Курс состоит из пятнадцати лекций. Первая лекция посвящена обзору современного состояния программных систем, традиционно относимых к классу САПР. Следующие четыре лекции описывают геометрические основы систем автоматизированного проектирования. Материал шестой и седьмой лекций содержит описание различных алгоритмов, используемых при решении задач вариационного проектирования. Инженерные инструменты САПР и алгоритмы решения соответствующих задач рассматриваются в восьмой и девятой лекциях. Десятая, одиннадцатая и двенадцатая лекции представляют математический аппарат систем инженерного анализа. Тринадцатая описывает математический аппарат, используемый для работы со станками ЧПУ, а четырнадцатая посвящена математическим основам систем технологической подготовки производства. Последняя, пятнадцатая лекция посвящена системам интеграции данных об изделии, используемых на протяжении его жизненного цикла. В конце каждой лекции приводится список вопросов для самоконтроля, а также рекомендации по дополнительному чтению.

Благодарности

Для четкого понимания излагаемых в рамках данного курса концепций автоматизации различных процессов, связанных с жизненным циклом изделия, рассмотрим сначала типичную схему организации производства современного машиностроительного предприятия. Как правило, любое предприятие специализируется на производстве конкретных типов изделий. У предприятия обязательно имеется отдел маркетинга, который проводит рыночные исследования, ведет работу с потенциальными и реальными клиентами и добивается заключения контрактов на производство и поставку партии изделий. Получив конкретный заказ, отдел маркетинга передает его главному инженеру предприятия, который должен оценить, можно ли в принципе выполнить этот заказ на технологической базе предприятия. Для этого он поручает конструкторскому отделу подготовить проект изделия.

В большинстве случаев инженер-конструктор имеет дело с проектированием изделия, которое конструктивно похоже на выполненные ранее работы (так как обычное предприятие специализируется на каком-то одном типе изделий). Поэтому он сначала находит похожий проект среди работ, выполненных в конструкторском отделе ранее, копирует его и вносит требуемые изменения, а затем передает обратно главному инженеру.

Далее проект попадает в технологический отдел, где осуществляется составление проектного плана - последовательности операций, которые необходимо выполнить в цехах предприятия для производства изделия (обработки деталей и их сборки).

Третий этап - проверка наличия на складе всех необходимых комплектующих (заготовок или готовых деталей от предприятий-смежников) и заказ недостающих частей при необходимости.

Четвёртый - собственно производство партии изделий, как правило, связанное с изготовлением отдельных деталей на станках и прессах (при использовании станков с числовым программным управлением требуется их соответствующим образом перепрограммировать), а также сборка конечного изделия (при использовании конвейерных линий с роботами-сборщиками требуется переналадить их на сборку модифицированного изделия).

Пятый этап - контроль качества, шестой - упаковка изделий; а завершается все поставкой изделий заказчику, организацией их послепродажного обслуживания и - при необходимости - утилизацией.

Таким образом, любое современное производство, даже весьма скромных объемов, требует наличия квалифицированного персонала, выполняющего большое количество самых разных интеллектуальных операций, сопровождающихся значительным документооборотом. Излишне говорить, что трудоемкость создания каждого документа (как правило, это чертежи изделий и техническая документация к ним) традиционными методами (с использованием чертежной доски - кульмана) невероятно велика. В условиях усиливающейся конкуренции (связанной с постоянным ростом экономики, с открытием рынков, с глобализацией в масштабах всей планеты) выживают только те предприятия, которые способны быстро и адекватно отвечать на постоянное изменение рыночных условий, то есть минимизировать время выполнения любого заказа. Для помощи таким предприятиям и были разработаны интегрированные программные системы автоматизации, ускоряющие каждую область деятельности по отдельности и в то же время связывающие их между собой в рамках одной информационной системы предприятия.

Исторический обзор развития систем автоматизации проектирования

Развитие систем автоматизации проектирования происходило в тесном сотрудничестве научных лабораторий, военных ведомств и промышленных предприятий. История этого развития включала в себя несколько ключевых событий, которые можно объединить по десятилетиям:

1950-е годы. Создание станков с числовым программным управлением (ЧПУ)

1952. В Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT) создан первый фрезерный станок с ЧПУ.

1957. Система PRONTO - первое коммерческое ПО для управления станками с ЧПУ.

