XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий.

САПР (система автоматизированного проектирования) – это система, реализующая проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают в результате вычисления и составления математических моделей на ЭВМ.

В настоящий момент выделяют три основные подгруппы САПР:

- машиностроительные САПР (MCAD – Mechanical Computer Aided Design);

- архитектурно-строительные САПР (CAD/AEC – Architectural, Enginee-ring, and Construction);

- САПР печатных плат (ECAD – Electronic CAD/EDA – Electronic Design Automation).

Наиболее развитым среди них является рынок MCAD, по сравнению с которым секторы ECAD и CAD/AEC довольно статичны и развиваются слабо.

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 [2].

Назначение.

CAD (сomputeraided design) – средства автоматизированного проектирования, в контексте указанной классификации термин обозначает средства САПР, предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторской и/или технологической документации, и САПР общего назначения. Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции, поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта и является основой для последующего использования в системах CAM и CAE.

CADD (Сomputeraided design and drafting) — проектирование и создание чертежей и CAGD (Сomputeraided geometric design) — геометрическое моделирование.

MCAD (mechanical computeraided design) — автоматизированное проектирование механических устройств. Это машиностроительные САПР, применяются в автомобилестроении, судостроении, авиакосмической промышленности, производстве товаров народного потребления, включают в себя разработку деталей и сборок (механизмов) с использованием параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объемного моделирования.

CAM (Computer Aided Manufacturing) — подготовка технологического процесса производства изделий, ориентированная на использование ЭВМ. Под термином понимаются как сам процесс компьютеризированной подготовки производства, так и программно-вычислительные комплексы, используемые инженерами-технологами. Традиционно исходными данными для таких систем были геометрические модели деталей, полученных из систем CAD.

CAE (Computer Aided Engineering) — общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.). Современные системы автоматизации инженерных расчётов (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 при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств [3].

CAD/CAM/CAE системы условно делятся на три категории:

1. Системы нижнего уровня (легкие системы) предназначены в основном для выполнения чертежей, автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, двухмерного моделирования и трёхмерных построений. Системы просты в использовании, содержат множество библиотек стандартных элементов, поддерживают различные стандарты оформления графической документации. Использование этих систем позволяет сократить время разработки проекта, но не гарантируют проектировщиков от ошибок даже при полном соответствии документации ЕСКД и ЕСТД. Одной из наиболее распро-

страненной таких систем является AutoCAD от компании Autodesk.

2. Системы среднего уровня предназначены для создания объемной модели изделия, проектирования сборочных единиц среднего уровня сложности, подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ, выпуска конструкторско-технологической документации, определения инерционно-массо-вых, прочностных и прочих характеристик. Системы позволяют сократить время на разработку проектов, на доводку опытных образцов изделий в результате исключения ошибок при проектировании. С их помощью можно решать большинство типичных машиностроительных задач, не привлекая мощные и дорогие системы тяжёлого класса. Наиболее известной системой среднего уровня является SolidWorks, принадлежит компании Dassault Systemes.

3. Системы высшего уровня (тяжелый класс), кроме перечисленных выше систем низшего и среднего уровней, дают возможность: моделировать работу механизмов и все виды ЧПУ-обработки, конструировать детали с учетом особенностей материала, проводить динамический анализ сборки, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки). Системы высшего уровня позволяют значительно сократить время разработки и изготовления изделия. Примерами CAD/CAM/CAE систем высшего уровня являются: Creo Elements/Pro (ранее Pro/Engineer) от компании PTC (Parametric Technology Corporation), Siemens NX (ранее Unigraphics) и CATIA от компании Dassault Systemes.

Отдельно можно выделить PDM системы (Product Data Management) – системы управления проектными данными и информацией об изделии. Системы класса PDM, совместно с CAD/CAM/CAE системами позволяют организовать параллельное проектирование изделия, когда одновременно большое количество специалистов работает над различными частями и стадиями проекта [4].

Функции, характеристики и примеры CAE/CAD/CAM – систем.

Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D — получение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобразование 2D и 3D моделей.

Среди CAD-систем различают «легкие» и «тяжелые» системы. Первые из них ориентированы преимущественно на 2D графику, сравнительно дешевы и менее требовательны в отношении вычислительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое моделирование (3D), более универсальны, дороги, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей.

Основные функции CAM-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ (NC — Numerical Control), расчет норм времени обработки [1].

