Многие российские машиностроительные предприятия внедряют и осваивают PLM (Product Life Cycle Management) – системы управления данными жизненного цикла изделий. Но под проектированием «в цифре» каждый подразумевает что-то своё. Так, я знаю организации, где отсканированные бумажные чертежи складируют в электронный архив и называют это переходом на цифровые технологии.
В этой статье я расскажу о том, как в принципе должно быть выстроено 3D-проектирование, а примером мне послужит Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля.
Цифровой двойник. Зачем он нужен?
На Западе уже несколько лет как появился термин «цифровой двойник». Постоянно расширяющееся понятие «цифровой двойник» представляет собой виртуальную цифровую копию изделия.
Сюда входит:
- виртуальная функциональная модель конструкции, систем и оборудования, на которой отрабатывается и оптимизируется как функционирование комплекса систем между собой, так и изделия в целом, различные виды САЕ-анализа с оптимизацией (получение данных для конструирования);
- полностью созданная и увязанная конструкция в трехмерном цифровом представлении, конструкторский состав с конфигурациями;
- виртуальная производственно-технологическая модель, подразумевающая технологическую подготовку производства по трехмерным электронным моделям, виртуальную отработку и симуляцию техпроцессов, связь с системами MES и ERP, технологические, производственные, эксплуатационные составы;
- виртуальная поведенческая модель изделия, которая включает в себя имитацию функционирования изделия, пилотажные тренажеры, виртуализацию испытаний, функциональную схему расчета надежности, отказоустойчивости, живучести, а также эксплуатационную документацию и прогнозирование функционирования в эксплуатации.
Таким образом, охватывается весь жизненный цикл. В сложном машиностроении такой подход позволяет создавать более качественные изделия при существенном сокращении сроков и затрат.
Однако в реальной жизни все происходит не столь гладко. Как я уже сказал, под проектированием «в цифре» на российских предприятиях иногда понимается даже складывание сканированных бумажных чертежей в какой-нибудь электронный архив.
Само по себе применение 3D-моделирования тоже ещё ни о чем не говорит. Мне приходилось встречать предприятия, которые вроде бы используют 3D-моделирование для разработки своих изделий, но лучше бы они продолжали работать на кульмане. Это было бы эффективнее.
На многих предприятиях одну и ту же деталь могут моделировать по три раза. Конструктор спроектировал литейную деталь в 3D в CAD-системе, выпустил на нее чертеж, получил подписи, сдал в архив. Далее конструктор оснастки для изготовления этой детали по чертежу снова моделирует эту деталь и проектирует формообразующие элементы оснастки для отливки этой детали, выпускает чертеж, сдает в архив. После этого технолог, создающий программу для обработки элементов оснастки на ЧПУ, берет чертеж оснастки и фактически третий раз строит эту деталь.
Все это происходит потому, что подлинником конструкторской документации (КД) является чертеж и актуальность моделей не гарантируется и не контролируется. То есть 3D-моделирование рассматривается как некоторое вспомогательное средство конструктора или технолога для выпуска 2D-документации. А с учетом последующих изменений, целесообразность 3D-моделирования пропадает, т.к. 3D-модели превращаются в мусор, который нельзя использовать на последующих этапах жизненного цикла, в частности, для производства. При таких условиях ни о каком цифровом двойнике не может быть и речи.
В последнее время я часто вижу, что на российских предприятиях запускают процессы так называемой «оцифровки» чертежей конструкторской документации. Но такой вариант работы изначально проблемный. Например, сделать увязанную 3D-сборку изделия по чертежам проблематично (а применительно к планеру самолета или вертолета вообще невозможно, т.к. авиационные чертежи планера из-за наличия свободных форм не содержат полного топологического описания деталей и сборочных единиц).
Чтобы получить увязанную конструкцию с возможностью последующих автоматизированных изменений, которую можно запускать в производство, необходимо организовать процесс перепроектирования изделия на основе цифровых технологий. В противном случае «оцифровка» не принесет положительного эффекта, ничего не соберется.
