Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы САПР в машиностроении. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

рования и обосновываются необходимостью создания комплексных моделей, наиболее полно и всесторонне отражающих свойства изделия, а также удобством и экономической целесообразностью комплексного решения проблем автоматизации КТПП.

1.1. КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДЕ САПР

C точки зрения подходов компьютерного моделирования, CAD/CAM/CAE/PDM-подсистемы интегрированной САПР можно

рассматривать как специализированные, объектно-ориентированные инструменты (среды) моделирования. При их совместном использовании создаются и связываются в единое целое (комплексную модель) геометрические (CAD/CAM), инженерно-физические (CAM/CAE) и информационные (CAPP/PDM) модели изделия.

Разговоры о полезности комплексного моделирования в САПР ведутся давно, однако воплощаться в практику эта идея стала только тогда, когда в машиностроении начал развиваться объектно- центричный подход, основанный на использовании универсальной геометрической модели изделия [1-3].

На рис. 1.1 приведена принципиальная схема взаимодействия подсистем интегрированной САПР. Графическое ядро логически выступает в роли своеобразного фундамента и является универсальным объединяющим элементом взаимосвязанных подсистем (CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM), используемых в процессе технической подготовки машиностроительного производства. Объемная геометрическая модель наиболее полно отражает структуру, точно описывает форму и наглядно представляет облик проектируемого изделия.

При необходимости геометрическая модель может быть дополнена и всей другой важной для проектирования и производства информацией; таким образом получается «Полное электронное опре-

деление изделия» (Electronic Product Definition – EPD).

Подсистема геометрического моделирования (геометрическое ядро) современной САПР, предназначенная для точного математического представления формы и структуры изделия, является инвари-

антным (предметно-независимым) модулем комплексной автомати-

зированной системы. Полученные с его помощью геометрические

Геометрия

Ввод

вывод

ориентированные

ориентирова

ные

данные используются подсистемами автоматизированного конструирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM/CAPP) и инженерного анализа (САЕ). Проектировщик получает доступ к функциям геометрического ядра из соответствующей подсистемы через графический пользовательский интерфейс.

подсистемы

сборки

Управление инженерными данными (PDM)

Проблемно-

модели

Дерево

построения

модели

Модули интеграции

CAМ

CAЕ

CAD

Ядро

геометрического

моделирования

Проблемно-

модели

Дерево

построения

чертежа

подсистемы

чертежи

- кривые;

- поверхности;

- тела

Р и с. 1.1. Объектно-центричная схема взаимодействия

Топология:

- элементы;

- узлы

подсистем интегрированной САПР

- файлы;

- форматы данных

Визуализация:

- рендеринг;

- цвет;

- тени; ……..

Таким образом, геометрическое описание имеет очень важное объединяющее значение – не зря его иногда называют «двигателем» САПР. В значительной мере именно характеристики ядра определяют функциональные возможности и производительность интегрированной автоматизированной системы.

Пользователи подсистемы инженерного анализа (CAE), интегрированной в полномасштабную САПР, используют полученную в подсистеме геометрического моделирования объемную твердотельную модель для генерации инженерно-физической конечноэлементной модели (КЭМ), с помощью которой производятся необходимые расчеты и оптимизация конструкции изделия. Результаты расчетов (поля перемещений, напряжений, температур и т. п.) визуализируются в наглядном и удобном для анализа человеком виде с помощью графических моделей.

Далее производится имитация технологических процессов, например, механообработки, литья, штамповки и т. д., которые также не обходятся без геометрии и графики. Моделирование термообработки позволяет оценить качество детали с точки зрения усадки и деформации (коробления, перекоса, искривления). Для виртуальной оценки дизайна изделий, кинематики и динамики машин и механизмов строятся сложные компьютерные сборки.

Наконец, твердотельная модель открывает уникальные возможности для подготовки производства. При использовании точных геометрических моделей многократно улучшается точность обработки поверхностей и сокращается время программирования станков с ЧПУ. Геометрическая «мастер-модель» служит эталоном для контроля и приемки готовой продукции.

На основе геометрических моделей автоматически выполняется материальное моделирование (быстрое прототипирование – RP) изделий сложной формы. При этом на вход RP системы подаются STL- файлы, генерируемые по 3D-моделям.

Основанные на широчайшем применении геометрического моделирования и компьютерной графики, средства и технологии «вирту-

альной реальности» позволяют всесторонне оценить и «опробовать» компьютерный (виртуальный) проект еще до изготовления изделия.

При необходимости на основе 3D-модели могут быть разработа-

ны высокоэффективные эксплуатационные документы и учебные материалы.

Таким образом, геометрически-центрированные системы автома-

тизированного проектирования занимают особое положение среди других компьютерных приложений и определяют ведущее направление автоматизации в машиностроении, а полученные в САПР компьютерные модели являются свидетельством достижений и высокого научного уровеня проектирования и производства.

1.2. РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Чтобы понять тенденции компьютеризации промышленности, необходимо представить и оценить путь, пройденный системами автоматизации за последние десятилетия. Очень точно и эмоционально об этом высказался один из ведущих российских специалистов в области САПР профессор МГТУ И.П. Норенков: «По своей сложности изделия вычислительной техники, будь то операционная система, микропроцессор или продукт САПР, лидируют в мире техники. Удивляет не только сложность сама по себе, поражает скорость, с какой эта сложность нарастает. Не всегда удается своевременно выполнить обоснование и обобщение новых идей, методов и технологий, дать им должную оценку. В этих условиях знание истории может стать полезным ориентиром в осмыслении новых направлений развития вычислительной техники и информационных технологий, помочь в принятии правильных решений, уберечь от ложных путей достижения поставленных целей» [40].

Автоматизация проектирования и производства зародилась в радиоэлектронной промышленности (ECAD) в конце 50-х – начале 60-х

годов XX века, практически одновременно с появлением первых се-

рийных электронно-вычислительных машин (развернутый и иллю-

стрированный обзор развития ECAD можно почерпнуть в [40]).

Развитие машиностроительных САПР (MCAD) справедливо связывают с появлением и развитием технических средств интерактивной машинной графики в середине 60-х. Первая графическая станция Sketchpad с использованием дисплея и светового пера была представлена И. Сазерлендом в 1963 г. [41]. Важность проекта Sketchpad трудно переоценить, так как именно в нем была впервые продемонстрирована возможность формирования изображений на экране дисплея и манипулирования ими в реальном масштабе времени [42].

В эти же годы появились первые программы для расчетов и компьютерного моделирования технологических процессов (CAM). Среди первых работ по автоматизации проектирования технологических процессов нужно отметить создание языка APT (Automatic Programming Tools) в 1961 г. в Массачусетском технологическом институте США под руководством Д.T. Росса [43]. APT позволял в символьном виде описывать геометрические элементы деталей и моделировать движение обрабатывающего инструмента. Этот язык стал родоначальником многих других языков программирования для оборудования с числовым программным управлением [42]. Следует обратить внимание, что в этой работе уже был использован термин «Computer Aided Design», ставший общепринятым обозначением САПР в мировом научном сообществе.

Как важный вклад в развитие методов автоматизированного проектирования следует рассматривать разработку ориентированного на инженерные вычисления высокоуровневого алгоритмического языка программирования «Фортран» [44]. На «Фортране» были написаны первые программные компоненты САПР, в том числе и одна из известнейших CAE-систем NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis). Национальное кос- мическое агентство США (NASA) в 1965 г. для поддержки своих инновационных проектов, связанных с космическими исследованиями, поставило задачу разработки конечно-элементного программного пакета, который к 1970 г. был создан и начал эксплуатироваться.

Ориентированный на применение ЭВМ метод конечных элемен-

тов (МКЭ) был разработан в 50-х годах специалистами, работавшими в областях строительной механики и теории упругости. Сам термин «конечные элементы» был введен в 1960 г. Клафом (R. Clough) [45]. Исчерпывающий анализ ранних этапов развития МКЭ и его применения для решения инженерных задач дан Дж. Оденом в [46]. Там же приведен систематизированный и самый широкий список литературных источников, состоящий более чем из 400 наименований.

Хотя в 50-х компьютерной графики еще не существовало, для моде-

лирования рассчитываемой с помощью МКЭ конструкции совершенно необходима была геометрическая информация. Топологические данные и координаты узлов конечноэлементной сети представляют собой не что иное, как сеточную (ячеистую) геометрическую модель. Правда, рисовать модель надо было карандашом на бумаге, а вводить многотысячные массивы цифр приходилось с помощью перфокарт и перфолент. Реализация МКЭ не была столь жестко привязана к аппаратным средствам машинной графики, как автоматизация конструирования, поэтому достаточно быстро появились многочисленные расчетные программные пакеты, которые и послужили прообразом современных систем инженерного анализа (CAE). В настоящее время МКЭ считается одним из инвариантных методов САПР.

К концу 60-х целый ряд крупных промышленных концернов са-

мым активным образом включился в создание систем автоматизированного проектирования. Впоследствии многие из этих проектов послужили основой для современных программных комплексов. Например, на базе разработок McDonnel-Douglas появилась система CADD (впоследствии породившая Unigraphics), в Lockheed была разработана система CADAM (исторический предшественник CATIA). Именно тогда в компании General Motors была разработана первая интерактивная графическая система для подготовки производства, названная DAC-1, которая считается первой машиностроительной САПР [47]. В 1971 г. ее создатель доктор Патрик Хэнретти (многие называют его отцом САПР) основал компанию Manufacturing and

Consulting Services (MCS), ставшую одной из первых профессиональных фирм – разработчиков CAD-систем (система ANVIL). В том же году появились первые системы фирмы Computervision, состоявшие из 16-битовой ЭВМ, планшета для ввода графической информации и графопостроителя (программно-методический комплекс CADDS в настоявшее время принадлежит фирме PTC) [26].

«Родственные» связи фирм-разработчиков САПР с ведущими промышленными концернами и высшими техническими учебными заведениями – достаточно важная закономерность. Подавляющее большинство современных коммерческих САПР имеют научнопроизводственные корни.

В 70-е годы начинаются разработки интегрированных САПР, предусматривающих переход от использования отдельных не связанных друг с другом программ, решающих частные проектные задачи, к применению интегрированной совокупности таких программ. Роль интегрирующего компонента в 70-е гг. отводилась единой базе данных САПР. Однако попытки использовать имевшиеся в то время СУБД не приводили к удовлетворительным результатам в силу разнообразия типов проектных данных, распределенного и параллельного характера процессов проектирования, с одной стороны, и недостаточной развитости технологии баз данных, с другой стороны [40].

Большой объем данных, используемых при проектировании, необходимость поддержания их целостности (достоверности и полноты), сложность управления проектированием привели в 80-е годы к созданию в составе САПР системных сред, называемых системами управления проектными данными PDM (Product Data Management). Начиная с середины 90-х годов разворачиваются работы по созданию специализированных PDM для машиностроительных САПР. Расширение функций PDM-систем на все этапы жизненного цикла продукции превращает их в системы управления жизненным циклом продукции PLM (Product Lifecycle Management).

Таким образом, уже к середине 80-х системы САПР для машиностроения обрели состав и структуру прикладных подсистем, которые

существуют и сейчас. Справедливости ради следует отметить, что многие теоретические основы САПР, сформированные в те годы, не потеряли своей актуальности и в XXI веке. Например, подтвердили свою методическую важность и правильность определение САПР, системный подход к компьютеризации промышленности. Достаточно давно появилась идея комплексной автоматизации и введен термин «интегрированная САПР».

1.3. ИСТОРИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ В РОССИИ

Следует заметить, что отечественная история компьютерных техно-

логий и систем по времени своего зарождения практически не отстает от широко известных зарубежных исследований, хотя и отличается несколько большим драматизмом, связанным со значительным влиянием государства и его политики на развитие технического прогресса [39, 40].

Достижения в области создания и практического применения ав-

томатизированных систем в нашей стране во многом определялись возможностями доступных машиностроительным предприятиям технических средств автоматизации.

Универсальные ЭВМ создавались в СССР по оригинальным про-

ектам отечественных специалистов начиная с 1948 г. в институте точной механики и вычислительной техники – ИТМиВТ (ЭВМ серий БЭСМ, M20, M40, «Эльбрус»); в Киевском институте кибернетики (ЭВМ серий «Днепр», «Мир», «Проминь»); в Институте электронных управляющих машин – ИНЭУМ (машины серий «М», «Раздан», «Минск», СМ ЭВМ), в Научно-исследовательским институте электронных математических машин – НИЭМ (ЭВМ «Стрела», М222, «Урал»); в ряде других НИИ и КБ. По своим тактико-техническим характеристикам первые отечественные ЭВМ не уступали лучшим иностранным образцам. Например, российская технология вычислительных систем «ЭЛЬБРУС» в 2004 г. была приобретена для своих перспективных разработок мировым лидером в производстве компьютерных процессоров фирмой Intel.

