Характеристика, классификация и принцип работы современных CAD систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Сегодня под словом «САПР» понимается гораздо большее, нежели просто программно-аппаратный комплекс для выполнения проектных работ с использованием компьютеров и зачастую этот термин используется, прежде всего, как удобная аббревиатура для обозначения большого класса систем автоматизации. Это связано с тем, что за последние 10-15 лет такие системы прошли большой путь развития от «электронных кульманов» первого поколения, предназначенных в основном для машинной подготовки проектной документации. До современных систем, автоматизирующих практически все процессы, связанные с проектированием и изготовлением новых изделий, будь то деталь, узел машины или целый автомобиль, самолет или здание.

Разумеется, чем сложнее разрабатываемое изделие, тем более сложной и многофункциональной должна быть САПР. Системы проектирования в масштабах предприятия за рубежом принято определять как CAD/CAM/САЕ - системы, функции автоматизированного проектирования распределяются в них следующим образом модули CAD - для геометрического моделирования и машинной графики, модули подсистемы САМ - для технологической подготовки производства, а модули СAЕ - для инженерных расчетов и анализа с целью проверки проектных решений. Таким образом, современная система CAD/CAM/CAE способна обеспечить автоматизированную поддержку работ инженеров и специалистов на всех стадиях цикла проектирования и изготовления новой продукции.

В основу каждой САПР заложена определенная математическая модель, формализующая описание и функционирование проектируемых изделий, и процессы их изготовления. И природа изделий, производственные процессы накладывают свою специфику на методы - их математического моделирования. В конечном счете, эта специфика приводит к существенному различию, систем проектирования и условия их использований.

1. Назначение CAD-систем

CAD-системы предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

2. Объекты работы CAD-систем

Рабочие чертежи и трехмерные геометрические модели. CAD-системы дают возможность подготовить параметрические чертежи деталей и построить их трехмерные модели. Кроме того, параметры модели могут являться исходными данными для автоматического создания технологии изготовления детали в CAPP-системах.

3. Функциональные возможности

В области CAD-систем разработчики достигли значительных успехов и сейчас их функциональные возможности не ограничиваются набором задач. Современные CAD-системы, такие как T-FLEX-CAD, SPRUT-CAD и др., имеют примерно одинаковые возможности и позволяют не только подготовить чертежи деталей, но и оформить их в соответствии с требованиями, а также строить их трехмерные модели и решать широкий ряд задач параметризации и оптимизации вращение исходного элемента вокруг оси на заданный угол; в качестве исходного элемента может использоваться практически любой элемент системы (профиль, грань, набор ребер или пространственные кривые); возможность автоматического создания тонкостенного элемента;

Основной набор функций:

- создание тел по сечениям и поверхностей из набора профилей, путей, ребер, узлов;

- протягивание профиля вдоль пространственной траектории с образованием твердого тела; возможность использования параметрически изменяемого профиля; возможность создания тонкостенного элемента;

- создание всех возможных типов стандартных отверстий. При необходимости, библиотека отверстий может быть дополнена пользователем самостоятельно;

- нанесение косметических резьб на любую цилиндрическую поверхность. При построении проекции, изображение резьбы автоматически переносится на чертеж;

- построение фасок;

- построение сглаживания с постоянным и переменным радиусом. Изменение радиуса от начального к конечному может задаваться как линейным, так и нелинейным законом. Возможность использования различной геометрии в сечении сглаживания;

- построение сглаживания на основе двух поверхностей. Каждая из двух исходных поверхностей может быть составлена из нескольких граней;

- построение сглаживания к трем граням путем формирования плавного перехода от одной поверхности к третьей с условием касания второй;

- применение булевых операций (пересечение, объединение, вычитание) над любыми телами и любым набором тел в 3D-модели;

- построение оболочки тела с возможностью выбора набора удаляемых поверхностей и назначения различной толщины на оставшиеся грани;

- создание различных типов уклонов поверхностей, уклона тел;

- отсечение поверхностями или сечениями;

