Распространенные на большинстве предприятий методы проектирования и конструирования основаны на применении статистических данных, эмпирических, либо упрощенных аналитических зависимостей [1, 2].

Другой острейшей проблемой отечественного производства, является кризис в кадровой политике. Сложившаяся ситуация привела, наконец, к пониманию необходимости создания новых концептуальных решений в области подготовки кадров и организации труда на предприятии, обеспечивающих переход к современным методам проектирования и производства, что в настоящее время стало важной составной частью научно-технической политики современного общества.

Мы предлагаем свой подход к решению названных проблем.

Качество любого изделия определяется сочетанием его технических, эксплуатационных и художественно-эстетических характеристик, которые в свою очередь зависят от конструкторско-технологических параметров и производственных факторов. Качество изделия, наряду с условиями эксплуатации, предопределяют протяженность его «времени жизни», т. е. периода от изготовления до выхода из строя [3].

При работе изделия суммарное воздействие от перечисленных факторов проявляется неравномерно по времени. Начальный момент эксплуатации характеризуется первичным износом. На рис. 1 он отмечен буквой А. Этот износ определяется несовершенством производственного процесса и возможными отклонениями технологических параметров от расчетных значений. Далее следует этап притирки (участок АВ), на котором изделие адаптируется к реальным условиям работы. После чего, в случае правильной эксплуатации, следует стадия, на которой износ изделия практически отсутствует (участок ВС). Однако в этот период происходит постепенное накопление микродефектов, что в итоге приводит сначала к постепенному, а затем – к резкому увеличению скорости деградации свойств изделия (участок СД). Естественно, что интенсивность накопления дефектов напрямую связана с условиями и временем эксплуатации, качеством материала и конструктивными характеристиками изделия. Для предотвращения сбоев, либо аварий период эксплуатации следует заканчивать на стадии умеренных скоростей деградации, ограничивая конечный срок работы изделия.

Протяженность жизненного цикла изделия определяется четырьмя основными этапами: проектированием изделия, подготовкой производства, изготовлением и эксплуатацией [4]. На первых трех этапах формируется потенциальный уровень протяженности жизненного цикла. Все этапы этого периода взаимосвязаны и находятся в единой системе (рис.2).

Этап проектирования начинается с выработки концепции нового изделия, которая уточняется, анализируется и после проектной проработки материализуется в виде конструкторской документации. Для организации производства разрабатывается технология изготовления изделия, осуществляется материальное и календарное планирование программы его выпуска. Этап производства заканчивается контролем качества продукции. Затем изделие проходит промышленные испытания и попадает на рынок сбыта.

На основании производственного опыта, а также по результатам испытаний и эксплуатации изделия его концепция может измениться. Тогда начинается новый цикл производства, который организуется по рассмотренной выше схеме. Соответственно, отладка конструкции изделия и технологии ее изготовления представляют собой итерационный процесс, число циклов которого во многом зависит от правильности учета при проектировании изделия реальных условий его эксплуатации. Каждый подобный цикл, хотя и позволяет достичь более приемлемого качества продукции, удорожает ее себестоимость. В связи с этим, важная задача производства заключается в его интенсификации за счет снижении временных и материальных затрат на конструкторско-технологическую отладку процесса изготовления конкретного изделия. Она может быть решена при соблюдении принципа системности в подходе к организации конструкторских и технологических работ.

Кроме того, для решения рассматриваемой задачи следует ответить на вопрос: какой уровень качества должен быть достигнут в каждом конкретном случае? Любое сложное изделие можно представить как совокупность функционально взаимосвязанных элементов, работоспособность каждого из которых предопределяет ресурс работы всей системы в целом. Хорошо известно, что прочность любой цепи не превышает прочности самого слабого из ее звеньев. Поэтому важнейшим фактором обеспечения работоспособности сложного объекта является равнопрочность всех его элементов, которая может быть достигнута за счет возможности управления качеством каждой детали, что позволяет регулировать протяженность жизненного цикла изделия в целом.

Известный принцип сбалансированного подхода к качеству всех элементов изделия позволяет добиться их равномерного износа в процессе эксплуатации и снизить затраты на изготовление отдельных малонагруженных деталей. При традиционных методах проектирования и конструирования для увеличения жизненного цикла изделий часто прибегают к недостаточно обоснованному повышению запаса прочности отдельных элементов, приводящему к утяжелению конструкций, завышению габаритов и ухудшению эксплуатационных характеристик продукции. Естественно, что при подобном подходе не может быть и речи об объективно дифференцированном распределении свойств по объему изделия.

