8 - 2003

Комплексные подходы для решения задач подготовки производства газоперекачивающих агрегатов на примере совместного экспериментального проекта компании СОЛВЕР и НПО «Сатурн»

Радислав Бирбраер, Олег Гаршин, Игорь Юдин, Анатолий Черепанов, Сергей Соловьев, Иван Радченко, Вячеслав Столповский

Разработка изделия

Инженерный анализ и оптимизация конструкции

Технологическое проектирование

Управление жизненным циклом изделия

Краткие выводы

СОЛВЕР предлагает

Инженерно-консалтинговая компания SOLVER (СОЛВЕР) продолжает цикл статей по реализованным ею проектам автоматизации проектирования и производства на ведущих отечественных машиностроительных предприятиях.

НПО «Сатурн» — ведущий российский производитель газотурбинных двигателей авиационного и промышленного применения. Крупнейшие в стране научно-технические мощности и современная производственно-технологическая база позволяют предприятию осуществлять перспективные программы в области разработки и производства газотурбинной техники для гражданских и военных самолетов, наземных силовых установок, газотурбинных теплоэлектростанций и газоперекачивающих агрегатов для топливно-энергетического комплекса (ТЭК).

Одним из видов продукции, выпускаемой объединением, являются газоперекачивающие агрегаты серии ГПА-4РМ. С целью поиска эффективных путей сокращения затрат и сроков подготовки их производства, изготовления и сопровождения, а также для повышения качества агрегатов НПО «Сатурн» и компания СОЛВЕР реализовали совместный экспериментальный проект, в результате которого был создан действующий прототип автоматизированной системы управления процессами жизненного цикла этого изделия.

В рамках указанного проекта были выполнены следующие работы:

• разработка изделия (трехмерное моделирование и подготовка конструкторской документации, создание библиотеки применяемых элементов конструкции и т.д.);

• инженерный анализ конструкции (анализ прочности, жесткости конструкции и подготовка предложения по совершенствованию конструкции);

• разработка операционной технологии изготовления, а также управляющих программ и постпроцессора для оборудования с ЧПУ;

• проработка принципов эффективного управления процессами жизненного цикла изделия.

Разработка изделия

Проектирование сборочной единицы «Контейнер»

Рабочее проектирование трехмерных моделей деталей и узлов сборочной единицы «контейнер» осуществлялось средствами программного комплекса Pro/ENGINEER по предоставленным рабочим чертежам и схемам. При этом использовались как восходящий (рис. 1а), так и нисходящий (рис. 1б) методы проектирования.

Всего конструкция изделия «контейнер» содержала более 1500 наименований деталей и 150 наименований сборочных единиц общим количеством 4485, поэтому было необходимо создать упрощенные представления сборочных единиц, позволявшие увеличить скорость работы со сборкой и облегчить визуализацию участка сборки, с которым производится работа. В целях повышения эффективности управления сборочной единицей (например, для уменьшения времени, необходимого для просчетов сборки, и для упрощения работы при моделировании сложных элементов) было применено каркасное моделирование (рис. 2) и упрощенные представления.

От каркаса сборки (Skeleton) зависят структура сборки, пространственные требования, состыковка и другие характеристики, которые можно использовать для определения геометрии компонентов и анализа их перемещений. Применение каркасных моделей в нескольких сборках позволяет распространить критерии проектирования ассоциативно по всей структуре изделия и является оптимальным механизмом для управления итерациями проекта верхнего уровня и распределения заданий между исполнителями проекта.

Упрощенные представления (Simplified Representations) используются для оптимального управления загрузкой и отображением элементов сборки в рабочем сеансе Pro/ENGINEER. Это дает возможность сформировать рабочую среду таким образом, чтобы работать только с актуальной информацией.

Проектирование деталей из листового материала

Примерно половина деталей проектируемого изделия должна была изготавливаться из листового материала. Базовые возможности Pro/ENGINEER, включающие такие необходимые операции, как гибка, развертка (в том числе деталей, подвергающихся технологической деформации — рис. 3), расчет длины развертки, формовка деталей любой сложности, обеспечили успешное выполнение этой работы, поскольку позволяли точно учитывать технические характеристики применяемого гибочного оборудования.

