«САРУС.CAM» – отечественная система для самых амбициозных задач

Кирилл Олегович Махов

Технологическое оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ) – краеугольный камень современного производства. После ухода с отечественного рынка зарубежных вендоров на помощь российской промышленности пришел Институт цифровых технологий ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». В его флагманском продукте «САРУС.CAM» воплощен богатейший опыт экспертов и практиков в области разработки управляющих программ для высокотехнологичных станков. О возможностях, преимуществах и перспективах развития системы рассказал руководитель проекта Кирилл Олегович Махов.

Автоматизация в комплексе

«САРУС.CAM» – один из компонентов отечественной импортонезависимой системы полного жизненного цикла «САРУС», релиз которой состоялся в середине 2023 года. С помощью этого комплекса ведущие предприятия ОПК и гражданских отраслей промышленности уже начали разработку высокотехнологичных изделий мирового уровня. В их числе – первый отечественный электрокар «АТОМ».

Такой уровень доверия не случаен: фундаментом для новой системы послужил опыт, равный которому в стране трудно найти.

– ИТ-история РФЯЦ-ВНИИЭФ началась в середине прошлого века. Тогда научный руководитель Юлий Борисович Харитон поставил перед коллективом задачу применить в атомном проекте вычислительные методы – то есть то, что сегодня мы называем информационными технологиями. А поскольку с самого своего создания Российский федеральный ядерный центр входит в число организаций ОПК, мы исторически соблюдаем ограничения по использованию зарубежных технологий, оборудования и цифровых решений, создавая вместо них собственные. Кроме того, РФЯЦ-ВНИИЭФ – предприятие полного цикла, и автоматизация производства всегда была одной из его ключевых задач. Этот колоссальный опыт и лег в основу «САРУСа» и составляющих его систем, в том числе CAM-системы.

«САРУС» обеспечивает сквозную 3D-технологию в единой для всех систем среде поддержки жизненного цикла изделия с детальной конструкторско-технологической проработкой. Его применение ускоряет, упрощает, удешевляет и повышает качество конечной продукции.

Комплекс входит в реестр отечественного ПО, сертифицирован по требованиям ФСТЭК РФ и обеспечивает защиту важной информации до уровня «Совершенно секретно». Решение подходит как для предприятий оборонно-промышленного комплекса, так и для гражданских отраслей промышленности: авиа-, судо-, машиностроения и других.

Чем CAM-система Института цифровых технологий отличается от других отечественных и зарубежных аналогов?

– Главное – это не отдельный продукт, а часть единого комплекса. Уже 25-30 лет назад в мире возникло понимание, что не должно быть отдельно CAD, CAE, CAM – должна быть единая CAD/CAE/CAM-система. Однако большинство зарубежных аналогов подошли к этому объединению механически: начинаясь с некой базовой системы, они позднее либо разрабатывали дополнительные, либо присоединяли сторонние, поглощая их создателя. То есть выбрали путь интеграции разрозненных продуктов. В конечном счете это привело их к ряду проблем, которые они сейчас стараются не слишком афишировать – но и преодолеть не могут.

Наша же система изначально разрабатывалась как комплексное решение. Оно позволяет эффективно реализовать единый интерфейс, единую базу и единое информационное пространство для управления цифровой моделью данных инженерных приложений, включая обеспечение целостности модели при различных модификациях и обеспечение контроля взаимосвязей между различными объектами. Что в свою очередь обеспечивается бесшовной интеграцией и единством данных (которые можно также импортировать из широкого спектра сторонних CAD-систем) – без необходимости конвертации, исключив риски дублирования данных и появления «паразитных» сущностей.

Изначальное единство создает мощную  связь между триадой инженерных задач: конструкторской, технологической и производственной. Ни одно отечественное решение такой системностью не обладает. Теоретически аналог функциональности можно собрать из нескольких профессиональных систем, но вряд ли удастся добиться той синхронизации и глубокого взаимодействия, которую обеспечивает наш продукт.

От стандартной 2D-обработки до непрерывной 5-осевой

Продуманность тут во всем. Например, в создании продукта принимали участие специалисты UX/UI. Отсюда современный дизайн интерфейса, на который приятно смотреть и с которым удобно работать: грамотная компоновка главного окна, интуитивно понятные иконки команд, удобная справочная система.

Еще одно преимущество «САРУС.CAM» – широкий спектр функциональных возможностей, гармонично сочетающийся с гибкостью и адаптивностью системы.

