История развитие систем автоматизированного проектирования. План-конспект занятия на тему: Системы автоматизированного проектирования и программирования в машиностроении
Стремительный рост систем автоматизированного проектирования (САПР) в проектных организациях и на машиностроительных заводах способствовал увеличению числа высших и средних учебных заведений, в которых преподается САПР. О внимании, которое уделяется САПР в промышленноразвитых странах, говорит тот факт, что по рекомендациям ЮНЕСКО в базисном учебном плане по информатике и информационным технологиям (ИТ) предусмотрен факультативный блок «Конструирование с помощью компьютера (CAD)».
Сегодня мы начинаем публикацию цикла статей в рубрике «За партой», призванного помочь молодым специалистам и студентам лучше понять основы САПР.
Успешная деятельность значительной части фирм и коллективов в промышленно развитых странах во многом зависит от их способности накапливать и перерабатывать информацию. Сегодня без компьютерной автоматизации уже невозможно производить современную сложную технику, требующую высокой точности. Во всем мире происходит резкий рост компьютеризации на производстве и в быту. Внедрение компьютерных и телекоммуникационных технологий повышает эффективность и производительность труда. Отставание в области высоких технологий может привести к превращению страны в сырьевой придаток.
В наши дни наблюдается быстрое развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) в таких отраслях, как авиастроение, автомобилестроение, тяжелое машиностроение, архитектура, строительство, нефтегазовая промышленность, картография, геоинформационные системы, а также в производстве товаров народного потребления, например бытовой электротехники. САПР в машиностроении используется для проведения конструкторских, технологических работ, в том числе работ по технологической подготовке производства. С помощью САПР выполняется разработка чертежей, производится трехмерное моделирование изделия и процесса сборки, проектируется вспомогательная оснастка, например штампы и пресс-формы, составляется технологическая документация и управляющие программы (УП) для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), ведется архив. Современные САПР применяются для сквозного автоматизированного проектирования, технологической подготовки, анализа и изготовления изделий в машиностроении, для электронного управления технической документацией.
В настоящее время при продаже производства какой-либо продукции в другие страны необходимо представление всей документации в электронном виде. Продаваемый продукт, как и его производство, должен пройти международную сертификацию, подтверждающую его высокие характеристики. Сертифицирование проходит не только само изделие, но и методы его проектирования, изготовления, способы и формы передачи информации об изделии. Для прохождения сертифицирования необходимо оснастить рабочие места конструктора и технолога компьютерными и программными продуктами.
Объединение САПР с автоматизированной системой управления предприятием (бухгалтерский учет, экономический анализ и прогноз, вопросы материально-технического снабжения, управление складами, планирование и диспетчеризация производственных процессов) позволяет создать единый информационный комплекс. Внедрение информационного комплекса позволяет:
- сократить в 1,5-2 раза цикл создания изделия (от проектирования до выпуска);
- снизить материалоемкость изделия на 20-25%;
- уменьшить затраты на производство на 15-20%;
- повысить качество изделия и конкурентоспособность предприятия (СТИН № 12’98).
Основные принципы построения САПР в машиностроении
В условиях рыночной экономики и активной конкуренции особую остроту для машиностроительных заводов приобретает проблема регулярного обновления продукции, выпуска новых модификаций уже разработанных изделий с тем, чтобы удовлетворить запросы максимального числа потребителей. Прежде чем выпустить новую конкурентоспособную продукцию, необходимо провести большую работу по сбору, накоплению и оперативной обработке информации. Переработка больших объемов информации в настоящее время невозможна без использования ЭВМ.
Создание новой техники в машиностроении происходит в такой последовательности: на основе анализа выпускаемой продукции проектируется новая, обладающая более высокими эстетическими, эксплуатационными или другими свойствами, затем производятся инженерные расчеты и моделирование, технологическая подготовка производства, изготовление и сбыт изделия. При этом мы получаем замкнутый цикл (см. рисунок), так как проектирование нового изделия выполняется на базе анализа рынка и данных об эффективности, надежности и сбыте выпускаемых моделей.
Область применения систем автоматизированного проектирования (САПР) охватывает сегодня самые различные виды деятельности человека - от расстановки мебели в квартире до проектирования и изготовления интегральных микросхем и современной космической техники. Каждая категория задач технического черчения предъявляет к этим продуктам свои требования, однако наибольшее распространение они получили в машиностроении и архитектуре.
Использование САПР позволяет членам проектных групп одновременно работать над изделием с разных сторон: решать задачи стилевого дизайна, проектирования внешнего вида изделия и параллельной поагрегатной разработки изделия. Новое изделие создается в конструкторском подразделении, которое является центральным звеном компьютеризации предприятия. Одновременно группой специалистов различных профилей, работающих над выпуском нового изделия, выполняются все этапы разработки деталей, узлов и сборок, их технологическая проработка (Concurrent engineering).
Изделие начинают изготавливать еще до того, как будет завершен выпуск всей документации, что приводит к значительному сокращению сроков и повышает качество проектирования. Облегчается автоматизированное управление проектами и предприятием на базе электронного документооборота. Любые изменения в любом элементе изделия незамедлительно становятся доступными как для отдельных конструкторов и технологов, так и для целых отделов и организаций на всех этапах создания изделия - благодаря использованию единой базы данных. Таким образом, САПР сокращает время и трудозатраты на проектирование изделия.
Для выпуска конкурентоспособной продукции, отвечающей мировым стандартам, необходимо обеспечить использование единой интегрированной базы данных. Интеграция конструкторских и технологических работ, программного обеспечения для документооборота позволяет пользователям управлять всеми типами информации о продукте и проекте - от изменения заказов до контроля качества и ведения дел по обслуживанию клиентов. Такая организация труда особенно эффективна в условиях многономенклатурного производства и в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к оперативности и качеству функционирования производства.
