Мировой рынок CAD/CAM/CAE-систем

По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требования, принадлежат так называемые CAD/CAM/CAE-системы (системы автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа).

Общие сведения о CAD/CAM/CAE-системах

CAD-системы (сomputer-aided design - компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

CAM-системы (computer-aided manufacturing - компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы (computer-aided engineering поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

История развития мирового рынка CAD/CAM/CAE-систем

Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет.

Первый этап начался в 70-е гг. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (80-е гг.) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE-системы массового применения. Третий этап развития рынка (с 90-х гг. до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE-систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность).

На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах, присоединенных к мэйнфреймам производства компаний IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ PDP/11 (от Digital Equipment Corporation) и Nova (производства Data General). Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мейнфреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE-систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, т.к. микропроцессоры были еще весьма несовершенными. По данным журнала Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000.

Мейнфре́йм (также мэйнфрейм, от англ. mainframe) — большой универсальный высокопроизводительный отказоустойчивый сервер со значительными ресурсами ввода-вывода, большим объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для использования в критически важных системах (англ. mission-critical) с интенсивной пакетной и оперативной транзакционной обработкой.

Основной разработчик мейнфреймов — корпорация IBM, самые известные мейнфреймы ей выпущены в рамках продуктовых линеек System/360, 370, 390, zSeries. В разное время мейнфреймы производили Hitachi, Bull, Unisys, DEC, Honeywell, Burroughs, Siemens, Amdahl, Fujitsu, в странах СЭВ выпускались мейнфреймы ЕС ЭВМ.

Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоев микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 80-х гг. был осуществлен постепенный перевод CAD-систем с мэйнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до $20000.

Следует сказать, что в начале 80-х гг. произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК:

- часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;

- другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК ее производства работали под управлением ОС Unix от AT&T, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).

Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоемкие приложения.

К середине 80-х гг. возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computing RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Такая архитектура позволила существенно повысить производительность CAD-систем.

С середины 90-х гг. развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 90-х гг., и их позиции все еще сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас ОС Windows практически полностью доминирует в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объемам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, $6000 у Pro/Engineer).

International Data Corporation (IDC) — аналитическая фирма, специализирующаяся на исследованиях рынка информационных технологий.

Является подразделением компании International Data Group. Штаб-квартира — Фремингем, Массачусетс. По собственным данным на IDC работают более тысячи аналитиков в 110 странах мира.[1]

Общая классификация CAD/CAM/CAE-систем

За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE-систем сложилась их общепринятая международная классификация:

- чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор);

- системы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, которая дает возможность решения задач его моделирования вплоть до момента изготовления.

- системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD Electronic Product Definition). EPD это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. При применении EPD-концепции предполагается замещение компонентно-центрического последовательного проектирования сложного изделия на изделие-центрический процесс, выполняемый проектно-производственными командами, работающими коллективно.

Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автономных CAD-, CAM- и CAE-систем в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы.

Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE-систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Следует отметить, что это деление является достаточно условным, т.к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными.

Системы нижнего уровня предназначены для автоматизации создания текстовой и чертежной документации, используемой в производстве, а также для решения отдельных задач подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ. По своей сути системы нижнего уровня являются компьютерным аналогом кульмана, и эффект от их применения сводится к повышению качества и точности подготовки конструкторско-технологической документации. К системам нижнего уровня можно отнести такие системы, как КОМПАС-График и AutoCAD. Ввиду их существенной ограниченности, ассортимент систем нижнего уровня в последние годы сильно сократился, но некоторые системы по-прежнему сохранили свою актуальность и востребованность, как необходимое дополнение к системам среднего и верхнего уровня.

Системы среднего уровня представляют на сегодняшний день самый широкий спектр решений, развившийся как более функционально продвинутая альтернатива набору систем нижнего уровня. Особенностью систем среднего уровня является то, что в основе их функционирования лежит применение методов трехмерного моделирования (твердотельного и/или поверхностного). Отличительной чертой систем среднего уровня является их узкая ориентация на определенный класс задач: конструирование изделий и подготовка конструкторской документации, моделирование механообработки определенного типа и разработка техпроцессов, выполнение определенного типа анализа.

Системы среднего уровня ограничены как в возможностях геометрического моделирования, так и в функциональном отношении, однако более всего они ограничены в вопросах обеспечения взаимодействия с другими системами.