1960-е годы. Системы компьютерной графики и системы автоматизации черчения

1963. Айван Сазерлэнд (Ivan Sutherland) из MIT создал программу SKETCHPAD, которая намного опередила свое время и теперь считается первой системой автоматизации черчения.

1964. Американские математики Фергюсон (J.C. Ferguson) из Boeing и Кунс (Steven A. Coons) из MIT предлагают различные способы задания параметрических поверхностей, обладающих определенными геометрическими свойствами. Сотрудник General Motors де Бур (C. de Boor) впервые использует для инженерных целей понятие B-сплайна, предложенное еще в 1948 г. Пару лет спустя французские математики Безье (Pierre Bйzier) и де Кастельжо (Paul de Casteljau), работающие на конкурирующие компании Rйnault и Citroлn, независимо изобрели аппарат для построения инженерных кривых и поверхностей по контрольным точкам, который лег в основу современного поверхностного моделирования.

1965. В Computer Laboratory Кембриджского университета создается CAD Group. Эта команда ученых, возглавляемая Чарльзом Лангом (Charles Lang), проводит исследования в области создания программных средств, лежащих в основе MCAD/CAM. Вскоре к CAD Group присоединяется Ян Брэйд (Ian Braid), который разрабатывает экспериментальную систему BUILD, систему геометрического моделирования на основе революционной для того времени технологии - граничного представления (BRep).

1965. Ведущие машиностроительные корпорации (Lockheed и McDonnell) создают первые коммерческие CAD/CAM-системы, а также системы анализа методом конечных элементов.

1967-1969. Создание первых софтверных компаний, производящих САПР: американских SDRC и Computervision. Их продукты - I-DEAS и CADSS (а позднее и Windchill) на долгие годы становятся стандартом САПР. Позднее обе компании были поглощены новыми лидерами рынка - c 1998 г. Computervision принадлежит Parametric Technology Corporation, а в 2002 г. SDRC была куплена EDS и объединена с Unigraphics.

1970-е. Первые 3D-системы

1974. Ведущие участники CAD Group в Кембридже образуют компанию Shape Data Ltd., которая начинает разработку коммерческого геометрического ядра ROMULUS (на языке Fortran), основанного на идеях, обкатанных в экспериментальном ядре BUILD. Вскоре продается первая коммерческая лицензия на ROMULUS. Покупатель - компания HP - использует ее для создания своей CAD-системы ME30 (наследником которой является CoCreate OneSpace Modeler).

1974. Выступление американского художника-дизайнера Чайкина (G. Chaikin) на конференции CAGD в университете Юты с представленным им алгоритмом быстрой генерации кривой заданной формы породило новую область исследований - теорию поверхностей подразделения; в настоящее время все известные способы компактного представления трехмерных моделей основаны на этой теории.

1977. Французская авиастроительная компания Avions Marcel Dassault (ныне Dassault Aviation) создает систему трехмерного проектирования CATIA (Computer-Aided Three-dimensional Interactive Application; позднее для разработки следующих версий системы будет создана специальная софтверная компания - Dassault Systeкmes), остающуюся до сих пор непревзойденной по своим уникальным возможностям поверхностного моделирования, широко используемым ведущими предприятиями авиакосмической и автомобильной промышленности во всем мире.

1979. Boeing, General Electric и другие компании разрабатывают первый стандарт для обмена инженерными геометрическими данными - формат IGES (Initial Graphic Exchange Standard), который включает в себя спецификацию NURBS кривых и поверхностей (конические сечения, кривые Безье и B-сплайны являются частными случаями NURBS).

1980-е. Первые системы твердотельного моделирования для UNIX, первые программы автоматизации черчения для PC

1980. Подразделение американского авиастроительного концерна McDonnell Douglas выпускает первую в мире коммерческую систему твердотельного моделирования - Unigraphics. В 1991 г. этот бизнес покупает компания EDS. Спустя еще 10 лет EDS приобретает компанию SDRC, объединяет ее линейку продуктов с Unigraphics и продает объединенную компанию частным инвесторам под именем UGS. Наконец, в 2007 г. компанию UGS поглощает немецкий концерн Siemens.

1980. Французская компания Matra Datavision выпускает САПР EUCLID, который по мере развития превращается из CAD-системы в интергрированный CAD/CAM/CAE-пакет. В 1998 г. Matra продает этот бизнес Dassault Systeкmes.