Недостаточная оснащенность конструкторских и технологических подразделений современными САПР приводит к неполной проработке конструктивных и технологических решений, к материальным и временным потерям на стадии изготовления и во время эксплуатации.
Три уровня САПР
Одна из важнейших задач современных САПР - избавить инженера от рутинной работы, предоставить ему возможность заниматься творческими процессами. Сейчас заводы используют большую номенклатуру САПР: от небольших графических программ до мощных специализированных пакетов. Их стоимость колеблется от ста до нескольких десятков тысяч долларов за одно рабочее место. В зависимости от возможностей, а соответственно и стоимости, современные САПР можно условно разбить на три уровня: нижний, средний и высший. Деление на уровни в специальной литературе производят либо по их возможностям, либо по стоимости, например: до 1000 долл., от 1000 до 10 000 долл., свыше 10 000 долл.
При разделении по возможностям предполагается, что системы нижнего уровня (например, AutoCAD, VersaCAD, CADKEY) обеспечивают выполнение чертежных работ.
Системы среднего уровня (например, Т-FLEX CAD, Solid Edge) сокращают сроки выпуска документации и время разработки проектов за счет автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, программирования 2,5-координатной обработки заготовок на станках с ЧПУ. Эти системы позволяют создать объемную модель изделия, по которой определяются инерционно-массовые, прочностные и иные характеристики, контролируется взаимное расположение деталей, моделируются все виды ЧПУ-обработки, отрабатывается внешний вид по фотореалистичным изображениям, выпускается документация. Кроме того, обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота. Экономический эффект состоит в многократном повышении производительности труда при резком сокращении ошибок и соответственно в улучшении качества изделий.
Системы высшего уровня (EDS Unigraphics, Pro/Engineer, CATIA или CADDS) обеспечивают интеграцию всего цикла создания изделия от проектирования, подготовки к производству до изготовления. Они позволяют конструировать детали с учетом особенностей материала (пластмасса, металлический лист), проводить динамический анализ сборки с имитацией сборочных приспособлений и инструмента, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки), что исключает брак в оснастке и делает ненужным изготовление натурных макетов, то есть значительно уменьшаются затраты и время на подготовку к производству изделия. Программы математического анализа таких САПР могут включать прочностной, кинематический и динамический анализ. Моделирование механообработки позволяет оценить качество деталей с точки зрения их деформации. Экономический эффект подобных систем зависит от размера зарплаты конструктора или технолога и навыков использования САПР.
Модульный принцип построения САПР
Значительная часть современных САПР состоит из нескольких модулей: сборки, механообработки, управления инженерными данными и т.п. Их объединяет общая методология и инструментальные средства. Высокая степень интеграции модулей конструирования и технологической подготовки производства обеспечивает преобразование графической информации об объекте в табличную, используемую при технологическом проектировании. Геометрические объекты, имеющие математическое описание, аппроксимируются с заданной точностью кривыми и поверхностями.
Объединение модулей конструкторских и технологических разработок в единую САПР снижает стоимость и уменьшает время выхода новой продукции на рынок, позволяет конструировать детали с учетом их технологичности и используемого материала (пластмасса, металлический лист).
Модульная архитектура САПР облегчает расширение системы и адаптирование ее в соответствии с требованиями пользователя, позволяет приобретать только необходимые компоненты. Многие САПР снабжены контекстно-зависимыми справочниками и собственными базами данных или предлагают интерфейс с существующими базами данных. Использование языков программирования позволяет вам создавать собственные специализированные приложения.
«САПР и графика» 9"2000
Когда я приступил к работе над этой статьей, цель которой - проанализировать ситуацию на рынке САПР, подвести итоги уходящего года и по возможности дать прогнозы на следующий год, я был полон энтузиазма. Но, перелопатив «гору» различного материала, я как-то поостыл, сделав ряд неутешительных выводов.
Дело в том, что сегодня никаких данных о реальном положении дел на отечественном рынке получить в принципе не представляется возможным, что, впрочем, меня не удивило, поскольку ни одна уважающая себя российская фирма не дает точных данных ни о количестве продаж, ни о полученной прибыли. А что касается цифр, которые предоставляют зарубежные компании, то здесь сложилась очень интересная ситуация: все данные, которые удалось получить из самых разных источников в России и за «бугром», были настолько различными и противоречащими друг другу, что сначала я даже растерялся. Правда, состояние ступора продолжалось недолго - статью все равно нужно было писать, и я решил придерживаться следующих двух правил: не приводить никаких цифр по конкретным компаниям-разработчикам и не указывать, кто из лидеров рынка на первом месте, а кто на втором. Вот, что из этого получилось.
Что такое САПР сегодня
Позволим себе небольшое лирическое отступление. Под всеобъемлющим термином «САПР» (система автоматизированного проектирования) в России понимают ряд англоязычных терминов (CAD/CAM/CAE/PDM/TDM/AEC/GIS и т.д.). Как известно, наиболее широко автоматизированное проектирование используется в машиностроении, архитектуре и строительстве, картографии и кадастре, в электротехнике и электронике. В процессе автоматизированного проектирования в качестве входной информации используются технические знания специалистов, которые вводят проектные требования, выполняют различные проверочные расчеты, анализируют и уточняют полученные результаты, выполняют модификацию конструкции. В этой статье мы остановимся на системах автоматизированного проектирования, применяемых в машиностроении (CAD/CAM/CAE).
