10 Системный подход к проектированию технологических объектов

Системный подход — направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объекта как системы - целостного комплекса взаимосвязанных элементов.

Основные принципы системного подхода:

-Целостность, позволяющая рассматривать одновременно систему как единое целое и в то же время как подсистему для вышестоящих уровней.

-Иерархичность строения, то есть наличие множества (по крайней мере, двух) элементов, расположенных на основе подчинения элементов низшего уровня элементам высшего уровня.

-Структуризация, позволяющая анализировать элементы системы и их взаимосвязи в рамках конкретной организационной структуры.

-Множественность, позволяющая использовать множество кибернетических, экономических и математических моделей для описания отдельных элементов и системы в целом.

Системность, свойство объекта обладать всеми признаками системы.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. 

Системный подход выявляет структуру системы ее внутренние и внешние связи. Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны без системного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения.

Этапы системного подхода к проектированию; формирование требований к ПО – проектирование – реализация – тестирование – ввод в действие – эксплуатация и сопровождение.

Системный подход отличается от традиционного предположением, что целое обладает такими качествами (свойствами), каких нет у его частей. Когда части системы представляют собой системы, тогда их называют подсистемами. Подсистема обладает свойством функциональной полноты, т.е. ей присущи все свойства системы.

Системный подход к проектированию АСУ ТП заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиция системы) и учете при ее разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей между ними.

Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде известных подходов с другими названиями, которые также можно рассматривать как компоненты системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы.

Важнейшая задача науки в области проектирования – путем полного учета взаимосвязей в системе и влияния внешних факторов сократить число циклов уточнения системы и обеспечить в кратчайший срок создание системы с предельными показателями качества. Успешное достижение этой цели возможно путем перехода на системное проектирование технических решений

11. Три уровня САПР. Характеристика входящих в них систем. В зависимости от возможностей, а соответственно и стоимости, современные САПР можно условно разбить на три уровня: нижний, средний и высший. Деление на уровни в специальной литературе производят либо по их возможностям, либо по стоимости, например: до 1000 долл., от 1000 до 10 000 долл., свыше 10 000 долл.Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место. (например, AutoCAD, VersaCAD, CADKEY).Системы среднего уровня (например, Т-FLEX CAD, Solid Edge) сокращают сроки выпуска документации и время разработки проектов за счет автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, программирования 2,5-координатной обработки заготовок на станках с ЧПУ. Эти системы позволяют создать объемную модель изделия, по которой определяются инерционно-массовые, прочностные и иные характеристики, контролируется взаимное расположение деталей, моделируются все виды ЧПУ-обработки, отрабатывается внешний вид по фотореалистичным изображениям, выпускается документация. Кроме того, обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота. Экономический эффект состоит в многократном повышении производительности труда при резком сокращении ошибок и соответственно в улучшении качества изделий. имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций).Системы высшего уровня (EDS Unigraphics, Pro/Engineer, CATIA или CADDS) - полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР.

12. Интегрированные САПР и предъявляемые к ним требования. Использование технологии PLM. Интеграции CAD и CAE, использование технологии управления информацией об изделии на протяжении его жизненного цикла затрагивает не отдельные вопросы улучшения совместной работы этих двух систем, а более глобальные задачи объединения в одно целое всех процессов проектирования, производства, модернизации и сопровождения технически сложных изделий. Основная задача PLM - это объединение отдельных участков автоматизации в едином информационном пространстве и реализация сквозного конструкторского, технологического и коммерческого цикла, от подготовки проекта до утилизации. Такой подход сулит предприятиям немалые выгоды, главные из которых:

- ускорение выпуска новых продуктов; - усиление контроля за качеством;-  сокращение издержек заменой физических макетов виртуальными; - экономия за счет многократного использования проектных данных; -  расширение возможностей оптимизации изделий; -   экономия благодаря сокращению отходов производства; - снижение затрат с помощью полной интеграции инженерного документооборота. Но, чтобы воспользоваться преимуществами данной концепции, необходимо преодолеть серьезные технические трудности. Основная проблема, стоящая перед пользователями и разработчиками заключается в необходимости объединения разнородных систем автоматизации на предприятии и обеспечении коллективной работы персонала. Обычно каждое подразделение выдает свою информацию и по-своему ее обрабатывает. Так, отделы проектирования (использующие CAD), и анализа продукции (CAE) могут использовать совершенно разные спецификации и стандарты и принимать решения независимо друг от друга. Поэтому перед внедрением PLM должны прежде всего быть установлены корпоративные стандарты на форматы данных. Также многие предприятия для выполнения отдельных заданий производственного процесса используют программное обеспечение - ПО (чаще всего САПР) разных поставщиков. Для их интеграции в рамках PLM-среды приходится применять средства преобразования данных из одного формата в другой, что нередко вызывает ошибки и ухудшает качество информации. Наиболее очевидный способ избежать этого - внедрять PLM-продукты одного поставщика. Однако лишь немногие поставщики предлагают весь набор средств PLM, да и предприятия вряд ли захотят менять привычные САПР на новые. Единственный выход - создание открытого формата данных. Такие попытки предпринимаются, но, к сожалению, особого прогресса здесь не наблюдается. Организация ISO выпустила стандарт STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) для описания трехмерных CAD-моделей, но он не получил серьезной поддержки у поставщиков. Теперь идет разработка форматов на основе метаязыка XML. Например, компания EDS предлагает для визуализации и описания геометрии формат PLM XM.. Эти разработки еще только начинают внедряться, и пока неясно, станут ли они основой для полноценного стандарта PLM. Интегрированные САПР должны: охватывать все этапы проектирования от ввода описания проектируемого объекта до получения проектно-технической документации (интеграция по глубине); иметь на отдельных этапах альтернативные алгоритмы и программы, позволяющие формировать наиболее экономичные и достаточно адекватные математические модели в соответствии с конкретными условиями проектирования, выбирать различные математические методы для решения заданной задачи (интеграция по ширине); иметь систему управления проектированием, а также интегрированную базу данных; быть приспособленными для тиражирования в различных проектных организациях.

13. Основные классификационные характеристики САПР. Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. Но это не значит, что такие продукты мало распространены. Напротив, они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место. Системы среднего класса – надежные и многофункциональные продукты, которые содержат многие компоненты своих тяжелых собратьев, за исключением средств моделирования сложных поверхностей, встроенных подсистем инженерного анализа (CAE), подготовки производства (CAM) и специализированных приложений – многие из них можно купить у независимых разработчиков. «Середняки» поддерживают сборки, включающие от сотни до нескольких тысяч деталей, и имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций). Тяжелые системы – полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР.

14. Параллельное проектирование. Общее понятие и используемые системы. При параллельном проектировании информации относительно каких–либо промежуточных или окончательных характеристик разрабатываемого изделия формируется и предоставляется всем участникам работ, начиная с самых ранних этапов проектирования. В этом случае информация носит прогностический характер. Ее получение базируется на математических моделях и методах прогностической оценки критериев качества проектного решения. Оценка может производиться на основе аналитической модели, статистических методах и методах экспортных систем. Технология параллельного проектирования реализуется на основе интегрированных инструментальных средств прогностической оценки и анализа альтернативных проектных решений с последующим выбором базового проектного решения. Предполагается, что инженер начинает работать над проектом на высоком уровне абстракции с последующей детализацией проекта. Принципиальным отличием параллельного проектирования от сквозного проектирования (хотя параллельное проектирование получило развитие на основе сквозного) в том, что информация не просто поступает на все последующие этапы проектирования, но и по существу эти этапы начинают выполняться одновременно. Фирма MENTOR GRAPHНICS впервые создала среду параллельного проектирования на основе принципа объединения всех инструментальных средств проектирования и данных в одном непрерывном и гибком процессе создания изделия. В состав этой инфраструктуры входят: Среда управления проектированием; Система управления данными проекта; Система поддержки принятия решений ( СППР).