Основное назначение систем среднего уровня можно описать как универсальный инструмент для быстрого создания несложных моделей, подготовки и выпуска чертежей. Системы среднего уровня не имеют специализированных приложений для решения специфических задач подготовки производства, таких, например, как проектирование и изготовление оснастки, анализа и оптимизации конструкции. Для решения задач уровня предприятия необходимо комбинировать различные системы, а так же дополнять системы среднего уровня более специализированными системами нижнего уровня. И хотя разработчики и поставщики систем среднего уровня заявляют об их тесной интеграции между собой и возможности таким образом автоматизировать с их помощью все инженерные работы современного машиностроительного предприятия, выстроить на их основе единый комплекс не удается. Причиной тому является отсутствие ассоциативной связи между разнородными системами. Это означает, что однозначно из системы в систему передается только геометрические данные. Данные же топологические (т.е. методика разработки проекта) и структурные (иерархия проекта, структурные связи между его компонентами) между системами не передаются в виду разнородности их математических моделей (ядер). То же самое касается и внутренней информации об изделии: каждая система хранит внутри себя собственную копию математической модели, в которой содержится информация о размерах, допусках точности и т.д., не доступная для других систем. В этом случае, помимо передачи геометрии из системы в систему через стандартный интерфейс, необходимо передавать еще и подробную чертежную документацию, связанную с моделью только формально. В случае, если при передаче чертежа в нем была обнаружена и исправлена ошибка, то это может не найти своего отражения в модели, т.к. по сути это совершенно разные, не связанные друг с другом единицы информации.

Нужно отметить, что ряд систем среднего уровня формально предлагают автоматизацию всех видов конструкторско-технологической подготовки производства. Но в данном случае речь идет скорее об автоматизации отдельных видов работ на каждом участке цикла «проектирование-производство» - по сути, обычный кульман заменяется электронным без привнесения качественно новых методов работы. Повышение эффективности работы при таком подходе происходит весьма незначительное при полном отсутствии перспектив для ее повышения.

В общем, можно рассматривать процесс автоматизации всего предприятия, проводимый с использованием систем среднего уровня, как процесс насыщения подразделений разнородными средствами от разных разработчиков и поставщиков, что приводит к возникновению проблем иного рода: трудности с передачей данных из одной системы в другую, многократное дублирование данных без возможности контроля их соответствия, обучение специалистов использованию нескольких систем одновременно.

При таком подходе теряется ответственность отдельного поставщика или исполнителя за конечный результат внедрения или какой-либо работы.

Ограниченная функциональность систем среднего не позволяет эксплуатировать такие пакеты в промышленном масштабе вынуждает даже малые предприятия переходить на более эффективную технологию. Типичными примерами систем среднего уровня являются SolidWorks, SolidEdge, PowerSolutions и другие.

Системы верхнего уровня предлагают наиболее полный набор функциональных возможностей и инструментальных средств для автоматизации всего цикла проектирования и подготовки производства продукции.

Все системы верхнего уровня включают средства автоматизированного конструирования, технологической подготовки производства и средства автоматизации инженерных расчетов. Каждая из систем базируется на собственном геометрическом ядре, и способна решать широкий спектр задач проектирования и подготовки производства вне зависимости от сложности проектируемых изделий.

Системы верхнего уровня являются наиболее универсальными, они допускают работу различных групп пользователей над одним проектом совместно и управления данными на уровне рабочих групп. Такие системы содержат различные прикладные модули, которые связаны между собой. Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, EUCLID, I-DEAS (все они имеют расчетную часть CAE).

Сказать однозначно, что та или иная система лучше не представляется возможным. Есть большое количество косвенных критериев, таких как коммерческий успех системы или конкретный опыт использования на родственных предприятиях, по которым можно сделать выбор для корпорации.

На сегодняшний день основными критериями выбора той или иной системы являются:

- полнота функциональных возможностей (включая адаптацию к отечественным стандартам);

- наличие уникальных функций, жизненно необходимых предприятию либо имеющих важное значение (например, оптимизационное моделирование или интеграция с САПР электроники);

- средняя стоимость одного рабочего места;

- простота интерфейса и легкость освоения (включая наличие необходимых учебников и справочников на русскомязыке).

*********************************************

Выгоды от применения CAD/CAM/CAE-систем

CAD/CAM/CAE-системы занимают особое положение среди других приложений, поскольку представляют индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства. В настоящее время общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, танков, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения CAD/CAM/CAE-систем. За последние годы CAD/CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции (повышая, тем самым, ее конкурентоспособность). В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может зафиксировать нестыковку, и экономит на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого относительно несложного изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели двигателя обойдется в полмиллиона долларов, а полномасштабный прототип самолета будет стоить уже десятки миллионов долларов.

Например, широко известен проект разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для самолета бизнес-класса Learjet 45 при помощи современных CAD/CAM/CAE-систем. Результаты выполнения проекта просто впечатляют.

Ранее компания Shorts использовала в проектно-конструкторских работах проволочное моделирование деталей. В создаваемых Shorts Brothers фюзеляжах самолетов обычно насчитывалось до 9500 структурных деталей. Подобные проекты могли потребовать более 440000 человеко-дней (до 4-х лет для завершения проекта).

Фюзеляж Learjet 45 оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в значительно меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. Кроме того, примерно в 10 раз было улучшено качество деталей и самой сборки фюзеляжа, а общее число деталей сокращено на 60% (при снижении объема основных переделок на 90% по сравнению с предыдущими проектами). В целом, компания Shorts смогла уменьшить число компонентов с 9500 до 3700 (на 60%). Полное время на проектирование и технологическую подготовку производства было сокращено до 125000 человеко-дней. Общее время разработки и технологической подготовки производства до 60000 человеко-дней, а весь цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4-х лет до 1,5-2 лет.

CAE-технологии в 2014 году: обзор достижений и анализ рынка