Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы автоматизации проектно-конструкторских работ. Курс лекций. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ
РАБОТ
КУРС ЛЕКЦИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2014
1
УДК 658.512.22.011.56(075.8)
О - 753
Рецензенты:
Е.В. Карпов, нач. отдела САПР филиала ОАО «Компания Сухой»
«НАЗ им. В.П. Чкалова»
К.М. Сорокин, гл. технолог ГАТ филиала ОАО Компания «Сухой»
«НАЗ им. В.П. Чкалова»
О - 753 Основы автоматизации проектно-конструкторских работ.
Курс лекций : учеб. пособие / А.Ю. Слюняев, Г.
А. Стафиев-
ских, Н.В. Курлаев, К.Н. Бобин. – Новосибирск : Изд-во НГТУ,
2014. – 80 с.
ISBN 978-5-7782-2470-4
В данном учебном пособии содержатся основные материалы, посвященные современным системам проектирования. Представлена
классификация и дана оценка различных программных комплексов;
кратко рассмотрена история автоматизации проектно-конструкторских работ; описано современное состояние нормативной базы и даны
определения основополагающих терминов; уделено внимание проблемам сопровождения и организации без НСИ.
Адресовано студентам, обучающимся по
ракетостроение».
специальности «Авиа- и
Работа подготовлена на кафедре самолето-вертолетостроения
УДК 658.512.22.011.56(075.8)
ISBN 978-5-7782-2470-4 © Слюняев А.Ю., Стафиевских Г.А,
Курлаев Н.В., Бобин К.Н., 2014
© Hовосибиpский государственный
технический университет, 2014
2
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ САПР
Термин «САПР для машиностроения» обобщает различные по
назначению системы, такие как CAD – системы автоматизированного
проектирования конструкции, CAM – системы технологической подготовки механообрабатывающего производства (разработка управляющих программ для оборудования с ЧПУ) и CAE – системы инженерного анализа. Существуют также специализированные САПР, применяемые в других отраслях промышленности: в разработке электронных
приборов, в строительном проектировании
т. д. Говоря «САПР», мы будем подразумевать именно «САПР для
машиностроения».
Итак, рассмотрим, как появились автоматизированные системы
проектирования. Стоит отметить, что термин «САПР» «Система автоматического проектирования» (в английской нотации CAD) ввел
Д.Т. Росс в конце 1950-х годов.
Историю развития САПР в машиностроении можно разделить на
четыре
таты, показавшие возможность автоматизированного проектирования
сложных машиностроительных изделий. В 1946 г. И. Шоенберг
(I.J. Schoenberg) представил теорию B-сплайнов, которую К. Весприлл
развил (K.J.Versprille, 1975 г.) в теорию неравномерных рациональных
B-сплайнов (NURBS), используемых в геометрическом моделировании
сложных поверхностей. В конце 1960 – начале 1970-х гг
(P.E. Bezier) опубликовал работы по моделированию кривых и поверхностей любой формы.
электронно-лучевую трубку – SAGE (Semi Automatic Ground Environ-
ment) и представлена электронная чертежная машина (The Electronic
Drafting Machine) от компании ITEK. В 1963 г. И. Сазерленд предста-
вил первую графическую станцию Sketchpad с использованием дисплея и светового пера. В
ставлена первая интерактивная графическая система подготовки производства.
этапа.
Первый этап (начало 1950 – конец 1970-х гг.)
Разработана теоретическая база и получены практические резуль-
В начале 1960-х гг. разработана система с выводом информации на
это же время компанией General Motors пред-
, проектировании мебели и
. П. Безье
3
В 1970-е г. появились первые системы CAD, САM и САЕ. В 1971 г.
доктор Патрик Хэнретти (Patrick Hanratty) основал компанию
Manufacturing and Consulting Services (MCS) и разработал методики,
которые легли в основу большинства современных САПР. Компания
MCS. Software не только одной из первых разработала CAD-систему,
но и в 1971 году представила MSC.Nastran – систему структурного
анализа, которая до сих пор занимает ведущее положение
на рынке
CAE. Позже компания Lockheed разработала программу CADAM
(Computer-Augmented Drafting and Manufacturing), а компания Dassault
начала разработку программы трехмерного моделирования, впоследствии развитую в программу CATIA (Computer-Aided Three-Dimen-
sional Interactive Application).