Разработанные модели содержали в себе всю информацию, необходимую для изготовления деталей: допуски на размеры (рис. 4), допуски формы и расположения поверхностей, сведения о чистоте поверхностей, текстовую информацию. Допуски проставляются с использованием готовых таблиц. При этом достаточно проставить лишь квалитет (например, H9) — и система автоматически присвоит значение допуска в соответствии со значением размера. При изменении размера величина допуска автоматически изменяется.

Проектирование металлоконструкций

Каркас контейнера представлял собой сварную конструкцию из металлических профилей. Для ее проектирования дополнительно применялся модуль Pro/ENGINEER — Expert Framework Extension (этот новый модуль появился в последнем релизе Pro/ENGINEER — Wildfire), предлагающий широкий выбор инструментов для простой и удобной работы по проектированию металлоконструкций (рис. 5).

Работу можно проводить с каркасной моделью общей сборки или сборочной единицы. Конструктор выбирает необходимый профиль из существующей пополняемой библиотеки и закрепляет его на каркасе двумя кликами мыши (длина детали затем будет получена автоматически). Для создания и расположения второй детали, которая ориентирована так же, как и первая, достаточно уже одного щелчка мыши по линии, ограничивающей длину будущей детали. Конструктор не теряет времени на создание отдельных деталей — они автоматически формируются при указании места расположения и номера профиля. Кроме того, быстрее осуществляется процедура сборки, поскольку нет необходимости использовать команды типа Mate, Align и т.д. Быстро выполняются и такие операции, как замена профилей, перемещение, вращение и т.д.

После установки деталей из профиля выполняется подрезание стыков. Существуют готовые схемы подрезки, из которых по эскизу можно выбрать подходящий способ и в диалоговом режиме произвести необходимые операции. Ни один из способов подрезки не требует создания эскизов — все выполняется в диалоговом режиме. При изменении размеров профиля и каркасной модели подрезка автоматически изменяется в соответствии с новыми размерами.

Expert Framework Extension содержит базу соединительных элементов: крепежа, косынок, платиков и схем соединения (рис. 6), а также библиотеку аксессуаров: петель, крышек, опорных колес. Детали создаются на лету по готовым схемам в диалоговом режиме и без эскизов. Создаваемым деталям и сборочным единицам автоматически присваиваются имена согласно предварительно заданной схеме.

Преимущества, получаемые при проектировании металлоконструкций с использованием модуля Expert Framework Extension, состоят в том, что скорость работы становится в несколько раз выше по сравнению с выполнением аналогичных действий только средствами базового модуля Pro/ENGINEER.

Кроме того, Expert Framework Extension позволяет автоматически создавать упрощенные представления моделей. В зависимости от выбранного уровня проработки данный модуль временно скрывает те или иные подробности (фаски, радиусы, отверстия и т.д.), оставляя внешний контур конструкции. Это значительно ускоряет работу со сборкой по сравнению со стандартными средствами Pro/ENGINEER для создания упрощенных представлений.

Проектирование магистралей трубопроводов

Эффективность применения Pro/ENGINEER была подтверждена и при проектировании магистралей трубопроводов, входящих в состав изделия (рис. 7). Так, на этапе эскизной проработки, когда только определялся общий вид изделия и еще не было окончательно определено местоположение составляющих элементов, они уже были соединены трубопроводами. Благодаря этому уже на ранних стадиях проектирования удалось определить наиболее рациональные в плане технологии параметры магистралей, к которым относятся минимальный радиус гибки, минимальная длина прямолинейного участка и т.д. Все эти значения были занесены в параметры магистрали, что позволило обеспечить необходимые зазоры между трубопроводами и ограничивающими элементами конструкции, а также давало возможность их изменения.