Что же важного произошло на рынке САПР для машиностроения в последнее десятилетие? Во-первых, самое главное - это, безусловно, то, что все разработчики за границей и у нас осознали тот факт, что для того, чтобы продукт был конкурентоспособным, он должен функционировать под управлением операционной системы Microsoft Windows, которая, к слову, стала на сегодня стандартом для различных промышленных систем. Все это произошло по одной причине: рынок требует множество различных САПР, которые при этом должны быть высокопроизводительными и дешевыми. Именно поэтому все ведущие производители САПР перешли под «форточки». Спасибо Биллу Гейтсу. Во-вторых, в связи с интенсивным развитием компьютерной техники, которая является аппаратной составляющей автоматизированного рабочего места конструктора или технолога, небывалое развитие получили продукты так называемого среднего класса, способные, при хорошей функциональности, работать на персональных компьютерах и доступные по цене.
В результате грань между системами «среднего» и «верхнего» уровней практически стерлась, и, я думаю, скоро это разделение утратит актуальность. А если и сохранится, так только в ценовой области, то есть - чем дороже, тем «выше».
Уважаемая всеми фирма Daratech в середине года опубликовала очередной обзор рынка САПР, где говорилось, что основными факторами роста в 2000 году станут параметрические системы твердотельного моделирования средней весовой категории, дорогостоящие производственные системы для предприятий, инструментарий автоматизации технологии производства и средства для оптимизации разработок. Попробуем проанализировать данный прогноз.
В конце 2000 года наблюдалась следующая картина. Вложения в машиностроительные САПР действительно увеличились. К сожалению, у меня нет точной цифры на конец года, но исходя из того же прогноза фирмы Daratech затраты пользователей всего мира на CAD/CAM/CAE-системы для машиностроения и связанные с ними услуги за 2000 год достигнут значения порядка 6,6 млрд. долл. Это на 16,4% больше по сравнению с 1999 годом.
С лета 1999 года рынок САПР, до этого бурно развивавшийся, немного сбавил темп. Некоторые поставщики, ожидавшие большего роста доходов, посчитали причиной этого замедления приход 2000 года - пресловутой «Проблемы 2000». Они утверждали, что их клиенты откладывают приобретение нового программного обеспечения на первый или второй квартал 2000 года. Другие допускали, что истинные причины могут быть более серьезными и долгосрочными, и немедленно заговорили о перенасыщении рынка.
Однако это утверждение является довольно спорным. Да, за границей практически все производственные предприятия использовали и будут использовать впредь тот или иной вид САПР. Но ведь многие из них до сих пор работают с двухмерными системами и лишь собираются переходить на твердотельное моделирование, в то время как немало других оснащены системами предыдущих поколений. И те и другие группы пользователей являются потенциальными клиентами производителей САПР.
Наиболее реальной преградой для развития рынка САПР за границей является распространенный среди пользователей феномен, который можно охарактеризовать как пресыщение возможностями. Большинство покупателей с энтузиазмом встречают новые продукты, способные предложить принципиальные усовершенствования, однако все более скептически относятся к новым версиям, включающим лишь расширения старых функций. В настоящее время конструкторские и производственные организации активно изыскивают возможности значительного сокращения времени, необходимого для выпуска продуктов на рынок и получения доходов.
Согласно прогнозам все той же фирмы Daratech на 2000 год, рост рынка машиностроительных CAD/CAM/CAE-систем снова выражается двузначными цифрами, что обусловлено появлением новых продуктов и внесением значительных улучшений в существующие. В области механических CAD/CAM (без учета CAE) одним из факторов роста стали недорогие параметрические системы твердотельного моделирования, работающие на платформе Intel/Microsoft и не требующие больших затрат. Эти продукты, цена на которые обычно составляет от 2 до 6 тыс. долл., становятся все более популярными среди пользователей по мере того, как разработчики продолжают приближать возможности данных систем к возможностям их дорогостоящих конкурентов во всех ситуациях, за исключением особо сложных.
Эти недорогие и удобные системы моделирования деталей и конструкций для машиностроения действительно постепенно изменяют образ мышления пользователей. Впервые создались необходимые условия для перевода основной массы машиностроительных разработок с двухмерных САПР на средства твердотельного моделирования. Естественно, двухмерные чертежи при этом никуда не исчезнут, однако теперь они будут автоматически генерироваться непосредственно из трехмерных моделей, которые станут основным средством разработки.
В свою очередь, разработчики дорогостоящих систем также стараются сделать свои системы более доступными, отказываясь от традиционной комплектации - «монолитных» систем со множеством различных функций, что, безусловно, облегчает выбор пользователям. Согласно новому подходу, принятому в настоящее время большинством поставщиков, основные функции моделирования этих систем предлагаются в виде отдельного пакета, цена которого примерно соответствует ценам на системы так называемой средней категории. Со временем пользователи станут морально готовы к тому, чтобы вложить дополнительные средства в добавочные специализированные функции, которые отсутствуют в системах средней категории и предлагаются отдельно.
Еще одна возможность, за которую клиенты готовы платить дополнительно, - это промежуточные средства системной интеграции, оказывающие помощь в вопросах контроля, оптимизации и ускорения всего производственного процесса на уровне предприятия. Естественно, параметрические системы твердотельного моделирования средней ценовой категории также помогают ускорить процесс производства на предприятии. Однако основной целью при разработке этих систем было увеличение производительности отдельных инженеров, в то время как в дорогостоящих системах по традиции упор обычно делается на производственном процессе всего предприятия - порой даже в ущерб удобству отдельных пользователей системы.
Что же касается области машиностроительных CAE-систем, то здесь наблюдается рост числа программных продуктов, созданных на основе технологии конечных элементов, традиционно являющейся специализацией ученых-экспертов. Эти программы призваны значительно облегчить инженерам и конструкторам процесс анализа и оптимизации разработок, особенно на ранних этапах конструирования, когда вносимые улучшения способны максимально благотворно повлиять на качество и стоимость.
