3. Сапр в машиностроении

Термин «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ, которые в англоязычной терминологии называются CAD/CAM/CAE. Другими словами, эго ПО для автоматизированного проектирования (CAD), подготовки производства (САМ) и инженерного анализа (САЕ).

Рынок САПР. На рынке САПР для машиностроения всеми разработчики за рубежом и у нас во-первых, осознано, что для того, чтобы программный продукт был конкурентоспособным, он должен функционировать под управлением операционной системы Microsoft Windows, которая на сегодня - стандарт для различных промышленных систем. Во-вторых, в связи с интенсивным развитием компьютерной техники, которая является аппаратной составляющей автоматизированного рабочего места конструктора или технолога, широкое развитие получили продукты так называемого среднего класса, способные, при хорошей функциональности, работать на персональных компьютерах и доступные по цене. В результате грань между системами «среднего» и «верхнего» уровней практически стерлась и это разделение утратило актуальность. А если и сохранится, так только в ценовой области, то есть — чем дороже, тем «выше». В настоящее время разработчики активно изыскивают возможности значительного сокращения времени, необходимого для выпуска продуктов на рынок и получения доходов.

Рост рынка машиностроительных CAD/CAM/CAE-систем выражается двузначными цифрами, что обусловлено появлением новых продуктов и внесением значительных улучшений в существующие. В области механических CAD/CAM (без учета САЕ) одним из факторов роста стали недорогие параметрические системы твердотельного моделирования, работающие на платформе intel/Microsoft и не требующие больших затрат. Эти недорогие и удобные системы моделирования деталей и конструкций для машиностроения действительно постепенно изменяют образ мышления пользователей. Впервые создались необходимые условия для перевода основной массы машинос'гроительных разработок с двухмерных САПР на средства твердотельного моделирования. Естественно, двухмерные чертежи при этом никуда не исчезнут, однако теперь они будут автоматически генерироваться непосредственно из трехмерных моделей, которые станут основным средством разработки.

В свою очередь, разработчики дорогостоящих систем также стараются сделать свои системы более доступными, отказываясь от традиционной комплектации — «монолитных» систем со множеством различных функций, что, безусловно, облегчает выбор пользователям. Согласно новому подходу, принятому в настоящее время большинством поставщиков, основные функции моделирования этих систем предлагаются в виде отдельного пакета, цена которого примерно соответствует ценам на системы так называемой средней категории.

Однако основной целью при разработке этих систем было увеличение производительности отдельных инженеров, в то время как в дорогостоящих системах по традиции упор обычно делается на производственном процессе всего предприятия - порой даже в ущерб удобству отдельных пользователей системы.

Что же касается области машиностроительных CAE-систем, то здесь наблюдается рост числа программных продуктов, созданных на основе технологии конечных элементов. Эти программы призваны значительно облегчить инженерам и конструкторам процесс анализа и оптимизации разработок, с целью повышения их качества.

Ряд компаний, являющихся основными участниками машиностроительного рынка САПР во всем мире, приведены ниже в алфавитном порядке.

Autodesk. Компания Autodesk (г.Сан-Рафаэль, шт. Калифорния, США) давно является одним из лидеров рынка САПР. Залог успеха Autodesk - мировое признание AutoCAD в качестве стандарта для разработки изделий и комплектующих, а также документации. Увеличивается количество более дорогостоящих продуктов, созданных на платформе AutoCAD, в частности Autodesk Mechanical Desktop и Autodesk Inventor.

IBM Engineering Technology Solutions. Продуктом IBM ETS является система CATIA фирмы Dassault S.A. (г.Париж, Франция), выпускаемая на рынок, продаваемая, устанавливаемая и поддерживаемая корпорацией IBM. Некоторые продукты CAD/CAM компании Dassault, в том числе SolidWorks, не продаются корпорацией IBM, в то время как IBM предлагает некоторые продукты, не относящиеся к Dassault, в частности MicroCADAM.