15. Сквозная система проектирования и подготовки производства. САПР были изначально предназначены для автоматизации черчения. Но уже долгое время на предприятиях используют трехмерные системы моделирования CAD, в основе которых лежат параметрические объемные 3D-модели. Эти системы изменили в корне подход к проектированию. Создание новой продукции значительно ускорилось, затраты и число ошибок сократились, процесс разработки стал более творческим. Основным недостатком плоского черчения является сложность представления изделия в пространстве, так как конструктору приходится опираться только на виды, а саму модель формировать в «голове», вследствие чего возникают недочеты, которые рождают в дальнейшем крупные ошибки. 3D-системы превосходят плоское черчение, благодаря возможности смоделировать изделие до создания чертежей или опытных образцов, при этом позволяют увидеть результат моделирования на любом шаге проектирования. Визуализация изделия - это одно из основных преимуществ 3D-моделирования. Использование трехмерной технологии позволяет проектировать изделие необходимого качества за короткие сроки, благодаря сокращению возможности появления ошибок и снижению затрат на их исправление. Для проверки проектируемых конструкций визуализации не достаточно, для этого в 3D CAD-системах заложены необходимые инструменты. Для всестороннего анализа изделия созданные модели можно передавать в системы инженерных расчетов CAE, где она проверяется на функциональность, устойчивость, прочность, жесткость, безопасность, долговечность и т.д. По моделям автоматически вычисляются массово-инерционные характеристики, объем и другие важные физические параметры проектируемых деталей и сборок. Анализ виртуальных макетов позволяет оптимизировать конструкцию путем проработки вариантов исполнения с учетом различных физических свойств изделия и выбрать оптимальное решение при минимальных затратах на исполнение. Одно из достоинств трехмерных моделей заключается в том, что их можно передавать в системы подготовки УП ЧПУ (Управляющих программ для станков с Числовым программным управлением) CAM, которые автоматически создают программы для станков с ЧПУ. Благодаря точной и полной передачи данных об изделии сокращается количество возможных ошибок в документации, при этом повышается качество чертежей, конструкторских спецификаций и взаимосвязи между ними. На базе 3D-модели возможно применение технологии сквозного проектирования. Данная технология позволяет связать воедино все этапы разработки и постановки продукции в производство. От конструкторской модели изделия до УП ЧПУ на изделие и оснастку, а также при создании технологических процессов используется единая 3D-модель. Зародившись у конструктора, 3D-модель доходит до производства, проходя все фазы КТПП, что повышает эффективность процесса проектирования в разы. При построении интегрированной информационной системы (ИИС) КТПП 3D-модель закладывается в основу и является объектом управления внутри ИИС КТПП. применение сквозного проектирования позволяет: - значительно повысить качество выпускаемой продукции; - ускорить выход продукции на рынок - на 20-90%;- сократить время на разработку изделия - на 30-70%; - сократить время на внесение изменений - на 65-90%; - сократить затраты на подготовку изделия к производству - на 5-50%;- ускорить окупаемость затрат на 20-85%. Этапы сквозного проектирования:   - проектирование изделия (создание трехмерной геометрической модели);  - технологическая подготовка производства (разработка необходимой ТД и КД на оснастку); - создание управляющих программ для станков с ЧПУ (формирование программы под конкретный станок);   - изготовление оснастки и изделия (передача готовой программы непосредственно в систему ЧПУ станка и ее выполнение). Использование сквозного проектирования на базе 3D-моделирования в единой информационной системе КТПП (Конструкторско-Технологической Подготовки Производства) позволяет избежать многочисленных ошибок при подготовке производства и его сопровождении, а также выпускать продукцию с требуемым качеством и потребительскими свойствами, которые соответствуют условиям эксплуатации и отвечают техническим, экономическим и технологическим требованиям, в кратчайшие сроки.

16. Уровни систем инженерного анализа

CAE (Computer-Aided Engineering) — комплекс программных продуктов, которые способны дать пользователю характеристику того, как будет вести себя в реальности разработанная на компьютере модель изделия. По-другому CAE можно назвать системами инженерного анализа. В своей работе они используют различные математические расчеты: метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов. При помощи CAE инженер может оценить работоспособность изделия, не прибегая к значительным временным и денежным затратам.

История

CAE неразрывно связаны с CAD и CAM. Развитие этих программных продуктов шло параллельно. В начале 80-х годов XX столетия первые пользователиCAD/CAM/CAE применяли для работы графические терминалы, которые были компонентами мейнфреймов IBM и Control Data. Основными поставщиками аппаратного и программного обеспеченияCAD/CAM/CAE были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph. Поскольку мейнфреймы того времени были несовершенными, то появлялись определенные трудности. Интерактивный режим работы был практически недоступен из-за большой нагрузки на центральный процессор. Стоимость одной CAD/CAM/CAE системы составляла порядка $90000. С развитием прогресса аппаратные платформы CAD/CAM/CAE систем перешли с мейнфреймов на персональные компьютеры. Это было связано с меньшей стоимостью и большей производительностью ПК по сравнению с мейнфреймами. Закономерно снизилась и цена на CAD/CAM/CAE до $20000. На базе ПК создавались рабочие станции для CAD, которые поддерживали архитектуру IBM PC или Motorola. В середине 80-х годов появились архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). На их основе были разработаны более производительные рабочие станции, опиравшиеся на операционную систему Unix. С середины 90-х годов конкуренцию системам RISC/Unix составили технологии, разработанные компанией Intel на основе операционных систем MS Windows NT и MS Windows 2000. В настоящее время стоимость CAD/CAM/CAE систем снизилась и составляет не более $10000.

Классификация

• Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов. В них предусмотрены собственные средства моделирования геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid, ACIS. Полнофункциональные САЕ-системы лишены ассоциативной связи с CAD. Поэтому, если в процессе подсчета появляется необходимость изменить геометрию, то пользователю придется заново производить импорт геометрии и вводить данные для расчета. Самыми известными подобными системами считаются ANSYS/Multiphysics,AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN.

• Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР, имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую систему проектирования тяжелойСАПР. К ним относятся Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER, Unigraphics NX CAEдля Unigraphics NX, Extensive Digital Validation (CAE) для I-deas, Catia CAE дляCATIA;

• Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD-системы, другие считывают геометрию из CAD. К первым относятся COSMOS/Works, COSMOS/Motion,COSMOS/FloWorks для SolidWorks, ко вторым — visualNastran, Procision.

]Возможности САЕ

С помощью САЕ можно проводить:

• Стресс-анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;

• Термический и гидродинамический анализ;

• Кинематические исследования;

• Моделирование таких процессов, как литье под давлением;

• Оптимизацию продуктов или процессов.

Этапы работы с САЕ

• Предварительная обработка — определение характеристик модели и факторов внешней среды, которые будут на нее воздействовать;

• Анализ и принятие решения;

• Обработка результатов.

Отрасли применения

Наибольшей популярностью САЕ пользуются в следующих отраслях производства: машиностроение и станкостроение, оборонная и аэрокосмическая промышленность, энергетика, судостроение, производство полупроводников, телекоммуникации, химическая, фармацевтическая и медицинская промышленность, строительство, производство систем отопления, кондиционирования, вентиляции.

Опыт использования САЕ в автомобильной промышленности

Преимущество систем САЕ состоит в том, что автопроизводители могут проводить компьютерное тестирование разрабатываемых моделей. Это позволяет сосредоточить максимум внимания на повышении безопасности, комфортности и долговечности автомобилей, не затрачивая при этом финансовых средств. Безопасность пассажиров при столкновениях может быть оценена при помощи таких программных продуктов, как RADIOSS, LS-DYNA, PAM-CRASH.

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения. Преследуются следующие цели:

• Совершенствование методов решения междисциплинарных задач моделирования;

• Разработка новых платформ для интеграции различных систем САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM-решения;

• Повышение интероперабельности САЕ и CAD систем;

• Совершенствование методов построения расчетных сеток, описания граничных условий, параллельных вычисление и т.д;

• Улучшение характеристик моделей, которые применяются для описания свойсв материалов;

• Оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-битными и многоядерными процессорами, а тем самым улучшение условий для моделирования сложных конструкций с большим количеством степеней свободы.

17, CAD/CAM технологии и их особенности

Сравнительный анализ интегрированных САD/САМ-систем

CAD – системы

В настоящее время, большинство предприятий стремятся проектировать в трехмерном пространстве. Трехмерные CAD-системы предоставляют проектировщику большой простор для творчества и при этом позволяют значительно ускорить процесс выпуска проектно-сметной документации. Наряду со скоростью, такие системы позволяют повысить точность проектирования: становится проще отследит спорные моменты в конструкции.

