ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНО-ИНТЕГРИРОВАННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

1.1. Методологические основы КИТ

1.1.1 Современное состояние, тенденции
и перспективы развития КИТ

Начиная с 80-х годов XX века одним из направлений повышения эффективности производства стало широкое применение компьютерных и информационных технологий .

На современном этапе новые промышленные интегрированные на этапах ЖЦИ технологии включают роботов, станки с программным управ­лением, компьютерные программы для проектирования, инженерного ана­лиза, технологической подготовки производства, производства и осуществ­ления контроля над техникой. Эти современные КИТ получили свою реализацию в КИП (computer-integrated manufactu-ring/С1М) . Совре­менные КИТ, также называемые передо­выми технологиями производства, связывают вместе компоненты произ­водства, которые прежде были отделены друг от друга. Работа станков, роботов, конструкторско-технологических отделов и инженерного анализа координируется одним компьютером.

Ядро структуры полноценного КИП образует так называемая несопро­вождаемая производственная подсистема (LOM – Light Out Manufacturing), включающая ряд обязательных КИТ, которые делятся на три составляющие: компьютерное проектирование (computer-aided design/ CAD), компьютерное производство (computer-aided manufacturing/ САМ) и интегрированная информационная сеть (Integrated Information Network).

Машины с компьютерным управлением, применяемые при обработке мате­риалов, производстве деталей и сборке изделий, существенно повысили скорость изготовления единицы продукции. Компьютерные системы производства позволяют быстро переключать производственные линии с одного вида изделий на любой другой, меняя только инструкцию для станка или программу для компьютера. Эти системы также помогают быстро удовлетворять запросы потребителей, касающиеся перемен в конструкции или в ассортименте продукции.

Интегрированная информационная сеть (Integrated Information Network) связывает все стороны деятельности фирмы, включая бухгалтерский учет , закупки сырья, маркетинг, работу складов, проектирование, производство и т. д. Такие системы, основанные на общих данных и общей информационной базе, дают менеджерам возможность принимать решения и управлять производственным процессом, воспринимая его как единое целое.

Сочетание компьютерного проектирования, компьютерного произ­водства и интегрированных информационных систем представляет собой наивысший уровень КИТ машиностроения. Новый продукт может быть сконструирован на компьютере, и его опытный образец может быть изготовлен без участия человеческих рук. Идеальное компьютеризованное предприятие способно легко переключаться с одного вида продукции на другой, работает быстро и с высокой точностью, без бумажной докумен­тации, тормозящей производственный процесс.

Компьютерные системы проектирования и технологической подготовки производства снизили вероятность человеческих ошибок, и благодаря этому количество конструкторских исправлений и переделок неправильно спроек­тированных компонентов уменьшилось, по сравнению с предыдущими проектами, более чем на 50 %.

КИТ производства обеспечивают максимально возможный уровень качества, удовлетворение запросов потребителей и снижения себестоимости только тогда, когда все их компоненты используются в совокупности. Применение КИТ и гибких рабочих процессов изменило весь характер производства. Стало возможным массовое производство, ориентированное на потребителя (mass customizati0n), когда заводы могут в массовом порядке выпускать продукцию, приспособленную к конкретным нуждам покупателей.

Достоинства КИТ состоят в том, что изделия различного размера и типа, отвечающие различным потребительским запросам, могут свободно переме­шиваться друг с другом на одной сборочной линии. Штриховые коды, нанесенные на заготовки, позволяют машинам мгновенно вносить требуемые изменения, например вкрутить шуруп большего размера, не замедляя хода производственного процесса. С помощью одной такой линии производитель может выпускать бесконечное колчество видов продукции любыми партиями.

В традиционных промышленных системах технология мелкосерийного производства давала предприятию возможность быть гибким в выборе производимой продукции и выполнять индивидуальные заказы потреби­телей, но поскольку «работа мастера» имела большое значение при изготов­лении уникальных товаров, предназначенных для конкретного покупателя, партии неизбежно должны были быть маленькими. Массовое производство оперировало значительно более крупными партиями, но зато гибкость была ограниченной. Технология непрерывного процесса предназначалась для выпуска одного стандартного продукта в неограниченных количествах. Промышленные КИТ позволяют предприятиям вырваться из тисков этой диагонали и увеличивать в одно и то же время и гибкость, и размер партий продукции. В своем наивысшем развитии КИТ делают возможным массовое производство, ориентированное на потребителя (mass customization), когда каждый продукт уникален и произведен по запросам покупателя. Этот наивысший уровень использования КИТ получил название «компьютерного мастерства», потому что компьютеры индивидуально проектируют каждый продукт так, чтобы он удовлетворял вполне определенным нуждам конкретного потребителя. Очень важную роль в этом повороте массового производства к потребителю играет развитие Интернета, так как электронные средства коммуникации позволяют компаниям поддерживать тесную связь с каждым отдельным клиентом и к тому же облегчают и ускоряют координацию потребительских запросов и производственных возможностей предприятий.

Исследования показывают, что КИТ (рис.1.1) позволяет использовать технологи­ческое оборудование более эффективно, производительность труда возрас­тает, количество отходов уменьшается, а ассортимент продуктов и удовлетворенность покупателей увеличиваются.

Многие промышленные компании в США перестраивают свои заводы, внедряя КИТ и объединенные системы управления (associated management systems), чтобы повысить производительность.