Parametric Technology' Corporation (PTC). Еще одним лидером на рынке САПР является корпорация Parametric Technology Corporation (г.Уолтхэм, шт. Массачусетс, США), что обусловлено популярностью ее системы Pro/Engineer. Это положение еще более упрочилось с постоянным выходом новых версиий Pro/Engineer.

Unigraphics Solutions. Рост доходов наблюдался и у компании Unigraphics Solutions (г. Мэриленд-Хайтс, шт. Миссури, США.). Залогом успеха компании стало соглашение с компанией General Motors, которая установила продукты Unigraphics в общей сложности почти на 10 тыс. рабочих мест. Причинами успеха Unigraphics Solutions на рынке являются улучшения основных параметров ее продуктов и приобретение ею лидера в области визуализации и анимации - компании EAI, широко известной своим продуктом ProductVision.

САПР в России и СНГ. Что касается отечественных разработчиков систем автоматизированного проектирования, то здесь также есть свои лидеры.

АСКОН. Компания АСКОН (г. Санкт-Петербург), хорошо известная своим пакетом КОМПАС, выпустила в начале 2000 года новый продукт- систему' трехмерного моделирования КОМПАС-ЗО. В 2007г. году выпущена последняя версия - КОМПАС-3D V-9, представляющая собой полноценную систему, предназначенную для конструкторов. Комплекс систем КОМПАС дополнен электронным справочником, содержащим базу данных конструкционных материалов и сортаментов. Также компания дополнила свои многочисленные продукты для отечественного машиностроения.

Интермех. Минская фирма «Интермех» (Белоруссия) уже в течение ряда лет разрабатывает комплекс программ для автоматизированного конструкторско- технологического проектирования. В настоящее время продукты этой компании и охватывают все этапы проектирования — от разработки непосредственно конструкторской документации (Cadmech), с последующим автоматизированным выпуском текстовых конструкторских документов, до ведения сетевого

иерархического архива предприятия, с возможностью ведения проектов и документооборота предприятия (Search). В последнее время наибольшие изменения претерпела система проектирования трехмерных параметрических деталей и сборок (Cadmech Desktop), позволяющая комплексно решать проблемы трехмерного конструкторского проектирования.

Топ Системы. Компания «Топ Системы» (г. Москва), широко известная своими продуктами на платформе T-FLEX CAD не только в России, но и за рубежом. Она отличается от предыдущих тем, что построена на базе лицензонного ядра Parasolid фирмы Unigraphics Solutions. Кроме того, вышли новые продукты — T-FLEX ЧПУ 2D и 3D (система подготовки программ для станков с ЧПУ) и T-FLEX NC Tracer (система имитации процесса обработки детали на станке с ЧПУ по готовой управляющей программе).

Consistent Software. Компания Consistent Software (г. Москва) добилась больших успехов. Во-первых, за последние годы разработана целая серия специализированных программных продуктов, предназначенных для использования в различных прикладных областях и позволяющих выпускать проектную документацию в соответствии с российскими стандартами. Названия продуктов этой серии объединяет суффикс CS. Такие пакеты, как MechaniCS, ElectriCS, HydrauliCS, уже завоевали известность. Позднее к этому семейству добавились Technologies, GraphiCS и др.

Отечественный рынок систем автоматизации проектирования развивается неравномерно - за подъемом следует спад, затем снова начинается подъем. Сейчас, спрос на ПО растет. Темпы увеличения объемов продаж в секторе САПР для машиностроения опережают среднюю скорость развития ИТ-рынка. Этому способствуют рост промышленного производства и привлечение инвестиций в реальный сектор экономики. Кроме того, заказчики приступили к реализации ранее отложенных проектов - они приобретают новые САПР, оснащают предприятия вычислительной техникой и стремятся снизить издержки и повысить эффективность подготовки проектно-конструкторской документации. Нельзя сбрасывать со счетов и то, что многие переходят на легальное ПО. Таким образом, наша страна постепенно догоняет Запад в сфере автоматизации проектирования, но у нас до насыщения рынка САПР еще далеко.

