Сравнительная характеристика систем автоматизированного проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В промышленном производстве давно царит жесткая конкуренция. Чтобы выжить в этих нелегких условиях предприятиям приходится как можно быстрее выпускать новые изделия, снижать их себестоимость и повышать качество. В этом им помогают современные системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие облегчить весь цикл разработки изделий -- от выработки концепции до создания опытного образца и запуска его в производство. Тем самым значительно ускоряется процесс создания новой продукции без ущерба качеству. Поэтому сейчас без САПР не обходится ни одно конструкторское или промышленное предприятие. И хотя на долю указанных систем приходится лишь около 3% рынка ПО, они играют очень важную роль, поскольку помогают создавать товары, без которых невозможно представить нашу повседневную жизнь: автомобили, самолеты, бытовые приборы, промышленное оборудование и, следовательно, являются одной из движущих сил современной промышленности и мировой экономики.

Прогресс науки и техники, потребности в новых промышленных изделиях обусловливают необходимость выполнения проектных работ большого объема.

Проектирование машин и систем машин является многоэтапным динамическим процессом. Это процесс творческий, многоплановый и достаточно трудоемкий. Как правило, проектирование машин, в том числе подъемно - транспортных, строительных и дорожных машин и оборудования, осуществляется большим коллективом различных специалистов с использованием многочисленных расчетных, экспериментальных, эвристических методов и приемов.

Требования, предъявляемые к качеству проектов, срокам их выполнения, оказываются все более жесткими по мере увеличения сложности проектируемых объектов и повышения важности выполняемых ими функций. Удовлетворить эти требования с помощью простого возрастания численности проектировщиков нельзя, так как возможность параллельного проведения проектных работ ограничена, и численность инженерно-технических работников в проектных организациях страны не может быть заметно увеличена. Решить проблему можно на основе автоматизации проектирования - широкого применения вычислительной техники.

Цель автоматизации проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа инженерно-технических работников, занятых проектированием, повышение производительности их труда.

САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющую автоматизированное проектирование.

1. Общее описание систем автоматизированного проектирования, их назначения и областей применения

1.1 Общее описание систем автоматизированного проектирования

САПР -- организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП).

Взаимодействие подразделений проектной организации с комплексом средств автоматизации проектирования регламентируется организационным обеспечением.

Основная функция САПР состоит в выполнении автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей. [1]

При создании САПР и их составных частей следует руководствоваться следующими основными принципами:

- системного единства;

- совместимости;

- типизации;

- развития.

Принцип системного единства должен обеспечивать целостность системы и системную связность проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования в целом (иерархичность проектирования).

Принцип совместимости должен обеспечивать совместное функционирование составных частей САПР и сохранять открытую систему в целом.

Принцип типизации заключается в ориентации на преимущественное создание и использование типовых и унифицированных элементов САПР. Типизации подлежат элементы, имеющие перспективу многократного применения. Типовые и унифицированные элементы, периодически проходят экспертизу на соответствие современным требованиям САПР и модифицируются по мере необходимости.

Создание САПР с учетом принципа типизации должно предусматривать:

- разработку базового варианта КСАП и (или) его компонентов;

- создание модификации КСАП и (или) его компонентов на основе базового варианта.

Принцип развития должен обеспечивать пополнение, совершенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с автоматизированными системами различного уровня и функционального назначения.

Работы по развитию САПР, модернизации составных частей САПР выполняют по техническому заданию.[1]

Как законченное изделие САПР является совокупностью следующих компонентов:

· технических средств, обеспечивающих автоматизированное получение проектных решений;

· программ, управляющих работой технических средств и выполняющих проектные процедуры;

· данных, необходимых для выполнения программ;

· документации, содержащей все необходимые сведения для выполнения автоматизированного проектирования с помощью данной САПР.

Для реализации задач пользователей необходим программный инструментарий - точные и подробные инструкции, содержащие последовательность действий по обработке информации. Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области своего применения, все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Программное обеспечение САПР включает комплекс программ различного назначения, обеспечивающих функционирование компьютерной системы и решение задач автоматизированного проектирования.

При структурировании ПО используют понятия ППП, программных систем, комплексов и компонентов. Пакет прикладных программ-совокупность программ, объединенных общностью применения, т.е. возможностью совместного исполнения или ориентацией на определенный класс задач. Комплекс по определению в Единой системе программной документации (ЕСПД) - сложная программа, которую можно разделить на составные части. Компоненты - составные части программ, имеющие свое функциональное назначение. Понятие «комплекс - компонент» аналогичны понятиям «система - элемент» в блочно-иерархическом проектировании сложных систем, следовательно, на каждом иерархическом уровне проектирования ПО эти понятия наполняются своим конкретным содержанием. Так, операционная система ОС ЕС - комплекс, а компилятор с ФОРТРАНА - его компонент. На уровне проектирования компилятора он рассматривается как комплекс, а синтаксический анализатор и генератор кода - его компоненты.[2]

Составными структурными частями САПР, жестко связанными с организационной структурой проектной организации, являются подсистемы, в которых при помощи специализированных комплексов средств решается функционально законченная последовательность задач САПР.

По назначению подсистемы разделяют на проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы. Они имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап (стадию) проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач.