Аппаратной базой для работы САПР служили мэйнфреймы и мини-компьютеры, изображение на них выводилось уже на растровые
дисплеи, в отличие от первых (SAGE, Sketchpad). Стоимость одного
рабочего места оценивалась в 90 тыс. долл.
Основные пользователи
САПР в 1970-х г. – крупные предприятия. Высокая стоимость использования не способствовала распространению систем.
В 1979 г. разработан первый графический формат IGES (Initial
Graphic Exchange Standard).
Второй этап (1980-е гг.)
Машиностроительные САПР обрели форму, которая существует и
сейчас. Развитие микропроцессорной электроники позволило промышленно выпускать относительно недорогие и достаточно мощные
для работы САПР
рабочие станции. Повсеместно стали использовать
графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun Microsystems с
архитектурой SPARC или автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX от DEC под управлением ОС Unix.
1982 г. – компании Computervision, IBM, Prime стали применять
твердотельное моделирование в своих системах, однако поверхностное
моделирование еще не развито, проектирование тел сложной формы
крайне сложно. Компания Dassault представила первую версию программы CATIA с
возможностями 3D моделирования и разработки
управляющих программ для ЧПУ. Джоном Уокером создана компания
Autodesk.
1983 г. – представлена технология создания 3D моделей с показом
или удалением скрытых линий. Выпущен первый релиз системы
Unigraphics. Компания Autodesk представила первую однопользовательскую версию CAD-пакета Autocad, стоимость лицензии всего –
1 тыс. долл. Система имела поддержку трехмерного формата IGES, но
4
из-за недостаточной мощности аппаратной части доступны только
двумерные построения – черчение и создание эскизов.
1985 г. – бывший профессор Ленинградского университет Семен
Гейзберг основал компанию PTC (Parametric Technology Corp.), штабквартира располагается в США.
1987 г. – создан научно-исследовательский центр автоматизированных систем конструирования (НИЦ АСК), начиналась разработка первой отечественной CAD/CAM системы «Кредо». В этом же
году компа-
ния PTC представила первую версию Pro/Engineer.
1988 г. – создается аппаратура для прототипирования изделий с помощью лазерной стереолитографии по данным, получаемым в MCAD.
Компания PTC реализует параметризацию моделей.
1989 г. – основана компания «Аскон». В нее практически полным
составом перешел коллектив, работавший над системой «Каскад» в
«Коломенском конструкторском бюро машиностроения». Выпущена
первая версия системы
«Компас для 2D проектирования» на персональ-
ных компьютерах.
К концу 1980-х годов средняя цена рабочего места составляла около 20 тыс. долл., тем самым были созданы предпосылки для создания
CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения.
Развитие компьютерной графики определялось не только возможностями аппаратных средств, но и характеристиками программного
обеспечения. Оно должно было быть
инвариантным по отношению к
используемым аппаратным средствам ввода и вывода графической информации. Поэтому значительное внимание с 1970-х гг. уделяется вопросам стандартизации графических программ. Стандарт на базисную
графическую систему включал в себя функциональное описание и
спецификации графических функций для различных языков программирования.
Третий этап (с начала 1990-х гг.)
Снизилась стоимость внедрения САПР на предприятиях за счет использования рабочих станций на персональных ЭВМ. Произошло четкое разделение систем на классы по функциональным возможностям и
стоимости владения – легкие, средние и тяжелые.
Начало 1990-х гг. – разработаны два основных ядра твердотельного
моделирования ACIS и Parasolid. Геометрическое ядро служит для
точного математического представления трехмерной формы
изделия и
управления этой моделью. Полученные с его помощью геометрические
данные используются системами CAD, CAM и САЕ для разработки
конструктивных элементов, сборок и изделий.
5
1992 г. – российская компания «Топ Системы» выпустила первую
коммерческую версию T-FLEX CAD 2.
