Британские ученые разрабатывают новое поколение научно-исследовательского оборудования для первого европейского марсохода

Пример внедрения: Центр космических исследований университета Лестера

Критически важные характеристики

Стоимость запуска одного килограмма оборудования в космос превышает 30 тыс. долларов США, а исправить любой отказ после старта практически невозможно. Инженеры и ученые в Центре космических исследований университета Лестера (часто называемого просто «Центр») применяют системы NX™ и Teamcenter® для проектирования, численного моделирования и изготовления изделий с требуемыми техническими характеристиками, полностью соответствующие стандартам.

Уже 50 лет Центр занимается космическими исследованиями, тесно сотрудничая с Национальным агентством по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Европейским космическим агентством. Центр разрабатывает датчики, телескопы, спектрометры и другие научные приборы, а также их механические узлы, электронные блоки и системы электропитания. Среди реализованных проектов – приборы для дистанционного зондирования Земли и других планет как в нашей Солнечной системе, так и за ее пределами, а также изучения других звезд и галактик во Вселенной. Богатое техническое оснащение Центра включает в себя испытательные лаборатории и производственные мощности. Кроме того, Центр проводит междисциплинарные исследования в области наук о жизни, технологий выявления подделок, медицины и истории искусства. Сотрудники Центра и студенты университета используют системы NX и Teamcenter (обе разработаны компанией Siemens PLM Software) для управления жизненным циклом проектов, среди которых – первый европейский марсоход, запуск которого намечен на 2018 год.

«Запуск космических аппаратов требует огромного объема работ по их созданию, – отмечает руководитель Центра космических исследований д-р Джон Пай (John Pye). – В ходе испытаний должны быть подтверждены характеристики оборудования, а также обеспечена полная прозрачность процессов производства и контроля качества в условиях жестких ограничений по срокам и себестоимости».

Пятнадцать лет назад конструкторы и расчетчики, занимавшиеся проектированием механических узлов, начали работать с системой I-deas™ – ранней версией NX. По словам Пьяла Самары-Ратны (Piyal Samara-Ratna) – инженера-механика и администратора систем автоматизированного проектирования (CAD) Центра, сначала 3D-моделирование применялось для проектирования простых узлов, а затем специалисты перешли к проведению тепловых и прочностных расчетов. «Большая часть технического проектирования выполнялась в 2D, а технологическая подготовка производства осуществлялась либо в системах сторонних поставщиков, либо вручную, – отмечает он. – Такой подход приводил к дублированию информации, что повышало риск возникновения ошибок и не позволяло добиться оптимальной производительности».

От проекта – к готовому изделию

Перейдя с системы I-deas на NX и внедрив решение Teamcenter, Центр космических исследований полностью преобразовал свои рабочие процессы. «Инструменты моделирования в NX устранили необходимость в больших трудозатратах на подготовку сложных 2D-чертежей. При создании геометрии мы широко применяем параметрическое проектирование и технологию WAVE, позволяющую устанавливать связи между различными моделями. При изменении размера перестраивается вся сборка, благодаря чему мы быстро реагируем на изменяющиеся требования к изделию».

В Центре имеются три 4-х координатных фрезерных станка Tryax и один токарный станок с ЧПУ. Для их программирования используется система NX CAM. В NX CAM непосредственно загружаются создаваемые инженерами модели деталей, а весь процесс управляется в системе Teamcenter. Кроме того, для изготовления опытных и демонстрационных образцов применяется 3D-принтер. «Сначала мы использовали средства быстрого прототипирования для создания демонстрационных моделей, представляемых на конференциях. Теперь же данная технология находит все более широкое применение в конструировании, а особенно при решении задач интеграции, когда нужно проверить уровень доступа к тем или иным элементам конструкции, а просмотр на экране дает только общее представление».

Весь цикл проектирования и производства выполняется под управлением системы Teamcenter. Она служит для сбора всей информации, в частности – траекторий движения инструмента, создаваемых при разработке технологического процесса. Сотрудники указывают требуемые сроки и объемы выпуска деталей. Технологи вводят данные, включая информацию, необходимую для прослеживания всех этапов производства. Группа контроля проектных решений добавляет в систему отчеты о качестве выпущенных деталей и подробные сведения о полном процессе контроля качества. Функция индикации состояния каждого элемента данных применяется с целью защиты информации и получения сводных сведений о процессе (например, о том, выполняется ли производственное задание своими силами либо передается субподрядчику). При этом весь процесс легко проверить на соответствие предъявляемым требованиям.

