Еще раз о проектировании «сверху-вниз»
27.08.2020
Максим Семененко
Вопрос организации разработки изделия в современной цифровой среде далеко не прост. Раз за разом конструкторские отделы промышленных предприятий обнаруживают на практике, что получить ожидаемый прирост эффективности на этом пути оказывается весьма сложно. Виноваты ли в этом сами цифровые системы 3D CAD и PLM? Давайте разберемся.
Как обычно, для лучшего понимания вопроса следует обратиться к истории. Со времен Промышленной революции и до появления САПР конструктор пользовался бумагой и карандашом. Укрупненно процесс разработки включал в себя этапы расчетов, общей проработки, деталировки. Очевидно, что при этом отсутствовала техническая возможность работы в единой информационной среде. Листы бумаги, на которых было рассчитано и начерчено изделие, не могли физически оказать друг на друга никакого влияния — это влияние можно было только принять во внимание при внесении изменений вручную. Сборочный чертеж не способен автоматически изменить сложенные вместе с ним в стопку чертежи деталей.
Но действительно ли данная технология разработки является несовершенной? Однозначно нет. С листов ватмана и писчей бумаги сошли поразительные образцы техники. На кульманах разработали атомные подводные лодки и межпланетные космические системы, метрополитены и сверхзвуковые самолеты, телескопы и шагающие экскаваторы, список бесконечен. На протяжении нескольких исторических эпох кульманам просто не было альтернативы Ограничения, присущие процессу ручного черчения документации, воспринимались как ограничения законов физики, то есть, как нечто абсолютно естественное.
Как обычно, для лучшего понимания вопроса следует обратиться к истории. Со времен Промышленной революции и до появления САПР конструктор пользовался бумагой и карандашом. Укрупненно процесс разработки включал в себя этапы расчетов, общей проработки, деталировки. Очевидно, что при этом отсутствовала техническая возможность работы в единой информационной среде. Листы бумаги, на которых было рассчитано и начерчено изделие, не могли физически оказать друг на друга никакого влияния — это влияние можно было только принять во внимание при внесении изменений вручную. Сборочный чертеж не способен автоматически изменить сложенные вместе с ним в стопку чертежи деталей.
Но действительно ли данная технология разработки является несовершенной? Однозначно нет. С листов ватмана и писчей бумаги сошли поразительные образцы техники. На кульманах разработали атомные подводные лодки и межпланетные космические системы, метрополитены и сверхзвуковые самолеты, телескопы и шагающие экскаваторы, список бесконечен. На протяжении нескольких исторических эпох кульманам просто не было альтернативы Ограничения, присущие процессу ручного черчения документации, воспринимались как ограничения законов физики, то есть, как нечто абсолютно естественное.
Есть исторический анекдот: однажды Главного строителя Королевского флота спросили, почему на британских крейсерах начала XX века орудия расположены на батарейной палубе — они же заливаются водой и не способны действовать на волнении. Он ответил: «Я не знаю, почему. Традиция такая». Я не уверен в подлинности данного диалога, но главный момент подмечен абсолютно точно: существует явление психологической инерции. В полной мере это явление проявилось при переходе на 3D CAD-системы.
Получив в свое распоряжение такие системы, под воздействием психологической инерции инженеры принялись воспроизводить ограничения, присущие процессам разработки изделия на бумаге. Нормальной стала считаться ситуация, при которой:
- Концептуальная проработка изделия делается в непараметрической системе двумерного черчения;
- Конструктора строят собственные трехмерные модели либо чертят двумерные чертежи;
- Расчетчики строят собственные трехмерные модели отдельно от конструкторов;
- Технологи строят собственные трехмерные модели отдельно от расчетчиков и конструкторов;
- Никакой физической связи между концептуальной проработкой и трехмерными моделями в различных подразделениях не существует, любые изменения проводятся по аналогии с изменениями в чертежах на кульмане — вручную, полагаясь на личную внимательность исполнителя.