Первые отечественные САПР, как и зарубежные, работали на машинах ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ. Например, в 1986 г. в Коломенском бюро машиностроения была создана САПР «Каскад» для компьютера СМ ЭВМ. В основу пакета было положено графическое ядро GKS (Graphical Kernel System). В 1987 г. в ЦАГИ им. Жуковского разработали систему «Базовое программно-информационное обеспечение автоматизированных систем конструирования» (БПИО АСК) для оборонной промышленности, реализованную на отечественных аналогах ЭВМ серии VAX и на ЕС ЭВМ. Но особенно активно САПР стали развиваться с наступлением эпохи ПК. В конце 80-х - начале 90-х годов были выпущены сразу несколько систем, оказавших серьезное влияние на развитие САПР в нашей стране. Так, в 1987 г. в Москве появился продукт CherryCAD. Примерно в то же время в Ижевске была создана программа для плоской механообраооткь

85

«Катран». Затем они были интегрированы в единую САПР Adem, выполняющую функции автоматизированного проектирования (CAD) и подготовки производства (САМ), этот продукт сейчас продвигает компания Omega Technologies. В 1989 г. сотрудники Коломенского бюро машиностроения основали компанию АСКОН и выпустили САПР «Компас» для ПК на базе собственного геометрического ядра. В 1992 г. фирма «Топ Системы» разработала программный пакет TopCAD, впоследствии он был переименован в Т-Flex CAD. Сначала для трехмерного моделирования в этой системе применялось геометрическое ядро собственной разработки, затем - ACIS фирмы Spatial Technology и, наконец, - Parasolid от EDS. В 1990 г. на российский рынок вышла белорусская компания «Интермех», которая предлагает свои приложения для САПР AutoCAD фирмы Autodesk. Важную роль в продвижении этой популярной программы сыграли и два других дистрибьютора Autodesk - «Русская промышленная компания» (РПК) и Consistence Software, адаптировавшие ее для отечественных предприятий. Кроме того, немало отечественных фирм предлагает свои программы двумерного проектирования, аналогичные AutoCAD, но менее мощные и дешевые.

Таким образом, сейчас в нашей стране сформировалось сообщество поставщиков САПР (табл. 3.1), включающее отечественных разработчиков и дистрибьюторов западных продуктов. Важную роль в этом сегменте рынка играют и представительства ведущих зарубежных фирм - EDS, Dassault/IBM, PTC, SolidWorks, MSC.Software и других.

Таблица 3.1

Основные CAD/CAM/CAE-системы, представленные на российском рынке

Характеристики программных продуктов. В настоящее время на рынке осталось лишь три САПР верхнего ценового класса - Unigraphics NX компании EDS, CAT!А французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от PTC (Parametric Technology Corp.). Раньше мощных системы было больше, но после череды слияний и поглощений компаний, число пакетов сократилось. Упомянутые компании — лидеры в области САПР, а их продукты занимают львиную долю рынка в денежном выражении. Главная особенность «тяжелых» САПР - обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы - все это результат длительного развития. Однако, эти системы немолоды - CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer - в 1988 г., a Unigraphics NX, хотя и вышла в 2002 г., является результатом слияния двух весьма почтенных по возрасту систем — Unigraphics и I-Deas, полученных фирмой EDS в результате приобретения компаний Unigraphics и SDRC. Все названные программы включают средства трехмерного твердотельного и поверхностного моделирования, а также модули структурного анализа и подготовки к производству, т. е. являются интегрированными пакетами CAD/CAM/CAE. Кроме того, все три поставщика предлагают для своих САПР системы управления инженерными данными (PDM), позволяющие управлять всей конструкторско-технологической документацией и предоставлять дополнитель­ные данные, экспортированные из других корпоративных систем, из справочников и нормативных источников. Несмотря на то, что тяжелые системы стоят значительно дороже своих более «легких» собратьев (десятки тысяч долларов за одно рабочее место), затраты на их приобретение окупаются, особенно когда речь идет о сложном производстве, например машиностроении, двигателестроении, авиационной и аэрокосмической промышленности. Однако крупных клиентов, способных платить за САПР миллионы долларов не так много. По мнению аналитиков, этот сегмент рынка уже практически насыщен и поделен между «китами» индустрии. Сейчас производители средств автоматизации проектирования возлагают надежды на предприятия среднего и малого бизнеса, которых гораздо больше, чем промышленных гигантов. Для них предназначены системы среднего и легкого классов.

