«КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ИЗДЕЛИЯ Учебное пособие Санкт-Петербург 2010 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ...»

Е.И. Яблочников, Ю.Н. Фомина,

А.А. Саломатина

КОМПЬЮТЕРНЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ В

ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ

ИЗДЕЛИЯ

Учебное пособие

Санкт-Петербург 2010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Е.И. Яблочников, Ю.Н. Фомина, А.А. Саломатина

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ИЗДЕЛИЯ

Учебное пособие Санкт-Петербург Е.И. Яблочников, Ю.Н. Фомина, А.А. Саломатина. Компьютерные технологии в жизненном цикле изделия / Учебное пособие – СПб:

СПбГУ ИТМО, 2010. – 180 с.

Учебное пособие предназначено для изучения основ ИПИтехнологий – методов информационной поддержки процессов жизненного цикла изделий (ЖЦИ). Даны основные понятия и определения ИПИ, рассмотрена роль ИПИ-технологий в современном наукоемком промышленном производстве. Приведены основные характеристики PLM-решений, используемых на этапах проектирования и подготовки производства новых изделий; характеристики средств класса MRP II / ERP, используемых в сфере управления производством и предприятием; характеристики средств интегрированной логистической поддержки изделий, используемые на постпроизводственных стадиях ЖЦИ.

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Е.И. Яблочников, Ю.Н. Фомина, А.А. Саломатина Введение Термин ИПИ – аббревиатура от слов «Информационная Поддержка процессов жизненного цикла Изделий» – является русскоязычным аналогом термина CALS, который также представляет собой некоторую аббревиатуру. Для этой аббревиатуры существуют разные расшифровки.

Исторически методология информационной поддержки процессов жизненного цикла изделий CALS родилась в США в середине 80-х годов.

Эта аббревиатура расшифровывалась как Компьютеризированная Поддержка Логистических Систем (Computer-Aided Acquisition and Logistics Support). В 1988 году в смысловом содержании с CALS были сняты военные ограничения и она стала называться «Компьютеризированные Поставки и Поддержка» (Computer-Aided Acquisition and Support). В этом варианте названия была усилена организационная направленность CALS. В 1993 году CALS стала называться: «Поддержка Непрерывных Поставок и Жизненного Цикла» (Computer-Aided Acquisition and Lifecycle Support).

Новое название акцентировало внимание на методологии параллельного проектирования, интегрированной логистической поддержке, управлении конфигурацией и управлении документооборотом. Это позволило интегрировать процессы на всем протяжении жизненного цикла изделий от выражения потребности в изделии (фазы анализа) до его утилизации. Позднее, под влиянием американского военно-промышленного комплекса, CALS иногда стали называть «Бизнесом в Высоком Темпе» (Commerce At Light Speed).

В отечественной литературе при употреблении термина CALS обычно имеется в виду расшифровка Computer-Aided Acquisition and Lifecycle Support. Как отмечено выше, русскоязычным аналогом CALS является равнозначный термин ИПИ (Информационная Поддержка процессов жизненного цикла Изделий).

Компьютерная поддержка этапов ЖЦИ получила свое оформление в методологии и стандартах ИПИ/CALS. Согласно концептуальным положениям ИПИ/CALS, реальные бизнес-процессы отображаются на виртуальную информационную среду, в которой определение продукта представлено в виде полного электронного описания изделия, а среда его создания и среда эксплуатации – в виде систем моделирования процессов и их реализации. Все три составляющие (определение продукта, среды его создания и среды эксплуатации) не только взаимосвязаны, но и непрерывно развиваются на всем протяжении жизненного цикла продукта.

1. ИПИ-технологии в современной промышленности 1.1. Основные понятия и определения ИПИ Понятие «Жизненный Цикл Изделия» (ЖЦИ) включает в себя все стадии жизни изделия – от изучения рынка перед проектированием до утилизации изделия после использования. Компьютерная поддержка этапов ЖЦИ становится возможной благодаря созданию и поддержке единой базы данных о продукте (изделии) (рис. 1.1).

Специалисты по развитию промышленности уже давно предвидели, что процессы разработки, подготовки производства, изготовления, маркетинга и продажи, эксплуатации и поддержки подчиняются одним естественным законам и могут быть формализованы в явном виде. То есть, они могут объективно рассчитываться и оптимизироваться. Технически эта возможность сдерживалась дефицитом возможностей компьютеров и средств коммуникаций. На организационном и научном уровне были достаточно хорошо описаны лишь некоторые из процессов, а их системная интеграция имела столько же видов и форм, сколько самих компаний производителей. Когда ситуация на рынке заставила их реформировать свой бизнес, потребовались новые технологии ведения бизнеса на более высоком уровне.

В области проектирования и технологической подготовки производства (ТПП) изделий принципы ИПИ/CALS нашли свое отражение в создании ведущими западными разработчиками ряда программных систем, обеспечивающих комплексную поддержку этапов ЖЦИ на основе концепции PLM (Product Life-cycle Management – управление жизненным циклом продукта). В соответствии с определением CIMdata, известного в мире независимого эксперта по проблемам PLM, PLM – это стратегический подход к ведению бизнеса, который использует набор совместимых решений для поддержки общего (collaborative) представления информации о продукте в процессе его создания, реализации и эксплуатации, в среде расширенного (extended) предприятия, начиная от концепции создания продукта до его утилизации – при интеграции людских ресурсов, процессов и информации.

Рис. 1.1. Информационная поддержка этапов ЖЦИ На основании этого определения можно выделить три основных требования к PLM-решениям:

возможность универсального, безопасного и управляемого способа доступа и использования информации, определяющей изделия;

поддержание целостности информации, определяющей изделие, на протяжении всего жизненного цикла изделия;

управление и поддержка бизнес-процессов, используемых при создании, распределении и использовании информации.

Первой в мире концепцию PLM взяла на вооружение компания IBM/Dassault Systemes – один из лидеров в области разработки PLMрешений. В основу технических требований к системе поддержки жизненного цикла были положены следующие.

Интеграция промышленного бизнеса. Все виды деятельности и дисциплины, представляющие компоненты жизненного цикла изделия, должны обрести универсальное ядро, обеспечивающее единое представление промышленного бизнеса как систему продуктов, процессов и ресурсов.

Все эти три компонента должны основываться на единой схеме описания (специфицирования).

Ассоциативность. Между всеми компонентами жизненного цикла изделия должны поддерживаться устойчивые и управляемые причинноследственные связи. Любой элемент описания продукта, процесса или ресурса должен хранить при себе свое происхождение и условия существования. Это основная радикальная мера для сокращения затрат на выпуск новых, конкурентоспособных товаров.

Сертифицируемость. Электронная модель изделия должна обладать свойствами контролепригодности. Инструкция контроля – это вид процесса, специфицируемый по тем же законам, что и продукт, и являющийся неотъемлемой частью виртуального проекта изделия. Она должна существовать и действовать на всех этапах жизненного цикла. Данные об изделии должны существовать и развиваться вместе с приложенными к ним процедурами контроля.

Условная инвариантность. Большинство изделий машиностроения (приборостроения) имеют множество версий, модификаций, вариантов исполнения, зависимых от определенных условий. Например, прибор может иметь различную комплектацию для работы в различных климатических условиях. Это делает проект многовариантным, добавляя такую категорию как конфигурация. При этом каждая из конфигураций должна обладать всеми свойствами целого проекта.

У всех видов конечного продукта есть общее свойство – они опираются на определенное условие, то есть, «если». Это условие является «включателем» для множества логических правил, которые должны быть исполнены во всех дисциплинах, относящихся к производству продукта.

Для этого требуется мощное средство, обладающее возможностью создавать, контролировать и исполнять правила.

Многообразие способов представления данных проекта. Так как содержательная часть проекта изделия в электронном виде растет и покрывает все больше отраслей знаний, то и представление его должно быть селективным, то есть выборочным по определенному критерию. Соответственно, структура данных должна иметь признаки (атрибуты) роли, задачи и уровня допуска пользователя. Например, если к проекту обращается представитель эксплуатирующей организации, то откликаться должны только те объекты и элементы их спецификаций, которые относятся к процессу обслуживания. При этом инженерные расчеты, сборочную оснастку и зоны, не доступные для обслуживания, должны оставаться недоступными до тех пор, пока они не попадут в критерий запроса.

Так как существуют устойчивые (стандартные) роли пользователей, то должны быть предусмотрены соответствующие стандартные формы представления проекта: инженерное – для разработчиков; презентационное – для посетителей; эксплуатационное – для операторов; маркетинговое – для публикаций и продаж и другие. Программные приложения, работающие над электронным проектом, должны быть чувствительны к роли, в которой находится пользователь.

В относительно устоявшейся классификации систем, обеспечивающих информационную поддержку различных этапов ЖЦИ, можно выделить системы классов CAD/CAM, CAE, PDM, MRP I, MRP-II, ERP, SCM, CRM и CPC. Следует отметить, что этот перечень и терминология имеют определенную тенденцию к изменению. Так, наряду с термином PDM распространение получают термины cPDM (collaborative Product Data Management) и cPDm (collaborative Product Definition management).

Базовыми системами, обеспечивающими реализацию стратегии PLM, являются системы классов CAD/CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing – компьютерное проектирование и изготовление), CAE (Computer Aided Engineering – компьютерный инженерный анализ) и PDM (Product Data Management – управление данными о продукте). В соответствии с концепцией IBM/Dassault Systemes, системы классов MRP I (Material requirements planning – Планирование потребности в материалах), MRP II (Manufacturing Resource Planning – планирование производственных ресурсов), ERP (Enterprise Resource Planning – планирование ресурсов предприятия), SCM (Supply Chain Management – управление цепочками поставок) и CRM (Customer Relationship Management – управление взаимоотношениями с заказчиками) не относятся к средствам поддержки PLM-решений.

На других этапах ЖЦИ (т.е. помимо проектирования и подготовки производства) информационная поддержка обеспечивается как перечисленными выше системами (ERP, SCM и др.), так и некоторыми другими.

Например, на этапе обслуживания и ремонта изделий применяются системы класса ILS (Integrated Logistic Support – интегрированная логистическая поддержка). Краткая характеристика ряда перечисленных выше систем приводится в последующих разделах данного пособия.

