ВВЕДЕНИЕ

Новым методом организации производства явилось создание компьютерных систем, охватывающих все производство, от проектирования изделий до изготовления продукции – систем автоматизированного проектирования (САПР).

В зависимости от того, какие задачи решает компьютерная система, она может быть отнесена к одному из классов:

CAD (Computer-aided design) – системы, служащие для разработки чертежно-конструкторской документации. Такие системы позволяют строить как плоские (двумерные) чертежи, так и объемные (трехмерные) геометрические модели. CAD системы, специализирующиеся на решении задач машиностроения, называют MCAD.

CAM (Computer-aided manufacturing) – системы, служащие для разработки программ, управляющих технологическими процессами, например, обработкой деталей на станках-автоматах. 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.

CAD/CAM – системы обеспечивают одновременное решение задач конструкторского и технологического проектирования. Здесь имеются комплексные средства как для построения и выпуска чертежей, так и для автоматизированного управления производством.

CAE - системы решают задачи инженерного анализа, к которым относятся прочностные и тепловые расчеты, анализ процессов литья и т.д.

1. Общие сведения о сапр в машиностроении

1.1 История развития сапр в машиностроении [2].

Можно считать, что к 1971 году рынок CAD-систем уже сложился и стал индустрией. Если до этого САПР являлись скорее экспериментальными продуктами, то теперь САПР стали уже товаром, который мог приносить прибыль. Наиболее крупными разработчиками CAD в то время были компании Autotroll, Computervision, и другие.

В то время CAD-продукты были громоздкими и дорогими. Кроме того, применяе­мые тогда компьютеры и дисплеи ограничивали круг пользователей, в основном, крупными компа­ниями. В целом CAD-инструменты повторяли те мето­ды, которые применял человек, проектирующий на бумаге. Они позволяли автоматизировать наиболее трудоемкие и рутинные процессы, сделать доку­ментацию более понятной. Их дополнительные свойства, такие как автоматическая простановка размеров и возможность легко и быстро вносить изменения в чертежи, позволяли экономить время. Собственно проектирование, как интеллектуальное занятие, осуществлялось множеством операторов CAD-систем (читай – чертежников). Они получи­ли сделанные на бумаге концептуальные эскизы и физические макеты изделия, после чего трансфор­мировали всё это в компьютерные CAD-файлы. Затем чертежи деталей и узлов распечатывались на бумаге. Как только проект был готов, он пере­давался для выполнения следующих шагов: закуп­ки материалов и комплектующих, технологической подготовки и производства, которые зачастую вы­полнялись в тех же стенах. По существу, обработ­ка документов производилась последовательно.

В 1971 году IntelCorp. выпустила микропро­цессор 4004, который стал широко известен как первый компьютер на одной микросхеме. Вероят­но, это событие можно считать отправной точкой технологической революции, которая привела к со­зданию персонального компьютера. Сам по себе микропроцессор 4004 не вызвал появления новой волны технологий проектирования. Однако его вы­ход положил начало тому процессу уменьшения размеров громадных ЭВМ, которым ознаменова­лись 1980-1990-е года. Это оказало влияние на весь рынок программного обеспечения и, в особеннос­ти, на рынок MCAD-систем.

Кроме того, среди событий 70-х годов следует отметить покупку французской компанией Avion Marcel Dassault у американского авиастроителя Lockheed компьютерной программы под названием CADAM (Computer-Augmented Drafting and Manufacturing) и последующий выход системы CATIA (Computer-Aided Three-Dimensional Interactive Application), которая стала результа­том десятилетнего развития приобретенного программного обеспечения. Многие системы в то время создавались самостоятельно крупными OEM-производителями. Появление CATIA свиде­тельствовало о специализации и об изменении подходов к разработке CAD-продуктов. Впрочем, крупные OEM-производители продолжали (а некоторые продолжают и до сих пор) самостоятельно разрабатывать приложения для поддержки ряда специфических требований создаваемых ими изде­лий и применяемых процессов.

