Качественный скачок
Появление трехмерного моделирования оказалось настоящим прорывом, вначале доступным только пользователям мощных графических Unix-станций. По-настоящему массовым 3D-моделирование стало ближе к середине 1990-х годов, когда 3D-CAD-системы были переведены на платформу PC. Какие же выгоды предоставило пространственное конструирование?
Первое преимущество мы уже назвали: конструкторам не приходится "переводить свои мысли" из пространственного в плоский вид. Качественно изменился процесс проектирования: теперь разработчик сразу видит свою конструкцию такой, какой она и будет в действительности.
Помогает объемная модель и в реализации массы сопутствующих функций. 3D-модель можно использовать для решения расчетных задач (анализ напряжений, перемещений, колебаний, гидродинамики, теплопередачи), подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, а также реалистичных изображений для технической документации и рекламных материалов, создания физических образцов на установках быстрого прототипирования. Ну и конечно, по 3D-модели создаются чертежи - причем делать это существенно проще, чем вручную, поскольку вся геометрия на чертеже формируется автоматически, позволяя конструктору не задумываться о правильности построения видов, разрезов и сечений.
Вслед за CAD-системами практически все CAM/CAE-пакеты стали трехмерными, позволив в некоторых случаях отказаться от чертежа вообще. Скорее всего, на подходе и технологические САПР, работающие напрямую с конструкторской 3D-моделью.
Если суммировать все вышесказанное, то не трудно определить важнейшее преимущество трехмерного моделирования: теперь ошибки можно найти и исправить на ранней стадии проектирования, до появления первых опытных образцов. А коррекция проекта на цифровой стадии несоизмеримо дешевле, чем обнаружение недочетов после изготовления дорогостоящей опытной партии. Еще пятнадцать лет назад аналитическая компания Gartner Group произвела оценку стоимости исправления одной-единственной ошибки на различных стадиях подготовки производства: $1 Концептуальное проектирование $10 Конструкторская проработка изделия $100 Изготовление макета изделия $1 000 Проектирование технологической оснастки $10 000 Изготовление оснастки $100 000 Выпуск установочной серии $1 000 000 Серийное производство
Системы 3D- моделирования бурно развивались, позволяя решать все новые задачи, например, такие как создание модулей гибки и штамповки листового материала, прокладка электрических соединений, трубопроводов, поверхностное моделирование сложных внешних форм, проверка собираемости и работоспособности конструкции, и многое другое. В настоящее время нелегко найти задачу, которую нельзя решить при помощи современных мощных CAD-систем.
Впрочем, было бы неверно говорить, что 3D-системы достигли вершины своего развития и проблем в этом направлении нет. Они существуют. Так, моделирование больших сборок, состоящих из десятков и сотен тысяч деталей, все еще является сложным для многих CAD-систем, эргономика работы конструктора пока далека от идеала. К тому же чем мощнее система, тем она труднее в освоении и работе. Короче, резервы для совершенствования есть, и немалые.
А что произошло с плоской графикой? 2D-проектирование не умерло. Во-первых, многие компании привыкли работать в плоскости и создали множество библиотек и приложений именно для автоматизации 2D-работ. Во-вторых, есть области, которые традиционно остаются двухмерными независимо от степени использования 3D - например, разработка электрических схем. В результате мы имеем широчайший выбор программных продуктов, от легких узкофункциональных двумерных решений (есть даже свободно распространяемые САПР-пакеты) до САПР тяжелого класса стоимостью в десятки тысяч долларов за рабочее место, позволяющих осуществить полный цикл разработки сколь угодно сложного изделия.
Итак, автоматизировав с помощью комплекса CAD/CAM/CAE/CAPP все направления подготовки производства, предприятие получает в свои руки цифровую модель изделия - это более высокий уровень, чем просто использование 3D-CAD-системы. Цифровая модель содержит как геометрию изделия, так и все необходимые расчетные данные, карты технологических процессов, ведомости, управляющие программы для станков, электронные описания изделия и технические руководства. Все прекрасно? Увы, огромный массив цифровой информации не только приносит пользу, но и доставляет значительные хлопоты создавшему его предприятию.
