Текст книги "Совершенствование процесса изготовления сложных изделий с использованием PDM-систем"

– PDM-система: T-FLEX DOC’s – система электронного документооборота и управления поектами.

PLM компании НПП «Интермех» (Республика Беларусь, г. Минск) включает следующее программное обеспечение [77]:

– CAD-система: Autodesk Inventor 3D [80];

– CAM-система: TechCard;

– PDM-система: Search.

Интегрированная автоматизированная информационная система Stalker PLM позволяет обеспечить комплексную автоматизацию функций CAD/CAM/CAE/PDM/FRP/MRP/MES-систем и программное внедрение интегрированной автоматизированной информационной системы и ERPсистем в единое информационное пространство машиностроительного предприятия.

Исследование возможностей зарубежных и отечественных PLM показало, что в них реализована интеграция в единое информационное пространство машиностроительного предприятия CAD/CAM/CAE/PDMсистем, то есть только бизнес-процесс конструкторской и технологической подготовки производства.

1.2 Технология управления данными об изделии в течение его жизненного цикла

Управление данными об изделии – информационная технология, целью которой является создание, поддержка в актуальном состоянии и использование организованной совокупности данных, составляющих электронное описание изделия на всех или некоторых этапах его жизненного цикла [51].

Для создания электронного описания изделия используют очень широкий спектр программных средств и систем, главная роль в котором, безусловно, принадлежит системе управления данными продукта – PDMсистеме (Product Data Management – управление данными продукта). Под управлением PDM-системы создается, организуется в законченную структуру и сохраняется информация, составляющая предмет электронного описания изделия [51].

Рассмотрим основные задачи, решаемые на различных этапах жизненного цикла изделия с помощью PDM-системы.

1 Ведение модели организационной структуры предприятия.

Именно с моделирования организационной структуры начинается процесс внедрения PDM-системы на любом предприятии, осваивающем информационные технологии. Для моделирования организационной структуры в большинстве случаев достаточно следующих информационных объектов (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Схема объектов для моделирования оргструктуры [52]

Группа – описывает подразделения организационной структуры предприятия.

Персона – содержит сведения о работниках предприятия, имеющих доступ к PDM-системе.

Роль – указывает на функцию, выполняемую персоной в производственном процессе.

Набор этих объектов позволяет вести любую иерархическую структуру организации.

Введем иерархическую структуру предприятия ОАО «ПО «Стрела» (рисунок 1.3). В приведенной структуре не рассматривается система управления персоналом.

2 Ведение состава изделия.

Основу электронного описания изделия составляет иерархическое представление его структуры. Рассмотрим конструкции, используемые при создании такого представления.

Упрощенная схема объектов, идентифицирующих изделие, представлена на рисунке 1.4.

Под изделием понимается все то, что уже производится или может быть произведено. Это может быть самолет, агрегат, элемент силовой конструкции, подшипник, насос, фильтр, крепежное изделие и т.д. Изделие может быть простым, состоящим из одной детали, и сложным – сборочная единица, узел, агрегат, система. Для того, чтобы различать изделия, они должны иметь уникальный идентификатор. Кроме того, каждое изделие имеет свое обозначение и наименование, а также некоторый набор описательных атрибутов.

Рисунок 1.3 – Модель организационной структуры ОАО «ПО «Стрела»

Рисунок 1.4 – Упрощенная схема объектов, идентифицирующих изделие

Процесс разработки, как правило, носит итерационный характер. Уточняются требования к изделию, появляются новые решения, вносят свои коррективы технологии производства и условия эксплуатации. Для отражения изменений, не влияющих на функциональность и взаимозаменяемость изделия, используется объект «ревизия изделия». У изделия может быть одна или несколько ревизий. Для конкретизации состава ревизии изделия используют объект «определение изделия». Определение изделия всегда рассматривается в некотором контексте. Контекст фактически определяет категорию разработчиков и/или пользователей электронного описания изделия. Конструктор, разрабатывающий изделие, формирует его структуру чаще всего по функциональному принципу – система, подсистема, блок и т.д. Технолог, проектирующий сборку какого-либо агрегата, включает в его состав части систем, размещенных в этом агрегате. Эксплуатанта состав изделия интересует с точки зрения того, как оно обслуживается. Поэтому изделие должно быть определено по крайней мере в трех контекстах – как спроектировано, как построено и как эксплуатируется.