Примеры проектирующих подсистем: эскизное проектирование изделий, проектирование корпусных деталей, проектирование технологических процессов механической обработки.

Обслуживающие подсистемы. Такие подсистемы имеют общесистемное применение и обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и вывод полученных в них результатов.

Примеры обслуживающих подсистем: автоматизированный банк данных, подсистемы документирования, подсистема графического ввода-вывода.

Формирование и использование моделей объекта проектирования в прикладных задачах осуществляется комплексом средств автоматизированного проектирования (КСАП) системы (или подсистемы).

Структурными частями КСАП системы являются различные комплексы средств, а также компоненты организационного обеспечения.

Комплексы средств относят к промышленным изделиям, подлежащим изготовлению, тиражированию и применению в составе САПР, и документируют как специфицируемые изделия.

Комплексы средств подразделяют на комплексы средств одного вида обеспечения (технического, программного, информационного) и комбинированные.

Комплексы средств одного вида обеспечения содержат компоненты одного вида обеспечения; комплексы средств комбинированные -- совокупность компонентов разных видов обеспечения.

Комбинированные КСАП, относящиеся к продукции производственно-технического назначения, подразделяются на:

· программно-методические (ПМК);

· программно технические (ПТК).

Программно-методический комплекс представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечения (включая компоненты математического и лингвистического обеспечении), необходимую для получения законченного проектного решения по объекту проектирования (одной или нескольким его частям или объекту в целом) или выполнения унифицированных процедур.

В зависимости от назначения ПМК подразделяют на общесистемные и базовые.

Общесистемные ПМК направлены на объекты проектирования и вместе с операционными системами ЭВМ являются операционной средой, в которой функционируют базовые комплексы.

Базовые ПМК могут быть проблемно-ориентированными и объектно-ориентированными, в зависимости от того, реализуют ли они проектные процедуры унифицированные или специфические для определенного класса объектов.

Проблемно-ориентированные ПМК могут включать программные средства, предназначенные для автоматизированного упорядочения исходных данных, требований и ограничений к объекту проектирования в целом или к сборочным единицам; выбор физического принципа действия объекта проектирования; выбор технических решений и структуры объекта проектирования; оценку показателей качества (технологичности) конструкций, проектирование маршрута обработки деталей.

Объектно-ориентированные ПМК отражают особенности объектов проектирования как совокупной предметной области. К таким ПМК, например, относят ПМК, поддерживающие автоматизированное проектирование сборочных единиц; проектирование деталей на основе стандартных или заимствованных решении; деталей на основе синтеза их из элементов формы; технологических процессов по видам обработки деталей и т. п.

Программно-технический комплекс представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов технического обеспечения.

В зависимости от назначения ПТК различают: автоматизированные рабочие места (АРМ); центральные вычислительные комплексы (ЦВК).

Комплексы средств могут объединять свои вычислительные и информационные ресурсы, образуя локальные вычислительные сети подсистем или систем в целом.

Структурными частями комплексов средств являются компоненты следующих видов обеспечения: программного, информационного, методического, математического, лингвистического и технического.

Компоненты видов обеспечения выполняют заданную функцию и представляют наименьший (неделимый) самостоятельно разрабатываемый (или покупной) элемент САПР (например, программа, инструкция, дисплей и т. п.). Эффективное функционирование КСАП и взаимодействие структурных частей САПР всех уровней должно достигаться за счет ориентации на стандартные интерфейсы и протоколы связи, обеспечивающие взаимодействие комплексов средств.

Эффективное функционирование КСАП должно достигаться за счет взаимосогласованной разработки (согласование с покупными) компонентов, входящих в состав комплексов средств.

КСАП обслуживающих подсистем, а также отдельные ПТК этих подсистем могут использоваться при функционировании всех подсистем.

Общесистемные ПМК включают в себя программное, информационное, методическое и другие виды обеспечении. Они предназначены для выполнения унифицированных процедур по управлению, контролю, планированию вычислительного процесса, распределению ресурсов САПР и реализации других функций, являющихся общими для подсистем или САПР в целом.

Примеры общесистемных ПМК: мониторные системы, системы управления БД, информационно-поисковые системы, средства машинной графики, подсистема обеспечения диалогового режима и др.

Мониторные системы управления функционированием технических средств в САПР. (Монитор - управляющая программа).

Основными функциями мониторных систем являются: формирование заданий с контролем пакета задач, требуемых и наличных ресурсов, права доступа к базе данных с установлением приоритета и номера очереди; обработка директив языков управления заданиями и задачами, а также реакция на прерывания с перехватом управления, анализом причин и их интерпретацией в терминах, понятных проектировщику; обслуживание потоков задач с организацией диалогового и интерактивно-графического сопровождения в условиях параллельной работы подсистем; управление проектированием в автоматических режимах с анализом качества исполнения проектных операций, проверкой критериев повторения этапа или продолжения маршрута, выбором альтернативных вариантов маршрута; ведение и оптимизация статистики эксплуатации системы; распределение ресурсов САПР с учетом приоритетов заданий, задач и подсистем, плановых заданий и текущих указаний и запросов; защита ресурсов и данных от несанкционированного доступа и непредусмотренных воздействий.

