Когда я приступил к работе над этой статьей, цель которой - проанализировать ситуацию на рынке САПР, подвести итоги уходящего года и по возможности дать прогнозы на следующий год, я был полон энтузиазма. Но, перелопатив «гору» различного материала, я как-то поостыл, сделав ряд неутешительных выводов.
Дело в том, что сегодня никаких данных о реальном положении дел на отечественном рынке получить в принципе не представляется возможным, что, впрочем, меня не удивило, поскольку ни одна уважающая себя российская фирма не дает точных данных ни о количестве продаж, ни о полученной прибыли. А что касается цифр, которые предоставляют зарубежные компании, то здесь сложилась очень интересная ситуация: все данные, которые удалось получить из самых разных источников в России и за «бугром», были настолько различными и противоречащими друг другу, что сначала я даже растерялся. Правда, состояние ступора продолжалось недолго - статью все равно нужно было писать, и я решил придерживаться следующих двух правил: не приводить никаких цифр по конкретным компаниям-разработчикам и не указывать, кто из лидеров рынка на первом месте, а кто на втором. Вот, что из этого получилось.
Что такое САПР сегодня
Позволим себе небольшое лирическое отступление. Под всеобъемлющим термином «САПР» (система автоматизированного проектирования) в России понимают ряд англоязычных терминов (CAD/CAM/CAE/PDM/TDM/AEC/GIS и т.д.). Как известно, наиболее широко автоматизированное проектирование используется в машиностроении, архитектуре и строительстве, картографии и кадастре, в электротехнике и электронике. В процессе автоматизированного проектирования в качестве входной информации используются технические знания специалистов, которые вводят проектные требования, выполняют различные проверочные расчеты, анализируют и уточняют полученные результаты, выполняют модификацию конструкции. В этой статье мы остановимся на системах автоматизированного проектирования, применяемых в машиностроении (CAD/CAM/CAE).
Что же важного произошло на рынке САПР для машиностроения в последнее десятилетие? Во-первых, самое главное - это, безусловно, то, что все разработчики за границей и у нас осознали тот факт, что для того, чтобы продукт был конкурентоспособным, он должен функционировать под управлением операционной системы Microsoft Windows, которая, к слову, стала на сегодня стандартом для различных промышленных систем. Все это произошло по одной причине: рынок требует множество различных САПР, которые при этом должны быть высокопроизводительными и дешевыми. Именно поэтому все ведущие производители САПР перешли под «форточки». Спасибо Биллу Гейтсу. Во-вторых, в связи с интенсивным развитием компьютерной техники, которая является аппаратной составляющей автоматизированного рабочего места конструктора или технолога, небывалое 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, я думаю, скоро это разделение утратит актуальность. А если и сохранится, так только в ценовой области, то есть - чем дороже, тем «выше».
Уважаемая всеми фирма Daratech в середине года опубликовала очередной обзор рынка САПР, где говорилось, что основными факторами роста в 2000 году станут параметрические системы твердотельного моделирования средней весовой категории, дорогостоящие производственные системы для предприятий, инструментарий автоматизации технологии производства и средства для оптимизации разработок. Попробуем проанализировать данный прогноз.
В конце 2000 года наблюдалась следующая картина. Вложения в машиностроительные САПР действительно увеличились. К сожалению, у меня нет точной цифры на конец года, но исходя из того же прогноза фирмы Daratech затраты пользователей всего мира на CAD/CAM/CAE-системы для машиностроения и связанные с ними услуги за 2000 год достигнут значения порядка 6,6 млрд. долл. Это на 16,4% больше по сравнению с 1999 годом.
С лета 1999 года рынок САПР, до этого бурно развивавшийся, немного сбавил темп. Некоторые поставщики, ожидавшие большего роста доходов, посчитали причиной этого замедления приход 2000 года - пресловутой «Проблемы 2000». Они утверждали, что их клиенты откладывают приобретение нового программного обеспечения на первый или второй квартал 2000 года. Другие допускали, что истинные причины могут быть более серьезными и долгосрочными, и немедленно заговорили о перенасыщении рынка.