Определение изделия связывается с составляющими изделиями с помощью объекта «отношение между изделиями» (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Упрощенная схема объектов, описывающих отношения между изделиями

Отношения между изделиями могут быть разных типов, среди которых наиболее используемыми являются «состоит из» и «изготавливается из».

На этапе конструкторской проработки совокупность этих типов определений изделия позволяет однозначно определить состав изделия и применяемые материалы [51].

Ведение состава изделия может быть организовано как снизу вверх, когда сначала в системе создаются изделия-детали, из которых составляются сборочные единицы, агрегаты, системы и изделие в целом, так и сверху вниз, когда сначала создается объект «конечное изделие», определяется состав входящих в него систем, затем подсистем и т.д. до конкретной детали. На практике, как правило, используются оба подхода. Однако при проектировании сложных машиностроительных изделий превалирующим является вариант организации работ сверху вниз. В этом случае на этапе предварительной проработки определяется функциональный состав изделия и соответствующая ему структура на уровне агрегатов, систем и подсистем. Эта работа выполняется силами отдела проектов. Одним из результатов этой работы является дерево состава изделия (рисунок 1.6), ветвями которого являются объекты, дальнейшая детализация которых на этапе рабочего проекта проводится силами функциональных подразделений предприятия.

Рисунок 1.6 – Фрагмент окна PDM-платформы Teamcenter на предприятии ОАО «ПО «Стрела» – Дерево состава изделия (шпангоут)

3 Описание свойств изделия.

Каждое изделие обладает рядом свойств, характеристик. Эти свойства могут быть как уникальными для данного изделия (идентификация и наименование), так и общими, носящими универсальный характер. Например, самолет обладает летно-тактическими характеристиками, у двигателя есть высотно-скоростные характеристики, у локатора – дальность обнаружения цели в различных условиях. Большинство изделий имеют геометрическую форму. Для производства каждого изделия необходимы технические требования, или условия, или стандарт, в соответствии с которыми оно должно быть изготовлено, собрано, проконтролировано или испытано. Эти и другие данные используют на разных этапах жизненного цикла изделия для оценки его характеристик, доказательства их соответствия заданным требованиям, как исходные данные для проектирования конструкции и систем изделия, как информация для производства, эксплуатации и т.д.

Разнообразные данные, необходимые для описания изделия, обобщаются объектом «информационный набор» (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Система объектов, описывающих изделие

Как и любой объект электронного описания изделия, информационный набор должен быть идентифицирован и поименован. Кроме того, информационные наборы могут быть разных типов. Тип информационного набора фактически определяет формат представляемых им данных, программные средства, применяемые для его создания, и средства, с помощью которых он может быть воспроизведен или использован в процессе жизненного цикла изделия. Объект «информационный набор» связывается с объектов «ревизия изделия», свойства которого он описывает. Тип информационного набора и соответствующие ему программные средства регистрируются в PDM-системе, обеспечивая возможность создавать, модифицировать, сохранять и использовать разнообразные описания свойств изделия из одной точки доступа.

Обязательным информационным набором, как правило, является геометрическая модель изделия выполненная с помощью CAD-системы, применяемой на предприятии. Иногда в проекте используют разные CADсистемы, например, при совместной разработке изделия в кооперации с другими предприятиями. В этом случае полезным оказывается представление геометрии изделия в нейтральном формате, читаемом встроенным в PDMсистему просмотровщиком. Такое «легкое» представление удобно также во всех случаях, когда потребителю информации достаточно только ознакомиться с уже готовым решением, но не модифицировать его. Другие информационные наборы используются в соответствии с принятыми стандартами и решаемыми задачами.

Совокупность определенных выше объектов представляет упрощенную логическую модель данных изделия машиностроительного производства, позволяющую построить его структуру и связать воедино всю информацию, описывающую изделие и его компоненты и тем самым построить электронное описание изделия.

4 Организация доступа к данным.