Стандарты в области ИПИ. Эффективность применения ИПИтехнологий предполагает обязательное соблюдение всеми участниками определенных и жестко регламентированных стандартов, принципов, процедур, правил, технических решений. Стандарты и методические материалы в области ИПИ определяют общий подход, способ представления и интерфейсы доступа к данным различного типа, вопросы защиты информации и ее электронной авторизации (цифровой подписи). В свою очередь, стандарты и методические материалы можно классифицировать по нескольким признакам: целевой аудитории, объекту описания, привязке к той или иной стадии ЖЦИ.

В первом приближении можно выделить следующие основные группы международных стандартов в области ИПИ-технологий:

стандарты в области системной и программной инженерии;

функциональные стандарты, определяющие процессы и методы формализации данных об изделии и процессах;

информационные стандарты по описанию данных об изделиях и процессах;

стандарты информационного обмена, контролирующие носители информации и процессы обмена данными между системами;

стандарты в области защиты информации;

стандарты электронной цифровой подписи;

стандарты в области менеджмента качества (ИСО 9000) и экологического менеджмента (ИСО 14000).

На сегодняшний день действуют более 230 международных стандартов в области ИПИ, 150 из которых утверждено в 2004 году. Это характеризует динамику развития международной нормативной базы в области ИПИ-технологий и доказывает востребованность этих стандартов.

В международном масштабе работы по стандартизации в области ИПИ проводятся в рамках деятельности международной организации по стандартизации в технических комитетах ИСО.

В приложении 1 приведен перечень существующих на данный момент отечественных (национальных) стандартов в области ИПИтехнологий.

1.2. Роль ИПИ-технологий в современной промышленности Любая страна, стремящаяся занять лидирующие позиции в мировой экономике, должна стремиться к повышению конкурентоспособности своей продукции, инвестиционной привлекательности предприятий, обеспечению гарантированного уровня качества на всех стадиях жизненного цикла изделий, достижению технологической независимости в наиболее важных областях промышленности, росту производства наукоемкой продукции.

Реализация перечисленных целей возможна только благодаря глубокой модернизации промышленности на основе использования современных достижений науки и техники, новых информационных технологий. При этом должны учитываться основные тенденции развития современного производства, к которым можно отнести следующие:

Облик изделия во все большей степени формируется исходя из требований его будущего потребителя. Это относится не только к обеспечению определенного уровня качества в течение срока службы изделия, но и к стоимости владения им;

Широко используется кооперация предприятий, при которой основная доля производства приходится на поставщиков, а головные предприятия выполняют финишные операции и окончательную сборку изделия;

Создание многих видов продукции происходит в рамках так называемых виртуальных предприятий. Под таким предприятием понимается неформальная структура, формируемая географически распределенными независимыми партнерами, объединяемыми на основе информационных технологий посредством компьютерных сетей на время выполнения совместного заказа;

Специализация компаний-поставщиков по конструктивному и производственно-технологическому принципу изменяется в сторону системной специализации, при которой предприятие стремится продавать определенную систему (например, пилотажно-навигационный комплекс) целиком, независимо от того, как она будет распределена на конечном изделии;

Владельцы интеллектуальной собственности на производство изделий конкретной торговой марки (с ограничением по срокам и объемам выпуска) переводят лицензионное производство на территории (и даже другие страны) с благоприятными экономическими условиями;

Получает распространение так называемое риск-разделенное партнерство, которое предполагает участие в инвестировании создания продукции не только основного его производителя, но и партнеров – поставщиков, и влечет за собой более равномерное распределение рисков (финансовых, технических и пр.), что благоприятно сказывается на их финансовых показателях;

Прием специалистов на работу осуществляется на контрактной основе на период выполнения работ по конкретному проекту, при этом штат постоянных сотрудников компании имеет тенденцию к уменьшению.

Для предприятий, выполняющих крупномасштабные и наукоемкие проекты, характеризующиеся многономенклатурностью изделий и длительным циклом разработки, производства и эксплуатации, наиболее актуальна проблема организации совместной работы множества географически удаленных бизнес-партнеров, участвующих в проекте по созданию изделия. При этом необходимо обеспечить интеграцию и совместное использование информации, порождаемой на всех этапах ЖЦИ, в рамках единого информационного пространства (ЕИП). Для решения этой задачи и предназначены ИПИ-технологии. Применение ИПИ-технологий является стратегическим направлением, следуя которому можно обеспечить рост конкурентоспособности выпускаемой продукции и эффективности производства.

По оценкам экспертов, эффективность производства, реализованного на базе ИПИ-технологий, примерно на 30-40 % выше эффективности традиционного производства. Внедрение ИПИ-технологий позволяет обеспечить сокращение:

затрат на разработку и производство наукоемкой продукции – на 20затрат, связанных с браком и устранением дефектов продукции – на 15-20%;

затрат в период эксплуатации продукции – на 20-25%;

времени вывода новых образцов продукции на рынок – на 60-70%.

Мировой рынок полностью отторгает продукцию, не снабженную электронной документацией и не обладающую средствами интегрированной логистической поддержки постпроизводственных стадий ЖЦ. Сегодня иностранные заказчики отечественной военно-технической продукции выдвигают требования, удовлетворение которых невозможно без внедрения ИПИ-технологий:

представление конструкторской и технологической документации в электронной форме;

представление эксплуатационной и ремонтной документации в форме интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР), снабженных иллюстрированными электронными каталогами запасных частей и вспомогательных материалов и средствами дистанционного заказа запчастей и материалов;

организация системы интегрированной логистической поддержки изделий на постпризводственных стадиях ЖЦИ;

наличие и функционирование электронной системы каталогизации продукции;

наличие на предприятиях соответствующих требованиям стандартов ИСО 9000:2000 систем менеджмента качества и т.д.

Таким образом, задача развития и внедрения ИПИ-технологий на промышленных предприятиях становится государственной проблемой, от решения которой зависит эффективность развития экономики в целом.

В США техническая политика в области ИПИ-технологий была сформулирована и реализована в 1980-1995 годах. Она была направлена на решение следующих задач:

разработка и промышленная апробация программных систем, реализующих основные ИПИ-технологии: управление проектами, управление данными об изделии, управление конфигурацией изделия, управление изменениями производственных и организационных структур, управление информационными потоками и потоками работ, управление качеством и др.;

создание интегрированных информационных систем, обеспечивающих эффективное совместное функционирование созданных программных систем.

Важной составляющей технической политики по развитию указанных технологий являлась реализация пилотных проектов по внедрению отдельных компонентов ИПИ-технологий. В результате выполнения пилотных проектов ведущими зарубежными корпорациями было разработано нормативно-правовое, научно-методическое и программно-техническое обеспечение для внедрения основных компонентов информационной поддержки ЖЦИ на предприятиях различных отраслей промышленности.

Стоимость реализованных пилотных проектов составляла от 1 до 3 млрд.

долл. США, при этом доля участия государства в финансировании пилотных проектов составляла, примерно, 40-50 % общего объема финансирования.

В развитых странах координация деятельности в области внедрения ИПИ-технологий осуществляется рядом национальных и региональных органов (например, Американским управляющим промышленным комитетом в области ИПИ-технологий (US ISG), Промышленным советом Великобритании в области ИПИ-технологий, Европейской промышленной группой в области ИПИ-технологий, Промышленным форумом по ИПИтехнологий в Японии).

Для успешного решения проблемы развития ИПИ-технологий в США в 1985-1995 годах ежегодно выделялось более 1 млрд. долл. США, в том числе 500 - 600 млн. долл. США бюджетных средств. Государственная поддержка ведущих зарубежных компаний, участвовавших в выполнении работ, составляла до 30-40 % от суммарного объема средств, вложенных в развитие ИПИ-технологий, который за 1985-2000 г.г. составил более млрд. долл. США.

Сопоставимые средства были израсходованы в 1990 - 2004 г.г. ведущими корпорациями стран Евросоюза на развитие ИПИ-технологий. В последние годы в странах ЕС (Англия, Германия, Франция, Италия) ежегодное вложение бюджетных средств в рамках реализации межгосударственных программ, направленных на развитие ИПИ-технологий, с целью обеспечения эффективной разработки, производства и эксплуатации новейших образцов военной техники, превышает 1 млрд. евро.

Развитие ИПИ-технологий осуществляется в направлении перехода промышленно развитых стран на новые международные стандарты управления качеством, общие принципы электронного обмена информацией, единые формы и модели баз данных, унифицированные средства их представления в информационных системах, а также общих требований и регламентов обеспечения информационной безопасности.

Несмотря на значительные вложения средств, остался еще целый ряд нерешенных или решенных не в полном объеме проблем в области ИПИтехнологий. Основными среди них являются следующие:

Необходима более полная разработка нормативной базы по представлению конструкторской, технологической, производственной, логистической, эксплуатационной информации об изделии, данных о качестве.

Наиболее проработанными можно считать стандарты серии ISO (STEP), касающиеся конструкторских данных об изделии и определяющие «нейтральный» формат их представления;

Недостаточно полно и четко описаны, а следовательно, не формализованы среда и процессы, происходящие на протяжении всего жизненного цикла изделия, и, как следствие, невозможность разработки средств, обеспечивающих имитационное моделирование этих процессов и среды, в которой эти процессы протекают;

Отсутствуют четкие границы функциональности программных систем, что затрудняет определение состава данных, создаваемых или преобразуемых в системе и передаваемых в/из нее;

Имеются проблемы в интеграция функциональных программных систем, на базе которых строятся интегрированные информационные системы компаний. При этом появления универсального средства интеграции информации в ближайшее время ожидать не приходится из-за отсутствия общепринятой нормативной базы по структуре, составу и форме представления большей части информации об изделии.

