Моделе-ориентированное проектирование

Подход моделе-ориентированного проектирования (MBD – Model Based Definition) заключается в том, что вся информация, необходимая для производства закладывается непосредственно в трехмерную модель. Производство в этой концепции также использует трехмерную модель для подготовки производства и изготовления изделия и называется термином «цифровое производство».

 

В основе лежит использование 3D аннотаций (PMI - Product & Manufacturing Information), ассоциативно-связанных с геометрическим объектами этой модели. Это дает реальную возможность сделать 3D модель основным документом и источником данных для изготовления и контроля изделия и позволяет отказаться от чертежа, как обязательного документа.

 

Ключевым моментом в MBD является то, что 3D-модель с PMI должна быть как читаемой человеком, так и машиночитаемой: интерпретируемой людьми и используемой компьютерами и их программным обеспечением с полной прослеживаемостью по процессам.

Всего можно выделить 5 стадий развития проектирования от полностью бумажной до полностью цифровой формы.

стадии перехода от бумажного к цифровому проектированию

 

По мере развития CAD систем для конструкторской подготовки, стало возможно вносить и отображать всю информацию об изделии, необходимую для его производства и контроля
непосредственно в 3D модели. Это достигается за счет аннотирования геометрии модели различного вида 3D аннотациями (PMI - Product & Manufacturing Information), ассоциативно-связанными с геометрическим объектами этой модели, а также вносить различную значимую информацию в виде атрибутов моделей, которые затем могут использоваться для получения различных отчетов. Это дает реальную возможность сделать 3D модель основным документом и источником данных для изготовления и контроля изделия машинными системами.

 

Этап 3 – это основной этап перехода к цифровизации, вся информация закладывается в модель, на основе модели моделируются основные процессы производства. Модель может читаться оборудованием и ПО. Без этапа 3 мы не сможем перейти к этапам 4 и 5 и эффективность останется на уровне оформления чертежей, то есть чуть выше уровня 1.

 

 

 

Системы класса PLM способны хранить такую документацию, отображать ее в реальном времени авторизованным пользователями, обрабатывать ее для получения различных
отчетов, передавать по производственным процессам, то есть управлять всем массивом данных конструкторско-технологической документации.

 

 

 

 

 

Методическая поддержка MBD

Для внедрения концепции MBD на предприятии нужно использовать нормативную базу, то есть стандарты и регламенты работы, которые позволят оформлять КД в виде электронной модели и электронной структуры изделия и стандарты, которые позволяют использовать КД в таком виде для целей подготовки производства, а также подготавливать технологическую и производственную документацию соответственно подходам MBD. Прототипы таких стандартов имеются у ПЛМ Урал. Мы готовы предоставить их своим заказчикам в помощь при внедрении новых технологий цифрового производства.

 

 

Программная поддержка MBD

Инструментами MBD являются прежде всего CAD-CAM-PLM-QMS системы которые способны создавать, хранить и воспринимать трехмерные аннотации при подготовке КД и различных технологий изготовления и контроля. Ведь ключевая возможность подхода MBD, это именно возможность считывания и использования трехмерных аннотаций (а возможность использования непосредственно геометрии изделия была и ранее), заложенных в модель различными системами, помимо возможности визуального восприятия документации не с бумаги, а с экрана монитора.

 

Какую информацию можно заложить в модель в виде 3D аннотаций и затем считать при подготовке технологий и программ изготовления и контроля:

  • Размеры с допусками, отклонениями размеров
  • Посадки в сборке
  • Допуска формы и расположения, базовые поверхности
  • Обозначения резьбовых отверстий и резьбы
  • Обозначения шероховатостей поверхностей
  • Обозначения текстовые (Таблицы, заметки, примечания)
  • Обозначения неразъемных соединений (сварка, пайка, приклейка)
  • Обозначение зон покрытий
  • Позиционные обозначения в сборке
    и другую подобную информацию.

 

Также механизмы MBD позволяют выполнять различного рода анализы безошибочности проектирования:

  • Анализ размерных цепей
  • Анализ достаточности нанесения трехмерных аннотаций для полного описания изделия
  • Анализ геометрической целостности на соответствие критериям точности геометрии
  • Анализ технологичности изготовления по определенной технологии по специальным алгоритмам

На основе данных PMI возможно в автоматизированном режиме собирать и сравнивать статистические данные измерений размеров для анализа качества изготовления серии изделий, то есть интегрироваться с системами класса QMS.
Компания ПЛМ Урал является системным интегратором в области PLM и цифрового производства, и работает на этом рынке уже более 25 лет. В портфеле решений компании множество решений. Для целей цифрового производства мы предлагаем комплексные системы компании SIEMENS:

PLM (Teamcenter, NX, ссылки) для проектирования и управления жизненным циклом изделий, включая NX CAM для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, и NX CMM для программирования КИМ. QMS (Opcenter Quality, Teamcenter Quality, ссылки) для автоматизации процессов менеджмента качества.