Конкуренция и необходимость сокращать сроки вывода изделий на рынок стали источником спро­са на готовые CAD-приложения. Внимание при этом было сконцентрировано на сокращении про­должительности цикла проектирования и, особен­но, на увеличении производительности каждого пользователя. Это, в свою очередь, создавало по­требность в увеличении производительности про­цессорной и графической подсистем компьютера. Рынок MCAD-систем вырос с примерно 25 млн. долл. в 1970 году до более чем 1 млрд. долл. в 1980 году. Такой рост был вызван, в основном, спросом со стороны богатых автомобильных и аэрокосмических компаний. Программное обеспе­чение, которое исторически создалось для специа­лизированных вычислительных машин и суперЭВМ, быстро стало доступным на более деше­вых миникомпьютерах. Это, в свою очередь, при­вело к снижению цен на программные продукты.

В 1980-х годах проявились две основные тен­денции. Первая была связана с быстрым развити­ем персональных компьютеров (ПК), пионером в деле создания которых считается компания IBM. Вторая - переход от автоматизации простых дву­мерных (2D) задач черчения к более широкому применению 3D и к эпохе “параллельного проек­тирования” - то есть, к технологиям, уменьшаю­щим время вывода изделия на рынок за счет рас­параллеливания процессов разработки. Наиболь­ший эффект при этом давало распараллеливание проектирования и подготовки производства - про­цессов, которые прежде обязательно выполнялись друг за другом.

С приходом ПК рынок CAD-систем начал ста­новиться массовым. Первым продуктом, который показал это наглядно, стал пакет AutoCAD компа­нии Autodesk. Эта компания, которую в 1982 году основал г-н John Walker с 11 компаньонами, вы­пустила AutoCAD под девизом “80% функционала мейнфреймовской программы за 20% цены”. Но­вый пакет быстро завоевал мир 2D. Он был не только хорошим инструментом для черчения, но и давал возможность сторонним компаниям разраба­тывать для него собственные приложения, что создавало дополнительную ценность и формирова­ло вокруг пакета влиятельное сообщество - второй уровень программных продуктов и разработчиков программ.

По мере эволюции рынка 2D начал развиваться и рынок 3D. Основой для развития рынка 3D ста­ли достижения в создании аппаратного обеспечения и разработка математических методов описания моделей. Трехмерность требовала еще большей производительности компьютера в расчете на одно­го пользователя, что стимулировало развитие гра­фической и процессорной подсистем. Наступил этап персональных рабочих станций, и рынок стал свидетелем стремительного роста новых компаний: Sun, Apollo и SGI (ранее Silicon Graphics). Известные поставщики компьютеров, включая HP, Digital Equipment Corp. и IBM, боролись за то, чтобы не отстать от новичков, выскочивших на вол­не идей “открытой архитектуры”.

В то время развитие рынка 3D ограничивалось не столько отсутствием или наличием необходимости трехмерного проектирования и вопросом его преиму­ществ, сколько высокой ценой и сложностью использования систем. Пере­мены произошли в 1987 году, когда компания Parametric Technology Corp. выпустила свой пакет параметрического 3D-проектирования Pro/ENGINEER. Революционный подход PTC обеспечил простоту использования, дружествен­ный пользователю интерфейс и эффективную тех­нологию моделирования. Благодаря этому система завоевала рынок с ура­ганной скоростью.

Ведущие поставщики программ в ответ на появ­ление Pro/ENGINEER развернули работы по усо­вершенствованию своих продуктов. В результате большинство систем 3D-проектирования обогати­лись параметрическими конструктивными элемен­тами, деревом истории построений и контекстно-зависимыми меню.

В начале 90-х годов сформировались явные ли­деры рынка корпоративных CAD-систем: альянс Dassault/IBM, Unigraphics, Parametric Technology Corp. Такие давние конкуренты, как Computervision и Intergraph, пострадали оттого, что их продукты воспринимались рынком как “закрытые”, ориенти­рованные на собственное аппаратное обеспечение, в то время как рост, в основном, приходился на системы, работающие на открытых платформах.

