Глава 13. Виртуальная инженерия

акие компоненты, как конвейеры, накопители, доки, производственные участки [ процессы. Кроме того, система моделирует процедуры - маршруты, последовательности и слияния. После этого модель производства анализируется в тер-шнах затрат на рабочую силу, инвентаризации, эксплуатационных расходов, за-рат на обработку и длительностей цикла.

Рис. 13.4. Виртуальная имитация автомобильного завода (с разрешения Deneb Robotics, Inc.)

гти возможности позволяют использовать виртуальный завод для планиро-ания производства, включая оценку проектов производственных систем и срав-ение альтернативных способов производства. Когда эта технология достигнет релости, с помощью виртуального завода можно будет сымитировать всю це-очку поставок, что позволит оценивать и оптимизировать весь процесс управ-ения ресурсами и производства.

3 3 Применение виртуальной инженерии

роцесс виртуальной инженерии начинается с геометрических моделей, затем митируются производственные системы и в конце изготавливается виртуаль-ый прототип или виртуальный продукт. Поскольку на выходе этот процесс не ает никаких физических объектов, может показаться, что действия, выполняе-ые в его рамках, фиктивны. Однако виртуальная инженерия является эффектным средством проектирования. Она позволяет испытать различные вариан-и конструкции и выбрать из них оптимальный до того, как начнется реальное [юизводство. Кроме использования в качестве средства проектирования, вирту-пьная инженерия имеет ряд применений в реальной производственной деятель-

ГСТИ.

13.3. Применение виртуальной инженерии

443

13.3.1.Средство проектирования\

Виртуальная инженерия предлагает совершенно новый подход к процессу проектирования. Ее принципиально иной пользовательский интерфейс создает среду проектирования, стимулирующую большую интерактивность и погружение в процесс. Она помогает конструкторам лучше понять особенности конструируемого объекта и быть более креативными. Кроме того, она позволяет уже на ранних стадиях учесть в конструкции человеческие факторы.

В проверке и оптимизации могут помочь цифровая имитация и виртуальное прототипирование. Эксплуатационные характеристики одной из потенциально возможных конструкций можно оценить с помощью виртуального прототипирования и цифровой имитации. Возможность производства конструкции можно оценить путем имитации процесса производства на виртуальном заводе. Имея виртуальный прототип, можно произвести тонкую корректировку конструкции, анализируя его методом конечных элементов и другими методами. Полная имитация функциональности продукта может выявить конструктивные упущения и возможные усовершенствования. Имитация эксплуатационных характеристик продукта и возможности его производства дает инженерам возможность принимать правильные решения в процессе проектирования. Итеративная процедура виртуального прототипирования позволяет достичь более полной оптимизации проекта.

Еще один аспект процесса, который упрощает виртуальная инженерия, - это проектирование «сверху вниз». Вместо нынешнего подхода к проектированию, при котором сначала разрабатываются все компоненты по отдельности, а затем они соединяются, проектирование «сверху вниз» начинается с глобальных функциональных требований, на основе которых затем разрабатывается детализированная конструкция. Таким образом, за отправную точку при проектировании берется концептуальный проект, а на выходе получаются детальные конструкции компонентов. В отличие от реальных прототипов, виртуальный прототип может быть собран даже в том случае, когда нет проработанных во всех подробностях компонентов. После оценки проекта по виртуальному прототипу можно разработать подробные конструкции деталей на базе структуры, заданной виртуальным прототипом. Такой подход обеспечивает более интуитивный процесс проектирования на ранних стадиях.

13.3.2.Оценка возможности производства

Виртуальная инженерия позволяет оценивать возможность производства различных вариантов конструкции. Такая оценка дает информацию о длительности обработки, времени цикла, затратах и качестве продукта. Она позволяет также прогнозировать время подготовки к работе, время выполнения и затраты на рабочую силу. Разумеется, для такого рода оценок требуются исчерпывающие модели производственного процесса. Требуется принять решение, подходит ли данная конструкция для производства. Можно сделать также качественную оценку возможности производства, позволяющую охарактеризовать простоту производства. Если данная конструкция не подходит для производства, можно выявить, исследовать и необходимым образом изменить атрибуты конструкции, являющиеся причиной затруднений.

13.3.3.Оценка и контроль качества

i [митация тестирования и процесса эксплуатации позволяет оценить сборку или ссплуатационные характеристики продукта. Имитация процесса эксплуатации озволяет выполнить ряд статистических тестов на модели для определения ее увствительности к конструктивным и производственным изменениям. Затем ожно определить индекс качества по отношению к возможности выполнения щределенного процесса или конструктивному допуску. Это дает оценку качест-1 до начала реального производства.