Новые задачи - новые решения
Простая автоматизация рабочих мест перестала устраивать предприятия. Почему? Время - вот важнейший фактор деятельности промышленного предприятия. В условиях усиливающейся конкуренции руководству предприятия необходимо решать вопросы роста и оперативного изменения номенклатуры выпускаемых изделий. Экономический эффект от "лоскутной" автоматизации минимален - ведь процесс проектирования остается последовательным, как во времена чертежных досок: конструкторы создают документацию, передают ее технологам, забирают обратно на корректировку, возвращают исправленную документацию технологам, те подготавливают технологическую документацию, согласовывают со снабженцами и экономистами и так далее. В результате ни полной экономической отдачи, ни действительно значимого сокращения срока подготовки производства автоматизация не приносит, хотя положительный эффект и достигается.
Не стоит забывать, что разработка и подготовка производства сложной, высокотехнологичной продукции - групповой процесс, в который вовлечены десятки и сотни специалистов предприятия или даже группы предприятий. В процессе разработки изделия возникает ряд проблем, влияющих на общий успех. Это в первую очередь отсутствие возможности видеть ключевые ресурсы, вовлеченные в процесс разработки, в их фактическом состоянии на данный момент времени, это организация совместной работы коллектива специалистов с привлечением компаний, поставляющих какие-либо компоненты для разрабатываемого изделия. Существенно сократить сроки подготовки производства можно только одним способом - за счет параллельного выполнения работ и тесного взаимодействия всех участников процесса. Эту задачу можно решить за счет создания единого информационного пространства (ЕИП) предприятия, другими словами, единого пространства цифровых данных о корпоративной продукции.
И здесь на сцену выходит новый класс систем, нацеленных на решение задач организации и координации работ инженерного персонала, - систем управления данными об изделии, PDM (Product Data Management).
Конструкторы, технологи и другие специалисты не только получают информацию об изделии, но и дополняют ее, формируя состав изделия, который будет актуальным для разных служб предприятия. В дальнейшем, после изготовления изделия, информация о нем будет использована сервисными подразделениями для планового обслуживания, заказчиком - для конфигурирования готовой продукции под свои специфические потребности, а инженерным составом - для модернизации и изготовления нового изделия на основе уже спроектированного.
Еще в 1980-х годах поставщики САПР начали решать проблему хранения цифровой документации - так появились первые системы электронного архива. Архивирование и сейчас остается одной из функций PDM-систем. Однако современные PDM решают гораздо более широкий круг задач, позволяя полноценно реализовать следующую ступень развития САПР-технологий, аккумулировать цифровую информацию об изделии и непрерывно управлять (это ключевое слово) данной информацией на протяжении всего жизненного цикла изделия (ЖЦИ). Мы назвали концепцию PLM (Product Lifecycle Management) - принципиальным моментом современного этапа автоматизации промышленного производства.
А что представляет собой жизненный цикл изделия? Его основные этапы таковы:
- Маркетинговые исследования потребностей рынка. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР). Подготовка производства изделия на заводе-изготовителе серийной продукции. Собственно производство и сбыт. Эксплуатация и обслуживание изделий. Утилизация изделий.
Поддержка выпускаемой продукции на каждом этапе жизненного цикла изделия - безусловное требование к современному промышленному предприятию. Известно, что изделия, требующие больших издержек в начальный период своего жизненного цикла, обычно менее рентабельны, чем продукция, инвестиции в которую равномерно распределены во времени или даже сдвинуты на более поздние сроки.
"Финансовый профиль" проекта создания, освоения и производства нового изделия
Сокращение сроков НИОКР и подготовки производства не только увеличивает прибыль компании за счет реализации дополнительной продукции, но и высвобождает средства для разработки новых продуктов, повышая общий доход предприятия.Реализация концепции PLM позволяет реально сократить непроизводственные стадии ЖЦИ. За счет чего это достигается? Рассмотрим подробнее функционирование основного ядра любого PLM-комплекса, системы PDM.
PDM-система крупным планом
Итак, основное назначение PDM-системы - совершенствование и облегчение доступа к данным об изделии. Такой результат достигается благодаря интеграции всей информации об изделии в логически единую модель. Существует много задач, которые решаются с помощью PDM-системы, среди них можно выделить наиболее распространенные:
Создание электронного архива чертежей и прочей технической документации. Создание ЕИП для всех участников жизненного цикла изделия. Автоматизация управления конфигурацией изделия. Построение системы качества продукции согласно международным стандартам качества серии ISO 9000.