Autodesk
Компания Autodesk (г. Сан-Рафаэль, шт. Калифорния, США) давно является одним из лидеров рынка САПР. Залог успеха Autodesk - мировое признание AutoCAD в качестве стандарта де-факто для разработки продуктов и комплектующих, а также для документации. В промышленности это дополняется наличием множества вспомогательных элементов, например средств механической обработки и специальных приборов, которые необходимо разработать для производства новых продуктов; во множестве случаев для подобных разработок используется AutoCAD. Кроме того, свой вклад здесь вносит и продолжающееся сокращение доли отдельных продаж AutoCAD в общем соотношении, вызванное увеличением количества сделок по приобретению более дорогостоящих продуктов для вертикального рынка, созданных на платформе AutoCAD, в частности Autodesk Mechanical Desktop и Autodesk Inventor.
Parametric Technology Corporation (PTC)
Еще одним лидером на рынке САПР является корпорация Parametric Technology Corporation (г. Уолтхэм, шт. Массачусетс, США), что обусловлено популярностью ее системы Pro/Engineer. Это положение еще более упрочилось с выходом новой версии - Pro/Engineer 2000i, а также специализированного пакета для судостроения - Pro/SHIP. Кроме того, росту данной компании способствует изменение комплектации и стоимости Pro/Engineer, а также изменение стратегии распространения этого продукта.
САПР в России
Что касается отечественных разработчиков систем автоматизированного проектирования, то здесь также есть свои лидеры. Остановимся поподробнее на самых крупных из них.
АСКОН
Компания АСКОН (г. Санкт-Петербург), хорошо известная своим пакетом КОМПАС, выпустила в начале 2000 года новый продукт - систему трехмерного моделирования КОМПАС-3D. К концу года компания предложила уже несколько версий системы, и к Новому году КОМПАС-3D представлял собой полноценную систему, предназначенную для конструкторов. Комплекс систем КОМПАС дополнен электронным справочником, содержащим базу данных конструкционных материалов и сортаментов. Также компания дополнила свои продукты для отечественного машиностроения; в середине 2000 года был выпущен новый продукт - КОМПАС-SHAFT Plus, в котором объединены КОМПАС-SHAFT (проектирование валов) и GEARS (расчет передач).
Интермех
Минская фирма «Интермех» (Белоруссия) уже в течение восьми лет разрабатывает комплекс программ для автоматизированного конструкторско-технологического проектирования. В настоящее время продукты этой компании позволяют значительно повысить эффективность конструкторского проектирования и охватывают все этапы проектирования - от разработки непосредственно конструкторской документации (Cadmech), с последующим автоматизированным выпуском текстовых конструкторских документов СП, ВС, ВП, ПЭ (AVS), до ведения сетевого иерархического архива предприятия, с возможностью ведения проектов и документооборота предприятия (Search).
В этом году наибольшие изменения претерпела система проектирования трехмерных параметрических деталей и сборок (Cadmech Desktop), позволяющая комплексно решать проблемы трехмерного конструкторского проектирования.
Топ Системы
Компания «Топ Системы» (г. Москва), широко известная своим продуктом T-FLEX CAD не только в России, но и за рубежом, в прошедшем году выпустила очередную версию своего продукта. Версия 7.0 отличается от предыдущих тем, что построена на базе ядра Parasolid фирмы Unigraphics Solutions. Кроме того, вышли новые продукты - T-FLEX ЧПУ 2D и 3D (cистема подготовки программ для станков с ЧПУ) и T-FLEX NC Tracer (система имитации процесса обработки детали на станке с ЧПУ по готовой управляющей программе). В следующем году компания планирует провести работу по созданию единой информационной системы под маркой T-FLEX, которая должна объединить все выпущенные ранее продукты.
Consistent Software
Компания Consistent Software (г. Москва) в этом году добилась больших успехов. Во-первых, за последние два года появилась целая серия специализированных программных продуктов, предназначенных для использования в различных прикладных областях и позволяющих выпускать проектную документацию в соответствии с российскими стандартами. Названия продуктов этой серии объединяет суффикс CS. Такие пакеты, как MechaniCS, ElectriCS, HydrauliCS, уже завоевали известность. В 2000 году к этому семейству добавились TechnologiCS, СПДС GraphiCS и др. Насколько мне известно, Consistent Software не собирается останавливаться на достигнутом и в следующем году порадует нас новыми разработками.
Вместо выводов
Говоря об итогах прошедшего года, несомненно, следует особо подчеркнуть, что сегодня САПР во всем мире развивается семимильными шагами. Хотя, к сожалению, этого нельзя сказать о России. Но мы все-таки не стоим на месте, и если сравнивать два последних года, прошедших после августа 1998-го, то 2000 год оказался гораздо выигрышнее своего предшественника. На мой взгляд, основными причинами «пробуксовывания» отечественного рынка САПР, кроме финансовой стороны, являются непонимание руководителей предприятий острой необходимости приобретения подобных систем и нехватка квалифицированных специалистов, способных на них работать. По роду своей деятельности я очень много общаюсь и с руководящим составом, и непосредственно с проектировщиками и могу засвидетельствовать, что данная ситуация с каждым годом все больше меняется к лучшему.
КомпьютерПресс 1"2001
В российском производстве в понятие системы автоматизированного проектирования (САПР) принято включать CAD, CAE и CAM, хотя зарубежные проектировщики ассоциируют САПР только с CAD. Как бы то ни было, САПР - это комплекс программ для черчения двумерных и трехмерных объектов, создания конструкторской и технической документации. По созданной модели возможна генерация чертежей изделия и их сопровождение.