11 процессе оценки качества определяются также основные факторы, влияющие ;а него. Имея эту информацию, можно усовершенствовать конструкцию, модифицируя те факторы, которые были идентифицированы как ухудшающие каче-

гво. Кроме того, качество продукта можно повысить, улучшив производствен-тое оборудование. Так как итеративный процесс проектирования является менее

орогим при использовании виртуальной системы, можно исследовать весь спектр : тьтернативных вариантов конструкции для нахождения оптимума. Оценка возможности производства и оптимизация конструкции позволяют организовывать реальный производственный процесс наиболее эффективным способом. Эти процедуры приводят к созданию лучше спроектированного и изготовленного продукта с минимальным количеством дефектов.

13.3.4.Оценка и оптимизация производственного процесса

Цифровая имитация позволяет проверять операции обработки на станке с ЧПУ, кйствия роботов и траектории измерений с помощью коордннатно-измеритель-

1эй машины до начала реального производства. Траектория движения инструмента, руки робота или щупа, заданные в плане процесса, визуализируются и

дениваются по результатам имитации. При имитации можно выявить и предотвратить потенциальные столкновения и другие ошибки. В качестве альтернативы можно автоматически определить траекторию движения без столкновений, [ем самым избежав дорогостоящих повреждений, которые могут возникнуть в

сальном процессе.

1омимо общей оценки процесса, оценка ключевых его элементов позволяет оп-: имально спланировать процесс. К ключевым элементам относятся закрепление детали, подача деталей, обработка компонентов и перемещения в процессе обра-

отки.

13.3.5.Планирование производства и продуктов

Лмитация производственной деятельности осуществляется путем моделиро-ания отдельных событий. Это позволяет оценить производительность, исполь-уемость оборудования, эксплуатационные расходы и ноток материалов. Можно акже анализировать статические характеристики: время цикла, рабочие зоны механизмов, размещение механизмов, доступность для управления и обслужива-1ия, а также эффекты и взаимодействие вариаций допуска. Имитационное планирование лучше подходит для производственных линий, на которых весь про-[зводственным процесс состоит из сходных последовательностей действий. Для митащш цехов, выпускающих мелкие серии продукции различных типов с разными технологическими маршрутами, необходимы более продвинутые системы.

Еще одно применение виртуальной инженерии - планирование продуктов. • годня быстро меняющиеся рынки требуют коротких периодов планирования и быстрой доставки продуктов. Моделирование позволяет мгновенно оценить за траты, цикл производства и график доставки, не прибегая к физической реализации. Использование имитационного планирования продуктов позволит компании эффективно реагировать на изменения рынка.

13.3.6.Интерфейс для заказчика

Виртуальная инженерия позволяет легко подстраивать продукт под требования заказчика и точно оценивать время доставки. Разработав виртуальный продукт, можно продемонстрировать клиенту его трехмерную модель и сымитировать работу прототипа. После этого в прототип можно внести изменения в интерактивном режиме в соответствии с требованиями заказчика, передать его напрямую в инженерный отдел, а оттуда в цех, тем самым ускоряя производство. Таким образом, пожелания заказчика выступают в качестве непосредственной обратной связи в процессе разработки продукта. Виртуальная инженерия предоставляет интерфейс, позволяющий быстро и точно схватывать желания клиента, благодаря чему производитель способен более эффективно реагировать на нужды клиентов, как в терминах затрат, так и в смысле своевременности.

13.3.7.База знаний

Когда виртуальная инженерия станет реальностью, можно будет систематически получать и анализировать информацию о производственном процессе. Управление производственной информацией имеет своей задачей обработку всеобъемлющей информации о непрерывном обороте моделей и инструкций по обработке на всем протяжении цикла разработки. В сегодняшней физической среде экспертные знания трудно зафиксировать, кроме того, отсутствует четкая система обработки информации о производстве и разработке, поэтому предшествующий конструкторский опыт не полностью отражается в последующих поколениях продуктов. Виртуальная инженерия позволяет эффективно накапливать обширную базу данных по экспертным знаниям, храня и обрабатывая всю имеющуюся инженерную информацию. Впоследствии данные из этой базы знаний и результаты их визуализации могут послужить руководством для инженерных аналитиков, работающих в группах по проектированию и модификации продукта.

13.3.8.Коллективная разработка

Виртуальная инженерия обеспечивает основу для коллективной разработки., Инженеры и конструкторы, работающие над одним и тем же проектом, могут! легко делиться друг с другом данными о продукте в цифровом виде. Используя общие виртуальные среды, инженеры, находящиеся далеко друг от друга, могут< совместно и одновременно изучать цифровой прототип. Они могут работать параллельно в контексте общих производственных требований. Кроме того, эти среды позволяют инженерам и конструкторам получить более глубокое представление о продукте, повысить его качество, сократить интервал до выхода продукта на рынок и с самого начала обеспечить правильность конструкции, снизив потребность в дорогостоящих переделках на более поздних стадиях процесса.]

>амки совместной работы можно расширить за пределы компании, организовав бмен информацией о виртуальном продукте с поставщиками и партнерами, что юзволит установить более тесные связи при разработке продукта.