“Новый порядок” наступил после того, как на­чинающая компания SolidWorks выпустила пакет SolidWorks 95 - трехмерную CAD-систему для персонального компьютера. Используя девиз “80% функционала Pro/ENGINEER за 20% цены” (которая удивительным образом похожа на девиз компании Autodesk), они намеревались добиться массового применения 3D-методов в машинострои­тельном проектировании - точно так же, как деся­тилетие назад компания Autodesk выпуском пакета AutoCAD создала предпосылки для массового внедрения компьютерного 2D-проектирования.

Переход от чертежной доски к 2D CAD был эволюционным процессом, который приносил увеличение производительности, очевидную и из­меряемую выгоду. Эффект же, который приносит переход от 2D к 3D, не столь очевиден, его слож­нее измерить. Чтобы ощутить многие преимущест­ва от работы в мире 3D, необходима солидная практика, а также изменение бизнес-процессов. Более того, эти преимущества зачастую не были столь наглядны - возможно, еще и по таким при­чинам, как недостаток творческого воображения, трудность использования функций 3D-систем, сложность их интерфейса, а также высокие затра­ты. Это является основной причиной того, что переход на 3D до настоящего время еще произошел окончательно. При этом зачастую, там где преобразования произошли, необходимо некоторое время для того, что бы внедрение объемного моделирования дало максимальный эффект.

В начале нового тысячелетия потребность в более качественном, быстром и дешевом проектировании всё усложняющейся продукции возможно решать путем быстрого изменения моделей производства и бизнеса, их моментального приспособления к требованиям сложившейся ситуации на рынке. Например, в 90-х годах важной проблемой бы­ла организация совместной работы многочисленных сотрудников внутри предприятия, обеспечение па­раллельной работы при проектировании и производ­стве изделия. В настоящее время коллаборативность необходимо обеспечивать в условиях, когда отдель­ные специалисты, подразделения и компании рабо­тают и вносят вклад в процесс разработки или про­изводства изделия в несоизмеримо более разветвлен­ных компьютерных сетях, находясь, зачастую, в очень удаленных географических регионах.

Ввиду этого, особую ценность сегодня приобре­тают возможности, обеспечивающие синхронную работу многих пользователей в режиме реального времени. Многие счита­ют, что внедрение таких инструментов тормозится наличием проблем с обеспечением безопасности при передаче данных, а также ограниченной про­изводительностью подобных систем. Однако в реальности камнем преткновения остается сопро­тивление изменениям, вызываемое привычкой к сложившейся практике.

В настоящее время в машиностроительном САПР наблюдается развитие в двух основных направле­ниях.

Во-первых, СAD-системы предоста­вляют все более широкие возможности работы с проектом (информацией) при меньших трудозатратах. Прежде всего, речь идет о качественном улучшении инструментов, появлении средств, обеспечивающих более полный охват всех аспектов создания— и тестирования виртуального изделия. Одна из проблем состоит в том, что деятельность групп, разрабатывающих механическую, электрическую и электронную части изделия, а также программное обеспечение для него, всё ещё разрознена и проис­ходит практически независимо. Мы ожидаем, что достижения в развитии комплексного проектирова­ния и моделирования поведения конструкции по­зволят решить ряд вопросов в этой области.

Во-вторых, расширится спектр задач, решае­мых индустриальным программным обеспечением. Проектирование - это только одна из задач. Какие изделия необходимо создавать? Как сделать их лучше? Как поддерживать их в процессе эксплуа­тации наилучшим образом и каким способом луч­ше утилизировать? Можем ли мы усовершенство­вать документооборот предприятия и управлять взаимодействием территориально рассредоточен­ных сотрудников, работающих над созданием из­делия? Чем, кроме цены, будут отличаться наши изделия? Вот неполный перечень вопросов, кото­рые относятся к области программного обеспече­ния, часто называемой управлением жизненным циклом изделия, или PLM (Product Lifecycle Management).

