9 - 2020

Быстрое и эффективное достижение результата. Универсальная цифровая среда крупнейшего отраслевого института от Siemens Digital Industries Software

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.