.3.4. Родственные технологии

.3.4.1. Интеграция CAD и компьютерного моделирования

1режде чем запускать программу анализа методом конечных элементов или про-рамму имитации, необходимо создать геометрическую модель. Таким образом, онструктор, работая с системой геометрического моделирования, создает модель, затем экспортирует ее в программы анализа или имитации. Перенос данных из дной программной системы в другую в стандартном формате данных нередко фиводит к потере части информации. Для преодоления этой трудности в совре-[енных CAD-системах предусмотрены дополнительные модули анализа и имн-ации, тесно интегрированные с системой моделирования1. Эти модули позволя->т решать задачи кинематического моделирования, анализа методом конечных лементов, генерации сетки и последующей обработки непосредственно в систе-ie моделирования.

"акое интегрированное решение предоставляет в распоряжение пользователя динообразную среду для моделирования, анализа и имитации, позволяя избегать потери информации, часто происходящей при переносе данных. Это позво-яет легко переходить от проекта к его оценке и также закладывает основу для гмитационной виртуальной инженерии.

.3.4.2. Управление степенью детализации I избирательная визуализация

Ут графических средств виртуальной инженерии требуется способность рисо-ать в реальном времени большое количество сборных моделей и движущихся 1еханизмов. Хотя современная графическая аппаратура достигла впечатляющих ысот, ее возможностей все еще недостаточно для реалистичного отображения юделей и обновления их в реальном времени либо соответствующее оборудова-ме слишком дорого. Быстродействие графической аппаратуры является одним

Система I-DEAS Masters компании SDRC - одна из первых систем, предоставляющая полную линейку модулей компьютерного моделирования, САМ и тестирования, интегрированных с центральным модулем проектирования. Система Pro/Engineer от Parametric Technology Corporation включает в себя модули Pro/Mechanica, выполняющие структурный, вибрационный, температурный и двигательный анализ. Pro/MESH п Pro/ FEMPOST - это пре- и постпроцессоры анализа но методу конечных элементов соответственно. Система CATIA от Dassault System включает программу анализа но методу конечных элементов CATIA Finite Element Modeler и программу компьютерного моделирования механизмов CATIA Kinematics. Система Unigraphics от Unigraphics Solutions имеет модуль пре- и постпроцессора UG/Sccnario и модуль анализа UG/FEM. Модуль UG/Mechanics используется для кинематического анализа и компьютерного моделирования конструкций.

из главных препятствий в виртуальной инженерии. Даже при ограниченных аппаратных возможностях быстродействие графических систем можно повысить, используя такие программные методы, как управление-степенью детализации и избирательная визуализация.

Под управлением степенью детализации (level of detail - LOD) понимается управление качеством отображения. Вспомните, что нелинейные поверхности представляются на графических дисплеях с помощью плоских ячеек, обычно имеющих форму треугольников. Чем больше плоских ячеек используется для представления поверхности, тем более адекватно поверхность отображается, но при этом отображение замедляется. Поскольку уровень детализации, который может восприниматься пользователем или отображаться с помощью имеющейся графической аппаратуры, граничен, попытка изобразить слишком много деталей представляет собой напрасную трату процессорного времени. В методе управления степенью детализации используется несколько представлений одной и той же сцены, которые отображаются с различным уровнем детализации в зависимости от контекста. Управление степенью детализации происходит двумя способами: статически и динамически. При статическом управлении степень детализации варьирует в соответствии с размером модели. Близко находящийся объект отображается с высокой степенью детализации, а с удалением объекта степень детализации уменьшается.

Избирательная визуализация (culling) это выборочное отображение объектов. В любой момент при просмотре сцепы пользователю видна только часть всего набора моделей. Определенное количество данных либо окажется за пределами отображения, либо будет закрыто другими объектами. Таким образом, отправлять на фафическое устройство всю информацию об объектах нет необходимости. Есть два типа избирательной визуализации: зрительный конус и зрительное присутствие. В режиме зрительного конуса отсекаются все объекты, выходящие за пределы зрительного конуса. В зависимости от того, в какое место модели направлен взгляд пользователя, одни объекты будут находиться в поле зрения, а другие вне его. Объекты, находящиеся вне ноля зрения, которое иногда называют зрительным конусом (view fnistum), не посылаются в очередь объектов на графическое отображение. Например, когда пользователь смотрит на комнату, системе не нужно посылать графическую информацию о потолочном вентиляторе, если он находится вне зрительного конуса. В режиме зрительного присутствия (occurence) объекты, находящиеся позади других, более близких объектов, являются невидимыми. Объекты, которые не видны пользователю при взгляде в данном направлении, можно не посылать в графическую очередь. Например, когда отображается полностью собранный автомобиль, его двигательное отделение не показывается, поскольку оно закрыто корпусом автомобиля.

С возрастающей сложностью виртуальной инженерии и приложений виртуальной реальности растет спрос на высококачественную графику и компьютерное моделирование с высокой частотой смены кадров. Управление степенью детализации и избирательная визуализация помогают повысить производительность графической системы программными средствами. Они начинают все более широко применяться в CAD и виртуальной инженерии.