1982. Создание компании Autodesk и выпуск ее первого продукта AutoCAD - первой системы автоматизации черчения для персональных компьютеров, которая долгие годы оставалась (а по некоторым данным остается до сих пор) самой популярной САПР в мире.

1983. Начало работы над международным стандартом обмена CAD-данными - STEP, призванного заменить IGES.

1985. Компания Shape Data начинает разработку пакета Parasolid - прямого наследника геометрического ядра ROMULUS. В этом же году ведущие сотрудники Shape Data оставляют компанию и создают собственную под названием Three-Space Ltd., которая начинает разработку принципиально нового геометрического ядра - ACIS - совместно с американской компанией Spatial Technology (спустя 15 лет поглощенной Dassault Systeкmes). Компания Shape Data через три года поглощается Unigraphics вместе с ее разработкой Parasolid.

1985. Эмигрировавший из СССР в США профессор Ленинградского университета Семен Петрович Гейзберг основывает компанию PTC (Parametric Technology Corp.). Выпущенный два года спустя продукт Pro/ENGINEER становится первой в мире системой параметрического проектирования на основе конструктивных элементов.

1987. Компания 3D Systems выпускает первые станки для быстрого прототипирования изделий путем изготовления их копий из пластика методом стереолитографии.

1989. Компания Deneb Robotics (ныне поглощенная Dassault Systeкmes) выпускает первую в мире программу, моделирующую движения человека при работе за станком, положившую начало эргономическому анализу в САПР.

1989. Джон Оуэн (John Owen) создает в Кембридже компанию D-Cubed Limited, которая занимается разработкой геометрических программных библиотек, в частности, вычислительных модулей для параметризации двумерных и трехмерных геометрических моделей. Модули D-Cubed используют практически все разработчики САПР. В 2004 г. компанию поглощает UGS (ныне Siemens PLM Software).

1989. Создается первая российская софтверная компания, разрабатывающая САПР - АСКОН (Санкт-Петербург) с продуктом КОСМОС. В настоящее время АСКОН является ведущим отечественным поставщиком решений для конструкторско-технологической подготовки производства и управления жизненным циклом изделия.

1990-е. Полноценные САПР на платформе Windows

1991. Компания Autodesk лицензирует геометрическое ядро ACIS у Spatial Technologies для реализации элементарных функций твердотельного моделирования в AutoCAD (а затем - также в пакетах Mechanical и Inventor).

1992. Выпускниками МГТУ «СТАНКИН» создана компания Топ Системы, занимающаяся разработкой линейки САПР-решений T-FLEX (на основе ядре Parasolid).

1993. Джон Хирштик (John Hirschtick) из компании Computervision вместе с Майклом Пэйном (Michael Payne) из компании PTC основывают собственную компанию - SolidWorks, вскоре поглощенную Dassault Systeкmes; ныне одноименная САПР SolidWorks (основанная на геометрическом ядре Parasolid) является одной из самых популярных в мире систем трехмерного проектирования.

1996. Компания Intergraph выпускает Solid Edge - трехмерную САПР для платформы Windows NT на геометрическом ядре ACIS. Два года спустя права на Solid Edge перекупила компания UGS, которая перевела систему на собственное ядро Parasolid.

1998. PTC поглощает компанию Computervision и выпускает Windchill, систему управления жизненным циклом изделия в среде Интернет.

1999. На основе успеха программы AutoCAD в области автоматизации черчения компания Autodesk создала трехмерную САПР Inventor для платформы Windows на основе лицензированного геометрического ядра ACIS, которая в настоящее время составляет серьезную конкуренцию другим популярным САПР среднего уровня - SolidWorks и Solid Edge.

2000-е. Системы для управления жизненным циклом изделия (PLM)

2000. Бурно растущий рынок средств управления жизненным циклом изделия (включая средства конструирования, инженерного анализа, подготовки производства, управления данными и организации совместной работы) привлекает внимание мирового лидера в области корпоративных программных решений - немецкую компанию SAP, которая выпускает специальный модуль в рамках своего ERPпортфеля.