Однако это утверждение является довольно спорным. Да, за границей практически все производственные предприятия использовали и будут использовать впредь тот или иной вид САПР. Но ведь многие из них до сих пор работают с двухмерными системами и лишь собираются переходить на твердотельное моделирование, в то время как немало других оснащены системами предыдущих поколений. И те и другие группы пользователей являются потенциальными клиентами производителей САПР.
Наиболее реальной преградой для развития рынка САПР за границей является распространенный среди пользователей феномен, который можно охарактеризовать как пресыщение возможностями. Большинство покупателей с энтузиазмом встречают новые продукты, способные предложить принципиальные усовершенствования, однако все более скептически относятся к новым версиям, включающим лишь расширения старых функций. В настоящее время конструкторские и производственные организации активно изыскивают возможности значительного сокращения времени, необходимого для выпуска продуктов на рынок и получения доходов.
Согласно прогнозам все той же фирмы Daratech на 2000 год, рост рынка машиностроительных CAD/CAM/CAE-систем снова выражается двузначными цифрами, что обусловлено появлением новых продуктов и внесением значительных улучшений в существующие. В области механических CAD/CAM (без учета CAE) одним из факторов роста стали недорогие параметрические системы твердотельного моделирования, работающие на платформе Intel/Microsoft и не требующие больших затрат. Эти продукты, цена на которые обычно составляет от 2 до 6 тыс. долл., становятся все более популярными среди пользователей по мере того, как разработчики продолжают приближать возможности данных систем к возможностям их дорогостоящих конкурентов во всех ситуациях, за исключением особо сложных.
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 машиностроительных 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. Со временем пользователи станут морально готовы к тому, чтобы вложить дополнительные средства в добавочные специализированные функции, которые отсутствуют в системах средней категории и предлагаются отдельно.
Еще одна возможность, за которую клиенты готовы платить дополнительно, - это промежуточные средства системной интеграции, оказывающие помощь в вопросах контроля, оптимизации и ускорения всего производственного процесса на уровне предприятия. Естественно, параметрические системы твердотельного моделирования средней ценовой категории также помогают ускорить процесс производства на предприятии. 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, традиционно являющейся специализацией ученых-экспертов. Эти программы призваны значительно облегчить инженерам и конструкторам процесс анализа и оптимизации разработок, особенно на ранних этапах конструирования, когда вносимые улучшения способны максимально благотворно повлиять на качество и стоимость.
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 де-факто для разработки продуктов и комплектующих, а также для документации. В промышленности это дополняется наличием множества вспомогательных элементов, например средств механической обработки и специальных приборов, которые необходимо разработать для производства новых продуктов; во множестве случаев для подобных разработок используется AutoCAD. Кроме того, свой вклад здесь вносит и продолжающееся сокращение доли отдельных продаж AutoCAD в общем соотношении, вызванное увеличением количества сделок по приобретению более дорогостоящих продуктов для вертикального рынка, созданных на платформе AutoCAD, в частности Autodesk Mechanical Desktop и Autodesk Inventor.
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 выходом новой версии - Pro/Engineer 2000i, а также специализированного пакета для судостроения - Pro/SHIP. Кроме того, росту данной компании способствует изменение комплектации и стоимости Pro/Engineer, а также изменение стратегии распространения этого продукта.
САПР в России
Что касается отечественных разработчиков систем автоматизированного проектирования, то здесь также есть свои лидеры. Остановимся поподробнее на самых крупных из них.