Однако, отдельные крупные зарубежные компании (Airbus Ind., Boeing, BAE Systems и др.) создали интегрированные информационные системы (ИИС), реализующие единые информационные пространства в соответствии с требованиями стандартов в области CALS. Это позволило компаниям добиться реальных конкурентных преимуществ на рынке. Благодаря цифровому представлению информации о выпускаемых изделиях и реально-временному доступу к его полному электронному описанию стало возможным:

создание изделий с заданной стоимостью владения (проектирование под заданную стоимость, непрерывное снижение издержек при серийном производстве продукции и в процессе послепродажной поддержки) путем многократно повторяемого (итерационного) процесса конструктивно-технологического проектирования изделия. Процесс заключается в формировании альтернативных проектных решений, их анализе на основе моделирования последствий принимаемых решений (ERP система, в этом случае, выступает в качестве источника информации о запасах, фактических сроках выполнения заказов, узких местах в производстве и т.д.) и выборе оптимального проектного решения исходя из заданных требований, совпадение значений заявленных технических характеристик продукции и фактически реализуемых в процессе эксплуатации, обеспечение стабильного уровня качества продукции, выпуск продукции к определенному сроку.

Так, например, компания Airbus Ind. в процессе создания самолета А380 за 3,5 года проанализировала 18 различных вариантов реализации самолета с полным бюджетированием средств, необходимых для его создания. Выбор оптимального проектного решения, удовлетворяющего не только требованиям по заявленным техническим характеристикам, но и по стоимости владения самолетом, стал возможен только благодаря использованию интегрированной информационной системы (ИИС), обеспечившей возможность моделирования процессов на всех этапах жизненного цикла самолета – от концепции создания самолета, его проектирования и испытаний, до изготовления и сервисного обслуживания на этапе эксплуатации.

В странах НАТО необходимым условием получения заказов по разработке и производству новейшей военной техники является внедрение ИИС компании, реализующей основные принципы и технологии ИПИ, которые обеспечивают гарантированно высокий уровень эффективности процессов разработки, производства и эксплуатации продукции. В том числе, ИИС реализует эффективно действующую систему менеджмента качества, обеспечивающую решение задач ретроспективного, текущего и прогнозного анализа причин и стоимости устранения дефектов и отказов элементов, деталей, комплектующих изделий, узлов каждого изделия и продукции в целом на всех этапах ее жизненного цикла. ИИС, в состав которой входит система класса ERP, позволяет государственному заказчику контролировать эффективность расходования бюджетных средств в рамках государственного оборонного заказа или закупок для федеральных государственных нужд.

В сложившейся ситуации западные компании, внедрившие ИИС, выдвигают довольно жесткие требования при выборе партнеров – поставщиков комплектующих узлов и деталей. Эти требования специфичны для каждой компании, так как продиктованы конкретной реализацией ИИС, входящими в ее состав программными системами и даже версиями этих систем. Однако эти требования можно считать объективными, если учесть что использование поставщиками тех же программных (и технических) средств решает проблему интеграции и обеспечивает возможность информационного взаимодействия между партнерами в реальном масштабе времени. Неудовлетворение предъявляемых со стороны крупных компаний требований по применению отдельных программных средств, а порой по внедрению фрагментов ИИС, является причиной наблюдающегося в настоящее время процесса вытеснения ряда компаний с рынка.

Очевидно, что обязательным условием вхождения отечественных промышленных предприятий в международную кооперацию является применение тех же программных систем, разработанных в соответствии с нормативной базой CALS/ИПИ, что и в головной компании – производителе продукта.

Основные проблемы развития ИПИ-технологий в отечественной промышленности. В настоящее время отечественная промышленность в целом существенно уступает западной в области внедрения ИПИтехнологий. Это отставание выражается в следующем:

Работы по внедрению ИПИ-технологий находятся в начальной стадии и проводятся медленно, без должной координации. При этом данные работы проводятся на основе накопленного опыта в области автоматизации прежде всего в оборонном комплексе и в сфере создания наукоемкой продукции, с учетом использования нормативной базы отечественных стандартов ЕСКД, ЕСТД, и т.д.

Традиционно сложившееся разделение КБ и серийных производств (в отличие от западных компаний, где объединены проектные и производственные структуры) привело к тому, что:

o Организация работ по конструкторско-технологической подготовке производства (постановке изделия на производство) малоэффективна;

o Автоматизация процессов осуществляется фрагментарно как в КБ, так и на предприятиях;

o Отсутствует инфраструктура, объединяющая все организации, участвующие в проектировании и изготовлении изделия, а значит, нет среды для создания ИИС, реализующей ИПИтехнологии.

На предприятии одновременно находятся в изготовлении изделия, спроектированные как традиционным способом (чертежи), так и с помощью различных CAD-систем. Разработка маршрутно-операционных технологических процессов осуществляется вручную или с использованием отечественных САПР ТП. При разработке управляющих программ для оборудования с ЧПУ применяются и западные, и отечественные CAM-системы. Механическая обработка деталей производится как на универсальном оборудовании, так и на оборудовании с ЧПУ.

Измерения и контроль осуществляются по шаблонам, с помощью ручного инструмента, и лишь иногда – с помощью контрольноизмерительных машин (КИМ).

Практически не используются автоматизированные системы управления дискретными производственными процессами, в связи с чем, отсутствует текущая информация о ходе производства, состоянии оборудования, инструмента, технологической оснастки, данные контроля качества продукции. Нет возможности оперативно корректировать производственный план в случае возникновения нештатных ситуаций и возможных отклонений, а также нет возможности влиять на качество выпускаемой продукции.

Системы менеджмента качества (СМК) существуют на предприятиях, в том числе на предприятиях оборонно-промышленного комплекса.

(ОПК), формально в виде комплекта документов, соответствующих требованиям стандартов ИСО серии 9000. Об оценке эффективности действия таких СМК свидетельствует тот факт, что лишь менее 3% предприятий ОПК имеют сертификаты на СМК, признаваемые на внешнем рынке.

Имеется ряд существенных недостатков в системе ценообразования новой продукции, в частности, используется устаревшая нормативная база, не отражающая существующий научно-технический потенциал и современные метода хозяйствования, имеет место значительное расхождение плановых затрат с фактическими затратами на создание новых изделий и др.

Практически повсеместно, как в КБ так и на производстве, прервана преемственность поколений инженерного персонала (конструкторов, технологов, системных аналитиков, прикладных программистов и др.).

Остро ощущается нехватка квалифицированных специалистов на большинстве предприятий.

Отсутствует опыт послепродажного обеспечения эксплуатации сложной техники на базе логистических информационных систем и в соответствии с международными стандартами.

Имеет место общее отставание в процессах компьютеризации хозяйственной, производственной и коммерческой деятельности.

По экспертным оценкам, подавляющее большинство промышленных предприятий разрабатывает и производит продукцию, используя традиционные технологии и морально устаревшее производственное оборудование.

Переход от традиционных технологий к информационной поддержке процессов ЖЦИ предполагает осуществление технического перевооружения промышленности, т.е. оснащение предприятий современным технологическим оборудованием (станками с ЧПУ, контрольноизмерительными машинами и др.). Тем самым создается материальный базис для внедрения современных информационных технологий в процесс производства изделий, включая управление качеством (обеспечение стабильного гарантированного уровня качества продукции). Следует отметить, что новое технологическое оборудование практически сразу (через 2-3 месяца) обеспечивает отдачу денежных средств, вложенных в его приобретение. В то же время освоение и внедрение ИПИ-технологий требует значительных временных затрат, наличия квалифицированных кадров и невозможно без значительных инвестиций.

Несмотря на то, что объем российского рынка в области ИПИтехнологий в настоящее время составляет сотни миллионов долларов, а в ближайшие годы будет наблюдаться его дальнейший рост (как минимум на порядок), эти вложения на 2 – 3 порядка ниже тех средств, которые уже затрачены США на развитие CALS (ИПИ) технологий.

Для внедрения ИИС и получения синергетического эффекта от совместного использования систем, входящих в ее состав и реализующих основные ИПИ-технологии, необходимо выполнить значительный комплекс работ, начиная от разработки концепции и стратегии развития предприятия в области информационных технологий и программы его технического перевооружения до создания проекта ИИС с учетом имеющихся на предприятии систем автоматизации; приобретения необходимых для реализации ИИС программно-технических средств, их освоения, адаптации, обучения персонала и ввода ИИС в промышленную эксплуатацию.

В сложившихся условиях особо актуальной становится проблема разработки и реализации государственной технической политики, направленной на концентрацию интеллектуальных ресурсов и финансовых средств, выделяемых на развитие ИПИ-технологий.

1.3. ИПИ-технологии и реинжиниринг бизнес-процессов Одним из фундаментальных положений CALS/ИПИ является проведение реинжиниринга, то есть перестройки бизнес-процессов предприятия с целью их принципиального улучшения. В самом деле, эффективное внедрение новых информационных технологий невозможно, если эти технологии будут поддерживать старые и малоэффективные бизнес-процессы.

Под реинжинирингом понимается «фундаментальное переосмысление и радикальное перепроектирование бизнес-процессов компаний для достижения коренных улучшений в наиболее важных показателях их деятельности – стоимость, качество и темпы». При этом компания рассматривается как нечто, что может быть построено, спроектировано или перепроектировано в соответствии с инженерными принципами.

На начальной фазе реинжиниринга необходимо ответить на фундаментальные вопросы о деятельности компании: почему компания делает именно то, что она делает; почему компания делает это таким способом;

какой хочет стать компания. Отвечая на эти вопросы, специалисты должны выявить и переосмыслить правила и предположения (зачастую явно не выраженные), положенные в основу текущего способа ведения бизнеса.

Часто эти правила оказываются устаревшими или ошибочными.

Фундаментальным принципом реинжиниринга является рассмотрение деятельности компании не с точки зрения функционирования ее структурных подразделений, а с точки зрения организации и протекания в ней бизнес-процессов. Бизнес-процесс – это связанное множество внутренних видов деятельности компании, заканчивающихся созданием продукции или услуги, необходимой потребителю. Термин потребитель следует понимать в широком смысле – это может быть просто клиент, а может быть и другой процесс, протекающий во внешнем окружении, например, у партнеров или субподрядчиков.

По сравнению с традиционным анализом деятельности компании, процессы обладают многими преимуществами. В частности, трудно или невозможно измерить эффект от проведения изменений в иерархической структуре компании, в то время как при ориентации на процессы специалисты имеют дело с такими четко оцениваемыми характеристиками, как стоимость, длительность, качество и степень удовлетворения потребителя.

Ориентация на процессы является ключевым фактором успешного реинжиниринга. Другим, не менее важным фактором, является переход предприятия на использование новых информационных технологий. Это использование не означает автоматизацию существующих процессов.

