Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
Н.М. ЛАЗАРИДИ
Сапр конструктора
Конспект лекций
Омск 2006
УДК 658.512.011.56
ББК 30.2−5−05
Рецензенты:
В.В. Коптелов главный конструктор ЦКБА
Е.П. Шарапов главный инженер ПО им. П.И. Баранова
Лазариди Н.М.
Л17
Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006.–44 с.
Конспект лекций содержит основные темы лекционного курса дисциплины «САПР конструктора». Кратко изложены основные принципы инженерной компьютерной графики, приведен обзор некоторых систем. Отдельная глава посвящена выбору CAD систем для автоматизации конструкторской подготовки производства. Рассмотрены вопросы обмена информацией между системами. Приведена информация о современных технологиях, используемых на этапе подготовки производства. Отдельный раздел посвящен CALS-технологиям.
Конспект лекций предназначен для студентов машиностроительных специальностей всех форм обучения.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ОмГТУ
УДК 658.512.011.56
ББК 30.2−5−05
© Н.М. Лазариди, 2006
© Омский государственный технический университет, 2006
Введение 4
1 Основные понятия 5
Контрольные вопросы 9
2 Принципы компьютерной графики 9
2.1 Общие принципы 9
2.2 Инженерная графика. Компьютерное моделирование 11
2.3 Обмен данными между CAD-системами. 13
Контрольные вопросы 17
3 Обзор систем автоматизации конструкторской подготовки производства 17
Контрольные вопросы 24
4 Выбор CAD-систем 24
4.1 Критерии выбора 25
4.2 Рекомендации по выбору и внедрению CAD-систем 26
Контрольные вопросы 27
5 Современные технологии конструкторской подготовки производства 27
5.1 Прототипирование 27
Стереолитография 28
LOM-технология 31
Трехмерная печать 33
Контрольные вопросы 35
6 CALS-технологии 36
6.1 Основные понятия 36
6.2 Базовые принципы CALS 37
6.3 Базовые управленческие технологии 41
Контрольные вопросы 44
Библиографический список 44
Введение
Основным назначением систем автоматизированного проектирования является автоматизация работ на этапе подготовки производства. Для того чтобы разобраться в многообразии систем САПР, в принципах их функционирования, следует ответить на вопрос: «А что же нужно автоматизировать?». Т.е. нужно очертить круг тех задач, которые должна решать та или иная система САПР.
Применительно к курсу «САПР конструктора» речь идет, прежде всего, о системах автоматизации проектно-конструкторских работ, поэтому остановимся на задачах, решаемых конструктором.
Основными задачами конструктора на машиностроительном предприятии являются: проектирование изделий основного производства, оснастки, инструмента, включающее в себя такие аспекты как детальная проработка конструкции изделия с изготовлением комплекта конструкторской документации: чертежи, схемы, спецификации, пояснительные записки и т.д.
При проектировании нового изделия перед конструктором стоит целый ряд задач, среди которых: соответствие проектируемого изделия предъявляемым требованиям. Если рассматривать весь комплекс требований, предъявляемых к изделиям промышленного назначения, можно выделить несколько групп: функциональность, технологичность, надежность.
Для выполнения этих требований конструктор должен иметь возможность:
− спроектировать изделие такой конструкции, которая позволяла выполнять все необходимые функции. Следовательно, конструктор должен иметь возможность в кратчайшие средствами систем САПР описать и создать геометрию проектируемого изделия и иметь возможность ее оценить визуально;
− обеспечить минимизацию затрат на изготовление изделия, т.е. создать изделие такой геометрии, которая позволить снизить затраты на ее получение. В связи с этим, система САПР должна позволять конструктору создавать любую геометрию изделия;
− проводить анализ спроектированной конструкции средствами систем САПР. К видам анализа конструкции можно отнести: кинематический, прочностной, динамический и т.д.
Современный уровень развития систем автоматизации проектно-конструкторских работ позволяет в той или иной степени решать практически все вышеперечисленные задачи. Проблемы, возникающие на производстве, заключаются в умении грамотно выбрать систему САПР и внедрить на производстве.