АСКОН
Компания АСКОН (г. Санкт-Петербург), хорошо известная своим пакетом КОМПАС, выпустила в начале 2000 года новый продукт - систему трехмерного моделирования КОМПАС-3D. К концу года компания предложила уже несколько версий системы, и к Новому году КОМПАС-3D представлял собой полноценную систему, предназначенную для конструкторов. Комплекс систем КОМПАС дополнен электронным справочником, содержащим базу данных конструкционных материалов и сортаментов. Также компания дополнила свои продукты для отечественного машиностроения; в середине 2000 года был выпущен новый продукт - КОМПАС-SHAFT Plus, в котором объединены КОМПАС-SHAFT (проектирование валов) и GEARS (расчет передач).
Интермех
Минская фирма «Интермех» (Белоруссия) уже в течение восьми лет разрабатывает комплекс программ для автоматизированного конструкторско-технологического проектирования. В настоящее время продукты этой компании позволяют значительно повысить эффективность конструкторского проектирования и охватывают все этапы проектирования - от разработки непосредственно конструкторской документации (Cadmech), с последующим автоматизированным выпуском текстовых конструкторских документов СП, ВС, ВП, ПЭ (AVS), до ведения сетевого иерархического архива предприятия, с возможностью ведения проектов и документооборота предприятия (Search).
В этом году 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 своим продуктом T-FLEX CAD не только в России, но и за рубежом, в прошедшем году выпустила очередную версию своего продукта. Версия 7.0 отличается от предыдущих тем, что построена на базе ядра Parasolid фирмы Unigraphics Solutions. Кроме того, вышли новые продукты - T-FLEX ЧПУ 2D и 3D (cистема подготовки программ для станков с ЧПУ) и T-FLEX NC Tracer (система имитации процесса обработки детали на станке с ЧПУ по готовой управляющей программе). В следующем году компания планирует провести работу по созданию единой информационной системы под маркой T-FLEX, которая должна объединить все выпущенные ранее продукты.
Consistent Software
Компания Consistent Software (г. Москва) в этом году добилась больших успехов. Во-первых, за последние два года появилась 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. В 2000 году к этому семейству добавились TechnologiCS, СПДС GraphiCS и др. Насколько мне известно, Consistent Software не собирается останавливаться на достигнутом и в следующем году порадует нас новыми разработками.
Вместо выводов
Говоря об итогах прошедшего года, несомненно, следует особо подчеркнуть, что сегодня САПР во всем мире развивается семимильными шагами. Хотя, к сожалению, этого нельзя сказать о России. Но мы все-таки не стоим на месте, и если сравнивать два последних года, прошедших после августа 1998-го, то 2000 год оказался гораздо выигрышнее своего предшественника. На мой взгляд, основными причинами «пробуксовывания» отечественного рынка САПР, кроме финансовой стороны, являются непонимание руководителей предприятий острой необходимости приобретения подобных систем и нехватка квалифицированных специалистов, способных на них работать. По роду своей деятельности я очень много общаюсь и с руководящим составом, и непосредственно с проектировщиками и могу засвидетельствовать, что данная ситуация с каждым годом все больше меняется к лучшему.
КомпьютерПресс 1"2001
Система автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) представляет комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователей системы), выполняющий автоматизированное проектирование.
Основной областью применения САПР ТП является механообрабатывающее производство различной степени автоматизации. Допускается применение системы для автоматизированной разработки ТП листоштамповки, сварки, сборки и других, а также использование инструментальных средств системы для решения различных прикладных задач (экономические, информационно-поисковые и т.п.).
Главным выходным продуктом САПР ТП является библиотека ТП, которая представляет собой не систематизированный набор файлов ТП. В перспективе будет разработан банк технологических процессов (БТП), т.е., принята ориентация на «безбумажную» технологическую документацию. БТП это совокупность информационных моделей индивидуальных (единичных), типовых и групповых ТП. Информационная модель ТП (ИМТП) это набор специальным образом организованных данных, в котором содержится вся информация о ТП, состав которой определяется соответствующими стандартами. Дополнительно в ИМТП хранится информация, предназначенная для использования самой САПР ТП, а также другими смежными автоматизированными системами технологической подготовки и управления производством.
