Лекция 1. Общие сведения о САПР

Современные предприятия не смогут выжить во всемирной конкуренции, если не будут выпускать новые продукты лучшего качества (quality, Q), более низкой стоимости (cost, С) и за меньшее время (delivery, D). Поэтому они стремятся ис­пользовать огромные возможности памяти компьютеров, их высокое быстродей­ствие и возможности удобного графического интерфейса для того, чтобы авто­матизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства. Таким образом, сокращается время и стоимость разработки и выпуска продукта. Для этой цели используются технологии автоматизированного проек­тирования, автоматизированного производства и автоматизированной разработки или конструирования. Чтобы понять значе­ние систем CAD/CAM/CAE, мы должны изучить различные задачи и опера­ции, которые приходится решать и выполнять в процессе разработки и произ­водства продукта. Все эти задачи, взятые вместе, называются жизненным циклом продукта (рисунок 1).

Процесс разработки начинается с запросов потребителей, которые обслуживаются отделом маркетинга, и заканчивается полным описани­ем продукта, обычно выполняемым в форме рисунка. Процесс производства на­чинается с технических требований и заканчивается поставкой готовых изделий.

Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналити­ческие и синтетические. Первичные операции разработ­ки, такие как определение необходимости разработки, формулирование техниче­ских требований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а также концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатом подпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продук­та в форме эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различных компонентов продукта.

Рисунок 1 – Жизненный цикл продукта

 

Готовый концептуальный проект анализируется и оптимизируется – это уже подпроцесс анализа. Прежде всего, вырабатывается аналитическая модель, по­скольку анализируется именно модель, а не сам проект.

После завершения проектирования и выбора оптимальных параметров начина­ется этап оценки проекта. Для этой цели могут изготавливаться прототипы.

Если результат оценки проекта оказывается удовлетворительным, начинает­ся подготовка проектной документации. К ней относятся чертежи, отчеты и спи­ски материалов.

Посмотрим теперь, ка­ким образом на этапах жизненного цикла могут быть применены технологии CAD, САМ и CAE.

Полезными могут оказаться средства параметрического и геометрического моделирования, а также макропрограммы в системах автоматизированной раз­работки чертежей. Все это типичные примеры систем CAD. Система геометрического моделирования – это трехмерный эквивалент системы автоматизированной разработки чертежей, то есть программный пакет, работающий с трехмерными, а не с плоскими объекта­ми.

Для оценки проекта нужен прототип, мы можем быстро сконструировать его по за­данному проекту при помощи программных пакетов, генерирующих код для ма­шины быстрого прототипирования. Такие пакеты считаются программами для автоматизированной подготовки производства (САМ). Разумеется, форма про­тотипа должна быть определена заранее в наборе входных данных.

Автоматизированное проектирование (compu­ter-aided design — CAD) представляет собой технологию, состоящую в исполь­зовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение, используемое в инже­нерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических программ для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс-инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архи­тектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т. п.), поскольку гео­метрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометриче­ского моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших опера­ций в системах CAE и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связан­ных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах. Системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированно­го проектирования.

Автоматизированное производство (computer-aided manufacturing – САМ) – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для планиро­вания, управления и контроля операций производства через прямой или кос­венный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое программное управление (ЧПУ, numerical control – NC). ЧПУ заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать, резать, фрезеровать, штамповать, изгибать и иными способа­ми превращать заготовки в готовые детали.

Автоматизированное конструирование (computer-aided engineering – CAE) – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для анализа гео­метрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенст­вования и оптимизации его конструкции. Средства CAE могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических рас­четов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями мо­гут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей.

Таким образом, технологии CAD, САМ и CAE заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясь независимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал ин­теграции проектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризованного ин­тегрированного производства (computer-integrated manufacturing – CIM). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе и превратить их в беспе­ребойно и эффективно работающую систему. CIM подразумевает использование компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предпри­ятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, а не только проектированием и производством, которые охватывались система­ми CAD, САМ и CAE.

Литература 1 осн. [12-31], 2 доп. [28-49]

Контрольные вопросы

1. Опишите различие между проектной и аналитической моделями.

2. Почему аналитическая модель отличается от проектной?

3. Какие аналитические операции выполняются в рамках процесса разработки?

4. Как используются средства CAD в процессе разработки?

5. Какой вариант использования средств CAD в процессе разработки считается наиболее важным?

6. Как используются средства САМ в процессе производства?

7. Какой вариант использования средств САМ считается наиболее зрелым? Объясните, почему.