В настоящее время для разработки разнообразной продукции промыш­ленные предприятия широко используют следующие компьютерные техно­логии – программные средства автоматизации: CAD-системы (Computer-Aided Design, CAD) – системы автоматизированного проектирования (САПР), которые, по мере развития CAD-технологий, прошли путь от простой электронной чертежной доски до систем двухмерного (2D), а затем и трехмерного (3D) параметрического моделирования; CAM-системы (Computer-Aided Manufacturing, CAM) – системы технологической подготов­ки производства, в первую очередь, станков с ЧПУ; CAE-системы (Computer-Aided Engineering, CAE) – системы автоматизации инженерных расчетов, составляющие основу технологий компьютерного инжиниринга – наиболее наукоемкой составляющей PLM-технологий, так как именно эти програм­мные системы предназначены для эффективного решения сложных нестацио­нарных нелинейных пространственных задач, описываемых системами нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, для решения которых применяются, как правило, разнообразные варианты метода конечных элементов (МКЭ), Finite Element Analysis, (FEA); PDM-системы (Product Data Management, PDM) – системы управления данными об изделии, иногда называемые системами для коллективной работы с инженер­ными данными (Collabo-rative PDM, СPDM). Среди всего многообразия CAD/CAM-систем, наиболее широко представленных на рынке, выделим: «тяжелые системы» (CATIA, Unigra-phics NX, PRO/Engineer), появившиеся в 1980-х гг. и обладающие широкими функциональными возможностями и высокой производительностью, несмотря на то, что «тяжелые» системы являются дорогостоящими программными системами, затраты на их приобретение окупаются, особенно, если речь идет о сложном производстве, например, о машиностроении, авиационной и аэрокосмической промы­шленности, судостроении, электро - и энергомашиностроении; «средние системы» (SolidWorks, SolidEdge, Inventor Mechanical Desktop, Power Solutions, Cimatron, think3 и др.), в которых, начиная с их возникновения в середине 1990-х гг., были объединены возможности 3D твердотельного моделирования, невысокая по сравнению с «тяжелыми» системами цена и ориентация на платформу Windows. Эти CAD-системы произвели настоящий переворот в мире САПР, позволив многим конструкторским и проектным организациям перейти с двумерного на трехмерное моделирование. Среди российских CAD/CAM-систем отметим, в первую очередь, КОМПАС, T-Flex, ADEM; «легкие системы», которые являются самыми распространенными продуктами автоматизации проектирования , среди множества которых, прежде всего, следует назвать AutoCAD.

Создание единого информационного пространства – проблема актуаль­ная для машиностроительных предприятий. Немного можно назвать приме­ров реализации единой информационной среды. Вслед за внедрением
CAD/ CAE/CAM, как правило, на машиностроительном предприятии стара­ются объединить систему управле-ния хозяйственной деятельностью ERP (Enterprise Resource Planning – организует систему электронного документо­оборота; включает ведение договоров, бухгалтерии и кадров; связывает напрямую заказы поставщику с конкретной передачей в производственную программу для формирования заказа производству не только состав изделия, но и технологию его изготовления, что позволяет точно планировать ресурсы, процесс производства, начиная с технических требований и закан­чивая поставкой готовых изделий, а также и программное обеспечение для управления инженерными данными. PDM (Product Data Management – является основой для производственного планирования и управления; обеспечивает функционирование единой информационной среды на базе электронного архива, организует обмен информацией между подразделе­ниями по проектированию и планированию, с одной стороны, и произ­водственными подразделениями – с другой стороны). Ядром PDM является нормативно-справочная база, отражающая структуру и специфику работы конкретного предприятия. Главная цель объединения ERP и PDM заклю­чается в создании системы, которая позволяет контролировать затраты, рассчитывать себестоимость продукции, планировать производство и форми­ровать ценовую политику. Главным препятствием на пути объединения является отсутствие модулей для взаимодействия программ от разных разработчиков. Для управления производством требуются номенклатурные базы данных , поэтому автоматизируются все справочники и нормативные данные, упорядочиваются исходные данные, вводится система кодирования для комплектующих и покупных изделий, наполняется база данных PDM. После этого становится возможным использовать необходимую для управления производством информацию – составы изделий, учет материалов и комплектующих, нормы расхода и др. В PDM также поступают данные по технологическим маршрутам, которые разрабатывают технологи. Здесь формируется электронный архив конструкторской и технологической документации. Соответственно, конструирование ведется в среде CAD.

В чем суть интеграции? Информация создается конструктором или технологом и попадает в PDM. Данные вводятся один раз, далее автома­тически осуществляется передача данных в одном направлении – из PDM в ERP. Отсутствие повторного ввода исключает разночтения и снижает риск появления в системе неточных сведений. Главным преимуществом сквозных технологий является прозрачность информации: все документы хранятся в единой электронной базе данных – закупочные цены , по каким счетам и от какого предприятия осуществляется поставка, прошла оплата или нет; здесь же информация о составе изделия, цифровые модели, конструкторская и технологическая документация.

Конструктор создает модель и помещает ее в PDM, технолог использует готовую цифровую модель при разработке техпроцесса, при этом распарал­леливание работ сокращает затраты времени на проектирование.

