Počítačem podporované výrobní inženýrství - Computer-aided production engineering
Computer-aided production engineering (CAPE) je relativně nové a významné odvětví strojírenství. Globální výroba změnila prostředí, ve kterém se zboží vyrábí. Rychlý rozvoj elektroniky a komunikačních technologií mezitím vyžadoval, aby design a výroba udržely krok.
Popis CAPE
CAPE je vnímán jako nový typ počítačově podporovaného inženýrského prostředí, které zlepší produktivitu výrobních/průmyslových inženýrů. Toto prostředí by použili inženýři k návrhu a implementaci budoucích výrobních systémů a subsystémů. V současné době probíhají práce na americkém Národním institutu pro standardy a technologie (NIST) na systémech CAPE. Projekt NIST je zaměřen na pokrok ve vývoji softwarových prostředí a nástrojů pro návrh a konstrukci výrobních systémů.
CAPE a budoucnost výroby
Budoucnost výroby bude určována efektivitou, s jakou může začlenit nové technologie . Současný proces ve strojírenských výrobních systémech je často ad hoc , přičemž počítačové nástroje se používají v omezené míře. Vzhledem k nákladům a zdrojům spojeným s výstavbou a provozem výrobních systémů musí být inženýrský proces účinnější. K dosažení tohoto cíle by mohla pomoci nová výpočetní prostředí pro systémy strojírenské výroby.
Proč je CAPE důležitý? Výrobní a průmysloví inženýři potřebují sofistikované výpočetní schopnosti k řešení složitých problémů a správě rozsáhlých dat spojených s návrhem výrobního systému, a to stejným způsobem, jako produktoví designéři potřebují počítačem podporované návrhové systémy.
Aby bylo možné vyřešit tyto složité problémy a spravovat konstrukční data , musí být při aplikaci vědeckých a technických metod na problém návrhu a implementace výrobních systémů použity počítačové nástroje . Inženýři musí řešit celou továrnu jako systém a interakce tohoto systému s okolním prostředím. Součásti továrního systému zahrnují:
- fyzický závod bydlení výrobního závodu;
- výrobní zařízení, která provádějí výrobní operace;
- technologie používané ve výrobním zařízení;
- pracovní centra/stanice, stroje , zařízení, nástroje a materiály, které obsahují nebo jsou používány výrobními zařízeními;
- různá podpůrná zařízení;
- vztah mezi továrnou a jejím prostředím.
CAPE se musí zabývat nejen počátečním návrhem a konstrukcí továrny, ale musí také řešit vylepšení v průběhu času. CAPE by měl podporovat standardní inženýrské metody a techniky řešení problémů, automatizovat běžné úkoly a poskytovat referenční data na podporu rozhodovacího procesu.
Prostředí by mělo být navrženo tak, aby pomohlo inženýrům zvýšit produktivitu a efektivitu práce. To by bylo implementováno na osobních počítačích nebo technických pracovních stanicích, které byly nakonfigurovány s příslušnými periferními zařízeními. Vývojáři technických nástrojů budou muset integrovat funkce a data používaná v řadě různých oborů, například:
- výroba, průmyslové a rostlinné inženýrství;
- zpracování materiálů a kvalitní inženýrství;
- environmentální inženýrství,
- matematické modelování/simulace, statistická kontrola procesů a počítačová věda,
- ekonomická a nákladová analýza a věda o řízení,
Mnoho metod, vzorců a dat spojených s těmito technickými oblastmi v současné době existuje pouze v technických příručkách. Ačkoli jsou k dispozici některé počítačové nástroje, jsou často velmi specializované, obtížně použitelné a nesdílejí informace ani nespolupracují. Inženýrské nástroje vytvořené různými dodavateli musí být kompatibilní prostřednictvím architektury otevřených systémů a standardů rozhraní.
Jak bude vypadat CAPE
CAPE bude založen na počítačových systémech poskytujících integrovanou sadu návrhových a technických nástrojů. Tyto softwarové nástroje budou využívat výrobní inženýři společnosti k neustálému zlepšování svých výrobních systémů. Budou udržovat informace o výrobních zdrojích, zlepšovat výrobní kapacity a vyvíjet nová zařízení a systémy. Inženýři pracující na různých pracovních stanicích budou sdílet informace prostřednictvím společné databáze.
Pomocí CAPE připraví tým inženýrů během několika dní podrobné plány a pracovní modely pro celou továrnu. Alternativní řešení výrobních problémů by bylo možné rychle vyvinout a vyhodnotit. To by bylo významné zlepšení oproti současným manuálním metodám, které mohou vyžadovat týdny nebo měsíce intenzivní činnosti.
K dosažení tohoto cíle je zapotřebí nová sada technických nástrojů. Mezi funkce, které by měly být podporovány, patří:
- identifikace specifikací produktu a výrobních požadavků;
- analýza produktivity produktů a modifikace návrhů produktů za účelem řešení problémů s vyrobitelností a řízení, plánování a sledování projektů;
- modelování a specifikace výrobních procesů a uspořádání závodu a plánování zařízení;
- zvážení různých ekonomických/nákladových kompromisů různých výrobních procesů, systémů, nástrojů a materiálů;
- analýza podporující výběr systémů/prodejců a nákup výrobních zařízení a podpůrných systémů;
- návrh úkolu a pracovního místa;
- soulad s různými předpisy, specifikacemi a normami a kontrolou nebezpečných materiálů.