2000. После продажи своего бизнеса по разработке САПР EUCLID в Dassault Systeкmes, компания Matra Datavision решает открыть исходный код геометрического ядра, использовавшегося при разработке этой системы, и предоставить его в свободное использование всем желающим. Коммерческое обслуживание компаний, занимающихся разработкой САПР на основе этого ядра, осуществляет специально созданная компания Open CASCADE. S.A.S.

2002. После слияния компаний Unigraphics и SDRC объединенная линейка САПР-продуктов получает название NX.

2003. PTC выпускает новое поколение своей САПР Pro/ENGINEER под названием Wildfire. Система включает в себя значительно переработанный пользовательский интерфейс и является полностью интегрированной в среду для управления жизненным циклом изделия на основе web-сервисов. Гибкая ценовая политика позволяет Wildfire конкурировать не только с системами верхнего (CATIA, NX), но и среднего (SolidWorks, Inventor, Solid Edge) уровня.

2004. Число установленных по всему рабочих мест MCAD-систем достигает 5 миллионов. Самыми популярными семействами продуктов являются Pro/ENGINEER, CATIA, NX, Mechanical Desktop, Inventor, SolidWorks и Solid Edge.

2004. Отечественная компания ЛЕДАС выпускает геометрический решатель LGS, который используется для реализации параметрической функциональности в САПР. Первыми клиентами становятся компании Proficiency (Израиль) и ADEM (Россия).

2007. Майкл Пэйн (основатель PTC и SolidWorks) создает новую компанию SpaceClaim. Одноименный продукт позиционируется не как конкурент существующим системам механического проектирования, а как полезное дополнение к ним, основанное на возможности прямого редактирования геометрии модели без истории построения (информации о конструктивных элементах).

2007. PTC поглощает компанию CoCreate, бывшее подразделение Hewlett Packard, разрабатывающее одноименную САПР на основе методов прямого моделирования.

2007. Немецкий концерн Siemens поглощает компанию UGS и объявляет о своем намерении выйти на рынок решений для управления жизненным циклом изделия.

2007. Oracle поглощает компанию Agile, известного поставщика решений для управления жизненным циклом изделий, и начинает конкурировать на этом рынке с SAP, альянсом IBM/Dassault, PTC и Siemens.

2008. После десятилетней серии крупных поглощений (SolidWorks, Deneb, Smart Solutions, Spatial, ABAQUS, MatrixOne) Dassault Systeкmes объявляет о запуске принципиально новой платформы PLM V6, в рамках которой компания собирается реализовать концепцию PLM 2.0, означающую, что все услуги по разработке изделий и управления их жизненным циклом будут доступны в сети для совместной работы с удаленным доступом в режиме реального времени.

2008. Siemens PLM Software (бывшая UGS) объявляет о разработке нового поколения средств трехмерного моделирования на основе синхронной технологии, которая в рамках которой конструктор может одновременно работать как с конструктивными элементами, так и напрямую с ее граничными элементами (методом прямого редактирования).

Функциональность CAD,систем

Современные системы проектирования предлагают следующую базовую функциональность:

- проектирование деталей (part design);

- проектирование сборок деталей и механизмов (assembly de-

- sign);

- специальное проектирование (пресс-формы для изделий из

- листового металла, формы для литья для изделий из пластмасс, прокладка трубопроводов, расчет электрических схем и пр.);

- генерация чертежей (drafting);

- создание трехмерной модели по чертежу;

- расчеты инженерных параметров и их оптимизация.

Разберем каждый из этих наборов функций подробнее. Детальное проектирование используется при разработке геометрических моделей трехмерных деталей. Основным концептуальным подходом к детальному проектированию в современных CAD-системах является параметрическое моделирование на основе конструктивных элементов (parametric feature-based design). Этот метод позволяет максимально упростить как собственно процесс проектирования новой детали, так и внесение изменений в существующую.

Как правило, создание любого трехмерного конструктивного элемента (feature), такого как отверстие, полость, скругление, включает в себя рисование эскиза плоского профиля, поэтому подпрограмма двумерного эскизного черчения (называемая sketcher) является составной частью модуля детального проектирования. При создании эскиза конструктивного элемента важно правильно задать геометрические ограничения (constraints), чтобы изменение размеров приводило к предсказуемым изменениями геометрии (например, прямоугольник при изменении длины одной из сторон должен остаться прямоугольником, то есть длина противоположной стороны тоже должна автоматически измениться). Важной функцией систем эскизного черчения является помощь пользователю в наложении необходимых ограничений на геометрию, а также выделение разными цветами недо- и переопределенных частей эскиза. При создании конструктивного элемента по эскизу указываются размеры элемента: расстояние от плоскости эскиза, углы и т.п. Конфигурации (библиотеки) типовых деталей, возможность работы с которыми предоставляют современные CAD-системы, значительно сокращают время проектирования.

