ГУП "ПО "Севмашпредприятие" в г. Северодвинске, известное на весь мир своим вкладом в строительство атомного подводного флота Советского Союза и России, как и всё машиностроение России, испытывает в последнее время заметное укрепление своего экономического положения. Оптимизм рабочим и инженерам СЕВМАШа вселяет существенное пополнение портфеля заказов и не только за счёт традиционного оборонного заказа, но и за счёт освоения строительства новых объектов морской техники и судов, в том числе и на экспорт. Важным ключевым моментом, определяющим возрождение предприятия и освоение новых направлений, стало совершенствование проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства на основе САПР и информационных технологий.
История развития САПР в проектно-конструкторском бюро СЕВМАШа (ПКБ "Севмаш") насчитывает не более 7-8 лет, выпавших к тому же на трудные годы экономического спада. Главным вопросом в эти годы было определение верной стратегии инвестирования в САПР в ситуации, когда недостаток средств заставлял больше думать не о развитии, а о выживании производства. Очевидно, что приобретение какой-то дорогой "тяжёлой" CAD системы, работающей на дорогостоящей технической платформе, было невозможно. Выбор системы AutoCAD в качестве базового графического программного продукта был почти безальтернативным, прежде всего из-за сравнительно небольшой цены продукта, возможности установки его на сравнительно недорогие компьютеры, открытости системы, богатого набора инструментальных средств разработки программного обеспечения, распространённости в России и у зарубежных партнёров СЕВМАШа.
С первых шагов освоения AutoCAD (начиная с версии 10) в ПКБ ставилась задача получить от внедрения системы максимальный результат. Головной специальностью на начальном этапе была выбрана корпусная специальность. Это определялось сложившейся к тому времени коммерческой ситуацией на предприятии. Кроме того, корпусные судостроительные чертежи, включающие порою более тысячи позиций, являются наиболее трудоёмкими в разработке.
Всё начиналось с традиционных для многих задач автоматизации оформления чертежа за счёт программного сервиса, разрабатываемого на Автолиспе и стандартизации структуры DWG файла. Но скоро стало ясно, что этого недостаточно, скорость работы конструкторов выросла незначительно. Следующим шагом было создание программного интерфейса AutoCAD и разработанной в ПКБ программы формирования спецификации. Для обеспечения этого интерфейса информация, необходимая для формирования спецификации, заносилась в атрибуты блоков Автокада. Блоками представлялись номера позиций и текст основной надписи (углового штампа). Программный интерфейс снял проблемы нестыковки чертежа и спецификации и дал заметный прирост, процентов на 30, производительности труда конструктора. Но он не менял в принципе ситуации, которую принято обозначать как "электронный кульман", то есть ограничение САПР плоским черчением и задачей ускорения работы только конструктора. Для преодоления этого ограничения и обеспечения использования результатов конструкторского труда при плазовой подготовке производства был принят так называемый принцип "точной геометрии". Это означало, что в процессе разработки конструктор был обязан точно строить чертёж, определяя в нём точные контуры по возможности всех деталей, которые затем передавались на плаз. Следование принципу "точной геометрии" усложнило задачу конструкторам, но при этом сократило затраты на подготовку производства. Одновременно повысилось качество чертежа, так как осознание большей ответственности заставило конструктора более тщательно прорабатывать конструкцию. Другим интересным опытом в этот период был опыт унификации конструкций. Унификация проводилась в трех уровнях: унифицированные элементы (вырезы для прохода профиля, обрезка концов и т.п.), унифицированные детали и унифицированные узлы. В возможных случаях использовалась также унификация укрупненных узлов (состоящих из других унифицированных узлов и деталей). Предпосылками к поиску решения по унификации деталей и сборочных единиц с одной стороны были: характер конструкции, проектируемых в то время и отличающихся большой регулярностью набора (морской понтон для фирмы PROMARIS, корпус минибалкера фирмы для BIJLHOLT, конструкции опор ледостойкой самоподъёмной платформы ЛСП "Арктическая" по тех.проекту ЦКБ "Коралл", морской ледостойкой стационарной платформы МЛСП "Приразломная") — с другой стороны желание получить выигрыш за счёт типовых маршрутов обработки деталей и сборки узлов, сокращения затрат на подготовку производства. Интересно, что для описания унифицированных деталей использовалась параметризация макроописаний контуров деталей с использованием таблиц параметров. Построение контуров деталей по макроописаниям, как и сама подготовка макроописаний, производились в среде AutoCAD в автоматизированном режиме.