- создание линейных и круговых массивов в трех направлениях, с переменным числом входящих элементов; массивов по пути; параметрических массивов - с изменяемой геометрией тел; оптимальное использование массивов для быстрого расчета булевых операций. Задание ограничений массива, а также исключений из массива одиночных или циклических;

- создание спиралей, пружин и резьбы произвольного сечения;

- операции для работы с гранями: сшивка граней, разделение граней, удаление граней, отделение граней, замена граней, изменение граней, перемещение граней, расширение поверхностей, заполнение области;

- «обвязка» трубопровода;

- работа с листовым материалом: возможность создания исходной заготовки детали заданной толщины; возможность сгибания и разгибания заготовки относительно выбранной линии; «приклеивание» к заготовке отгибов; создание вырезов; моделирование процессов листовой штамповки (загибы, буртики, канавки, люверы, карманы, отбортовки и т.п.).

4. Примеры CAD-систем

Для начала рассмотрим самую простую и доступную для любого человека систем автоматизированного проектирования AutoCAD.

AutoCAD -- двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения, разработанная компанией AutoDesk. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности. Программа выпускается на 18 языках. Уровень локализации варьируется от полной адаптации до перевода только справочной документации. Русскоязычная версия локализована полностью, включая интерфейс командной строки и всю документацию, кроме руководства по программированию.

Ранние версии AutoCAD оперировали небольшим числом элементарных объектов, такими как круги, линии, дуги и текст, из которых составлялись более сложные. На современном этапе возможности AutoCAD весьма широки.

В области двумерного проектирования AutoCAD по-прежнему позволяет использовать элементарные графические примитивы для получения более сложных объектов. Кроме того, программа предоставляет весьма обширные возможности работы со слоями и аннотативными объектами (размерами, текстом, обозначениями). Использование механизма внешних ссылок (XRef) позволяет разбивать чертеж на составные файлы, за которые ответственны различные разработчики, а динамические блоки расширяют возможности автоматизации 2D-проектирования обычным пользователем без использования программирования. Начиная с версии 2010 в AutoCAD реализована поддержка двумерного параметрического черчения. В версии 2014 появилась возможность динамической связи чертежа с реальными картографическими данными (GeoLocation API).

Текущая версия программы (AutoCAD 2014) включает в себя полный набор инструментов для комплексного трехмерного моделирования. Также в программе реализовано управление трёхмерной печатью (результат моделирования можно отправить на 3D-принтер), а поддержка облаков точек (позволяет работать с результатами 3D-сканирования). Тем не менее следует отметить, что отсутствие трёхмерной параметризации не позволяет AutoCAD напрямую конкурировать с машиностроительными САПР среднего классаю. В состав AutoCAD 2012 включена программа Inventor Fusion, реализующая технологию прямого моделирования.

Широкое распространение AutoCAD в мире обусловлено не в последнюю очередь развитыми средствами разработки и адаптации, которые позволяют настроить систему под нужды конкретных пользователей и значительно расширить функционал базовой системы. Большой набор инструментальных средств для разработки приложений делает базовую версию AutoCAD универсальной платформой для разработки приложений.

TurboCAD -- содержит основные инструменты для черчения и богатый набор инструментов для архитекторов и конструкторов. Дополнительные инструменты содержатся в расширенных «архитектурной» или «машиностроительной» версиях программы, тогда как в версии «Platinum» имеется весь инструментарий. В семейство TurboCAD входит недорогая версия TurboCAD Deluxe 2D / 3D, в состав которой входит широкий спектр инструментов для создания двух- и трехмерных чертежей.

3D CAD --В 1995 году вышел TurboCAD v4, имевший ограниченную функциональность для рисования в 3D, а в следующей версии TurboCAD v5 набор инструментов для работы в 3D был расширен: были добавлены `Model Space', `Work Plane', `Camera', и 3D Draggers. В версии 6 появилась интеграция с ядром для твердотельного моделирования ACIS и движком для фотореалистической визуализации.

T-FLEX CAD -- профессиональная конструкторская программа, объединяющая в себе мощные параметрические возможности 2D и 3D-моделирования со средствами создания и оформления чертежей и конструкторской документации. Технические новшества и хорошая производительность в сочетании с удобным и понятным интерфейсом делают T-FLEX CAD универсальным и эффективным средством 2D и 3D-проектирования изделий.