PDM-система управляет всеми связанными с изделием информационными процессами (в первую очередь, проектированием изделия и технологией его производства), а также всей информацией об изделии - его составом и структурой, геометрическими данными, чертежами, планами проектирования и производства, нормативными документами, программами для станков с ЧПУ, результатами анализа, корреспонденцией, данными о партиях и отдельных экземплярах изделия и многим другим.
PDM-система выступает в качестве средства интеграции множества используемых на предприятии прикладных автоматизированных систем (CAD/CAM/CAE/CAPP/ERP/MRP) за счет сбора поступающей из них информации в логически единую модель на основе стандартных интерфейсов взаимодействия.
Пользователями PDM-системы могут быть все сотрудники всех предприятий-участников жизненного цикла изделия: конструкторы, технологи, работники технического архива, а также сотрудники, работающие в других предметных областях (сбыт, маркетинг, снабжение, финансы, сервис, эксплуатация и т. п.). Главная задача PDM-системы - предоставить соответствующему сотруднику необходимую информацию в нужное время и в удобной форме (в соответствии с правами доступа).
Схема функционирования PDM-системы в едином информационном пространстве
Функционал PDM-системы можно четко разделить на несколько групп.
Управление архивом информации. Все документы в PDM-системе хранятся в специальной подсистеме - электронном архиве, который обеспечивает целостность данных, организует доступ к ним пользователей в соответствии с назначенными правами и позволяет осуществлять поиск.
Разумеется, речь идет об электронных документах. Управление процессами. PDM-система выступает в качестве рабочей среды пользователей и отслеживает все их действия, включая версии создаваемых ими данных. Кроме того, PDM-система управляет потоком работ (например, в процессе проектирования изделия) и занимается протоколированием действий пользователей и изменений данных. Управление составом изделия. PDM-система содержит информацию о составе изделия, его исполнениях и конфигурациях. Важная особенность - наличие нескольких представлений состава изделия для различных предметных областей (конструкторский состав, технологический состав, маркетинговый состав и т. д.), а также управление применяемостью компонентов изделия. Классификация. PDM-система позволяет распределять изделия и документы в соответствии с различными классификаторами. Это может быть использовано при автоматизации поиска изделий с нужными характеристиками с целью их повторного использования или для автоматизации присваивания обозначений компонентов изделия. Вспомогательные функции, обеспечивающие взаимодействие PDM-системы с другими программными средствами, с пользователями, а также взаимодействие пользователей друг с другом.
Не касаясь особенностей конкретных PDM-систем, отметим несколько моментов, важных для тех предприятий, которые уже осознали необходимость реализации концепции PLM. С чего же начать?
Подводим итоги
Итак, для современного предприятия, выстраивающего долгосрочную стратегию развития, реализация концепции PLM становится не только привлекательной, но и необходимой составляющей бизнеса, поскольку только через концепцию PLM можно собрать вместе и управлять данными о корпоративной продукции, сделав их важнейшим бизнес-ресурсом.
При подготовке статьи использованы материалы компаний Dassault Systems и АСКОН.
Промышленная автоматизация: движение от САПР к PLM
Олег Зыков, IT News
Тема САПР и промышленной автоматизации привлекает все большее внимание IT-прессы, и это не случайно. В 1990-е годы предприятия увлеклись автоматизацией бухгалтерского и финансового учета, корпоративного управления. Вне поля зрения руководителей зачастую оставался производственный сектор, а ведь именно он является основой функционирования предприятия и важнейшим источником прибыли. На современном российском рынке все заметнее становятся важные структурные изменения: предприятия переходят от автоматизации разрозненных участков конструкторско-технологической подготовки производства к созданию единого информационного пространства как в рамках завода, так и в рамках холдинговых структур. Данная тенденция, хотя и с некоторым опозданием, начинает соответствовать общемировой практике.
Чем характерен бизнес в производственной сфере? Давайте посмотрим на диаграмму временных и материальных издержек промышленного предприятия. Не менее 70% затрат приходится на производственные функции, и именно в сфере производственной деятельности могут быть скрыты основные резервы, способствующие сокращению сроков выпуска новой продукции и повышению конкурентоспособности предприятия. А что такое производство? Обычно 5-10% времени, которое отводится для самого процесса, занимает непосредственно выпуск изделия, а все остальное - подготовительные работы.