Параллельно с развитием автоматизации выпуска чертежей велись работы по использованию системы Автокад для решения плазовых задач. Причём результаты от внедрения системы в плазовую подготовку были получены еще до начала использования AutoCAD в проектировании. Первый опыт применения AutoCaAD для плазовых работ был получен на буксире голландской фирмы DAMEN в 1992 году. Сжатые сроки, недостаток вычислительной техники, практическое отсутствие специализированных судостроительных приложений в то время, небольшой опыт работы в системе пользователей были полностью компенсированы универсальностью, открытостью AutoCAD и лёгкостью разработки программ в Автолиспе. Весь объем деталей корпуса, включая обшивку, был разработан своевременно. Были получены все данные для изготовления постелей, гибочной и сборочной оснастки. Удалось в ходе работ разработать ряд эффективных приложений автоматизации плазовой подготовки. Интересной особенностью формы корпуса буксира была её высокая технологичность, построенная на принципе использования поверхностей (цилиндрических, конических и линейчатых) точно разворачиваемых на плоскость. Использование этой особенности на базе специально разработанного программного обеспечения развёртки деталей в Автолиспе позволило сократить сроки плазовых работ и обеспечить требуемое качество при сборке, а также внедрить новую технологию гибки с использованием образующих, определяемых в AutoCAD.
Однако результаты работ на буксире показали, что лучший результат можно получить только в интеграции проектирования и плазово-технологической подготовки. Первым шагом на этом пути и стало использование чертежей, выполненных по правилам "точной геометрии" и унификация конструкций.
Другим направлением автоматизации плазовых работ было использование информации базы данных программы формирования спецификаций корпусных чертежей. Использование базы данных упростило оформление карты технологического процесса на обработку детали, а AutoCad обеспечил вставку детали на поле бланка с одновременным расчетом и простановкой габаритных размеров, контрольных диагоналей и периметра детали. Кроме того, были разработаны программы, позволяющие изменять контур деталей с учетом припусков и сварочных зазоров, рассчитывать и проставлять разделки кромок под сварку с использованием справочника узлов сварки, определять маршрут обработки детали в корпусообрабатывающем цехе. Такая работа впервые была проделана в полном объеме на проекте самоподъёмной платформы "Арктическая". В 1994 году
В целом, на базе перечисленных программных решений и AutoCAD-12 к 1996 году (то есть всего за 3 года) на "Севмаше" сложилась вполне логичная и цельная система, интегрированная с технологической и плазовой подготовкой производства и организационно оформленная соответствующим положением. Объём программного кода, написанного в основном на Автолиспе, составлял к этому времени несколько десятков тысяч строк.
Жесткие контрактные сроки строительства надводных судов подталкивали к поиску и новых подходов в организации конструкторско-технологической подготовки монтажного производства. В 1996 году инженеры ПКБ приступили к разработке и внедрению приложения для трехмерного моделирования трубопроводов в AutoCAD-12. Создание электронной модели рассматривалось как альтернатива натурному макетированию трубопроводов на судне. Перспективность данного направления была очевидна. Во-первых, компьютерное моделирование позволяло исключить часть технологических операций, выполняемых на стапеле, и тем самым сократить продолжительность строительства судов. Во-вторых, появлялась возможность с максимальной эффективностью задействовать имеющийся парк трубогибочных станков с числовым программным управлением.