Информационно-поисковые системы (ИПС) в САПР выполняют такие функции, как заполнение информационного фонда (инфотеки) сведениями; арифметическую обработку цифровых данных и лексическую обработку текстов; обработку информационных запросов с целью поиска требуемых сведений; обработку выходных данных и формирование выходных документов. Особенности ИПС заключаются в том, что запросы к ним формируются не программным путем, а непосредственно пользователями, и не на формальном языке, понятном монитору, а на естественном языке в виде последовательности ключевых слов -- дескрипторов. Перечень дескрипторов, содержащихся во всех принятых на хранение описаниях, составляет словарь дескрипторов, или тезаурус, и предназначен для формирования поисковых предписаний.

Существуют и более сложные ИПС по сравнению с дескрипторными. Важную роль в них играет информационно-поисковый язык, в котором учитываются семантические взаимоотношения между информационными объектами. Это позволяет уменьшить число неправильно распознаваемых языковых конструкций, а обработку запросов производить на основе различных критериев смыслового соответствия.

Система управления базами данных (СУБД) -- программно-методический комплекс для обеспечения работы с информационной базой, организованной в виде структуры данных.

Банки данных являются наиболее высокой формой организации информации в больших САПР. Они представляют собой проблемно-ориентированные информационно-справочные системы, обеспечивающие ввод необходимой информации, не зависимые от конкретных задач ведения и сохранения информационных массивов и выдачи необходимой информации по запросам пользователей или программ. В банках данных используется информация фактографического вида.

СУБД выполняет следующие основные функции: определение баз данных, т. е. описание концептуального, внешнего и внутреннего уровней схем; запись данных в базу; организацию хранения, выполняя изменение, дополнение, реорганизацию данных; предоставление доступа к данным (поиск и их выдача).

Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства. Так, определение данных, состоящее в описании их структур, обеспечивается с помощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулирования данными и языка запросов. По типу поддерживаемых структур различают следующие виды СУБД:

· иерархический

· сетевой

· реляционный

Программно-методические комплексы машинной графики обеспечивают взаимодействие пользователя с компьютером при обмене графической информацией, решение геометрических задач, формирование изображений и автоматическое изготовление графической информации. Графическое взаимодействие пользователя с компьютером (так называемый графический метод доступа) базируется на подпрограммах ввода-вывода, которые обеспечивают прием и обработку команд от устройства ввода-вывода и выдачу управляющих воздействий на эти устройства. Решение геометрических задач (геометрическое моделирование) сводится к преобразованию графической информации, которое представляет собой выполнение в той или иной последовательности элементарных графических операций типа сдвиг, поворот, масштабирование и т. п. Для геометрического моделирования используется ПМК, в котором кроме отдельных элементарных графических операций могут быть реализованы графические преобразования трехмерных изображений, процедуры построения проекций, сечений и т. п. В ПМК графических преобразований обычно предусматриваются средства для формирования некоторых часто используемых изображений, управления графической базой данных, отладки графических подпрограмм.

Диалоговый режим обеспечивается программно-методическими комплексами, осуществляющими ввод, контроль, редактирование, преобразование и вывод графической и/или символьной информации. Диалоговый удаленный ввод заданий обеспечивает ввод и редактирование заданий через каналы связи, выполнение заданий в пакетном режиме и вывод результатов через линии связи на удаленные терминалы. В САПР могут использоваться как диалоговые ПМК общего назначения, так и специализированные. ПМК общего назначения целесообразно применять на начальных стадиях создания и эксплуатации САПР для отработки и проверки методологии проектирования, технологии обработки данных и прикладных программ. В дальнейшее возможна модификация ПМК с учетом специфических требований по организации диалога в САПР. При этом необходимо учитывать наличие диалогового или пакетного режима обработки запросов; ориентацию системы на пользователя непрограммиста; возможность расширения системы путем включения диалоговых прикладных программ на языках высокого уровня; возможность управления диалогом с помощью «меню» и директив, желательность общения на родном языке и т. п.

Примеры ПМК обеспечения диалоговых режимов: система диалогового управления вводом заданий, система режима разделения времени и др.[2]

Функционирование САПР возможно только при наличии и взаимодействии перечисленных ниже средств:

- программного обеспечения;

- информационного обеспечения;

- методического обеспечения;

- лингвистического обеспечения;

- технического обеспечения;

- организационного обеспечения.

Теперь кратко разберёмся с назначением каждого компонента средств САПР

Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение делиться на общесистемное и специальное (прикладное) ПО. Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств, т. е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов, о представлено различными операционными системами. В специальном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.

Информационное обеспечение САПР. Основу составляют данные, которыми пользуются проектировщики в процессе проектирования непосредственно для выработки проектных решений. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений.

Методическое обеспечение САПР. Под методическим обеспечением САПР понимают входящие в её состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Причем документы, относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Так в основном документы методического обеспечения носят инструктивный характер, и их разработка является процессом творческим.

Математическое обеспечение САПР. Основа - это алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР. Среди разнообразных элементов математического обеспечения имеются инвариантные элементы-принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.

Лингвистическое обеспечение САПР. Основу составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения - языки общения человека с ЭВМ.