Временные и материальные издержки промышленного предприятия
Использование информационных технологий - один из немногих технологически и экономически выгодных способов повышения эффективности подготовки производства. Это известно давно и сомнений не вызывает. Основным инструментом автоматизации конструкторских и технологических подразделений по-прежнему остаются системы автоматизированного проектирования (САПР). В статье речь пойдет о том, какие направления актуальны в данной области, чем сегодня живут отделы САПР российских промышленных предприятий. Но прежде чем говорить о современных тенденциях, несколько слов из истории.
С чего начинался САПР
Создание сложного изделия немыслимо без его графического представления - рисунка, схемы, чертежа, однако на протяжении веков не существовало системного подхода к этим иллюстрациям, и в чертежах Леонардо да Винчи разобраться кому-то другому было весьма проблематично. Бурное развитие промышленности в XIX-XX веках потребовало от чертежа универсальности - чертеж, выполненный одним инженером, должен понять любой другой специалист, имеющий соответствующее образование. В итоге появились стандарты на оформление, а конструктора получили кульман - удобный инструмент для выполнения чертежей.
Но со временем ручное черчение перестало устраивать. Чем? Скоростью! Постоянно увеличивались объемы работ, а главное - росло количество типовых разработок на основе существующих изделий, ужесточились требования к срокам выпуска изделия. И тут как нельзя кстати начала интенсивно развиваться компьютерная отрасль: появление доступных и не слишком сложных в освоении (по сравнению с тем, что было раньше) компьютеров дали старт конструкторским системам CAD (Computer-Aided Design). Сначала такие системы представляли собой электронные кульманы - все, что прежде делалось карандашом и линейкой, было заменено соответствующими электронными командами, но не более того. Однако даже такая автоматизация приносила плоды: по мере накопления базы электронных чертежей все легче становилось проектировать новые и модифицированные изделия.
Двумерное проектирование активно развивалось до середины 1990-х годов. Системы обзавелись несметным количеством приложений, библиотек, надстроек, позволивших максимально автоматизировать и упростить большинство чертежных задач. Появились и развились в отдельные направления расчетные системы CAE (Computer-Aided Engineering), системы проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением CAM (Computer-Aided Manufacturing) и многие другие специализированные приложения, основанные на работе с данными, предоставляемыми CAD-системами. Параллельно развивался класс систем технологической подготовки производства САПР ТП (Computer-Aided Process Planning, CAPP), предназначенных для формирования технологических данных об изделии, ведения централизованного архива этой информации и автоматизированного выпуска технологической документации.
Однако плоское проектирование все-таки неестественно для человека - ведь мы мыслим в трехмерном пространстве, живем в окружении трехмерных объектов. И развитие вычислительных систем позволило вывести технологии проектирования на новый уровень.
"Лестница" развития систем промышленной автоматизации
Внедрение: готовность к изменениям
Внедрение PDM - длительный процесс, сопровождающийся привлечением значительных ресурсов как со стороны предприятия, так и со стороны поставщика программного обеспечения. Потребуется вносить изменения во все процессы - от работы конструктора до полного пересмотра стандартов предприятия. PDM-система не просто программное обеспечение, которое можно установить и забыть. Это новая технология работы предприятия, новый режим функционирования бизнеса.
Поскольку PDM-система предназначена практически для всех подразделений, для ее развертывания необходимо создать специальную проектную группу, возглавляемую руководителем проекта. Очень важно, чтобы руководитель проекта принадлежал к высшему руководству предприятия либо ему были делегированы такие полномочия на время внедрения проекта. В группу со стороны предприятия обязательно должен войти администратор системы - он займется установкой и поддержкой работоспособности PDM-системы. Кроме того, необходимы специалисты, досконально знающие, каким образом происходит движение различной документации и какие изменения она при этом претерпевает. Такие сотрудники помогут при настройке и адаптации системы. В проектную команду надо включать и нескольких опытных пользователей. Со стороны компании-внедренца PDM в проектную команду должны войти руководитель проекта (он же постановщик задач) и группа инженеров по внедрению.
Этапы внедрения PDM-системы
Перед проектной группой ставится целый комплекс задач: установка системы, организация работы и настройка серверов, настройка и наполнение баз данных и их адаптация к требованиям предприятия, организация автоматизированного обмена заданиями между сотрудниками и подразделениями. Как видно, объем работ значительный - внедренческий проект PDM-системы по трудоемкости не уступает внедрению системы управления корпоративного уровня.