CAD-системы (сomputer-aided design 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.

Современный рынок CAD -систем представлен рядом компаний, предлагающих разнообразные программные пакеты моделирования и проектирования изделий различной сложности.

5.3.1.1.  ADEM

 Отечественная интегрированная CAD/CAM/CAE система ADEM предназначена для автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства. Это единый программный комплекс, в состав которого входят инструменты для автоматизации:

• проектирования, конструирования и моделирования изделий;

• оформления чертежно-конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД;

• проектирование техпроцессов и оформления технологической документации в соответствии с требованиями ЕСТД;

• программирования оборудования с ЧПУ;

• управления архивами и проектами;

• реновации накопленных знаний (бумажных чертежей, перфолент).

Можно сказать, что ADEM эквивалентен комплексу из шести профессиональных специализированных систем, которые имеют единые математическое ядро и инфраструктуру.

На самом деле, если и можно скомпоновать аналог ADEM из нескольких систем, то, скорее всего, это получится очень дорогостоящий и значительно более сложный в обучении и внедрении продукт. Причем такой степени интеграции между составляющими как в системе ADEM вряд ли удастся достичь[36].

Еще одной важной компонентой системы является более чем тридцатилетний опыт автоматизации отечественных и зарубежных машиностроительных предприятий, который в сплаве с современными информационными технологиями определяет высокую надежность и эффективность системы.

В части проектирования и конструирования система ADEM имеет самый современный инструментарий объемного и плоского гибридного моделирования. Система содержит обширные библиотеки отечественных и зарубежных стандартов оформления конструкторской документации и стандартных изделий.

Благодаря постоянному сотрудничеству с передовыми производителями и поставщиками станков и инструментов, такими как: HANDTMANN, TRUMPF, KUKA Robot Group, УМК «ПУМОРИ-СИЗ», СФТехнологии, HAIMER, ISCAR, SANDVIK, Скиф-М, Rost Group, и др. в системе постоянно совершенствуются методы подготовки ЧПУ программ для самого современного отечественного и зарубежного оборудования.

ADEM позволяет программировать следующие технологии обработки:

• фрезерные 2-5x, в том числе и многопозиционные;

• токарные, в том числе и многошпиндельные и многотуретные;

• лазерные 2-5x;

• электроэрозионные 2-4x;

• листоштамповку и вибровысечку;

• а также их комбинации.

Для автоматизации проектирования технологических процессов система ADEM поддерживает практически все существующие виды технологий, включая технологии механообработки, сборки, сварки, термической обработки и прочие. При этом выпуск технологической документации может осуществляться как на стандартных картах и формах (ГОСТ), так и на картах и формах предприятия (СТП). В качестве важного дополнения выступают подсистемы нормирования и оснащения, а также библиотеки материалов, оборудования и инструментов[36].

Особую роль интегрированная система ADEM играет для подготовки технических кадров, так как охватывает все важнейшие этапы конструкторско-технологической подготовки производства от первого эскиза до выпуска детали на станке.

Опыт внедрения системы в авиастроении, аэрокосмической, приборостроительной и атомной промышленности показывает высокую эффективность использования оборудования, кратчайшие сроки его запуска и быструю окупаемость уже с первых дней эксплуатации системы ADEM.

5.3.1.2. T-Flex

T-Flex - это комплекс программных средств автоматизации, позволяющих охватить все этапы конструкторско-технологической подготовки производства. Все системы, входящие в комплекс, полностью интегрированы между собой. Комплекс содержит передовые российские разработки в соответствующих областях автоматизированного проектирования, которые учитывают специфику российского производства (стандарты, технические условия, оборудования и т. д.). Каждая из систем может работать в комплексе, в любой комбинации или в автономном режиме, что позволяет гибко и поэтапно решать задачи автоматизации подготовки производства любого предприятия. Важным фактором является стоимость комплекса. При одинаковой функциональности стоимость российских систем значительно ниже, чем западных.

Решает задачи:

• автоматизация выпуска конструкторско-технологической документации;

• создание твердотельных моделей деталей и сборок;

• моделирование динамического поведения сборок;

• подготовка управляющих программ для станков ЧПУ;

• проектирование штампов, пресс-форм, режущего инструмента и приспособлений;

• расчет и построение оптимальных схем раскроя деталей на листе;

• автоматизация задач технического документооборота, управление проектами и ведение состава изделий.

 

5.3.1.3.  Компас 3D- V9

Основная задача, решаемая системой КОМПАС-3D V9 - моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство. Эти цели достигаются благодаря возможностям:

• быстрого получения конструкторской и технологической документации, необходимой для выпуска изделий (сборочных чертежей, спецификаций, деталировок и т.д.);

• передачи геометрии изделий в расчетные пакеты;

• передачи геометрии в пакеты разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ;

• создания дополнительных изображений изделий (например, для составления каталогов, создания иллюстраций к технической документации и т.д.).

Основные компоненты КОМПАС-3D V9 - собственно система трехмерного твердотельного моделирования, чертежно-графический редактор и модуль проектирования спецификаций. Система трехмерного твердотельного моделирования предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства.

 

5.3.1.4. AutoCAD

AutoCAD— двух- и трехмерная система автоматизированного проектирования, разработанная компанией Autodesk.

Программа включает в себя полный набор средств, обеспечивающих комплексное трёхмерное моделирование, в том числе работу с произвольными формами, создание и редактирование 3D-моделей тел и поверхностей, улучшенную 3D-навигацию и эффективные средства выпуска рабочей документации, реализована поддержка параметрического черчения.

Ниже описаны некоторые функциональные возможности современной версии:

• Инструменты работы с произвольными формами позволяют создавать и анализировать сложные трехмерные объекты. Их формирование и изменение осуществляются простым перетаскиванием поверхностей, граней и вершин.

• Трехмерная печать. Можно создавать физические макеты проектов через специализированные службы 3D-печати или персональный 3D-принтер.

• Использование динамических блоков позволяет создавать повторяющиеся элементы с изменяемыми параметрами без необходимости перечерчивать их заново или работать с библиотекой элементов.

• Функция масштабирования аннотативных объектов на видовых экранах или в пространстве модели.

• Запись операций позволяет формировать последовательности команд даже без опыта программирования. Записываемые операции, команды и значения ввода регистрируются и отображаются в отдельном окне в дереве операций. После остановки записи можно сохранить команды и значения в файле макроса операций с целью последующего воспроизведения. При коллективной работе макросы могут быть доступны всем.

• Диспетчер подшивок организует листы чертежей, упрощает публикацию, автоматически создает виды, передает данные из подшивок в основные надписи и штемпели и выполняет задания таким образом, чтобы вся нужная информация была в одном месте.

• Инструменты упрощенной трехмерной навигации: «видовой куб» позволяет переключаться между стандартными и изометрическими видами — как предварительно заданными, так и из выбранной пользователем точки; «штурвал» объединяет в одном интерфейсе несколько различных инструментов навигации и предоставляет быстрый доступ к командам вращения по орбите, панорамирования, центрирования и зумирования.

• Инструмент «аниматор движения» предоставляет доступ к именованным видам, сохраненным в текущем чертеже и организованным в категории анимированных последовательностей. Его можно применять как при создании презентации проекта (анимированные ролики), так и для навигации.

Интерфейс пользователя поддерживает возможность настройки под потребности конкретной отрасли. Изменяются установки по умолчанию для различных функциональных возможностей AutoCAD, включая шаблоны чертежей, содержимое инструментальных палитр, рабочее пространство.

   

5.3.1.4.  Autodesk Inventor

Рассмотренный ниже пакет инженерного моделирования твердотельных машиностроительных изделий Inventor позволяет свободно работать как с плоскими, так и с пространственными моделями.

Возможность работать и с плоскими, и с пространственными моделями – вот качество, выгодно отличающее Inventor от прочих САПР. Переход от плоской модели к трёхмерной возможен на любой стадии разработки. Inventor решает задачи твердотельного моделирования деталей, сборок, выпуска конструкторской документации – причем с его помощью эти задачи решаются гораздо быстрее и удобнее. Основное назначение Inventor – предоставить пользователям инструментарий, максимально отвечающий их требованиям, создать условия для высокопроизводительной работы, гарантировать возможность создания сложных форм, обеспечить соответствие реальным требованиям рынка в области 2D/3D-проектирования.