Объем информации, содержащейся в электронном описании изделия, чрезвычайно велик и требует некоторых усилий по обеспечению оперативного доступа пользователей к необходимым данным. Для того, чтобы пользователь мог работать с объектами базы данных PDM-системы, необходимо создать его точку входа в систему (обычно это домашняя папка или страница пользователя) с этими объектами. Данная связь осуществляется путем создания стандартизованной системы папок, размещаемой в рабочем пространстве пользователя. Система папок как бы создает общие правила доступа к проектным данным и облегчает навигацию в базе данных. Следует подчеркнуть, что папки PDM-системы служат механизмом организации путей доступа к данным. Они в отличие от папок операционной системы могут поддерживать и иерархические структуры путей к данным. Содержательно система папок определяется характером работ предприятия. Как правило, целесообразно создать структуры, стандартизирующие доступ к проектным данным, стандартам и личным папкам пользователей.

Кроме организации рабочего пространства пользователи используют также механизмы контроля доступа к данным. Они действуют на основе связанной с каждым объектом матрицы доступа. Матрица доступа определяет, какие действия может совершить данная категория пользователей над данным объектом (таблица 1.2) [48].

Таблица 1.2 – Матрица доступа

Стандартные действия – чтение, запись, удаление, изменение матрицы доступа, копирование, экспорт и др. Категории пользователей – владелец объекта; группа, к которой принадлежит владелец; все пользователи, обладающие определенной ролью; все пользователи системы. Матрица доступа может быть как статической, содержащей записи о правах доступа в явном виде, так и динамической, формирующейся на основе правил, заложенных в систему администраторами проекта. Контроль доступа отражает политику предприятия, направленную на сохранение данных, разграничение ответственности исполнителей и соблюдение конфиденциальности информации.

Еще один механизм доступа к данным – развитая система поиска. Поиск может быть задан как по атрибутивным, так и по геометрическим данным объектов, в первую очередь касающимся пространственного размещения объектов в составе изделия, в заданной окрестности заданной детали. Развитые механизмы поиска экономят массу времени различных специалистов, ведущих работу над проектом [57].

5 Управление потоками работ.

Управление потоками работ (Workflow) предназначено для моделирования в рамках PDM-системы бизнес-процессов предприятия, определяющих распределение работ, последовательность их выполнения, процедуры выпуска, согласования и утверждения проектных данных. Результатом работы процедуры Workflow является присвоение выпускаемым объектом некоего заранее определенного статуса, например «Утверждаю». Тем самым предприятие признает легитимность выпущенных данных, возможность их официального использования в последующих работах, например, в производстве. Как правило, данные, получившие официальный статус, защищаются от изменения. По этой причине механизмы Workflow играют важную роль в создании и сохранении интеллектуальной собственности предприятия – электронного описания изделия.

Наиболее часто используют процедуры Workflow, моделирующие выпуск объектов электронного описания изделия. Они состоят из нескольких этапов, соответствующих принятой на предприятии последовательности согласования, контроля и утверждения документов (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Процедура выпуска документации на ОАО «ПО «Стрела»

Кроме собственно прохождения маршрута Workflow выполняет следующие задачи:

– обеспечивается защита от несанкционированных изменений документов в ходе прохождения процедуры;

– на этапах, прохождение которых изменяет текущий статус информации, производится закрепление за документами этого статуса;

– выполняется протоколирование действий всех участников процедуры Workflow и обеспечивается возможность фиксации всеми участниками своих замечаний и других комментариев;

Ведется контроль исполнения (отслеживание прохождения каждого этапа в отведенное на это время);

– обеспечивается возможность отслеживания инициатором процедуры или диспетчером состояния процесса (на каком этапе он находится, с каким статусом).

Эффективна интеграция процедур Workflow с системой планирования проектных работ. В рамках такой интеграции инициация запуска процедур Workflow в PDM производится по назначенным работам в системе планирования. В обратную сторону из PDM-системы передаются сведения о завершении работ.

В ряде случаев придание юридической силы документам, разрабатываемым под управлением PDM и утверждаемым в ходе процедуры Workflow, достигается с использованием механизма электронно-цифровой подписи.