Масштабный проект на вертолетном заводе
Современные PLM-решения – это сложные многокомпонентные программные комплексы, которые при условии их правильного внедрения существенно повышают эффективность бизнеса предприятия. Но даже самая передовая высококачественная западная PLM-система сама по себе не гарантирует высокие результаты предприятия, которое стремится повысить производительность труда и общую эффективность бизнеса. Методология внедрения и грамотная организация производственных процессов на базе цифровых технологий не менее важны, чем выбор PLM-системы. А что касается затрат, то успешное внедрение с лихвой окупает инвестиции в PLM.
Примером такого успешного внедрения может служить проект PLM, реализованный на Московском вертолетном заводе им. М.Л. Миля.
МВЗ им. М.Л. Миля – это конструкторское бюро, опытное производство, комплекс испытательных стендов, летно-испытательная станция. Поэтому основной задачей завода является разработка вертолетной техники. Опытные машины по КД МВЗ им. М.Л. Миля строятся на серийных заводах.
С самого начала руководство завода очень серьезно и комплексно отнеслось к внедрению PLM на предприятии и поставило цель – перейти на качественно новый уровень разработки вертолетов с помощью самых современных мировых достижений в области цифровых технологий. Характерно, что перед началом проекта на МВЗ не делалось технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения PLM. Для руководства было очевидно, что без современных цифровых технологий вертолетное КБ не выдержит конкуренции и через какое-то время прекратит свое существование.
Все началось с тендера по выбору программных средств PLM и внедряющей компании. Тендер проводился очень скрупулезно, в два этапа, в комиссию были привлечены лучшие специалисты МВЗ. На последнем этапе они рассматривали программные комплексы французской компании Dassault Systemes и американской Siemens PLM Software. В результате победил ЛАНИТ, предложивший решение на основе продуктов компании Siemens PLM Software – системы CAD/CAE/CAM NX и системы PDM Teamcenter.
Только тогда можно построить эффективные процессы проектирования и технологической подготовки производства по цифровым технологиям. Поэтому внедряющая компания должна обладать продуктовой, предметной, организационной компетенцией, иметь положительный опыт реальных внедрений и быть способной постоянно двигаться вперед по мере развития PLM.
В начале 2008 года на МВЗ им. М.Л. Миля началось полномасштабное внедрение PLM на базе систем NX и Teamcenter. Первое лицо предприятия, исполнительный директор Михаил Короткевич принимал непосредственное участие в организации процесса. На заводе сформировали структуру по внедрению, рабочую группу, состоящую из «предметных» людей и работников ИТ. Заместителем исполнительного директора по ИТ стал конструктор с пятнадцатилетним стажем Сергей Воробьев, который, прекрасно понимая философию процесса проектирования вертолетов, стал на МВЗ основным предметным идеологом применения цифровых технологий.
Внедрение цифровых технологий в машиностроении – это глобальное изменение в организации. Это изменение основных процессов, внутренних стандартов и регламентов, организационной структуры, сознания сотрудников и руководителей всех уровней, изменение вида документации и принципов взаимодействия различных служб. Такое глобальное изменение возможно только при непосредственном участии высшего руководства и людей, досконально понимающих процессы основной деятельности предприятия. У традиционной ИТ-службы часто не хватает полномочий и предметных знаний.
Михаил Короткевич (справа) получает диплом победителя конкурса «Российская организация высокой социальной эффективности», 2014 год
Перед началом внедрения Михаил Короткевич собрал коллектив завода, четко поставил цель, сказав, что этот проект внедрения PLM для предприятия – «последний шанс вскочить на подножку уходящей цивилизации, и если сейчас этого не сделать, то КБ перестанет существовать».
Параллельно шла колоссальная работа по привлечению кадров, особенно молодежи, разрабатывались механизмы мотивации для освоения новой технологии, модифицировалась организационная структура КБ под новые процессы.
Изначально специалисты ЛАНИТ и МВЗ сформулировали идеологию внедрения, которую одобрило руководство МВЗ. Была поставлена задача – реализовать процесс контекстного цифрового проектирования с подлинником КД в виде полного электронного макета вертолета (отказ от конструкторской документации в виде 2D-чертежей).
При контекстном проектировании очень важно, чтобы разрабатываемое изделие проектировалось в виртуальном 3D-пространстве целиком в одной системе координат. Только в этом случае можно организовать реальное контекстное проектирование и целиком увязать конструкцию, так как многие системы проходят через все изделие.