После утверждения одного или нескольких вариантов компоновки проектируемого изделия наступает этап детальной проработки и разработки КД. При этом нередко изменяется местоположение узлов и агрегатов, уточняются технологии изготовления. Возможности Pro/ENGINEER позволили сэкономить время на дополнительную проработку благодаря автоматическому видоизменению магистралей после внесения необходимых поправок и за счет отслеживания всех возможных недоработок конструкции (уменьшение зазоров, выступание за габариты, вероятные отклонения от размеров и т.п.). Для этого также использовался модуль Pro/PIPING. В результате анализа всех возможных вариантов конструкции были выбраны оптимальные решения.

Известно, что на предприятиях ТЭК, судостроительной, машиностроительной, аэрокосмической и других отраслей при проектировании трубопроводов используется большое количество однотипных деталей и узлов под имеющийся сортамент труб, поэтому для них создаются библиотеки унифицированных элементов. Использование этих библиотек при моделировании магистралей в Pro/ENGINEER можно сделать автоматическим с помощью функции Pro/PIPING Specification-Driven.

Разработка чертежей

Создание чертежей деталей и сборочных единиц (рис. 8), связанных с трехмерными моделями двунаправленной ассоциативной связью входит в число базовых возможностей Pro/ENGINEER, причем применение шаблонов чертежа позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на создание видов и символов.

Для составления спецификаций использовалось разработанное специалистами СОЛВЕР приложение PartList. Спецификации, сделанные с его помощью (рис. 9), также связаны с моделями двунаправленной ассоциативной связью.

Разработанная в Pro/ENGINEER конструкторская документация на проектируемое изделие и составляющие ее компоненты полностью соответствуют требованиям ЕСКД.

Проверка моделей и чертежей

Обычно на предприятиях различные модели изделий многократно используются в других проектах и приложениях, поэтому особую важность приобретают корректность их создания и достоверность содержащейся в них информации. Чтобы оптимизировать многократное использование моделей, они должны быть созданы в соответствии с общепринятой на предприятии методологией проекта. Заложенные Pro/ENGINEER возможности помогают проектировщикам правильно вести процесс моделирования, постоянно проверять модель на всех этапах ее создания, поскольку программа выдает подробную информацию обо всех найденных несоответствиях с установленными правилами (рис. 10). Таким образом, удается выявлять и исправлять отклонения от принятых правил на самой ранней стадии проекта, прежде чем модели будут использованы другими участниками проекта.

В начало В начало

Инженерный анализ и оптимизация конструкции

В рамках проекта был осуществлен анализ конструкции контейнера газоперекачивающего агрегата с использованием программного комплекса Pro/MECHANICA. По результатам анализа были представлены рекомендации для усовершенствования конструкции. В ходе проделанных работ были выявлены наиболее нагруженные места конструкции, даны предложения по снижению уровня напряжений в опасных зонах, а также по уменьшению металлоемкости конструкции.

Проектирование деталей контейнера осуществлялось в Pro/ENGINEER, а дальнейшая работа проводилась с применением модуля Pro/MECHANICA STRUCTURE.

При расчетах были рассмотрены три варианта нагружения конструкции:

• рабочее нагружение;

• ветровое нагружение;

• сейсмическое нагружение.

Рабочее нагружение включает вес самого контейнера и весовую нагрузку расположенных в нем агрегатов и узлов. В рабочее нагружение были включены также реактивный крутящий момент со стороны газотурбинного двигателя, нагрузки от газовых сил нагнетателя и реактивной струи в угловом газоотводе.

Моделирование ветровых нагружений осуществлялось для наиболее неблагоприятного варианта — при действии нагрузки на заднюю стенку контейнера, так как при этом ветровая нагрузка имеет то же направление, что и нагрузка от газовых сил нагнетателя.

При сейсмическом нагружении принималось, что одновременно по всем трем направлениям перегрузка составляет 2,5 g.