Рисунок 1.1 – Структура КИТ машиностроения

В чем суть технологий PLM – CALS? Вся информация об изделии, начиная с чертежей и заканчивая крепежом при сборке, до мельчайших подробностей вносится в электронную базу данных, где прослеживается ЖЦИ каждой детали: где и кто изготовил, из какого металла и каким способом штамповали, на каких станках фрезеровали и т. д. – все до мельчайших подробностей. Принципиальным свойством такой информа­ционной системы является возможность не только описать структуру выпускаемого изделия, но и технологии изготовления, и более того – накапливать на последующих этапах всю информацию об изготовлении каждой детали и узла, произведенных ремонтах и заменах и т. д. Информация в достаточной мере детализируется, чтобы при необходимости можно было восстановить полную историю каждой детали, выявить причины отказов и быстро внести необходимые изменения. Информационной базой пользуются не только конструкторские и технологические службы, но также службы технической подготовки и управления производством предприятия-изготовителя, поскольку формируется полная информационная модель изделия, начиная от конструкторской спецификации и заканчивая данными о фактическом изготовлении.

Ведущие игроки CAD:

36% Autodesk (AutoCad, Inventor)

19% Dassault Systemes (CATIA, SolidWorks, SIMULIA)

12% Siemens PLM Software (Unigraphics, NX)

Ведущие игроки САПР и PLM-CALS:

Autodesk (AutoCad, Inventor) Значительный вклад в увеличение оборота компании внесло поглощение других компаний, Autodesk приобрела
14 компаний. Выделяется тем, что поставляет программное обеспечение для наиболее широкого круга отраслей: машиностроительной, архитектурно-строительной, геопространственной, анимационно-графической. В последнее время Autodesk добилась серъезных успехов в переводе огромной армии пользователей с 2D - на 3D-приложения.

Dassault Systemes (CATIA, SolidWorks, SIMULIA) Охватывает практически все направления автоматизации проектирования на крупных предприятиях .

PTC (Pro/Engineer, Windchill) Успешно работает в двух сегментах рынка – «тяжелых» САПР и систем среднего класса.

Siemens PLM Software (Unigraphics, NX, TeamCenter, Tecnomatrix) Синергетический эффект от слияния UGS с огромной группой компаний Siemens инициирует интерес к управлению жизненным циклом изделия, что позволяет преодолеть разрыв между этапами проектирования и произ­водства, который пока еще существует на промышленных предприятиях .

1.1.2. Этапы развития автоматизации механической обработки

С позиции КИП развитие автоматизации производственных процессов механообработки представляет собой диалекти­ческую спираль развития .

Первый виток эволюционной спирали автоматизации механообработки характе­ризуется автоматизацией рабочего цикла машины и автоматизацией поточного производства, которые включают в себя: универсальные станки, универ­сальные автоматы и полуавтоматы, специальные и специализи­ро­ванные автоматы и полуавтоматы, агрегатные станки, автоматические линии из агрегат­ных станков, автоматические линии из универсальных автоматов, комплексные автоматические линии и автоматические заводы.

Развитие автоматизации средств производства в машиностроении – от универсальных станков, специализированных станков, станков автоматов, автома­ти­ческих линий и «жестких» заводов автоматов реализовался за более чем за двести лет: с 1712 года (первый токарно-копировальный станок
А. К. Нартова) до 1951 года (первый автоматический завод для изготовления автомобильных поршней в СССР).

Второй виток эволюционной спирали автоматизации основно­го произ­водственного процесса механообработки характеризуется появлением числового программного управления. Это, прежде всего появление станков с ЧПУ, автоматов с ЧПУ, специализированных станков с ЧПУ, обрабаты­вающих центров (ОЦ).

Во второй половине 60-х годов 20го века гибкие производственные системы механообработки стали этапом перевооружения машинострои­тельной промыш­ленности. Это открыло пути решения сложившегося противоречия между высокой производительностью и отсутствием мобиль­ности оборудования массового производства и высокой мобильностью и низкой производительностью универсальных станков единичного и серий­ного производства.

Решение задачи повышения мобильности при выпуске новой техники в единичном и серийном производстве привело к созданию универсальных станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Второй виток диалектической спирали развития автоматизации прои­звод­ственных процессов механообработки – повторил первый, но на новом принципе управления – электронно-программном, при этом с повышением производи­тельности каждого вида оборудования повысилась и его гибкость. На второй виток было затрачено немногим более 30 лет.

Третий виток эволюционной спирали автоматизации механообработки характеризуется наличием гибких производственных систем и гибких автома­тизированных производств. Сюда можно отнести появление станков с ЧПУ–СNС, ОЦ фрезерно-расточные с СNС, ОЦ – токарные с СNС, ГПС со специа­лизированными ОЦ массового производства, ГПС (ГАП) + САПР + АСТПП, автомати­зированный завод.

Развитие электроники и применения ЭВМ и микропроцессоров позво­лило создание универсальных машин и станков с ЧПУ, управляемых непо­средственно от ЭВМ в режиме разделения времени. Это дало начало третьему витку развития автоматизации производственных процессов в машиностроении и других отраслях промышленности.