Инструментальные средства Inventor обеспечивают полный цикл конструирования и создания конструкторской документации

К преимуществам можно отнести:

- адаптивное конструирование, которое позволяет инженерам машиностроительного профиля проектировать естественным для себя образом, именно так, как они привыкли думать;

- адаптивная компоновка;

- встроенный конструктор элементов;

- системы поддержки и сопряжения процесса конструирования;

- пакет легок в освоении и имеет встроенные средства мультимедийной помощи. Интерфейс включает в себя проектирование на уровне эскиз-объект, систему обучения и помощи, включающую в себя интерактивные видеовставки;

- возможность проектирования сверху вниз (от проектирования сборочного узла до проектирования деталей, которые в него входят), или проектирование снизу вверх, проектируя по одной детали в каждый момент времени. Конструктор может использовать одновременно уже спроектированные детали и схематичные зависимости в трёхмерном пространстве, чтобы можно было заранее увидеть, как всё будет работать до разработки конечной версии взаимосвязей деталей;

- при моделировании сверху вниз (от концептуального дизайна к проработке конечного изделия) имеется возможность зеркального отражения и размножения массивами базовых тел и рабочих элементов (плоскости, оси и точки) – с тем, чтобы в дальнейшем использовать их при создании реальной модели изделия;

- обладает инструментом адаптивных сборок. При работе с крупными сборками применяется адаптивная технология подкачки данных; всё это происходит автоматически, без указания деталей в сборке для их обновления после редактирования.

Пакет инженерного моделирования Inventor имеет удобный пользовательский интерфейс, позволяющий работать на интуитивном уровне, используя имеющиеся на экране графические пиктограммы и подсказки, выводимые программой. Стандарты интерфейса, используемые в Inventor, аналогичны стандартам Microsoft Windows. Inventor позволяет работать и с плоскими, и с пространственными моделями. Переход от плоской модели к трёхмерной возможен на любой стадии разработки. Также в любой момент возможен возврат к плоской модели, её редактирование и сохранение. При этом происходит автоматическая перестройка трёхмерной модели. Inventor обеспечивает создание сложных форм с помощью понятной и удобной инструментальной палитры, а также лёгкость сборки деталей.

 

5.3.1.5. BtoCAD

 

BtoCAD - это полноценная система автоматизированного проектирования (САПР), позволяющая создать комплект готовых чертежей. Программа реализует полноценная поддержка формата DWG и DXF обеспечивает прямую работу с файлами Autodesk AutoCAD.

Функциональные возможности:

• работа с 3D-объектами;

• построение сечений и разрезов;

• поддержка перенесённых из AutoCAD типов линий (.lin), шрифтов (.shx), образцов штриховки (.pat) ;

• объектная привязка;

• объектное отслеживание;

• полярное отслеживание. (Polar Tracking) ;

• экспорт в растровые и векторныеформаты: BMP, WMF, EMF, SVG, DWF, PDF;

• работа со слоями;

• средства визуализации;

• поддержка языков программирования: Lisp, VBA, SDK;

• позволяет использовать огромную библиотеку готовых скриптов для автоматизации часто выполняемых задач или написания собственных для узкопрофильных задач под конкретную отрасль;

• поддержка растровых изображений;

• позволяет делать копии сложных объектов, состоящих из большого количества примитивов;

• даёт возможность редактировать и создавать блоки, которые совместимы с AutoCAD[38].

  

  

5.3.1.6.  Cadmech

 

CADMECH - cистема проектирования изделий машиностроения, значительно расширяющая возможности AutoCAD в области проектирования машиностроительных чертежей.

CADMECH обеспечивает:

• автоматическую генерацию изображений стандартных элементов, деталей и сборочных единиц с возможностью выбора типоразмеров элементов из справочно-информационной базы, с учетом применяемости каждого конкретного предприятия;

• технологию проектирования, позволяющую автоматически формировать рабочие чертежи деталей в процессе проектирования сборочного чертежа, а также выделять чертежи деталей из сборочного чертежа в отдельные чертежи;

• автоматическое занесение и обработку информации для выпуска спецификации в процессе формирования сборочного чертежа изделия, а также автоматическую генерацию позиций элементов на сборочном чертеже в соответствии со спецификацией;

• возможность создания собственных параметрических многовидовых (несколько проекций элемента) моделей, с последующим использованием требуемых проекций моделей в любых чертежах;

• возможность создания сборочных чертежей путем вставки и ориентации любых требуемых проекций из деталировочных чертежей;

• возможность изменения геометрии произвольных элементов чертежа путем изменения значений размеров данного элемента;

• возможность комплексного редактирования элементов соединений (винтовые, болтовые, штифтовые и т.д.) путем задания нового диаметра, либо длины крепежного элемента. При этом автоматически изменяются все связанные элементы (гайки, шайбы, проходные и резьбовые отверстия и т.д.), а также информация для спецификации;

• автоматическое образмеривание стандартных элементов чертежа;

• ускоренное оформление чертежа в соответствии с требованиями ЕСКД, включающее:

  • вычерчивание рамок чертежей различных форматов, установку штампов и их заполнение;

  • автоматическое нанесение осей отверстий и осей симметрии;

  • нанесение различных знаков шероховатости поверхности, отклонений формы и расположения поверхностей;

  • нанесение обозначений сварных и неразъемных соединений, а также видов, разрезов, сечений;

  • автоматизированную простановку размеров в соответствии с требованиями ЕСКД;

  • автоматическую генерацию и размещение технических требований на чертеже путем выбора из соответствующего каталога технических требований[39].

5.3.1.7. CATIA

 Система CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) - одна из самых распространенных САПР  высокого  уровня.  Это комплексная  система   автоматизированного   проектирования   (CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ),  включающая  в  себя передовой инструментарий трёхмерного моделирования, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической информации. Система позволяет эффективно решать все задачи технической подготовки производства - от внешнего (концептуального) проектирования  до выпуска чертежей, спецификаций, монтажных схем и управляющих программ для станков с ЧПУ.

Основные возможности системы CATIA:

• функции работы с поверхностями;

• возможность трассировки внутренней проводки, трассировки систем;

• совместное проектирование (если участвует более 1 разработчика) ;

• продуманная система отображения структуры сборки;

• подготовку к стадии быстрого прототипирования, поддерживается конвертация в STL;

• имеется система проектирования деталей, гнутых из листового металла

• возможность кинематического анализа механизмов;

• имеется возможность эргономического анализа, как позы, так и движения, контроль поля зрения, зон досягаемости, усилий управления;

• продуманный и достаточно удобный интерфейс[40].

 

5.3.1.8. SolidWorks

SolidWorks – система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения. Она представляет собой инструментальную среду, предназначенную для автоматизации проектирования сложных изделий в машиностроении и в других областях промышленности.

SolidWorks является системой гибридного (твердотельного и поверхностного) параметрического моделирования, она предназначена для проектирования деталей и сборок в трёхмерном пространстве (3-D проектирования), а также для оформления конструкторской документации.

Система относится к САПР "среднего класса". SolidWorks разработан для работы на персональных компьютерах в системе Microsoft Windows. Он имеет стандартный графический пользовательский интерфейс Windows, максимально использует все преимущества системы Microsoft Windows, такие как контекстные меню, режим copy-and-paste, режим drag-and-drop, быстрый просмотр, поиск и открытие файлов с помощью проводника, возможность "отката" и др. SolidWorks эффективно взаимодействует с Windows-приложениями, как Excel, Word и др. Очевидными достоинствами системы являются ее полная русификация и поддержка ЕСКД. В рассматриваемой системе поддерживаются все основные стандарты представления и обмена данными. В состав базового пакета SolidWorks входит более 20 трансляторов для экспорта и импорта [http://www.fea.ru/education/cad/solidworks/].

5.3.1.9.  PRO/ENGINEER Wildfire 4.0

 

Модули Pro/ENGINEER для конструкторской подготовки производства предоставляют инженерам-конструкторам широкие возможности:

• для создания электронных трехмерных моделей деталей и сборок;

• для рабочей документации в соответствии с ЕСКД;

• для анализа и оптимизации размерных цепей;

• для оптимизации геометрии;

• для проверки работоспособности механизмов.