6 Отслеживание изменений. Применяемость ревизий.

Каждое предприятие машиностроительного профиля производит или разрабатывает некоторый набор конечных изделий. Конечное изделие – это то, что поставляется на рынок. Конечное изделие может быть уникальным, существующим в одном экземпляре, а может выпускаться серийно.

Для иллюстрации механизмов управления применяемостью ревизий рассмотрим следующую модельную ситуацию. В процессе разработки изделия «Х» была создана и выпущена на конечное изделие «Е» ревизия «А». При первом изменении ревизия «А» аннулирована, а вместо нее выпущена ревизия «В». При втором изменении действие ревизии «В» было ограничено первым и вторым экземпляром конечного изделия «Е», а на третий и последующие была выпущена ревизия «С». Затем действие ревизии «С» распространили на конечное изделие «S», разрабатываемое в единственном экземпляре.

Чтобы смоделировать эту ситуацию в PDM-системе, потребуется статусный объект (рисунок 1.9).

Статусный объект несет наименование статуса, а также набор записей о применяемости ревизии, содержащих наименование конечного изделия и диапазон серийных номеров, для которых действует эта ревизия. Для этой конкретной ситуации достаточно двух статусов «Утверждено» и «Аннулировано». В общем случае возможен любой набор статусов, позволяющий отличать в PDM-системе значимые для бизнес-процессов предприятия состояния объектов разработки.

Рисунок 1.9 – Статусный объект

По завершении процедуры выпуска или изменения статусный объект присоединяется к целевым объектам.

Далее изделие «Х» входит в состав электронного макета изделия «Е». Кроме него в состав макета входят, естественно, и другие компоненты, также претерпевшие в процессе разработки множественные изменения, зафиксированные с помощью связанных с их ревизиями статусных объектов. Для того, чтобы выделить из состава изделия ревизии, действующие на этот экземпляр данного конечного изделия, используется так называемое правило ревизий. В правиле ревизий задается наименование статуса ревизий, наименование конечного изделия и его серийный номер. По этим условиям производится конфигурация электронного макета (отбираются только ревизии, удовлетворяющие заданному правилу) и потребителю предоставляется точно соответствующий заданным условиям состав заданного изделия.

Такой механизм позволяет вести информацию о составе целого ряда конечных изделий в рамках одной структуры, избавляя разработчика от необходимости отслеживать состав каждого экземпляра изделия путем создания множества в значительной части дублирующих друг друга структур [57].

7 Ведение вариантного состава изделия.

Использование ревизий отражает итеративный характер последовательного улучшения конструкции изделия, направленное на наиболее полное удовлетворение разнообразных и противоречивых требований, появляющихся на разных стадиях жизненного цикла.

Вместе с тем в конечное изделие может быть изначально заложена возможность вариантности состава. Это могут быть, например, различные комплексы оборудования, связанные с целевым назначением модификации изделия. Или различия в конструкции исполнений изделия для разных климатических условий. Или возможный набор дополнительных опций, повышающий потребительские качества продукта и позволяющий заказчику выбрать желаемую комплектацию. Отсюда возникает задача управления вариантами изделий.

Для этого необходимо определение объекта конфигурации. Объект конфигурации – это изделие или его часть, выполняющая в этом изделии конкретную функцию и обладающая определенным набором свойств и характеристик. Объектов конфигурации в конечном изделии может быть много. В структуру объекта конфигурации включаются все альтернативные варианты. Далее с изделием связываются так называемые вариантные данные. Вариантные данные состоят из:

– списка опций. Каждая опция имеет обозначение, описание и множество возможных значений. Для каждой опции задается значение по умолчанию;

– списка условных логических выражений, отражающих возможные зависимости между значениями различных опций;

– набора логических условий для проверки совместимости набора опций. С помощью таких условий фильтруются недопустимые комбинации значений опций.

С каждым вхождением альтернативного варианта в объект конфигурации связываются условия выбора варианта – логическое выражение на множестве значений опций, принимающее истинное значение тогда, когда должен быть выбран данный вариант.