Решению поставленных задач может способствовать прогресс современной вычислительной техники, позволяющий существенно изменить положение в рассматриваемой области. Он предполагает подойти к проблемам конструирования, подготовки производства и к самому производству с системных позиций, что дает возможность рассматривать вопрос о жизненном цикле изделий как о результате взаимодействия огромного числа конструкторских, технологических и производственных факторов. Современные системы автоматизированного проектирования, основанные на твердотельном параметрическом моделировании, обеспечивают высокоточный расчет конструкций сложных машиностроительных изделий конечно- либо гранично-элементным методами [5,6]. В результате на этапе проектирования разработчик получает численные данные о характере распределения нагрузки в элементах конструкции при моделировании реальных условий эксплуатации изделия. Это позволяет существенно сократить время отладки конструкций, снизить материальные затраты производства, сбалансировать требования по качеству деталей, входящих в состав изделия. Однако, результаты моделирования практически не используются на этапе технологической подготовки производства, т. к. современный уровень технологического проектирования, к сожалению, существенно отстал от достижений в области автоматизированного конструирования. До сих пор технолог в качестве задания на проектирование получает лишь данные о материале и геометрии детали, ее дополнительной обработке и серийности выпуска и не располагает сведениями о реальном распределении нагрузки по объему детали. В связи с этим, возможность управления качеством изделия за счет технологии ее изготовления полностью не реализуется.

Отставание уровня автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП) от систем автоматизированного проектирования конструкторских работ (САПР КР) объясняется несколькими объективными причинами. Наиболее существенная из них заключается в том, что САПР КР в отличии от АСТПП универсальны. Конструкторские системы могут применяться без существенной адаптации практически на любом машиностроительном предприятии. Для них характерны широкий рынок сбыта, возможность продажи «под ключ». Поэтому фирмы-разработчики программного обеспечения в области САПР проявляют наибольший интерес именно к этому типу систем. АСТПП, напротив, специализированны и зависят от характера производства, вида выпускаемой продукции, серийности их выпуска. Кроме того, прикладное программное обеспечение АСТПП неоднородно по назначению. Оно формируется из набора продуктов, каждый из которых обеспечивает разработку отдельного вида технологических процессов.

Оценивая нынешнее состояние развития автоматизированных систем технологического проектирования, следует отметить, что успешно разрабатываются лишь АСТПП отдельных процессов, таких как сборка конструкций и обработка резанием [7,8], потому что основные операции данных процессов хорошо формализованы и прекрасно моделируются графическими твердотельными образами, вследствие этого системы их технологического проектирования органически интегрируются с конструкторскими САПР. Автоматизированные системы для проектирования остальных технологий (литейного производства, обработки давлением, сварки и т.п.) не могут базироваться на подобных принципах, т.к. должны учитывать особенности и закономерности процессов нагрева, кристаллизации, пластического формоизменения и других явлений, существенным образом влияющих на формирование требуемого уровня качества продукции.

В основу АСТПП, как правило, закладывается принцип групповой технологии, согласно которому все детали классифицируются и объединяются в группы в зависимости от способа их изготовления. Для каждой группы деталей задается свой алгоритм разработки процесса, причем методика проектирования может быть реализована двумя способами. Первый из них базируется на автоматизации расчетов, которые традиционно применяются при безмашинном проектировании. Подобный подход носит механистический характер, он весьма эффективен в случае проектирования хорошо формализованных процессов, однако позволяет получать лишь усредненные значения технологических параметров [9]. Второй способ основан на системном подходе к разрабатываемой технологии, при проектировании которой принимаются во внимание реологические свойства материала заготовки, взаимосвязь и закономерности физических явлений, сопровождающих изучаемый процесс [1].

Объективное исследование подобных систем возможно за счет построения сложных математических моделей, адекватно отражающих сущность проектируемых процессов. Если в прошлые годы моделированием подобного уровня могли заниматься лишь в научных центрах, то в настоящее время благодаря бурным темпам компьютеризации на рынке программного обеспечения появился ряд продуктов [7], позволяющих квалифицированному инженеру-технологу в динамике изучать разнообразные физические процессы, составляющие основу большинства технологий. Именно эти программные продукты становятся основой современных АСТПП, дающих возможность на этапе проектирования управлять структурой и свойствами материала изделия и тем самым формировать требуемый уровень качества продукции.

Практически каждое изделие может быть изготовлено по нескольким альтернативным технологиям. Одним из важнейших критерием выбора наилучшего из вариантов, помимо требуемого уровня качества, является экономическая эффективность разрабатываемого процесса [10]. С задачей выбора экономически выгодной технологии успешно справляются современные автоматизированные системы материального и календарного планирования (АСКМП), которые, помимо расчетов экономической эффективности, предназначены для планирования и координации работы предприятия.