Если оглянуться на этапы развития рынка CAD-систем за прошедшие три с половиной де­сятилетия, то мы увидим два принципиальных достижения:

• качественное повышение простоты и удобства работы с CAD-системами позволило перейти от их использования только в крупных компаниях к мас­совому применению;

• качественно изменилось соотношение “це­на/производительность” наиболее широко ис­пользуемого функционала CAD-систем.

1.2 Классификация САПР в машиностроении

По мере развития машиностроительных САПР, между ними появлялись все новые принципиальные отличия. Со временем стало возможно проводить по ним различные классификации.

Если вспомнить историю развития MCAD, то первоначально для САПР требовались ресурсы самых мощных компьютерных систем из всех, которые тогда были доступны. По мере развития компьютеров стало возможным перенести машиностроительные САПР на мини-компьютеры, затем на рабочие станции под управлением UNIX, и, наконец, – в 1990-е годы – на персональные компьютеры. Параллельно этому менялась операцион­ная среда, в которой работали машиностроительные САПР – от внутриведомственных ОС к системам, поставляемым разработчиками, затем к UNIX и, наконец, к Microsoft Windows. .В 1970-е и в начале 80-х годов рынок поделился на две явные части – системы высшего уровня, работающие на мейнфреймах и миникомпьютерах в вычислительных центрах, и менее дорогие пакеты, которые работали вне их – первоначально на 16-битных миникомпьютерах, а позже на рабочих станциях. Затем на рынке САПР появился новый сегмент – «легкие» CAD-системы общего назначения для создания черте­жей, работающие на персональных компьютерах. Такие особенности давали возможность разделить MCAD по используемой «платформе». То есть стало возможно выделить САПР, работающие под управлением UNIX, Windows или собственных ОС, установленных, соответственно, на различных видах компьютеров.

Надо отметить, что до 1994 года большинство САПР работали под управлением UNIX, но с появлением ОС Windows NT стали возможны высокопроизво­дительные вычисления и на персональных компьютерах. После этого количество систем для Microsoft Windows с каждым годом продолжает возрастать.

В настоящее время наиболее распространена классификация САПР в машиностроении по следующим признакам [3]:

1. возможности системы в области 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.

2. функциональность. Исходя из этого среди САПР 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.

“Тяжелые” системы (в скобках указана фирма, разработавшая или распространяющая продукт): NX (ранее называлась Unigraphics) (UGS, с октября 2007 Siemens); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC - Parametric Technology Corp.), CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др. Часто тяжелые системы в зарубежной печати называют “high-end”

“Легкие” (low-end) 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, middle-range): Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), T-Flex (Топ Системы, Москва) и др.

Недостатком этой классификации является то, что она отражает положение дел на рынке только в один, конкретный момент времени. Между тем, рынок постоянно изменяется, появляются новые продукты и совершенствуются старые. Поэтому возникла сделать более четкую классификацию. (например, большинство MCAD дают большие возможности для работы в 3D, но это не значит, что все они относятся к «тяжелым»)

В 2007 году компания Cyon Research опубликовала результаты работы по введению новой классификации CAD-систем. Необходимость исследования объяснялась тем, что САПР, традиционно считающиеся «средними» получили много новых возможностей, присущих ранее только «тяжелым», при этом разрыв в ценах между этими классами остался значительным. Между тем, потребителю очень важно знать (причем из независимых источников), имеет ли смысл платить больше только за название?

В 2003 году компания Cyon Research попыталась провести классификацию, основанную на том, что может быть спроектировано при помощи продуктов каждого класса. Системы в классе high-end были более мощными, чем в классе mid-range, которые, в свою оче­редь, были мощнее продуктов в классе low-end. Проек­тирование некоторых видов изделий требовало исполь­зования high-end-систем. Хотя системы среднего класса уже тогда были достаточно мощными, некоторые проек­ты могли быть воплощены исключительно при помощи систем высшего класса. За прошедшие четыре года столь четкая дифферен­циация исчезла. При помощи продуктов класса, кото­рый прежде называли “средним”, сегодня можно соз­дать почти любой проект, для которого раньше требова­лась система, относящаяся к “высшему уровню. Термины “high-end”, “mid-range” и “low-end” боль­ше не описывают точно дифференциацию систем.