Также отдельно стоит упомянуть, что оригиналом продолжает служить двумерная бумажная документация, а не трехмерный макет изделия. Это приводит к снижению ценности трехмерного моделирования в глазах конструкторов: «Зачем я буду старательно строить модель, если она потом все равно никуда не идет, а платят мне за чертежи?». До сих пор нередко трехмерная модель используется только как источник видов на чертеже, который разрабатывается в системе двумерного черчения безо всякой ассоциативной связи с этой моделью.
Результатом является тот регулярно наблюдаемый печальный факт, что параметрические 3D CAD‑системы используются не в полную силу. Из него следует упущенная прибыль и порою даже разочарование в современных технологиях. Несколько лет назад руководитель одного конструкторского подразделения лично мне высказывал претензии: «Мы внедрили в отделе трехмерную систему моделирования (известное на рынке название), а производительность конструкторов упала!». Такой результат не должен удивлять, если при внедрении современного конструкторского ПО не было произведено пересмотра устоявшихся процессов работы. Между тем, у нас в наличии есть все средства для того, чтобы организовать процесс разработки изделия по-новому, полностью задействовав потенциал современных систем 3D CAD и PLM. С одной стороны, речь идет о пересмотре традиционных процессов, но с другой — менять, по сути, придется удивительно мало.
Речь идет о методологии «Сверху-вниз», известной так же как «Нисходящая методология». Суть ее заключается в том, что разработка изделия ведется от общего к частному: от концептуальных параметров к проработке общей компоновки изделия, и далее к проработке отдельных узлов и входящих в них деталей. Звучит знакомо? Конечно, это традиционная схема работы конструкторов. Никто, в самом деле, не начинает разработку двигателя с прокладки головки блока. Тогда в чем новизна такого подхода и его отличие от традиционной бумажной технологии?
Отличие состоит в том, что все процессы полностью переносятся в трехмерные системы и все связи между стадиями разработки и уровнями изделия создаются физически:
Крайне важно и то, что при данном подходе оригиналом начинает считаться трехмерный макет изделия, а не бумажная документация. Конечно, чертежи требуются и будут требоваться на производстве еще долго, но важно то, что любая документация в парадигме трехмерного макета изделия разрабатывается только на основе этого макета. Главное — это качественная трехмерная модель и заложенная в нее информация, а при необходимости чертеж будет сделан на основе этой модели. Как вариант — в производство пойдет модель с трехмерными аннотациями, эта технология сейчас развивается и находит все более широкое применение.
Преимущества нисходящей методологи неоспоримы. Как в правильно сложенной головоломке, отдельные кусочки составляют цельный осмысленный рисунок, и мы получаем ответы на какие угодно вопросы, например:
И так далее, и так далее. Мы можем дать подобный ответ на какой угодно вопрос — они все решаются в контексте нисходящей методологии, трехмерного моделирования и управления данными об изделии. Она и придумана для решения этих вопросов.
Отличие состоит в том, что все процессы полностью переносятся в трехмерные системы и все связи между стадиями разработки и уровнями изделия создаются физически:
- Концептуальная проработка изделия выполняется в 3D CAD-системе;
- Конструктора используют трехмерные модели концептуальной проработки как основу для разработки детальных трехмерных моделей;
- Расчетчики используют трехмерные модели концептуальной и детальной проработки для проведения расчетов;
- Технологи используют трехмерные модели концептуальной и детальной проработки для планирования процессов изготовления;
- Все связи между моделями присутствуют реально, а не в воображении исполнителей, и все изменения проводятся путем управляемого обновления геометрических связей, устраняя проблему «забытых» изменений.
Крайне важно и то, что при данном подходе оригиналом начинает считаться трехмерный макет изделия, а не бумажная документация. Конечно, чертежи требуются и будут требоваться на производстве еще долго, но важно то, что любая документация в парадигме трехмерного макета изделия разрабатывается только на основе этого макета. Главное — это качественная трехмерная модель и заложенная в нее информация, а при необходимости чертеж будет сделан на основе этой модели. Как вариант — в производство пойдет модель с трехмерными аннотациями, эта технология сейчас развивается и находит все более широкое применение.