С помощью системы ассоциативных связей и механизма управления этими связями в среде NX-Teamcenter получался не просто полный электронный макет, а «живой» макет – в нём можно автоматизированно проводить изменения (конструктор управляет этим процессом) как с уровня компоновки и теоретического обвода на детальный электронный макет, так и на уровне самого электронного макета.
При таком реальном контекстном проектировании получается очень эффективным сам процесс проектирования – за счет увязанной в момент создания конструкции и за счет быстрого проведения изменений в процессе конструирования.
Как результат, на выходе получается полностью увязанный электронный макет, который передается для технологической подготовки производства. Важно, что при такой технологии проектирования не требуется никакой дополнительной увязки электронного макета. Увязанный 3D-макет существенно сокращает сроки и затраты (сокращается количество брака и изменений из-за нестыковок, выявленных в производстве, меньше подгонки по месту) в производстве сложной техники.
Но технология непростая, требует длительного обучения персонала, перестройки сознания работников всех уровней, решения массы специфических задач и отработки процедур применительно к создаваемым изделиям.
Подлинник КД в виде электронного макета изделия целиком в CAD/CAE/CAM, PDM-системах открывает принципиально новые возможности построения существенно более эффективных процессов самого проектирования, конструкторско-технологической подготовки производства, обеспечения производства, поддержки в эксплуатации.
Технологическая подготовка производства по электронным моделям в среде PLM обеспечивает повышение эффективности за счет целостности данных и увязанной конструкции, ассоциативности технологической документации (которая тоже в значительной части в 3D) с конструкторской. А также за счет возможностей визуализации и управления составами, за счет возможности виртуальной отработки технологических процессов.
3D-подлинник КД необходим для применения передовых технологий: всех видов обработки на оборудовании с ЧПУ, в том числе аддитивных технологий. Также это необходимо для реализации концепции интернета вещей.
Подлинник конструкторской документации в PLM-системе
Обучение и начальное освоение новых принципов работы, разработка инструкций и стандартов предприятия осуществлялось на перепроектировании легкого вертолета Ми-34 в вариант Ми-34С с измененным фюзеляжем.
Ми-34С1 на авиасалоне МАКС. Источник
Учебный процесс был выстроен близко к реальному контекстному проектированию. Столь сложные технологии на МВЗ внедрили в кратчайшие сроки (чуть больше года), и уже в 2009 году Михаил Короткевич принял решение запустить разработку нового изделия, МИ-28УБ по Гособоронзаказу полностью по новой технологии электронного макета в среде NX и Teamcenter.
Подлинником конструкторской документации в этом проекте являлся полный электронный макет в NX и Teamcenter. Чертежи и спецификации не делались даже в электронном виде, и представители заказчика смотрели и утверждали 3D-документацию непосредственно в PDM системе Teamcenter. В таком виде МВЗ передает КД на серийные заводы.
От базовой модели Ми-28УБ отличается новой носовой частью, имеющей измененную компоновку, новый теоретический обвод и конструктивно-силовую схему, а также существенно измененную систему управления.
Ми-28УБ. Источник
В процессе проектирования по новой цифровой технологии пришлось преодолевать человеческий фактор, особенно противодействие среднего звена руководителей. Нужно признать, что начальники структурных подразделений во время переходного периода объективно попадают в трудное положение. Во-первых, моральная перестройка для освоения новых технологий даётся им очень тяжело. Во-вторых, приходится переносить основную нагрузку со старой гвардии на молодых сотрудников, становящихся более успешными. И в-третьих, приходится совмещать новые процессы с текущими ответственными задачами.
Чтобы преодолеть эти сложности, от линейной структуры КБ на время перешло к матричной, т.е. была сформирована команда проектирования Ми-28УБ. Вошедших в эту команду специалистов вывели из административного подчинения своих руководителей. Начальники отделов участвовали в утверждении КД, но напрямую не распоряжались сотрудниками команды.
После окончательной отработки процессов, разработки соответствующих СТО и регламентов КБ вернулось к линейной структуре, при этом поменялось большинство начальников отделов, пришли руководители, выросшие, работая по цифровым технологиям.