Для успешного решения поставленной задачи и получения быстрых практических результатов необходимо было создать приложение, не требующее от пользователей большого опыта работы с AutoCAD. Основные AutoLisp-функции были написаны и внедрены в промышленную эксплуатацию в процессе плановой разработки чертежей в течение 1996 года и за пять последующих лет не претерпели принципиальных изменений. Модель трубопровода, состоящая из окружностей и 3М-сетей, строится в координатах судна в логичной для инженера-механика последовательности. Основные этапы построения модели:
С помощью специальных функций редактирования выполняются подрезка и удлинение труб, копирование, перемещение и зеркальное отражение. При необходимости все элементы модели трубопровода могут быть автоматически преобразованы в твердые тела.
Впервые появилась возможность в одном пространстве объединить трубопроводы различных систем, смоделированных группой инженеров, и выполнить необходимые проверки их взаимного расположения. На слайде внизу показан экран AutoCAD с 3-мерной моделью полного комплекта систем буксира.
В течение первых двух лет при моделировании трубопроводов использовался набор плоских сечений корпуса, выполненных в точной геометрии и расставляемых в координатах судна. В дальнейшем, с появлением полноценной трехмерной модели корпуса, конструкторы-механики получили возможность выполнять качественный контроль отсутствия пересечений не только трубопроводов различных систем между собой, но и трубопроводов с корпусными конструкциями, расположенными в пространстве между набором корпуса.
Важной особенностью приложения является то, что при построении модели автоматически генерируются графические элементы изометрического чертежа трубопровода, благодаря чему на моделирование и последующую разработку конструкторской документации не приходится тратить времени больше, чем на обычные "плоские" чертежи.
В настоящее время система моделирования трубопроводов широко используется и на других направлениях деятельности СЕВМАШа, не связанных со строительством судов. К числу таких можно отнести обустройство нефтедобывающих месторождений, строительство МЛСП "Приразломная", проектирование и изготовление установок для очистки воды.
Вообще надо отметить, что разработка программного обеспечения и развитие САПР в целом в условиях СЕВМАШа тесно связаны с производственной программой и текущими задачами. Вот и следующий значительный прорыв в технологии использования AutoCAD связан с проектированием и строительством на СЕВМАШе платформы для добычи нефти на месторождении "Приразломное". В своё время (планируется, что установка платформы на месторождении произойдёт 2005 году) это будет грандиозное сооружение - стальной остров, установленный на морское дно Баренцева моря.
Добыча нефти до 180 тыс. баррелей (22 тыс. т) в сутки
Количество скважин: 48
Объем нефтехранилищ: 127000 куб. м
Персонал 160 чел.
Габариты: 126 х 126 х 91 м
Вес платформы: 85000 т
Срок службы 25 лет
Заказчиком МЛСП "Приразломная" является АО "Росшельф". Генеральным проектантом проектных работ на кессоне (основании платформы) является компания Haliburton Brown & Root (офис проектного бюро в Лондоне), имеющая большой опыт по проектированию морских платформ для добычи нефти и газа по всему миру. Как и положено такой компании на западе, она великолепно оснащена программными и аппаратными средствами и имеет высококвалифицированный персонал, владеющий этими средствами. Первоначально для проектирования кессона платформы Brown&Root предложил использовать собственную CAD систему TRITON, которая представляет собой специально "заточенную" для 3-мерного моделирования оснований морских платформ систему EUCLID. Предполагалось, что данные 3-мерного моделирования TRITON будут передаваться конструкторам СЕВМАШа для оформления рабочих чертежей в Автокаде в привычном для СЕВМАШа и принятом в России виде, а также для использования в плазовой подготовке производства. Но уже первые тонны конструкции, смоделированные в TRITON, показали чрезмерную трудоемкость и связанную с этим стоимость проектных работ. Моделировщики Brown&Root явно не справлялись с рабочим графиком, хотя и работали более чем напряжённо. Из-за высокой стоимости проектирования (в которую, кстати, включается стоимость аренды системы и рабочих станций Silicon Graphics) заказчик оказался не в состоянии оплачивать проект и потребовал разработки мероприятий по снижению стоимости проектных работ. Причина неудачи TRITON была в том, что CAD TRITON была специализирована на моделировании оснований морских платформ, но другой, чем у МЛСП, конструкции, которая представляет собой ферменную опору из труб, так называемый "джекет". Число деталей, каждая из которых в модели TRITON имеет твёрдотельное представление, в конструкции кессона МЛСП "Приразломная" на 2 порядка больше, чем в джекете. К тому же эти детали плоские. Методология Brown&Root получения детали в твёрдотельном представлении требовала использование булевых операций с твёрдотельными примитивами, одни из которых выступали в качестве заготовки, другие в качестве инструмента, вычитающего из заготовки лишний объём. Заготовки и инструменты сохранялись в базе данных и структурно организовывались в виде дерева. Такая методология даёт исключительную гибкость модели при внесении изменений в конструкцию. Достаточно изменить параметр инструмента и автоматически меняется результирующая форма детали. Однако это очень накладно для ресурсов рабочей станции и локальной сети, трудоёмко для пользователей. В результате проектантом было принято решение отказаться от использования TRITON на проекте кессона и ограничиться использованием для выпуска рабочих чертежей Автокада, используя его в качестве "электронного кульмана".
