2. Системы автоматизированного проектирования

2.1. Введение в сапр и их использование

в подготовке производства

Для обеспечения конкурентно-способности современным предприятиям необходимо выпускать новые продукты лучшего качества, более низкой стоимости и за меньшее время. Поэтому они стремятся ис­пользовать все преимущества ЭВМ для того, чтобы авто­матизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства, которые раньше (при неавтоматизированном проектировании) были весьма трудоемкими и совершенно не связанными друг с другом. Для сокращения времени и стоимости разработки, подготовки производства и выпуска продукта используются технологии автоматизированного проек­тирования (computer-aided design - САD), автоматизированного производства (computer-aided manufacturing - САМ) и автоматизированной разработки или конструирования (computer-aided engineering - САЕ). Для раскрытия значе­ния САD/САМ/САЕ⁶ систем необходимо рассмотреть процесс, называемый жизненным циклом продукта (product сус1е) (рис. 2).

Процесс разработки начинается с запросов потребителей, которые обслуживаются отделом маркетинга, и заканчивается полным описани­ем продукта, производства – с формирования технических требований до поставки готовых изделий и снова маркетинга для анализа отзывов и пожеланий пользователей, рекламаций и др., позволяющих внести корректировки и улучшить продукт. Таким образом, образуется замкнутый цикл.

О перации, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналити­ческие и синтетические. Первичные операции - определение необходимости разработки (на основе маркетинговых исследований), формулирование техниче­ских требований (ТЗ), анализ осуществимости и сбор информации (ПИ и НИОКР), концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатом является концептуальный проект без детального отражения всех конструктивных и функциональных особенностей предполагаемого продук­та (эскиз, топологический чертеж). Большая часть информации на данном этапе, является качественной, а, следовательно, неудобной для компьютерной обработки. Компьютер не стал пока мощным средством интеллектуального творчества и не сможет решить самостоятельно подобные слабо формализованные задачи. Однако даже на данном этапе ЭВМ может успешно использоваться для поиска необходимой информации в базах данных, создания концептуальных геометрических и параметрических моделей изделий в системах автоматизированной разработки чертежей (computer-aided drafting) и их трехмерных эквивалентах - системах геометрического моделирования (geometric modeling system), т.е. CAD – системах.

Рис. 2. Жизненный цикл продукта

Затем концептуальный проект анализируется и оптимизируется - это подпроцесс анализа. Здесь ценность компьютеров проявляется по-настоящему. Прежде всего, вырабатывается абстрактная аналитическая модель в результате упрощения и введения допущений: удаления маловажных деталей, редуцирования размерностей, учета симметрии и т.д. Аналитическая модель не может быть автоматически сформирована на основе концептуальной, это достаточно трудоемкий процесс. Реальные физические процессы настолько сложны, что даже современная техника не позволяет решить расчетные задачи за приемлемое время без введения ограничений. Именно правильным учетом всех факторов определяется качество полученного решения. Необходимый уровень абстракции⁷ зависит от типа анализа и желаемой точности решения. Следовательно, автоматизировать процесс абстрагирования достаточно сложно, поэтому аналитическую модель часто создают отдельно.

Программные пакеты, используемые на данном этапе, относятся к средствам автоматизированного конструирования (САЕ) (анализ напряжений, прочностные расчеты, кинематический и динамический анализ и т.п.).

Абстрактная модель проекта создается в системах разработки чертежей и геометрического моделирования (CAD), с помощью встроенных средств аналитического пакета. Аналитические пакеты обычно требуют, чтобы исследуемая структура была представлена в виде объединения связанных сеток, разделяющих объект на отдельные участки (конечные элементы), удобные для компьютерной обработки. Если аналитический пакет может генерировать сетку автоматически, конструктору остается задать только границы абстрактного объекта.

В противном случае сетка создается пользователем в интерактивном режиме или автоматически, но в другой программе. Процесс создания сетки называется моделированием методом конечных элементов (finite-element modeling - FEM). Он включает в себя также задание граничных условий и внешних нагрузок (см. § 4.4). С его помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля, потоки жидкостей и другие задачи с непрерывными средами, решать которые каким-либо иным методом оказывается просто непрактично.

Подпроцесс анализа может выполняться в цикле оптимизации проекта по каким-либо параметрам. Разработано множество алгоритмов поиска оптимальных решений (см. раздел 5) и на их основе построены коммерчески доступные программы.

После завершения проектирования и выбора оптимальных параметров производится оценка проекта с помощью программ для автоматизированной подготовки производства (САМ).

Для этой цели может использоваться технология быстрого прототипирования (rapid prototyping), позволяющая конструировать прототип снизу вверх, т.е. непосредственно из проекта, используя фактически только данные о поперечном сечении конструкции. Если оценка проекта на основании прототипа показывает, что проект не удовлетворяет требованиям, процесс разработки повторяется снова, иначе – выполняется подготовка проектной документации.

Быстрое прототипирование - удобный способ конструирования, однако еще удобнее виртуальное прототипирование с использованием «цифровой копии» (digital mock-up). Когда аналитические средства работы с цифровыми копиями станут достаточно мощными, чтобы давать столь же точные результаты, что и эквивалентные эксперименты на реальных прототипах, цифровые копии начнут вытеснение обычных прототипов. Эта тенденция будет усиливаться по мере совершенствования технологий виртуальной реальности⁸, позволяющих ощущать цифровую копию так же, как реальный объект. Виртуальный прототип может быть создан и в специализированной программе геометрического моделирования. Моделирование позволяет анализировать конструкцию, не изготавливая натурные опытные образцы, что способствует выявлению возможных ошибок на ранних стадиях проектирования, сокращает время и стоимость разработки.

Последняя фаза процесса разработки - подготовка проектной документации. На этом этапе чрезвычайно полезным оказывается использование систем подготовки рабочих чертежей (CAD, см. раздел 6). Способность подобных систем работать с файлами позволяет систематизировать хранение и обеспечить удобство поиска документов.

Технологическая подготовка производства устанавливает список технологических процессов по изготовлению продукта, задает их параметры. Производится нормирование техпроцесса. Выбирается (или проектируется) оборудование, приспособления, инструмент и другое технологическое оснащение; составляются план выпуска, списки необходимых материалов (material requirements planning - MRP) и программы для оборудования (станков с числовым программным управлением (ЧПУ, numerical control - NC) и др.). Подготовка занимает в процессе производства примерно такое же место, как подпроцесс синтеза в процессе проектирования, требуя значительного опыта и принятия качественных решений, что обуславливает сложность компьютеризации данного этапа. Полностью автоматических систем технологической подготовки в настоящий момент не существует. После завершения технологической подготовки начинается выпуск готового продукта, его проверка на соответствие требованиям (контроль качества), тестирование функциональности, упаковка и маркировка, отгрузка заказчикам.

К омпьютерные технологии используются и на стадии производства в виде программ автоматизированной технологической подготовки (computer-aided process planning - САРР), относящихся к САМ - системам. Это, например, программные пакеты, генерирующие код для станков с ЧПУ, управляющие движением роботов при сборке компонентов и перемещении между операциями, программирующие координатно-измерительную машину (coordinate measuring machine - СММ), используемую для проверки продукта.

САПР принято делить, по крайней мере, на два основных вида:

• САПР изделий (конструирования) (САПР И (К));

• САПР технологических процессов (САПР ТП) их изготовления.