Применение новых информационных технологий может привести не только к принципиальным изменениям в деятельности сотрудников, но и к полной замене существующих бизнес-процессов.

К другим факторам, необходимым для успешного реинжиниринга, можно отнести следующие:

Мотивация. Мотив для начала проекта по реинжинирингу должен быть четко определен. Высшее руководство должно быть убеждено в необходимости реинжиниринга и понимать, что результат существенно затронет некоторые структуры в компании. Чтобы обеспечить успех, руководство должно предоставить лучшие силы в распоряжение команды по реинжинирингу.

Руководство проектом. Проект должен выполняться под управлением руководства компании. Руководитель, возглавляющий проект по реинжинирингу, должен иметь авторитет в компании и нести за него ответственность. Для успеха проекта важно твердое и умелое управление.

Сотрудники. В команде, выполняющей проект и контролирующей его выполнение, необходимо участие сотрудников, наделенных полномочиями и способных создать атмосферу сотрудничества. Кроме людей, хорошо образованных в области реконструируемого бизнеса, необходимы люди, знающие, как изменять его.

Бюджет. Проект должен иметь свой собственный бюджет. Часто ошибочно считают, что реинжиниринг возможен на условиях самофинансирования.

Технологическая поддержка. Для проведения работ по реинжинирингу необходима поддержка в форме методик и инструментальных средств (программного обеспечения).

Реинжиниринг в компании никогда не проводится "снизу-вверх", он всегда проводится "сверху-вниз". Существует две причины, по которым реинжиниринг не может быть успешно проведен руководителями (менеджерами) нижнего и среднего уровня.

Первая причина состоит в том, что эти менеджеры не обладают той широтой взглядов на деятельность компании, которая необходима для проведения реинжиниринга. Их опыт в основном ограничивается знанием тех функций, которые они выполняют в своем подразделении. Они, как правило, лучше других осознают проблемы своего подразделения, но им трудно увидеть процесс в целом и распознать его слабые места.

Вторая причина в том, что бизнес-процессы неизбежно пересекают организационные границы, т.е. границы подразделений, поэтому менеджеры нижнего и среднего уровня не имеют достаточного авторитета для того, чтобы настаивать на трансформации процессов. Более того, радикальные преобразования существующего процесса могут привести к уменьшению роли и влияния того или иного менеджера. По этим причинам менеджеры среднего уровня могут не только не способствовать проведению реинжиниринга, но препятствовать ему.

Проект по реинжинирингу бизнеса обычно включает следующие четыре этапа:

1. Разработка образа будущей компании. На этом этапе компания строит картину того, как следует развивать бизнес, чтобы достичь стратегических целей.

2. Анализ существующего бизнеса. Проводится исследование компании и составляются схемы ее функционирования в настоящий момент.

3. Разработка нового бизнеса. Разрабатываются новые и (или) измененные процессы и поддерживающая их информационная система.

Выполняется моделирование и тестирование новых процессов.

4. Внедрение нового бизнеса. На этом этапе новый проект внедряется в бизнес.

Необходимо подчеркнуть, что перечисленные этапы выполняются не последовательно, а по крайней мере частично параллельно, причем некоторые этапы повторяются.

Организационные аспекты реинжиниринга. Рассмотрим возможные организационные изменения, которые могут происходить в компании в результате проведения реинжиниринга.

Переход от функциональных подразделений к командам процессов.

По сути реинжиниринг объединяет в единое целое процессы, которые ранее были разбиты на отдельные части. В традиционно организованной компании люди распределяются по отделениям, отделам, лабораториям, группам и т.п., в которых они выполняют предписанные им функции (части процессов). Эта фракционность создает множество проблем и в частности проблему несогласованности и даже противоречивости целей различных групп людей. Реинжиниринг предлагает альтернативный подход, состоящий не в разделении людей по подразделениям, а в объединении их в команды процессов, т.е. в группы людей, выполняющих совместно законченную часть работы – процесс. Команды процессов заменяют старые функциональные подразделения.

Работа исполнителя изменяется от простой к многоплановой. Люди, работающие в команде, отмечают, что их работа значительно отличается от работы, которую они исполняли в функциональном подразделении. Член команды несет (совместно с другими членами команды) ответственность за весь процесс, что требует умения не только выполнять свое задание, но и понимать весь процесс в целом и уметь при необходимости выполнять несколько заданий. Работа члена команды становится более содержательной, так как из нее устраняются излишние проверки, согласования, ожидания, вызванные преодолением границ между подразделениями традиционной компании. Члены команды фокусируют свои усилия на потребностях пользователей, а не на потребностях начальства.

Изменяются требования к подготовке сотрудников. Традиционные компании готовят своих сотрудников на обучающих курсах, цель которых обучить, как выполнять некоторую конкретную работу или как управлять той или другой специфической ситуацией. В связи с многоплановостью и изменяемостью работ, ориентированных на процессы, компании должны заботиться не только о проведении обучающих курсов, но и о непрерывном образовании своих сотрудников.

Изменяется оценка эффективности работы и оплата труда. В традиционной компании схема оплаты довольно прямолинейна: людям платят за отработанное время. Понятно, что это далеко не самый эффективный способ оплаты, однако при разбиении работы на простые задания компания не имеет возможности оценить эффективность узкого задания.

Кроме того увеличение эффективности узко определенного задания не всегда приводит к увеличению эффективности всего процесса. После проведения реинжиниринга команда отвечает за результаты процесса, и в этом случае компания может измерить эффективность работы команды и оплатить ее в соответствии с полученным результатом.

Изменяется распределение ролей между сотрудниками компании.

Новая организационная структура компании строится на управлении бизнес-процессами и производственными ресурсами (рис. 1.2). В ней можно выделить несколько типовых ролей сотрудников.

Руководитель компании назначает владельцев ресурсов и владельцев процессов: по одному для каждой функции и для каждого процесса в компании (в большой компании между руководителем и владельцами ресурсов и процессов могут стоять должностные лица, отвечающие за различные сферы бизнеса).

Владелец ресурса имеет долговременные права и несет долговременную ответственность за ресурсы, относящиеся к его конкретной функции.

Владелец процесса несет оперативную ответственность за ресурсы, предоставленные в его распоряжение, чтобы выполнить некоторый конкретный процесс.

Оператор процесса является исполнителем, которого владелец процесса приглашает к себе на работу и с которым заключает соглашение.

Заключается трехстороннее соглашение между оператором, владельцем процесса и владельцем ресурса. Предложения по такому соглашению представляются оператору и, если тот соглашается с ними, все стороны подписывают и принимают их. Кроме того, владелец процесса назначает руководителя (лидера) для каждого из своих конкретных процессов.

Этот лидер несет оперативную ответственность за порученный ему конкретный процесс.

Владелец процесса "закупает" внутри компании ресурсы и услуги у владельцев ресурсов. Владельцы процессов при этом заинтересованы в хорошей репутации своих процессов, дающей им право приглашать к себе лучших сотрудников. Каждый сотрудник будет стараться выполнять свои функции наилучшим образом, чтобы у владельцев процессов было желание "покупать" его услуги.

Рис. 1.2. Структура новой компании: ВР – владелец ресурса;

ВП – владелец процесса; О – оператор процесса Обязанности перечисленных категорий сотрудников компании состоят в следующем:

Руководитель компании:

ставит оперативные и долгосрочные цели;

определяет стратегии бизнеса;

осуществляет общий контроль за финансовой деятельностью;

обеспечивает развитие бизнеса и организационной структуры;

назначает владельцев процессов и владельцев ресурсов;

контролирует деятельность владельцев процессов и владельцев ресурсов.

Владелец ресурса:

распределяет операторов процессов или другие ресурсы между различными бизнес-процессами;

разрешает конфликты, возникающие при распределении ресурсов;

заключает соглашения с сотрудниками (операторами), из которых они получают ясное представление о своей долгосрочной роли в разработках компании, а также обеспечивает каждого сотрудника индивидуальным планом работ;

обеспечивает повышение квалификации своего персонала и ведет проверку его компетентности;

составляет бюджет долгосрочного обучения и стратегической подготовки (не связанной с каким-либо конкретным процессом);

принимает на работу (совместно с владельцем процессов) операторов процессов;

поддерживает служащих в переговорах, профессиональном росте, при разрешении конфликтов по использованию ресурсов и т.п.

Владелец процесса:

разрабатывает процесс и обеспечивает, чтобы он соответствовал бизнес-планам компании;

определяет интерфейс процесса (совместно с владельцами других процессов);

планирует бюджет процесса;

назначает лидера (лидеров) экземпляров процесса;

распределяет ресурсы для всех экземпляров процесса и заключает соглашения с каждым оператором процесса;

оперативно дорабатывает процесс в случае необходимости (для проведения этого вида работ в бюджете выделяются средства);

участвует в долгосрочном планировании потребностей в ресурсах (основным ответственным за это является владелец ресурсов);

обеспечивает развитие процесса и улучшение его качества.

Оператор процесса:

находит для себя работы и заключает договоры в компании;

требует заключения и выполнения всех соглашений, необходимых для успешного выполнения работы;

составляет (совместно с лидерами процессов) подробные индивидуальные планы со сроками выполнения работ;

выполняет работы в конкретных процессах;

следит за своим профессиональным ростом.

Работа выполняется, исходя из задач, поставленных конкретным клиентом (потребителем, заказчиком) и заканчивается созданием некоторых потребительских ценностей для этого клиента. По завершении процесса, использованные в нем ресурсы могут быть задействованы для вы полнения другой работы. Возможно, в одно и то же время будет выполняться несколько конкретных реализаций (экземпляров) одного вида процесса. Каждая реализация имеет руководителя и своих операторов.

В новой компании служащие склонны смотреть на свою работу более позитивно, чем прежде. Все вместе они стараются удовлетворить потребности клиентов компании. От них ожидается выполнение того, что непосредственно требуется в конкретном исполняемом процессе, а не то, что диктуется их функциональной ролью, поэтому их задания становятся более интересными и разнообразными. Сотрудники не ощущают того надзора, который был раньше, они осознают рост своих полномочий и даже начинают чувствовать себя предпринимателями. Поскольку становится легче измерять степень удовлетворения клиента конкретной работой, упрощается выплата премий исполнителям этой работы. Перспективы служебного роста расширяются и делаются более определенными, поскольку зависят от индивидуальных способностей.