В системе выделены функциональные блоки:

  1.  «Мастер топологии» – для распознавания зон обработки и создания, ассоциативно связанных с элементами технологической 3D-модели экземпляров конструкторско-технологических элементов;
  2. «Менеджер инструмента» – для создания и управления объектами системы типа «Инструмент». Позволяет как в автономном, так и в сетевом (с использованием данных справочников) режимах формировать инструментальные сборки различной сложности;
  3. «Мастер формирования плана обработки» и «Мастер сценариев обработки» – интегральные компоненты разработки управляющих программ для различных видов обработок:
  4. токарная. Для создания технологических переходов для 2-, 2,5-осевой (свыше 10 типов) обработки, включая такие как «Токарное нарезание резьбы» и «Токарная обработка винта»;
  5. фрезерная. Для создания технологических переходов для 2-, 2,5-, 3-, 4-, 5-осевой (включая как позиционную (3+2), так и непрерывную 5-осевую) обработки (свыше 15 типов, учитывая различные стратегии);
  6. электроэрозионная. Для создания технологических переходов для 2- и 4-осевой проволочной обработки;
  7. резка». Для раскроя материала с использованием резки, основанной на разных физических принципах (лазерная, плазменная, газовая, гидроабразивная);
  8. «Постпроцессирование». Для разработки файлов постпроцессоров, в том числе с применением функциональности генератора постпроцессоров, и постпроцессирования управляющих программ для конкретных комплексов «оборудование – система управления»;
  9. «Аддитивное производство». Для создания технологических переходов для различных типов аддитивных технологий, направленных на изготовление деталей из пластиков и полимеров.

В ближайших планах – развитие новых и оптимизация существующих функциональных возможностей, а также реализация новых направлений и функциональных блоков, среди которых:

  1. «Шлифовально-заточная обработка»;
  2. «Клепальные автоматы»;
  3. «Обработка давлением»;
  4. «Программирование роботизированного оборудования»;
  5. «Программирование гибких автоматизированных линий»;
  6. «Программирование координатно-измерительных машин»;
  7. «Композиты» (для реализации стратегий изготовления изделий из композитных материалов).

Современные технологии, реализованные в нашей разработке, позволяют наиболее эффективно задействовать все возможности оборудования и режущего инструмента. Стратегий достаточно для обработки деталей любой сложности. Если же имеющейся широкой функциональности все же не хватит, с помощью открытого API предприятие может дописать собственные макросы и скрипты, неограниченно расширяя возможности системы. А использование шаблонов обработки, операций, которые наследуют параметры и геометрию от предыдущих операций, а также предустановленных параметров значительно ускоряет процесс и защищает от ошибок, которые могут возникнуть по невнимательности.

Снизить риски разработки некорректной управляющей программы (грозящей, в лучшем случае, порчей заготовки, в худшем – поломкой дорогого оборудования) и оптимизировать ее позволяет и встроенный верификатор. Такую функциональность среди зарубежного ПО обеспечивает лишь одна CAM-система, а также несколько отдельных программных продуктов, требующих дополнительной интеграции. Отечественные решения в этой области и вовсе находятся на зачаточном уровне.

– Наш  верификатор, как другие компоненты «САРУСа», бесшовно интегрирован в единое информационное пространство, что значительно ускоряет процессы проверки управляющих программ и снижает вероятность ошибок, связанных с конвертацией и передачей данных.

Верификатор проверяет корректность управляющей программы для станка с ЧПУ в среде цифрового двойника технологической системы, включающей оборудование, крепежную и инструментальную оснастку и другое. Симуляция обработки с учетом кинематической модели станка позволяет контролировать не только угрозу столкновений и опасных сближений компонентов друг с другом, с заготовкой или с крепежными приспособлениями, но и осуществлять контроль и анализ зарезов или недоборов материала. Все это экономит станочное время на этапах отработки управляющей программы и сводит риски брака или порчи оборудования к минимуму, а эффективность его работы – к максимуму.

В отличие от большинства аналогов, «САРУС.CAM» также обеспечивает разработку и отладку файлов постпроцессора. Отдельный функциональный блок позволяет решать эти задачи в том числе с применением функциональности генератора постпроцессоров и постпроцессирования управляющих программ для конкретных комплексов «оборудование – система управления». Есть обширная база готовых постпроцессоров, в том числе для достаточно редких и старых  технологических комплексов.

Применение постпроцессоров возможно только в рамках САМ-системы, для которой они были разработаны. И наличие блока, позволяющего не только использовать существующие в «САРУС.САМ» постпроцессоры, но и автоматизировано разрабатывать новые или адаптировать имеющиеся колоссально сокращает срок перехода при модернизации технологических линий.

Инновации на базе лучшего

При разработке системы мы были догоняющими. Аналоги, даже отечественные, существуют на рынке уже 25-30 лет, а мы создали ПО за 4 года. Причем от нас требовалась реализация не только ключевой функциональности в части разработки управляющих программ, но и бизнес-логики приложения, которая одновременно позволит применить как лучшие решения и практики, так и облегчит (а в отдельных случаях сделает незаметным) переход специалистов на работу в нашем продукте.

Многие называют фантастикой то, в какой короткий срок мы представили работающее ПО с такой широкой функциональностью. Знакомясь с историей создания нашей системы, люди делятся на две группы: одни просто не верят, что она есть, другие не понимают, как мы смогли.