Техническое обеспечение САПР. Это создание и использование ЭВМ, графопостроителей, оргтехники и всевозможных технических устройств, облегчающих процесс автоматизированного проектирования.

Организационное обеспечение САПР. Этот пункт предписывает комплектование подразделений САПР проффесионально грамотными специалистами, имеющими навыки и знания для работы с перечисленными выше компонентами САПР. От их работы будет зависеть эффективность и качество работы всего комплекса САПР (может даже всего производства).[2]

1.2 Назначения и области применения САПР

В российском производстве в понятие системы автоматизированного проектирования (САПР) принято включать CAD, CAE и CAM, хотя зарубежные проектировщики ассоциируют САПР только с CAD.

В зависимости от объекта проектирования САПР принято де-

лить, по крайней мере, на два основных вида:

1) САПР изделий;

2) САПР технологических процессов.

CAD (Computer-Aided Design). Здесь Computer - компьютер, Aided - с помощью, Design - проект, проектировать. Таким образом, термин CAD можно перевести как «проектирование с помощью компьютера». Эти системы выполняют объемное и плоское геометрическое моделирование, инженерные расчеты и анализ, оценку проектных решений, изготовление чертежей. В более строгой формулировке CAD - программный пакет, предназначенный для проектирования (разработки) объектов производства (или строительства), а также оформления конструкторской и/или технологической документации. Современные САПР используются совместно с системами автоматизации инженерных расчетов и анализа CAE, либо внутри себя содержат интегрированные средства автоматизации инженерных расчетов и анализа. Данные из CAD-системы передаются в CAM-систему автоматизированной разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем). Работа с САПР обычно подразумевает создание геометрической модели изделия (двумерной или трехмерной, твердотельной), генерацию на основе этой модели конструкторской документации (чертежей изделия, спецификаций и проч.) и последующее его сопровождение.

Следует отметить, что русский термин «САПР» по отношению к промышленным системам имеет более широкое толкование, чем CAD - он включает в себя CAD, CAM и CAE.[1]

САПР технологии изготовления. В странах бывшего Советского Союза эти системы принято называть САПР ТП или АС ТПП. В зарубежной литературе их называют CAPP (Computer Automated Process Planning). Здесь Automated - автоматический, Process - процесс, Planning - планировать, планирование, составление плана. С помощью этих систем разрабатывают технологические процессы и оформляют их в виде маршрутных, операционных, маршрутнооперационных карт, проектируют технологическую оснастку, разрабатывают управляющие программы (УП) для станков с ЧПУ.

Более конкретное описание технологии обработки на оборудовании с ЧПУ (в виде кадров управляющей программы) генерируется автоматизированной системой управления производственным оборудованием (АСУПР), которую в зарубежной литературе принято называть CAM (Computer-Aided Manufacturing). Здесь Manufactur- ing - производство, изготовление. Техническими средствами, реализующими данную систему, могут быть системы ЧПУ станков, компьютеры, управляющие автоматизированными станочными системами. В некоторых источниках под термином САМ понимают подготовку технологического процесса производства изделий, ориентированную на использование средств вычислительной техники, и включающую не только сам процесс компьютеризированной подготовки производства, но и программно-вычислительные комплексы, используемые технологами проектировщиками. Фактически же технологическая подготовка сводится к автоматизации разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ (2- осевые лазерные станки), (3- и 5-осевые фрезерные станки с ЧПУ; токарные станки; обрабатывающие центры; автоматы продольного точения и токарно-фрезерной обработки). Как правило, большинство программно-вычислительных комплексов совмещают в себе решение задач CAD/CAM, CAE/САМ, CAD/CAE/CAM.

Научно-исследовательский этап проектирования иногда выделяют в самостоятельную автоматизированную систему научных исследований (АСНИ) или, используя зарубежную терминологию, автоматизированную систему инжиниринга - CAE (Computer Aided Engineering). Одним из примеров такой системы является так называемая «изобретающая машина», которая поддерживает процесс принятия проектировщиком новых нестандартных решений, иногда и на уровне изобретений. В более узком понимании САЕ - общее название для программ или программных пакетов, предназначенных для инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов. Расчетная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объемов, метод конечных разностей и др.). Современные системы автоматизации инженерных расчетов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы). CAE-системы это разнообразные программные продукты, позволяющие оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Они позволяют проверить работоспособность изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

Помимо этого различают: систему производственного планирования и управления PPS (Productions plans system), что соответствует отечественному термину АСУП (автоматизированная система управления производством). CAQ (Computer Aided Quality Control) - автоматизированная система управления качеством. PDM (Product Data Management) - автоматизированная система управления производственной информацией. Аналог системы электронного документооборота. CAD/САМ/САЕ/PDM - комплексная система автоматизированного проектирования и производства. CIM (Computer Integrated Manufacturing) - система интегрированного производства.[1]

2. Применение систем автоматизированного проектирования в машиностроительном производстве

Непосредственно в машиностроении применяются специализированные пакеты и различные надстройки более общих и распространенных систем проектирования, таких как Autodesk AutoCAD, ZwCAD, BricsCAD, Космос, SolidWorks и другие. Рассмотрим подробнее некоторые из систем.

