Классификация системы автоматизированного проектирования по степени автоматизации

В последние годы получили широкое распространение универсальные CAD/CAM/CAE-системы, которые предназначены для комплексной автоматизации процессов проектирования, конструирования и производства продукции машиностроения. Их классификация перечислена на рисунке 1.

В них фактически объединены три системы разного назначения, разработанные на единой базе, аббревиатуры которых расшифровываются следующим образом:

CAD — Computer Aided Design — компьютерная поддержка конструирования, САМ — Computer Aided Manufacturing — компьютерная поддержка производства, САЕ — Computer Aided Engineering — компьютерная поддержка инженерного анализа.

Для организации параллельного проектирования — коллективной работы специалистов различного профиля с моделью (полным электронным описанием) двигателя часто используется среда PDM (Product Data Management — управление данными проекта). Обязательно наличие системы поддержки принятия решений (СППР), без которой трудно избежать ошибок во время принятия особо ответственных решений. Все это дает новое качество — проектирование и изготовление превращается в виртуальную технологию изготовления электронного макета двигателя.

В основе графических систем лежат трехмерные геометрические моделировщики, а также сервис, соответствующий функциональному назначению. Ядром такого ПО являются графические редакторы, реализующие модели и методы трехмерного (3D) геометрического моделирования и плоского (2D) черчения.

Окружение такого ядра представлено большим числом программ, относящихся либо к инструментальным средствам генерации конкретных версий, либо к интерфейсу с другими частями. Основу этих программ составляет набор графических примитивов и операций плоской графики. Обычно в набор примитивов (базовых элементов синтеза изображений) входят отрезок прямой, ломаная линия, полилиния, плавная линия, сплайн, дуга, окружность, эллипс, прямоугольник, многоугольник, ломаный контур, штриховка, «заливка», элементы простановки размеров и оформления чертежей. В число операций входят: перенос (сдвиг), поворот, масштабирование, (копирование, мультиплицирование, зеркальное отображение, построение касательных, обрезка, добавление и удаление узлов, изменение цвета и типа линий. Некомфортные операции представлены построением скруглений, фасок, эквидистант, деформацией изображений.

В большинстве систем применяются и более сложные операции. Среди них аппликация, т. е. возможность наложения одного графического элемента (прозрачного или непрозрачного) на другой, в том числе автоматическое удаление и восстановление скрытых линий. Выполнение метрических расчетов (различных моментов инерции, площадей, координат центра тяжести) для плоских сечений и (объема, площадей поверхности, координат центра тяжести) для пространственных элементов. Применяются три типа моделей трехмерной графики (каркасные, поверхностные, твердотельные) с разными способами их построения (кинематическое движение, построение по секциям). Для них используются следующие операции трехмерного моделирования: нахождение линий пересечения, создание фактуры поверхности, получение проекций и сечений, а также другие.

В лучших системах имеется язык расширения. Это может быть оригинальный язык либо надстройка над известным алгоритмическим языком. Он позволяет быстро и просто разрабатывать приложения к системе. Пользовательский интерфейс направлен на быстрое освоение и удобную эксплуатацию системы, что обеспечивается применением пиктограмм, иерархических меню, многооконностью, наличием необходимых подсказок. Важной характеристикой графических систем является относительное быстродействие. Оно оценивается сравнением скоростей регенерации изображений в данной системе и в какой-либо широко распространенной системе.

Предусматривается возможность обмена данными с другими системами, которая реализуется использованием стандартных форматов, таких как DXF, IGES (для файлов в векторной форме), PCX, TIF, PIC (для файлов в растровой форме). Наиболее общий и современный стандарт PDES/STEP.

Требования к вычислительным ресурсам и составу периферийных устройств зависят от системы и от сложности создаваемого изделия. Для большинства систем необходимы рабочие станции. Некоторым достаточно и современных персональных компьютеров. Они должны быть объединены в локальную сеть преимущественно типа «клиент-сервер», которая обеспечивает применение систем распределимых вычислений и рациональное использование имеющегося сервера, терминалов и линий передачи данных. Необходимо иметь выход в Интернет. Требуемое быстродействие ЭВМ определяется в основном процедурами трехмерного моделирования.

Необходим цветной дисплей с высокой разрешающей способностью и достаточным размером экрана (не менее 22 дюймов). Обязателен хороший принтер, лазерный или струйный, плоттер для вывода чертежной документации нужного формата, сканер .

В зависимости от функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации CAD/CAM/CAE-системы можно условно разделить на три группы: «легкие» (низкий уровень), «тяжелые» (средний уровень) и «полномасштабные» (высокий уровень) системы, как показано на рис. 3.2.3.