Это строгая, логичная, простая в обращении система. Средства нисходящего и восходящего проектирования и управления сборки помогают конструктору действовать интуитивно и творчески.

Модули располагают большим набором инструментов для построения трехмерных твердотельных и поверхностных моделей любой сложности и любой геометрии, а также для эффективного управления ими.

Модули позволяют проектировать и управлять крупными сложными сборочными единицами, состоящими практически из неограниченного числа компонентов.

Возможность проверки работоспособности механизма (за счет наложения связей между компонентами, задания перемещений, скоростей и ускорений звеньев механизма, проверки рабочих зон, контроля над пересечением отдельных деталей, расчета массовых характеристик и т.д.) гарантирует правильность сборки с первого раза.

Данная САПР решает следующие задачи:

• параметрическое проектирование методами восходящего и нисходящего проектирования трехмерных твердотельных и поверхностных моделей деталей и конструкций любой сложности, в том числе механизмов (с заданием кинематических связей), деталей из листовых материалов, а также сварных конструкций;

• разработка и использование полного и ассоциативно связанного с трехмерной моделью комплекта как обычной конструкторской документации - рабочие чертежи, спецификации, ведомости, отчеты в полном соответствии с ЕСКД, так и интерактивной электронной, соответствующей современным требованиям;

• анализ моделей и документации на корректность и на соответствие стандартам предприятия по их созданию и оформлению;

• автоматический расчёт массово-инерционных характеристик моделей, измерение расстояний, углов, толщин, уклонов, объемных параметров, проверка зазоров и пересечений и т.п.;

• создание упрощенных представлений конструкций для более экономичного использования ресурсов и увеличения производительности компьютера;

• создание фотореалистичных изображений спроектированных изделий (с наложением текстур, заданием источников освещения, с использованием сцен просмотра и т.п.), видеороликов, интерактивных руководств по ремонту и эксплуатации изделий [34].

Результаты сравнительного анализа рассмотренных CAD-систем представлены в таблице 8 [34, 35, 36, 37, 38, 39, 40].

5.3.2. CAM – системы

5.3.2.1. EdgeCAM

 Программный комплекс EdgeCAM представляет собой одно из ведущих решений в области разработки управляющих программ для станков с ЧПУ (САМ-систем). Он позволяет удовлетворять потребности предприятий, работающих в разнообразных отраслях промышленности.

Модули программы позволяют осуществлять призматическую и поверхностную фрезерную обработку, сложную токарную обработку по нескольким осям, простую фрезерную или токарную обработку, ротационную и многопозиционную фрезерную обработку, обработку целых групп деталей и комплектующих.

К определенным конструктивным элементам производственные операции могут быть применены автоматически, что сокращает выполняемое количество нажатий на кнопки, кликов мыши, а также в целом время, необходимое для генерации УП.

EdgeCAM делает гораздо больше, чем просто генерирует код УП. Используя инновационные инструменты, EdgeCAM разрабатывает стратегии обработки, которые оптимизируют траектории работы инструмента, исключают "холостые" проходы инструмента, продлевают срок его службы, сокращают время программирования и повышают производительность в целом [www.edgecam.ru].

 

5.3.2.2. T-FLEX ЧПУ

 T-FLEX ЧПУ - программа, предназначенная для создания управляющих программ (УП) на оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ). Программа T-FLEX ЧПУ поддерживает различные типы систем управления 2D, 2,5D, 3D и 5D и разделена на две независимые системы T-FLEX ЧПУ 2D и T-FLEX ЧПУ 3D.

Программа подготовки УП для станков с ЧПУ T-FLEX ЧПУ является встраиваемым модулем для САПР T-FLEX CAD и функционирует исключительно совместно с ней. Таким образом, получается полноценное CAD/CAM-решение.

Данный подход обеспечивает:

• полную ассоциативность конструкторско-технологических данных (однажды созданная траектория обработки будет автоматически перестраиваться после изменения геометрии детали);

• единство интерфейсов (пользователь, знакомый с принципами работы в T-FLEX CAD, без труда овладеет программой подготовки УП для станков с ЧПУ T-FLEX ЧПУ).

• всё богатство инструментария конструкторской системы для доработки технологом приходящей информации под свои нужды (поскольку геометрию детали приходится каким-либо образом дорабатывать, например, пересчитать геометрию детали в середину поля допуска, а конструкторская система может сделать это автоматически).

Программа подготовки УП для станков с ЧПУ T-FLEX ЧПУ – гибко настраиваемая система, построенная по модульному принципу (к базовому модулю можно подключать любой набор методов обработки).

С помощью программы T-FLEX ЧПУ 2D технолог-программист создает траектории обработки, опираясь на двухмерную геометрию (штриховки или 2D-пути). Траектория поддерживает линейную и круговую интерполяцию с заданной точностью.

Программа T-FLEX ЧПУ построена по модульному принципу. Обязательным является наличие базового модуля программы T-FLEX ЧПУ 2D, к которому можно подключить любой набор из модулей конкретных обработок:

• электроэрозионная

• лазерная

• токарная

• сверлильная

• 2.5-D фрезерная

• штамповка

С помощью программы подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ T-FLEX ЧПУ 3D технолог-программист создает траектории обработки, опираясь на трехмерную геометрию (тела, грани, ребра, 3D-пути, ЛСК - локальные системы координат).

Данный вид программы подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ T-FLEX ЧПУ предназначен для создания управляющих программ для следующих видов обработки:

• 3D-фрезерование;

• 5D-фрезерование[37].

 

5.3.2.3. SolidCAM

 SolidCAM - пакет генерации управляющих программ для станков с ЧПУт при обработке деталей, содержащих сложную поверхностную или твердотельную геометрию. Обеспечивает 2,5 и 3-осевую фрезерную обработку, токарную обработку, визуализацию процесса обработки.

SolidCAM предоставляет широкие возможности машинной обработки на промышленных предприятиях.

Программа поддерживает все методы обработки отверстий, двух-, трех- и четырехосевую фрезерную обработку, пятиосевую позиционную фрезерную обработку, высокоскоростную фрезерную обработку, токарную и токарно-фрезерную обработку.

Благодаря интеграции SolidCAM и Autodesk Inventor все операции обработки определяются, рассчитываются и проверяются непосредственно в среде Autodesk Inventor. Используемые при обработке двумерные и трехмерные геометрические данные поддерживают полную ассоциативную связь с конструкторским проектом Autodesk Inventor. При изменении геометрии проекта в Autodesk Inventor программа SolidCAM позволяет автоматически переопределить все операции обработки в соответствии с измененной геометрией.

Одна из отличительных особенностей SolidCAM — ориентация на поддержку интеллектуальных процессов обработки. Программа предоставляет пользователю возможность создавать и собирать шаблоны обработки для их многократного использования при обработке аналогичных деталей.

Программа SolidCAM поставляется как в полном объеме, так и отдельными модулями, а значит к переоснащению производства можно подойти поэтапно и гибко[41].

 

5.3.2.4. MasterCAM

 

Mastercam - программный комплекс для фрезерной, токарной, электроэрозионной и деревообработки на станках с числовым программным управлением (ЧПУ).

Mastercam представляет собой семейство пакетов, обеспечивающих проектирование оптимальных управляющих программ для обработки по 2-5 осям на фрезерных, токарных и проволочных электроэрозионных станках, штамповку, гибку и резку листового материала, а также полнокровное конструирование моделей в 3D.  Структура семейства такова, что позволяет укомплектовать оптимальный для предприятия набор программного обеспечения, не выкладывая лишние деньги за ненужные возможности. Рассмотрим основные модули данного программного комплекса:

1. Mastercam Design — 3D CAD-пакет, включающий в себя возможности каркасного, твердотельного и поверхностного моделирования, а также поддерживающий методику создания гибридных моделей. Содержит встроенные средства создания фотореалистических изображений модели.  Пакет распространяется как самостоятельный продукт, а кроме того, он входит как составная часть во все технологические 3D-модули, описываемые ниже.

2. Mastercam Mill — 3D CAD/CAM-система для фрезерной обработки. В зависимости от набора выполняемых на конкретном производстве технологических операций, его технической оснащенности, а также степени сложности решаемых задач выбирается один из трех вариантов.