Широкие средства автоматизации проектирования, специальные инструменты для работы с большими сборками, единая документная структура, возможность вести коллективную разработку - вот лишь некоторые из особенностей, позволяющих выделить T-FLEX CAD среди других программ.

T-FLEX CAD построена на геометрическом ядре Parasolid (©Siemens PLM software), которое сегодня считается лучшим ядром для 3D-моделирования, и используется более чем на 1.000.000 рабочих мест по всему миру. Использование ядра Parasolid не только наделяет T-FLEX CAD мощными и надежными инструментами 3D-моделирования, но также обеспечивает интеграцию с лучшими зарубежными программами проектирования и расчетов.

Краткий список возможностей T-FLEX CAD:

* Быстрое 2D-эскизирование.

* Параметрическое 2D-проектирование.

* Полный набор средств подготовки конструкторской документации.

* 3D-моделирование деталей любой сложности.

* Создание 3D-сборок любой сложности.

* Геометрический анализ 3D-моделей и сборок.

* Инженерный анализ деталей и конструкций.

5. Взаимосвязь СAD и CAM-систем

CAM-системы предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM - системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

Рис. 1

На рисунке 1 видно как модель детали, созданная в CAD-системе, обрабатывается на станке с числовым программным управлением, запрограммированном на работу в CAM-системе.

Выгоды от применения.

CAD/CAM/CAE-системы занимают особое положение среди других приложений, поскольку представляют индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства. В настоящее время общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, танков, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения CAD/CAM/CAE-систем. За последние годы CAD/CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции (повышая, тем самым, ее конкурентоспособность). В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может зафиксировать нестыковку и экономит на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого относительно несложного изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели двигателя обойдется в полмиллиона долларов, а полномасштабный прототип самолета будет стоить уже десятки миллионов долларов.

Например, широко известен проект разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для самолета бизнес-класса Learjet 45 при помощи современных CAD/CAM/CAE-систем. Результаты выполнения проекта просто впечатляют. Ранее компания Shorts использовала в проектно-конструкторских работах проволочное моделирование деталей. В создаваемых Shorts Brothers фюзеляжах самолетов обычно насчитывалось до 9500 структурных деталей. Подобные проекты могли потребовать более 440000 человеко-дней (до 4-х лет для завершения проекта).

Отсюда следуют преимущества от применения CAD/CAM/CAE-систем:

- Совершенствование методов проектирования, в частности, использование методов многовариантного проектирования и оптимизации для поиска эффективных вариантов и принятия решений.

- Повышение доли творческого труда инженера-проектировщика.

- Повышение качества проектной документации.

- Совершенствование управления процессом разработки проектов.

- Частичная замена натурных экспериментов и макетирования моделированием на ЭВМ.

- Уменьшение объёма испытаний и доводки, опытных образцов в результате повышения уровня достоверности проектных решений и, следовательно, снижение временных затрат.

Заключение

программный конструкторский трехмерный

Потребности современного производства диктуют необходимость глобального использования информационных компьютерных технологий на всех этапах жизненного цикла изделия: от предпроектных исследований до утилизации изделия. Основу информационных технологий в проектировании и производстве сложных объектов и изделий составляют сегодня полномасштабные полнофункциональные промышленные САПР (CAD/CAM/CAE - системы). Активное использование во всем мире «легких» и «средних» САПР на персональных компьютерах для подготовки чертежной документации и управляющих программ для станков с ЧПУ и сближение возможностей персональных компьютеров и «рабочих станций» в автоматизации проектирования подготовило две тенденции в разработке и использовании САПР, которые наблюдаются в последнее время:

- применение полномасштабных САПР в различных отраслях промышленности для проектирования и производства изделий различной сложности;

- интеграция САПР с другими информационными технологиями.

Эти тенденции позволяют говорить, что уже в самом ближайшем будущем эффективность производства будет во многом определяться эффективностью использования на предприятиях промышленных САПР.

Размещено на Allbest.ru