В тяжелых системах выполнение чертежа начинается сразу с построения трехмерной геометрической модели. На экране дисплея она изображается в виде аксонометрического чертежа. В случае необходимости из него в дальнейшем можно получить проекции объекта на координатные плоскости и чертеж в ортогональных проекциях, но такая необходимость возникает только при не автоматизированном производстве.

В легких системах чертежи изготавливаются в обратном порядке. Сначала выполняется плоский чертеж, как правило, в ортогональных проекциях, а затем по нему выполняются в автоматизированном режиме пространственный чертеж и геометрическая модель. Используются они в основном для вспомогательных целей или для частичной автоматизации процесса проектирования.

Полномасштабные системы — это тоже тяжелые системы, но дополненные средствами ведения проекта, т. е. они дополнительно имеют специализированный банк данных, в котором хранятся все чертежи данного проекта, и систему управления процессом проектирования.

Можно утверждать, что в будущем для автоматизированного проектирования преимущественно будут использоваться «тяжелые» системы, поскольку они значительно снижают трудоемкость проектирования и конструирования. Главное преимущество легких систем заключается в их более низкой стоимости, поэтому они будут применяться еще длительное время параллельно с тяжелыми системами для экономии средств.

Тяжелые системы Наибольшими возможностями обладают полномасштабные тяжелые CAD/CAM/CAE системы. Наиболее распространенными из них являются CADDS-5, CATIA, Cimatron, Euclid, I-DEAS, INTERGRAPH, MicroStation, Pro/ENGINEER, Unigraphics и некоторые другие. Это сложные многофункциональные системы, в состав которых входит большой набор модулей различного назначения, Типовой набор модулей включает:

• — графическое ядро (как правило, второго поколения);
• — широкий набор модулей для различных видов анализа с использованием МКЭ (метода конечных элементов) и моделирования

кинематики и динамики механизмов;

• — набор модулей для генерации управляющих программ для различных видов механообработки NC);
• — модули обмена данными в различных графических форматах
• (IGES, STEP, DXF, VGA-FS и др.);
• — модули управления данными проекта в гетерогенной сети (на

пример, PDM);

— собственная или коммерческая СУБД.

Этот базовый набор модулей дополняется различными вспомогательными модулями, расширяющими возможности систем. Очень часто в состав универсальных систем включаются широко известные специализированные пакеты, такие как ADAMS, Ansys, ISPA, MoldFlow, Nastran, Nisa II, Patran.

Основной принцип твердотельного моделирования — построение сложных моделей простыми средствами. Для построения любого твердого тела необходимо сначала создать плоский эскиз в модуле Sketcher. Причем совсем необязательно сразу вычерчивать точный эскиз, вполне достаточно выдержать форму эскиза, а затем образмерить. Образмеривание очень важно для последующей параметризации. Указывать необходимо только те размеры, которые в будущем будут параметризованы. Вовсе необязательно при проектировании многоступенчатого компрессора каждый раз строить диск заново, можно использовать существующую параметрическую модель, корректируя нужные размеры. На любую модель может быть заведена документация, включающая рабочие чертежи и спецификации Легкие системы Легкие системы обычно имеют ограниченный набор модулей, включающий геометрический моделлер (графическое ядро) с 3D-поверхностной графикой (иногда с 3D-твердотельной), модуль визуализации трехмерных тел, модуль генерации программ для оборудования с ЧПУ и др. Как правило, легкие системы эксплуатируются на недорогих ПЭВМ или дешевых рабочих станциях (PC). Подобные системы обычно не имеют модулей управления данными проекта, функционального анализа проекта и управления механосборками. К системам этого класса можно отнести такие недорогие и популярные в нашей стране системы, как AutoCAD, Caddy, MasterCAM и др. Отечественные системы, разработанные для ПЭВМ: ADEM (Москва), система Альфа (УГАТУ), КОМПАС (фирма «Аскон»), T-Flex (Москва); Кредо (НИЦ АСК), СПРУТ (Форт Диалог), TopCAD и др.

Фирмы постоянно наращивают возможности систем низкого уровня, приближая их к системам среднего уровня и полномасштабным системам. В России практически все моторные ОКБ, заводы и НИИ имеют и используют такого рода системы. С их помощью организуют чертежное хозяйство на предприятии.

САМ-системы Это системы для подготовки управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением. Как правило, эти системы имеют собственный, достаточно развитый графический редактор, позволяющий на основе чертежа детали создавать ее геометрическую модель, которая затем используется для генерации управляющей программы. Примеров таких программ для ПЭВМ и рабочих станций достаточно много, к наиболее известным, можно отнести следующие: SmartCAM, CIM CAD, Cimplex, Euclid, PEPS, DUCT, Спрут и др. Часто они специализируются на конкретных видах механообработки или имеют набор специализированных модулей.

Применение САМ-систем в совокупности с другими организационными и техническими мероприятиями позволяет сократить срок технологической подготовки производства в среднем в 3 раза.