Быть догоняющими порой даже легче, говорит Кирилл Олегович. Пути разведаны – бери и воплощай самые лучшие, удачные решения. Но это только первый этап.

– Уже сейчас система во многом сравнялась, а в чем-то перегнала аналоги. А дальше что?

Над вопросом перспектив мы задумались с самого начала. И ответ на него тоже заложили в нашу систему. Не секрет, что главная цель всех систем – максимальная автоматизация процессов. И также не секрет, что несмотря на технический прогресс, истинная кладезь знаний любого производства – люди. Специалисты высочайшей квалификации, конструкторы и технологи, глубоко разбирающиеся в своей области. Их опыт крайне сложно формализовать, потому передача знаний и опыта идет традиционным медленным путем – через наставничество.

Одна из основных задач оптимизации технологической подготовки производства – ускорение перехода от проектирования непосредственно к производству новых деталей и изделий. Хотя конструкторская и технологическая подготовка и идут с использованием систем автоматизированного проектирования, этого недостаточно в условиях особенно сжатых сроков.

Сегодня анализ того, можно ли вообще на предприятии изготовить спроектированное инженером-конструктором, осуществляется после собственно проектировки. Поэтому очень важно, чтобы конструктор глубоко знал технологии и производство. И для сокращения сроков и достижения нужного качества необходимо либо повышать культуру конструкторского проектирования и компетенции специалистов, либо внедрять средства автоматизации, которые позволят инженеру-конструктору с любой квалификацией получить технологичную модель.

– При этом необходимо и совершенствование 3D-моделей деталей. Сегодня именно они становятся исходной информацией для проектирования технологии и разработки управляющих программ.

Современная 3D-модель кроме трехмерной геометрии несет еще и целый ряд дополнительной информации по ее точности и качеству, благодаря которым система должна автоматизировано распознавать конструкторско-технологические элементы детали, подбирать инструменты, рассчитывать режимы обработки и проанализировать множество других данных. Таким образом, по 3D-модели технолог сможет быстро сформировать эффективный маршрут изготовления, а технолог-программист разработать управляющую программу.

Ввиду такой тесной работы вся конструкторско-технологическая подготовка производства должна вестись в едином информационном пространстве с задействованием механизмов САD/САЕ/САМ-систем, направленных на глубокую автоматизацию процессов расчета параметров технологической системы, с учетом данных, полученных на этапах конструкторского проектирования и технологической подготовки производства, для эффективного проектирования обработки и создания управляющих программ. Анализируя эту историю, мы пришли к концепции КТЭ – конструкторско-технологических элементов.

Эта концепция легла в  основу проектирования систем САD и САМ «САРУСа». Она описывает метаматематическую модель изделия как совокупности конечного количества сопряженных КТЭ. Каждый конструкторско-технологический элемент – это комплексный объект системы, содержащий в себе сведения о конструкции (включая геометрические параметры, сведения о материале и технические требования) и технологии (сведения о режущем инструменте, режимах обработки и правилах обработки, в соответствии с определенной технологией). И даже самое сложное с точки зрения геометрии изделие может быть представлено как отдельный КТЭ и стать элементом базы знаний. Поэтому в перспективе использование машинного обучения, искусственных нейронных сетей, технологии BigData и базы знаний КТЭ позволит пользователю буквально в один клик формировать управляющие программы для изделий любой сложности.

Для реализации этой  концепции в САРУС.САМ предусмотрены:

  1. «Мастер топологии» – для   распознавания элементов технологической модели с последующим разбиением на отдельные зоны и созданием ассоциативно связанных с элементали модели экземпляров конструкторско-технологических элементов;
  2. «Мастер формирования плана обработки» – для формирования последовательности обработок (технологических переходов), основанной на правилах соответствующей технологии обработки с использованием конструкторско-технологических элементов;
  3. «Сценарии обработки» – для автоматического расчета параметров стратегии, вспомогательных перемещений и режимов обработки в соответствии с определенным набором правил, которые могут быть предварительно сформированы как пользователем, так и основываться на базе знаний.

– Таким образом наибольшая часть необходимых действий может выполняться автоматизировано. Применение этой технологии позволит исключить рутинные действия технолога-программиста, а также может быть использована как Smart-технология для обучения. Это позволяет сократить временные трудозатраты на разработку управляющей программы и существенно понизить вероятность возникновения ошибок, возникающих по причине человеческого фактора.

Сейчас такая автоматизация на основе КТЭ отрабатывается в рамках САМ. В дальнейшем наработанный опыт планируется транслировать и на другие системы «САРУСа», так что развитие этой идеи открывает дорогу к глубокой автоматизации на всех этапах создания изделия. К той самой мечте фантастов, когда компьютеру можно сказать: «Сделай мне новый истребитель», а она ответит: «Через две недели забирай».