На начальном этапе исследовались воздействия рабочих и ветровых нагрузок, так как они являются постоянно действующими на конструкцию контейнера. После расчета вариантов усиления конструкции была проведена ее проверка на воздействие сейсмических нагрузок. Напряжения в контейнере, возникающие при рабочих и ветровых нагрузках, заметно меньше по сравнению с сейсмическим нагружением, поэтому было признано целесообразным производить контейнеры в двух вариантах исполнения (рис. 11): первый — для работы в несейсмоопасных районах (возможно облегчение его конструкции), второй — для эксплуатации в сейсмоопасных районах (здесь, наоборот, необходимо дополнительно усилить конструкцию).

В результате проведенных усовершенствований силовой конструкции контейнера, предназначенного для работы в несейсмоопасных регионах, его металлоемкость была снижена на 2964 кг (то есть на 15,5%) по сравнению с первоначальным вариантом — за счет уменьшения толщин стенок в балках основания и толщины обшивки укрытия.

В силовой конструкции контейнера сейсмостойкого исполнения не удалось добиться снижения металлоемкости таким же способом. Однако затраты металла, пошедшего на усиление, было предложено частично компенсировать за счет уменьшения толщин стенок в раме нагнетателя. В результате общее увеличение массы силовой конструкции контейнера сейсмостойкого исполнения составило 1083 кг (6%) по сравнению с первоначальной.

Необходимо отметить, что Pro/MECHANICA, являясь аналитическим модулем программного комплекса Pro/ENGINEER, позволяет осуществлять всесторонний прочностной анализ отдельных деталей и узлов проектируемого изделия на ранних стадиях проектирования, не прибегая к экспериментам с дорогостоящими прототипами.

В начало В начало

Технологическое проектирование

Разработка операционно-маршрутных технологий

В качестве автоматизированного рабочего места технолога для разработки техпроцессов был использован программный комплекс Techcard фирмы ИНТЕРМЕХ (рис. 12). В состав АРМ входят отдельные подсистемы, которые могут функционировать как автономно, так и в комплексе:

• система организации и ведения архива технологической документации;

• система автоматизированного проектирования технологических процессов обработки деталей для различных видов производств;

• система автоматизированного проектирования и оформления операционных эскизов или любых графических изображений, выводимых в технологический документ.

Проектирование операционных эскизов выполнялось на основе конструкторского чертежа детали или матмодели Pro/ENGINEER, переданной в Techcard через буфер обмена данных.

Возможности Techcard включают простановку на эскиз признака обработки и маркеров поверхностей, условных изображений опор, зажимов, центров и оправок. При проектировании карт наладок помимо операционных эскизов обеспечивается вычерчивание инструментальной наладки.

После завершения процесса проектирования автоматически формируется комплект технологических документов. Вид и состав комплекта документов, а также форма бланков определяются пользователем.

По окончании работы с модулем проектирования техпроцесс сохраняется в архиве. Имеется возможность настройки списка параметров техпроцесса, которые могут передаваться во внешние системы (например, в систему АСУП).

Разработка управляющей программы и постпроцессора

В рамках проектных работ была решена задача по оптимальному использованию раскройно-гибочного комплекса на базе оборудования Hammerle и Bystronic. Для этого были использованы возможности модуля Pro/ENGINEER — Pro/SHEETMETAL для моделирования деталей из листового материала, входящего в состав базовой системы и NC/SHEETMETAL для создания раскроя и генерации УП (рис. 13). Посредством этих решений было выполнено проектирование параметрических твердотельных моделей из листового материала с использованием таких технологических операций, как размещение на листе, обрезка, подсечка, пробивка, формовка, лазерная вырезка по контуру.

NC/SHEETMETAL автоматически рассчитывает траекторию инструмента, при этом модель остается связанной с УП. Все изменения в конструкторской документации автоматически обновляют текст управляющей программы без ее повторной разработки.

При помощи модуля

Pro/NC-GPOST был разработан постпроцессор для станка лазерной резки Bystronic.

В начало В начало

Управление жизненным циклом изделия

Поскольку для управления жизненным циклом изделий СОЛВЕР предлагает использовать программный комплекс Windchill, то все работы по планированию и управлению в рамках выполненного проекта осуществлялись с применением именно этого ПО. Работы включали следующие стандартные этапы:

• инициирование;

• планирование;

• исполнение;

• закрытие.