Традиционно, продукты САПР для машиностроения разделены на три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация сложилась исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между классами вот-вот сотрутся, они остаются, так как системы по-прежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям.

В результате сейчас в этой области имеется несколько мощных систем, своего рода “олигархов” мира САПР, стабильно развивающиеся продукты среднего класса и получившие массовое распространение недорогие “легкие” программы. Имеется и так называемая “внеклассовая прослойка общества”, роль которой выполняют различные специализированные решения.[2,4]

2.1 Тяжелые САПР

Компьютерная технология призвана не автоматизировать традиционно существующие технологические звенья (так как это обычно не дает какого-либо эффекта, за исключением некоторого изменения условий труда), а принципиально изменить саму технологию проектирования и производства изделий. Только в этом случае можно ожидать существенного сокращения сроков создания изделий, снижения затрат на весь жизненный цикл изделия, повышения качества изделий.

Прежде всего, применительно к созданию сложных изделий машиностроения, в основе организации компьютерной технологии лежит создание полного электронного макета изделия, так как именно создание трехмерных электронных моделей, адекватных реально проектируемому изделию, открывает колоссальные возможности для создания более качественной продукции (особенно сложной, наукоемкой продукции) и в более сжатые сроки.

В идеале в процессе проектирования и производства сложных и многокомпонентных изделий все участвующие в проектировании должны, работая одновременно и наблюдая работу друг друга, создавать сразу на компьютерах электронные модели деталей, узлов, агрегатов, систем и всего изделия в целом.

При этом одновременно решать задачи концептуального необходимо проектирования, всевозможных видов инженерного анализа, моделирования ситуаций, а также компоновки изделия и формирования внешних обводов. Не дожидаясь полного окончания разработки нового изделия, эту информацию следует использовать для технологической подготовки производства и производства как такового. Кроме того, необходимо автоматизировано управлять и всеми создаваемыми данными электронной модели (то есть структурой изделия), и самим процессом создания изделия, и к тому же иметь возможность управлять структурой процесса создания изделия.

Для реализации именно компьютерной технологии проектирования и производства должны применяться системы автоматизированного проектирования инженерного анализа и технологической подготовки производства (CAD/CAE/CAM) высшего уровня, а также системы управления проектом (PDM -- Product Data Management).

Что такое система CAD/CAE/CAM высшего уровня? Это такая система, которая, во-первых, обеспечивает весь цикл создания изделия от концептуальной идеи до реализации, а во-вторых (и это самое главное), создает проектно-технологическую среду для одновременной работы всех участников создания изделия с единой виртуальной электронной моделью этого изделия.

На Западе эта организационная философия обозначается аббревиатурой CAPE (Concurrent Art-to-Product Environment), что можно перевести как «Единая среда создания изделия от идеи до реализации». По существу, именно то, в какой степени система реализует указанную философию, и определяет уровень системы. Руководствуясь такой концепцией, можно резко сократить цикл создания изделия, повысить технический уровень проектов, избежать нестыковок и ошибок в изготовлении оснастки и самого изделия благодаря тому, что в подобном случае все данные взаимосвязаны и контролируемы.

В настоящее время на рынке осталось лишь три САПР верхнего ценового класса -- Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Раньше мощных системы было больше, но после череды слияний и поглощений компаний, число пакетов сократилось.

Упомянутые компании -- лидеры в области САПР, а их продукты занимают львиную долю рынка в денежном выражении. Главная особенность «тяжелых» САПР -- обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы -- все это результат длительного развития. Однако, эти системы немолоды -- CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer -- в 1988 г., а Unigraphics NX, хотя и вышла в 2002 г., является результатом слияния двух весьма почтенных по возрасту систем -- Unigraphics и I-Deas, полученных фирмой EDS в результате приобретения компаний Unigraphics и SDRC. Все названные программы включают средства трехмерного твердотельного и поверхностного моделирования, а также модули структурного анализа и подготовки к производству, т. е. являются интегрированными пакетами CAD/CAM/CAE. Кроме того, все три поставщика предлагают для своих САПР системы управления инженерными данными (PDM), позволяющие управлять всей конструкторско-технологической документацией и предоставлять дополнительные данные, экспортированные из других корпоративных систем, из справочников и нормативных источников.

Несмотря на то, что тяжелые системы стоят значительно дороже своих более «легких» собратьев (десятки тысяч долларов за одно рабочее место), затраты на их приобретение окупаются, особенно когда речь идет о сложном производстве, например машиностроении, двигателестроении, авиационной и аэрокосмической промышленности. Однако крупных клиентов, способных платить за САПР миллионы долларов не так много. По мнению аналитиков, этот сегмент рынка уже практически насыщен и поделен между «китами» индустрии. Сейчас производители средств автоматизации проектирования возлагают надежды на предприятия среднего и малого бизнеса, которых гораздо больше, чем промышленных гигантов. Для них предназначены системы среднего и легкого классов.[2,4]

2.2 Средний класс САПР

В мире САПР средний класс возник позднее двух остальных -- в начале 90-х. До этого средствами трехмерного твердотельного моделирования обладали лишь дорогие тяжелые системы, а легкие программы служили для двумерного черчения. Средние САПР заняли промежуточное положение между тяжелым и легким классами, унаследовав от первых трехмерные параметрические возможности, а от вторых -- невысокую цену и ориентацию на платформу Windows. Они произвели революционный переворот в мире САПР, открыв небольшим конструкторским организациям путь для перехода от двумерного к трехмерному проектированию.