От замысла – к стартовой площадке

«NX – очень мощная система», – подчеркивает Айвор Макдоннелл (Ivor McDonnell), ведущий инженер-механик выполняемого в Центре космических исследований проекта создания рентгеновского телескопа MIXS для изучения Меркурия. Прибор MIXS отправится к Меркурию в 2015 году на борту аппарата Европейского космического агентства BepiColombo. Макдоннелл отмечает: «В NX имеются средства для передачи данных между различными этапами проектирования и изготовления. При этом весь цикл оказывается интегрированным в одной системе. Мы принимаем самое активное участие в разработке всех аспектов проекта MIXS, а использование систем NX и NX Nastran® обеспечивает проведение большей части работ по виртуальным испытаниям изделия, включая вибрационные испытания, имитирующие нагрузки при старте. Мы считаем, что система NX особенно эффективна, так как она обеспечивает отличное соответствие между результатами расчетов и результатами натурных испытаний».

Еще один проект, успешно реализуемый с применением систем NX и Teamcenter – это создание космического телескопа им. Джеймса Уэбба (JWST), который в 2018 г. должен заменить телескоп им. Хаббла.

Главное зеркало нового телескопа по площади в шесть раз превышает зеркало телескопа им. Хаббла, а от Солнца его защищает экран размером с теннисный корт. В этом очень смелом проекте университет Лестера возглавляет работы по проектированию механических систем в рамках международного консорциума. Он также разрабатывает один из четырех главных, помимо самого зеркала, приборов телескопа – приемник среднего инфракрасного диапазона (MIRI). «Мы убедились, что система NX исключительно полезна при рассмотрении всех механических аспектов работы прибора и его окружения, в том числе – оценки удобства доступа. Кроме того, мы применяли ее для проектирования средств наземного обслуживания, при помощи которых прибор будет перевозиться на космодром НАСА, – отмечает Джон Сайкс (Jon Sykes), старший инженер-механик по проекту MIRI в Центре косми-ческих исследований. – Мы создаем инновационное решение, которое стоит заметно меньше, чем аналогичные приборы. Мы успешно испытали наше изделие, передав опытный образец в НАСА».

Высокий уровень взаимодействия сотрудников сокращает сроки разработки

«Использование решений NX и Teamcenter открывает перед нами массу новых возможностей, – говорит Самара-Ратна. – Вместе эти системы образуют единую среду, в которой специалисты общаются и обсуждают возникающие проблемы. Teamcenter служит единым источником информации и средством управления процессами. В частности, разработка созданных нами приборов для марсохода полностью выполнялась в среде Teamcenter. Это обеспечило высокую гибкость и требуемую защиту данных. Возможные ошибки не распространяются по всей системе, поэтому не возникают ситуации, когда кто-то вносит изменение, приводящее к негативным последствиям. Наши разработчики электронных узлов могут экспортировать полную 3D-геометрию печатных плат в модели изделия. Такая интеграция процессов проектирования электрической и механической части прибора повысила эффективность и сократила потери времени на внесение изменений. В итоге сроки создания готового прибора резко сократились».

Самара-Ратна продолжает свой рассказ о преимуществах совместной работы: «Мы сотрудничаем с различными научными институтами, как крупными, так и небольшими, и все они используют разные программные системы. Решение NX способно работать с различными форматами данных, а синхронная технология позволяет редактировать импортированные модели практически столь же легко, как и созданные нами».

От исследований – к реализации

Самара-Ратна подчеркивает большой вклад поставщика программных решений – компании TEAM Engineering. Он отмечает: «Специалисты компании TEAM Engineering не просто предоставили программы и провели обучение. Они стали нашими партнерами и оказывают всю возможную помощь в плане максимально эффективного использования систем, а особенно – в вопросах передачи технологий. В результате такого подхода мы сотрудничаем с организацией «Британское культурное наследие» и занимаемся сканированием предметов, найденных в захоронениях четырнадцатого века. Кроме того, мы работаем с промышленностью в сфере аддитивных и высокопроизводительных технологий».