После того как все сформированные условия пройдут проверку на полноту и непротиворечивость, объект конфигурации готов к использованию. Основным пользователем этой информации является не разработчик, а службы взаимодействия с заказчиком. В процессе подготовки контракта поставщик конфигурирует изделия под требования заказчика, выбранный набор опций фиксируется в правиле варианта, утверждается и становится исходной информацией для организации производства во исполнение заключенного контракта. Для другого заказчика изделие будет сконфигурировано, возможно, по-другому, но также будет хранится в PDMсистеме как формализованное описание заказа. Эта же информация будет использоваться службой послепродажной поддержки как источник точной информации о составе изделия.

8 Информационное обеспечение проектно-конструкторских работ.

Конструкция сложного машиностроительного изделия содержит в своем составе большое количество стандартных изделий, например: разнообразный крепеж, соединительная арматура трубопроводных систем, подшипники, разъемы электрических и электронных систем и др.

В системах разных конечных изделий зачастую используют одни и те же блоки, приборы, узлы.

При разработке конструкции изделия недостаточно создать геометрию узлов и деталей – необходимо определить, из каких материалов они должны быть изготовлены, задать требования к технологическим процессам их изготовления и сборки.

Грамотная работа предприятия с этой информацией невозможна без наличия баз данных и библиотек геометрических моделей стандартных и покупных комплектующих изделий, баз данных по материалам и нормативно-справочной информации. И дело не только в том, что наличие заготовленных решений ускоряет работу конструктора, а скорее в том, что исключается ошибочная или неоднозначная трактовка документации рабочего проекта.

Совокупность этих баз данных составляет систему информационного обеспечения проектно-конструкторских работ (ИО ПКР). С точки зрения пользователя, ИО ПКР представляет систему справочников, предоставляющих ему необходимую и точную информацию.

Каждый справочник характеризуется своей структурой и системой связей. Справочники могут формироваться как в рамках одной информационной системы, так и быть распределенными между различными базами данных.

Основные принципы ведения ИО ПКР:

– каждый вид данных вводится в систему единожды. Дублирование ввода данных в одной или разных базах данных не допускается;

– в качестве первичной системы ввода данных по каждому справочнику выбирается система, содержащая максимальный объем информации по данному справочнику;

– каждый справочник может реплицироваться в другие системы полностью или в ограниченном объеме с возможностью дополнения записей справочника (но не по номенклатуре, а по дополнительным категориям информации). При репликации должна поддерживаться связь с первичными источниками данных [51].

Рассмотрим в качестве примера фрагмент структуры категорий информации по справочнику стандартных изделий (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 – Фрагмент структуры категорий информации по справочнику стандартных изделий

Очевидно, что ведение столь разнородной информации в одной системе нецелесообразно в силу различия форматов информации (строковые атрибуты и геометрическая модель), прав доступа, ответственности за ведение тех или иных данных.

Первичной системой работы со справочниками стандартных изделий является ERP-система. В ней ведется базовая информация по стандартным изделиям.

В PDM-систему реплицируется та часть справочника, которая связана с перечнем-ограничителем, разрешающим применение стандартных изделий в конструкции вновь разрабатываемых изделий в объеме информации, необходимом конструктору.

В PDM-системе записи дополняются геометрическими моделями стандартных изделий, смоделированными средствами CAD-системы, дополнительной информацией о правилах выбора применяемых стандартных изделий и рядом других характеристик, востребованных при работе в среде CAD/PDM. Соответственно справочник для конструктора будет обладать другим интерфейсом и служить для выполнения других функций, основываясь на той же базовой информации.

При этом в случае обновления ERP базовых характеристик стандартного изделия (например, его наименования или исключения из списка разрешенных к применению) изменения автоматически отслеживаются в PDM.

Аналогично производится репликация записей в систему бухгалтерского учета, систему технологической подготовки производства и другие связанные системы.

Репликация в другие системы не ограничивается рамками информационных систем одного предприятия. Она так же производится по всем предприятиям, совместно работающим в рамках проекта. Это позволяет при передаче документации по изделию из конструкторского бюро на завод изготовитель не разрывать сквозную цепочку работы со справочниками и избегать повторного ввода информации как следствие внесения ошибок.