Наиболее известны (к 1999 г.) следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные для машиностроения. «Тяжелые» системы (в скобках указана фирма, разработавшая или распространяющая продукт): Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC — Parametric Technology Corp.), CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.

«Легкие» системы: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПро Группа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (НИВЦ АСК, Москва).

Системы, занимающие промежуточное положение (среднемасштабные): Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), T-FlexCAD (Топ Системы, Москва) и др. C ростом возможностей персональных ЭВМ грани между «тяжелыми» и «легкими» CAD/CAM-системами постепенно стираются.

Функции CAЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных CAE-систем прежде всего включают программы для следующих процедур:

— моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ;

— расчет состояний и переходных процессов на макроуровне;

— имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри.

Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ: Nastrаn, Ansys, Cosmos, Nisa, Moldflow.

Примеры систем моделирования динамических процессов на макро-уровне: Adams и Dyna — в механических системах, Spice — в электронных схемах, ПА9 — для многоаспектного моделирования, т.е. для моделирования систем, принципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной природы.

Для удобства адаптации САПР к нуждам конкретных приложений, для ее развития целесообразно иметь в составе САПР инструментальные средства адаптации и развития. Эти средства представлены той или иной CASE-технологией, включая языки расширения. В некоторых САПР применяют оригинальные инструментальные среды.

Примерами могут служить объектно-ориентированная интерактивная среда CAS.CADE в системе EUCLID, содержащая библиотеку компонентов, в САПР T-Flex CAD 3D предусмотрена разработка дополнений в средах Visual C++ и Visual Basic.

Важное значение для обеспечения открытости САПР, ее интегрируемости с другими автоматизированными системами (АС) имеют интерфейсы, представляемые реализованными в системе форматами межпрограммных обменов. Очевидно, что, в первую очередь, необходимо обеспечить связи между CAE, CAD и CAM-подсистемами.

В качестве языков — форматов межпрограммных обменов — используются IGES, DXF, Express (стандарт ISO 10303-11, входит в совокупность стандар-

тов STEP), SAT (формат ядра ACIS) и др.

Наиболее перспективными считаются диалекты языка Express, что объясняется общим характером стандартов STEP, их направленностью на различные приложения, а также на использование в современных распределенных проектных и производственных системах. Действительно, такие форматы, как IGES или DXF, описывают только геометрию объектов, в то время как в обменах между различными САПР и их подсистемами фигурируют данные о различных свойствах и атрибутах изделий.

Язык Express используется во многих системах интерфейса между CAD/CAM-системами. В частности, в систему CAD++ STEP включена среда SDAI (Standard Data Access Interface), в которой возможно представление данных об объектах из разных систем CAD и приложений (но описанных по правилам языка Express). CAD++ STEP обеспечивает доступ к базам данных большинства известных САПР с представлением извлекаемых данных в виде STEP-файлов. Интерфейс программиста позволяет открывать и закрывать файлы проектов в базах данных, производить чтение и запись сущностей.

В качестве объектов могут использоваться точки, кривые, поверхности, текст, примеры проектных решений, размеры, связи, типовые изображения, комплексы данных и т.п [2].

Выводы.

Потребности современного производства диктуют необходимость глобального использования информационных компьютерных технологий на всех этапах жизненного цикла изделия: от пред проектных 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.

Как правило, большинство программно-вычислительных комплексов совмещают в себе решение задач CAD/CAM, CAE/САМ, CAD/CAE/CAM.

Универсальной конфигурации графической рабочей станции для оптимальной работы с CAD/CAM/CAE-приложениями не существует. В связи с различной сложностью программных продуктов, которых, к слову, на рынке пре-достаточно, конфигурации могут варьироваться очень сильно и их необходимо подбирать сугубо индивидуально, т.е. под задачи. Конечно же, все CAD/CAM/CAE-приложения относятся к ресурсоёмким, так что вычислительная мощность в данном случае точно не помешает. Однако, целью индивидуального подбора конфигурации является именно поиск системы с наилучшим соотношением «цена/производительность» для решения конкретных задач [3].

Библиографический список

1. Б. Хокс. Автоматизированное проектирование и производство. – М.: Мир, 1991.

2. Глинских А. Мировой рынок CAD/CAM/CAE-систем // КомпьютерИнформ.

3. Кунву Ли. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004. – 560 с.

4. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высш. шк., 1990.

Код для цитирования: Скопировать