Level 1 — пакет для фрезерной обработки по 2-2,5 осям. Обеспечивает контурную обработку и сверление. Обеспечивает ассоциативную связь траектории инструмента непосредственно с геометрией модели, что позволяет автоматически перегенерировать УП при изменении модели: это относится к контурам, 3D-контурам, сверлению и обработке карманов.

Level 2 — пакет для обработки на 3-осевых станках. Помимо всех возможностей Level 1 включает средства проецирования траектории движения инструмента на планы, конусы, сферы, цилиндры, контурные сечения, а также на одну произвольную поверхность.

Level 3 — мощный пакет, позволяющий программировать обработку сразу по 4 или 5 осям. Помимо всех возможностей Level 1 и Level 2, поддерживает одновременную многоповерхностную черновую или чистовую обработку, включая NURBS-поверхности.

3. Mastercam Lathe — 3D CAD/CAM-пакет для программирования УП для токарной обработки. Поддерживает грубую и чистовую обработку, торцевание, расточку, сверление, нарезку резьбы, равно как и все прочие токарные операции.

4. Mastercam Wire — 3D CAD/CAM-пакет для электроэрозионной обработки. Позволяет формировать траекторию перемещения проволоки одновременно по 4 координатам.

5. Mastercam Draft —CAD-пакет для черчения в 2D и каркасного проектирования в 3D. Включает набор трансляторов для популярных геометрических форматов данных.

6. Mastercam Entry —CAD/CAM-пакет для простой обработки в 2D. Предлагается в двух вариантах: Entry Mill и Entry Lathe. Включает в себя все возможности пакета Mastercam Draft. Поддерживает контурную обработку, базовые функции обработки карманов и сверление. Позволяет графически редактировать траекторию инструмента.

7. Mastercam C-Hooks — большой набор различных приложений для специальных нужд, работающих в среде Mastercam и использующих его интерфейс. Стандартный набор C-Hooks-программ включается во все пакеты, кроме Mastercam Draft и Mastercam Entry, так как эти «облегченные» пакеты не умеют работать с ними.

8. Translators — набор «двунаправленных» трансляторов, включаемых в стандартную поставку, обеспечивает импортно-экспортные операции с данными типа: IGES, SAT, CADL, VDA, NFL, DXF, ASCII, STL (стереолитография), X_T (Parasolid). Кроме того, отдельно поставляются трансляторы DWG, STEP, Catia и Pro-E (Pro/MC).

9. Post Processors — постпроцессоры для станков с ЧПУ. Перечень имеющихся готовых разработок крайне обширен и охватывает практически все существующие западные модели и модификации оборудования с ЧПУ[42].

5.3.2.5.SprutCAM

 

Система SprutCAM – система генерации управляющих программ для обработки деталей любой сложности на электроэрозионных, токарных, фрезерных и токарно-фрезерных 2, 2.5, 3, 4 и 5 координатых станках с любым типом устройств ЧПУ. Функциональное наполнение и широкий набор инструментальных средств системы обеспечивает эффективное использование системы при изготовлении штампов, пресс-форм, литейных форм, прототипов изделий, мастер-моделей, деталей машин и конструкций, оригинальных изделий, изделий из дерева, шаблонов, а также при гравировке надписей и изображений.

SprutCAM – система нового поколения, работает непосредственно с геометрическими объектами исходной модели (в том числе и NURBS-представлении) без предварительной аппроксимации или триангуляции, что позволяет экономно использовать ресурсы компьютера и производить расчет траектории движения инструмента с любой необходимой точностью.

Основные режимы работы SprutCAM:

• импорт и работа с моделью;

• плоские построения;

• формирование процесса обработки;

• моделирование процесса обработки.

Управление режимами работы производится выбором соответствующих закладок на панели главного окна системы (3D Модель, 2D Геометрия, Технология, Moделирование).

Геометрическая модель может быть подготовлена в любой CAD-системе и передана в SprutCAM через файл формата IGES, DXF, STL, VRML, PostScript, 3dm или SGM. Система имеет множество функций преобразования модели, а также встроенную среду двумерных параметрических построений. Широкий набор типов технологических операций и функции управления их параметрами позволяют формировать оптимальные процессы изготовления деталей различных видов. Контроль полученной траектории движения инструмента может производиться во встроенной среде моделирования обработки. Для генерации управляющих программ имеется множество файлов настройки на распространенные системы ЧПУ. Коррекция имеющихся файлов настройки и создание новых производится в Инвариантном постпроцессоре[43].

 

5.3.2.6. CATIA

Система CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) - одна из самых распространенных САПР высокого уровня. Это комплексная  система автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ),  включающая в себя передовой инструментарий трёхмерного моделирования, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической информации. Система позволяет эффективно решать все задачи технической подготовки производства - от внешнего (концептуального) проектирования  до выпуска чертежей, спецификаций, монтажных схем и управляющих программ для станков с ЧПУ.

Система Catia имеет модульную структуру, когда вокруг базового ядра формируется набор программных модулей. Модули сгруппированы по областям применимости следующим образом:

• Mechanical Design – Механическое проектирование;

• Shape Design and Styling – Проектирование форм;

• Product Synthesis – Модули работы с базами знаний;

• Equipment and Systems Engineering – Проектирование оборудования и систем;

• Plant Design – Проектирование инженерных коммуникаций

• Analysis – Инженерный анализ;

• NC Manufacturing – Программирование ЧПУ;

• Infrastructure – Инфраструктура.

Базовые возможности CATIA по работе со станками с ЧПУ включают проверку траекторий движения инструмента, моделирование съема материала, анализ оставшегося материала, редактирование траектории движения инструмента и создание производственной документации. Технологам-программистам станков с ЧПУ предоставляется инфра- структура для работы со всеми продуктами по программированию станков с ЧПУ с возможностью просмотра и анализа технологических схем обработки деталей, созданных средствами данной системы. Более того, поддерживается импорт и просмотр различных производственных данных, включая файлы формата APT, CL и коды ISO (УП в G-кодах).

 

5.3.2.7. Pro/Engineer

Реализация принципа сквозного проектирования позволяет инженеру - технологу начинать разработку технологической оснастки и управляющих программ (УП) для оборудования с ЧПУ, не дожидаясь окончательного завершения этапа конструкторского проектирования. Ассоциативная связь между моделью изделия и моделью обработки позволяет оперативно проводить изменения на любом этапе цикла «проектирование-производство», что позволяет существенно сократить время и средства, затрачиваемые на разработку и изготовление изделия, а также значительно повысить качество выпускаемой продукции. При создании управляющей программы обеспечивается реалистичная визуализация процесса обработки с динамическим удалением материала, с возможностью масштабирования и изменения панорамы наблюдения. Визуализация обработки возможна как на этапе создания обработок технологических переходов, так и всей программы в целом.

Применение Pro/ENGINEER дает возможность значительно сократить или даже исключить необходимость ручного редактирования программы непосредственно на станке [2].

Функциональные возможности, предлагаемые CAM-модулем системы:

• •  параметрическая связь конструкторской модели и модели заготовки. Изменения, внесенные в любую модель, вызывают автоматическое изменение траекторий движения инструмента и технологического процесса;

• •  моделирование заготовки непосредственно по модели изготавливаемой детали;

• •  открытые базы данных различных операций позволяют накапливать опыт по обработке деталей на конкретном производстве;

• •  открытые базы данных используемых в производстве инструментов, хранящие основные режимы резания по обработки различных материалов;

• •  открытые базы данных параметров обработки, содержащие различные стратегии обработки;

• •  применение шаблонов обработки для автоматизированного создания

• новых ЧПУ переходов на базе ранее отработанных с лучшими методами обработки;

• •  задание соотношений между пара метрами резания и параметрами инструмента;

• •  расчет машинного времени, необходимого на выполнения технологических переходов и всей операции в целом;

• •  расчет объема материала, удаляемого при обработке;

• •  визуализация процесса обработки резания в цветотеневом и каркасном представлении;

• •  автоматический расчет оптимальных траекторий движения инструмента на основании прямых ссылок на геометрию проектируемой модели;

• •  проектирование обработок для типовых технологических семейств

• деталей и автоматическое обновление всей технологической информации по любому элементу технологического семейства;

• •  поддержка стандартных и возможность разработки пользовательских

• циклов обработки.

