Компьютерное моделирование изделий в конструкторскотехнологической
..pdfВажнейшая и основная функция CAD – геометрическое моделирование (определение геометрии конструкции и разработка рабочих чертежей).
Автоматизированное производство (Computer Aided Manufacturing – САМ) – система планирования, контроля операций производства через прямой или косвенный интерфейс с производственными ресурсами предприятия (системы технологической подготовки производства).
Автоматизированное конструирование (Computer Aided Engineering – CAE) – технология, состоящая в использовании компьютерных систем для анализа геометрии, созданной в CAD, моделирования и изучения продукта для оптимизации его конструкции. Современные CAE – модули САПР содержат множество различных программ анализа, модули для кинематических, динамических и прочих видов расчетов. Наиболее широко используется метод конечных элементов (finite-element method – FEM).
Компьютер можно также использовать для выявления необходимого заказа исходных материалов и покупных изделий, планирования технических требований к материалу (material requirement planning – MRP).
Сочетание описанных элементов САПР позволяет разрабо-
тать концепцию CIM (Computer Integrated Manufacturing) – пол-
ностью компьютеризированного производства. Основу такого производства составляет интеграция CAD, CAM и CAE-модулей через общую базу данных [1] (рис. 2).
Создание на практике полностью интегрированных систем стало возможным благодаря разработке международных стандартов обмена данными между приложениями от разных производителей, а также специальных программ-конверторов. Однако процесс интеграции приложений на сегодняшний день достаточно дорог. К тому же он приносит успех только тогда, когда на предприятии удается обеспечить тесное и эффективное взаимодействие всех отделов и служб.
21
D |
|
Выбор |
|
материала |
|||
A |
|||
C |
|
Концептуальный |
|
Определение |
|
||
методов сборки |
проект |
||
Определение |
|
|
C |
|
|
A |
|
размеров |
|
|
E |
Размещение |
База данных |
Прочностные |
|
деталей |
идругиеругиерасчетыасчёты |
||
|
|
|
конструкции |
Создание |
|
Построение |
|
рабочих чертежей |
математических |
||
|
|
|
моделей |
Автоматизация технологических процессов
САМCAM
Рис. 2. Интеграция модулей CAD, CAM и CAE через базу данных
Название «Компьютерное моделирование изделий» в данном курсе используется исключительно применительно к конструкторской деятельности, связанной с проектированием и расчетами поэтому в дальнейшем будем рассматривать только CAD-системы и CAE-системы.
1.3. Компоненты САПР
Основные компоненты структуры САПР – аппаратное и программноеобеспечение(рис. 3).
Программное обеспечение – программа CAD для создания форм и манипулирования ими на мониторе в интерактивном режиме. Аппаратное обеспечение – это технические средства, предназначенные для работы с программным обеспечением и визуализации результатов его работы: мониторы, видеоадаптеры, сканеры, плоттеры, фотоплоттеры, инженерные центры.
22
Рис. 3. Общая структура САПР
В табл. 1 представлены наиболее распространенные продукты программного обеспечения (современные САПР). Важные для пользователясвойствасовременного программногообеспечения:
1.Интеграция с другими приложениями Windows.
2.Компонентный подход, обеспечивающий полную свободу конфигурирования системы в соответствии с возможными изменениями требований к составу и функциям системы.
3.Использование объектно-ориентированных технологий [1, 14, 19], которые заключаются в следующем:
– создание интерфейса между системой и пользователем;
– хранение данных, относящихся к одной детали, в одном файле;
– деление на подпрограммы, действующие как независимое целое.
4.Параметрическое моделирование: вариационная параметризация эскиза и иерархическая параметризация моделей. Эти важные понятия будут рассмотрены ниже при описании основных технических приемовмоделирования всистемеSolidWorks.
23
|
|
Таблица 1 |
Программное обеспечение (современные САПР) |
||
|
|
Интегрированные |
Область |
Программы |
|
применения |
|
системы (многофунк- |
|
|
циональные |
|
|
CAD/CAM/CAE) |
CAD (2D) |
CADAM, AutoCAD, |
Pro/Engineer, |
|
MicroCADAM, VersaCADAM, |
Unigraphics, |
|
КОМПАС-График |
CATIA, |
CAD (3D) |
SolidEdge, SolidWorks, |
I-Deas, |
|
SolidDesigner, Mechanical Desktop, |
I/EMS, |
|
Inventor, КОМПАС-3D |
EUCLIDIS |
CAM |
CamandMaster, PowerMill |
ADEM |
CAE |
MoldFlow, CosmosWorks, |
CAD/CAM/CAPP |
|
ANSYS |
|
Основу программного обеспечения представляет собой ядро САПР, называемое также «математическим обеспечением». Ядро – это набор математических функций, который предназначен для точного математического представления трехмерной формы изделия и управления этой моделью; это библиотека основных математических функций CAD-системы, которая определяет и хранит 3Dформы, ожидая команды пользователя. В табл. 2 приведены основные ядра коммерчески доступных систем 3D-моделирования.
