Лекция № 1. 1. Основные понятия, определения и классификация

Введение в САПР

ПЛАН

1. Основные понятия, определения и классификация.

2. Общие сведения о проектировании

ЛИТЕРАТУРА

1. Кунву Ли. Основы САПР (САD/САМ/САЕ). СПБ.: Питер,2004.- 560с.

2. Макаренко С.М. и др. Применение САПР на базе ПЕОМ для проектирования оборудования. –М.; Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. –640с.

3. Брандт З. Анализ данных. Статистические и вычислительные методы для научных работников и инженеров. – М.: АСТ, Мир, 2003. – 686 с.

4. Комплекс общеотраслевых руководящих методических материалов по созданию АСУ и САПР. – М.: Статистика, 1980. – 119 с.

5. Мамиконов А.Г, Цвикун А. Д., Кульба В.В. Автоматизация проектирования АСУ. - М.: Энергоиздат, 1981 г. – 328с.

6. Мамиконов А.Г. Основы построения АСУ. - М.: Высшая школа, 1981 г. – 248с.

7. Перегудов Ф. И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. - М.: Высшая школа, 1989 г. – 367 с.

Основные понятия, определения и классификация.

Современные предприятия не смогут выжить во всемирной конкуренции, если не будут выпускать новые продукты лучшего качества (quality, Q), более низкой стоимости (cost, С) и за меньшее время (delivery, D). Поэтому они стремятся ис­пользовать огромные возможности памяти компьютеров, их высокое быстродей­ствие и возможности удобного графического интерфейса для того, чтобы авто­матизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства, которые раньше были весьма утомительными и совершенно не связанными друг с другом. Таким образом сокращается время и стоимость разработки и выпуска продукта. Для этой цели используются технологии автоматизированного проек­тирования (computer-aided design — CAD), автоматизированного производства (computer-aided manufacturing — САМ) и автоматизированной разработки или конструирования (computer-aided engineering — САЕ). По-русски все эти системы вместе называются системами автоматизированного проекти­рования — САПР. Чтобы понять значе­ние систем CAD/CAM/CAE мы должны изучить различные задачи и опера­ции, которые приходится решать и выполнять в процессе разработки и произ­водства продукта. Все эти задачи, взятые вместе, называются жизненным циклом продукта (product cycle). Пример жизненного цикла продукта приведен на рис. 1.1.

Прямоугольники, нарисованные сплошными линиями, представляют два глав­ных процесса, составляющих жизненный цикл продукта: процесс разработки и процесс производства. Процесс разработки начинается с запросов потребителей, которые обслуживаются отделом маркетинга, и заканчивается полным описани­ем продукта, обычно выполняемым в форме рисунка. Процесс производства на­чинается с технических требований и заканчивается поставкой готовых изделий.

Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналити­ческие и синтетические. Как следует из рис. 1.1, первичные операции разработ­ки, такие как определение необходимости разработки, формулирование техниче­ских требований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а также концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатом подпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продук­та в форме эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различных компонентов продукта. В этой части цикла делаются основные финансовые вло­жения, необходимые для реализации идеи продукта, а также определяется его функциональность. Большая часть информации, порождаемой и обрабатывае­мой в рамках подпроцесса синтеза, является качественной, а следовательно, не­удобной для компьютерной обработки.