Преимущества нисходящей методологи неоспоримы. Как в правильно сложенной головоломке, отдельные кусочки составляют цельный осмысленный рисунок, и мы получаем ответы на какие угодно вопросы, например:
- Как определить облик изделия? Строим концептуальную трехмерную модель;
- Как быстро и эффективно перебрать варианты и выбрать лучший? Делаем варианты концептуальной модели и открываем к ним доступ для расчетчиков. Это не долго, модель не перегружена деталями, которые нам пока не нужны.
- Как сократить сроки детальной проработки? Строим детальные модели на основе концептуальной модели, и быстро собираем на их основе макет изделия — детали уже увязаны между собой;
- Как быть уверенным в том, что все детали можно изготовить на имеющемся станочном парке? Открываем для технологов доступ к концептуальным и детальным моделям, даже к еще незавершенным, и они уже начинают свою проработку;
- Как быстро провести изменения? Внести изменения в модели верхнего уровня, и модели нижнего уровня, связанные с ними геометрическими ссылками, обновятся автоматически под нашим контролем.
И так далее, и так далее. Мы можем дать подобный ответ на какой угодно вопрос — они все решаются в контексте нисходящей методологии, трехмерного моделирования и управления данными об изделии. Она и придумана для решения этих вопросов.
Добавлю — говоря «открыть доступ», я подразумеваю открытие доступа на чтение в системе управления данными об изделии. Совместная разработка по нисходящей методологии лучше всего реализуется под управлением такой системы — как с точки единого информационного пространства и регулирования доступа, так и с точки зрения последующей работы с информацией о готовом изделии.
Для иллюстрации своих слов хочу продемонстрировать реальный пример процесса разработки сложного изделия — высокоскоростного турбокомпрессора, а именно одной из его ступеней. Разработка данного узла сталкивается с рядом сложностей, к примеру:
- Проточная часть рассчитывается и строится в специализированной системе концептуального моделирования.
- Конфигурация проточной части оказывает влияние на все основные детали ступени;
- В корпусных деталях ступени присутствует большое количество отверстий для крепежа и каналов для забора воздуха с целью замера параметров;
- Сжатый воздух оказывает давление на корпусные детали, что требует расчета на прочность;
- Ступень при работе нагревается, что требует водяного охлаждения, и, как следствие, температурного расчета.
Система охлаждения спроектирована в виде негативного тела, которое в итоге вычитается из корпусных деталей. Такой подход обладает высокой наглядностью и серьезно упрощает разработку сложных полостей, особенно таких, которые охватывают несколько деталей одновременно.
Для устранения возможных конфликтов между многочисленными отверстиями под крепеж и каналами для забора воздуха они смоделированы в виде упрощенных негативных тел. Этот подход также обладает очень высокой наглядностью, а также позволяет применить инструменты для поиска пересечений между телами.
Концептуальная модель ступени используется смежными подразделениями в качестве источника геометрии для параллельного выполнения собственных работ. Расчетчики используют ее для проведения температурных, прочностных и газодинамических расчетов. Технологи осуществляют предварительную проработку процессов изготовления и сборки. Сквозные геометрические связи обеспечивают обновление информации для всех исполнителей, если в концептуальную модель вносятся изменения. Весь процесс организован под управлением PLM-системы Teamcenter, которая служит центральным хранилищем всей информации, управляет доступом к ней, и — самое главное — обеспечивает гарантированный доступ к актуальным версиям моделей.
В итоге уже на этапе концептуальной проработки имеется полное представление о конструкции ступени, устранены все конфликты, проведены все расчеты, конструкция оптимизирована и уже проведена значительная часть подготовки производства. Это и есть методология «сверху-вниз».
На этом этапе у читателя может возникнуть вопрос — а как же детали и чертежи?
Детали будут смоделированы в рабочем порядке, большая часть геометрии для них уже проработана в составе концептуальной модели. Эта геометрия будет скопирована в модели деталей при помощи ассоциативных геометрических связей, и в деталях достаточно будет смоделировать только второстепенные элементы. Разработка сборочных единиц не потребует этапа взаимной увязки деталей, так как вся геометрия уже согласована. При внесении изменений в концептуальную модель геометрия деталей автоматически обновится.