Полученные с помощью ядра геометрические данные используются системами автоматизированного проектирования CAD, CAM и САЕ для разработки конструктивных элементов, сборок и изделий. Проектировщик получает доступ к функциям ядра из соответствующей САПР через графический пользовательский интерфейс. Таким образом, ядро имеет очень важное значение. Не зря его иногда называют «двигателем» системы проектирования. Именно оно определяет ее функциональные возможности и производительность.
Лицензируемые ядра геометрического моделирования разработаны и поддерживаются одной компанией, которая лицензирует их другим компаниям для их CAD-систем. Лицензируемые ядра могут обеспечивать более прямую совместимость
24
25
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
Ядра современных САПР |
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип ядра |
Название |
Краткая характеристика |
Фирма-производи- |
Программные про- |
|
|
ядра |
|
|
тель и страна |
дукты, в которых |
|
|
|
|
|
ядро используется |
|
|
|
|
|
|
Лицензи- |
ACIS 3D |
Объектно-ориентированная C++ геометриче- |
Spatial Corporation, |
AutoCAD, |
|
руемые ядра |
Geometric |
ская библиотека, состоит более чем из 35 |
PlanetCAD Inc. |
Mechanical Desktop, |
|
|
Modeler |
DLL-файлов, включает каркасные структуры, |
США |
TurboCAD, |
|
|
|
поверхности и твердотельное моделирование |
|
Inventor |
|
|
|
|
|
|
|
|
Parasolid |
Самое быстрое ядро, разработано UGS. Обес- |
UGS |
SolidWorks, |
|
|
(UGS) |
печивает технологию твердотельного модели- |
США |
Solid Edge, |
|
|
|
рования, обобщенного ячеистого моделирова- |
|
MicroStation, |
|
|
|
ния, интегрированные поверхности свободной |
|
Pro/ ENGINEER, |
|
|
|
формыилистовоемоделирование |
|
Unigraphics, |
|
|
|
|
|
|
T-FLEX |
|
|
|
|
|
|
Частные |
Thinkdesign |
Построение |
параметризированных твердых |
Think 3 |
Think 3 |
ядра |
|
тел, расширенные средства по моделирова- |
США |
|
|
|
|
нию поверхностей, каркасных структур и |
|
|
|
|
|
созданию 2D-чертежей, возможно смешивать |
|
|
|
|
|
поверхности и твердые тела, интеграция 2D- |
|
|
|
|
|
чертежей в трехмерные базы данных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VX |
Высокопроизводительное эксклюзивное ядро, |
Varimetrix Corp. |
Varimetrix Corp. |
|
|
Overdrive |
предлагает |
реальную систему трехмерного |
США |
|
|
|
гибридного моделирования, которая объеди- |
|
|
|
|
|
няет твердотельное и расширенное свободно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
25
Окончание табл. 2
Тип ядра |
Название |
Краткая характеристика |
Фирма-производи- |
Программные про- |
|
ядра |
|
тель и страна |
дукты, в которых |
|
|
|
|
ядро используется |
|
|
|
|
|
|
|
форменное поверхностное моделирование. |
|
|
|
|
CAM – родная среда для VX Overdrive |
|
|
|
|
|
|
|
Ядра, дос- |
Open |
Visual C++ проекты, которые позволяют |
Matra Datavision |
CATIA/ |
тупные в |
CASCADE |
пользователям компилировать код Open |
США |
CADAM Solutions, |
исходном |
|
CASCADE на их платформах |
|
Matra Datavision |
коде |
|
|
|
|
SMLib |
Набор основанных на NURBS геометриче- |
Solid Modeling |
Solid Modeling |
|
|
|
ских и топологических библиотек, включает |
Solutions |
Solutions |
|
|
обширный набор NURBS-функций криволи- |
США |
|
|
|
нейного и поверхностного моделирования, а |
|
|
|
|
также оптимизированный код для быстрого |
|
|
|
|
измерения расстояния между объектами |
|
|
|
|
|
|
|
26
26
(через форматы обмена, такие как *.sat и *.x_t) между CADсистемами, которые их лицензировали. В общей сложности лицензируемые ядра составляют основу многих САПР, а пользователей насчитывается миллионы.