Несмотря на то, что серийный завод на момент передачи КД от МВЗ не был готов к работе по электронным 3D-моделям, наличие КД в виде увязанного электронного макета привело к тому, что количество нестыковок в производстве первой опытной машины Ми-28УБ оказалось значительно меньше, чем на серийных Ми-28.
В 2013 году Ми-28УБ совершил первый полет. Все последующие разработки МВЗ ведет именно по такой технологии, постоянно расширяя функционал комплекса PLM, ставя новые задачи и осваивая появляющиеся возможности.
Многие предприятия в России, много лет внедряя PLM, никак не могут решиться радикально перейти полностью на цифровые технологии проектирования и технологической подготовки производства. Внедряемые цифровые технологии оказываются в стороне от основного рабочего процесса. Обычно это связано с нежеланием руководства брать на себя ответственность. Хотя деньги, как правило, затрачены большие, общая эффективность работы предприятия остается на прежнем уровне.
Образец для подражания
Организация процесса цифрового проектирования на МВЗ им. М.Л. Миля построена наиболее правильно и совершенно в России. Соблюдены базовые принципы применения высокоуровневых цифровых технологий, обеспечивающие высокую эффективность работы.
- Проектирование вертолетной техники ведется в среде Teamcenter в контексте изделия в глобальной системе координат. Объект проектирования находится в виртуальном пространстве целиком в виде трех структур (концептуальный облик вертолета, рабочие структуры, где создается детальная конструкция и электронный макет), обеспечивающих контекстное проектирование и управляемое автоматизированное проведение текущих увязочных, конструктивных и вариантных изменений. Ничего не копируется. В процессе создается полный, «живой» электронный макет, содержащий в точном исполнении абсолютно все элементы будущего изделия вплоть до крепежа, шплинтов и контровочной проволоки с пломбой.
Вот так выглядит цифровой макет вертолета, который передается для серийного производства
Электрические схемы разрабатываются в системе Е3, интегрированной с NX и Teamcenter, а прокладка электрических трасс – в NX.
В процессе проектирования в среде PLM решаются многочисленные задачи инженерного анализа с использованием КД в виде 3D-моделей. Прочностные, тепловые и частично аэродинамические расчеты. В настоящее время идет освоение системного 1-D анализа с использованием ПО Amezim.
Электронные макеты вертолетов содержат сотни тысяч компонентов. На МВЗ им. М.Л. Миля нет ни процедур, ни подразделений по увязке электронных макетов, поскольку при правильно построенном контекстном проектировании каждый элемент становится увязанным в момент создания (за что отвечает конструктор) и никакой дополнительной увязки не требуется.
- Полный электронный макет в NX/Teamcenter юридически и фактически является подлинником конструкторской документации. Чертежи отсутствуют, а электронные модели всегда актуальны, качественны и содержат всю необходимую информацию для технологической подготовки и производства (технологические аннотации, технические условия, необходимые атрибуты). Все модели проходят нормоконтроль. Нормоконтроль высоко автоматизирован с помощью штатных средств NX и специально созданных на МВЗ утилит. Все согласование и утверждение КД происходит в Teamcenter.
Вот так выглядит один из WorkFlow-процессов в Teamcenter.
- Освоена технологическая подготовка производства по электронным моделям элементов, которые изготавливаются непосредственно на МВЗ им. М.Л. Миля, например, новые композитные лопасти несущего винта. Оснастка для производства лопасти проектируется ассоциативно конструкторской документации и производство оснастки осуществляется также по электронным моделям. Применяется виртуальная отработка техпроцесса сборочных операций. Широко используется обработка на станках с ЧПУ.
Виртуальный техпроцесс сборки прессформы для лопасти.
- На основе 3D-подлинника КД создается интерактивная эксплуатационная документация в соответствии со стандартом S1000D (руководства по эксплуатации, каталоги), ассоциативная с КД.
Интерактивный каталог
P.S.: даже на Западе немногие крупные компании полностью перешли на контекстное проектирование и подлинник КД в виде полного 3D электронного макета.
Автор: PLM_team
Хех… инохда между желаемым и реалями хромадная пропасть… Сей опус надо было оформлять не как свершившийся факт, а то к чему надо стремиться… И кохда вышеописянное станет реальностью, одному Богу известно…
Для спарвки…на боевые изделия типа Ми28НМ априори не реализуемо ЭЭД согоасно S100D…