 

 

Окупаемость инвестиций в MBD

Как показала практика, просто нанесение 3D аннотаций на модель вместо чертежа может увеличивать трудоемкость подготовки производства. Для получения эффекта от этой технологии надо оптимизировать объем и тип наносимой информации, а также обеспечить ее считывание машинными способами. Отсюда и появились подходы, развивающие MBD до уровня MBE.

Подход развития производства до уровня MBE

 

На тему возврата инвестиций есть специальное исследование (THE ROI OF MBD). Автор выделяет четыре набора инженерной документации и дает трудоемкость ее создания (пример детали и модели приводится в приложении к исследованию), а также ряд комментариев:

 

ВЫПУСК ЧЕРТЕЖЕЙ С АННОТАЦИЯМИ – трудоемкость 8.8 часа (базовая оценка для сравнения с другими способами).

 

ПЕРЕХОД К ЧЕРТЕЖУ от модели С МИНИМАЛЬНЫМ ЧИСЛОМ АННОТАЦИЙ - трудоемкость 5.2 часа. Но, у данного подхода имеется недостаток. 2D-чертеж, экспортированный или сохраненный в нейтральном или другом формате, можно отредактировать без обновления 3D-модели. такой подход приводит к различию в определениях  3D-модели и 2D-чертежа и дорогостоящим ошибкам в процессе производства. В итоге переход от выпуска чертежей с аннотациями к выпуску комбинации 3D-модели и чертежа с минимальным числом аннотаций выгодно только проектным отделам, поскольку сокращает время на создание инженерной документации, но для компании данный подход выгоды не приносит.

 

ВЫПУСК 3D-МОДЕЛЕЙ С АННОТАЦИЯМИ при сохранении подхода как к чертежу - трудоемкость 11.7 часа. Почему создание 3D-модели с аннотациями занимает больше времени по сравнению с созданием чертежа? Причин несколько. Разработка определения изделия на основе модели является более сложным процессом (необходимо ориентировать размеры и допуски на представлениях плоскостей, сгруппировать их в наборы, которые можно скрыть). Недостаток данного метода кроется в попытке снабдить модель аннотациями так же, как чертеж, что повторяет традиционный способ добавления размеров для точной передачи геометрической формы детали, несмотря на то, что геометрия 3D-модели уже выполняет эту функцию. В итоге, переход от чертежа с аннотациями к модели с аннотациями выгоден для компании, так как приводит к снижению проблем в производстве, но не для проектных отделов, которые затрачивают больше времени на создание такого вида документации.

 

ВЫПУСК 3D-МОДЕЛЕЙ С МИНИМУМОМ АННОТАЦИЙ - трудоемкость 6.7 часа. За счет чего получено снижение трудоемкости? Теоретически для детали, которая будет обрабатываться на станке с ЧПУ с использованием управляющих программ, автоматически генерированных в САМ-программе, аннотировать размеры не нужно. С другой стороны, в некоторых случаях размеры и примечания необходимы и должны быть добавлены в модель. Их тип и количество как раз и определяется технологиями, которые их используют в дальнейшем. Модель с сокращенным числом аннотаций выполняет все функции инженерной документации и требует меньше затрат.

 

Также в исследовании говорится о преимуществах MBD в отношении инженерной документации, которая может быть реализована с помощью производственных инструкций. Виды документации, напрямую использующие 3D-модели, позволяют заказчикам самостоятельно получить дополнительную информацию. В них не содержатся 2D-чертежи, которые заказчики должны визуализировать, чтобы представить соответствующий 3D-объект. Эти теоретические выкладки действительно подтверждаются результатами исследований.  Организации, не внедрившие модели в документацию по изделию, имеют 9.5 запросов на изменение на проект в среднем, в то время как у организаций, внедривших модели, этот показатель равен 5.6 (разница 41%). По числу несоответствий на проект этот показатель равен 6.5 и 3.3 соответственно (разница 49%).

 

 

MBD для задач ТПП

С помощью встроенного визуализатора технолог может подробно изучить геометрию детали, требования к её изготовлению, нанесённых в виде трёхмерных технических условий (PMI).

изучение геометрии и требований к изготовлению детали

Разработка технологии в электронном виде использует электронную модель технологической операции (ЭМТО) путём ассоциативного копирования геометрии и необходимых PMI с конструкторской модели. Нанесённые на конструкторскую модель или ЭМТО PMI можно использовать в тексте перехода.

Если этот параметр в дальнейшем необходимо контролировать, то у него ставится соответствующий признак и под операцией создаётся контролируемый параметр в отдельном объекте, который в дальнейшем можно передавать в другие системы, например, QMS. 

В итоге формируется комплект технологической документации, созданный эскиз с электронной модели технологической операции попадает в карту эскизов, а контролируемые параметры в операционную карту контроля.