Частные ядра геометрического моделирования разрабатываются и поддерживаются разработчиками CAD-систем для использования исключительно в своих приложениях. Преимуществом частных ядер является более глубокая интеграция с интерфейсом CAD-приложения. Как результат этого – большие возможности управления системой пользователем.
Ядра, доступные в исходном коде, подобны лицензирован-
ным ядрам. Они также разрабатываются и поддерживаются одной компанией и затем лицензируются другим компаниям для использования в CAD-приложениях. Отличие состоит в том, что эти разработчики обеспечивают исходный код ядра. Для пользователей, которые имеют группы разработки и хотят сами настраивать ядро системы, очень удобно иметь возможности настройки, поскольку исходный код доступен.
Структура аппаратных средств САПР на машиностроительных предприятиях [1, 2] представлена на рис. 4. Аппаратные средства объединяются в кластер того или иного рода, рассчитанный на обслуживание множества пользователей. Существует три основных варианта конфигурации такого кластера.
Рис. 4. Типовые конфигурации аппаратных средств САПР
27
Первая конфигурация состоит из мейнфрейма (mainframe) и множества графических устройств (рис. 4, а). Мейнфрейм – это синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать в себя один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью).
Поскольку такая конфигурация может рассматриваться как естественное расширение существующей вычислительной среды, она с готовностью принималась большинством крупных компаний, у которых уже были мейнфреймы. Этот подход до сих пор используется производителями автомобилей и кораблей, у которых имеются огромные базы данных, обрабатываемые централизованно.
Однако он обладает некоторыми недостатками: требует больших начальных вложений в аппаратное и программное обеспечение, обслуживание мейнфрейма обходится гораздо дороже, чем небольших компьютеров. Обновление операционной системы тоже оказывается непростой задачей, поскольку программы CAD/CAM/CAE для мейнфреймов стоят намного дороже, чем аналогичные программы для меньших компьютеров. Еще одним серьезным недостатком централизованных вычислений является нестабильность работы такой системы из-за сложности управления распределением вычислительных ресурсов мейнфрейма между приложениями пользователей, относящихся к разным графическим устройствам.
Вторая конфигурация состоит из автоматизированных рабочих мест проектировщика (рабочих станций – workstations), объединенных в сеть (рис. 4, б). К той же сети подключаются устройства вывода – плоттеры и принтеры. Рабочая станция – это графическое устройство с собственными вычислительными ресурсами. Такой подход в настоящее время используется очень
28
широко, потому что в области технологий изготовления рабочих станций прогресс идет огромными темпами, да и вообще имеется тенденция к распределению вычислений. Производительность рабочих станций удваивается каждый год при сохранении их цены. Данный подход обладает и другими преимуществами. Пользователь может работать с любой станцией сети, выбирая ее в соответствии со своей задачей, причем системные ресурсы не будут зависеть от задач других пользователей. Еще одно преимущество – отсутствие необходимости в крупных первичных вложениях. Количество рабочих станций и программных пакетов может увеличиваться постепенно, по мере роста потребности в ресурсах CAD/CAM/CAE. Это очень выгодно, потому что стоимость оборудования постоянно падает.
Третья конфигурация аналогична второй за тем исключением, что вместо рабочих станций используются персональные компьютеры с операционными системами Windows. Конфигурации на базе персональных компьютеров популярны в небольших компаниях, особенно если выпускаемые продукты состоят из небольшого количества деталей ограниченной сложности, а также в компаниях, использующих системы CAD/CAM/CAE главным образом для построения чертежей. По мере того как различие между персональными компьютерами и рабочими станциями сглаживается, стирается и различие между вторым и третьим типами конфигурации.
Контрольные вопросы и задания
1. Дайте определение терминам «модель» и «моделирова-
ние».
2.Дайте общую классификацию моделей.
3.К какому виду моделей относятся компьютерные геометрические модели?
4.Дайте описание структуры компьютерной геометрической модели.
5.Перечислите виды, области использования, преимущества и недостатки компьютерных геометрических моделей.
29
6.Дайте определение системам CAD, CAM и CAE, перечислите их функциональное назначение.
7.Составьте структурную схему организации CAD, CAM и CAE-систем в конструкторско-технологической подготовке производства.
8.Перечислите состав современных САПР, их аппаратного
ипрограммного обеспечения.
9.Что такое ядро системы автоматизированного проектирования?
10.Перечислите виды ядер геометрического моделирования, дайте определение каждому виду.
11.Какие ядра геометрического моделирования используются в современных САПР? Составьте таблицу соответствия.
12.Составьте схему типовой конфигурации аппаратных средств САПР.
30