По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества

жүктеу 2,58 Mb.

бет	1/6
Дата	20.09.2022
өлшемі	2,58 Mb.
	#39334

1 2 3 4 5 6

Лекция 1

Введение

Под автоматизированным проектированием понимают такое проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ (компьютера).

По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха
в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требования, принадлежат так называемые CAD/CAM/CAE системы (системы автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа) [1].
В настоящее время многие предприятия Казахстана занимаются внедрением систем автоматизированного проектирования изделий, к этому вынуждают условия рынка, на котором выигрывают предприятия с наименьшими затратами производящие нужную продукцию высокого качества. Быстрое освоение новой продукции возможно в современных условиях только на основе сквозных автоматизированных систем проектирования, являющихся составной частью интегрированных гибких производственных систем: CAD/CAM/CAE/FMS/PDM/EPD.
Появление и быстрое распространение систем сквозного автоматизированного проектирования привело к скачку в области проектирования и производства изделий в различных отраслях машиностроения.
В последнее время бурными темпами развивается производство пластмасс. К 2005-му году ожидается, что объем производства достигнет уровня 150…170 млн. тонн. Наибольшую сложность в единичном производстве представляет изготовление инструментальной оснастки: штампов и пресс-форм (ПФ) для литья пластмасс. Потребность в оснастке постоянно возрастает. Сокращение сроков и трудоемкости проектирования, повышение качества проектов может быть достигнуто только за счет автоматизации процессов проектирования и производства. Развитие производства штампов и пресс-форм сопровождалось созданием систем автоматизированного проектирования − CAD/CAM систем. В их основу положена концепция “свободного” конструирования (free design), согласно которой конструктор создает в своем воображении конструктивный образ детали, описывает его на входном геометрическом языке и вводит в ПЭВМ. Средства вычислительной техники реализуют вспомогательные “сервисные” проектные функции, позволяющие конструктору анализировать и корректировать созданную им конструкцию, выполнять необходимые проектные расчеты, формировать и автоматически выводить на графические устройства чертежи, разрабатывать технологический процесс и управляющие программы изготовления этой детали на оборудовании с ЧПУ. Системы CAD/CAM/CAE/FMS/PDM позволяют автоматизировать трудоемкие проектные расчеты, процессы разработки чертежей и подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ, что позволяет существенно повысить качество и производительность труда конструктора и технолога.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ CAD/CAM СИСТЕМ

Прежде чем углубляться в изучение систем автоматизированного проектирования (САПР) дадим расшифровку некоторых широко используемых сокращений:

− CAD (Computer Aided Design) системы − компьютерная поддержка проектирования. 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;
− CAM (Computer Aided Manufacturing) системы − компьютерная поддержка изготовления. 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 g„n¸çÈ_hÌ_еще называют автоматизированными системами технологической подготовки производства (АСТПП). В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. Как правило, в CAM системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD системе;
− CAE (Computer Aided Engineering) системы − поддержка инженерных расчетов. Представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD системе. CAE системы еще называют системами инженерного анализа;
− FMS (Flexible Manufacturing Systems) системы – организация и управление гибкими производственными комплексами. Российский аналог таких систем – ГПС (гибкие производственные системы);
− PDM (Project Development Systems) системы – управление проектом, организация документооборота на предприятии. Российский аналог таких систем – АСУП (автоматизированные системы управления).

1.1. История развития мирового рынка CAD/CAM/CAE систем

Историю развития рынка CAD/CAM/CAE систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет. Первый этап начался в 70-е гг. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (80-е гг.) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE системы массового применения. Третий этап развития рынка (с 90-х гг. до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность).
На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE систем работали на графических терминалах, присоединенных к мэйнфреймам (компьютеры, обладающие большой вычислительной мощностью, к которым подключаются терминалы – машины, не имеющие собственных вычислительных средств и использующие ресурсы главного компьютера). Первые мэйнфреймы производили компании IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ PDP/11 (от Digital Equipment Corporation) и Nova (производства Data General). Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мэйн-фреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, т. к. микропроцессоры были еще весьма несовершенными. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD системы доходила до $ 90000.
Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоев микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 80-х гг. был осуществлен постепенный перевод CAD систем с мэйнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до $ 20000.
Следует сказать, что в начале 80-х гг. произошло расслоение рынка CAD систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD систем, созданных на базе ПК:
− часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;
− другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК ее производства работали под управлением ОС Unix от AT&T, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).
Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоемкие приложения.
К середине 80-х гг. возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computing − RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD систем.
С середины 90-х гг. развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность.
Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 90-х гг., и их позиции все еще сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас ОС MS Windows NT и MS Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др.
По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объемам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, $ 6000 у Pro/ENGINEER).