Pro/ENGINEER  обеспечивает возможность так называемого "быстрого" программирования, в основе которого лежит использование типовых элементов механической обработки, при создании которых нашли отражение основные принципы, имеющие место на машиностроительных предприятиях. Благодаря этому, во многих случаях для получения траектории движения инструмента достаточно указать требуемый тип, место обработки и выбрать режущий инструмент [34].

5.3.2.8. Unigraphics

 

CAM (Computer Aided Manufacturing) модули системы Unigraphics являются одними из лучших в мире. Генератор ЧПУ программ включает правила обработки, предназначенные для создания программ при минимальном участии инженера.

Распределение данных между модулем проектирования и остальными модулями Unigraphics (в том числе и модулями cam) строится на основе концепции мастер-модели. Ассоциативная связь между исходной параметрической моделью и сформированной траекторией инструмента делает процесс обновления последней быстрым и легким.

Специальная функция позволяет наблюдать за инструментом во время его движения по обрабатываемой детали. Доступны три различных режима просмотра: воспроизведение, динамическое удаление материала и статическое удаление.

Чтобы запустить программу на определенном станке, ее необходимо переписать в машинных кодах этого станка. В систему Unigraphics включен специальный модуль определения постпроцессоров для любых управляющих стоек и станков с ЧПУ. Программа постпроцессора создается в виде исходного текста на языке tcl, что открывает широкие возможности внесения в постпроцессор любых уникальных изменений.

При пятикоординатной обработке предусмотрена возможность задания оси инструмента с использованием параметров поверхности, дополнительной геометрии, а также геометрии, задающей траекторию резания. Обеспечивается высокое качество обработки поверхности детали.

Специальный модуль обеспечивает электроэрозионную обработку деталей в режиме двух и четырех осей, с использованием моделей в проволочной геометрии или твердом теле. При редактировании и обновлении модели все операции сохраняют ассоциативность. Предлагаются различные виды операций — например, наружная и внутренняя обработка с множеством проходов и обработка с полным сжиганием материала. Также поддерживаются траектории, учитывающие расположение прижимов на заготовке, различные типы проволоки и режимы работы генератора. Как и при фрезерных операциях, впоследствии применяется инвариантный постпроцессор для подготовки данных под конкретный станок. Поддерживаются популярные электроэрозионные станки: agie, charmilles и другие[44].

5.3.2.9. ADEM CAM

ADEM CAM позволяет задавать технологические переходы как для конструктивных элементов состоящих из плоских 2D-контуров и 3D моделей, созданных в модуле ADEM CAD, так и для импортированных объемных 3D-моделей. ADEM CAM включает инструменты для редактирования технологического маршрута и моделирования процесса обработки. Результатом работы модуля ADEM CAM является, отлаженная в процессе моделирования, управляющая программа для станка с ЧПУ. Технологические объекты, составляющие технологический процесс обработки, являются ассоциативно связанными с геометрической моделью, созданной в ADEM CAD или импортированной из других систем проектирования. То есть все изменения внесенные конструктором в геометрическую модель проектируемого изделия, автоматически отражаются на технологическом процессе обработки.

К базовой функциональности ADEM A7 можно отнести следующие возможности:

• проектирование и планирование техпроцессов;

• плоское фрезерование;

• объемное фрезерование 3x-5x;

• фрезерование недоступных зон;

• токарная обработка;

• электроэрозионная обработка;

• листоштамповка.

Модуль проектирования технологических процессов позволяет проектировать технологические процессы на различные виды производства: механообработка, сборка, сварка, гальваника, покраска, штамповка, термообработка и др. Отличительной особенностью модуля является легкая адаптируемость под условия конкретного предприятия. Большое количество единиц оборудования и технологического оснащения (более 4000), полный классификатор операций, разнообразные, выполненные по ГОСТ, выходные формы (более 50) [

19. Теоретические основы и программные приложения МКЭ

Метод конечных элементов

                Как правило, развитие новых областей знания проходит через три стадии. В течение первой стадии достижения в новой области отражаются на страницах периодических изданий и координируются время от времени редкими обзорными статьями. Практические приложения весьма редки. На второй стадии появляются  монографии, в которых активно работающие в данной области специалисты обстоятельно излагают состояние и перспективы дальнейшего развития области. Прикладные исследования становятся достоянием коллективов исследователей, располагающих передовой технологией и работающих в организациях, которые имеют значительные производственные возможности. Наконец, область приложения распространяется практически на все сферы деятельности, а в учебных заведениях предмет преподается как обычный академический курс.                  Конечно-элементный анализ лишь недавно вышел из второй стадии развития. Появился ряд монографий, приближающихся к традиционному учебному курсу и ориентированных на читателя, не знакомого с этой областью знания.

            Первые разработки метода конечных элементов (МКЭ) были выполнены в 50-х годах для решения задач сопротивления материалов. В 60-е годы математики получили строгие формулировки для этого метода, после чего он становится общим средством изучения задач в частных производных, понемногу вытесняя метод конечных разностей, который рассматривался в период своего апогея как универсальное средство решения  задач такого типа. После подробного математического его исследования оказалось, что при негладких входных данных задачи МКЭ часто сходится быстрее, чем метод конечных разностей, а иногда вообще обладает оптимальной скоростью сходимости. Начиная с 1970 г. этот метод становится все более популярным среди инженеров всех специальностей благодаря работам Зинкевича, Галлагера, Одена, Лиона, Равьяра, Сильвестера.

            Кратко остановимся на связях и сравнении МКЭ с методом конечных разностей, этих наиболее распространенных и эффективных численных методов. Построение конечно-разностных схем обычно требует небольшого объема вычислений, как правило, меньшего, чем в МКЭ. Однако достоинствами МКЭ являются гибкость и разнообразие сеток, стандартные приемы построения дискретных задач для произвольных областей, простота учета естественных краевых условий и т. д. Кроме того, математический анализ МКЭ является более простым, его методы применимы к более широкому классу исходных задач, а оценки погрешностей приближенных решений, как правило, получаются при менее жестких ограничениях, чем в методе конечных разностей. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что основу для исследования МКЭ создали фундаментальные результаты, связанные с исследованием сходимости и устойчивости конечно-разностных схем, проекционных методов, обобщенных решений.   

Теоретические основы метода конечных элементов

             Фундаментальный принцип МКЭ заключается в разбиении изучаемой области на элементарные области конечных размеров (конечные элементы). В каждом таком элементе неизвестная функция аппроксимируется полиномом, степень которого меняется в зависимости от аппроксимируется задачи, но остается обычно невысокой (от 1 до 6). Для каждого элемента аппроксимирующий полином определяется его коэффициентами. Коэффициенты могут быть определены значениями функции в частных точках, называемых узлами элемента. Если известна функция в каждом узле, то имеется возможность ее аппроксимации на всей области. Можно также сказать, что неизвестная функция A(x,y,z) зависит от M параметров A1, A2, ..., AM, являющихся неизвестными, которые функция принимает в каждом узле каждого элемента. Определение параметров A1, A2, ..., AM является этапом определения A(x,y,z).              Зная вариационное представление задачи,  заменяют тройной интеграл на сумму интегралов на каждом конечном элементе области:   , где Ne - число элементов разбиения и Fe - часть F на элементе с номером e. На каждом элементе с номером e функция A может быть заменена ее аппроксимацией A=P(  , x, y, z), интегрирование которой дает F(A) в виде функции одних только  параметров   элемента e: Fe(A)=F(  ). Суммируя, получают   , принимая во внимание, что некоторые из узлов 1, 2, ...,M являются общими для нескольких элементов и что вклад каждого элемента должен учитываться в выражении для функции F относительно величин A1, A2, ..., AM неизвестной функции в этих узлах, когда объединяют элементы для всей области.              Отыскивается оптимум F по всей области, имея в виду, что частные производные F относительно величин A1, A2, ..., AM одновременно обращаются в нуль:  , ... .              Эта операция приводит к составлению системы из M уравнений с M неизвестными, которые определяют величины A1, A2, ..., AM в узлах разбиения. Правая часть этих уравнений получается, исходя из той части функционала, которая содержит в себе члены, характеризующие источники, или на основе значений А, заданных на границе области (неоднородные граничные условия Дирихле).   