Рис, 1.1. Жизненный цикл продукта

Готовый концептуальный проект анализируется и оптимизируется — это уже подпроцесс анализа. Прежде всего вырабатывается аналитическая модель, по­скольку анализируется именно модель, а не сам проект. Несмотря на быстрый рост количества и качества компьютеров, используемых в конструировании, в обозримом будущем отказаться от использования абстракции аналитической модели мы не сможем. Аналитическая модель получается, если из проекта уда­лить маловажные детали, редуцировать размерности и учесть имеющуюся сим­метрию. Редукция размерностей, например, подразумевает замену тонкого листа из какого-либо материала на эквивалентную плоскость с атрибутом толщины или длинного и тонкого участка на линию с определенными параметрами, харак­теризующими поперечное сечение. Симметричность геометрии тела и нагрузки, приложенной к нему, позволяет рассматривать в модели лишь часть этого тела. Вообще говоря, вам уже приходилось заниматься подобным абстрагированием при анализе структур в курсе основ механики. Вспомните, что вы всегда начина­ли анализ с построения упрощенного эскиза структуры. Типичные примеры ана­лиза; анализ напряжений, позволяющий проверить прочность конструкции, кон­троль столкновений, позволяющий обнаружить возможность столкновений движущихся частей, составляющих механизм, а также кинематический анализ, показывающий, что проектируемое устройство будет совершать ожидаемые дви­жения. Качество результатов, которые могут быть получены в результате ана­лиза, непосредственно связано с качеством выбранной аналитической модели, которым оно ограничивается.

После завершения проектирования и выбора оптимальных параметров начина­ется этап оценки проекта. Для этой цели могут изготавливаться прототипы. В конструировании прототипов все большую популярность приобретает новая технология, названная быстрым прототипировапием (rapid prototyping). Эта тех­нология позволяет конструировать прототип снизу вверх, то есть непосредствен­но из проекта, поскольку фактически требует только лишь данных о поперечном сечении конструкции. Если оценка проекта на основании прототипа показывает, что проект не удовлетворяет требованиям, описанный выше процесс разработки повторяется снова.

Если же результат оценки проекта оказывается удовлетворительным, начинает­ся подготовка проектной документации. К ней относятся чертежи, отчеты и спи­ски материалов. Чертежи обычно копируются, а копии передаются на производ­ство.

Как видно по рис. 1.1, процесс производства начинается с планирования, которое выполняется на основании полученных на этапе проектирования чертежей, а заканчивается готовым продуктом. Технологическая подготовка производства - это операция, устанавливающая список технологических процессов по изготов­лению продукта и задающая их параметры. Одновременно выбирается обору­дование, на котором будут производиться технологические операции, такие как получение детали нужной формы из заготовки. В результате подготовки произ­водства составляются план выпуска, списки материалов и программы для обору­дования. На этом же этапе обрабатываются прочие специфические требования, в частности рассматриваются конструкции зажимов и креплений. Подготовка занимает в процессе производства примерно такое же место, как подпроцесс синтеза в процессе проектирования, требуя значительного человеческого опыта и принятия качественных решений. Такая характеристика подразумевает слож­ность компьютеризации данного этапа. После завершения технологической под­готовки начинается выпуск готового продукта и его проверка на соответствие требованиям. Детали, успешно проходящие контроль качества, собираются вме­сте, проходят тестирование функциональности, упаковываются, маркируются и отгружаются заказчикам.

Выше мы описали типичный жизненный цикл продукта. Посмотрим теперь, ка­ким образом на этапах этого цикла могут быть применены технологии CAD, САМ и САЕ. Как уже говорилось, компьютеры не могут широко использоваться в подпроцессе синтеза, поскольку они не обладают способностью хорошо обра­батывать качественную информацию. Однако даже на этом этапе разработчик может, например, при помощи коммерческих баз данных успешно собирать важ­ную для анализа осуществимости информацию, а также пользоваться данными из каталогов.

Непросто представить себе использование компьютера и в процессе концептуа­лизации проекта, потому что компьютер пока еще не стал мощным средством для интеллектуального творчества. На этом этапе компьютер может сделать свой вклад, обеспечивая эффективность создания различных концептуальных проек­тов. Полезными могут оказаться средства параметрического и геометрического моделирования, а также макропрограммы в системах автоматизированной раз­работки чертежей (computer-aided drafting). Все это типичные примеры систем CAD. Система геометрического моделирования (geometric modeling system) — это трехмерный эквивалент системы автоматизированной разработки чертежей, то есть программный пакет, работающий с трехмерными, а не с плоскими объекта­ми.