1993 г. – учреждена компания Solidworks Corporation. Спустя два
года представлен первый пакет твердотельного моделирования –
SolidWorks. Система использует геометрическое ядро Parasolid.
1995 г. – корпорация Intergraph выпустила новую CAD-систему
Solid Edge. Разработка системы началась в 1992 г. Система была изна-
чально ориентирована на рабочие станции Intel с системой Windows.
С 1998 г. подразделения компании
Intergraph, работающие над САПР,
перешли в компанию Unigraphics, геометрическое ядро ACIS изменяли
на ядро Parasolid. Первая русскоязычная версия Solid Edge 6 вышла в
1999 г.
К концу 1990-х гг. сформировалось четкое разделение систем по
функциональным возможностям и стоимости владения.
Легкие САПР: множество систем, решающих ограниченный круг
несложных задач.
Средние САПР: AutoCAD, Mechanical Desktop и Autodesk
Inventor (Autodesk Inc.); Cimatron (Cimatron Ltd.); ADEM (Omega
Technology); Mastercam (CNC Software, Inc.); Powermill (DELCAM);
Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); SolidWorks
(SolidWorks Corp.); MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.);
Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); Anvil Express (MCS Inc.);
T-FLEX CAD 2 (TopCAD); Компас (Аскон) и др.
Тяжелые САПР: CATIA (Dassault Systemes), Unigraphics (Unigra-
phics Solution, ныне развивается в компании Siemens), Pro/Engineer (PTC).
Системы, развитие которых прекращено в связи со слиянием: EUCLID3
(Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision).
Четвертый этап (начиная с конца 1990-х гг.)
Основная тенденция последних десятилетий – реализация PLMтехнологии, средствами взаимной интеграции CAD/CAM/CAE-систем,
систем управления инженерными данными (Product Data Management –
PDM), систем управления и планирования ресурсами предприятия и
д. Кроме того, можно выделить следующие направления: активная
т.
разработка средств для реализации упрощенных схем взаимодействия
территориально разнесенных площадок, участвующих в проекте; реализация полного цикла документооборота в электронном виде; создание интеллектуальных систем разработки технологических процессов
(ТЕМП АСП, FBM NX); упрощение работы пользователя в САПР (интуитивно понятный дружественный интерфейс); развитие централизованных справочников, импортируемых в PDM (инструмент, технологические нормали и т. д.).
6
2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В промышленности, в частности в авиастроении, крайне жесткая
конкуренция. Ежегодно предприятиям необходимо снижать издержки
производства, сокращать время технологической подготовки производства, увеличивать объемы выпуска продукции и повышать качество изделий. Средствами реализации этих целей служат современные САПР,
позволяющие сократить цикл разработки изделия – от эскизного проекта до запуска в производство. САПР
конструкторские и промышленные предприятия. И хотя на их долю
приходится лишь около 3 % рынка программного обеспечения, они играют очень важную роль, поскольку помогают создавать товары, без
которых невозможно представить нашу повседневную жизнь: самолеты,
автомобили, бытовые приборы, промышленное оборудование и, следовательно, являются одной из движущих сил
ности и мировой экономики. Так что же такое САПР?
Система автоматизированного проектирования (САПР) – автоматизированная система, реализующая информационную технологию
выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации
процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.
Необходимо отметить, что трактовка САПР как системы автоматического проектирования является неверной. Понятие «автоматический» подразумевает функционирование системы самостоятельно, без
участия человека. В системах автоматизированного проектирования
часть функций выполняет человек, а автоматическими являются только отдельные проектные операции и процедуры. Термин «автоматизация» подчеркивает ограниченное участие человека в процессе проектирования
Основная цель создания САПР – повышение эффективности труда
инженеров, включая:
.
используют все без исключения
современной промышлен-
7
сокращение трудоемкости проектирования и планирования;
сокращение сроков проектирования;
сокращение себестоимости проектирования и изготовления,
уменьшение затрат на эксплуатацию;
повышение качества и технико-экономического уровня резуль-
татов проектирования;
сокращение затрат на натурное моделирование и испытания.