Альтернативой параметрическому моделированию на основе конструктивных элементов является метод прямого, или динамического, моделирования. В рамках этого подхода объем создается и вычитается с помощью операции вытягивания (push-and-pull) замкнутого плоского профиля, а также ряда похожих операций. Ключевым моментом является отсутствие информации об истории построения формы, что подразумевает прямое управление ее граничными элементами (гранями, ребрами, вершинами) с помощью перемещения их в пространстве или задания геометрических ограничений между ними.

При таком походе становится возможной параметрическая модификация деталей без истории построения (обычно история построения - дерево конструктивных элементов - теряется при импорте модели из одного САПР-пакета в другой), но снижается уровень заложенных в модели знаний (намерений проектировщика). В последнее время на рынке стали появляться системы, в которых параметрическое моделирование на основе конструктивных элементов можно сочетать с прямым моделированием - даже в рамках работы с одной деталью. Соответствующая концепция называется синхронной технологией.

Говоря о проектировании сборок деталей и механизмов, различают два подхода - нисходящий и восходящий. Нисходящий подход подразумевает проектирование механизма с нуля. Когда в механизм необходимо добавить очередную деталь, вызывается модуль детального проектирования, причем размеры создаваемой детали согласуются с размерами уже созданных частей механизма. При восходящем проектировании механизм собирается из ранее спроектированных деталей, которые позиционируются по отношению друг к другу с помощью ограничений сборки (соосность, инцидентность и пр.). Важной функцией модуля проектирования сборок является возможность расчета степеней свободы деталей в механизме и их динамического перемещения в соответствии с наложенными ограничениями. Это позволяет оценить кинематику будущего изделия еще на этапе проектирования. Библиотеки стандартных деталей (крепежи, трубы, шестерни, подшипники) позволяют пользоваться готовыми элементами при проектировании механизма. Важной характеристикой модуля проектирования сборок является его производительность при больших сборках (состоящих из десятков тысяч деталей).

Модули для специального проектирования предоставляют инструменты, характерные для конкретной предметной области. Например, при проектировании электрических схем инженер имеет дело с набором примитивов, моделирующих печатные платы, микросхемы и пр. Алгоритмы, которые используются для автоматизации подобного проектирования, тоже являются предметно-ориентированными. Типичными модулями специального проектирования являются средства для проектирования сварочных конструкций и моделирования разводки.

Генерация чертежей трехмерной детали по сей день остается востребованной функциональностью в CAD-системах. Отметим, что данная функция выполняется в автоматическом режиме - система сама определяет ключевые размеры детали, исходя из ее геометрической модели, и помещает их на чертеж. Файлы с чертежными данными являются ассоциативными по отношению к файлу трехмерной модели. Это значит, что при изменении модели (например, в модуле детального проектирования) и при последующей загрузке созданного ранее файла чертежа, последний автоматически обновится в соответствии с трехмерной моделью.

На машиностроительных предприятиях обычно имеется обширная база спроектированных ранее изделий. Если они проектировались на кульмане или с помощью систем автоматизации черчения, встает задача получения трехмерной геометрической модели изделия (например, для внесения в нее продиктованных временем изменений или интеграции с другими деталями в общий механизм). Соответствующий модуль современных CAD-систем позволяет удобно ввести эти чертежи в систему (импортируя файлы чертежей или их отсканированные изображения), внести в них необходимые изменения и автоматически построить трехмерную геометрическую модель.

При проектировании изделия необходимо учитывать не только его геометрические параметры (форму и характерные размеры), но и физические характеристики (такие как площадь поверхности, объем, масса, центр тяжести). Кроме того, конструктивно похожие части одного или разных изделий удобно не проектировать каждый раз заново, а вставлять в модель, используя параметры. Все эти функции (создание параметров и связывание их друг с другом посредством различных отношений) выполняет инженерный модуль CAD (knowledgeware). К нему же примыкает модуль оптимизации, позволяющий, например, минимизировать массу изделия, расход материалов, улучшить его динамические характеристики и т.п.

