Международная классификация САПР

На сегодняшний день на рынке компьютерных систем промышленной автоматизации представлено очень большое количество программно-методических комплексов и компонент промышленного назначения как западного, так и отечественного происхождения. Сам факт такого многообразия инструментария автоматизированного проектирования иллюстрирует сложность и неоднозначность проблемы выбора и комплексирования САПР.

За почти полувековой период существования CAD/САМ/CAE-систем сложилась их неофициальная международная классификация, согласно которой принято условно разделять все реализации САПР на несколько уровней. До 1990 годов существовало только два противоположных полюса в развитии интерактивных САПР. С одной стороны, развивались универсальные, с широким диапазоном применения (полномасштабные) системы, работающие на специализированных графических рабочих станциях, их в России принято называть тяжелыми. С другой стороны, появление персональных компьютеров вызвало развитие простейших инженерных программ, автоматизирующих разработку проектно-конструкторской документации, и, прежде всего, двухмерное черчение, которые считаются легкими. К середине 90-х гг. вычислительная мощность и графические возможности персональных компьютеров значительно выросли. Это позволило разработчикам создать системы автоматизированного проектирования, которые заняли промежуточное положение между тяжелым и легким классами системы среднего класса. От первых они унаследовали возможности трехмерного твердотельного моделирования, а от вторых — невысокую цену и ориентацию на платформу Windows.

В качестве особого, четвертого класса некоторые специалисты выделяют объектно-ориентированные программы и системы специального назначения — специализированные системы.

Специализированные САПР. Специализированными называют промышленные системы, предназначенные для автоматизации решения задач в конкретной предметной области, например, проектировании атомных реакторов, лопаток турбомашин, пресс-форм или конкретной инженерной задачи — трассировка трубопроводов, электрики, проектирование листовых деталей и т.п. Такие системы могут быть очень развитыми и сложными, как, например, модули инженерного анализа. Нередко разработкой высокопрофессиональных специализированных программно-методических комплексов и компонент САПР занимаются отдельные компьютерные фирмы (ANSYS, FlowVision, MSC, DelCAM и др.).

Специализированные САПР используются как самостоятельно для решения узких профессиональных задач, так и в качестве подсистем в составе полномасштабных систем автоматизации. В рамках международной классификации специализированными системами можно считать и САПР ТП - системы автоматизированного проектирования технологических процессов. В России современное программное обеспечение САПР ТП в основном создаётся и функционирует в составе универсальных комплексных САПР среднего класса. Например, одна из самых популярных российских САПР - ТП ВЕРТИКАЛЬ - разрабатывается фирмой АСКОН и работает совместно с КОМПАС-3D. ТехноПро (фирма Вектор-Альянс) интегрируется с T-FLEX (фирма Топ-Системы), TESHCARD (Белорусская НПП ИНТЕРМЕХ) поставляется с AutoCAD и т.д. Тяжелые (полномасштабные) системы позволяют комплексно автоматизировать процесс технической подготовки производства самых сложных и многокомпонентных изделий, объединять коллективы разработчиков вплоть до уровня международной корпорации. Все признанные тяжелый представлены исключительно разработками американских и западноевропейских фирм. Несмотря на выдающиеся технические характеристики этих программных продуктов, общее число полноценно функционирующих автоматизированных рабочих мест полномасштабных систем в российской промышленности относительно невелико. Это объясняется не только высокой ценой, но и сложностью внедрения и эксплуатации систем. В основном такими программами оснащаются предприятия, имеющие прямые связи с западными фирмами, для облегчения решения проблемы передачи данных. В этом случае выбор производителя САПР (вплоть до версии и комплектации) определяется корпоративными стандартами партнера.

Автоматизированные системы среднего класса на российских предприятиях встречаются значительно чаще. У таких продуктов более явственно проявляется предметная специализация. Хотя системы одного класса обладают примерно одинаковым перечнем функциональных блоков, их возможности не всегда равноценны. Большинство предлагаемых на рынке средних решений успешно справляются с задачами объемного твердотельного моделирования и ориентированы, прежде всего, на автоматизацию труда конструктора.