В рамках данного курса будут рассмотрены принципы функционирования систем автоматизации проектно-конструкторских работ, обмена данными, критерии оценки и выбора систем САПР.
Основные понятия
САПР системы автоматизированного проектирования.
Сокращение, обозначающее комплекс программно-аппаратных средств автоматизации проектных конструкторско-технологических, а также производственных работ.
Теоретические основы САПР сформировались в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого столетия. В основу идеи САПР положены разнообразные математические модели изделий. При этом модели рассматриваются с точки зрения различных специальностей, применяются различные методы получения параметров: геометрические, технологические, тепловые, аэродинамические и т.п.
Такое разнообразие моделей привело к отдельной классификации систем автоматизированного проектирования: CAD/CAM/CAE/PDM/TDM и т.д. и к более глубокой специализации внутри каждой группы.
CAD (Computer Aided Design) − общепринятое международное обозначение систем для разработки моделей объектов, например, деталей в машиностроении, т.е. системы моделирования.
Важность геометрического моделирования определяется тем, что любые предметы описываются в первую очередь своими геометрическими параметрами и на сегодняшний день производство невозможно без однозначного представления геометрии детали.
Традиционный способ плоского геометрического моделирования состоял в применении линейки, циркуля и транспортира на чертежной доске. При этом погрешность построения составляет не менее 0,1мм.
Появление ЭВМ позволило выполнять определение геометрических параметров в аналитическом виде (расчет координат точек и других геометрических параметров), а затем использовать машинную графику.
К началу 80-х годов математический аппарат плоского геометрического моделирования был достаточно хорошо сформирован для того, чтобы обеспечить бурное развитие плоских CAD-систем.
С появлением персонального компьютера внедрение этих систем приняло массовых характер: AutoCAd из США, Dragon из Англии, CherryCAd из России.
Объемное моделирование призвано однозначно определить геометрию спроектированной поверхности, детали, объекта. При этом используются различные методы построения объемных тел. Математический аппарат объемного моделирования, при этом, сегодня находиться примерно на той же стадии, что и плоский в начале 80-х гг.
Объемное моделирование подразделяют на поверхностное и твердотельное.
В поверхностном моделировании (рис. 1 а) (Simatron, ГеММа и др.) основными инструментами являются поверхности, а базовыми операциями на их основе – продление, обрезка и соединение. При создании модели конструктор должен описать семейство поверхностей. При этом для поверхностей не существует понятия «толщина», модель является пустотелой.
При твердотельном моделировании (рис. 1 б) (КОМПАС, SolidWorks, T-Flex и др.) основными инструментами являются тела (Solid-ы), ограниченные поверхностями, а главными операциями – булевы объединение, дополнение, пересечение. При твердотельном моделировании конструктор должен представить изделие как совокупность простых (шар, тор, цилиндр, призма, пирамида и т.п.) и более сложных тел.
а) б)
Рис. 1. Поверхностная а) и твердотельная б) модели втулки
Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Поверхностное моделирование популярно в первую очередь в инструментальном производстве, где имеет важное значение точное описание сложных поверхностей, а твердотельное – в машиностроении.
В настоящее время подавляющее большинство CAD систем имеют инструменты (команды) как для поверхностного, так и для твердотельного моделирования. Это связано, в первую очередь, со стремлением фирм-производителей расширить возможности той или иной системы, а, следовательно, круг потенциальных клиентов.
Parasolid – геометрическое ядро трехмерного моделирования, обеспечивающее разработчиков САПР мощнейшим набором функций построения сложных геометрических форм. Фактически является международным стандартом и в настоящее время начинает использоваться не только в зарубежных системах, но и российскими разработчиками (T-Flex CAD 3D). Ядро иногда называют математикой системы, так как физически оно представляет собой набор функций, написанных на языке программирования (как правило С++), выполняющих все необходимые расчеты геометрии моделируемых объектов и выполняющих построения.
Кроме ядра Parasolid широко распространено ядро ACIS, являющееся его альтернативой. Некоторые производители CAD систем используют в основе своих систем собственные разработки. К ним относятся КОМПАС, APM WinMachine и другие.
CAM (Computer Aided Manufacturing) − общепринятое международное обозначение систем для автоматической или автоматизированной разработки программ обработки деталей или технологической оснастки на станках с ЧПУ.