На этапе инициирования по утвержденной заявке на проект было разработано техническое задание, назначен руководитель проекта и сформирована проектная группа (рис. 14а).

В течение этапа планирования на основе исходных данных и требований ТЗ был составлен укрупненный план-график проведения работ (рис. 14б). Для этого применяли MS Project — недорогое и надежное решение, интегрирующееся как с MS Office, так и с используемым на этапе исполнения проекта Windchill и решениями на основе его технологии (в частности, ProjectLink и PDMLink).

На этом этапе была выработана общая концепция обеспечения организационно-технического взаимодействия между исполнителями, входящими в состав команды проекта, а также выполнены подготовительные работы по обеспечению согласованного представления данных об изделии в электронном архиве Windchill. Для этого были созданы:

• команда проекта и административный домен Windchill;

• правила ограничения доступа к проектным данным и оповещения о событиях, происходящих в домене. В качестве политики оповещения было избрано оповещение руководителя проекта по e-mail о создании всех информационных объектов в административном домене. Более детальную проработку политики каскадного оповещения участников было предложено осуществить в процессе выполнения проекта внедрения, после построения моделей бизнес-процессов;

• отдельный кабинет и структура папок, предназначенных для хранения всех данных и материалов по данному проекту (рис. 15);

• шаблоны жизненных циклов для всех создаваемых в процессе выполнения проекта материалов, обеспечивающих их проверку на соответствие предъявляемым требованиям к качеству.

На основе полученного плана-графика было составлено детальное расписание работ, которое администратор проекта запланировал к выполнению через систему управления работами Windchill (рис. 16).

Во время исполнения проекта основная ответственность по координации деятельности и по управлению работами возлагалась на администратора проекта. При проведении проекта была реализована следующая схема управления работами:

• управление планом-графиком проведения работ;

• назначение заданий и сроков в системе управления работами;

• переназначение заданий и сроков выполнения для конкретных исполнителей;

• подписка на оповещение о выполнении заданий или о срыве сроков по ним;

• получение заданий исполнителями;

• создание необходимых документов (модели, чертежа и т.д.) с назначением им жизненного цикла, созданного при подготовке проекта. Оповещение руководителя проекта о создании документов выполнялось по e-mail автоматически службой оповещения Windchill;

• проведение документов по жизненному циклу до фазы «Выпущено» с контролем качества документа на шлюзе этапа «В работе». Маршрутизация выполнялась автоматически в соответствии с назначенным жизненным циклом;

• интеграция созданных документов с заданиями на выполнение работ;

• фиксирование выполнения заданий;

• организация связей строк плана-графика с заданиями на выполнение работ с использованием гиперссылок.

Полномасштабное внедрение системы подразумевает описание и адаптацию бизнес-процессов в контексте их жизненного цикла. При этом шаблоны планов-графиков могут быть получены автоматически на основе моделей ARIS, что позволяет экономить значительное время на этапе планирования работ по проектам. Кроме того, на этапе планирования целесообразно воспользоваться планом-графиком выполнения работ по аналогичному проекту, что дает возможность снизить временные затраты на планирование и учитывать опыт ранее выполненных проектов или проектов-аналогов.

При использовании Windchill автоматически отслеживаются история создания и изменения каждого информационного объекта данных о продукте, история его развития в процессе прохождения по этапам жизненного цикла и история изменения его статусов; кроме того, учитывается и другая необходимая для сопровождения продукции информация.

На этапе закрытия рабочая копия плана-графика работ с установленными гиперссылками на информационные объекты («Задание на изменения») и с отслеженными плановыми и фактическими показателями результатов выполнения проекта сохраняются в Windchill, а документ, содержащий план-график, переводится на заключительную фазу жизненного цикла, после чего внесение изменений в данную версию документа не допускается. Таким образом, осуществляется полная интеграция всей информации о проведенных работах и о материалах, полученных в результате выполнения этих работ.

Описанная схема проведения работ обеспечивает полное выполнение требований ISO 9001:2000 в части идентификации и контроля.