Поскольку сейчас уже невозможно четко разли­чать САПР на основе функциональных возможностей, возникло предложение различать поставщиков по тому, на что они делают основной акцент, поэтому компания Cyon Research предложила термин «специализированные» машиностроительные САПР (specialized) для CATIA и UGS NX, и «mainstream» машиностроительные САПР (возможные варианты перевода: массовые, серийные, основные, домини­рующие) для Solid Edge, SolidWorks, Inventor и Pro/ENGINEER”.

Если брать более тонкую классификацию, которая чётче отражает положение линеек продуктов, то по мнению Cyon существуют:

- специализированные машиностроительные САПР с фокусиров­кой на PLM (product life management – управление жизненным циклом продукта, также часто встречается название CALS) (CATIA и UGS NX);

- основные (cерийные) машиностроительные САПР с фокуси­ровкой на PLM (Pro/E и CoCreate);

- основные (cерийные) машиностроительные САПР с фокуси­ровкой на разработке изделий (Solid Edge, Inventor и SolidWorks).

Сразу можно отметить недостаток этой классификации – в ней отсутствуют «легкие» MCAD.

По мнению Cyon Research, на данный момент име­ются следующие ключевые пункты различий между системами разного класса:

1. на чём фокусируются разработчики. “В своих разработках поставщики специализиро­ванных систем фокусируются на том, чтобы предоставить комплексные решения для компаний, имеющих сложные проблемы. Часто эти наборы про­блем включают процессы проектирования “сверху вниз” и совместную работу над проектом большого числа пользователей, разбросанных по всему миру. Для поставщика специализированных систем включение новых функциональных возможностей в существующие комплекты программного обеспечения имеет первостепенное значение, так как обеспечивает решения для сложных задач небольших групп клиен­тов(авто- и авиаконцернов, число которых легко поддается подсчету), таких, как оптимизация лопастей турбин или расчет пружин сжатия для съемников при холодной листовой штамповке крупногабаритных панелей”.

Такое разделение правомерно, но, по мнению многих исследователей, нельзя к специализированным системам относить только «тяжелые» (как это сделала CR). Во-первых, специ­фичные задачи могут решаться и с помощью специально для этого созданных САПР (CR их вообще не рассматривает), а во-вторых большинство производителей «тяжелых» систем постоянно говорят об их универсальном преднаначении.

Вместе с тем, надо отметить, что если для решения специальных задач тяжелые системы имеют свои модули, то поставщики mainstream САПР в значительной степени опираются на сторонних разработчиков;

2. цена. Прежние классы строго дифференцировались по цене. Хотя различие в ценах всё еще сохраняется, оно стало меньше, чем было, когда Cyon рассматривала это в 2003 году. Сегодня большинство поставщиков спе­циализированных систем предлагают базовое ПО, которое находится в том же ценовом диапазоне, что и массовые системы. Что остается, однако, так это большие ценовые различия для более полных конфи­гураций”;

3. Каналы поставок. “Поставщики специализированных MCAD-систем точно знают, кто их клиенты, и несут новые решения непосредственно им. Рыночная доля каналов сбыта у поставщиков специализированных MCAD-систем ограничена. Доходы от продаж специализрованных САПР реселлерами всё еще малы по сравнению с прямыми продажами. Поставщики массо­вых MCAD-систем распространяют свои продукты через реселлеров и обеспечивают поддержку в этом и для сторонних разработчиков”;

4. разработка на основе накопленных знаний. Поставщики специализирован­ных систем инвестировали значительные средства в создание баз данных. Созданные при их помощи банки данных позволяют экономить время и средства, накапливая информацию и извлекая ее по мере необходимости. При этом для «тяжелых» САПР крайне необходимым является обеспечение синхронизации изменения данных. Причем данные могут представляться в том виде, который необходим конкретной группе пользователей. Поставщики mainstream машиностроительных САПР менее сосредоточены на проблемах такого рода, потому что для их клиентов эта область имеет меньший приоритет.