1.2. Общая классификация CAD/CAM/CAE систем

За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE систем сложилась следующая общепринятая международная классификация:
− чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор);
− cистемы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, которая дает возможность решения задач его моделирования вплоть до момента изготовления;
− cистемы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD − Electronic Product Definition). EPD − это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию.
При применении EPD-концепции предполагается замещение компонентно-центрического последовательного проектирования сложного изделия на изделие-центрический процесс, выполняемый проектно-производственными командами, работающими коллективно, отдельные члены которых могут быть расположены в разных странах. Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автономных CAD, CAM и CAE систем в интегрированные CAD/CAM/CAE системы.
Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Следует отметить, что это деление является достаточно условным, т. к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными. Также ярко выражено увеличение числа пользователей систем среднего уровня за счет перехода пользователей к компьютерному проектированию (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Изменение количества пользователей САПР

Примерами CAD/CAM систем верхнего уровня являются Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, EUCLID, I-DEAS. Все они имеют модули инженерного анализа − CAE и могут работать с большими сборками (более 2000 сборочных единиц). Примером проекта, выполненного в системе высокого уровня, может служить проект цеха химического завода (рис. 1.2).

В настоящее время в САПР широко используются два типа твердотельного геометрического ядра (Parasolid от фирмы Unigraphics Solutions и ACIS от Spatial Technology). Системы верхнего уровня имеют, как правило, свои собственные ядра.
Например, Pro/ENGINEER начиная с версии 2000 выходит на общем с Pro/DESCKTOP ядре – Granite.
Наиболее известными CAD/CAM системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются: ADEM (Omega Technology); Cimatron (Cimatron Ltd.); Mastercam (CNC Software, Inc.); Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Powermill (DELCAM); CADdy++ Mechanical Design (Ziegler Informatics GmbH); семейство продуктов Bravo (Unigraphics Solutions), IronCad (VDS) и др.

Рис. 1.2. Пример проекта, выполненный в системе верхнего уровня

К числу CAD/CAM систем среднего уровня на основе ядра Parasolid принадлежат, в частности, MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); CADKEY 99 (CADKEY Corp.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); SolidWorks (SolidWorks Corp.); Anvil Express (MCS Inc.), Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); IronCAD (VDS) и др.

CAD системы нижнего уровня (например, AutCAD LT, Medusa, TrueCAD, КОМПАС, БАЗИС и др.) применяются только при автоматизации чертежных работ и имеют, как правило, свои собственные геометрические ядра.
1.2.1. Системы нижнего уровня
Эти системы представляют собой электронный кульман. Программы этого уровня предназначены для создания чертежей и, как правило, имеют весь необходимый для этого инструментарий: рисование геометрии, простановка размеров, символов шероховатости, технологических требований и т.д.
Применимость таких программ для российских предприятий следует рассматривать с точки зрения потребностей и финансовых возможностей предприятия, соответствия требованиям российских стандартов.
Наиболее распространенными на отечественном рынке являются:
AutoCAD, Компас-график, T-Flex 2D. Последние две программы, созданные отечественными компаниями, представляются наиболее целесообразными для внедрения на отечественных предприятиях. Они имеют следующие преимущества перед AutoCAD:
1) возможность параметризации чертежа (создавая чертеж типовой детали) без применения навыков программирования;
2) большое количество консалтинговых центров;
3) более низкая стоимость.
Следует отметить, что соответствие требованиям российским стандартам является весьма существенным параметром, характеризующим программу, так как далеко не все иностранные фирмы включают поддержку требований ЕСКД в свои программные продукты.
Как правило, для таких систем не требуется больших вычислительных мощностей и вполне приемлемая конфигурация персонального компьютера для работы с такой системой Pentium 233 MMX с 32 мегабайтами оперативной памяти и 15 дюймовым монитором. Стоимость систем нижнего уровня находится в пределах 900…1500 долларов.
Завершая обзор систем нижнего уровня, следует отметить, что российские продукты сейчас имеют также и модуль трехмерного моделирования и продолжают приближаться по возможностям к системам среднего уровня. Срок освоения систем такого уровня, при условии того, что человек владеет навыками работы с компьютером и опытом построения бумажных чертежей, составляет от одной до двух недель.