В САПР ТП обеспечивается автоматическая подготовка текстовых технологических документов в соответствии со стандартами ЕСТД-2 и управляющих программ в формате систем ЧПУ.
САПР ТП обеспечивает повышение производительности труда технологов по разработке ТП и управляющих программ в 3…10 раз, в отдельных случаях до 50 раз.
Состав системы. САПР ТП представляет комплекс средств программного и информационного обеспечения. При разработке системы была принята ориентация на создание инструментальных средств (структурированный набор программных средств) для разработки конкретных САПР ТП. Эти инструментальные средства дают возможность разработки САПР ТП специалистами-предметниками (технологами), не имеющих глубоких знаний в области программирования. Такие возможности предоставляют специально разработанные язык технологических алгоритмов и язык описания данных.
Инструментальные средства САПР ТП представляют собой развитую систему программирования, проблемно ориентированную на технологические САПР, в состав которой входят ряд подсистем:
транслятор с языка технологических алгоритмов;
система подготовки баз данных:
описание данных в диалоговом режиме;
описание данных в пакетном режиме;
транслятор таблиц баз данных;
извлечение таблиц из баз данных;
занесение таблиц в исходную базу данных;
построитель базы знаний, предназначенный для создания и модификации базы знаний;
редактор связей, предназначенный для установки связей (в виде адресов таблиц и столбцов) базы знаний с информационной моделью технологического процесса (ИМТП) и с базой данных;
уравнитель ИМТП, дающий возможность при модификации ИМТП в сторону увеличения использовать ранее спроектированный ТП;
подсистема оперативного просмотра результатов проектирования;
подсистема проверки структуры ТП;
подсистема графического отображения, предназначенная для графического контроля результатов проектирования;
исполняющая система, служащая для реализации алгоритмов базы знаний;
отладчик исполняющей системы (для отладки программ, написанных на языке технологических алгоритмов).
Не исключается возможность использования инструментальных средств в различных смежных прикладных задачах.
Базовый комплект системы состоит из информационного обеспечения базы данных (БД) и базы знаний (БЗ).
2. Автоматизация расчетов режимов резания
Для обработки каждой из поверхностей деталей в случае применения станков с ЧПУ необх рассчитать траектории движения иснтрументов.
Очевидно, что при этом необх обеспечить заданную точность обраб-мых поверхностей с минимальными затратами, учитывая технологические возможности станка и инструмента. Для токарной обработки в общем случае необходимо определить траекторию движения инструмента, его подачу и обороты шпинделя станка.
Затем на 2-м этапе определяются режимы обработки. Поиск производится с целью достижения минимума затрат на обработку поверхности.
Поиск оптимального режима резания:
Для расчета режимов резания предварительно должны быть известны траектории движения инструментов и характеристики качетва поверхности деталей. Поиск оптимальных режимов может осуществлятся при известных математических зависимостях между режимами обработки, действующими силами, качеством и надежностью деталей, и ограничениями в системе станка по прочности его элементов, мощности приводов и диапазонов допустимых подач и оборотов. В противном случае оптимизация по режимам обработки не выполнима и они выбираются на основании рекомендуемых опытных данных, применяя ИПС ЭВМ.
Для поиска оптимальных режимов обработки поверхности наиболее просто использовать методы линейного программирования. Это обусловлено тем, что действующие ограничения и целевая функция путем логарифмирования приводится к линейным зависимостям.
Известно, что оптимизация режимов резания позволяет использовать более производительные режимы по сравнению с нормативными. Применение оптимальных режимов резания позволяет на 5-7%, а в некоторых случаях и больше, повысить производительность труда. В условиях единичного и мелкосерийного производства, как раз характерного для приборостроения, работы по оптимизации режимов резания обычно не проводятся. Экономический эффект, полученный от оптимизации режимов резания при обработке малых партий деталей невелик и чаще всего не может компенсировать затраты на оптимизацию. Поэтому опытный рабочий обычно сам эмпирически подбирает режимы резания, позволяющие добиться максимальной производительности труда, при заданном качестве продукции. В тоже время оптимизация режимов резания, выполненная в САПР ТП, позволяет рабочему уменьшить период настройки станка на оптимальную производительность, что особенно важно при обработке малых партий деталей на дорогостоящем металлорежущем оборудовании с ЧПУ.