CAE (Computer Aided Engineering) − общепринятое международное обозначение систем, предназначенных для проведения различных видов инженерных расчетов: на прочность, теплопроводность и т.д.
PDM (Product Data Management) - Системы для хранения, обеспечения доступа, анализа и т.д. всеми данными об изделиях и корпоративных процессах. Позволяет обеспечить четкое и безопасное манипулирование всеми данными проектов, которые могут быть представлены в любом виде: от чертежей и трехмерных моделей до звука и видео, в единой программной среде. Другое определение систем – системы инженерного документооборота.
Современное программное обеспечение систем САПР строиться по модульному принципу, обеспечивающему работу специализированных модулей, решающих определенные задачи проектирования (например, оформление чертежей, создание сборок, построение сложных поверхностей, проведение инженерных расчетов и т.д.) в единой программной оболочке. Как правило, между модулями реализован прямой обмен данными, единый интерфейс пользователя и выдержаны общие для всех модулей правила работы.
Ассоциативная связь. При проектировании поверхностей и сборок в современных САПР имеется возможность определить влияние одних элементов на другие, например, зависимость формы матрицы и пуансона от геометрии штампуемой детали. Обозначив один раз такую зависимость, пользователь получает возможность автоматического или автоматизированного изменения геометрии и размеров, а так же других параметров зависимых элементов при изменении задающих. Еще одним наглядным примером использования ассоциативной связи может служить связь между элементами трехмерной модели детали, сборки, в которую входит деталь, рабочего чертежа детали и сборочного чертежа. Использование ассоциативной связи позволяет при изменении модели детали автоматически получать измененную модель сборки, чертежи. Это значительно сокращает время при внесении изменений в проект или отработке многих вариантов конструкции.
CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support) — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта.
PLM (Product LifeCycle Management) – управление жизненным циклом изделия. Включает этапы дизайнерской задумки, конструкторской и технологической подготовки производства, изготовления, обслуживания, утилизации и т.п. В основном, применяется по отношению к сложной наукоемкой продукции высокотехнологичных предприятий в рамках CALS-технологий.
Современные САПР системы классифицируются по уровню: высшего (тяжелые), среднего и легкие.
САПР верхнего уровня (тяжелые) закрывают собой практически все области проектирования: от разработки изделий и оснастки до проведения инженерных расчетов и изготовления. В настоящее время наиболее полно всем требования, предъявляемым к интегрированным САПР высшего уровня отвечает системы CATIA, Unigraphics. Условный ценовой диапазон этих систем: от $20000. В данную сумму входит стоимость комплекса пакетов для оснащения одного рабочего места, являющихся составными частями системы.
Особенностью систем данного класса является: обеспечение всего цикла создания изделия от концептуальной идем до производства, а самое главное, системы организуют проектно-технологическую среду для одновременной работы всех участников создания изделия с единым, постоянно меняющимся в процессе проектирования электронным макетом сколь угодно сложного изделия. Например, при проектировании изделия, состоящего из сотен тысяч деталей. Реально такое изделие можно спроектировать в контексте 3D сборки. Но вывести на экран такую сборку не представляется возможным, т.к. не хватит мощности самой большой рабочей станции (графической станции). В системах высшего уровня это и не нужно. Вся информация формируется в едином виртуальном электронном пространстве, а система управляет таким электронным макетом и дает возможность пользователю работать с отдельными элементами (или их совокупностью), сохраняя при этом целостность макета и отслеживая все изменения.
САПР среднего уровня позволяют строить трехмерные параметрические модели деталей и сборок, обладают возможностями создания кинематических движений и т.п. Представителями САПР этой категории являются SolidWorks, Solid Edge, Т-Flex и др. В настоящее время системы среднего уровня очень популярны и поэтому быстро развиваются, приближаясь по своим возможностям к САПР высшего уровня. Условный ценовой диапазон этих систем: до $15000.