Современные CAD,системы и их классификация

Современные MCAD-системы по набору предлагаемой функциональности и стоимости лицензий традиционно разделяются на три уровня. Верхний уровень образуют пакеты CATIA (производства Dassault Systeкmes), NX (Siemens PLM Software), Pro/ENGINEER (PTC). Все эти системы (или их идейные предшественники) появились еще в 1980-х годах и были ориентированы прежде всего на рабочие станции в среде UNIX (Sun Solaris, HP-UX, IBM AIX, Silicon Graphics IRIX). С появлением в конце 1990х годов мощных персональных компьютеров были созданы Windows-версии САПР верхнего уровня. Каждый из больших САПРов представляет собой конфигурируемый программный пакет, в который входят сотни различных наборов инструментальных средств (не только CAD, но и CAE, CAM, PDM). Эти пакеты, как правило, ориентированы на совместную работу нескольких пользователей и требуют предварительного обучения персонала предприятия. Типичная цена лицензии на одно рабочее место составляет десять-двадцать тысяч долларов США, не считая стоимости оборудования. Внедрять большие САПР лучше всего в комплексе с другими программами управления жизненным циклом изделия от того же производителя.

Средний уровень САПР для машиностроения - это такие популярные системы, как SolidWorks (Dassault Systeкmes), Solid Edge (Siemens PLM Software), Autodesk Inventor. Менее известны такие системы как CoCreate (PTC), Keycreator (Kubotek), SpaceClaim. Российские разработки, такие как T-FLEX (Топ-системы), ADEM (ADEM Technologies), КОМПАС (АСКОН) вполне в состоянии конкурировать по своей функциональности с популярными системами среднего уровня. Все эти системы работают только под управлением Microsoft Windows, отличаются более скромной функциональностью (по сравнению с системами верхнего уровня), но являются значительно более доступными по цене (для типичной конфигурации три-пять тысяч долларов США за рабочее место). Тем не менее, САПР среднего уровня - вполне достойные программы, которые в некоторых аспектах реализации базовой функциональности порой даже превосходят САПР верхнего уровня. Объясняется это тем фактом, что САПР среднего уровня, как правило, строятся из готовых блоков - геометрических ядер, расчетных пакетов, средств визуализации - от третьих производителей. Производители таких блоков-полуфабрикатов накопили значительный опыт и обширную клиентскую базу, что объясняет достаточно высокое качество соответствующего программного обеспечения. Все это обусловливает высокую популярность САПР среднего уровня (по количеству проданных лицензий лидируют именно они). Основные потребители данных программ - небольшие производственные предприятия и опытно-конструкторские бюро. Нижний уровень САПР представляют системы AutoCAD (Autodesk), bCAD (разработка новосибирской компании Про-Про) и др. Как правило, это системы двумерного черчения (как AutoCAD) либо трехмерного моделирования с очень ограниченной функциональностью, ориентированной скорее на графическую визуализацию, чем на реальное проектирование (как bCAD). Тем не менее, у этих классов систем есть свой немаленький рынок, который, впрочем, уступает рынку систем верхнего и среднего уровня.

К пакетам САПР примыкают также коммерческие программы для геометрического моделирования и обмена геометрическими данными. Мы их разберем ниже в соответствующих разделах нашего курса.

Системы инженерного анализа (CAE)

Системы инженерного анализа (другое название - системы автоматического конструирования) предназначены для изучения поведения продукта с использованием его виртуального (хранящегося только в памяти компьютера, но не воплощенного ни в каком материале) макета. Именно благодаря развитым CAE-системам, первый же собранный в реальном цехе самолет не только взлетает и демонстрирует все заложенные его проектировщиками характеристики, но является настолько безупречным, что тут же поставляется заказчику. Типичными видами инженерного анализа являются:

- анализ кинематики изделия - расчет траекторий движущихся

- частей и их визуализация на компьютере;

- анализ динамики изделия - расчет поведения изделия в реальном времени с учетом действующих на него физических сил, взаимодействия механизмов и пр.;

- расчет статических напряжений, магнитного поля, температур,

- определение критических нагрузок;

- имитация работы электронных цепей.