Управление данными об изделии

Windchill поддерживает весь комплекс информации о продукции, а также об истории ее создания и изменения. Следовательно, получив от потребителя изделия информацию об обнаруженном дефекте продукта с конкретным серийным номером, всегда можно определить, с какими возможными отклонениями данный продукт изготавливался, по какому технологическому процессу производился каждый его компонент, на базе какого комплекта КД и т.д.

Управление изменениями

Предлагаемый в Windchill подход базируется на передовых исследованиях в области управления конфигурациями и изменениями и уже испытан на ряде крупнейших предприятий в различных отраслях промышленности. Доказана его эффективность и в плане сокращения времени, и в плане радикального снижения затрат на проведение изменений. Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что применение этой технологии не только обеспечивает радикальное сокращение сроков проведения изменений, но и повышает качество работ и уменьшает количество ошибок. Такая подсистема использовалась для управления работами по выполненному экспериментальному проекту.

При осуществлении проекта в качестве примера использования подсистемы управления изменениями работы по снижению металлоемкости установки были проведены как изменение. После полномасштабного проведения работ по оптимизации конструкции новые конфигурации установок для сейсмических и обычных районов будут получены автоматически.

Следует отметить, что подсистема управления изменениями Windchill — это готовая к использованию информационная система поддержки стратегии непрерывного улучшения качества по ISO 9000:2000.

Классификация и повторное использование частей

В настоящее время на крупных предприятиях нередко бывает, что одна и та же деталь разрабатывается различными службами более одного раза. При этом проводится полный цикл отработки технологии ее изготовления, что приводит к прямым затратам времени и средств. Поиск компонентов в Windchill, основанный на информации о физических, функциональных и прочих атрибутах, помогает решить данную проблему. Для этого в Windchill имеется подсистема упорядочивания базы компонентов на основе их классификации по различным признакам.

Поскольку разработка классификатора — процесс весьма трудоемкий, в ходе которого необходимо исходить из поставленных перед системой навигационных задач, то во время экспериментального проекта был смоделирован реальный процесс, демонстрирующий возможности подсистемы для решения стандартных задач поиска. В качестве примера было создано классификационное поддерево, предназначенное для навигационного поиска элементов проектируемого агрегата — деталей «дверь» (рис. 17).

Аналогичным образом могут быть классифицированы технологические процессы, инструмент, оснастка, заготовки, персонал и иные объекты, моделируемые с помощью этой функциональности.

В начало В начало

Краткие выводы

Результаты выполненного проекта показали, что система сквозной конструкторско-технологической подготовки производства на основе комплекса программных средств Pro/ENGINEER-Pro/MECHANICA — TECHCARD — Windchill позволяет эффективно решать задачи по сокращению времени и затрат на подготовку производства изделий, по повышению работ, по снижению материалоемкости и себестоимости, по организации управления жизненным циклом изделий. Все это обеспечивает конкурентные преимущества не только в отношении конкретной выпускаемой продукции, но и для предприятия в целом.

В начало В начало

СОЛВЕР предлагает

Инженерно-консалтинговая компания СОЛВЕР предлагает машиностроительным предприятиям сотрудничество с целью повышения эффективности их бизнеса.

Принципиальный подход, отличающий СОЛВЕР от других консалтинговых фирм и поставщиков программного обеспечения и оборудования, состоит в экспериментальном подтверждении предлагаемых комплексных и взаимоувязанных решений. Это позволяет при осуществлении совместных с заказчиками проектов внедрения (автоматизированных систем управления, проектирования и подготовки производства, технологий либо оборудования) сократить до предела риски, возможные при достижении поставленных задач.

Мы поможем решить ваши производственные проблемы, причем сделаем это быстро и качественно, потому что располагаем необходимыми знаниями, опытом и средствами для выполнения таких работ. Наша установка на долгосрочное партнерство и высокий уровень взаимопонимания с заказчиками позволит вам успешно развивать свой бизнес в современной быстро меняющейся экономике.

В начало В начало

«САПР и графика» 8'2003