехнологических исследований. На базе института разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. ИЯФ СО РАН постоянно развивается и реагирует на перемены, связанные с глобальным трендом цифровизации.
Инструментов, которые традиционно использовались научным сообществом, становится недостаточно. Чтобы оставаться в числе первопроходцев, институт непрерывно оценивает рабочие процессы и своевременно обновляет применяемые методы и средства. Решения Siemens Digital Industries Software формируют благодатную почву для зарождения и роста инноваций.
Имеющиеся наработки естественно вписываются в цифровую среду, наполняя ее практическим смыслом. Обладая современными инструментами проектирования и структурированной информацией о том, что было сделано предшественниками, разработчики могут сосредоточиться на более глобальных и специфических задачах.
Необходимость модернизации
В 2014 году перед руководством ИЯФ СО РАН встала задача модернизации ряда рабочих процессов научноконструкторского отдела. Требовалось не только решить комплекс проблем, с которыми столкнулись сотрудники отдела, но и обеспечить трамплин для дальнейшего роста.
Создание уникальных научных установок связано с непрестанным поиском. В ходе проектирования научного оборудования многочисленные изменения вносятся на каждой стадии, а нередко — уже на этапе производства. Требования и характеристики уточняются, а когда удается приступить к воплощению идеи, к ним нередко прибавляются новые. На проведение и документирование изменений в ручном режиме специалисты ИЯФ СО РАН тратили много времени, при этом вероятность возникновения ошибок многократно возрастала.
Зачастую у конструктора скапливались различные варианты изделия, которые необходимо было систематизировать, а также контролировать их актуальность. Сложность представлял поиск последней версии моделей или чертежей. Случалось, что несколько вариантов файла имели одно название, и найти нужный было весьма проблематично. Когда все элементы сборки переименовывались, непросто было отследить, в новую версию какого компонента сборки были внесены изменения.
Разработчики ИЯФ СО РАН используют большой объем заимствованной геометрии. Под этим термином подразумевается геометрия не собственной разработки конструктора, а та, что получена от коллег или загружена со стороннего сайта, как в случае с купленными изделиями. Например, в рамках совместной работы над проектом с иностранными партнерами в институт присылают модели. Их нужно либо встроить в исходном виде, либо предварительно доработать. Ранее такие модели передавались в обменном формате STEP, и внести в них изменения путем правки эскизов, размеров, связей и прочего было невозможно — подобного рода данные не подлежали передаче.
Разнообразие применяемых прежде CADсистем препятствовало взаимодействию и обмену информацией. Попытки создать архив разработок были тщетными: таким архивом служило скопление малополезных данных на основе файловой системы. Одинаково неудобно было использовать ранние разработки и осуществлять поиск по внутренним атрибутам модели.
До перехода на Solid Edge в отделе использовались разные CADсистемы: две 3D и одна 2D. Если модель разрабатывалась в одной системе, а чертежи — в другой, это систематически становилось причиной несоответствия моделей и чертежей, и требовалось дополнительное время на их корреляцию. Кроме того, работа в несовместимых системах затрудняла коллективную работу над одним изделием.
Философия порядка
Таким образом, перед институтом встала задача — выбрать CADсистему, способную эффективно функционировать в связке с PDMсистемой. Требовалось структурировать изменения на всех стадиях проектирования и некоторых стадиях производства, создать архив разработок, минимизировать ошибки и обеспечить специалистам свободный доступ к необходимой информации. Проект имел и стратегическую цель, которая заключалась в повышении скорости обработки данных при проектировании и расчетах.
Необходимо было, чтобы PDMсистема была масштабируемой как количественно (число рабочих мест), так и качественно (модули для технологов, возможность обмена данными с ERPсистемой). Институт был заинтересован в CAD и PDMсистемах от одного производителя, чтобы исключить проблемы в ходе интеграции и необходимость использования сторонних программных продуктов.
Реализация замысла
В шестидесятых годах прошлого века в здании ИЯФ СО РАН было снято несколько сцен художественного фильма «Девять дней одного года» Михаила Ромма, посвященного работе советских физиковядерщиков. Фраза, произнесенная главным героем фильма, во многом характеризует невероятную сложность работы ученых и исследователей, находящихся в поиске верного решения: «Из ста возможных путей к истине один испытан и отпал. Осталось только девяносто девять». Современные средства проектирования призваны помочь специалистам превратить идеи в модели, которые во многих случаях можно тестировать виртуально, без изготовления физических образцов, а изменения замысла конструктора регистрировать по мере создания 3Dмодели. Модернизация системы проектирования ИЯФ СО РАН заключалась в переходе на единую CADсистему, создании общей базы стандартных изделий, внедрении системы управления конструкторскотехнологическими данными и переходе на сквозное параллельное проектирование.
Проект модернизации стартовал в феврале 2015 года. Первым этапом стало обучение, организованное внутри института для специалистов научноконструкторского отдела. В роли преподавателей курсов, посвященных аспектам работы с системой Solid Edge, выступали сотрудники Siemens Digital Industries Software. Эксперты компании были в постоянном доступе, каждую неделю проводились совместные совещания для контроля реализации проекта.
До перехода научноконструкторского отдела на Solid Edge главный конструктор изделия получал данные от участников проекта в формате STEP для 3Dгеометрии и в DWG — для 2D. После этого требовалось увязать полученные сведения на главной сборке. Так как атрибутивная информация для 3Dмоделей не передавалась, спецификация главной сборки осуществлялась вручную. Итерации сменяли друг друга фактически до завершения производства всех компонентов.