Для статического анализа, а также для анализа динамики, связанного с деформацией изделия, широко используется метод конечных элементов. Системы CAE не могут работать без геометрической модели изделия - как правило, такая модель создается в системе CAD, а затем импортируется в CAE. Следует также отметить, что многие CAD-системы верхнего уровня (такие как CATIA) уже содержат в себе базовые средства инженерного анализа, поэтому использование специализированной CAE-системы для пользователей таких CAD-систем необязательно.

Для моделирования кинематических и динамических аспектов изделия, не требующих расчетов деформаций и напряжений, могут использоваться такие коммерческие пакеты, как ADAMS (MSC.Software) и DADS (LMS). Для расчетов методом конечных элементов широко применяются системы ANSYS (ANSYS, Inc.), NASTRAN (MSC.Software) и ABAQUS (приобретя эту компанию, Dassault Systeкmes объявила о создании нового CAE-бренда SIMULIA). Примером автономной CAE-системы отечественного производства служит APM WinMachine (НТЦ АПМ).

Системы технологической подготовки производства (CAPP)

Системы технологической подготовки производства в традиционном понимании - это, прежде всего программы для работы с базой данных технологических планов предприятия. Каждый такой план связывает с определенным изделием цепочку технологических процессов, применяемых при производстве на данном предприятии (например, последовательность обработки детали на разных станках, сборка механизма на конвейере и т.п.). При необходимости организации на предприятии производства нового изделия прежде всего с помощью CAPP-системы осуществляется поиск технологического плана подобного изделия, выпускавшегося на предприятии раньше. Затем этот план корректируется для нужд конкретного нового изделия и сохраняется в базе данных как новый план. Всю эту функциональность и обеспечивают CAPP-системы, основанные на модифицированном подходе. Генеративный подход к технологической подготовке производства заключается в автоматическом распознавании в геометрической модели детали типовых конструкторско-технологических элементов и ассоциированием с ними типовых техпроцессов.

В ряду современных коммерческих CAPP-систем прежде всего стоит отметить CAM-I CAPP, MIPLAN, MetCAPP, ICEM-PART. Из отечественных разработок заслуживают внимания системы ТехноПро и TechnologiCS.

Системы автоматизации производства (CAM)

Системы CAM предназначены для создания программ обработки деталей на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), а также программ управления роботизированными сборочными линиями. Конечно, создание управляющих программ происходит в таких системах по большей части автоматически - с использованием информации о геометрической модели детали и о положении деталей в сборке. Важной особенностью CAM-систем являются встроенные средства проверки корректности сгенерированных программ, для чего используются два основных подхода. Первый подход состоит в визуализации процесса работы станка на экране компьютера (пользователь может видеть работу металлорежущего инструмента или сборочных роботов и оценить корректность траекторий их движения). Второй способ - это моделирование процесса получения детали из заготовки и сравнение геометрии полученных в результате обработки поверхностей с данными, хранящимися в геометрической модели.

Как правило, соответствующая функциональность существует во многих интегрированных CAD/CAM пакетах, включая CATIA, SolidWorks, T-FLEX и др. Из независимых решений третьих производителей (не поставляющих собственно CAD программы) отметим Mastercam (CNC Software), SURFCAM (Surfware), EdgeCAM (Pathtrace), CimatronE (Cimatron) и продукты компании Delcam. Среди отечественных разработок заслуживает упоминания ГеММа-3D (НТЦ ГеММа).

Системы управления данными об изделии (PDM)

Данный подкласс САПР образуют системы, интегрирующие в себе доступ к самым разноплановым данным, необходимым для работы с изделием на всех этапах его жизненного цикла: во время маркетинговых исследований, планирования, проектирования, производства, контроля качества, упаковки, доставки, послепродажного обслуживания и утилизации. Как правило, все эти действия выполняются на предприятии сотрудниками разных отделов с помощью различных систем автоматизации. Поэтому системы PDM в первую очередь упрощают передачу данных между отделами и доступ к информации, необходимой для работы в разных системах. Их использование на предприятии:

- улучшает взаимодействие;

- уменьшает бумажный документооборот;

- повышает эффективность управления.