Пакеты среднего класса появились в мире САПР недавно - в середине 90-х годов. До этого существовало только два полюса — на одном мощные системы, работающие на Unix-станциях (впрочем, тогда их было гораздо больше, чем сейчас), а на другом — простые программы двумерного черчения для ПК. Но как только ПК обрел достаточную мощность, a Windows стала многозадачной и более устойчивой, разработчики смогли создать системы автоматизированного проектирования, которые заняли промежуточное положение между тяжелыми и легкими продуктами. От первых они унаследовали возможности трехмерного твердотельного и поверхностного моделирования, а от вторых — невысокую цену, удобный интерфейс и ориентацию на платформу Windows. Новинки произвели настоящий переворот в САПР, позволив многим конструкторским и проектным организациям перейти с двумерного на трехмерное моделирование.

Важную роль в становлении среднего класса сыграли два ядра твердотельного параметрического моделирования ACIS и Parasolid, которые появились в начале 90-х годов и сейчас используются во многих ведущих САПР. Геометрическое ядро служит для точного математического представления трехмерной формы изделия и управления этой моделью. Полученные с его помощью геометрические данные используются системами CAD, САМ и САЕ для разработки конструктивных элементов, сборок и изделий. В настоящее время Parasolid принадлежит фирме EDS, a ACIS — компании Dassault, которые продают лицензии на их использование всем желающим. Использование готового ядра избавляет разработчиков системы от решения трудоемких задач твердотельного моделирования и позволяет сосредоточиться на пользовательском интерфейсе и других функциях. Впрочем, это не значит, что все САПР среднего класса построены на базе этих моделей. Многие компании ценят независимость и предпочитают разрабатывать собственные «движки». В числе лидеров «среднего» сегмента - система SolidWorks одноименной компании (в настоящее время — подразделение Dassault Systemes), пакет SolidEdge (разработан фирмой Intergraph, теперь принадлежит EDS), а также программа Inventor от Autodesk. Кроме них в данном сегменте работает множество компаний, в том числе и российских, предлагающих относительно недорогие системы. Их популярность среди пользователей постоянно растет, и благодаря этому данная область динамично развивается. В результате по функциональным возможностям средний класс постепенно догоняет своих более дорогостоящих конкурентов. Например, будучи изначально средствами твердотельного моделирования, эти системы в ходе эволюции обрели функции поверхностного моделирования, подготовки производства, инженерного анализа и даже управления инженерными данными. Однако далеко не всем пользователям требуются такое разнообразие возможностей. Видимо, именно этим объясняется то, что переход с двумерных систем на трехмерные еще не завершился, и многие пользователи до сих пор предпочитают программы легкого класса, которые, к тому же, гораздо дешевле,

Программы легкой категории служат для двумерного черчения, поэтому их обычно называют электронной чертежной доской. К настоящему времени они пополнились некоторыми трехмерными возможностями, но не имеют средств параметрического моделирования, которыми обладают тяжелые и средние САПР.