Управление от одной ЭВМ несколькими рабочими машинами, станками с ЧПУ и вспомогательным оборудованием позволило связать станки управлением и единым автоматическим транспортом в группы, т. е. создать системы машины. Индивидуальные станки с ЧПУ типа CNC, станки типа обрабатывающий центр (ОЦ), фрезерно-расточные и токарные – основа гибких производственных систем . На базе ОЦ создаются гибкие производст­венные модули, участки, линии. На этом витке началось соединение в единую систему всех производственных функций: конструирования, технологической подготовки производства, обработки, сборки, испытаний, т. е. начали появляться гибкие автоматизированные производства (ГАП). Третий виток был пройден за 10-15 лет.

Четвертый виток эволюционной спирали автоматизации механо­обработки характеризуется появлением гибких автоматических производств и безлюдных заводов. Он начался созданием автоматизированного произ­водства полностью интегрированного на базе ЭВМ пятого поколения (про­мышленные персональные компьютеры, в частности модели KIM–Kontrol Intelligence Minicomputer, KIM 786LCD-mITX, KIM 886LCD-M/mITX. KIM986LCD-M/mITX), отличающихся высоким уровнем надежности, совме­стимостью с различными технологиями, а также хорошей расширяемостью конфигурации и длительным жизненным циклом.

Пятый виток эволюционной спирали автоматизации механообработки харак­теризуется появлением безотказных самовосста­навливающихся произ­вод­ственных систем.

Шестой виток эволюционной спирали автоматизации механообработки характеризуется появлением самообновляющиеся производственных систем и т. д.

Развитие информационных технологий позволяет автоматизировать всю производственную цепочку технологического оборудования – система распределенного управления непрерывными и периодическими процессами, в частности NMI/SCADA – программы. Дальнейшее развитие науки и техники, решение проблемы надежности и самодиагностики рабочих машин и интеллектуальности систем переведут развитие автоматизации средств производства на следующий виток, когда будут созданы безотказные самовосста­навливающиеся рабочие машины, системы, заводы.

Создание искусственного интеллекта будет залогом успешного решения этой задачи. Диалектическая спираль развития автоматизации механо­обработки может быть представлена в виде последовательности этапов :

1. Автоматизация рабочего цикла машины, автоматизация поточного производства.

2. Числовое программное управление.

3. Гибкие производственные системы, гибкие автоматизированные производства.

4. Гибкие автоматические производства, безлюдные заводы.

5. Безотказные самовосстанавливающиеся производственные системы.

6. Самообновляющиеся производственные системы и т. д.

Следует заметить, что автоматизация машиностроения харак­теризуется не только компьютерными технологиями, но и наличием новых физических свойств производственной системы.

1.1.3. Концепция компьютерно-интегрированного производства

Основой развития современного машиностроения в мире является ком­пьютеризация и интеграция всех производственных процессов и управления производством от начала разработки до поставки готовой продукции потребителю.

Интеграция в производственных системах или комплексах (в широком смысле, как это теперь понимается в рамках концепции международных стандартов ИСО серии 9000) независимо от категории и вида произво­дственной деятельности и отрасли народного хозяйства, а также уровня и масштаба интеграции (начиная с низшего уровня, интеграции операций на одном рабочем месте и кончая интеграцией на самом высоком, международном уровне) .

Если опираться на идеологию, соответствующую указанным между­народным стандартам, то следует в первую очередь говорить об интеграции с целью совершенствования деятельности по обеспечению всех этапов ЖЦИ (англ, life-cycle), на чем основывается современная теория управления качеством . В соответствии со стандартами ИСО серии 9004 принято выделять одиннадцать этапов жизненного цикла.

1. Маркетинг, поиски рынков, анализ состояния рынков, выработка рекомендаций по выпуску продукции.

2. Разработка технических требований, проектирование изделий.

3. Разработка технологических процессов, технологическая подготовка производства.

4. Материально-техническое обеспечение производства.

5. Процессы изготовления (производство в узком смысле).

6. Проведение контрольных, приемо-сдаточных и иных испытаний.

7. Упаковка, маркировка и хранение произведенных изделий.

8. Распределение, транспортирование и реализация изделий.

9. Монтаж и эксплуатация.

10. Техническая помощь в обслуживании.

11. Утилизация после окончания срока использования или эксплуатации.

Графически этот цикл принято представлять в виде окружности или любой замкнутой кривой с разметкой по этапам; когда происходит замыкание контура, это означает, что после утилизации цикл начинается сначала, уже для нового изделия.

Иногда этот цикл представляют в виде винтовой линии; при этом подра­зумевается, что для нового изделия (или новой модификации того же изделия) начинается следующий виток. В течение первых пяти этапов изделие еще не существует, на последнем – уже не существует. Однако следует иметь в виду, что представление о замыкании цикла или выходе на новый виток лишь по окончании предыдущего витка является абстрактной схемой и не соответствует опыту реальной деятельности. На самом деле в любой организации всегда идет параллельная работа над многими изделиями или над многими модификациями одного изделия, причем в любой момент времени эти изделия находятся на разных этапах.

Учитывая это, правильнее было бы представить общую картину в виде семейства наложенных друг на друга винтовых линий со смещенными друг относительно друга точками этапов.

Независимо от общественного строя и типа экономики интеграция по последовательным этапам ЖЦИ осуществляется проще всего в масштабах завода, комбината, компании или фирмы. Традиционно во всех странах интегрирование осуществлялось в пределах одной и той же организации лишь по части этапов.