Некоторые средние системы обладают более развитыми технологическими блоками и подсистемами. Подготовленные с их помощью объемные поверхностные модели используются для создания управляющих программ для станков с числовым программным управлением. Например, технологические подразделения некоторых ведущих машиностроительных предприятий в самарском регионе с успехом работают на системах, построенных на основе продуктов английской фирмы DelCAM (Power Shape, Power Mill, Power Inspect) и израильской системы Cimatron. На рынке средних систем небезуспешно и все чаще начинают проявляться российские разработки, такие как T-FLEX, ADEM, СПРУТ, ГЕММА-3D, КОМПАС-3D. Несомненным достоинством этих продуктов является наиболее полное соответствие отечественным стандартам, а также реализация принятых в России и странах ближнего зарубежья методов расчетов, проектирования и и документирования.

Легкие системы в настоящее время являются самыми массовыми и распространенными как в российской, так и в мировой промышленности. Особо следует отметить их присутствие на предприятиях даже в случае комплексной автоматизации КТПП использованием тяжелых и средних компонент САПР. Главное предназначение — автоматизация разработки и сопровождения технической документации. Лучшие из этих прикладных программных средств позволяют не только повысить качество оформления конструкторских чертежей и спецификаций, технологических карт, разнообразных схем и ведомостей, но и максимально автоматизировать все рутинные составляющие творческой инженерной работы. В цикле КТПП немало повседневных задач, связанных с созданием, модификацией и изменениями документов, использованием типовых конструктивов, нормалей и многого другого, что не требует сложного моделирования, но отнимает у исполнителя много времени и сил.

Сроки и безошибочность разработки комплекта проектной документации на изделие до сих пор являются основными показателями работы инженерных подразделений предприятий. Поэтому легкая инструментальная система, формирующая конечный результат КТПП, самая массовая как по количеству рабочих мест, так и по охвату различных инженерных служб, часто выступает в роли основного, базового элемента всей автоматизированной системы предприятия.

Интегрированные САПР. В современных компьютерных терминах практическую задачу «интеграции компьютерных моделей, используемых на протяжении всех этапов технической подготовки производства» впервые поставила компания Parametric echnology (РТС). В 1988 г. тогда еще революционная концепция «полной ассоциативности всех видов данных об изделии на основ единой структуры» была реализована инженерами РТС в системе Pro/Engineer. В настоящее время аналогичных подходов придерживаются и все остальные производители полномасштабных САПР.

Опыт ведущих машиностроительных предприятий показывает, что на практике не удается построить интеграционную цепочку на основе продукции одного производителя программных средств (гомогенная система). Чаще всего встречаются комбинации компьютерных комплексов и компонент различных классов и фирм — гетерогенная система.

Интегрированные системы, работающие в едином информационном пространстве (базе данных проекта по терминологии РТС), позволяют реализовать концепцию так называемой параллельной инженерии. При таком подходе все проектировщики работают с комплексной математической моделью, а не с набором различных моделей. Таким образом, с появлением современных интегрированных САПР возникла новая информационная технология организации КТПП, интегрирующая все работы в цикле «проектирование — расчеты - технологическая подготовка — производство». При этом появилась возможность внесения изменений в проект на любой его стадии. Единая структура информации о проекте позволяет организовать полную двунаправленную ассоциативность на всех уровнях проектирования, что значительно ускоряет процессы проектирования и снижает себестоимость разработок.

Безусловными лидерами, определяющими приоритетные направления развития промышленных автоматизированных систем, в настоящее время считаются несколько международных компьютерных корпораций, предлагающих самые широкие (полномасштабные) комплексы средств обеспечения. К началу нового века, в результате слияний и поглощений одних компьютерных фирм другими, ведущих разработчиков тяжелых систем осталось всего трое: — NX (Siemens PLMSoftware (SPLMS)) — (до 2007г. Unigraphics PLlif Software (UGS)); — Dassault Systemes, больше известная no своему заглавному продукту CATIA; — Parametric Technology (PTC), разрабатывающая комплекс Pro Engeneer. Обширные функциональные возможности, высокая производительность и эффективность систем «тяжеловесов» достигнуты в результате длительного развития. CATIA появилась в 1982 г., Pro/Engineer - в 1988-м, a Unigraphics ведет свое происхождение от первых CAD-систем, когда в 1976 г. была образована Unigraphics Solutions.