САЕ - система автоматизации инженерных расчетов и анализа, САМ - система автоматизированной обработки деталей для станков ЧПУ и производственных линий.
Выбирая САПР для проектной организации или отдела (а выбор действительно широк - более 50 наименований ПО), стоит обратить внимание не только на цену программного пакета, но и на другие важные параметры, например, удобство интерфейса, возможность коллективной работы, объем стандартной библиотеки компонентов и решений, простоту сопряжения с другими пакетами САПР.
Непосредственно в машиностроении применяются специализированные пакеты и различные надстройки более общих и распространенных систем проектирования, таких как Autodesk AutoCAD, ZwCAD, BricsCAD. Рассмотрим некоторые из них.
AutoCAD Mechanical обладает полным набором функционала стандартной системы AutoCAD, но при этом предоставляет дополнительные возможности для проектирования в машиностроительной области. Например, присутствуют дополнительные возможности для создания деталей машин, деталей типа «тело вращения». К услугам проектировщиков обширная библиотека стандартных деталей. Создание отдельных компонентов механизмов может происходить в автоматическом режиме.
Специальная версия AutoCAD Electrical помогает автоматизировать стандартные задачи при проектировании электрических систем управления, благодаря особому набору программных средств и библиотек условных обозначений.
Для тех, кто сосредоточен на разработке механических и электрических систем, разработана специальная версия пакета Autodesk Inventor Series под названием Professional. Позволяет повысить эффективность работы, контроль и упростить документирование.
Еще одна вариация данного пакета программ - это Simulation Suite. Она предназначена для машиностроительного проектирования трехмерных твердотельных изделий. Позволяет оценить работоспособность и прочность проектируемых компонентов еще на стадии чертежа.
Если стоит задача не просто эффективного создания новых изделий, но и современного управления машиностроительным предприятием, то возможно внедрение пакета TechnologiCS, которое разработано специально для машиностроительных заводов. Позволяет структурировать и сопровождать характерные для данных предприятий бизнес-процессы (разработка и модернизация продукции, планирование производства, управление самим производством).
Отечественная система автоматизированного проектирования под названием T-Flex уже хорошо зарекомендовала себя на предприятиях всей территории СНГ. Это профессиональный программный комплекс, в очередную версию которого вошли сразу пять продуктов: непосредственно САПР, PDM-система для технической подготовки производства, T-Flex Технология - для технологической, T-Flex ЧПУ составления программы работы станка по производству конкретной детали, так же в систему интегрирована среда для инженерных расчетов.
Если говорить непосредственно о T-Flex CAD, то ее отличительными особенностями являются широкие возможности для работы как с твердотельными объектами, так и с поверхностями, что значительно повышает эффективность труда инженеров-проектировщиков. Кроме стандартных библиотек объектов и операций пользователь может создавать и использовать свои, что способствует накоплению и применению производственного опыта. Элементы оформления можно наносить в автоматическом режиме, при этом поддерживаются как отечественные (ЕСКД), так и международные стандарты (ISO, DIN, ANSI).
Библиотека стандартных машиностроительных объектов постоянно обновляется вслед за корректировками ГОСТов. Стоит отметить, что она распространяется бесплатно. Дополнительно можно приобрести библиотеки элементов электрических схем или станочных приспособлений.
Спонсор публикации: «КупиПолис» - автострахование и калькулятор каско на сайте.
Основными требованиями к промышленному производству являются сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение ее качества. Выполнить эти требования невозможно без широкого использования методов и систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAD/CAM/CAE-систем).
Историю развития CAD/CAM/CAE-систем в машиностроении часто разделяют на несколько этапов.
На первом этапе (до конца 70-х годов) был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность автоматизированного проектирования сложных промышленных изделий. Возможности систем на первом этапе в значительной мере определялись характеристиками имеющихся в то время графических аппаратных средств. Преимущественно использовались графические терминалы, подключаемые к мэйнфреймам, в качестве которых применялись компьютеры компаний IBM и CDC, или к мини-ЭВМ типа PDP/11. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000.
Навтором этапе(80-е годы) появились и начали использоваться графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun Microsystems с архитектурой SPARC или автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX от DEC под управлением ОС Unix. К концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась примерно до $20000. Тем самым были созданы предпосылки для разработки CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения.
На третьем этапе (начиная с 90-х годов) бурное развитие микропроцессоров привело к возможности использования рабочих станций на персональных ЭВМ, что заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. На этом этапе продолжается совершенствование систем и расширение их функциональности. Начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Wintel не уступают Unix-станциям по объемам продаж. Стоимость лицензии снизилась до нескольких тысяч долларов.
Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.
Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы и в начале 90-х такое деление основывалось на значительном различии характеристик используемого для САПР вычислительного оборудования. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного геометрического моделирования применительно к сборочным узлам из многих деталей. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах. По мере улучшения характеристик персональных компьютеров удавалось создавать сравнительно недорогие системы с возможностями параметрического и ассоциативного 3D-моделирования. Такие системы стали относить к CAD/CAM-системам среднего уровня. Сегодня деление CAD/CAM-систем на САПР верхнего, среднего и нижнего уровней еще сохраняется, хотя и страдает очевидной нечеткостью.