Численные методы

            Ниже приведены основные численные методы, необходимые для использования МКЭ. Более основательно эти методы рассмотрены в литературе. Здесь же для каждого из них представлены лишь принципы работы.              Основными методами решения систем линейных уравнений вида АХ = В, получаемых при использовании МКЭ, являются следующие:  1) прямые методы:

• факторизация Гаусса: применяется ко всем действительным или комплексным, симметричным или несимметричным несингулярным матрицам;

• факторизация Холоцкого: применяется ко всем действительным симметричным положительно определенным матрицам;

2) итерационные методы:

• сопряженные биградиенты с предобусловленностью: применяются ко всем несингулярным матрицам (действительным или комплексным);

• сопряженные градиенты с предобусловленностью: применяются ко всем действительным симметричным положительно определенным матрицам.

В модифицированном виде данные методы можно использовать для решения нелинейных систем методом Ньютона-Рафсона. Данный метод можно также использовать для улучшения результата, полученного при решении системы линейных алгебраических уравнений.

            При использовании МКЭ приходится вычислять определенные интегралы, когда на каждом элементе сети разбиения определяется элементарная матрица интегрированием на каждом элементе функционала, аппроксимируемого с помощью функций формы. Если же элементы криволинейны или задача нелинейна, аналитическое интегрирование становится невозможным и тогда приходится прибегать к численному интегрированию.              Использование МКЭ приводит к вычислению определенных интегралов на отрезках прямых, дуг кривых или в некоторых областях. При интегрировании по области можно использовать интегрирование по каждому ее элементу, тогда для интегралов, упомянутых выше, необходимо использовать эффективные и точные методы численного интегрирования.  Основные методы численного интегрирования:

1. метод Гаусса, широко используемый при интегрировании на элементах, но требующий вычисления в определенном числе точек. Этот метод имеет преимущества при вычислении на элементах, так как он требует меньше вычислений и обеспечивает высокую точность;

2. метод Ньютона-Котеса: позволяет вычислять интегралы только в точках, определенных пользователем, полезен для интегрирования на поверхностях, для которых расчет гауссовых координат является необходимым и где достаточно равномерного распределения точек.

            Применение МКЭ к задачам параболического типа приводит к решению системы дифференциальных уравнений первого порядка. В этом случае применяют следующие методы:

1. метод касательных: довольно простой метод, однако, чтобы получить достаточную точность решения, требуется очень мелкий временной шаг;

2. явные методы: проще использовать, однако часто необходимо выбирать очень мелкие временные шаги по причине явления численной неустойчивости. Один из методов - метод Рунге-Кутта;

3. неявные методы: более устойчивы и допускают большие временные шаги, однако на каждом временном шаге необходимо увеличивать объем вычислений из-за наличия неявного члена;

4. полунеявные методы обеспечивают большую точность по сравнению с неявным методом, однако, как и в случае неявного метода, необходимо значительное число вычислений на каждом шаге. Чаще применяется схема Крэнка-Николсона, обеспечивающая устойчивость и высокую точность:

методы прогноза-коррекции: предназначены для того, чтобы на каждом временном шаге избежать ряда расчетов, характерных для неявного метода. Их принцип заключается в двойной (одновременно неявной и явной) формулировке при выполнении только одной итерации.   

            Популярность МКЭ способствовала созданию коммерческих пакетов программ, среди которых можно отметить следующие часто используемые:

• в механике: NASTRAN, ASKA

• в теплотехнике: TITUS

• в электромгнетизме: FLUX, MAGNET 11, PE2D

• другие: MICROFLUX, GE2D, ANSYS.

            Пакеты NASTRAN, TITUS, MODULEF обладают очены высокой универсальностью и априорно обеспечивают решение любой задачи, не содержащей особых сложностей. 

20. Типовой состав модулей машиностроительной САПР

MCAD (англ. mechanical computer-aided 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 (SolidWorks, Autodesk Inventor, КОМПАС, CATIA);

В состав развитых машиностроительных САПР входят в качестве составляющих системы CAD, САМ и САЕ.

Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двумерного и трехмерного проектирования. К функциям 2D относят черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D — получение трехмерных геометрических моделей, метрические расчеты, реалистичную визуализацию, взаимное преобразование 2D и 3D-моделей. В ряде систем предусмотрено также выполнение процедур, называемых процедурами позиционирования, к ним относят компоновку и размещение оборудования, проведение соединительных трасс.

Среди CAD-систем различают системы нижнего, среднего и верхнего уровней. Первые из них иногда называют «легкими» системами, они ориентированы преимущественно на 2D-графику, сравнительно дешевы, основной аппаратной платформой для их использования являются персональные ЭВМ. Системы верхнего уровня, называемые также «тяжелыми», дороги, более универсальны, ориентированы на геометрическое твердотельное и поверхностное 3D-моделирование, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей. Системы среднего уровня по своим возможностям занимают промежуточное положение между «легкими» и «тяжелыми» системами.

Основные функции САМ-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с 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, расчет норм времени обработки.

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

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

-     расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в них средствами макроуровня;

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

 Примеры программ

К числу мировых лидеров в области CAD/CAM/CAE-систем верхнего уровня относятся системы Unigraphics (компания EDS), CATIA (Dessault Systemes), Pro/Engineer (РТС). Продолжают использоваться также системы I-DEAS (EDS), CADDS5 (РТС) и EUCLID3 (Matra Datavision).

Система Unigraphics — универсальная система геометрического моделирования и конструкторско-технологического проектирования, в том числе разработки больших сборок, прочностных расчетов и подготовки конструкторской документации. Система многомодульная. В конструкторской части (подсистема CAD) имеются средства для твердотельного конструирования, геометрического моделирования на основе сплайновых моделей поверхностей, создания чертежей по 3D-модели, проектирования сборок (в том числе с сотнями и тысячами компонентов) с учетом ассоциативности, анализа допусков и др. В технологической части (подсистема САМ) предусмотрены разработка управляющих программ для токарной и электроэрозионной обработки, синтез и анализ траекторий инструмента при фрезерной трех- и пятикоординатной обработке, при проектировании пресс-форм, штампов и др. Для инженерного анализа (подсистема САЕ) в систему включены модули прочностного анализа с использованием МКЭ с соответствующими пре- и постпроцессорами, кинематического и динамического анализа механизмов с оп­ределением сил, скоростей и ускорений, анализа литьевых процессов пластических масс.

Аналогичные возможности реализованы и в других «тяжелых» САПР.

Значительно дешевле обходится приобретение САПР среднего уровня. В России получили распространение системы компаний Autodesk, Solid Works Corporation, Beantly, Топ Системы, Аскон, Интермех, Вее-Pitron и некоторых других. Все эти системы ориентированы в первую очередь на платформу Wintel, как правило, имеют подсистемы конструкторско-чертежную 2D твердотельного 3D -моделирования, технологического проектирования, управления проектными данными, ряд подсистем инженерного анализа и расчета отдельных видов машиностроительных изделий, а также библиотеки типовых конструктивных решений.

Широкое распространение в России и за рубежом получило ПО машиностроительных САПР компании Autodesk.

Линия современных программных систем конструкторского проектирования фирмы Autodesk включает ряд систем, среди которых наиболее развитыми следует считать системы AutoCAD Mechanical Desktop и Inventor.

Среди САПР среднего уровня, наряду с продуктами зарубежных фирм, неплохо зарекомендовали себя системы отечественных разработчиков - это прежде всего системы Компас (компания Аскон) и T-Flex CAD (Топ Системы).

Важное место в конструкторско-технологических САПР занимают программы технологической подготовки производства. Компания Consistent Software предлагает системуTechnologies для технологической подготовки дискретного производства. Эта система выполняет функции составления спецификаций, ведения дерева проекта и библиотеки чертежей, синтеза технологических процессов, выбора инструмента, расчета режимов резания, нормирования расхода материалов, ведения технологической документации.

Мировые лидеры среди программ конечно-элементного анализа являются программно-методические комплексы Nastran и Patran (компания MSC Software Corporation) и Ansys(компания Ansys Inc.). Как правило, эти комплексы включают в себя ряд программ, родственных по математическому обеспечению, интерфейсам, общности некоторых используемых модулей. Эти программы различаются ориентацией на разные приложения, степенью специализации, ценой или выполняемой обслуживающей функцией.

Мировой лидер среди средств моделирования механических процессов на макроуровне путем решения СОДУ - программа Adams, а примером отечественных систем подобного назначения следует назвать программы ПА7 и ПА9