2020-04-12
162
Введение
Историю развития систем автоматизации проектирования (САПР или в международной аббревиатуре CAD – computer added design) можно достаточно условно разбить на три десятилетия.
В 70-х гг. были получены отдельные результаты, показавшие, что область проектирования, в принципе, поддается компьютеризации.
В 80-х появились массовые системы и базовые программные продукты для них.
90-е гг. можно охарактеризовать как период зрелости, когда были осознаны многие реальные задачи практики, исправлены некоторые из допущенных ошибок и CAD-системы наконец реально стали демонстрировать свою эффективность в высокотехнологичных производствах.
Учебный вопрос №1
В зависимости от возможностей все системы условно принято подразделять на три класса: «тяжелые», «средние» и «легкие».
«Тяжелые» системы обладают наиболее широким набором функциональных модулей и позволяют решить максимальный круг задач. Набор функциональных модулей и круг решаемых задач «средних» систем уже, чем у «тяжелых» систем. В состав «тяжелых» и «средних» систем входит мощное трехмерное графическое ядро. «Легкие» системы - системы с наименьшими возможностями, базирующиеся, как правило, на основе двумерного чертежного процессора.
К «легким» можно отнести системы: КОМПАС, T-Flex, Кредо, InterMech, AutoCAD, Caddy, ТИГРАС и др. К «средним» – Cimatron, MicroStation, Prelude, SolidWorks, SolidAge и др. Лидерами индустрии CAD/CAM/CAE-систем являются «тяжелые» системы – I/EMS (Intergraph), CATIA (IBM), Pro/Engineer (Parametric Technology), EDS Unigraphics, CADDS 5 (Computervision), PE/SolidDesigner (Hewlett-Packard) и Euclid (Matra Division). В этих системах реализована интеграция всего цикла создания изделия от проектирования к его анализу и подготовке производства, которая постепенно получает реальное воплощение в программном обеспечении CAD-систем.
Разговоры о полезности интеграции велись очень давно, однако стали воплощаться в практику только тогда, когда основой стал объектно-центричный подход на основе пространственной (трехмерной), как правило твердотельной, модели изделия. Такая модель наиболее точно и наглядно представляет проектируемое изделие, и в нее может быть включена вся существенная информация. Преимущества использования трехмерных моделей очевидны.
· 3D-модели позволяют средствами реалистичного рендеринга и виртуальной реальности представить заказчику концептуальный проект его изделия еще на самой ранней стадии проектирования.
· По 3D-модели могут быть построены чертежи – автоматическое получение изображений видов, сечений, разрезов сборок и деталей, включая генерацию линий разрезов и штриховки.
· По 3D-модели в системах инженерного анализа автоматически генерируется конечноэлементная сетка, по ней производится расчет (простейших физических характеристик) и анализ (прочностной, термический, вибрационный, кинематический и динамический анализ) объекта, результаты анализа наносятся на 3D-модель.
· По 3D-моделям генерируются STL-файлы, подаваемые на вход системы быстрого прототипирования, с помощью которых изготавливаются реальные модели (прототипы) изделий для их последующей оценки или использования.
· 3D-модели открывают уникальные возможности для подготовки производства: достигнуто пятикратное улучшение в точности обработки поверхностей и в четыре - шесть раз сокращено время программирования станков ЧПУ. Повышение качества изделия требует создания высокоточных траекторий инструментов, а для этого нужно генерировать очень большие объемы данных, поскольку режущему инструменту при этом необходимо сделать намного больше проходов по каждой траектории. (Например, чтобы создать программу для ЧПУ при изготовлении типовой головки блока цилиндров, требуется работа 3-4 специалистов в течение примерно пяти месяцев, при этом генерируется около миллиона точек. Автоматическая генерация из твердотельной модели с помощью, например, CV Toolmaker выполняется за полчаса, учитывается два с половиной миллиона точек и достигается высота гребешков менее 0.0001 дюйма при промышленном стандарте в 0.0005 дюйма).
Учебный вопрос №2
Можно назвать следующие способы интеграции систем автоматизированного проектирования различного назначения:
· создание и использование общих баз данных (БД), стандартизация баз данных и систем управления базами данных (СУБД);
· создание и стандартизация программных (межсистемных и внутрисистемных) интерфейсов;
· стандартизация процедур обмена данными между различными САПР посредством прямого и обратного преобразования и передачи данных (процедуры экспорта и импорта) в виде стандартизованных обменных файлов определенных форматов, например igs (стандарт IGES – Inital Graphics Exchange Specification), stp (стандарт STEP), dxf, stl, vda, sat;
· стандартизация системного интерфейса с внутримашинным представлением объектов проектирования, т.е. прием и передача данных через прямые интерфейсы между системами без преобразования данных;
· создание универсального и открытого обеспечения САПР, предусматривающего применение технологий API (Application Programming Interface), т.е. использование стандартных языков программирования (например, Visual C++, Visual Basic, Delphi) для создания пользовательских (внутренних и внешних по отношению к САПР) функций и программ и их связывания с автоматизированной системой;
· реализация в САПР поддержки технологии OLE (Object Linking and Embedding) для связи с Windows-приложениями (современным развитием технологии OLE является технология ActiveX);
· создание и использование гибридного моделирования в CAD-системах, позволяющего использовать функции твердотельного моделирования при поверхностном моделировании;
· модульное построение программного обеспечения САПР, когда одно и то же программное обеспечение (основная его часть) используется при решении широкого спектра задач от машиностроения до электроники;
· стандартизация программного обеспечения и универсализация базовых САПР с целью создания максимально универсальных интегрированных САПР.