В связи с этим следующим этапом проекта стало внедрение методики коллективной разработки изделия с использованием Solid Edge на базе подхода «Быстрый старт», разработанного Siemens Digital Industries Software. Как работает эта методика на практике? Вначале создается рабочая группа, куда привлекают всех конструкторов — от ведущих до деталировщиков, чье участие необходимо для реализации проекта «под ключ». Главный конструктор изделия прорабатывает его структуру, создает опорную геометрию, включая габариты изделия, места стыковки подсборок, и раздает исполнителям файлы главных сборок их компонентов. В них транзитивными копиями спроецирована опорная геометрия из главной сборки изделия, а также разграничены зоны ответственности конструкторов и обеспечена стыковка компонентов между собой.
Подход «Быстрый старт» направлен на оперативное обучение работе в системе Solid Edge и использование преимуществ продукта в ходе создания электронного макета изделия и управления им. Согласно оценкам специалистов ИЯФ СО РАН, возможности 3Dмоделирования, заложенные в системе Solid Edge, существенно упрощают проектирование сложных пространственных конструкций и ускоряют получение чертежей.
О внедрении системы Teamcenter специалисты института задумались после принятия решения о переходе на Solid Edge. Планировалось использовать продукт для сокращения времени разработки за счет автоматизации обмена данными и контроля изменений конструкций. Система Teamcenter должна была свести к минимуму ошибки стыковки компонентов большого изделия, проектируемого разными конструкторами.
Решение Teamcenter, развернутое силами инженеров института, было настроено в соответствии с требованиями ЕСКД. Важно было модифицировать модель данных, интегрировать Teamcenter и Solid Edge и провести дополнительное обучение. В качестве пилотного изделия проекта «Быстрый старт» выступила система электронного охлаждения, разработанная в ИЯФ СО РАН. Система объединяет более 17 тыс. деталей, в том числе 1500 уникальных, и более 1100 подсборок, включая 250 уникальных. В ряду ключевых характеристик — многоуровневость, модульность и определенность всех компонентов.
Деятельность рабочей группы охватывала три направления: настройку конфигурации решения, участие в специализированных семинарах и использование средств информационнометодической поддержки. Было проведено базовое обучение работе в Solid Edge, созданию структуры изделия и его компонентов в среде Teamcenter c последующей передачей в Solid Edge, в результате чего выполнено проектирование одного узла пилотного изделия в цифровой среде, объединяющей Teamcenter и Solid Edge.
Быстро, продуктивно и безошибочно — таковы минимальные требования, предъявляемые к процессу проектирования. Суммарный результат от использования решений Solid Edge и Teamcenter направлен не только на достижение краткосрочных целей, но и на стратегическое развитие цифровой среды научного института.
Участники группы отработали выдачу заданий и контроль проектирования в системе Teamcenter, начали переносить ранее спроектированные в Solid Edge элементы в управляемую среду, наполнять каталоги нормативносправочной информацией. Итоги пилотного проекта подтвердили заявленный функционал продуктов Siemens Digital Industries Software.
Инновации как образ жизни
Сегодня решения Siemens Digital Industries Software используются практически для всего спектра изделий, проектируемых в научноконструкторском отделе: промышленных ускорителей, рентгеновских сканеров, вигглеров и ондуляторов. Семьдесят одно рабочее место оснащено программным комплектом 3Dпроектирования Solid Edge и Teamcenter, который используется конструкторами для работы над макетом установки в едином информационном пространстве. Переход на сквозное параллельное проектирование позволил специалистам получить доступ к информации на всех этапах взаимодействия.
В числе преимуществ Solid Edge — возможность работы с заимствованной геометрией из других CADсистем и наличие точного позиционирования в сборках. Важной особенностью решения являются условия для комфортной работы с большими сборками — с числом компонентов от миллиона и более. В отношении работы с внушительным объемом заимствованной геометрии прямое моделирование, а именно синхронная технология в Solid Edge, превосходит ресурсы систем, работающих только с деревом построения.
Синхронная технология Solid Edge позволяет оперативно воплощать конструкторский замысел, легко реагировать на запросы на изменения и выполнять одновременные обновления нескольких деталей в сборке. Гибкость при проектировании дает возможность избегать сложного планирования, ошибок в функционале и трудоемких доработок. По мнению сотрудников ИЯФ СО РАН, синхронная технология в Solid Edge незаменима при внесении изменений в заимствованную геометрию. Эта технология объединяет скорость и простоту прямого моделирования с гибкостью и точностью управления, характерными для параметрического проектирования.
Внедрение системы сократило время, необходимое на поиск и обработку информации, а также уменьшило число потенциальных ошибок. Единая база стандартных изделий препятствует размножению номенклатуры, а единая CADсистема позволяет эффективно использовать архив ранних разработок и беспрепятственно обмениваться информацией.
Основатель ИЯФ СО РАН Герш Ицкович Будкер завел традицию проводить заседания Ученого совета института за круглым столом; двери в этот зал никогда и ни перед кем не закрывались. Эта традиция служит отражением не формального, а понастоящему личного отношения к работе, открытости к новым идеям, готовности вместе доводить результат до совершенства. Проектирование и разработка — пространство, в котором инженерная идея обретает форму и значимость. Если в руках ученых находятся инструменты, с помощью которых расчет становится творчеством, если к работе могут беспрепятственно подключиться коллеги и на любом этапе внести важные изменения — результат достигается гораздо быстрее и эффективнее.