1.2.2. Системы среднего уровня

Чтобы понять, почему с течением времени потребовался переход от программ нижнего уровня к более мощным программам, проанализируем, как описывается чертеж в системах нижнего уровня.
Геометрия деталей и сборочных единиц описывается через плоские изображения: виды, сечения, разрезы и приложенные к ним символы размеров, то есть дискретный символьный способ описания. При этом, как правило, не было ничего общего с фактическим заданием формы при изготовлении. Геометрия в плоских символах существовала всего лишь как язык, на котором конструктор передавал свое представление формы технологу и другим своим коллегам. Несовершенство и слабость такого метода очевидны: вслед за чертежом следовала его интерпретация − перевод с языка символов на язык технологии изготовления. Любой подобный перевод, во-первых, неизбежно повторяет труд конструктора, а во-вторых, приносит смысловые потери и неоднозначные толкования. Таким образом, первая проблема в чертежном способе описания геометрии − неполнота и неоднозначность.
Пример. При выполнении тестового геометрического моделирования с помощью САD программы по готовым чертежам заказчика всегда выявляются ошибки, связанные со сложностью однозначного и корректного отображения сложной трехмерной геометрии на плоском чертеже. Отметим, что часто штамп или пресс-форма оказываются значительно сложнее готовой детали. При проектировании и разработке чертежей оснастки ошибки возникают не реже, чем при проектировании изделия. Отработка таких чертежей требует весьма больших усилий. Примером изделия, такой проработки, может служить пятицилиндровый двигатель изображенный на (рис. 1.3). Без сложного инженерного анализа понадобилось бы огромное количество времени и ресурсов для создания взаимно соответствующих чертежей: и даже после большого числа проверок ошибки не исключены. Отсюда вторая проблема: между чертежами не поддерживается взаимнооднозначное соответствие.
Проанализируем содержание графических документов:
− геометрия конечного состояния детали, сборки и изделия в целом, выраженная языком плоских дискретных символов;
− допуски и посадки, приложенные к графическому представлению геометрии символам размеров;
− указания шероховатости поверхности;
− указания маркировки и клеймения;
− идентификация объектов (наименование, обозначение, реквизиты исполнителей, принадлежность сборочному чертежу и проекту);
− некоторые свойства детали (материал, термообработка, покрытие, масса);
− указания на технические условия, ссылки на руководящие документы (стандарты) и условия применения данного документа.
Недостатки чертежного представления проекта изделия можно систематизировать следующим образом:
− нет упорядоченного описания множества механических связей взаимодействия данного объекта с другими в создаваемом изделии.
Любое сборочное производство − это процесс установления между компонентами изделия механических связей в определенном порядке с соблюдением тех или иных условий, в результате чего и получается конечный продукт, наделенный необходимыми функциональными свойствами. Значит, все это должно быть детально и целенаправленно описано, включая последовательность. Но традиционный сборочный чертеж только перечисление собираемых объектов, их графическое представление и указания некоторых требований, которые нужно обеспечить при сборке; отсутствует однозначное определение геометрии, если только она не каноническая.

Рис. 1.3. Пятицилиндровый двигатель (Pro/ENGINEER)

При классическом формоопределении производство детали выполняется методом копирования ранее определенной в макете геометрии, а в символьном (графическом) − методом повторения построений по графическому образцу.