Важную роль в становлении среднего класса сыграли два ядра твердотельного параметрического моделирования ACIS и Parasolid, которые появились в начале 90-х годов и сейчас используются во многих ведущих САПР. Геометрическое ядро служит для точного математического представления трехмерной формы изделия и управления этой моделью. Полученные с его помощью геометрические данные используются системами CAD, CAM и САЕ для разработки конструктивных элементов, сборок и изделий. В настоящее время Parasolid принадлежит фирме EDS, а ACIS -- компании Dassault, которые продают лицензии на их использование всем желающим. Таких желающих немало -- эти ядра составляют основу более сотни САПР, а число проданных лицензий перевалило за миллион. Успех понятен -- ведь использование готового ядра избавляет разработчиков системы от решения трудоемких задач твердотельного моделирования и позволяет сосредоточиться на пользовательском интерфейсе и других функциях. Впрочем, это не значит, что все САПР среднего класса построены на базе этих механизмов. Многие компании ценят независимость и предпочитают разрабатывать собственные «движки».

К среднему классу аналитики относят системы стоимостью порядка 5--6 тыс. долл. за рабочее место (цены в США). Для сравнения: у тяжелых САПР рабочее место обходится примерно в 20 тыс. долл., но в последнее время поставщики выпустили облегченные версии продуктов, которые стоят дешевле.

По прогнозу аналитической компании Daratech рост среднего класса будет продолжаться, и предполагается, что до 2008-го рынок будет увеличиваться на 11% в год. Причина такой положительной динамики состоит в активном притоке новых пользователей из обоих смежных лагерей -- тяжелых и легких систем. Так, по мнению аналитиков, сейчас становится все больше производителей, недовольных слабой окупаемостью своих инвестиций в дорогие продукты и ищущих более дешевые варианты. С другой стороны, глобализация, нарастание конкуренции и спад мировой экономики заставляют малые и средние предприятия переходить c двумерных САПР на трехмерные, чтобы ускорить выпуск новых изделий в продажу и повысить их качество. Процесс перехода подстегивает улучшение совместимости между 2D- и 3D-системами и увеличение преимуществ САПР среднего класса для повышения производительности труда.

У средних САПР сейчас существует обширный круг потенциальных потребителей, и они вольно или под давлением рынка будут вынуждены рано или поздно их внедрить. На руку “середнякам” играет и расширение функциональных возможностей этих продуктов. В результате у предприятий, которые хотят получить надежный инструмент для трехмерного моделирования, но могут обойтись без высокоразвитых средств тяжелых САПР, появились дополнительные варианты для выбора ПО. Ведь раньше поставщики утверждали, что средние САПР обладают 80% функций тяжелых продуктов, а их цена составляет всего 20% от стоимости дорогих систем. Теперь, считают аналитики из Daratech, по возможностям “середняки” приближаются к 90%, а по стоимости -- к 50%. Безусловно, даже этот 10%-ный разрыв нельзя сбрасывать со счетов. Например, предприятиям автомобильной и авиакосмической промышленности крайне необходим передовой функционал, присущий только “тяжеловесам”. Поэтому различие между этими двумя классами существует и сохранится в течение обозримого будущего, так как разработчики и тех и других систем не сидят сложа руки, а будут и впредь совершенствовать свои продукты.

Пионером в области средних САПР стала компания SolidWorks. В 1993 г. она представила одноименный продукт, обладающий трехмерным геометрическим ядром, который, по утверждению создателей, по возможностям приближался к механизмам твердотельного моделирования тяжелых систем, но стоил гораздо дешевле. Вскоре примеру первопроходца последовала фирма Solid Edge, выпустившая одноименную САПР, а затем и Autodesk. Она сначала разработала трехмерную программу Mechanical Desktop на базе двумерной AutoCAD, а затем создала новое ПО Inventor. Помимо этих систем на рынке есть немало других САПР среднего класса, например think3, Cadkey, Alibre. Есть среди них и российские разработки. Так, компания АСКОН продвигает систему КОМПАС на базе собственного геометрического ядра, а фирма “Топ Системы” -- программу T-Flex на основе ядра Parasolid, принадлежащего UGS. Они также прошли длительный путь развития и обзавелись встроенными средствами поверхностного моделирования, управления документами (PDM), технологической подготовки производства (CAM) и т. д., но при этом стоят существенно дешевле зарубежных аналогов и изначально ориентированы на отечественные стандарты и приемы проектирования.[2,4]

2.3 Легкие системы САПР

Программы данной категории служат для двумерного черчения, поэтому их обычно называют электронной чертежной доской. К настоящему времени они пополнились некоторыми трехмерными возможностями, но не имеют средств параметрического моделирования, которыми обладают тяжелые и средние САПР.

Первая чертежная система Sketchpad была создана еще в начале 60-х годов, а затем появилось немало других продуктов такого рода, использующих достижения компьютерной графики. Однако подлинный расцвет в этой области наступил лишь в 80-е годы с появлением персональных компьютеров. Вслед за снижением стоимости оборудования последовал обвал цен и на САПР.