Новые возможности в области автоматизированного проектирования предопределяют изменение взгляда на организацию конструкторско-технологических работ и планирования производства. Наибольший эффект от внедрения автоматизированных систем наблюдается в случае интеграции САПР, АСТПП и АСКМП, когда работа специалистов объединяется единой локальной информационной сетью (ЛИС) и производственной базой данных. Поэтому, на наш взгляд, для достижения оптимального уровня качества изделия корректировка его конструкции должна проводиться совместно с параллельной разработкой альтернативных технологических процессов. Причем проектирование технологий должно быть ориентировано на достижение в изделии дифференцированного распределения свойств, соответствующего реально действующим нагрузкам, оценка которых проводится конечно-элементным анализом конструкции на проектной стадии. Тем самым реализуются принцип системности при организации подготовки производства и принцип сбалансированного подхода к качеству всех элементов изделия.

Процессы конструкторско-технологического проектирования и материально-календарного планирования объектноориентированы на производство конкретных изделий. Поэтому предложенная схема организации интегрированной автоматизированной системы может функционировать следующим образом. Формируется комплексная группа специалистов, состоящая из трех подгрупп – конструкторской, технологической и плановой (рис.3). В состав первой подгруппы входят конструктор изделия и расчетчик, основной задачей которых является конечно-элементный анализ проектируемых конструкций. Вторая подгруппа состоит из нескольких технологов, каждый из которых специализируется на конкретных технологических процессах. Третья подгруппа, состоящая из экономистов и плановиков, осуществляет материальное и календарное планирование проекта и выбирает наиболее экономически выгодный вариант технологического процесса.

Первая подгруппа, получив задание на проектирование, создает концепцию изделия, после чего разрабатывает его конструкцию. Правильность проектировочных решений проверяется конечно-элементным моделированием работы изделия в экстремальных условиях его эксплуатации. После корректировки и уточнения решений информация о проекте поступает по локальной сети от конструкторской подгруппы в технологическую. С помощью классификатора на все детали, из которых состоит проектируемое изделие, формируется ряд альтернативных технологических схем производства. Каждая схема прорабатывается и анализируется технологами. Помимо экономической эффективности, основным критерием выбора наилучшего варианта технологии является достижение оптимального распределения свойств по объему детали согласно характеру ее нагружения. По результатам технологического проектирования концепция и конструкция изделия могут вновь уточняться и корректироваться, для чего проводится новый итерационный цикл конструкторско-технологического проектирования.

В отличие от существующих подходов к организации интегрированных систем производства (ИСП) в предложенном варианте проектирование изделия и технологическая подготовка его изготовления рассматриваются как взаимосвязанные процессы, что достигается благодаря мобильному взаимодействию членов комплексной группы в рамках ЛИС, которые за счет интеграции профессиональных знаний находят наиболее оптимальные конструкторско-технологические решения. Процесс проектирования преобретает ярко выраженный объектноориентированный характер Кроме этого, при разработке технологических процессов в качестве исходных данных учитываются не только традиционные сведения о проектируемом объекте, но и характер распределения нагрузки по объему изделия. Это позволяет на этапе технологического проектирования за счет применения конечно-элементных моделей разрабатываемых процессов наиболее полно учесть влияние производственных факторов и особенностей конструкции изделия на его конечные свойства, т.е. реализовать системный подход.

Реализация изложенного подхода требует, помимо соответствующих работ в области аппаратной и программной поддержки ИСП, наличия кадров, способных эксплуатировать подобные системы. В то же время, российские ВУЗы не готовят специалистов по данному направлению. В этой связи, в соответствии с программой Государственной поддержки интеграции высшего образования и фундаментальной науки в МАТИ (РГТУ) на базе Института системного Анализа (ИСА РАН) организован учебно -научный центр (УНЦ) «Интегрирование систем конструирования и подготовки производства». В задачу УНЦ входит формирование основных направлений в области:

• интеграции конструкторско-технологических систем автоматизированного проектирования;

• разработки программных продуктов и модулей автоматизированных систем технологической подготовки производства и материально-календарного планирования предприятий;

• подготовки конструкторско-технологических кадров и переподготовки специалистов с предприятий по линии повышения их квалификации в рассматриваемом направлении на базе современных информационных технологий и учебно-лабораторного комплекса специализированных кафедр университета.