Другими словами, чертеж пропускается через глаза и руки человека, прежде чем превращается в изделие, а макет (например, литейная форма) − через копирование формы, которая представляет собой геометрию детали.
В классическом представлении формы изделия нет прямой связи между геометрическими, физическими, технологическими и функциональными характеристиками. Изменение геометрии или свойства одного элемента не влечет за собой изменения другого, от него зависимого, при этом не возникает даже признаков хоть как-то обозначающих возникшее противоречие. Следовательно, качество проекта, практически неопределимо.
Это обстоятельство чаще всего замедляет производственный процесс, поскольку заставляет строить натурные макеты и опытные образцы, многократно изменять и дополнять конструкторскую документацию по результатам выявленных ошибок; не протоколируется эволюция развития проекта – история построения его геометрии. Поэтому нет возможности быстро изменять конечный результат после каждого цикла проб и ошибок (итераций), осуществляемого разработчиком. Каждый новый вариант решения, будучи по существу новой работой, требует повторения почти всех затрат; описание свойств деталей разбросано по документам весьма произвольно: одни из них − в виде надписей на полях чертежа, другие − в рамке, третьи − в технических требованиях, четвертые − в спецификации, пятые вообще нигде не упоминаются. САD системы развиваются как средство повышения рентабельности производства за счет повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции (снижения себестоимости, повышения качества, сокращения сроков производства).
На российском рынке получили распространение следующие программные продукты: SolidWorks, Компас 3D, Mechanical Desktop, Pro/Desktop. Самым мощным и наиболее приспособленным для работы с Российскими стандартами из перечисленных продуктов представляется Solid Works. При помощи большого числа подключаемых модулей от различных производителей и при использовании одной интерфейсной оболочки достигается большая функциональность.
Срок освоения систем такого класса составляет около четырех месяцев при условии того, что человек владеет навыками работы с компьютером. Кроме этого, специалист должен владеть навыками построения чертежей, иметь представление о проектировании изделий, технологии изготовления того или иного изделия.
1.2.3. Системы верхнего уровня
В системах верхнего уровня обеспечивается инструментарий для параллельного бесчертежного конструкторско-производственного цикла, включающего в себя:
− администрирование, то есть планирование, управление ресурсами, инспектирование, сертифицирование, максимальное распараллеливание работ и документирование проекта;
− моделирование с воспроизводимой историей построения объектов;
− описание механических связей между компонентами изделия и приведение их в состояние механического взаимодействия и соответствующего пространственного взаимопозиционирования примером такой сборки может служить турбинный ракетный насос (рис. 1.4). Данное описание пригодно для непосредственного планирования и разработки сборочных операций;

Рис. 1.4. Ракетный турбинный насос (Pro/ENGINEER/ CADDs 5)

− автоматический множественный анализ геометрических конфликтов,

позволяющий контролировать зазоры, контакты и взаимопересечения объектов независимо от их количества и сложности;
− полуавтоматический анализ свойств монтажа/демонтажа объектов, дающий возможность документально доказать собираемость изделия;
− расчет трехмерных допусков и посадок и анализ собираемости по их признакам;
− быстрый и точный проверочный расчет методом конечного элемента с оптимизацией геометрии детали по условию равнопрочности;
− анализ соответствия проекта действующим на предприятии законам и правилам, которые могут быть сформулированы по схеме если ... то ... ;
− программный инструмент трассировки систем коммуникаций (электрожгутов и трубопроводов) с соблюдением заданных ограничений и логических правил;
− ассоциативность между геометрией детали и ее приложениями − программой для станка с ЧПУ, конечно-элементной расчетной моделью, графическим документом и другими компонентами электронно-цифрового макета;
− возможность стандартизировать на уровне предприятия практически любой успешный результат работы, будь то конструктивный элемент, технология, форма документа, методология. Это дает существенную экономию трудозатрат и машинных ресурсов;
− открытость и доступность для разработки или интеграции ранее созданных собственных приложений.
Системы верхнего уровня включают в себя модули достаточные для перекрытия всего цикла производства. При помощи одной такой системы можно завязать в одно информационное пространство все подразделения предприятия.
Российских систем такого уровня на рынке на сегодняшний день не существует. Наиболее известными зарубежными системами являются Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, EUCLID, I-DEAS.
Наилучшим приобретением системы такого уровня могут стать для предприятий, занимающихся выпуском изделий имеющих сложную геометрию, большие сборочные конструкции. Наиболее выгодно они могут применяться в авиастроении, кораблестроении, автомобилестроении. Эти системы получили распространение на таких предприятиях нашей страны, как Туполевское, Ильюшинское КБ, ВАЗ, ГАЗ, УАЗ и др.
Срок освоения систем такого уровня составляет от двух до двенадцати месяцев при условии того, что человек владеет навыками работы с компьютером и с программными продуктами более низкого уровня. Кроме этого, специалист должен владеть навыками построения чертежей, иметь представление о проектировании изделий, технологии изготовления того или иного изделия.

1.3. Некоторые термины автоматизированного проектирования

Потребность в этом разделе появилась потому, что с развитием проектирования в системах САПР появилась и своя терминология, без которой было бы сложно пояснить сущность самого автоматизированного проектирования. Поясним некоторые наиболее распространенные термины.

жүктеу 2,58 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6