В заключении Пьял Самара-Ратна подводит итог: «Система автоматизированного проектирования NX стала основой всей нашей деятельности и неотъемлемой частью нашей работы. С NX работает все больше студентов нашего университета, и мы получаем все больше преимуществ не только в плане проектирования изделий, но и управления проектами».

Transforming design to production

Having just completed the transition from I-deas to NX and introduced Teamcenter, the Centre has transformed its workflow. “The NX modeling tools have removed the need to focus on the production of complex 2D drawings. We make extensive use of parametric modeling techniques and WAVE-linking to create our geometry. When we change dimensions, the whole assembly responds and this allows us to quickly adapt to evolving requirements.”

The Centre runs three 4-axis Tryax milling machines and one computer numerical control (CNC) lathe using NX CAM. These accept models, which come directly from engineers and are managed with Teamcenter. There is also a 3D printer, used for prototyping and demonstration purposes. “We originally used prototyping tools for conference models, but we are now using it more and more for design activities, particularly in integration activities when we need to understand tool access and viewing on screen is not good enough.”

The complete design-to-production cycle is managed through Teamcenter, which is used to collect information such as the toolpaths generated through the manufacturing process. Members of staff can specify request dates and quantities. The manufacturing team adds other data, including traceability information. The sign-off team adds postmanufacture inspection reports detailing the verification process. The Status function is used to protect data and to summarize the process applied, for example, if work was performed internally or contracted out. The entire workflow can be audited as deemed appropriate.

From concept to launch site

“NX is very powerful,” says Ivor McDonnell, senior mechanical engineer for the Mercury Imaging X-ray Telescope (MIXS) instrument at the Space Research Centre. MIXS is due for launch on the European Space Agency’s Bepi Colombo mission to Mercury in 2015. McDonnell notes, “NX gives us tools that move seamlessly between the different phases of design and manufacturing, and it integrates the whole cycle. We have been actively involved in all aspects of the MIXS project, and using NX and Simcenter™ Nastran® we support all the major test activities, including vibration testing to simulate the launch load. We find the NX tools particularly effective at providing good correlation to actual design environments.”

Another project benefiting from the use of NX and Teamcenter is the James Webb Space Telescope (JWST), set to replace the Hubble Space Telescope in 2018. The primary mirror on this telescope is six times larger in area than the one on Hubble, and it has a sun shield the size of a tennis court to protect it. An extremely ambitious project, the University of Leicester is the lead mechanical engineering team for the international consortium developing one of the four science instruments sitting behind the mirror, the Mid Infrared Instrument (MIRI). “We found NX very useful for looking at all mechanical aspects of the instrument and the allocated envelope, including tool access, and for designing the ground support equipment that will be used to transport the instrument to NASA,” comments Jon Sykes, lead mechanical engineer for MIRI at the Space Research Centre. “This is an innovative solution that costs substantially less than typical systems, and we successfully tested it by shipping a prototype model to NASA.“

Improved collaboration shortens cycle

“Using NX and Teamcenter enables us to achieve much more,” says Samara-Ratna. “Together they create a cohesive environment, where a range of experts can engage, interact and discuss design issues. Teamcenter is a single source of information and control. Our instruments designed for the Mars rover, for example, are fully managed within Teamcenter. We have gained both flexibility and protection. Mistakes cannot be propagated through the system, so there is no danger of someone making a change that may have a negative effect. Our electronics engineers are able to export full 3D electronics boards into our models, and the integration of electrical and mechanical design has improved our efficiency and reduced re-design time. As a result, the time from concept to final product is much shorter.”

Samara-Ratna goes on to describe the benefit of collaboration: “We collaborate with multiple institutes, large and small, all using their own software. NX has the ability to handle different data formats and synchronous technology enables us to manipulate models almost as if they were our own design.”

From research to reality

Samara-Ratna happily acknowledge the contribution of the Centre’s supplier, OnePLM. He points out, “The experts at OnePLM do not just provide training and software, they are partners who really help us to get the best out of our tools, particularly with regard to technology transfer. As a result, we are working with English Heritage to scan fourteenth-century tombs for historical artifacts. We are also working with industry to help with the use of additive manufacturing in high-performance engineering applications.”

Samara-Ratna concludes: “The NX product development solution is absolutely fundamental to what we do here and is now an intrinsic part of how we operate. We are making the tools of NX available to more students and extending the benefits from the engineering environment into project management.”