Впервые, в промышленном масштабе, это было сделано компанией PTC, выведшей на рынок в 1989 г. с Pro/Engineer, которая с самого начала сделала ставку на полную параметризацию всех моделей. С тех пор средства параметрического моделирования были реализованы во всех системах среднего и старшего уровня. Процесс параметрического моделирования можно описать следующим образом: в ходе построения система накапливает конструкционные параметры и соотношения между ними, а также формирует протокол (историю или дерево хронологий) создания геометрии, позволяя простым изменением параметров легко модифицировать и регенерировать модель. Важно, что параметрическая модель создается интерактивно, без какого-либо программирования (за исключением задания формул), и это вполне по силам пользователю. На данный метод опирается табличная параметризация, реализованная в CADDS, где параметры типовых деталей сведены в таблицу, а генерация нового экземпляра производится путем выбора из таблицы типоразмеров.
Параметризация полезна не только для моделирования, она также автоматизирует итерационную отладку конструкций. Работая в среде параметрического конструирования, пользователь указывает изменяемые параметры, задает связывающие условия, определяет целевую функцию и запускает процесс оптимизации.
Несколько лет назад мировая промышленность рассматривала использование систем твердотельного моделирования как лучший способ решения своих задач. Однако в современных условиях проектировщикам, с одной стороны, нередко не хватает возможностей только твердотельного моделирования, а с другой – использование только каркасного и поверхностного моделирования зачастую не позволяет им быстро и просто добиться требуемого результата.
Гибридное моделирование (Cimatron IT, Cimatron E, CADDS 5, UG/Solid Modelling, Euclid, CATIA) позволяет сочетать каркасную, поверхностную, твердотельную геометрию и использовать комбинации жестко размерного (с явным заданием геометрии) и параметрического моделирования. Конечно, лучше бы использовать единственную стратегию моделирования для всех продуктов, но, во-первых, часто приходится применять ранее наработанные данные либо данные, импортируемые из других систем, а они могут иметь разные представления. Во-вторых, в какие-то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или геометрией 3D, описанной поверхностью. И, наконец, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например, листовое покрытие выгоднее моделировать поверхностью, а для трубопроводов использовать осесимметричное представление.
Важным вопросом является модификация готовых моделей. Например, в HP PE/SolidDesigner 4.0 предложено новое средство – динамическое моделирование (ДМ). ДМ не основано на истории или ограничениях на геометрию, тем самым конструктор избавляется от недостатка параметрических методов, которые требуют знания истории создания модели. С помощью ДМ можно убирать грани, изменять их относительное расположение, строить офсетные грани или изменять толщину существующих тонкостенных деталей. Все эти операции автоматически сохраняют корректность твердотельной модели. Например, операция Remove Face удаляет любую грань, но не производит дырки в модели, поскольку смежные грани автоматически заживляются.
Современные версии CAE-систем (программ технологического анализа) – GFEM, NASTRAN, ANSYS, Euclid Analyst – непосредственно воспринимают на входе геометрию твердого тела, автоматически генерируя конечноэлементную сетку, производят на ней расчет и наносят результаты на 3D-модель. Анализ может заключаться в расчете простейших физических характеристик: веса детали, центроидов, или в выполнении более сложных видов исследований, включая прочностный, термический, вибрационный, кинематический и динамический анализ. Кроме того, производится имитация таких производственных процедур, как заливка и охлаждение. Для визульной оценки динамики заполнения шаблонов и состояния пропускающих каналов строится мультипликация, которая помогает обнаружить некорректные участки на сварных швах и линиях сплавления в полости детали. Моделирование механообработки позволяет оценить качество детали с точки зрения усадки и деформации (коробления, перекоса, искривления).
Сегодня в качестве средства оценки изделия широкое распространение получило быстрое прототипирование (RP). На вход RP-системы подаются STL-файлы, генерируемые по 3D-моделям. Применяется несколько разных RP-технологий. В стереолитографическом процессе жидкие полимеры послойно отвердевают, принимая нужную форму под воздействием ультрафиолетового лазера. После построения прототип извлекается из формы, помещается в печь для окончательного отвердевания и сушки, далее делается полировка и шлифовка.
Учебный вопрос №3