Nástroje implementující tyto funkce musí být vysoce automatizované a integrované; a bude muset zajistit rychlý přístup k široké škále dat. Tato data musí být udržována ve formátu, který je přístupný a použitelný technickými nástroji. Některé příklady informací, které mohou být obsaženy v těchto elektronických knihovnách, zahrnují:
- modely výrobních procesů a konfigurace datových a generických výrobních systémů;
- specifikace strojů a zařízení a katalogy dodavatelů;
- doporučené metody, postupy, algoritmy atd. a srovnávací data;
- typické rozložení zařízení/systému,
- modely odhadů nákladů, ceny práce, další údaje o nákladech a šablony rozpočtu,
- časové standardy, průmyslové standardy, plány projektů a zákony/vládní předpisy.
Tyto on-line knihovny by technikům umožnily rychle vyvíjet řešení na základě práce ostatních.
Dalším kritickým aspektem tohoto inženýrského prostředí je cenová dostupnost, které lze nejlépe dosáhnout návrhem prostředí, které lze postavit z levných „komerčních“ komerčních produktů, a nikoli z počítačového hardwaru a softwaru vyrobeného na míru. Základní inženýrské prostředí musí být dostupné. Z nákladových i technických důvodů musí být navržen tak, aby byl schopen podporovat přírůstkové upgrady. Přírůstkové upgrady by společnostem umožnily přidávat funkce podle potřeby. Komerční softwarové produkty musí být snadno instalovatelné a integrovatelné s jiným již používaným softwarem. Tyto možnosti existují v omezené míře v dnešním komerčním softwaru pro obecné účely, např. Textových procesorech, databázích, tabulkách.
Technické obavy
Při návrhu a vývoji nových technických nástrojů pro CAPE je třeba vzít v úvahu mnoho technických problémů. Mezi tyto problémy patří:
- požadovaná funkčnost samotných nástrojů;
- formalizace a zdokonalení inženýrských metod;
- vývoj on-line technických referenčních knihoven a vizualizace uživatelského inženýrství a grafiky;
- uživatelské inženýrství a techniky vizualizace grafiky;
- konektivita systému a sdílení informací a integrační standardy pro výpočetní prostředí;
- začlenění inteligentního chování do nástrojů.
Je třeba vyřešit tři kritické prvky: vytvoření společného informačního modelu výrobních systémů; pomocí inženýrského přístupu životního cyklu; a vývoj rámce pro integraci softwarových nástrojů.
Řešení těchto prvků pomůže zajistit, aby nezávisle vyvinuté systémy mohly spolupracovat. Společný informační model by měl identifikovat prvky výrobního systému a jejich vzájemné vztahy; funkce nebo procesy prováděné každým prvkem; nástroje, materiály a informace potřebné k provádění těchto funkcí; a míry účinnosti pro model a jeho součásti.
V průběhu let bylo vyvinuto mnoho úsilí o vývoj informačních modelů pro různé aspekty výroby, ale žádný známý stávající model plně nesplňuje potřeby CAPE ernviroment. Proto je zapotřebí přístup životního cyklu k identifikaci různých procesů, které musí prostředí CAPE podporovat, a musí definovat všechny fáze existence výrobního systému nebo subsystému. Některé z hlavních fází, které mohou být součástí přístupu životního cyklu systému, jsou identifikace požadavků; specifikace návrhu systému; výběr prodejce; vývoj a upgrady systému; instalace, testování a školení; a benchmarking výrobních operací.
Funkce správy, koordinace a správy je třeba provádět během každé fáze životního cyklu. Fáze se mohou v průběhu času opakovat, protože systém je upgradován nebo přepracován tak, aby vyhovoval měnícím se potřebám nebo začlenil nové technologie.
Integrační rámec softwarových nástrojů by měl specifikovat, jak by mohly být nástroje nezávisle navrhovány a vyvíjeny. Rámec by definoval, jak by se nástroje CAPE vypořádaly s běžnými službami, vzájemně spolupracovaly a koordinovaly činnosti při řešení problémů. Ačkoli některé stávající softwarové produkty a standardy v současné době řeší problém běžných služeb, problém interakce nástrojů zůstává do značné míry nevyřešen. Problém interakce nástrojů není omezen na doménu počítačově podporovaného výrobního systému-je všudypřítomný napříč softwarovým průmyslem.
Aktuální stav CAPE
Počáteční prostředí CAPE bylo vytvořeno z komerčních softwarových balíčků (COTS). Toto nové prostředí se používá k demonstraci komerčně dostupných nástrojů k provádění funkcí CAPE, k rozvoji lepšího porozumění a definování funkčních požadavků pro jednotlivé technické nástroje a celkové prostředí a k identifikaci integračních problémů, které je třeba řešit, aby bylo možné implementovat kompatibilní prostředí v budoucnost.
Několik technických ukázek pomocí nástrojů COTS je ve vývoji. Tyto ukázky jsou navrženy tak, aby ilustrovaly různé typy funkcí, které musí být při konstrukci výrobního systému prováděny.
Mezi funkce podporované aktuálním prostředím COTS patří: specifikace/diagramy systému, vývojové diagramy procesů , informační modelování , počítačem podporovaný návrh produktů, rozvržení závodu, analýza materiálových toků , ergonomický design pracoviště, matematické modelování, statistická analýza, vyvažování čar, simulace výroby, investiční analýza, projektový management, vývoj systému založený na znalostech, tabulky, příprava dokumentu, vývoj uživatelského rozhraní, ilustrace dokumentu, formuláře a správa databází.
Poznámky
Prameny
- JP Tanner, Manufacturing Engineering: An Introduction to Basic Functions, Marcel Dekker, New York, 1991.
- G. Salvendy (ed.), Handbook of Industrial Engineering, Wiley Interscience, New York, 1992.
- D. Dallas (ed.), Tool and Manufacturing Engineers Handbook, McGraw-Hill, New York, 1976.
- WD Compton (ed.), Design and Analysis of Integrated Manufacturing Systems, National Academy Press, Washington, DC, 1988