В настоящее время центром тяжести в интеграции считается исполь­зование унифицированных компьютерных технологий и программного обеспечения разнообразной документации (проектной, технологической, рабочей (непосредственно относящейся к изготовлению), эксплуатационной и пр.) и соответствующего программного обеспечения. При этом интеграция осуществляется по этапам 2-3-4-5 ЖЦИ. В международной практике это однозначно связывается с внедрением стандартов ИСО 10303 и обычно все это именуется CALS-технологиями.

Технологии CALS (англ, computer acquision and life-cyclesupport) в переводе – обеспечение непрерывности поставок и поддержки жизненного цикла изделий. Вольный перевод: обеспечение неразрывной связи между производством и всеми остальными этапами ЖЦИ (за счет создания максимально полной информационной модели изделия), охватывающей все этапы ЖЦИ от маркетинга до утилизации, предлагающей единое информационно-программное обеспечение на основе системного подхода ко всей проблематике создания новых изделий.

Разработчики и комментаторы подчеркивают, что CALS – это не только конкретный программный продукт, не только набор правил и шаблонов, но преимущественно общая концепция создания единой информационной модели изделия. Однако рассмотрение интеграции только по этапам ЖЦИ раскрывает только один аспект интегрирования.

Исторически в различные периоды проблемы интеграции по существу (сам термин появился и приобрел права гражданства достаточно поздно) понимались то шире, то уже, на передний план выходили вполне определенные формы интеграции . Так, начиная с начала до середины прошлого века, интеграция понималась преимущественно как концентрация на одной заводской территории всего оборудования больших производственных комплексов, объединявших все производственные функции, необходимые для производства определенных изделий.

Ве гг. XX века понятие интегрированные производственные системы (англ, integrated manufacturing systems) применительно к машиност­роению неразрывно связывалось возможно более полной автоматизацией выполнения последовательностей технологических и вспомогательных операций, начиная со складирования, подачи заготовок и подготовки необходимого оборудования с инструментом, кончая контролем и отгрузкой готовых деталей и узлов.

Нет сомнения в том, что проблематика интеграции и дезинтеграции в производстве вечна, хотя, конечно, наибольшая актуальность приписывалась, и будет приписываться в разные времена, различным аспектам интеграции. Но нужно иметь в виду, что усиление акцента на одном аспекте проблемы не отменяет другие аспекты.

Во всех случаях интеграцию можно представить как установление и организацию функционирования теми или иными типовыми средствами связей между интегрируемыми объектами или частями. Эти связи могут иметь различную природу, они иногда могут быть прямыми, непосредст­венными, но чаще всего реализуются через цепочки промежуточных звеньев.

Полностью или частично КИП не приводит само по себе к гибкому производству, оно может иметь различную гибкость и обеспечивается гиб­костью различных элементов производства, интегрированных производст­венных систем. Степень необходимой гибкости производства основывается на базе технико-экономических показателей всего производства, завода в целом, а не на осно­вании эффективности отдельных его частей.

Применение ЭВМ в управлении КИП позволяет осуществлять комплексный подход к автоматизации всех видов работ и процессов – от проработки задания на производство нового изделия, конструкторско-расчетных работ, технологической подготовки производства, всего комплекса технологических процессов – от заготовки до упаковки и отправки изделия потребителю, а так же всего, что связано с содержанием, ремонтом, управлением, включая расчеты, технико-экономических показателей, эконо­ми­ческой эффективности, финансово-бухгалтерское и кадровое обеспечение.

Особое внимание в настоящее время уделяется вопросам разработки единого информационного, математического и программного обеспечения систем автоматизированного проектирования, конструирования, технологи­ческой подготовки, планирования и организации производства.

«Философия» КИП требует рассмотрения каждого отдельного действия или деятельности всего завода и всего, что с ней связано, как единого процесса, который обеспечивает своевременную и полную взаимоувязку каждого действия с целью организации выпуска как можно большего разнообразия изделий в пределах имеющихся возможностей по заранее определенному графику с минимальными затратами.

Это ведет к возможности интеграции всего производства в единый автоматизированный процесс, включая научно-исследовательские и опытно-конструк­торские работы (НИОКР). При этом значительная экономия и сокра­щение времени внедрения новой техники получают вследствие уменьшения имеющихся дублирования и разрыва опытно-конструкторских работ и производ­ства, а также уменьшения времени всего цикла создания и производства продукции.

Наиболее короткий цикл производства, меньшая себестоимость, высокое качество продукции, полный контроль за капиталовложениями и оборот­ными средствами при абсолютно полном контроле за деталями и изделиями, за их изготовлением по всему циклу, пока они находятся на заводе, при этом делается только то, что предписано, и не запускается ничего лишнего. Это еще одна черта, которая вкладывается в понимание полной интеграции производства и чему содействует концепция гибкого интегрированного производства.

Основной задачей КИП состоит в обеспечении в гибкости и интеграции производственных систем на базе КИТ, основными характеристиками которого являются:

1) уровень производительности;

2) величина себестоимости;

3) стабильность высокого качества продукции;

4) эффективность использования средств производства;

5) численность обслуживающего систему персонала и характеристики условий труда.