Еще один вид документации, использующей PMI – это интерактивные электронные технические руководства, служащие для представления технической информации для производства и эксплуатации.

Но MBD — это не синоним бесчертежной технологии. MBD означает, что чертежи если и используются, то они вторичны. При необходимости, можно в любой момент выпускать чертежи, но с ограниченным периодом годности. Вместо документов в PDF, основной результат MBD — пакет технических данных (TDP). 

Пакет технических данных NX уменьшит зависимость от традиционных 2D-чертежей и поддержит сотрудничество с поставщиками, производством, контролем, менеджментом качества, обслуживанием и другими процессами, требующими доступа к 3D-контенту.

Подробнее

 

MBD для задач CAM

Одно из наиболее перспективных направлений развития CAM систем – обработка на основе элементов (feature-based machining - FBM). Такой подход позволяет значительно ускорить и упростить программирование обработки призматических деталей на станках с ЧПУ.

В NX Feature-based machining – это отдельный модуль, который позволяет автоматически распознавать типовые элементы и создавать для них операции обработки. Типовые элементы определяются тремя способами: извлекаются из дерева построения, распознаются по геометрической модели и прямым указанием граней и назначением их атрибутов. Затем распознанные элементы группируются по заданным признакам. Для групп рассчитываются операции, основанные на правилах и шаблонах, подбирается инструмент, метод и параметры обработки.

Технология обработки каждого типового элемента описана в базе знаний обработки (Machining Knowledge database) и доступна для редактирования. Выбор операции для каждого шага осуществляется с учетом текущего состояния заготовки.

Немаловажно и то, что операциям в базе знаний назначен приоритет, который обычно связан со стоимостью ее выполнения. Это позволяет при прочих равных условиях выбрать более экономичный вариант обработки.

Для работы с базой знаний обработки в NX создан редактор знаний обработки (Machining Knowledge Editor). Он позволяет создавать или модифицировать последовательность операций для обработки типовых элементов, чтобы лучше учесть особенности конкретного производства. Правила задает эксперт по обработке, эксперт именно в вашей области обработки. Именно он работает с редактором правил обработки. Результатом его работы служит библиотека правил обработки. Можно использовать разные библиотеки правил для разных производств внутри одного предприятия.

Подробнее

 

 

MBD для менеджмента качества

Перед запуском производства специалисты должны спланировать контроль выпускаемой продукции, чтобы минимизировать проблемы, с которыми может столкнуться потенциальный потребитель.

 

После того как подготовлена конструкторская документация и написан тех. процесс задача инженера по качеству или, иногда, технолога спланировать перечень значимых параметров, которые будут подвергаться контролю в процессе производства и после него. То есть задачей специалистов является составление планов контроля для производства. Эту работу может облегчить работа с 3D моделями, на которые нанесены PMI данные или, иначе, 3D аннотации. 

 

Атрибуты 3D-аннотаций используются для формирования Списка характеристик (Bill of Characteristics), который далее используется в инструкциях плана испытаний. Соответствующий графический эскиз может выводиться в карту контроля (рис. 4). Этот функционал расширяет подходы безбумажного проектирования на стадию производства.

 

Использование 3D аннотаций для плана испытаний изделий

 

Использую систему Opcenter Quality или Teamcenter Quality мы можем спланировать контроль на основе электронного состава изделия и технологии, а также данных взятых с 3D модели, используя ручной ввод или связку с автоматизированными средствами измерений мы можем собрать данные, далее проанализировать неудовлетворительные параметры, определить причины и разработать мероприятия по их устранению, таким образом реализовав известный в области качества цикл PDCA, при это все данные будут привязаны к параметрам, изначально взятых с 3D модели.

Подробнее

 

MBD для программирования КИМ

 

Координатно-измерительные машины (КИМ) играют важную роль в процессе обеспечения качества изделий. Подготовка программ для контроля - это обычно отдельная задача, не интегрированная в PLM процесс. Очень часто она выполняется с использованием 2D чертежей. Этот путь медленный, при этом высока вероятность ошибок, затруднено оперативное внесение изменений при модификации изделий.
Модуль NX CMM Inspection programming может автоматически распознавать элементы контроля и их параметры на основе данных PMI. Далее он также автоматически может создавать необходимые для контроля операции, ассоциативно связанные с этими данными.

 

NX автоматизирует программирование контроля за счет:

  • Создания контрольных элементов на основе CAD геометрии и PMI
  • PMI используется для задания допусков размеров
  • Метод контроля и тип элемента определяют траекторию.

 

Установка автоматического контроля и траекторий

Основной интеллект зашит в команду LINK to PMI, которая не только считывает эти данные, но и создает проект на основе шаблона. В шаблон может входить 3D модель самой КИМ, а также 3D модели измерительных головок, которые часто используются. Эти модели далее используются для виртуальной проверки программ контроля до выполнения реальных измерений.