Проектирование механических изделий заключается прежде всего в конструировании, т.е. в определении геометрических форм тел и их взаимного расположения. Поэтому история автоматизации проектирования в машиностроении связана с историей компьютерной графики и практически началась с создания первой графической станции. Это была станция Sketchpad с использованием дисплея и светового пера, представленная в 1963 г. И. Сазерлендом. Растровые дисплеи стали применяться в 70-е годы. И. Сазерленд в дальнейшем работал в ARPA, возглавляя в этом агентстве департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета
К 1982 г. твердотельное моделирование начинают применять в своих продуктах компании Computervision, IBM, Prime и др., однако методы получения моделей тел сложной формы еще не развиты, отсутствует поверхностное моделирование. В следующем году разработана техника создания 3D моделей с показом или удалением скрытых линий. В 1986 г. компания Autodesk выпускает свой первый CAD-продукт Autocad, пока однопользовательскую версию на языке Cи с поддержкой формата IGES. В 1988 г. создается аппаратура для прототипирования изделий с помощью лазерной стереолитографии по данным, получаемым в MCAD. Также в 1988 г. компания PTC впервые реализует параметризацию моделей.
Развитие компьютерной графики определялось не только возможностями аппаратных средств, но и характеристиками программного обеспечения. Оно должно было быть инвариантным по отношению к используемым аппаратным средствам ввода и вывода графической информации. Поэтому значительное внимание с 70-х годов уделяется вопросам стандартизации графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.
В 1977 г. ACM публикует документ Core, описывающий требования к аппаратно-независимым программным средствам. А в начале 1982 г. появляется система Graphical Kernel System (GKS), задающая примитивы, сегменты и преобразования графических данных и ставшая стандартом ISO в 1985 г. В 1987 г. разработан вариант GKS-3D с ориентацией на 3D графику.
В 1986 г. утверждается ряд новых стандартов. Среди них CGI (Computer Graphics Interface) и PHIGS P (Programmer"s Hierarchical Interactive Graphics System) - стандарт ANSI, ставший стандартом ISO в 1989 г. В 1993 году компанией Silicon Graphics предложен стандартOpenGL (SGI Graphical Language), широко используемый в настоящее время.
В этих системах используются графические форматы для обмена данными, представляющие собой описание изображения в функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Графический формат (метафайл) обеспечивает возможность запоминать графическую информацию единым образом, передавать ее между различными системами и интерпретировать для вывода на различные устройства. Такими форматами стали CGM - Computer Graphics Metafile, PostScript - Adobe Systems" Language, GEM - GEM Draw File Format и др.
Работы по стандартизации были направлены на расширение функциональности графических языков и систем, включение в них средств описания не только данных чертежей и 3D-моделей, но и других свойств и характеристик изделий.
В области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического моделирования привела к созданию инвариантных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР. Наибольшее распространение получили два геометрических ядра Parasolid (продукт фирмы Unigraphics Solutions) и ACIS (компания Spatial Technology). Ядро Parasolid разработано в 1988 г. и в следующем году становится ядром твердотельного моделирования для CAD/CAM Unigraphics, а с 1996 г. – промышленным стандартом.
Параллельно проводились работы по стандартизации описаний геометрических моделей для обмена данными между различными системами на различных этапах жизненного цикла промышленной продукции. В 1980 г. появился формат IGES (Initial Graphics Exchange Specification), ставший на следующий год стандартом ANSI. Фирма Autodesk в своих продуктах стала использовать формат DXF (Autocad Data eXchange Format). В 1984 г. в ISO для целей стандартизации в области промышленной автоматизации создается технический комитет TC184, а внутри него для разработки стандартов обмена данными - подкомитет SC4, где и была разработана группа стандартов ISO 10303 STEP (Standard for Exchange Product Model Data), включая язык Express и прикладные протоколы AP203 и AP214.
Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются CATIA (компания Dassault Systemes), Unigraphics (Unigraphics Solution), Pro/Engineer (PTC). Продукты этих фирм доступны с 1981, 1983 и 1987 гг. соответственно. В 1998 г. в компании Крайслер с помощью CATIA демонстрируется возможность создания исчерпывающей цифровой модели автомобиля (проектирование, имитация сборки и испытаний). К числу САПР верхнего уровня в 90-е годы относились также EUCLID3 (Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision), но их развитие было прекращено в связи со слиянием компаний.
Так, в 2001 г. происходит слияние компании Unigraphics Solution с SDRC, что означало постепенное прекращение развития I-DEAS и использование удачных решений двух систем I-DEAS и Unigraphics (UG) в новых версиях системы Unigraphics NX.
Еще раньше система CADDS5 была приобретена компанией PTC (Parametric Technology Corp.). Эта компания, штаб-квартира которой расположена в США, основана в 1985 г. бывшим профессором Ленинградского университета Семёном Гейзбергом.
Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Cimatron (Cimatron Ltd.); ADEM (Omega Technology); Mastercam (CNC Software, Inc.); Powermill (DELCAM) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid относятся, в частности, Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); SolidWorks (SolidWorks Corp.); MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); Anvil Express (MCS Inc.) и др. Компания PTC в своих продуктах начинает применять разработанное ею в 2000 г. геометрическое ядро Granite One.
В 1992 году корпорация Intergraph, один из ведущих на тот момент производителей CAD-систем для машиностроения, приняла решение о разработке нового программного продукта, целиком построенного на базе платформы Wintel. В результате в конце 1995 года появилась система геометрического моделирования Solid. В 1998 году к Unigraphics перешло все отделение Intergraph, занимающееся САПР для машиностроения. В это же время Solid Edge меняет геометрическое ядро ACIS на ядро Parasolid. В 1999 году появляется 6-я версия Solid Edge на русском языке.
В 1993 г. в США создается компания Solidworks Corporation и уже через два года представляет свой первый пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе геометрического ядра Parasolid. Система Solidworks вошла в число ведущих систем среднего уровня.
Ряд CAD/CAM-систем среднего и нижнего уровней разработан в СССР и России. Наибольшее распространение среди них получили Компас (компания Аскон) и T-Flex CAD (Топ Системы) и некоторые другие системы.