По мнению исследователей, в будущем различие по этому параметру будет уменьшаться, потому что поставщики серийных MCAD-систем смогут предложить более интегрированные конфигу­рации, ориентированные на решение конкретных задач. Уже сейчас есть инструменты для анализа, симуляции и накопления знаний, столь же хорошо интегрированные в серийные системы, как и аналогичные функции специализированных систем;

5. интеграция с другим ПО предприятия. Сегодня, когда все современно оснащенные предприятия движутся в сторону PLM и цифрового производства, основным вопросом для всё возраста­ющего числа предприятий становятся не функционал CAD-систем, а сквозная интеграция всех приложе­ний и систем: CAD, CAM, CAE, систем промышленной автоматизации, мониторинга и управления технологическими процессами, в том числе возможнос­ти создания цифрового макета, параллельного проекти­рования в географически распределенных офисах, взаимодействия с цепочкой поставщиков, интеграции с ERP (автоматизированное управление предприятием) и т.п. Именно это сегодня разительно отличает системы уровня high-end от mid-range, хотя крайне редко это возможность бывает необходима для массового пользователя.

Идеология поставщиков «тяжелых» машиностроительных САПР такова, что разрабатываемые ими приложения могут быть более тесно интегрирован­ными, чем приложения поставщиков серийных систем, так как они исходят из одного источ­ника и создаются на платформе, предназначенной для такой интеграции. Такая интеграция может дать выгоды по­мимо упрощения обучения и общего пользовательс­кого интерфейса.

Аналитики Cyon Research справедливо подмечают, что, по сути, речь идет о двух разных идеологиях интеграции:

- интеграция приложений одного разработчика вокруг единого ядра в high-end-системах;

- интеграция приложений сторонних разработчиков вокруг машиностроительных САПР в пакетах класса mid-range.

Принципиальные недостатки второго подхода не только в том, что, говоря словами авторов, хорошо интегрированы не все приложения сторонних разработ­чиков;

6. сервис и поддержка пользователей. С учетом того, что было сказано по поводу интеграции систем, можно выделить важное отличие: все обнов­ления систем одного поставщика (систем high-end) выходят, как правило, одномоментно и в комплексе, в то время как новые версий приложений сторонних разработчи­ков (mid-range) обычно запаздывают по отношению к моменту выхода головной машиностроительной САПР, вызывая серьезные проблемы при переходе с версии на версию. К тому же, всегда есть риск того, что разработчик просто перестанет по каким-то причинам поддерживать свой продукт. Это может привести к значительным затратам пользователей на покупку новых программных продуктов, обучение пользователей, системную интеграцию.

Так же надо отметить, что чем дороже продукт, тем, как правило, масштабней сервис, предлагаемый пользователю. В ситуации, когда поставщик САПР имеет дело не с массой отдельных пользователей, а с единичными корпоративными клиентами, он способен значительно повысить уровень поддержки, обеспечивая максимальную отдачу от своего продукта, что позволит поддерживать взаимовыгодные отношения между продавцом и покупателем.

Таким образом, в настоящее время, наиболее отличительными чертами классов САПР являются все-таки не функции (как ранее), а прежде всего интегрированность с другим ПО предприятия, цена, сервис и структура продукта (отсутствие или наличие сторонних разработчиков, «дорабатывающих» систему).

По-видимому, в ближайшее время многие разработчики ПО и дальше будут поддерживать разделение систем по таким параметрам. Причиной этого является то, что в следствии последних слияний и поглощений компаний-производителей, продукты разных классов, бывшие ранее самостоятельными, обрели общих хозяев. Так, например, компания Dassault Systemes в настоящее время выпускает «тяжелую» CATIA и ей же принадлежит «средний» SolidWorks. Та же ситуация у Siemens PLM Software: «тяжелая» NX и «средний» Solid Edge. Можно предположить, что производители не захотят конкуренции между своими продуктами, так как это может нанести вред компании, потребовать дорогостоящих внутренних изменений, снизить прибыли, привести к потере пользователей.