Но для специалистов СЕВМАШа общение с 3-мерным моделированием на этом не закончилось. Возникла идея, а что если 3-мерное моделирование провести в Автокаде (к тому времени была уже приобретена 13 версия). Толчком к ней было то, что ранее при передаче геометрической информации из TRITONа через DXF передавались контуры плоских деталей. Эти контуры после некоторой обработки и превращения в полилинии AutoCAD использовались и для оформления чертежа, и раскроя металла. Контуры передавались в координатах кессона и при загрузке в общий DWG файл создавали вполне правдоподобное изображение модели. Толщина детали могла эмулироваться высотой полилинии (высота - в терминах Автокада).
При необходимости такое условное представление может быть легко преобразовано в полноценное твёрдотельное представление. Конечно, для того, чтобы реально обеспечить необходимые условия для 3-мерного моделирования необходимо было решить ещё очень много задач таких как: представление внутренних вырезов в общей группе полилиний детали, создать набор программных инструментов для пользователей, эмулирующих работу с полилиниями как работу с солид моделью. Интересным решением было создание алгоритма и программной процедуры распознания контуров и автоматического присвоения одинаковым контурам общего обозначения — унификации. Другой проблемой была интеграция геометрической, числовой и текстовой информации, которая могла быть приписана конуру конкретной детали. Здесь Автокад может предоставить программисту несколько возможностей. Это и SQL интерфейс с внешними базами данных, и атрибуты блоков, и расширенные данные примитивов. Для хранения текстовой информации было принято решение использовать в основном расширенные данные полилиний, которые легко связать со всей полилинией и с её отдельным сегментом. Конечно, для того чтобы можно было удобно читать и заносить текстовую информацию в расширенные данные нужно было разработать соответствующие программные процедуры. На слайде внизу показан экран AutoCAD с диалоговым окном такой процедуры.
Чтобы обеспечить формирование видов чертежа на основе 3-мерной модели был разработан комплект программных процедур. Пересмотрено программное обеспечение формирования спецификации. Все это было сделано в течение сравнительно небольшой паузы в проекте (5-6 месяцев), возникшей в 1997 году после требования заказчика снизить стоимость проектных работ. Затем работы были возобновлены, но 3-мерная модель уже создавалась руками конструкторов СЕВМАШа. Причём скорость продвижения проекта уже не зависела от моделирования конструкции и выпуска чертежей.
Критики облегченного представления 3-мерной модели на основе полилиний Автокада конечно же могут отметить ограниченность этой идеи даже для корпусных конструкций. Как быть, например, с деталями из профильного проката, отливками, гнутыми деталями? Ну, во-первых, никто не мешает внедрять в облегченную модель и солид-объекты для представления таких деталей. Во-вторых, на основе комбинации объектов облегченного представления можно представлять и профили. Такой опыт имеется. В-третьих, применительно к кессону МЛСП, деталей, которых невозможно представить в облегченном виде, не наберётся и полпроцента. Зато, какие преимущества! На не самом "крутом" PC можно собрать модель с несколькими десятками тысяч деталей, которую проблематично было бы увидеть и на рабочей станции. И при этом доступны все качества солид-модели. Можно посчитать объём, массу и центр масс. Можно посчитать площадь поверхности конструкции (сейчас это используется для создания программного обеспечения расчёта площадей окраски). Можно построить любое сечение и определить его геометрические характеристики.