Пионером в этой области стала компания Autodesk, которая в 1983 году, выпустила САПР для ПК под названием AutoCAD. Успех был феноменальным -- уже в 1987 г. было продано 100 тыс. копий AutoCAD, а сегодня это число превышает четыре миллиона. В результате Autodesk удалось отхватить изрядную долю рынка САПР, вытеснив тяжеловесов из сегмента программ для двумерного черчения. Примеру первопроходца последовали и остальные игроки. Так, в 1984 г. фирма Bently представила программу Microstation, которая стала основным конкурентом AutoCAD'а. Кроме них сейчас существует множество других «легких» САПР, включая DataCAD одноименной компании, TurboCAD фирмы IMSI, SurfCAM от Surfware и другие. Эти продукты проще и дешевле (100 -- 4000 долл.) тяжелых и средних САПР, поэтому пользуются спросом, несмотря на нынешний экономический спад. В результате «легкие» системы стали самым распространенным продуктом автоматизации проектирования, своего рода «рабочей лошадкой» мира САПР.[2]

3. Функциональные возможности программного продукта «nanoCAD»

3.1 Основные особенности продукта «nanoCAD»

nanoCAD -- базовая система автоматизированного проектирования и черчения (САПР-платформа). Разработана компанией «Нанософт», Россия. В России и странах СНГ распространяется по схеме "freeware". Обладает AutoCAD-подобным интерфейсом и напрямую поддерживает формат DWG (с помощью библиотек Teigha™, разработчик Open Design Alliance). На базе бесплатной платформы nanoCAD создается ряд платных приложений для выполнения различных узкоспециализированных проектных задач.

К достоинствам продукта nanoCAD можно отнести:

· Нулевая цена: программное обеспечение распространяется бесплатно и доступно для коммерческого использования, как частными лицами, так и проектными организациями.

· Привычный интерфейс: принципы работы с nanoCAD аналогичны принципам работы в AutoCAD, что позволяет пользователю сменить платформу без серьёзного переобучения.

· Прямая поддержка DWG: чертежи, разработанные в nanoCAD можно открыть в среде AutoCAD без дополнительных преобразований и наоборот, чертежи, разработанные в среде AutoCAD, открываются в среде nanoCAD.

· Открытый API: под nanoCAD можно разрабатывать собственные приложения на языках C++ или .NET.

К недостаткам nanoCAD можно отнести:

· Отсутствие поддержки AutoLISP и VBA: любые приложения и средства адаптации, написанные на языках AutoLISP и VBA, на данный момент не работают в среде nanoCAD.

· Потенциальные проблемы с поддержкой DWG: т.к. nanoCAD поддерживает формат DWG с помощью библиотек Teigha™, разработанных некоммерческой организацией Open Design Alliance, то существует потенциальная возможность потерять совместимость с оригинальным форматом DWG от компании Autodesk. В сложившихся условиях это маловероятно: библиотеками ODA пользуются порядка 750 организаций (ODA Members, среди которых - Adobe, Oracle, Bentley, Dassault Systиmes, Siemens, Graphisoft, российские компании - Аскон, Нанософт, СиСофт, Инфрасофт и др.). На данный момент основная масса чертежей в формате DWG обрабатывается достаточно достоверно, включая визуализацию, редактирование и сохранение.

Продукт «nanoCAD» функционально занимает нишу между AutoCAD LT и полной версией AutoCAD . Разработчики nanoCAD считают, что ни одна платформа, являясь по своей сути электронным кульманом, не может называться САПР. Поэтому, распространяя платформу nanoCAD бесплатно, «Нанософт» предлагает пользователям использовать платные приложения, работающие как на платформе AutoCAD, так и на платформе nanoCAD.[5]

3.2 Функциональные возможности

Интерфейс nanoCAD последних версий максимально приближен к интерфейсу классических САПР: основную часть окна занимает рабочее пространство, в котором непосредственно разрабатывается чертеж, в верхней части расположены меню и панели с навигационными инструментами, в нижней части расположена командная строка. Команды и меню соответствует организации интерфейса AutoCAD версий 2000-2008.

Несмотря на визуальное сходство с AutoCAD (а также программами на базе ядра IntelliCAD, являющихся копиями AutoCAD), ядро nanoCAD разрабатывается российскими разработчиками самостоятельно. Это приводит к некоторым различиям в работе nanoCAD от работы в среде AutoCAD: так в nanoCAD отсутствуют многие функции и технологии, заложенные в AutoCAD (технология подшивок, работа с динамическими блоками динамический ввод информации и т.д.).

На данный момент nanoCAD позиционируется как система рабочего 2D-проектирования (черчения) и содержит все необходимые инструменты базового проектирования и позволяет:

· Создавать и редактировать различные 2D и 3D векторные примитивы, одно и многострочные тексты, размеры и другие, более сложные объекты оформления чертежей, в соответствии со стандартами ЕСКД и СПДС.