1.1.4. Системная формализация КИП

КИП представляет собой одновременно как систему, включающую в себя ряд элементов, а также как и подсистему, входящую в систему более высокого уровня, и может быть формализована с позиции теории систем
:

1) КИП как система S есть нечто целое от функции А

Это определение выражает факт существования и целостность. Двоичное суждение А (1,0) отображает наличие или отсутствие этих качеств.

2) КИП как система S есть организованное множество.

(1.2)

где орг – оператор организации;

М – множество.

3) КИП как система есть множество вещей, свойств и отношений.

(1.3)

где m – вещи,

n – свойства,

k – отношения.

4) КИП как система есть множество элементов, образующих структуру и обеспечивающих определенное поведение в условиях окружающей среды:

где L – элемент,

ST – структура,

BE – поведение,

Е – среда.

5) КИП как система есть множество входов, множество выходов, мно­жество состояний, характеризуемых оператором переходов и оператором выходов:

где Х – входы,

Y – выходы,

Z – состояния,

Н – оператор переходов,

G – оператор выходов.

6) Если определение (1.5) дополнить фактором времени и функциональ­ными связями, то получим определение системы уравнениями

где Т – время,

X – входы,

Y – выходы,

Z – состояния,

V – класс операторов на входе,

Vz – значения операторов на выходе,

F и f – функциональные связи в уравнениях.

7) Для организации системы КИП в определении системы учитывают следующее

где PL – цели и планы,

RO – внешние ресурсы,

RJ – внутренние ресурсы,

ЕХ – исполнители,

PR – процесс,

DT – помехи,

SV – контроль,

RD – управление,

EF – эффект.

Последовательность определений можно продолжить, в которых учитывалось бы такое количество элементов, связей и действий в реальной системе, которое необходимо для решаемой задачи, для достижения поставленной цели.

К числу задач, решаемых теорией систем, относятся: определение общей структуры системы; организация взаимодействия между подсистемами и элементами; учет влияния внешней среды; выбор оптимальных алгоритмов функционирования системы.

Проектирование КИП делится на две стадии: 1) макропроектирование (внешнее проектирование) в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом, и 2) микропроектирование (внутреннее проектирование) связанное с разработкой элементов системы как физических единиц оборудования и с получением технических решений по основным элементам (их конструкции и параметры, режим эксплуатации).

1.1.5. Функционально-целевые структуры механообработки

Организационно-технический и производственно-технический потен­циалы являются (рис.1.2) функциональными характеристиками ФЦС . Как инте­гральный показатель он должен отражать наиболее существенные характе­ристики КИП и в общей форме оценивать ее технический уровень. К таким характеристикам относятся, прежде всего, количественная мера подетальной специализации (уни­вер­сальность), выражаемая укрупненно числом техноло­гических групп или наименований обрабатываемых деталей. Номенклатура последних отражает способности системы экономически целесообразно выпускать различные детали по различной технологии.

Рисунок 1.2 – Функционально-целевые структуры КИП

ПТС представляет собой совокупность значений производительности системы и ее технологических возможностей . При вычислении произ­водительности обработки деталей всех наименований из установленных для системы технологических групп в стоимостном выражении производственно-технологический потенциал интегрируется парой

, (1.8)

где – объем продукции системы в стоимостном выражении (в единицу времени);

– множественное объединение технологических возможностей системы по обработке всех деталей;

Компьютеризированное Интегрированное Производство - применение гибких производственных систем, управляемых интегрированной системой управления производством.

CIM (Computer-Integrated Manufacturing) – модель архитектуры информационных систем, в соответствии с которой все производственные процессы контролируются посредством CAD- и CAM-систем.

В соответствии с моделью CIM все информационные системы предприятия делятся на уровни по двум критериям: дискретность оси времени, в единицах которой функционируют информационные системы, и объемы данных, обрабатываемых на каждом уровне модели. В рамках концепции CIM информационные системы образуют пирамиду. Системы верхнего уровня оперируют данными на относительно больших временных промежутках, а нижнего - имеют дело с большим потоком данных реального времени. Каждое сечение пирамиды имеет площадь, пропорциональную объему обрабатываемых данных. На вершине этот объем минимален, в основании - максимален. Для связи дискретной оси времени наверху пирамиды с событиями реального времени в ее основании используются промежуточные системы цехового уровня, (Production Control, или Manufacturing Execution Systems - MES).

Один из вариантов модели CIM.

Нижний уровень модели представляют элементы сбора данных (датчики), средний - устройства с программным управлением (например, контроллеры станков с ЧПУ), затем идут автоматизированные системы диспетчерского управления SCADA, взаимодействующие с оборудованием. Над ними находятся MES-системы, собирающие данные о технологических процессах и предоставляющие информацию для ERP-систем.

Одной из основных концепций CIM было понятие интерфейса, т. е. способа взаимодействия информационных систем. При этом разработчиков модели не интересовало, какая именно информация передается с помощью интерфейсов (с какой частотой и точностью, как она преобразуется в процессе обмена данными) - в фокусе их внимания находились способы связывания систем различного уровня. CIM предлагала лишь модель развития различных видов интерфейсов интеграции приложений.