После освоения на проекте МЛСП облегченной модели развитие программного обеспечения не закончилось. Новым достижением было интегрирование 3-мерной модели и структурного представления свойств объектов модели в виде дерева. Решение этой задачи строилось на словарях Автокада - определённого рода списках примитивов, хранимых в базе данных Автокада и составляемых на основе общности какого либо свойства. Вообще говоря, в качестве такого свойства в дереве может быть любое свойство, например:
Для создания и управления деревьями в 3-мерной модели на основе Object ARX и Visual C было создано соответствующее программное обеспечение. Программное сопряжение дерева с распределением полилиний по слоям сделало возможным выборочную подсветку и отображение объектов модели на экране. На слайде внизу показан экран AutoCad с раскрытым слева окном дерева сборки.
Наиболее ценным было получение возможности комфортно строить дерево сборки, вставлять, удалять и перемещать узлы дерева, назначать узлам атрибуты, контролировать ещё не учтённые в дереве детали. На основе выстроенного дерева сборки легко формируется информация для спецификации с правильным группированием и сортировкой позиций и подсчётом количества одинаковых деталей.
Включение в модель дерева сборки позволило рационально решить задачу предварительного раскроя металла. При традиционной плазовой подготовке производства точное количество листов металла определялось по результатам раскроя металла после выпуска и передачи на плаз чертежей. При этом часто приходилось вводить дополнительные стыки или изменять их расположение в конструкции, изменять габариты листов в заказе металла и менять состав технологических альбомов. На базе дерева сборки было разработано программное обеспечение, позволяющее в автоматизированном режиме выполнять раскрой без ручной выборки деталей. Для обеспечения автоматической выборки заранее, с помощью специальных программных процедур, формируется таблица альбомов, в которой определяется, детали каких сборочных единиц и по каким чертежам должны быть раскроены и вырезаны одновременно. Такое группирование на СЕВМАШе называют запуском. Требуемый альбом выбирается из списка, предлагаемого программой. Программа последовательно загружает файлы с моделями конструкций по соответствующим чертежам, выбирает с помощью дерева сборки детали, входящие в заданные сборочные единицы, сортирует их по марке материала, толщине и габариту листов и выдаёт диалоговое окно, позволяющее выполнить автоматизированный раскрой любого из предложенных типоразмеров. Автоматизированный раскрой выполняется во внешней программе, результаты раскроя возвращаются в AutoCAD. В графическом поле AutoCAD появляются сразу все сформированные карты раскроя. При необходимости можно, не выходя из программы AutoCad, изменить габариты листа или состав запуска, повторно выполнить раскрой и в результате добиться оптимальной раскладки деталей.
Все эти операции могут выполняться ещё на стадии моделирования конструкции, то есть до распечатки чертежей, что позволяет своевременно оптимизировать конструкцию по критерию коэффициента использования металла и учесть необходимые изменения в заказных ведомостях.
Для выполнения раскроя необходимо учесть сборочные припуски на теоретических контурах деталей. Система позволяет включить в модель положение монтажных припусков с указанием их величины, а также определить группы деталей с припусками. В процессе раскроя система анализирует необходимость задания припуска на кромках деталей и соответствующим образом изменяет их контур. Во время раскроя автоматически выполняется и развертка деталей с цилиндрической погибью. Если же лист обшивки имеет сложную пространственную кривизну, он разворачивается и включается в модель в развернутом виде предварительно. На слайде внизу показан экран AutoCAD с картами раскроя и диалоговым окном для установки параметров раскроя.