· Выполнять простые и сложные операции векторного редактирования, такие как перемещение, поворот, разбиение, продление и т.д.;

· Использовать инструменты повышающие точность редактирования: шаг, сетку, привязки, объектное и полярное отслеживание;

· Создавать и использовать любые виды таблиц, выполнять специфицирование элементов чертежа по атрибутивным данным блоков и объектов оформления;

· Производить настройки рабочей среды для оформления рабочей документации по различным стандартам;

· Выполнять печать готовых технических документов по заранее сформированным настройкам;

· Вести полноценную работу в 3D-пространстве модели и 2D-пространстве листа, используя видовые экраны;

· Просматривать, создавать и редактировать поверхностные 3D-модели, задавать пользовательскую координатную систему для редактирования и геометрической привязки к 3D-объектам;

· Использовать при проектировании любую ранее выполненную техническую документацию, хранящуюся в электронном виде в различных растровых форматах (сканированные чертежи, фотографии) или как OLE объекты (тексты, таблицы);

· Обмениваться готовыми чертежами со сторонними организациями и смежниками, используя распространённый формат DWG.[5]

4. Функциональные возможности программного продукта «Pro\ENGINEER»

система автоматизированное проектирование

4.1 Основные особенности продукта «Pro\ENGINEER»

Pro/ENGINEER - это, прежде всего, система трехмерного проектирования, как твердотельного, так и поверхностного, предоставляющая очевидные преимущества перед традиционным в прошлом двумерным проектированием:

наглядность представления проектируемой модели - позволяет избежать ошибок, связанных с тем, что при двумерном проектировании конструктору трудно представить твердотельную модель, особенно имеющую сложную геометрию;

оперирование геометрией на уровне объектов - инженерных элементов, что значительно упрощает и ускоряет процесс проектирования. Ядро Pro/ENGINEER использует уникальную по своим возможностям технологию - Proven Technology, основанную на граничных представлениях. Основное отличие Proven Technology от известных технологий трехмерного проектирования ACIS, Parasolid, используемых в конкурирующих продуктах (UNIGRAPHICS, I-DEAS, CADDS, EUCLID) - жесткие требования на проектируемую геометрию (геометрия должна быть определена однозначно). Такие ограничения не требуют от конструкторов лишних усилий при проектировании, а позволяют достичь полного соответствия геометрии полученной детали заданным размерам, что наиболее критично при дальнейшей работе над моделью (изготовление технологической оснастки, подготовка программ для обработки на станках с ЧПУ и т.д.).

Этап проектирования изделия включает трехмерное моделирование, оптимизацию конструкции, подготовку рабочих чертежей и определение процессов изготовления (проектирование программ для станков с ЧПУ). Эффективное сочетание всех этих функций значительно уменьшает время выхода изделий на рынок. Основное преимущество Pro/ENGINEER перед традиционными методами проектирования - поддержка параллельной разработки изделия. Этим обеспечивается более быстрый, чем у конкурентов, выпуск изделия на рынок, по более низкой цене и более высокого качества.[6]

4.2 Функциональные возможности

Программные модули Pro/ENGINEER для решения задач конструкторского проектирования предназначены для инженеров-конструкторов и предоставляют им инструмент для создания моделей, как отдельных деталей, так и сложных сборочных конструкций. Это строгая, логичная, простая в обращении система, позволяющая действовать интуитивно и творчески. Она позволяет проектировать и управлять крупными, сложными сборочными единицами, состоящими практически из неограниченного числа компонентов. Контроль над пересечением отдельных деталей и расчет массовых характеристик гарантирует правильность сборки с первого раза. Это значительно сокращает время, затрачиваемое на проектирование, и облегчает повторное использование стандартных, опробованных конструкций в качестве основы новых продуктов.

Использование в Pro/ENGINEER единой информационной модели изделия дает возможность инженерам-технологам начинать разработку оснастки и управляющих программ для оборудования с ЧПУ, не дожидаясь окончательного завершения этапа конструкторского проектирования. Конструкторы еще не закончили работу со сборкой, а технологи уже работают над разработкой техпроцессов изготовления составляющих ее деталей, при необходимости поправляя возможные ошибки конструкторов. Это значительно сокращает время и средства, затрачиваемые на проектные и работы, и позволяет оптимально использовать коллективный опыт разработчиков.

Пакет программных модулей для технологической подготовки производства предназначен для инженеров-технологов и позволяет решать задачи проектирования технологической оснастки (штампов, пресс-форм), разработки управляющих программ для металлорежущего, штампового оборудования с ЧПУ, а также оборудования проволочной электроэрозионной обработки.[6]

Заключение

nanoCAD предназначена для оформления чертежей в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). В программе удобно проектировать системы гидропневмоэлементов, зубчатые зацепления, валы, а также проводить инженерный анализ, выполнять расчет размерных цепей и многие другие операции, необходимые при машиностроительном проектировании.

Pro/ENGINEER - полнофункциональная САПР для разработки изделий любой сложности. Благодаря мощным возможностям автоматизации всех машиностроительных дисциплин, Pro/ENGINEER является общепризнанным 3D решением для моделирования и разработки конкурентоспособных коммерческих изделий. Интегрированные CAD/CAM/CAE решения Pro/ENGINEER позволяют проектировать быстрее, чем когда-либо, максимально способствуя появлению новых идей и повышению качества, что в конечном итоге приводит к созданию выдающихся изделий.

Список информационных ресурсов: