Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы САПР в машиностроении. Учебное пособие
.pdf
таблицы и схемы приходилось с помощью звездочек, тире и восклицательных знаков, а рисунки и математические формулы вписывать в
технические документы от руки.
Ретроспективный анализ показывает, что совершенствование
различных типов автоматизированных систем происходит неравномерно. Большинство специалистов по САПР сходятся во мнении, что
наибольших успехов добились разработчики конструкторских приложений (CAD/CAE-систем). Технологическая подготовка производства по ряду объективных причин поддается автоматизации значительно хуже [3]. В СССР Г.К. Горанский создает программы для расчетов режимов резания в первой половине 60-х годов. В.Д. Цветков,
Н.М. Капустин, С.П. Митрофанов и др. разрабатывают методы синтеза технологических процессов в 70-е годы.
До начала 90-х гг. в отечественном машиностроении применялись САПР ТП исключительно отечественного происхождения. Многие промышленные предприятия и КБ создавали и эксплуатировали
собственные программные разработки. Наряду с эффективно работающими программами, существовало значительное число систем, не
отвечавшим требованиям, предъявляемым к САПР, «имевших весьма
ограниченные области применения, малую надежность и т. д. Необходимость работы с такими системами часто вызывала у технологовпроектировщиков негативное отношение к самой идее автоматизации
проектирования ТП» [3].
На заре автоматизации, когда в САПР ТП практически совсем отсутствовали возможности компьютерной графики и диалога, для описания изделия, операций и переходов в техпроцессах предусматривалась громоздкая система алфавитно-цифровых кодов. Вариации этого
древнего символьного языка проектирования и сейчас можно встретить в некоторых публикациях и учебниках, ориентированных на пакетный режим работы и «автоматическое проектирование».
Конструкторами и технологами, работавшими в те времена на
машиностроительных предприятиях, под САПР понимались исключительно предметно-ориентированные, узко специальные расчетные
21
пакеты. В таких «САПР» были жестко запрограммированы традиционные методики расчета стандартных изделий или единичных технологических процессов, например, расчет зубчатого зацепления определенного вида или вычисление режимов резания заготовки по заранее заданной схеме. Для узко поставленной инженерной задачи достаточно легко осуществить даже не автоматизированное, а автоматическое проектирование. В этом случае от пользователя, как правило, не требуется высокой квалификации: достаточно, строго следуя
инструкции, подготовить исходные данные – и результат уже предрешен. Кстати, такой (автоматический) способ компьютеризации
имеет определенные достоинства и свою жизненную нишу.
Стандарты [31-33] особо оговаривают различия между автомати-
зированным и автоматическим проектированием. Для типовых и
структурно простых изделий автоматическое проектирование даже
может быть предпочтительно, поскольку дает наивысшие показатели
производительности. К сожалению, применимость таких систем так
же узка, как и поставленная частная задача. Мировая практика развития автоматизации показала невозможность сведения бесконечного
многообразия машиностроительных изделий, их форм и параметров к
обозримому набору специализированных программ. Заманчивая концепция автоматического проектирования заняла свое частное место в
наборе методов автоматизации проектных работ, а в программном
обеспечении САПР прочное лидирующее место заняли универсальные программные комплексы, реализующие диалоговые (интерактивные) методики автоматизированного проектирования.
В 80-е годы на предприятиях появились интерактивные перифе-
рийные устройства, которые присоединялись к процессору с помощью
мультиплексных каналов ввода-вывода со стандартным интерфейсом,
позволяющим дополнительно подключить электрическую пишущую
машинку, графопостроитель, алфавитно-цифровой или векторный графический дисплей со световым пером. В это время в СССР динамично
развивались автоматизированные системы различного назначения, в
том числе произошло становление САПР второго поколения, которые
22
отличались возможностью ведения человеко-машинного диалога. Появились и начали практически использоваться первые серийные технические средства машинной графики, прежде всего векторные графопостроители, которые позволяли выводить на бумагу результаты расчетов
в удобной для анализа форме, а также визуализировать несложные геометрические модели и схемы. Конструкторы и технологи впервые получили прямой доступ к интерактивным устройствам – по предварительной записи по нескольку часов в день.
Отечественная система малых машин (СМ-ЭВМ), воспроизводящая архитектуру ЭВМ серии PDP-11 американской компании DEC,
оказалась более удачной для реализации интерактивных систем. В 80е годы на базе этих недорогих компьютеров серийно выпускались
специализированные программно-аппаратные автоматизированные
места (АРМ-М) для отечественных машиностроительных САПР.
Если в эпоху ЕС-ЭВМ и СМ ЭВМ (в 70-80-е годы) вследствие
дефицита машинного времени и других ресурсов преимущественно
развивались автоматизированные системы вычислительной направленности, но все-таки коллективного использования, то с появлением
персональных компьютеров началось массовое внедрение локальных
интерактивных систем геометрического моделирования.
К началу 80-х появились системы объемного геометрического моделирования, работающие на специализированных интерактивных аппаратно-программных комплексах, которые получили название «рабочие станции» и стали основными платформами для развития САПР.
В 1986 г. компания Autodesk [29] выпускает свой революционный
программный продукт – систему AutoCAD, доказавшую неопровержимые преимущества интерактивной разработки машиностроительных чертежей на персональных ЭВМ. АВТОКАД оказал огромное влияние на
популяризацию автоматизированного конструирования в нашей стране.
Для малых и персональных компьютеров в СССР, а затем в России был разработан ряд интерактивных CAD/CAM/CAE-систем.
Наибольшее распространение среди них получили КОМПАС (ранее
КАСКАД), T-Flex-CAD, СПРУТ, ADEM (ранее СHERRY), КРЕДО и
ряд других систем [27-28].
23
Среди универсальных САПР ТП выделяются: КОМПАС-
АВТОПРОЕКТ (теперь ВЕРТИКАЛЬ), TecnologiCS, ТехноПро,
ТЕСНСARD, ADEM-CAPP/CAM, T-Flex-ЧПУ, в которых используются геометрическо-технологические модели изделия [3].
В настоящее время доказано, что для достижения достаточной эф-
фективности компьютерной системы и обеспечения успешности внедрения комплекса средств автоматизации обязательно требуется активное творческое участие целевого персонала в процессе автоматизированного проектирования, которое определяется образованием и уровнем квалификации пользователей САПР. Принципиально важным этапом для становления подготовки пользователей и разработчиков САПР
в вузах стала проводившаяся в 80-е годы целевая общегосударственная
программа (ОЦ-027), которая предусматривала создание и развитие
учебных САПР [19-25, 48, 49]. В рамках этой программы в ведущих
технических вузах страны (МГТУ, СТАНКИН, МАИ, ИЭИ, ВолгПИ,
КУАИ и пр.) были созданы учебные базы, методические материалы и
пособия по САПР и заложены основы научно обоснованной методики
обучения автоматизированному проектированию.
В 90-е годы производство отечественных компьютеров практически
было свернуто. Эта судьба постигла и многие группы разработчиков
программного обеспечения. К счастью, тяжелые для промышленности
России времена удалось пережить достаточно большому ряду фирм и
организаций, профессионально занимающихся разработкой и развитием
отечественного программного обеспечения САПР [9, 27, 28].
Например, крупнейший российский производитель и интегратор
САПР компания АСКОН (Автоматизированные Системы КОНструирования) [9] была основана в 1989 г. коллективом разработчиков, который до этого проектировал в Коломенском конструкторском бюро машиностроения систему КАСКАД. Первая версия КОМПАС-ГРАФИК
для 2D-проектирования на персональных компьютерах появилась в том
же 1989 г. С 2000 г. САПР КОМПАС включает 3D-моделирование. В
настоящее время АСКОН на базе российских систем предлагает доступное по стоимости комплексное решение PLM «middle» (среднего)
24
класса, позволяющее автоматизировать почти все задачи и процессы
технической подготовки машиностроительного производства.
Пока отечественные разработки еще не вышли на уровень тяжелых, полномасштабных САПР. Однако при всех своих проблемах и
бедах отечественные системы автоматизированного проектирования
в настоящее время активно развиваются и с успехом конкурируют на
российском рынке с западными аналогами своего класса. Это поддерживает надежду на возрождение российской индустрии высоких
компьютерных технологий.
1.4. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ САПР
Историю САПР как одной из самых успешных молодых технических наук, порожденных развитием компьютерной техники и технологий, можно условно разбить на десятилетия, каждое из которых характеризуется появлением новых идей, методов или их практическим
подтверждением.
На первом этапе, в 60-е годы, были заложены научнопрактические основы компьютеризации промышленности, доказавшие принципиальную возможность автоматизированного проектирования сложных промышленных изделий [39]. Термин Computer Aided
Design (CAD) в те годы связывался исключительно с инженерными
расчетами на ЭВМ и ставшей вследствие этого возможной практической оптимизацией конструкций на основе метода конечных элементов (МКЭ). Впоследствии на базе этих пакетов программ сформировались современные CAE-системы.
В 70-х годах постепенно начала развиваться компьютерная графика. С этого времени с понятием САПР стали ассоциировать преимущественно системы компьютерной графики и геометрического
моделирования, реализованные в CAD [40]. Активно стали практиковаться средства и методы интерактивной работы на основе графического человеко-машинного диалога.
25
В начале 80-х, когда вычислительная мощность компьютеров
значительно выросла, появились CAM-пакеты, позволяющие в объеме моделировать и визуализировать технологические процессы и реализовать технологии интерактивного программирования оборудования с цифровым управлением (ЧПУ) [3].
Технология баз данных и компьютерных сетей ввела в широкое об-
ращение понятия и методы информационного моделирования, которое в
САПР было использовано для хранения и передачи данных об изделиях.
Нарастающий темп развития методов и средств САПР отмечен в
течение 90-х годов. Благодаря удобному графическому интерфейсу
интерактивные системы практически вытеснили «молчаливые» расчетные пакеты программ. Появились новые мощные системы трехмерного (3D) геометрического моделирования. Массовое распространение компьютерных сетей сделало реальным внедрение комплексных систем, технологий коллективной работы и параллельного проектирования (concurrent engineering) [2].
В 80-90-е годы на многих отечественных предприятиях, в вузах и
проектных организациях в массовом порядке писались собственные
программы для персональных компьютеров. Обычно они не отличались развитым интерфейсом и разнообразием функций, а осуществляли частичный перенос традиционных методов и технологий ручного проектирования и аналитических выкладок в компьютерную вычислительную среду. До сих пор некоторыми производственниками
под САПР подразумеваются такие кустарные и узконаправленные
программы для инженерных расчетов.
В настоящее время разработка программного обеспечения для
САПР ведется на профессиональной основе с использованием промышленных технологий и стандартов (например, в России это
ЕСПД – единая система программной документации, большой комплекс стандартов по автоматизированным системам в целом и САПР
в частности). Утилитарная программа, чтобы стать программным
продуктом, должна отвечать соответствующим требованиям и быть
достаточно технически совершенной.
26
В конце XX века научную поддержку и коммерческое распространение получили универсальные программно-методические комплексы,
основанные на объемном геометрическом моделировании. Разработка и
интеграция САПР была поставлена на промышленную основу и окончательно приобрела профессиональный, «фирменный» характер. Из пестрого компьютерного мира выделились отдельные фирмы-разработчики
программного обеспечения САПР [9-13, 26-28], которые проводят
огромный объем научно-технических работ, связанных с проектированием, модификацией и развитием комплекса средств обеспечения
САПР. Разработка, внедрение и сопровождение автоматизированных
систем промышленного назначения в настоящее время превратились в
серьезный бизнес с миллиардными финансовыми оборотами [30].
В XXI веке под словом «САПР» понимается гораздо большее,
нежели просто программно-аппаратный комплекс для выполнения
проектных работ с использованием компьютеров. Ставший уже классическим у нас в стране, термин «САПР» в настоящее время подразумевает весь комплекс интегрированных автоматизированных систем промышленного назначения: CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM/…
Можно поставить многоточие в конце этого перечня аббревиатур,
обозначающих разновидности подсистем САПР, поскольку процесс
развития промышленных автоматизированных систем не прекращаться, а сфера их приложений расширяется.
За последние годы произошел новый революционный переворот,
связанный с официальным признанием, стандартизацией и массовым
внедрением электронного технического документооборота. Например, с 2006 г. в России «электронный документ» и «электронная мо-
дель изделия» официально уравнялись в правах с традиционной бумажной документацией и внесены в стандарты Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) [36-38].
Несколько ранее была принята большая группа стандартов под
общим названием «Системы автоматизации производства и их ин-
теграция», которая «освятила» тенденции комплексной автоматизации производства на базе системной интеграции. В этих официаль-
27
ных государственных документах поддержана концепция информационной поддержки жизненного цикла изделий (ИПИ), более известная у нас в стране как CALS-технологии [6-8]. Ведущие мировые
фирмы-производители САПР для обозначения интегрированных автоматизированных систем используют термин PLM-solution – решения автоматизации жизненного цикла изделий [9-13].
2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ, СТАНДАРТЫ
И ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ САПР
За годы своего развития понятия «компьютерное моделирова-
ние», «САПР», «автоматизированное проектирование», «комплексная автоматизация производства» и др. прочно вошли не только в
терминологию работников промышленных предприятий, НИИ и КБ,
но и в названия учебных курсов, направлений и специальностей высшей школы [1, 3, 8, 14-25].
К концу прошлого века создание и развитие научных основ
САПР прочно утвердилось как одно из ведущих компьютерных
направлений технических наук. Согласно классификации ВАКК, специальность «Системы автоматизации проектирования» (шифр
05.13.12) занимается «проблемами создания и повышения эффективности функционирования систем автоматизированного проектирования, управления качеством проектных работ на основе использования современных методов моделирования и инженерного анализа,
перехода на безбумажные сетевые формы документооборота и интеграции САПР в общую архитектуру автоматизированной проектно-производственной среды».
Как научная специальность САПР изучает принципы и методы
автоматизированного проектирования, построения и функционирования интегрированных интерактивных комплексов анализа и синтеза
проектных решений, включая системы создания проектной, конструкторской, технологической документации на изготовление, испытание и эксплуатацию сложных технических объектов, образцов
новой техники и технологий.
28
Значение решения научных и технических проблем данной специальности для техники и технологии машиностроения заключается в
совершенствовании процессов проектирования и технологической
подготовки производства новых объектов и изделий на основе широкого использования средств компьютерной техники, информационных технологий и вычислительных сетей.
Многие методы и средства САПР являются инвариантными и
обеспечивают сокращение сроков создания и ввода в эксплуатацию
образцов новой техники, ускорение научно-технического прогресса в
различных отраслях промышленности.
Специалистам по САПР отводится обширная область исследований, включающая в себя вопросы не только компьютерного моделирования и проектирования, но и ряда смежных дисциплин. В том
числе выделяются следующие направления исследования:
− методология автоматизированного проектирования в технике,
которая включает в себя постановку, формализацию и типиза-
цию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР;
− разработка научных основ создания систем автоматизации
проектирования и автоматизации технологической подготовки производства (САПР и АСТПП);
− разработка научных основ построения и комплексирования
средств обеспечения САПР;
− разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов
для синтеза и анализа проектных решений, включая кон-
структорские и технологические решения в САПР и АСТПП;
− разработка принципиально новых методов и средств взаимо-
действия «проектировщик – система» (интерактивные мето-
ды проектирования);
− разработка научных основ реализации жизненного цикла «проек-
тирование – производство – эксплуатация», построения интегрированных средств управления проектными работами и унификации прикладных протоколов информационной поддержки;
29
− разработка научных основ построения средств автоматизации
документирования, безбумажного документооборота, процессов работы электронных архивов технической документации, взаимодействия с изготовителем и потребителем изделий;
− разработка научных основ построения средств компьютерной
графики, методов геометрического моделирования проектируемых объектов и синтеза виртуальной реальности;
− разработка научных основ обучения автоматизированному
проектированию.
Для работников высшей школы особый интерес представляет по-
следний пункт, необычный для технических наук и касающийся вопросов обучения пользователей автоматизированных систем.
Этим подтверждается один из основополагающих принципов си-
стемного подхода, используемый при создании САПР, который
утверждает, что эффективность человеко-машинной системы зависит
не только от возможностей комплекса средств автоматизации, но и в
значительно мере от квалификации целевого персонала системы.
По общемировой классификации, САПР относится к компьютер-
ным наукам (computer science), которые не изучают явления материаль-
ного мира, как большинство традиционных естественных наук, а разрабатывают методы и средства создания искусственной компьютерной
(виртуальной) среды для решения прикладных технических задач [2].
Математическое обеспечение САПР базируется на использова-
нии теории оптимального проектирования и математического программирования, теории множеств, теории графов, всех видов математического моделирования, включая имитационное, инженернофизическое и геометрическое моделирование, а также методы информационного и функционального моделирования и многие другие
способы описания и формализации объектов проектирования и производства [1-5].
Как можно заметить, по научному определению САПР является
комплексной технической наукой, объединяющей для достижения
своих специальных целей общие методы, средства и технологии из
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]