Подлинный расцвет в этой области ПО наступил в 80-е годы с появлением персональных компьютеров. Пионером в этой области стала компания Autodesk, которая в 1983 г. выпустила САПР для ПК под названием AutoCAD. Успех был феноменальным - уже в 1987 г. было продано 100 тыс. копий AutoCAD. В результате Autodesk удалось занять изрядную долю рынка САПР, вытеснив тяжеловесов из сегмента программ для черчения. В 1984г. фирма Bently представила программу Microstation, которая стала основным конкурентом AutoCAD. Кроме них сейчас существует множество других «легких» САПР, включая DataCAD одноименной компании, TurboCAD фирмы IMSI, SurfCAM от Surfware и другие. Эти продукты проще и дешевле тяжелых и средних САПР, поэтому пользуются спросом.

Таким образом, развитие рынка САПР идет двумя путями - эволюционным и революционным. В свое время революционный переворот произвели первые САПР для ПК и системы среднего класса. Сейчас рынок развивается эволюционно: расширяются функциональные возможности продуктов, повышается производительность, упрощается использование. Но, возможно, вскоре нас ждет очередная революция, когда разработчики САПР начнут использовать для хранения инженерных данных (чертежей, трехмерных моделей, списков материалов и т. д.) не файловые структуры, а стандартные базы данных SQL-типа. В результате инженерная информация станет структурированной, и управлять ею будет гораздо проще, чем теперь.

4. ВИРТУАЛЬНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Виртуальная инженерия (virtual engineering) — это имитационный метод, помогающий инженерам в принятии решений. Это зарождающаяся технология разработки, основанная на имитации. Прогресс современной имитационной технологии позволил подойти к применению виртуальной инженерии в промышленности для сокращения затрат времени и средств на создание изделий.

Виртуальная среда представляет собой вычислительную структуру, позволяющую точно имитировать геометрические и физические свойства реальных объектов. Виртуальная инженерия включает имитацию различных видов инженерной деятельности , таких как проектирование, сборка, обработка, управление. Таким образом, виртуальная инженерия может охватить весь цикл разработки и производства продукта. Она дает совершенно новый подход к инженерным задачам.

1. Компоненты виртуальной инженерии

Основным компонентом виртуальной инженерии является виртуальное производство (virtual manufacturing). В терминах жизненног цикла виртуальное \/ производство можно классифицировать как виртуальное проектирование, цифровую имитацию, виртуальное прототипирование и виртуальный завод.

Виртуальное проектирование выполняется в виртуальной среде с использованием аппаратуры и технологий виртуальной реальности. Основная цель виртуального проектирования - позволить конструктору действовать интуитивным и естественным образом. Вторая цель - на ранних стадиях проектирования учесть точку зрения потенциального пользователя продукта. Третья цель - учесть при проектировании опыт экспертов в сборке или манипулировании деталями. Виртуальное проектирование потребует совершенно иного подхода к моделированию трехмерной геометрии. Например, меню и кнопки заменяются технологией распознования жестов или речи.

Цифровая имитация обеспечивает проверку процесса. Операции обработки необходимо тщательно проверить, прежде чем их начинать реально выполнять. Используя цифровую имитацию перед началом обработки можно проверить траекторию перемещения инструмента оборудования с ЧПУ, щупа координатно­

измерительной машины или руки робота. Контроль за снятием материала позволяет выявлять ситуации, приводящие к вибрациям и поломкам инструмента, столкновению инструмента с приспособлением или деталью. Визуализация позволяет также инженеру лучше понять объект, заранее проверить его эксплуатационные качества. В настоящее время для этой цели применяют в основном кинематическую имитацию твердых тел. Имитация моделей более высокого уровня (жидкостей, сложных сред, человеческих существ) требует моделирования физических эффектов. Сложные имитации с использованием виртуальных прототипов помогут осуществить проверку характеристик объекта быстрее и с меньшихми затратами.