В аналитической фазе проектирования ценность компьютеров проявляется по-настоящему. Программных пакетов для анализа напряжений, контроля столк­новений и кинематического анализа существует столько, что приводить какие-либо названия смысла не имеет. Эти программные пакеты относятся к средствам автоматизированного конструирования (САЕ). Главная проблема, связанная с их использованием, заключается в необходимости формирования аналитической модели. Проблемы не существовало бы вовсе, если бы аналитическая модель автоматически выводилась из концептуального проекта. Однако, как уже отме­чалось, аналитическая модель не идентична концептуальному проекту - она вы­водится из него путем исключения несущественных деталей и редукции размерностей. Необходимый уровень абстракции зависит от типа анализа и желаемой точности решения. Следовательно, автоматизировать процесс абстрагирова­ния достаточно сложно, поэтому аналитическую модель часто создают отдельно. Обычно абстрактная модель проекта создается в системе разработки рабочих чертежей или в системе геометрического моделирования, а иногда с помощью встроенных средств аналитического пакета. Аналитические пакеты обычно тре­буют, чтобы исследуемая структура была представлена в виде объединения свя­занных сеток, разделяющих объект на отдельные участки, удобные для ком­пьютерной обработки. Если аналитический пакет может генерировать сетку автоматически, человеку остается задать только границы абстрактного объекта. В противном случае сетка также создается пользователем либо в интерактивном режиме, либо автоматически, но в другой программе. Процесс создания сетки называется моделированием методом конечных элементов (finite-element modeling). Моделирование этим методом включает в себя также задание граничных усло­вий и внешних нагрузок.

Подпроцесс анализа может выполняться в цикле оптимизации проекта по ка­ким-либо параметрам. Разработано множество алгоритмов поиска оптимальных решений, а на их основе построены коммерчески доступные программы. Проце­дура оптимизации может считаться компонентом системы автоматизированного проектирования.

Фаза оценки проекта также выигрывает от использования компьютера. Если для оценки проекта нужен прототип, мы можем быстро сконструировать его по за­данному проекту при помощи программных пакетов, генерирующих код для ма­шины быстрого прототипирования. Такие пакеты считаются программами для автоматизированной подготовки производства (САМ). Форма про­тотипа должна быть определена заранее в наборе входных данных. Данные, определяющие форму, получаются в результате геометрического моделирования. Быстрое прототипирование - удобный способ конструирования прототипа, од­нако еще удобнее пользоваться виртуальным прототипом, который часто назы­вается «цифровой копией» (digital mock-up) и позволяет получить столь же полезные сведения.

Совершенство­вание технологий виртуальной реальности всё чаще позволяют нам ощущать цифро­вую копию так же, как реальный прототип. Построение цифровой копии назы­вается виртуальным прототипированием. Виртуальный прототип может, быть создан и в специализированной программе геометрического моделирования.

Последняя фаза процесса разработки - подготовка проектной документации. На этом этапе используются системы подготов­ки рабочих чертежей.

Компьютерные технологии используются и на стадии производства. Процесс про­изводства включает в себя планирование выпуска, проектирование и приобрете­ние новых инструментов, заказ материалов, программирование машин с ЧПУ, контроль качества и упаковку. Компьютерные системы, используемые в этих операциях, могут быть классифицированы как системы автоматизированного производства. Например, программа автоматизированной технологической под­готовки (computer-aided process planning - САРР) используется на этапе подго­товки производства и относится к системам автоматизированного производства
(САМ). Как отмечалось выше, подготовка производства с трудом поддается авто­матизации, поэтому полностью автоматических систем технологической подго­товки в настоящий момент не существует. Однако существует множество программных пакетов, генерирующих код для станков с числовым программным управлением. Станки этого класса позволяют получить деталь нужной формы по данным, хранящимся в компьютере. Они аналогичны машинам для быстрого прототипирования. К системам автоматизированного производства относят также программные па­кеты, управляющие движением роботов при сборке компонентов и перемещении их между операциями, а также пакеты, позволяющие программировать координатно-измерительную машину (coordinate measuring machine - СММ), используемую для проверки продукта.

Итак, мы получили представление о том, каким образом компьютерные технологии используются в операциях, составляющих жизненный цикл продукта, и какие задачи решаются при помощи систем автоматизированного проектирования.