Основными отличиями систем среднего уровня от систем высшего уровня являются:
- отсутствие реально действующих ассоциативных связей между элементами больших сборок (более 1000 элементов);
- в системах среднего уровня не обеспечивается весь цикл разработки изделия внутри одной системы: моделирование, инженерный анализ, технологическая подготовка. В большинстве систем данного класса такие возможности реализованы в вине отдельных модулей.
САПР низшего уровня, так называемые "чертилки" или "электронные кульманы", позволяют автоматизировать выпуск конструкторской чертежной документации. Ярчайшими представителями современных САПР данной категории являются AutoCAD LT (без возможностей построения трехмерных моделей), Т-Flex CAD 2D и другие. Условный ценовой диапазон этих систем: до $5000.
Причины, позволяющие говорить о том, что деление САПР на три уровня не условное:
- Исторические причины. «Тяжелые» САПР исторически развивались на UNIX платформе (работали на UNIX подобных операционных системах). Продукты «среднего» класса появились уже на Windows платформе.
- Понятие «базовая система». В нестоящее время только системы верхнего класса могут так называться. В авиастроении, автомобилестроении базовыми могут стать лишь CATIA и Unigraphics. Базовая система – это система вокруг которой строится автоматизация всего предприятия. При необходимости к базовой системе «подстыковываются» системы «среднего» и «легкого классов».
- Функциональность. Ни один из продуктов «среднего» класса не имеет такой обширной функциональности, как «тяжелые» САПР.
В настоящее время практически все производители САПР стремятся к созданию интегрированных систем, включающих в себя модули (программы) различного назначения. Так, в большинстве систем, сейчас имеются CAD-модули для трехмерного моделирования, выполнения чертежей, разработки различных видов конструкторской документации, CAE модули для выполнения различных расчетов. В большинстве случаев эти модули предназначены для конечно-элементного анализа спроектированных в CAD модулях изделий. Кроме того, практически все производители включают в системы модули инженерного документооборота.
Контрольные вопросы
В чем заключаются различия между поверхностным и твердотельном моделировании?
Что такое геометрическое ядро системы моделирования?
Что такое ассоциативная связь?
В чем заключаются особенности «тяжелых» систем САПР?
В чем заключаются особенности «средних» и «легких» систем САПР?
Принципы компьютерной графики
Общие принципы
Вся полезная площадь монитора, на которой выводится изображение называется растром. Растр формируется из прямоугольной матрицы точек, каждая из которых называется пикселем (pixel). Изображение формируется заданием цвета свечения определенных пикселей растра. Количество пикселей по горизонтали и вертикали в единице длины называется разрешением. Чем выше разрешение, тем четче изображение. В современных компьютерах разрешение монитора обычно устанавливают 1024768 или 12801024 пикселя/дюйм.
Разрешение экрана устанавливается программно операционной системой, но зависит от аппаратного обеспечения, т.е. от возможностей видеоадаптера. Это связано с тем, что изображение, выводимое на монитор, сначала строиться в видеопамяти видеоадаптера, а затем считывается оттуда на монитор. Поэтому основным параметром, определяющим максимальное разрешение изображения на мониторе, является размер видеопамяти.
Различают растровую и векторную графику.
Файлы векторной графики представляют собой математическое описание объектов относительно точки начала координат. Проще говоря, чтобы компьютер нарисовал прямую нужны координаты двух точек, которые связываются по кратчайшей, для дуги задается радиус и т.д. Таким образом, векторная иллюстрация это набор геометрических примитивов. Большинство векторных форматов могут так же содержать внедренные в файл растровые объекты или ссылку на растровый файл (технология OPI). Сложность при передаче данных из одного векторного формата в другой заключается в использовании программами различных алгоритмов, разной математики при построении векторных и описании растровых объектов
Файлы растрового изображения описываются, как расположение отдельных пикселей, которые отображаются как бы на сетке, напоминающей миллиметровую графическую бумагу с крошечными квадратиками. Каждый квадратик представляет собой отдельный пиксель, а каждому пикселю соответствует определенное значение цвета. Таким образом, растровое изображение представляет собой схему расположения и цвета каждого пикселя на экране. Простые растровые изображения часто имеют больший размер, чем простая векторная графика, но сложные растровые изображения, например, фотографии, занимают меньше места и имеют лучшее качество по сравнению с векторной графикой.