Основоположником отечественной вычислительной техники считается С.А. Лебедев. Под его руководством в 1951 г. была создана первая отечественная вычислительная машина МЭСМ, а ЭВМ М-20, разработанная в 1958 г., стала одной из лучших серийных машин первого поколения. Вершиной научных и инженерных достижений С.А. Лебедева стала БЭСМ-6, запущенная в 1967 г. В ней реализованы такие новые принципы и решения, как параллельная обработка нескольких команд, сверхбыстрая регистровая память, расслоение и динамическое распределение оперативной памяти, мультипрограммный режим работы, развитая система прерываний. БЭСМ-6 стала первой отечественной супер-ЭВМ, достигнув ошеломительного для того времени быстродействия – 1 млн операций в секунду [40].

Уже 1957 г. академик В.М. Глушков [39], определяя направления стратегических исследований в области информатики в СССР, относит к ним разработку методов автоматизации проектирования и развитие методов автоматизации программирования. В 1959 г. по инициативе академика А.И. Берга создается Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика» при Президиуме АН СССР. В 60-х годах активно ведутся работы по развитию численных методов, теории компьютерного моделирования, разворачиваются многочисленные проекты практического внедрения ЭВМ в науке и технике, прежде всего в оборонной промышленности.

В это время появились САПР первого поколения, которые представляли собой пакеты программ для инженерных расчетов в различных предметных областях. Быстрее всего системы автоматизированного проектирования прививались в радиоэлектронике и эффективно использовались для проектирования самих же ЭВМ [4].

Первые машиностроительные приложения начали появляться вместе с новыми ЭВМ в самой приоритетной тогда аэрокосмической промышленности [48]. Машиностроительные САПР первого поколения работали в пакетном режиме и автоматизировали только определенную часть проектно-конструкторских работ, связанную с трудоемкими прочностными расчетами и процедурами предэскизного проектирова-

ния изделий. Для анализа и оптимизации сложных машиностроительных изделий в 70-х годах в СССР были разработаны первые отечественные CAE-системы, реализующие МКЭ: «ЛИРА», «ФРОНТ», «РИПАК», «СПРИНТ» и др.

Начиная с 1969 г. радиоэлектронная промышленность СССР пе-

реключилась на производство преимущественно машин ЕС и СМ ЭВМ, сделанным по западным аналогам. К сожалению, именно с 70-х годов, когда было принято решение о построении ЕС ЭВМ на базе IBM-360-370, начинается отставание отечественной вычислительной техники. Если БЭСМ-6 находилась на мировом уровне производительности, практически не уступая лучшим американским машинам, то ЕС ЭВМ, равноценную по потребительским качествам компьютерам фирмы IBM, так и не удалось получить.

О возможностях САПР первого поколения красноречиво свиде-

тельствует выдержка из описания использовавшихся тогда для САПР новейших компьютеров: «ЕС ЭВМ имеют единую структурную схему, основными компонентами которой являются процессор, внешняя и внутренняя память… Ввод и вывод информации в ЭВМ осуществляется с помощью алфавитно-цифровых печатающих устройств (АЦПУ), перфокарт (УВВ-ПК) и перфолент (УВВ-ПК)» [48].

На промышленных предприятиях ЕС-ЭВМ устанавливались в так

называемых кустовых вычислительных центрах (1-2 штуки на большой завод или НИИ). Пользователи общались с программно-техническими средствами САПР не напрямую, а через посредников – операторов, которые набивали написанные на бумажных бланках команды на перфокарты и запускали их на выполнение в порядке очереди. После нескольких часов вычислений результаты автоматически распечатывались на быстродействующих АЦПУ, не имевших никаких графических возможностей. Конечно, о реализации на такой технике полноценных интерактивных CAD/CAM-систем не могло быть и речи.

Поэтому для автоматизации проектных процедур приходилось

прибегать к значительным упрощениям в технической документации, которые воспринимались как неизбежное зло. Например, печатать

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]