Компания Аскон основана в 1989 г. В нее вошел коллектив разработчиков, который до этого в Коломенском конструкторском бюро машиностроения проектировал систему Каскад. Первая версия Компас для 2D проектирования на персональных компьютерах появилась в том же 1989 г. В 2000 г. САПР Компас распространена на 3D проектирование. В 2003 г. выпущена 6-я версия Компас и PDM-система Лоцман:PLM.
Автоматизация технологической подготовки производства в системах CAM не была столь жестко привязана к аппаратным средствам машинной графики, как автоматизация конструирования в системах CAD. Среди первых работ по автоматизации проектирования технологических процессов нужно отметить создание языка APT (Automatic Programming Tools) в 1961 г. в США. Этот язык стал родоначальником многих других языков программирования для оборудования с числовым программным управлением. В СССР Г.К.Горанский создает программы для расчетов режимов резания в первой половине 60-х годов. В.Д.Цветков, Н.М.Капустин, С.П.Митрофанов и др. разрабатывают методы синтеза технологических процессов в 70-е годы.
В системах инженерных расчетов и анализа CAE центральное место занимают программы моделирования полей физических величин, прежде всего это программы анализа прочности по методу конечных элементов (МКЭ).
Метод конечных элементов разработан в 1950 г. специалистами, работающими в областях строительной механики и теории упругости. Сам термин "конечные элементы" был введен в 1960 г. Клафом (R.Clough). В 1963 г. был предложен сравнительно простой способ применения МКЭ для анализа прочности путем минимизации потенциальной энергии. Появились программно-методические комплексы для анализа и моделирования на основе МКЭ.
В 1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, ставит задачу разработки конечно-элементного программного пакета. К 1970 г. такой пакет под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и начал эксплуатироваться. Стоимость разработки, продолжавшейся 5 лет, составила 3-4 млн долларов. Одной из компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation). С 1973 г. MSC (с 1999 г. компания называется MSC.Software Corporation) самостоятельно продолжает развивать пакет MSC.NASTRAN, который стал мировым лидером в своем классе продуктов.
В 1976 г. разработан комплекс DYNA3D (позднее названный LS-DYNA), предназначенный для анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур.
К числу лидеров программ CAE можно отнести также комплекс Ansys. В 2000 г. с помощью средств многоаспектного моделирования, реализованных в Ansys, продемонстрирована возможность совместного моделирования электромагнитных, механических и тепловых процессов при проектировании микроэлектромеханических устройств.
Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams, разработанный и развиваемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.
Для проектирования систем, функционирование которых основано на взаимовлиянии процессов различной физической природы, важное значение имеет возможность многоаспектного моделирования. Теоретические основы многоаспектного моделирования на базе аналогий физических величин рассматривались Г.Ольсоном (1947 г.), В.П.Сигорским (1975 г.) и были реализованы в программах моделирования ПА6 - ПА9, разработанных в МВТУ им. Н.Э.Баумана в 70-80-е годы. Основные положения многоаспектного моделирования позднее были закреплены в стандарте, посвященном языку VHDL-AMS.
В настоящее время на российском рынке представлено большое количество CAD/CAMсистем и специализированных приложении для них. Нет проблем и с приобретением таких программ. Но в процессе проектирования, изготовления детали или отработки технологии специалисту необходим универсальный инструмент, с помощью которого он смог бы оперативно решить все возникающие проблемы. Наша задача, познакомить вас с возможностями программного обеспечения и необходимых приложений, которые пригодятся вам для литейного, кузнечно-прессового производства и процессов механообработки, как эффективно использовать это программное обеспечение и быстро получить от него отдачу.
Все программы, о которых мы будем вести разговор, делятся на два вида: программы общего назначения и программы специального назначения. Всем программам для своей работы требуется графическое ядро, роль которого в данном случае выполняет AutoCAD. Почему мы выбрали именноAutoCADв качестве графического ядра? Потому чтоAutoCADдобротно сделанная программа, которая длительное время продается во всем мире (в настоящее время продано более миллиона копий этой программы), она имеет более 4000 приложений для различных областей знаний и в настоящее времяAutoCADявляется стандартом для графических систем, работающих на персональных компьютерах.
Для чего можно использовать AutoCAD? Его можно использовать для выполнения работ по проектированию и конструированию в различных областях машиностроения, строительства, картографии и архитектуры для работы с плоскими чертежами и трехмерными моделями проектов изделий, зданий и даже заводов. КромеAutoCAD, компанияAutodeskпредлагает много специализированных программ общего назначения, которые расширяют возможностиAutoCAD.
Это программа AutoCADDesigner, которая позволяет вам делать компьютерные модели трехмерных параметрических изделий, включая ассоциативность всех размеров, плоских изображений и трехмерных твердотельных компьютерных моделей.
Программа AutoSurfпозволит Вам работать со сложными поверхностями и тонкими оболочками, используя сплайновое моделирование с применением NURBS-математики.
Программа AutodeskMechanicalDesktopподдерживает сквозную параметризацию трехмерных моделей и позволяет Вам проектировать и создавать сложные трехмерные твердотельные и пространственные модели изделий.
Программа AutodeskWorkCenterпредназначена для объединения усилий большого количества людей при работе над большим проектом.