Практически все ведущие разработчики САПР имеют в своем арсенале средние и легкие системы, которые могут работать автономно на локальных автоматизированных рабочих местах. Некоторые из лидирующих сейчас компьютерных фирм непосредственно от легких разработок и ведут свое происхождение. С распространением персональных компьютеров (IBM РС- 1981) связана история самой популярной легкой конструкторской САПР AutoCAD (1986) фирмы Autodesk (первоначально MicroCAD-1982). АВТОКАД и до сих пор является самым массовым в мире программно-методическим комплексом САПР, который используется миллионами проектировщиков (в основном за рубежом) как инструмент для создания плоских чертежей. История большинства интерактивных отечественных САПР также начинается с автоматизации разработки проектно- конструкторской документации.

Многолетними лидерами среднего сегмента САПР выступают система SolidEdge, созданная в 1995 г., и SolidWorks, а также система Inventor. Есть среди них и российские разработки. Так, компания АСКОН продвигает систему КОМПАС, развивающуюся на базе собственного геометрического ядра, а фирма «Топ-Системы» — программу T-Flex на основе ядра Parasolid..

Виды 3D-моделей

В настоящее время в основе автоматизированного конструирования машиностроительных изделий лежит объемное моделирование как наиболее естественное и привычное для человека. Объемная модель дает однозначное представление о геометрии объекта, независимое от субъективных факторов, таких как традиции исполнения чертежей и способность индивидуума к распознаванию и восстановлению образа изделия по чертежу. Если модель создана, то это однозначно говорит о том, что материальный объект с такой геометрией существовать может.

Первые системы трехмерного моделирования использовали каркасное представление геометрии, т.е. представление формы в виде набора линий и точек. Однако в связи с недостатками, связанными с невозможностью разграничения внутренней и внешней областей трехмерного тела и невозможностью получения информации о гранях, которая используется в программах инженерного анализа и при генерации программ для станков с ЧПУ, данный тип моделей в современных CAD-системах в чистом виде не используется.

На современном этапе для создания объемной модели конструктор может воспользоваться методами поверхностного или твердотельного моделирования. Долгое время поверхностное и твердотельное моделирования использовались независимо друг от друга – в разных пакетах или в одном, но как два независимых модуля. Однако при создании сложных изделий не всегда можно обойтись только функциями твердотельного моделирования, поэтому большинство CAD-систем стали предоставлять пользователям возможности создания гибридных моделей, сочетающих в себе элементы твердотельной и поверхностной моделей.

Для удобства использования и освоения инженерами систем геометрического моделирования, конечно, лучше бы использовать единственную стратегию моделирования для всех изделий, но, во-первых, часто приходится использовать данные, импортируемые из различных систем, а они могут иметь разные представления. Во-вторых, для ряда инженерных задач эффективнее работать с геометрией 3D, описанной поверхностью. И, наконец, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например формообразующие поверхности, разрабатываемые для станков с ЧПУ, выгоднее моделировать поверхностью, а для конструкторских приложений использовать твердотельное представление. Если модель предназначена для конструкторского проектирования и инженерного анализа изделия, то для того чтобы вычислить массоцентровочные характеристики, автоматически построить сечения и сгенерировать КЭМ, необходимо использовать твердотельный моделлер. Однако для дизайна изделия и реалистической визуализации внешних поверхностей, от которых зависит облик изделия, лучше подходит поверхностный моделлер. Если же система предназначена для технологического проектирования, то необходима комбинация твердотельного и поверхностного описания.

Поверхностная модель определяется с помощью точек, линий и поверхностей. Метод поверхностного моделирования наиболее эффективен при проектировании сложных криволинейных поверхностей, таких как корпуса автомобилей.

Следует, однако, отметить, что системы поверхностного моделирования не распознают такие формы, как твердые объемные тела. Они представляют их просто как поверхности, соединенные друг с другом неким образом в пространстве и ограничивающие «пустой» объем (рис.3).

Рис.3

Твердотельное моделирование является единственным средством, которое обеспечивает полное однозначное описание трехмерной геометрической формы (рис.4).

Рис.4