Особенностью модели CIM является практически полное отсутствие информационных потоков из внешней рыночной среды. Авторы CIM полагали, что в условиях постоянного рыночного спроса, избытка клиентов и недостатка товаров ключевыми бизнес-целями должны быть стабилизация производственных процессов и обеспечение надлежащего качества продукции. Таким образом, с биологической точки зрения предприятие уподоблялось простейшему организму, живущему по своим собственным законам, не взаимодействующему со своими “сородичами” и находящемуся в относительном равновесии с внешней средой. При этом основным назначением его информационной системы является сбор информации о собственном состоянии с целью поддержания внутреннего равновесия.

Задачи модели CIM

· Улучшение способа применения информационных технологий для сбора, обработки и использования информации на предприятиях с дискретным типом производства.

· Устранение островков автоматизации, т. е. информационных систем, обслуживающих определенную группу пользователей, решающих локальную задачу и не взаимодействующих с иными информационными системами (например, геометрические модели, создаваемые в САПР).

· Повышение производительности и конкурентоспособности предприятия.

Недостатки модели CIM

· Не учитывался человеческий фактор.

· Не было четкой методологии внедрения модели.

· Не удавалось правильно оценить трудозатраты на создание интеграционных решений.

САПР подразделяют на САПР изделия и САПР ТП. САПР изделия занимается проектированием моделей изделия при помощи средств плоского и объёмного проектирования.

САПР ТП занимается процессом изготовления. Кроме основных выделяют: автоматизированные системы ТПП, автом-ые системы научных исследований, позволяющие принимать нестандартные решения на уровне проектирования.

САПР ТП разрабатывает ТП, оформляя их в виде МК, ОК, КЭ, КК и тд. И разрабатывает программы для работы на станках с ЧПУ. Более конкретное описание процесса обработки на станках с ЧПУ вводится в автоматизированную систему управления производственным оборудованием. Техническими средствами, реализующими данную систему могут быть комп-ы, управляющие станочными системами. Также различают системы производственного планирования и управления (АСУП), позволяющие контролировать качество и ритмичность распределяемых работ по объектам. Для контроля качества используют системы АСУК. самостоятельное использование CAD, САМ, САЕ систем даёт экономический эффект на предприятии. Для повышения эффективности используют технические БД как общего назначения так и специального.

(11 )Рассмотрим систему интегрированного вида на примере единой БД. В ней хранится информация о структуре и геометрии изделия (как результат проектирования всистеме САО), о технологии изготовления (как результат работы системы САРР) и управляющие программы для оборудования с ЧПУ (как исходная информация для обработки в системе САМ на оборудовании с ЧПУ)

(12) Основные системы компьютерно - интегрированного производства (КИП) показаны на рис ниже

Этапы создания изделий могут перекрываться во времени, т.е. частично или полностью выполняться параллельно. Связи между жизненным циклом изделия (по этапам) с САПР являются важным компонентом при автоматизации. Поэтому стремятся переходить от частичных или одиночных САПР к полностью интегрированному производству (КИП).

Взаимосвязь жизненного цикла изделия со службами автоматизации.

Информационная структура компьютерно - интегрированного производства

В структуре компьютерно - интегрированного производства выделяются три основных иерархических уровня:

1- Верхний уровень (уровень планирования), включающий в себя подсистемы, выполняющие задачи планирования производства.

2. Средний уровень (уровень проектирования), включающий в себя подсистемы проектирования изделий, технологических процессов, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ.

3. Нижний уровень (уровень управления) включает в себя подсистемы управления производственным оборудованием.

Построение компьютерно - интегрированного производства включает в себя решение следующих проблем:

информационного обеспечения (отход от принципа централизации и переход к координированной децентрализации на каждом из рассмотренных уровней как путем сбора и накопления информации внутри отдельных подсистем, так и в центральной базе данных);

Обработкиинформации (стыковка и адаптация программного обеспечения различных подсистем);

физической связи подсистем (создание интерфейсов, т.е. стыковка аппаратных средств ЭВМ, включая использование вычислительных систем).

Внедрение компьютерно - интегрированного производства значительно сокращает общее время прохождения заказов за счёт:

· уменьшения времени передачи заказов с одного участка на другой и уменьшения времени простоя при ожидании заказов;

Перехода от последовательной к параллельной обработке;

Устранения или существенного ограничения повторяемых ручных операций подготовки и передачиданых (например, машинное изображение геометрических данных можно использовать во всех отделах, связанных с конструированием изделий).

Любые механизмы, которыми мы пользуемся в повседневной жизни, состоят из простых или сложных деталей и соединений. Все они являются продукцией машиностроения - области народного хозяйства, которая занимается производством разнообразных механизмов и машин. Технология машиностроения - это специальность, позволяющая овладеть знаниями и навыками, позволяющими работать в машиностроительной отрасли.

Начало развития этого направления народного хозяйства в нашей стране принято связывать с именем который еще в 18 веке изобрел первый русский токарный станок. В то время инженерами были единицы, в основном энтузиасты и первопроходцы своего дела. Но основной стимул для развития технология машиностроения получила во многом благодаря войнам 19 и 20 века, когда зачастую от технического оснащения войска зависела победа. Для России расцвет машиностроения пришелся на период второй мировой войны, когда практически все предприятия страны стали выпускать оружие, боеприпасы и технику. И именно в это время оказалась крайне "технология машиностроения", так как заводы испытывали острую нехватку квалифицированных и грамотных инженеров.

К сожалению, в настоящее время машиностроение также развивается благодаря соревнованию между странами на самые лучшие оружие и систему обороны.