Для решения поставленной задачи сформирована соответствующая структура центра (рис. 4), которая позволяет, помимо организации обучения слушателей работе со стандартными программными продуктами с последующей выдачей сертификатов, заниматься разработкой собственного программного обеспечения, необходимого для эффективной работы комплексных конструкторско-технологических групп.

В УНЦ предложен новый принцип подготовки специалистов, который позволяет проводить обучение слушателей в составе учебных комплексных групп, формируемых аналогично рассмотренному выше принципу. Совместное обучение позволяет слушателям наиболее полно понять и освоить сущность системного подхода при проведении конструкторского проектирования и технологической подготовки производства, получить практический навык ориентации в едином информационном пространстве локальной сети, получать взвешенные и обоснованные совместные технические решения. После обучения учебные комплексные группы должны проходить стажировку на ведущих машиностроительных заводах. В дальнейшем они представляют собой основу для формирования действующих комплексных групп предприятий.

В теоретическом и практическом разделах курса обучения слушатели УНЦ приобретают знания и навыки по следующим дисциплинам:

• основы системного анализа и моделирования; • основы САПР; • компьютерная графика и конструкторские базы данных; • системы управления базами данных;

• автоматизированные системы технологической подготовки производства;

• математическое моделирование технологических процессов; • базы знаний и экспертные системы;

• автоматизированные системы календарного и материального планирования предприятий;

• системы управления производством; • системы контроля качеством; • интегрированные системы САПР/АСУП и др.

Практика, а также выполнение выпускных работ и дипломных проектов для слушателей УНЦ организуется на ведущих предприятиях страны и ближнего зарубежья. Центр проводит конференции и семинары, а также организует выездные сессии по запросу заинтересованных предприятий как в рамках России, так и в странах СНГ и дальнего зарубежья; издает и распространяет по тематике выбранного направления монографии, научно-исследовательские работы и другие материалы. При УНЦ организована целевая аспирантура, формируемая на льготных условиях для лиц, успешно закончивших учебу.

Рассмотренный подход предусматривает работу Центра в тесном контакте с машиностроительными предприятиями. Тем самым количественно выпуск специалистов ориентирован не на цифры, традиционно планируемые министерством, а на реальные рабочие места, подтвержденные заключаемыми контрактами между студентами, предприятиями и УНЦ. В свою очередь, подготовка специалистов под конкретные заказы предприятий предусматривает переход учебного процесса сначала на частичное, а затем и полное самофинансирование.

Формирование комплексных групп позволит предприятиям эффективно внедрять технологию САПР, что создаст условия для кардинального изменения ситуации не только в организации труда, повышении качества продукции и эффективности производства, но и при решении проблемы неукомплектованности предприятий кадрами, подготовленными для широкого применения информационных технологий в профессиональной инженерной деятельности.

Литература

1. Аксенов Л.Б.. Системное проектирование процессов штамповки. – Л.: Машиностроение. 1990, 240 с.

2. Энгельке У.Д.. Как интегрировать САПР/АСТПП./ Пер. с англ. – М.: Машиностроение. 1990, 320 с.

3. Александровская Л.Н., Афанасьев А.П., Лисов А.А. и др. Управление безотказностью авиационной техники на базе современных информационных технологий.– Информационные технологии. М.: 1997, № 8, с.52-55.

4. Грувер М., Зиммерс Э.. САПР и автоматизация производства. Пер. с англ. М.: Мир. 1987, 528 с.

5. Хокс Б.. Автоматизированное проектирование и производство. Пер. с англ. М.: Мир, 1991, 296 с.

6. САПР. Системы CAD/CAM/CAE. – READ.ME. С-П.: 1997, № 1 , с. 24-31.

7. Галкин В.И.. Современное состояние вопроса о разработке и внедрении систем автоматизированного проектирования конструкторских и технологических работ. – Цветные металлы. М.: 1998, № 10-11, с. 47-52.

8. Гагарин А.Л., Злыгарев В.А.. Подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ в системе КРЕДО. – Информационные технологии в проектировании и производстве. М.: ВИМИ. 1998, № 1, с. 14 – 25.

9. Алиев Ч.А., Тетерин Г.П.. Система автоматизированного проектирования технологии горячей объемной штамповки. М.: Машиностроение. 1987, 224 с.

10. Парамонов Ф.И.. Моделирование производственных процессов.М.: Машиностроение. 1986, 200 с.

Рис. 1. Период эксплуатации изделия
Рис.2. Этапы жизненного цикла изделия
Рис.3. Схема взаимодействия членов комплексной группы конструкторско-технологического проектирования и планирования проекта
Рис.4. Структура учебно-научного центра