AutoCADи другие программы компанииAutodeskотносятся к программам общего назначения. К этому классу программ относятся и программы компанииIntermech,CimlogicиVibrantGraphics. Программы компанииVibrantGraphics-SoftEngine4 иSoftPoint-- это драйверы, которые предназначены для ускорения работы систем на базеAutoCADв 25 раз.SoftEngineимеет функции мгновенного зумирования и панорамирования без регенерации изображения, позволяют быстро тонировать, разрезать и вращать в реальном масштабе времени тонированные трехмерные объекты и конструкции, а также имеют много других полезных функций. Программное обеспечение компанииIntermechиCimlogicпозволяет очень эффективно и быстро создавать плоские чертежи отдельных деталей, узлов и изделий в целом. В программное обеспечение включены модули для расчета цепных и ременных передач, шкивов и кулачков, пружин, валов, для расчета моментов инерции и других характеристик изделия, включая сложные кинематические расчеты. Программное обеспечение этих фирм имеет модули для работы с пространственными изделиями, выполненными из листовых материалов и программу работы с трехмерными базами стандартных деталей и элементов крепежа. Программа содержит много команд и режимов, которые значительно упрощают процесс черчения и сокращают время изготовления всех видов чертежей.
К программам специального назначения относятся программы компании FlowScience,Rebis,SofDesk,Surfware,GTXи программы, разработанные специалистами "Русская Промышленная Компания" для литейного и кузнечно-прессового производства.
Программное обеспечение компании GTX--GTXRasterCADпредназначено для быстрого и удобного перевода любой документации, в том числе сложных и насыщенных чертежей с бумажного носителя в электронный вид. Программа работает, как приложениеAutoCADи позволяет загрузить отсканированный чертеж непосредственно в средуAutoCAD. Для редактирования изображения могут использоваться специальные интеллектуальные функцииGTXRasterCADили команды из менюAutoCAD. Программы GTX распознают и векторизуют не только чертеж, но и текст, который содержался в поле чертежа. Программа содержит функции для очистки чертежа от "мусора", который появляется в поле чертежа при сканировании старых и некачественных конструкторских документов.
Программное обеспечение компании Rebis предназначено для проектирования заводов и включает программы по проектированию систем трубопроводов, проектированию и расстановке оборудования, проектированию несущих конструкций, модули для проведения поверочных расчетов отдельных элементов и всего проекта в целом.
С помощью программного обеспечения компании SofDesk вы сможете решить все проблемы с автоматизацией проектирования строительных конструкций, расчету основных элементов данного проекта, получению необходимой нормативной документации.
Программа FLOW-3DкомпанииFlowScienceInc. позволит вам моделировать процессы массо - и теплопереноса в трехмерной постановке. В настоящее время данный пакет программ используется при разработке конструкций летательных и морских аппаратов, в автомобилестроении, для проектирования систем охлаждения и вентиляции, для проектирования нефте- и газопроводов, в ракетостроении, при проектировании технологии литейных и металлургических процессов, для литья пластмасс и в других отраслях промышленности.
Программное обеспечение, разработанное специалистами этой компании, используется для проектирования литейной технологии, проектирования пресс-форм для литья металлов и пластмасс, для получения исходной формы заготовки для холодной листовой штамповки при технологических операциях гибки, вытяжки и формовки, для получения оптимальной карты раскроя штампуемых деталей. Для этого используются программы "Технолог", "Конструктор" и "AutoSheet".
Программное обеспечение компании PathraceInc. предназначено для компьютерного моделирования процессов механообработки, проверки качества получаемого изделия и получения управляющей программы для 2...5 координатных станков с ЧПУ. В программе учитываются характеристики используемого пользователем оборудования. ПрограммаEdgeCAMпозволяет Вам, используя компьютерную модель Вашего изделия, пройти все стадии его обработки, покажет места возможных дефектов или несоответствий требованиям к изделию, которое Вы хотите получить, и поможет Вам создать наилучшую управляющую программу для получения данного изделия с гарантированным качеством на Вашем оборудовании.
В связи с тем, что EdgeCAMразрабатывалась специалистами, имеющими большой опыт работы в области механообработки, программа имеет дружественный интерфейс и ориентирована на использование инженерами-технологами, занимающимися разработкой технологии получения деталей обработкой резанием на станках с ЧПУ. ПрограммаEdgeCAMвыполнена по модульному принципу. В ее состав входят "Геометрический Моделлер" - программа для создания пространственной геометрической модели обрабатываемого изделия; программа для визуализации геометрии обрабатываемого объекта, процесса и результатов обработки изделия; программы для проверки и выявления возможных дефектов в процессе компьютерного моделирования обработки изделия; программа-имитатор процесса обработки изделия и постпроцессор, поддерживающий несколько сот стоек для всех основных типов контроллеров станков с ЧПУ. Также, в состав программы входит база данных с материалами заготовок, инструментальными материалами и сортаментом используемого инструмента. В программе реализованы следующие возможности:
Одновременная многоосная обработка -- EdgeCAMподдерживает одновременную обработку трех, четырех и пяти осей координат.
Обработка множества поверхностей - на одной операции может быть обработано неограниченное количество обрезанных и необрезанных поверхностей, что устраняет потребность в отдельных программах ЧПУ для каждой поверхности. Это позволяет выполнить за один шаг черновую или чистовую обработку NURBS-, обрезанныхNURBS- и параметрических поверхностей шаровой или концевой фрезой.
Предупреждение подрезания - это средство множественной обработки поверхностей пакета EdgeCAMпроверяет инструмент по всем сторонам, чтобы избежать подрезания и защитить шейку инструмента.
Графическое моделирование инструмента и его путей - визуализация путей инструмента производится в режиме реального времени по мере их генерации. В дополнение к имеющейся обширной библиотеке инструментов можно создать специальные формы инструментов и шпинделей для отображения их на экране с целью проверки их положения относительно детали, и многое другое...
Использование программы EdgeCAMпозволит Вам, используя компьютерное моделирование процессов механообработки полностью исключить или значительно уменьшить процент брака при изготовлении сложных фасонных изделий, пресс-форм или их элементов, металлических моделей для литья, штампов и их элементов и т.д.