Участники проведения реинжиниринга. Для осуществления проектов, связанных с реинжинирингом, рекомендуется следующий состав участников:

Лидер проекта – член руководства предприятия, который возглавляет организацию и проведение работ, связанных с проектом;

Менеджер проекта – ведущий специалист предприятия, отвечающий за поддержку методик и инструментариев реализации проекта и выполняющий оперативное управление проектом;

Команда проекта – группа специалистов (сотрудники предприятия, а также эксперты и разработчики, приглашенные со стороны), участвующие в реализации проекта;

Владельцы процессов – менеджеры (руководители подразделений), отвечающие за обновляемые бизнес-процессы;

Руководящий комитет (steering commitee) – комитет, образованный из представителей руководства предприятия с целью определение общей стратегии и контроля выполнения работ по проекту.

Лидер проекта назначает владельцев процессов и ресурсов, которые привлекают команду проекта для обновления этих процессов. Разработка осуществляется с участием менеджера проекта и под контролем руководящего комитета. Комитет возглавляется лидером проекта (рис.1.3).

Рис. 1.3. Структура управления проектами, связанными с проведением Моделирование бизнес-процессов. При анализе существующего и разработке нового бизнеса важную роль играет построение моделей компании и протекающих в ней бизнес-процессов. Модели могут различаться степенью детализации процессов, формой их представления, учетом только статических или также динамических факторов и др. Следует отметить, что все известные подходы к моделированию бизнеса принадлежат к семейству методов моделирования сложных информационных систем.

Модель компании в общем случае представляет собой совокупность функциональной, организационной и информационной моделей:

Функциональная модель описывает совокупность функциональных подсистем и связей, отражающих порядок взаимодействия подсистем при функционировании компании или ее подразделений;

Организационная модель описывает состав и структуру подразделений и служб компании;

Информационная модель описывает потоки информации, существующие в функциональной и организационной моделях.

К традиционным средствам построения моделей сложных систем относится методология SADT (Structured Analysis Design Technique). Она была создана в начале 70-х годов с целью унифицировать подходы к описанию сложных систем. SADT включает как концептуальный подход к построению моделей систем, так и набор правил и графических обозначений для их описания. Предлагаемые методы построения функциональных моделей, где описание систем осуществляется с точки зрения выполняемых ими функций, получили название методологии IDEF0. Существуют также специальные методологии для построения информационных моделей, описывающих потоки информации (IDEFIX) и динамических моделей, отображающих причинно-следственные связи между объектами системы (IDEF/CPN).

Формой представления моделей в IDEF0 являются диаграммы, которые содержат блоки и дуги. Блоки изображают функции моделируемой системы и представляются в виде прямоугольников. Дуги, изображаемые в виде соединительных линий со стрелками, связывают блоки и отображают взаимосвязи между ними.

Блоки соответствуют функциям системы, поэтому названиями блоков являются глаголы или глагольные обороты (например, Разработать технологический процесс). Дуги изображают объекты (например, данные или оборудование), и поэтому описываются существительными или существительными с определениями.

Между функциями и объектами возможны четыре отношения: вход, управление, механизм, выход (рис. 1.4). Входные дуги изображают объекты, используемые функциями. Дуги управления предоставляют информацию, необходимую для выполнения функций. Дуги механизмов описывают, как функции реализуются. Выходные дуги изображают объекты, в которые преобразуются входы. (Примеры конкретных отношений между функциями и объектами в диаграмме IDEF0 показаны на рис. 1.5.) Таким образом, дуги на диаграммах изображают интерфейсы между функциями системы, а также между системой и окружающей средой.

Рис. 1.4. Отношения между функциями и объектами Описание сложной системы всегда зависит от того, с какой точки зрения она рассматривается. Поэтому на диаграммах IDEF0 указывается, с точки зрения какого должностного лица или специалиста осуществляется описание (например, Точка зрения: начальник инструментального цеха).

На одной диаграмме IDEF0 должно быть не более шести блоков, что облегчает понимание и использование диаграмм. Выполнение этого требования достигается выбором соответствующего уровня детализации функций в диаграмме. Для более подробного описания тех блоков, где функции указаны в обобщенном виде, можно построить дополнительные диаграммы, детализирующие эти функции и процессы их выполнения.

Число уровней такой детализации не ограничено.

Существуют программные средства (линейка продуктов AllFusion компании Computer Associates), позволяющие автоматизировать процессы формирования структур и графических изображений создаваемых функциональных моделей IDEF0. Тем самым автоматизируются начальные этапы процесса проектирования сложных информационных систем.

К более поздним средствам моделирования, появившимся в середине 90-х годов, относится методология RUP (Rational Unified Process). Эта методология, разработанная компанией Rational Software Corp., поддерживает итеративный процесс создания сложной информационной системы на основе объектно-ориентированного подхода, с использованием диаграмм UML (Unified Modeling Language) для визуального моделирования предметной области. К таким сложным системам относятся, в частности, информационные системы поддержки новых бизнес-процессов, о которых речь пойдет ниже.

Графический язык UML включает восемь типов канонических диаграмм, описывающих бизнес-процессы или сложную информационную систему с различных точек зрения. К этим диаграммам относятся:

Диаграмма прецедентов (use case);

Диаграмма классов (class);

Диаграмма состояний (statechart);

Диаграмма деятельности (activity);

Диаграмма последовательности (sequence);

Диаграмма кооперации (collaboration);

Диаграмма компонентов (component);

Диаграмма развертывания (deployment).

Совокупность указанных диаграмм UML обладает тем свойством, что в ней содержится вся информация, необходимая для реализации сложной системы, или, другими словами, диаграммы UML образуют интегрированную модель разрабатываемой сложной информационной системы (рис. 1.6).

Методология последовательного построения различных видов диаграмм при моделировании сложной системы является неотъемлемой составной частью методологии RUP. Методология RUP устанавливает такой порядок (последовательность) разработки диаграмм UML, который способствует продвижению от общего к частному. В этом смысле диаграммы должны разрабатываться в той последовательности, в которой они перечислены выше. В самом деле, диаграммы прецедентов (первые в списке) описывают систему на наиболее высоком, концептуальном уровне абстракции, тогда как диаграммы развертывания (последние в списке) определяют состав и структуры вычислительных средств, используемых для реализации информационной системы. Это, разумеется, не означает того, что на любом этапе невозможен возврат к разработанным ранее диаграммам, их уточнение и модификация. Декларируемый в RUP итеративный подход распространяется и на общий процесс моделирования с помощью диаграмм.

Рис. 1.6. Интегрированная модель сложной системы в нотации UML Для автоматизированного составления диаграмм UML существуют соответствующие инструментальные средства (например, система Rational Rose).

Наряду с UML, для визуального моделирования существуют и другие нотации, реализованные, например, в системах ARIS и ADONIS.

Информационные системы поддержки новых бизнес-процессов.

Модели новых бизнес-процессов непосредственно реализуются в среде информационной системы поддержки (ИСП) нового бизнеса. Важность ИСП состоит не только в том, что она является необходимым элементом реинжиниринга, а еще и в том, что зачастую применение ИСП во многом определяет технологию ведения нового бизнеса. ИСП представляет собой специально разрабатываемое программное обеспечение – программную систему, которая строится на основе применения соответствующих инструментальных средств.

В сфере проектирования новых изделий роль ИСП играют конструкторские системы автоматизированного проектирования (САПР-К). В сфере технологической подготовки производства роль ИСП играют автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП).

К инструментальным средствам создания САПР-К и АСТПП относятся CAD/CAM, CAE и PDM-системы. При этом CAD/CAM и САЕ-системы становятся средствами для автоматизации выполнения проектных процедур, а PDM-система – средством для управления процессами проектирования и подготовки производства. Одновременно PDM-система является базовым средством, с помощью которого реализуется единое информационное пространство для всех этапов жизненного цикла изделия (ЖЦИ).

1.4. Использование 3D моделей на различных этапах ЖЦИ Информационная поддержка различных этапов ЖЦИ предполагает активное использование виртуальных, то есть трехмерных геометрических компьютерных моделей изделия и всех тех пространственных компонент, которые связаны с его проектированием, технологической подготовкой производства, изготовлением и т. д. (например, технологического оборудования или оснастки).

Как известно, 3D модели создаются в CAD-системах (или в CAD/CAM-системах) имеющимися в них средствами геометрического моделирования. Модель хранится в системе (в памяти компьютера) как некоторое математическое описание и отображается на экране в виде пространственного объекта. Объект может отображаться в различном представлении: каркасном, с удалением невидимых линий, полупрозрачном и полутоновом (рис. 1.7).

Рис.1.7 Виды представления объекта: а) каркасное;

б) с удалением невидимых линий; в) полутоновое Построение пространственной геометрической модели изделия является центральной задачей компьютерного проектирования. Именно эта модель используется для дальнейшего решения задач формирования чертежно-конструкторской документации, проектирования средств технологического оснащения, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ. Кроме того, эта модель передается в системы инженерного анализа (САЕ-системы) и используется там для проведения инженерных расчетов.

По компьютерной модели, с помощью методов и средств быстрого прототипирования, может быть получен физический образец изделия. 3Dмодель может быть не только построена средствами данной CAD-системы, но, в частном случае, принята из другой CAD-системы через один из согласованных интерфейсов, или сформирована по результатам обмера физического изделия-прототипа на координатно-измерительной машине (рис. 1.8).

Способы представления 3D моделей. Различают поверхностное (каркасно-поверхностное), твердотельное и смешанное (гибридное) моделирование.

При поверхностном моделировании сначала строится каркас – пространственная конструкция, состоящая из отрезков прямых, дуг окружностей и сплайнов. Каркас играет вспомогательную роль и служит основой для последующего построения поверхностей, которые натягиваются на элементы каркаса.

В зависимости от способа построения, различают следующие виды поверхностей: линейчатые; вращения; кинематические; галтельного сопряжения; проходящие через продольные и поперечные сечения; поверхности для затягивания окон между тремя и более смежными поверхностями; NURBS-поверхности, определяемые заданием контрольных точек продольных и поперечных сечений; планарные поверхности.

