Лекция 5. Компоненты САПР

Раздел 2. Возможности САПР в процессах проектирования и производства продукции.

Раздел 1. Задачи, решаемые в процессе разработки и производства продукта в машиностроении

В литературе по САПР часто используется англоязычная терминология. Познакомимся с ней. В зарубежной литературе САПР подразделяют на:

Ø компьютерный дизайн (computer-aided design – CAD), под которым понимают автоматизированную разработку чертежей узлов и деталей различных изделий;

Ø автоматизированное (с использованием компьютеров) производство (computer-aided manufacturing – CAM), которое в отечественной терминологии часто называют безбумажным проектированием, заключающееся, например, в том, что разработанный на компьютере чертеж в автоматическом режиме преобразуется в команды управления станками, изготавливающими деталь по этому чертежу;

Ø автоматизированную разработку или конструирование (computer-aided engineering – CAE), позволяющую в автоматическом режиме рассчитывать прочность деталей, взаимодействие узлов механизмов, анализ допусков, расчет масс-инерционных свойств и выполнять ряд других важных для проектирования расчетов.

Чтобы понять значение систем CAD/CAM/CAE, рассмотрим задачи и операции, которые приходится решать и выполнять в процессе разработки и производства продукта.

Два главных процесса в жизненном цикле любого продукта – это разработка и производство. Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналитические и синтетические. Первичные операции разработки, такие как определение необходимости разработки, формулирование технических требований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а также концептуализация разработки, относятся к процессу синтеза. Результатом синтеза является концептуальный проект предполагаемого продукта в форме эскиза или чертежа, отражающего связи различных компонентов продукта. Большая часть информации, порождаемой и обрабатываемой в рамках процесса синтеза, является качественной, а следовательно неудобной для компьютерной обработки.

Готовый концептуальный проект анализируется и оптимизируется – это уже процесс анализа. Прежде всего, вырабатывается аналитическая модель, поскольку анализируется именно модель, а не сам проект. 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 параметром, характеризующим толщину, 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. 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 связанно с качеством выбранной аналитической модели, которым оно ограничивается.

После завершения проектирования и выбора оптимальных параметров начинается этап оценки проекта. Для этой цели могут использоваться прототипы. 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.

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. В результате подготовки производства составляются план выпуска, списки материалов и программы для оборудования. После завершения технологической подготовки начинается выпуск готового продукта и его проверка на соответствие требованиям. Детали, успешно прошедшие контроль качества, собираются вместе, проходят тестирование функциональности, упаковываются, маркируются и отгружаются заказчикам.

Рассмотрим теперь, каким образом в описанных выше процессах могут быть применены технологии САПР. Как уже говорилось, компьютеры не могут широко использоваться в процессе 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 проекта информацию, а также пользоваться данными из каталогов.

САПР лишь ограниченно может быть использован и в процессе концептуализации проекта, потому что компьютер лишен способности интеллектуального творчества. На этом этапе полезными могут оказаться компьютерные средства моделирования, а также программы автоматизированной разработки чертежей. Все это типичные примеры систем CAD.

В аналитической фазе проектирования ценность компьютеров проявляется в наибольшей степени. В частности, пакеты САПР используются для анализа напряжений, контроля столкновений и кинематического анализа. Эти программные пакеты относятся к средствам автоматизированного конструирования (САЕ).

Главная проблема, связанная с их использованием, заключается в необходимости формирования аналитической модели. Необходимый уровень абстракции зависит от типа анализа и желаемой точности решения. Автоматизировать процесс абстрагирования достаточно сложно, поэтому аналитическую модель часто создают отдельно.

Процесс анализа может выполняться в цикле оптимизации проекта по каким-либо параметрам. Процедура оптимизации может считаться компонентом системы автоматизированного проектирования.

В фазе оценки проекта также можно использовать компьютер. Если для оценки проекта нужен прототип, то имеется возможность быстро сконструировать его по заданному проекту при помощи специальных программных пакетов.

Последняя фаза процесса разработки – подготовка проектной документации. На этом этапе чрезвычайно полезным оказывается использование систем подготовки рабочих чертежей. Способность подобных систем работать с файлами позволяет систематизировать хранение и обеспечить удобство поиска документов.

Компьютерные технологии используются и на стадии производства. Процесс производства включает в себя планирование выпуска, проектирование и приобретение новых инструментов, заказ материалов, программирование станков с числовым программным управлением, 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 – CAPP) используется на этапе подготовки производства и относится к системам автоматизированного производства (САМ). Существует множество хороших программных пакетов, генерирующих управляющий код для станков с числовым программным управлением. Это позволяет получить деталь нужной формы по данным, хранящимся в компьютере. К системам автоматизированного производства относятся также программные пакеты, управляющие движением роботов при сборке компонентов и перемещении их между операциями и ряд других.

Таким образом, технологии CAD, CAM и САЕ заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий разработки проекта, подготовки производства и изготовления продукта. В заключение следует отметить, что в настоящее время компьютерные технологии развиваются не только в направлении все большей интеграции проектирования и производства. Создаются системы использующие компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предприятием, в частности, бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, однако рассмотрение таких систем выходит за рамки данного курса.

Цель занятия. Знакомство студентов с подсистемами системы автоматизированного проектирования, организацией вычислительной сети САПР и аппаратными средствами, используемыми проектировщиками в работе с САПР.