Использование уникальных восьмизначных имен деталей позволяет получить карты раскроя на этапе проектирования ещё до оформления чертежа. После оформления чертежа и соответствующей сверки его с картами раскроя формируется маршрут вырезки деталей.
Представление контуров деталей в виде полилиний AutoCAD, идеально отвечающих требованиям преобразования их в маршруты резки и управляющие программы, позволило оптимальным образом решить и эти задачи. Разработанное программное обеспечение позволяет не только получать маршруты резки и управляющие программы, но и редактировать уже готовые управляющие программы - загружать маршрут вырезки в AutoCAD, удалять, вставлять и заменять детали, задавать перемычки, менять точки входа в контур детали и многое другое. В результате можно быстро получить новый файл с исправленной управляющей программой резки деталей.
После определения номеров позиций чертежа, можно уже выполнять подготовку карт технологического процесса корпусообрабатывающего цеха. Поскольку в модели имеется вся информация о геометрии деталей и все текстовые данные спецификации, разработанные программы позволили формировать плазовые эскизы в автоматизированном режиме, не дожидаясь окончательного оформления чертежа и спецификации.
Программа формирования плазовых эскизов постоянно совершенствуется. Сейчас 3-х мерное моделирование позволяет обеспечить в автоматическом режиме простановку на поле детали ориентирующих надписей, расположение на эскизе профильных деталей в соответствии с технологическими правилами, развертку деталей с фланцами, задание требуемых размеров и многое другое.
Формирование всех необходимых данных для сборки выполняется также с использованием модели корпусных конструкций. В дополнение к традиционным контуровочным и проверочным эскизам в среде AutoCad готовятся управляющие программы для машины "Telerex" фирмы ESAB, выполняющей разметку и дробеструйную обработку мест установки набора на плоских секциях. Программное обеспечение, работающее в среде AutoCAD, позволяет в автоматизированном или интерактивном режиме формировать маршрут разметки, зачистки линий и маркировки надписей c учётом всех особенностей станка.
В целом, сейчас уровень развития 3-мерного моделирования таков, что конструкторов и технологов не нужно уговаривать (как это было раньше) строить 3-мерные модели. Преимущества новой методологии очевидны всем. Выполнение проектных работ и технологическая подготовка производства для верфи на базе 3-мерного моделирования стали для СЕВМАШа стандартными. Кроме "Приразломной". 3-мерное моделирование было успешно применено на проектах буксиров, строящихся на СЕВМАШе для голландской фирмы DAMEN, для технического проекта погружного понтона.
Имеются дальнейшие планы развития имеющегося программного комплекса на основе 3-мерного моделирования в AutoCAD. Распространение идей моделирования на другие дисциплины, а также развитие его на освоенных направлениях связывается на СЕВМАШе с планами апгрейда 27 лицензий существующей 14 версии на AutoCAD 2000i и приобретением дополнительных лицензий.
Иногда нас спрашивают: "Зачем вы наращиваете число лицензий Автокада, если одновременно внедряете или планируете внедрять "тяжёлые" системы?" Ответ на этот вопрос прост. "Тяжёлые" системы необходимы, прежде всего, в "тяжёлых" ситуациях, которых не так уж и много в повседневной жизни проектного бюро. Можно прилично сэкономить, оставив ограниченное число лицензий "тяжёлой" CAD для особо сложных работ и оснастив основную массу рабочих мест недорогим, в то же время эффективным Автокадом.
Но, чтобы сделать Автокад эффективным, нужно хорошо его изучить, проявить творческую фантазию и очень много потрудиться. И только после того, когда от созданных программ появится существенный и видимый всем эффект можно объявить эти программы системой САПР и дать ей имя. Кстати, на СЕВМАШе такая, описанная выше, автоматизированная система проектирования и технологической подготовки производства называется САПР-"Бриз".
Если кого-то заинтересовал опыт СЕВМАШа и система "Бриз", мы можем предоставить дополнительную информацию. Пишите нам по e-mail ipko@sevmash.ru.
вернуться к
списку