Рис. 1.8. Центральная роль компьютерной модели изделия Хотя поверхности и определяют границы тела, но самого понятия тело в режиме поверхностного моделирования не существует, даже если поверхности ограничивают замкнутый объем. Это наиболее важное отличие поверхностного моделирования от твердотельного.

Другая особенность состоит в том, что элементы каркасноповерхностной модели никак не связаны друг с другом. Изменение одного из элементов не влечет за собой автоматического изменения других. Это дает большую свободу при моделировании, но одновременно значительно усложняет работу с моделью.

Твердотельное моделирование имеет в своей основе идеологию, которая существенно отличается от идеологии каркасно-поверхностного моделирования. Твердотельная модель представляет собой целостный объект, занимающий замкнутую часть пространства. Всегда можно точно сказать, находится ли точка внутри твердого тела, на его поверхности или вне тела. При изменении в модели любого элемента будут изменяться все другие элементы, которые связаны с ним. В результате изменится форма твердого тела, но сохранится его целостность.

Элементами, из которых строится твердое тело, могут быть: элементы вытягивания (полученные вытягиванием плоского контура перпендикулярно его плоскости); элементы вращения (полученные вращением плоского контура вокруг заданной оси); фаски; скругления; оболочки;

ребра жесткости и др.. Твердотельный объект строится путем последовательного добавления или вычитания элементов. Так, если к уже имеющейся твердотельной модели добавить" элемент вытягивания, то этот элемент образует на модели выступ, а при вычитании элемента на модели образуется углубление. Если при построениях доступны одновременно несколько твердотельных объектов, то над любыми двумя твердотельными объектами, пересекающимися в пространстве, можно выполнять булевы операции объединения, вычитания и пересечения.

Твердотельное моделирование предполагает возможность установки параметрических зависимостей между элементами твердого тела или нескольких тел. При этом изменение одного из параметров (например, длины элемента) приводит к соответствующей перестройке всех параметрически связанных элементов. Такое моделирование, называемое параметрическим, дает конструктору дополнительные удобства. Так, можно установить параметрические зависимости между элементами твердотельной сборки и, тем самым, автоматизировать контроль собираемости изделия.

Твердотельное моделирование позволяет быстро создавать модели изделий относительно простых форм (под простотой здесь понимается отсутствие сложных поверхностей). К таким изделиям, как правило, можно отнести внутренние детали машин и механизмов, металлические корпусные детали и др. (рис. 1.9).

Рис. 1.9 Модель корпусной детали, построенная с помощью операций При гибридном моделировании обеспечивается возможность одновременной работы с твердотельными объектами и с поверхностями. При этом можно отрезать поверхностью часть твердого тела, превращать замкнутый поверхностями объем в твердое тело и т. п. Гибридное моделирование позволяет сочетать все удобства твердотельного моделирования с возможностью построения объектов сколь угодно сложной геометрической формы.

Гибридное моделирование, в частности, характерно при построении моделей пластмассовых изделий сложной пространственной формы, таких как различные детали автомобилей, самолетов, бытовых приборов и др.

(рис. 1.10).

Рис. 1.10 Модель отражателя фары автомобиля, построенная с помощью операций гибридного моделирования: а – вид спереди; б – вид сзади В различных CAD/CAM-системах могут быть реализованы как все, так и некоторые из перечисленных типов моделирования.

Созданные модели могут передаваться из одной CAD/CAM-системы в другую через специальные интерфейсы – согласованные форматы данных для обмена информацией.

Существует ряд так называемых стандартных интерфейсов. Они имеют формат символьных (ASCII) файлов, где описание геометрических и других характеристик модели выполняется в соответствии с принятым стандартом. На практике каждый формат имеет свои приоритетные области применения. Так, стандартный формат DXF используется в основном для передачи чертежно-графической информации; формат IGES – для передачи геометрии поверхностных моделей; формат STL – для передачи модели, аппроксимированной плоскими элементами, из CAD-системы в автономную CAM-систему, систему инженерного анализа (САЕ-систему) или в установку для быстрого прототипирования изделий.

В последнее время все большее значение приобретает стандартный формат STEP, в котором, наряду с описанием геометрии модели, предусматривается описание других характеристик изделия. Существуют различные протоколы стандарта STEP, определяющие полноту состава передаваемой информации об изделии.

В ряде случаев CAD/CAM-системы могут понимать внутренние форматы друг друга, используемые для представления моделей. В этом случае говорят о наличии прямых интерфейсов между системами.

Одним из практических примеров использования интерфейсов является передача на завод-изготовитель из конструкторского бюро информации о спроектированном изделии (в электронном виде), в случае, когда конструкторское бюро и завод применяют в своей работе разные CAD/CAM-системы.

Особый вид 3D модели конечного изделия представляет собой так называемый цифровой макет изделия (DMU – Digital Mock-Up). DMU содержит в своей основе сборочную модель изделия. Однако эта модель «обогащена» различными дополнительными сведениями о проекте; кроме того, из нее исключены все второстепенные элементы, такие как геометрические компоненты построения деталей. При работе в среде DMU пользователю доступны не обычные команды моделирования, а функции «обогащения» и анализа модели изделия, а также оптимизации модели сборки.

Трансформация структуры 3D моделей в CAD-системах. Выше рассматривались различные формы пространственного моделирования – поверхностное, твердотельное и гибридное. Однако в наиболее мощных CAD/CAM-системах представление модели имеет более сложный вид.

Так, в системе CATIA V5 модель изделия может быть представлена совокупностью следующих видов информации:

Объемное или не имеющее объема (представленное незамкнутыми поверхностями) тело как результат булевых операций над составляющими его формами;

Объемное или не имеющее объема тело как результат применения определенного метода его построения;

Аргументы построения тела в виде геометрических элементов;

Аргументы построения тела в виде совокупности логических и численных параметров;

Плоские параметрические эскизы с геометрическими отношениями между элементами;

Управляющие параметры;

Функции (отношения) между элементами;

Массивы значений для конкретных параметров;

Анализаторы, следящие за применением условных правил;

Контролеры, приводящие в действие определенные функции на основе выполнения (невыполнения) условных правил;

Результаты абсолютного или относительного анализа, предназначенные для использования как аргументов в других функциях;

Ссылки и связи, привлекающие внешние или удаленные элементы (параметры) в качество аргументов построения данной формы;

Методы, формализованные явным образом (пригодные для повторного применения) – Power Copy;

Скрипты (программы), участвующие в работе методов как исполняемый программный код.

Все детали (и представляющие их геометрические формы) различаются по их принадлежности к конструктивно-технологическому классу.

Эти классы обобщают в одну категорию все множество деталей, имеющих устойчивые конструктивные и технологические признаки. Их геометрическое определение, соответственно, может иметь свои термины, методы и аргументы построения. Например, листовая деталь из алюминиевого сплава имеет свою особую спецификацию, отличную от, например, механической детали или электрического кабеля.

Такое достаточно сложное представление модели не только способствует использованию информации об изделии на различных этапах его жизненного цикла, но и позволяет реализовать современный уровень автоматизации проектирования, не ограничивающийся решением задач моделирования и черчения, а предполагающий реализацию таких возможностей, как параллельное проектирование, накопление и использование корпоративных знаний, автоматическое проведение изменений по всем этапам процесса проектирования, многовариантная визуализация проекта.

Любой объект в описании изделия наделен негеометрическими характеристиками следующих категорий:

Графические атрибуты, представляющие объект средствами диалога системы.

Идентификация, определяющая систему именования, обозначения и представления продукта в служебной документации.

Физические свойства, определяющие механические и геометрические характеристики компонентов изделия – объем, площадь поверхности, координаты центра тяжести, ориентация векторов моментов инерции и другие. Физические свойства обычно происходят из результатов анализов.

Технологические свойства, определяющие производственные характеристики компонентов изделия – термообработка, покрытие, маркировка, клеймение, чистота поверхности, допуски и другие.

Административные свойства, определяющие характеристики объекта применительно к процессам его жизненного цикла – статус готовности, авторизация, сертификация и другие.

Функциональные свойства, характеризующие целевые параметры изделия – производительность, ресурс, удельная себестоимость эксплуатации и другие. Большинство из них имеют непосредственное отношение к экономике промышленного бизнеса и контролируются особенно тщательно.

Специальные (нерегулярные) свойства, провозглашенные для данного изделия в связи с какими-то уникальными его особенностями.

Особенно важно то, что между разнородными характеристиками могут быть выражены отношения различных типов – логические, алгебраические, основанные на массивах значений или определяемые сценариями – скриптами. Эти отношения, имеющие вид правил, представляют собой форму организации конструкторско-технологических знаний об изделии.

3D модели на различных этапах ЖЦИ. Рассмотрим кратко, какую роль играют 3D модели на наиболее важных этапах жизненного цикла изделия.

Проектирование. Этот этап обычно разделяют на концептуальное проектирование и рабочее (детальное) проектирование. При концептуальном проектировании формируются и уточняются технические требования к изделию, осуществляются поиск и выбор принципиальных решений, обеспечивающих требуемую функциональность. При рабочем проектировании выбранные концептуальные решения конкретизируются, определяются состав узлов и деталей, точные геометрические размеры изделия, а также используемые материалы, формируется конструкторская документация.

На этапе концептуального проектирования 3D модели могут использоваться для представления концептуальных решений (например, принципа функционирования механического устройства), их анализа и последующего отбора. На этапе рабочего проектирования 3D модели служат основной формой представления геометрической информации об изделии, позволяют проводить компьютерные инженерные расчеты на прочность, долговечность и др., анализировать собираемость деталей и узлов, получать чертежно-конструкторскую документацию.

Мышление конструктора, применяющего 3D моделирование, отличается от мышления конструктора, работающего только с чертежами. Эти отличия состоят в следующем.

1. Мысленные образы чертежей заменяются образами моделей, что раскрепощает пространственное мышление и способствует более быстрому принятию решений.

2. Свобода в создании сложных геометрических форм и понимание того, что эти формы могут быть легко реализованы в металле с помощью интегрированных технологий, стимулируют творчество, повышают интерес к работе.

3. Используя при проектировании созданную ранее модель похожего изделия (изделия-аналога), конструктор может иногда в десятки раз сократить общее время работы над проектом. Этот фактор способствует упорядочению информации о выполненных разработках, приводит к большей систематизации мышления.