Достижение целей создания САПР обеспечивается путем:
автоматизации оформления документации;
информационной
поддержки и автоматизации принятия реше-
ний;
использования технологий параллельного проектирования;
унификации проектных решений и процессов проектирования;
повторного использования проектных решений, данных и нара-
боток;
стратегического проектирования;
замены натурных испытаний и макетирования математическим
моделированием;
повышения качества управления проектированием;
применения методов вариантного проектирования и оптимиза-
ции
.
САПР состоит из подсистем, представляющих собой самостоятельные системы, реализующие определенные функции. По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.
Проектирующие подсистемы – это объектно-ориентированные
подсистемы, реализующие определенный этап проектирования или
группу связанных проектных задач, в зависимости от отношения к
объекту проектирования разделяются на объектные
и инвариантные.
Объектные выполняют проектные процедуры и операции, непо-
средственно связанные с конкретным типом объектов проектирования.
Инвариантные выполняют унифицированные проектные процедуры и операции, имеющие смысл для многих типов объектов проектирования.
Обслуживающие подсистемы – это объектно-независимые подсистемы, реализующие функции, общие для подсистем или САПР в целом
, обеспечивают функционирование проектирующих подсистем,
оформление, передачу и вывод данных, сопровождение программного
8
обеспечения и т. п. Их совокупность называют системной средой (или
оболочкой) САПР.
Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы
геометрического трехмерного моделирования механических объектов,
схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, обучающие подсистемы для
освоения пользователями технологий, реализованных в САПР, подсистемы графического ввода-вывода, СУБД.
В зависимости от задач, решаемых системой и областью применения, системы имеют различные функции. Система для проектирования
линий электропередач существенно отличается от системы проектирования электропроводки в самолете. Ввиду существенных различий выделяют два основных типа классификации САПР: по отраслевому
назначению и по целевому назначению.
В
зависимости от отраслевого назначения выделяют следующие
САПР.
MCAD (англ. mechanical computer-aided design) – автоматизированное проектирование механических устройств. 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
модели-
рования (SolidWorks, Autodesk Inventor, CATIA).
EDA (англ. electronic design automation) или ECAD (англ. electronic
computer-aided design) – САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств, ИС, печатных плат и т. п., (Altium Designer, OrCAD).
AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-
aided design) или CAAD (англ. computer-aided architectural design) –
САПР в области архитектуры и строительства. Используются для проектирования зданий, промышленных объектов, дорог, мостов и пр.
(Autodesk Architectural Desktop, Piranesi, ArchiCAD).
По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР,
которые
обеспечивают различные аспекты проектирования.
CAD (англ. computer-aided design/drafting) – средства автоматизированного проектирования. В контексте указанной классификации
термин обозначает средства САПР, предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования,
9
создания конструкторской и/или технологической документации,
САПР общего назначения. Для обозначения данного класса средств
САПР используется также термин CADD (англ. computer-aided design
and drafting) – автоматизированное проектирование и создание чертежей. Системы геометрического моделирования обозначают как CAGD
(англ. computer-aided geometric design).
CAE (англ. computer-aided engineering) – средства автоматизации
инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов.
Осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию
изделий.
Подкласс средств CAE, используемых для компьютерного ана-
лиза, обозначается термином CAA (англ. computer-aided analysis).
CAM (англ. Computer-aided manufacturing) – средства технологической подготовки производства изделий. Обеспечивают автоматизацию
программирования и управления оборудования с ЧПУ или ГАПС (гибких автоматизированных производственных систем).
CAPP (англ. computer-aided process planning) – средства автоматизации проектирования технологических процессов, применяемые на
стыке систем CAD и CAM. Русским аналогом термина является
АСТПП
– автоматизированная система технологической подготовки
производства.
Многие системы автоматизированного проектирования совмещают
в себе решение задач, относящихся к различным аспектам проектирования CAD/CAM, CAD/CAE, CAD/CAE/CAM. Такие системы называют комплексными или интегрированными.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]