Технология машиностроения - специальность, которая остается востребованной: каждый год на одно бюджетное место претендует не меньше 4 человек. Стоит отметить, что инженеров обучают только государственные вузы и техникумы, для коммерческих организаций это специальность является слишком дорогостоящей. Технология машиностроения требует наличия в образовательных учреждениях специального разных типов), лабораторий, компьютеров со специальными программами - для разработки чертежей, создания 3Д-моделей и т.п. Именно поэтому негосударственные учебные учреждения не могут конкурировать с государственными вузами, которые имеют хорошую материальную базу, штат высококвалифицированных преподавателей (многие из которых кандидаты и доктора наук) и многолетние традиции обучения.

Сегодня на функции инженера-технолога значительно изменились. На заводах повсеместно внедрены автоматические линии, станки с ЧПУ, оборудование, напрямую управляемое от компьютера, системы автоматизированного проектирования. Все это привело к тому, что инженеры должны на высоком уровне владеть компьютерными технологиями. При таком уровне автоматизации инженер-технолог может контролировать весь от разработки чертежа изделия до испытания уже готовой Технология машиностроения - быстро развивающаяся и изменяющаяся специальность, которая постоянно подстраивается под новые технологии, появляющиеся в производстве. Поэтому студентам, выбравшим это профессию, необходимо знать, что учиться придется не только до получения диплома - инженеры всю жизнь должны повышать свою квалификацию.

Компьютерное интегрированное производство

Компьютерное интегрированное производство (CIM - Computerintegratedmanufacturing) появилось в начале 90-хгодов. Такое производство обеспечивалось комплектом компьютерных систем САПР, обеспечивающих автоматизацию проектирования на всех этапах жизненного цикла машиностроительного изделия.

Этап I. Разработка технологического задания и согласование его с заказчиком.

Этап II. Разработка конструкторской документации.

Этап III. Выполнение технических расчетов.

Этап IV. Разработка технологической документации.

Этап V. Разработка комплекта программ для станков с ЧПУ.

Этап VI. Изготовление деталей и сборка узлов.

Этап VII. Сборка изделия в целом.

Этап VIII. Упаковка и транспортировка.

Этап IX. Проведение технологического обслуживания изделия.

Этап X. Утилизация.

В настоящее время для обозначения компьютерных систем, обеспечивающих автоматизированное проектирование, используется термин CAD-CAM-CAE-CAPP-PDM-ERP. Это сложное название состоит из аббревиатур, каждая из которых обозначает определенный вид системы.

ü CAD - computer aided design (проектирование);

ü CAM - computer automated manufacturing (производство);

ü CAE - computer aided engineering (техническиерасчеты);

ü СAPP - computeraidedprocessplanning (планирование технологических процессов);

ü PDM - productdatamanagement (управление информационными потоками об изделиях);

ü ERP - enterpriseresourceplanning (система планирования ресурсов предприятия);

Этап проектирования конструкторской документации (CAD)

Компьютерные системы для автоматизации проектных работ этого этапа появились и стали широко использоваться вместе с появлением персональных компьютеров в 80-е годы. Уже в самом начале эти системы разделились на два направления: параметрические и непараметрические.

В непараметрических системах привязка всех элементов чертежа, отрезков прямых, окружностей и дуг окружностей, выполнялась на основе координатной сетки системы. Её можно было увеличить или уменьшить, отобразив в том или ином масштабе. Самой яркой непараметрической системой является AutoCAD.

Рассмотрим принцип формирования непараметрического чертежа на простом примере.

Рисунок 4 - Представление чертежа в разных системах:а) непараметрическая;

б) параметрическая

Непараметрическая система:

ArcI5J5; X2Y2; X3Y3

Параметрическаясистема:

Line L3 PAR L1 l1

Line L4 PAR L2 l2

Circle C1 TL3 AL4 r1

K1 P1 TL2 TL3 TC1 AL4 AL1 P1

Обозначения в командах: Line–прямая линия, Arc – дуга окружности,

P – точка, L – обозначение прямой линии, HOR–горизонтально, VERвертикально, PAR– параллельно, Circle– окружность, С – обозначение окружности, T – совпадение направления, A – противоположное направление, K– контур.

Положительным направлением для прямых считается «слева направо» и «снизу вверх» (как в координатных осях), положительным направлением для окружности считается «по часовой стрелке».

Пример описания команд:

LineL3 PARL1 l1 – линия L3 строится параллельно L1 на расстоянии l1.

K1 P1 TL2 TL3 TC1 AL4 AL1 P1 – контур K1 начинается из точки P1, идет по положительному направлениюлинии L2, затем L3, затем по окружности C1, затем по линии L4 в направлении, противоположном положительному направлению самой линии,затем по линии L1, также в противоположном направлении, и заканчивается в точке P1.

Для привязки отрезка прямой необходимо иметь 2 точки. Для привязки дуги окружности - 3 точки, а окружности - точку и радиус.

При выполнении геометрических построений система предложит несколько способов выполнения прямых и окружностей. После образования всей геометрии, элементы построения будут зафиксированы с помощью своих граничных точек.

В параметрических системах используется принципиально другой подход. Здесь также имеется базовая система координат, но к этой системе привязываются не все элементы чертежа, а только одна точка.