Важно также, что при 3D проектировании резко уменьшается число ошибок в проекте. Это происходит по следующим причинам:

Конструктор может наглядно видеть результат своей работы уже в процессе проектирования;

Виды чертежа формируются на основании модели автоматически и поэтому исключаются ситуации, когда информация в одном виде не соответствует другому;

При проектировании сборочных единиц имеется возможность проверять собираемость и выявлять ошибки на уровне моделей.

Локальные или полные 3D модели используются как при концептуальном, так и при рабочем проектировании для компьютерного инженерного анализа принимаемых конструкторских решений. Например, прочностной анализ модели пластмассового корпуса прибора может выявить его «слабые места» и привести к созданию дополнительных ребер жесткости.

При необходимости для анализа конструкторских решений на основании 3D модели может быть создан физический прототип с помощью методов быстрого прототипирования. Существует целый спектр таких методов, реализуемых в установках быстрого прототипирования. Эти установки различаются как принципами формирования физического прототипа, так и используемым для получения прототипа материалом.

Технологическая подготовка производства (ТПП). До появления средств компьютерного 3D моделирования исходной информацией для этапа ТПП служила чертежно-конструкторская документация. В настоящее время 3D модели рассматриваются как составная часть конструкторской документации на изделие. При этом появляется возможность непосредственного использования геометрии 3D моделей в задачах ТПП. К таким задачам можно отнести:

Проектирование сложной формообразующей оснастки и инструмента – пресс-форм, штампов и электродов;

Моделирование процессов формообразования (литья, штамповки, ковки и др.) с целью выявления возможных дефектов и их последующего устранения, а также с целью экономии материала;

Формирование управляющих программ обработки деталей сложных форм на станках с ЧПУ;

Построение операционных эскизов при разработке технологических процессов.

Методы и средства решения этих задач будут рассмотрены в последующих разделах данного пособия.

Важно отметить, что роль 3D моделей в ТПП не ограничивается использованием модели изделия и его компонентов. Для изготовления сложных приборов и систем необходимо спроектировать и изготовить большое число приспособлений, пресс-форм, штампов, различные виды специального инструмента, а также нестандартное оборудование. При решении этих задач роль 3D моделей во многом сходна с их ролью на этапе проектирования основного изделия.

Еще один аспект использования 3D моделей в сфере ТПП – это создание 3D моделей сложного технологического оборудования с целью виртуального моделирования процесса обработки. Такое моделирование позволяет выявить и устранить возможные коллизии (столкновения) в системе «станок – приспособление – инструмент – деталь».

Производство. Здесь моделирование используется для анализа и оптимизации производственных процессов. Например, в роботизированной линии по сборке сложного изделия необходим не только контроль столкновений, но и временная синхронизация действий отдельных роботов и людей. Создав 3D модели технологического оборудования и используя систему виртуального моделирования производственных процессов, можно решать указанные выше задачи.

Так, в системе DELMIA содержится набор инструментов для цифрового описания, прогнозирования и моделирования производственных процессов изготовления изделий и необходимых для этого ресурсов. Предприятие получает возможность моделировать процессы изготовления изделия параллельно с его проектированием, оперативно учитывая возникающие конструктивные изменения, множественность версий и исполнений изделия, ограничения, налагаемые оборудованием и человеческим фактором. Это позволяет существенно сокращать сроки разработки и запуска в производства новых изделий, повышать их качество и технологичность.

Реализация. Здесь 3D модели могут использоваться для создания слайдов и анимационных фильмов, выгодно представляющих созданное изделие и поясняющих принципы его работы. Эти слайды и фильмы могут использоваться в коммерческих предложениях или для рекламных целей.

Эксплуатация. 3D модели могут, как и для этапа реализации, использоваться для создания слайдов и анимационных фильмов, которые, в свою очередь, используются в качестве элементов или составных частей эксплуатационной документации.

Ремонт и обслуживание. Здесь 3D модели могут использоваться для создания так называемых интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР), которые детально поясняют процессы ремонта и обслуживания изделия. ИЭТР наиболее востребованы применительно к сложным видам промышленной продукции. В самом деле, трудно и даже невозможно представить себе ремонт и обслуживание бортовых систем самолета или корабля без соответствующей технической документации.

ИЭТР предназначены для решения следующих задач:

обеспечение пользователя справочными материалами об устройстве и принципах работы изделия;

обеспечение пользователя справочными материалами, необходимыми для эксплуатации изделия, выполнения регламентных работ и ремонта изделия;

обеспечение пользователя информацией о технологии выполнения операций с изделием, о потребности в необходимых инструментах и материалах, о количестве и квалификации персонала;

подготовка и реализация автоматизированного заказа материалов и запасных частей;

планирование и учет проведения регламентных работ;

обмен данными между потребителем и поставщиком.

В качестве приложений к ИЭТР разрабатываются вопросы организации эксплуатации сложных технических объектов штатным обслуживающим персоналом, иллюстрируются алгоритмы действий конкретных операторов (в том числе при аварийных ситуациях и при ликвидации аварий).

Утилизация. Когда срок службы сложного изделия окончен, оно должно быть подвергнуто утилизации, которая представляет собой регламентированный процесс. Этот процесс может быть обеспечен инструктивными материалами в форме ИЭТР, разработанными на основе использования 3D моделей.

Таким образом, 3D модели используются практически на всех этапах ЖЦИ. Средства, использующие 3D модели на этапах проектирования, ТПП и производства, будут рассмотрены ниже. Использование 3D моделей на постпроизводственных этапах ЖЦИ рассматривается в п. 4.

2. Функции и возможности PLM-решений в подготовке производства Выше в п.1 было дано определение понятия PLM и перечислены общие характеристики PLM-решений. Для того чтобы более подробно рассмотреть функции и свойства существующих PLM-решений, остановимся, в целях большей конкретности изложения, на разработках компании Dassault Systemes.

Компания Dassault Systemes была создана в 1981г. на базе CAD/CAM подразделения французской авиастроительной фирмы Dassault Aviation. С самого момента своего создания Dassault Systemes имела самые тесные партнерские отношения с корпорацией IBM, что позволило им занять лидирующее положение в мире, как по уровню разработок, так и по широте их внедрения на промышленных предприятиях во всем мире.

В соответствии с концепцией 3D PLM Dassault Systemes разработала стройную, всеобъемлющую систему взаимосвязанных процессноориентированных продуктов и решений, основанных на передовых информационных технологиях и реализующих пять фундаментальных принципов построения PLM:

Ориентация на специфические бизнес-процессы каждой отрасли промышленности (Process Centric);

Единое информационное пространство для всех участников работы над изделием (Collaborative Workspace) Единство описания изделия, процесса его создания и ресурсов, необходимых для реализации этого процесса (PPR – Product Process Resource);

Накопление и использование полученных знаний для создания новых изделий (Knowledge);

Открытая компонентная архитектура, позволяющая неограниченно расширять и углублять функциональность системы за счет сторонних разработчиков (CAA – Component Applications Architecture).

Этот набор включает в себя программные продукты полностью консолидированных брэндов: CATIA – для разработки изделия, ENOVIAVPLM и ENOVIA-SmarTeam – для управления данными об изделии на протяжении его жизненного цикла, DELMIA – для управления процессами производства и эксплуатации изделия, а также для планирования и оптимизации необходимых для этого ресурсов.

2.1. CAD/CAM/CAE-система CATIA V Название CATIA является аббревиатурой от Computer Aided Three Dimensional Interactive Application, что можно (с учетом смысловых акцентов) перевести как «компьютерный комплекс трехмерных интерактивных инженерных приложений». Саму систему можно отнести к классу CAD/CAM/CAE.

Экран системы CATIA V5 выглядит так, как показано на рис. 2.1.

При этом расположение команд, показанное на рисунке, соответствует расположению по умолчанию, после инсталляции системы. Впоследствии иконки с командами могут перемещаться пользователем на другие места экрана, скрываться и т.д.

Рис. 2.1 Экран системы CATIA V5 (модель микрообъектива) Дерево проекта. Важным элементом представления информации проекта является дерево проекта. Оно содержит состав всех компонентов проекта в структурированном виде. Элементами дерева проекта являются:

Механические сборочные единицы и детали, геометрические компоненты деталей;

Объекты специальной предметной области (электрожгуты, кабели, трубопроводы, конструкции и т.д.);

Чертежи, листы и виды чертежей;

Технологические процессы обработки на станках с ЧПУ (последовательность процедур и используемый инструмент);

Механические связи между элементами сборки (соосность, совмещение плоскостей, фиксация расстояний и др.);

Представление знаний – параметры, формулы, правила и базы правил;

Дополнительные средства описания проекта – 3D-аннотации, закладки, множества, сцены, гиперссылки, слайды, фильмы и др.

Например, закладка – это разновидность ссылок, которые позволяют организовать быстрый доступ к элементам проекта, находящимся где-то глубоко в его структуре. Ярлык удаленного доступа к этим элементам может быть помещен «на видное место» - в специально предназначенный для закладок раздел дерева проекта.

Другой важный дополнительный элемент – сцены. В проекте бывают ситуации, которые нужно фиксировать, как «кадры из фильма». Только применительно не к графическому образу, а ко всему состоянию продукта в инженерном смысле – то есть не в виде слайдов, а в виде состояния модели. Это бывает нужно для анализа, контроля, презентации и других целей. Например, в виде сцены может быть сохранена модель космического аппарата в момент стыковки с межпланетной космической станцией. Сцена может быть загружена для выполнения специфических задач и «выключена» после их завершения. Все данные, входящие в сцену, динамически обновляются по мере изменения содержания проекта.

Еще один дополнительный элемент – гиперссылки. К описанию продукта могут относиться присоединенные документы внешнего происхождения, открывать и редактировать которые могут только соответствующие приложения. Например, таблицы Excel, документы Word, иллюстрации JPEG, TIFF, BMP, видеоклипы AVI, MPEG, звуковые файлы WAV, адреса в Интернете и многие другие. Ссылки на них можно хранить в спецификации продукта и обращаться к ним прямо из структуры данных.

Для этого служит встроенный интерфейс OLE.