Как правило, одна PDM-система поддерживает работу с моделями, созданными в разных системах проектирования. Стандартом дефакто для таких систем стало наличие у них web-интерфейса, что делает их аппаратно независимыми. Еще одним важным моментом PDM-систем является наличие у них программных интерфейсов для подключения к системам ERP, SCM и CRM, что позволяет выполнять полный спектр операций планирования и доступа к различным данным предприятия непосредственно из системы PDM.

Из коммерческих PDM-пакетов отметим прежде всего три системы, объединенные под брендом ENOVIA (VPLM, SmarTeam и MatrixOne).

Эти системы производятся Dassault Systemкes, но позиционируются на рынке по-разному. SmarTeam - это универсальная PDM-система, которая может использоваться на предприятии совместно с CAD-системами CATIA или SolidWorks, а также любыми решениями сторонних производителей. Система имеет web-интерфейс и может быть интегрирована с произвольным пакетом ERP. ENOVIA VPLM позиционируется как глубоко интегрированная с CATIA система PDM, предназначенная для управления данными об изделиях, состоящих из большого количества деталей (таких как самолеты или автомобили). Пользовательский интерфейс ENOVIA выполнен в том же графическом стиле, что и у систем CATIA и DELMIA, что облегчает обучение работе с системой пользователям, уже знакомым с другими продуктами Dassault Systeкmes. Наконец, ENOVIA MatrixOne ориентирована на совместную работу огромного числа пользователей по всему миру. В настоящее время Dassault Systeкmes занимается интеграцией этих систем на основе одной платформы. Из PDM-решений других производителей отметим Teamcenter (Siemens PLM Software) и Winchill (PTC).

Интегрированные пакеты управления жизненным циклом изделия

Автоматизация различных областей деятельности производственного предприятия, осуществленная с помощью CAD/CAE/CAPP/ CAM-систем, а также необходимость организации хранения проектных данных в общей базе (осуществленная с помощью PDM-систем) привели ведущих разработчиков САПР к мысли, что все эти системы могут быть связаны в единый комплекс программных решений от одного поставщика. В принципе, работать с системами от одного производителя, которые имеют одинаковый пользовательский интерфейс, покупаются и обслуживаются в одном месте, выгодно и предприятиям-потребителям. Поэтому неудивительно, что в начале 2000-х годов появилась PLM (Product Lifecycle Management) - концепция управления жизненным циклом изделия, которая тут же была воплощена в линейке продуктов ведущих поставщиков CAD/CAE/CAPP/ CAM/PDM-решений, прежде всего - Dassault Systeкmes, Siemens PLM Software и PTC. Тесная интеграция программных решений в рамках PLM-линейки вынуждает компании, работающие на этом рынке, проводить агрессивную политику по покупке более мелких специализированных компаний. Например, французская компания Dassault Systeкmes за последние десять лет произвела ряд громких поглощений таких известных компаний, как SolidWorks, Deneb Robotics, Smart Solutions, Spatial, ABAQUS, MatrixOne и др.

Говоря о современных системах управления жизненным циклом изделия, прежде всего стоит упомянуть интегрированные пакеты от ведущих производителей. Альянс Dassault Systeкmes/IBM продвигает программный комплекс V5 PLM Solutions (недавно было объявлено о выходе версии V6), состоящий из систем CATIA, DELMIA, ENOVIA, SIMULIA. Недавно было продекларировано расширение этого набора новой системой 3DVIA для массового использования трехмерных данных в среде Интернет. Компания Siemens PLM Software строит свою PLM-линейку продуктов вокруг PDM-системы Teamсenter, с которой взаимодействуют решения для разработки семейства NX. PLM-решения от Parametric Technology Corp. конфигурируются с помощью системы Product Development System (PDS) и включают в себя продукты семейств Pro/ENGINEER Wildfire и Windchill.

Вопросы для самоконтроля

2. Опишите типичную схему автоматизации современного машиностроительного предприятия.

3. Укажите ключевые этапы в истории развития САПР.

4. Какова базовая функциональность систем механического проектирования?

5. Опишите концепцию параметрического проектирования на основе конструктивных элементов.

6. В чем отличия восходящего и нисходящего методов проектирования механизмов?

7. Как классифицируются современные CAD-системы? Назовите примеры в каждом классе.

8. Опишите функциональность систем инженерного анализа и приведите примеры таких систем.

9. Их чего складывается функциональность систем технологической подготовки производства? Приведите примеры систем CAPP.