Детали будут смоделированы в рабочем порядке, большая часть геометрии для них уже проработана в составе концептуальной модели. Эта геометрия будет скопирована в модели деталей при помощи ассоциативных геометрических связей, и в деталях достаточно будет смоделировать только второстепенные элементы. Разработка сборочных единиц не потребует этапа взаимной увязки деталей, так как вся геометрия уже согласована. При внесении изменений в концептуальную модель геометрия деталей автоматически обновится.
Чертежи могут вообще не разрабатываться — мы можем нанести аннотации непосредственно на трехмерную модель. При этом мы можем воспользоваться подходом «минимально аннотированной модели», когда на модель наносятся только указания о жестких допусках и самые необходимые аннотации, а все остальное считается описанным самой трехмерной моделью. Либо, если чертеж потребуется, его по аналогии также можно сделать «минимально аннотированным» — нанести жесткие допуска и необходимые указания, а для детального описания формы предоставить трехмерную модель. В любом случае оригиналом считается трехмерный макет ступени, размещенный в PLM-системе Teamcenter, а документация разрабатывается на его основе.
Как вы теперь видите, нисходящая методология на самом деле не предполагает серьезных изменений в принципиальном подходе к разработке изделия. Мы проходим те же самые этапы, которые проходили и конструкторы, работавшие на кульманах — расчеты, общая проработка, деталировка. Мы просто осмысленно переносим работу на системы 3D CAD и PLM, не воспроизводя ограничения, присущие бумажной технологии. И если мы не воспроизводим эти ограничения, то на первый план выходят преимущества, которые начинают оказывать синергетический эффект.
В качестве заключения подам еще одну мысль. От руководителей промышленных предприятий нередко приходится слышать риторический вопрос: «Где взять хороших конструкторов?». Нисходящая методология поможет вам воспитать этих конструкторов в собственном коллективе. Если мы работаем «сверху-вниз», то у нас возникает весьма четко деление на «сложную» и «простую» работу: к сложной я отношу концептуальную проработку, а к простой — деталировку и документирование. Назначьте на сложную работу опытного конструктора, который уже «покрутился» и вошел в курс дела, а на простую — молодых специалистов. Таким образом, опытный конструктор не будет отвлекаться на тривиальные вопросы, а молодые будут набираться опыта и постепенно расти, готовясь в будущем взять на себя сложные задачи. Нисходящая методология способна помочь предприятиям и в этом.
Как вы теперь видите, нисходящая методология на самом деле не предполагает серьезных изменений в принципиальном подходе к разработке изделия. Мы проходим те же самые этапы, которые проходили и конструкторы, работавшие на кульманах — расчеты, общая проработка, деталировка. Мы просто осмысленно переносим работу на системы 3D CAD и PLM, не воспроизводя ограничения, присущие бумажной технологии. И если мы не воспроизводим эти ограничения, то на первый план выходят преимущества, которые начинают оказывать синергетический эффект.
В качестве заключения подам еще одну мысль. От руководителей промышленных предприятий нередко приходится слышать риторический вопрос: «Где взять хороших конструкторов?». Нисходящая методология поможет вам воспитать этих конструкторов в собственном коллективе. Если мы работаем «сверху-вниз», то у нас возникает весьма четко деление на «сложную» и «простую» работу: к сложной я отношу концептуальную проработку, а к простой — деталировку и документирование. Назначьте на сложную работу опытного конструктора, который уже «покрутился» и вошел в курс дела, а на простую — молодых специалистов. Таким образом, опытный конструктор не будет отвлекаться на тривиальные вопросы, а молодые будут набираться опыта и постепенно расти, готовясь в будущем взять на себя сложные задачи. Нисходящая методология способна помочь предприятиям и в этом.
Поделиться в соц.сетях
Подписаться на рассылку
Раз в месяц мы рассылаем электронный журнал, где в удобном структурированном виде публикуем свежие видео-стримы, статьи и анонсы событий