Наиболее часто встречаемый пример применения гиперссылок – это интеграция проектных данных с документами. Деталь или сборка, кроме данных о самой себе, имеет массу процедурных, отчетных и сопроводительных документов – служебных записок, технических условий, инструкций, сертификатов, протоколов. Все они могут быть «прикрепленными» к электронному проекту и даже меняться в зависимости от состояния проекта.

Платформы, предметные области, конфигурации и модули. В CATIA V5 существует деление компонент системы на три платформы: Р1, Р2 и Р3. Платформа Р1 позиционируется как решения «среднего класса»

(middle-end), тогда как решения Р2 и Р3 соответствуют «высшему классу»

(high-end). Существет также такая классификация: Р1 – «средняя» система;

Р2 – «тяжелая» система; Р3 – корпоративные решения. Решения уровня Р стоят дешевле и требуют меньших ресурсов компьютера. Решения уровня Р1 дают хорошую возможность безболезненно перейти на уровень Р2 или Р3, когда такая необходимость возникнет.

Решения уровня Р1 имеют ряд ограничений в управлении данными проектов, формировании баз знаний, отслеживании связей между объектами проектирования и др. Эти ограничения отсутствуют в платформе Р2.

Платформа Р3 реализует наиболее высокий уровень автоматизации проектных решений и включает набор приложений для различных отраслей промышленности, например, проектирование кузова автомобиля, проектирование авиационных конструкций из листового металла, изделий из композитных материалов и др.

Предметная область (или домен) CATIA V5 представляет собой определенный класс проектных решений. CATIA V5 обеспечивает автоматизацию решений в следующих предметных областях инженерной деятельности:

Машиностроительное проектирование (Mechanical Design);

Разработка дизайна изделий (Shape Design and Styling);

Системный синтез промышленных изделий (Product Synthesis);

Проектирование производственных и коммуникационных систем (Equipment and Systems Engineering);

Инженерный анализ (Analysis);

Программирование обработки на станках с ЧПУ (NC Manufacturing);

Управление проектированием и обмен данными (Infrastructure);

Разработка приложений к CATIA (RADE Products);

Конфигурация – это набор модулей, обеспечивающих решение определенного круга задач в заданной предметной области инженерной деятельности. Каждая область может поддерживаться на разных платформах одной или несколькими конфигурациями. Исключение составляет область «Управление проектированием и обмен данными» (Infrastructure), которая является вспомогательной и не содержит конфигураций. Этой области соответствует ряд модулей, которые используются в конфигурациях для других областей.

Каждая из имеющихся в CATIA V5 конфигураций программных модулей, а также каждый из самих модулей (продуктов) соотносится с одной из трех платформ – Р1, P2 или Р3. Номер платформы присутствует в имени конфигурации или модуля в виде цифры в конце имени – например MD1, ER2 или TA3. Исключение составляют несколько модулей для платформ P2 и Р3, где цифра в конце имени отсутствует – например, имя RTR или KWA.

Модуль – это программный компонент системы. Каждый модуль CATIA V5 соответствует определенной платформе и области инженерной деятельности. При этом модуль, в зависимости от его назначения, может участвовать в различных конфигурациях как данной области, так и других областей. Некоторые модули не входят ни в одну из конфигураций и могут добавляться к нужной конфигурации при необходимости.

Рассмотрим более подробно содержание ряда предметных областей CATIA V5.

Машиностроительное проектирование (Mechanical Design). Работая в рамках данной предметной области, пользователь CATIA V5 может решать следующий круг задач:

Твердотельное и каркасно-поверхностное моделирование деталей и сборочных единиц;

Формирование чертежно-конструкторской документации;

Простановка допусков и обозначений на модели с их контролем;

Импорт моделей призматических деталей с восстановлением дерева компонентов;

Проверка корректности и «лечение» импортируемой геометрии;

Проектирование формообразующих элементов пресс-форм и штампов;

Проектирование конструкции (пакетов) формообразующей оснастки;

Конструирование изделий из листового металла;

Проектирование сварных конструкций;

Проектирование сборок на основе каталогов и пользовательских библиотек;

Проектирование конструкций из листового металла в авиастроении;

Проектирование деталей из композитных материалов с использованием баз знаний;

Функциональное проектирование изделий из пластмасс (т.е. с учетом их назначения, на соответствующем семантическом уровне).

Таким образом, функциональность данной предметной области соответствует функциональности мощной CAD-системы, расширенной рядом специализированных приложений.

Программирование обработки на станках с ЧПУ (NC Manufacturing). Функциональность данной области соответствует функциональности мощной САМ-системы. Работа в рамках этой области может быть охарактеризована следующими параметрами:

Высокая эффективность программирования обработки за счет тесной интеграции построения и расчета траектории инструмента, верификации траектории и формирования управляющей программы;

Эффективное управление изменениями за счет высокого уровня ассоциативности между проектированием детали, процессами ее обработки и используемыми ресурсами;

Оптимизация траектории и сокращение времени обработки благодаря использованию возможностей высокоскоростной обработки (HSM);

Простота в освоении за счет интуитивного пользовательского интерфейса;

Высокий уровень автоматизации благодаря возможности использования типовых технологических решений и баз знаний;

Уменьшение требований к подготовке технологов ЧПУ за счет наличия спектра интегрированных приложений (токарная обработка, 5координатное фрезерование и др.).

Система обеспечивает построение траектории инструмента для фрезерной (2.5-, 3-, 4- и 5-координатной) и токарной обработки, ее симуляцию (реалистичную имитацию процесса обработки) и верификацию (контроль точности обработки), формирование управляющей программы для требуемой модели станка с ЧПУ.

Инженерный анализ (Analysis). Функциональность данной области соответствует функциональности САE-системы. Работа в рамках этой области может быть охарактеризована следующими параметрами:

Интегрированное выполнение анализа: единый пользовательский интерфейс поддерживает CAE-функции в процессе проектирования;

Не требуется преобразования геометрии: сокращается или устраняется необходимость преобразований из формата IGES или других форматов, что существенное сокращает цикл разработки;

Взаимодействие «Конструктор/Расчетчик»: упрощается совместная работа конструктора и расчетчика (специалиста по инженерному анализу);

Простота в освоении: достигается благодаря интуитивному пользовательскому интерфейсу;

Ассоциативность: связь анализа с геометрией существенно упрощает выполнение итераций в процессе проектирования;

Использование знаний: обеспечивает учет имеющегося практического опыта и гибкость при выборе вариантов проектирования;

Открытость для стандартных решений: решения CATIA V5 являются базисом для стандартных промышленных САЕ-решений (MSC, LMS, FTI, HKS, SAMTECH, MECALOG, ICEM) Системный синтез промышленных изделий (Product Synthesis). Под системным синтезом понимается процесс проектирования на уровне функциональных требований к изделию. В CATIA V5 средствами системного синтеза, в частности, являются:

Средства поддержки цифрового макета изделия (DMU – Digital MockUp);

Средства формализации, хранения и использования корпоративных знаний;

Средства обеспечения эргономичности изделия, использующие для решения задач виртуальную модель человека (манекен).

Цифровой макет изделия (DMU) содержит в своей основе сборочную модель изделия, которая «обогащена» различными дополнительными сведениями о проекте. Кроме того, при работе в среде DMU пользователю доступны не обычные команды моделирования, а функции «обогащения»

и анализа модели изделия, а также оптимизации модели сборки. К таким функциям относятся:

Добавление в проект различных приложений (сцен, видов, 3Dаннотаций, гиперссылок, фильмов и др.);

Верификация проекта (контроль взаимопересечений объектов, анализ расстояний, сравнение объектов);

Создание триангулированных «макетов» деталей / сборочных единиц и замещение 3D-моделей макетами для оптимизации работы с проектом (решение проблемы больших сборок);

Визуализация сборки / разборки изделия;

Анализ и реалистичная визуализация кинематики механизмов.

Отметим, что DMU – это не просто «обогащенная» модель основной сборки, а «концептуализированная» модель, из которой исключены все второстепенные элементы, такие как геометрические компоненты построения деталей. Это достигается за счет использования специальных функций управления данными, содержащимися в предметной области Infrastructure, о которой упоминалось выше.

Средства работы со знаниями позволяют конструкторам и инженерам встраивать знания в проект и ускорять разработку за счет снижения числа ошибок, автоматизации и повышения эффективности проектирования. Они делают предприятие более независимым от постоянного наличия опытных специалистов, частично решают проблему кадров.

Можно отметить следующие проблемы, связанные с использованием имеющихся знаний:

Нехватка знаний: индивидуальное искусство или опыт являются причиной узких мест, сдерживающих выполнение проектов, использующих эти знания;

Формулирование знаний: предприятия не могут сохранить приобретенные знания и полученный ранее опыт. Специалисты, обладавшие знаниями, уходят и не оставляют их в документированном виде;

Эффективное использование знаний: даже лучшие знания должны использоваться корректно, приводя к принятию решений, близких к оптимальным;

Ресурсы знаний не востребуются: так как предприятие не знает реально, какими ресурсами знаний оно обладает, из них не извлекается выгода при реализации новых инициатив;

Знания и стандарты предприятий: корпоративные стандарты предприятия могут быть несогласованными, сложными и неудобными для использования.

Наиболее простой формой представления знаний являются формулы, устанавливающие связь между различными параметрами объектов (деталей, сборок) и/или процессов. Более сложной формой являются правила типа «если – то» и «если – то – иначе». Например, если в данном классе проектируемых машиностроительных объектов не применяются отверстия диаметром меньше 10 мм, то можно установить правило «если диаметр отверстия‘ < 10 мм то диаметр отверстия‘ = 10 мм» (синтаксис написания здесь условный). Система проверяет выполнение правил, и в случае их невыполнения выполняет предписанные действия. Таким образом, если неопытный конструктор задаст диаметр отверстия меньше допустимого, то система проверит и поправит его.

Синтаксис написания формул и правил в CATIA V5 достаточно прост и близок к естественному написанию. Кроме того, для создания формул и правил используются специальные диалоговые окна с перечнями возможных параметров и операций, так что пользователь не «пишет», а «компонует» формулы / правила, которые потом отображаются в дереве проекта и в любое время могут быть отредактированы.

Дополнительным специальным видом представления знаний являются темплейты – интеллектуальные шаблоны, определяющие конструкцию изделия и порядок проектирования.