Виртуальным прототипированием (virtual prototyping) называют построение прототипа объекта из гастрических моделей его частей. Виртуальный прототип \/ называют иногда цифровым макетом или цифровой сборкой. Системы цифрового прототипирования позволяют визуализировать процесс сборки и проверять ес осуществимость в рамках имеющихся производственных ограничений. Путем сборки виртуального прототипа объекта можно выявить конструктивные просчеты и своевременно внести изменения в проект. Виртуальное прототипирование со временем может устранить дорогие и трудоемкие физические прототипы.

Виртуальный завод (virtual factor- это смоделированная на компьютере полная производственная система. Виртуальный завод имитирует конструкции производственых участков, производственные процессы и складские системы. Для него возможно программирование заводского оборудования с ЧПУ. Эти возможности позволяют использовать виртуальный завод для планирования производства и сравнения альтернативных способов производства.

Таким образом процесс виртуальной инженерии начинается с геометрических моделей, затем имитируется производственна система и в конце изготавливается _t/ виртуальный прототип или продукт. Поскольку на выходе этот процесс не дает физических объектов, то складывается впечатление о его фиктивности. Однако виртуальная инженерия, позволяя испытать различные варианты конструкций и выбрать из них оптимальный до начала реального производства, может стать эффективным средством не только проектирования, но и совершенствования производственной деятельности.

2. CALS-технологии

Система качества является одной из важнейших подсистем компьютерно- иитерированного ппроизводства. С середины 90-х годов за рубежом начали / внедряться CALS-технологии обеспечения качества изделий. Идеологическая основа такого подхода основывается на апробированных стандартах и ряде новых, включает группу методик технологического анализа IDEF. Применение этой технологии предполагает информационное сопровождение на всем жизненном цикле изделия его электронной моделью.

CALS-технологии - это технология комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которой - унификация и стандартизация

91

спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла. Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документацией. В CALS— системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Соответствующие системы автоматизации назвали автоматизированными логистическими системами или CALS (Computer Aided Logistic Systems). Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, применяют и более соответствующую предмету' расшифровку аббревиатуры CALS - Computer Acquisition and LifeCycle Support.

Построение открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности составляет основу современной CALS-технологии. Главная проблема их построения - обеспечение единообразного описания и интерпретации данных независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAD/CAPP/CAM/CAE - системы. Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.

Следовательно, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. Поэтому в основу CALS-технологии положен ряд стандартов, обеспечивающих такую интеграцию. Это прежде всего стандарты STEP, а также Parts Library, Mandate, SGML (Standard Generalized Markup Language), EDIFACT (Electronic Data Interchange For Administration, Commersc, Transport) и др. Стандарт SGML устанавливает способы унифицированного оформления документов определенного назначения — отчетов, каталогов, бюллетеней и т.'^., а стандарт EDIFACT - способы обмена подобными документами.

Применение ^ALS позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описание многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых; серверов, доступных любому пользователю технологии CALS. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций. Ожидается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологии CALS.

Развитие CALS-технодогии должно способствовать появлению так называемых виртуальных производств — основной компоненты виртуальной инженерии, при которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными организациями. Среди несомненных достижений CALS-технологии следует отметить легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках.

семь видов обеспечения:

• организационное, представляемое совокупностью документов, определяющих состав и структуру САПР, иерархию, виды взаимодействий и ограничений; включает положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру проектного подразделения и взаимодействие его с комплексом средств автоматизированного проектирования;

• методическое, включающее различные методики проектирования, иногда к нему относят также математическое обеспечение;

• математическое, объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;

• программное, представляемое компьютерными программами САПР;

1информационное, состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также других данных, используемых при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД носиг название банка данных (БнД);

• лингвистическое, выражаемое языками общения между проектировщиками и программами автоматизированного проектирования, языки программирования и проектирования;

• техническое, включающее аппаратные средства вычислительной и периферийной техники, каналы связи, вспомогательные устройства.