Рассмотрим кратко принципы оптимизации режимов резания. Для определения режимов резания необходимо иметь математическую модель процесса обработки, т.е. иметь систему уравнений, в которой связываются V, S и t с параметрами системы СПИД. Впервые такая модель была предложена проф. Г.К. Горанским. Модель представляет собой систему неравенств. Каждое неравенство выражает некоторое ограничение области допустимых режимов резания. Например, ограничения по допустимой скорости резания, по допустимой шероховатости поверхности и так далее.
Автоматизация технологических норм времени
Нормирование технологического процесса состоит в определении величины штучного времени Тш для каждой операции. Ниже приведен алгоритм для одного из распространенных случаев последовательной обработки поверхностей деталей на металлорежущих станках.
Обозначения: tуст, tснят - время на установку и снятие детали на станке; ti - время выполнения i-ого перехода; Тк - время выполнения к-ой операции; Ск - количество поверхностей и элементов деталей, обрабатываемых на к-ой операции; P, S - промежуточные переменные.
Штучного время включает время установки, снятия и время переходов. В алгоритме (рис 2.1) предусмотрена обработка информации для заданной последовательности ТП. Признаком конца вектора С является нулевое значение последней компоненты. Анализ на конец вектора выполняется с помощью 5-ого действия алгоритма. Накопление штучного времени по каждой операции производится с помощью действий 7-11. Переменная Р служит счетчиком количества переходов в операции. Начальное значение Р выбирается из вектора С с помощью действия 6. Штучное время рассчитывается для каждой из операций ТП. Технолог имеет возможность на основании получаемых результатов изменять состав операций с помощью вектора С.
Рис. 2.1. Схема алгоритма расчета штучного времени автоматизация технологический резание 3. Подготовьте исходные данные для разработки ТП МО
Исходная деталь - ступенчатый вал. Материал Сталь 45 ГОСТ 1050-88 Заготовка - поковка Производство - среднесерийное Операция заготовительная Отрезание заготовки нужной длины Оборудование - круглокопировальный автомат 8Г642 Оснастка - тиски Режущий инструмент - резец отрезной Эскиз:
Операция: токарно-подрезная Черновая, чистовая обработка наружных цилиндрических поверхностей с припуском под шлифовку, подрезание торцов, фасок. Режущий инструмент: Резец проходной с механическим креплением пластины из твердого сплава правый 2103-0713 ГОСТ 20872-80 Резец проходной с механическим креплением пластины из твердого сплава левый 2103-0714 ГОСТ 20872-80 Резец проходной с механическим креплением пластины из твердого сплава правый 2103-0713 ГОСТ 20872-80 Резец токарный для проточки угловых канавок с механическим креплением пластины из твердого сплава левый К.01.4528.000-01 Эскиз:
Точить диаметр 54,8 мм на длине 13,5 мм с припуском под шлифовку 0,5 мм. Точить диаметр 55 мм на длине 27 мм с припуском под шлифовку 0,5 мм. Точить диаметр 99 мм на длине 22,5 мм с припуском под шлифовку 0,5 мм. Выполнить проточку длиной 3 мм на глубину 1,5 мм 030 - Операция: сверлильная Сверление сквозного отверстия, снятие фасок. Оборудование: Станок токарно-винторезный 16К20Ф3 Оснастка: Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон 7100-0009 ГОСТ 2675-80 Центр вращающийся А-1-4-НП ЧПУ ГОСТ 8742-75 Режущий инструмент: 6. Сверло диаметром 18 мм. ОСТ 2 И41-14 Резец проходной ц = 45 с механическим креплением пластины из твердого сплава правый 2102-0191 ГОСТ 21151-75 Резец проходной ц = 45 с механическим креплением пластины из твердого сплава левый 2102-0192 ГОСТ 21151-75 Измерительный инструмент: штангенциркуль ШЦ-2-160-0,05 ГОСТ 166-90 Эскиз:
Произвести сверление сквозног отверстия диаметром 18 мм Нарезание фаски 1,6х45 Нарезание фаски 1,6х45 Операция 040 - сверлильная Сверление трех ступенчатых сквозных отверстий Оборудование: Станок консольный вертикально-фрезерный ВМ-127М Оснастка: Головка делительная УДГ-Д250 Режущий инструмент: 9. Сверло диаметром 9 мм. ОСТ 2 И41-14 Концевая фреза диаметром 14 мм ГОСТ 17026-71 Эскиз:
Произвести сверление сквозных отверстий диаметром 9 мм Произвести сверление глухих отверстий диаметром 15 мм на глубину 7 мм Операция 045 - Слесарная Опиливание заусенцев, притупление острых кромок. Оборудование: верстак слесарный Инструмент: напильник. Операция 050 - Шлифование диаметров 55h6, 36h6 с подшлифовкой торца Ra0,8. Оборудование: круглошлифовальный станок модели 3151. Инструмент: круг шлифовальный. Измерительный инструмент: штангенциркуль ШЦ-2-160-0,05 ГОСТ 166-90, микрометр. Операция 050 - Моечная Оборудование: машина моечная. Операция 055 - Контрольная Оборудование: стол ОТК.
Литература
1. Ступаченко А.А. САПР технологических операций - Л. Машиностроение - 1988 Криворученко Е.М., Лапицкий Д.И., Гребенюк Г.Г. Автоматизированная система управления обеспечением производственных заказов инструментом и технологической оснасткой. // Научная сессия МИФИ-2006. Сборник научных трудов. В 16 томах. Т.2. Программное обеспечение. Информационные технологии. М.: МИФИ, 2006. 168 с.
Основными требованиями к промышленному производству являются сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение ее качества. Выполнить эти требования невозможно без широкого использования методов и систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAE/CAD/CAM-систем).
Историю САПР в машиностроении часто разделяют на несколько этапов.
На первом этапе (до конца 70-х годов) был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность автоматизированного проектирования сложных промышленных изделий. Так, теория B-сплайнов была представлена И.Шоенбергом (I.J.Schoenberg) в 1946 г., позднее приведшая к широкому использованию в геометрическом моделировании неравномерных рациональных B-сплайнов (NURBS), предложенных К.Весприллом (K.J.Versprille, 1975 г.). Моделированию кривых и поверхностей любой формы были посвящены работы П.Безье (P.E.Bezier), выполненные на рубеже 60-70-х годов прошлого века.
Проектирование механических изделий заключается прежде всего в конструировании, т.е. в определении геометрических форм тел и их взаимного расположения. Поэтому история автоматизация проектирования в машиностроении связана с историей компьютерной графики. В конце 50-х -- начале 60-х появляются системы с выводом информации на электронно-лучевую трубку, это SAGE (Semi Automatic Ground Environment), которая использовалась в составе системы противовоздушной обороны в военно -воздушных силах США, и электронная чертежная машина (The Electronic Drafting Machine) компании ITEK. Первой графической станцией часто называют станцию Sketchpad с использованием дисплея и светового пера, представленную в 1963 г. И.Сазерлендом. И.Сазерленд в дальнейшем работал в ARPA, возглавив в этом агентстве департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета. Растровые дисплеи стали применяться в 70-е годы.
В 70-е годы в Lockheed создается программа CADAM (Computer-Augmented Drafting and Manufacturing), а в компании Dassault начинается разработка программы трехмерного моделирования, впоследствии ставщей программой CATIA (Computer-Aided Three-Dimensional Interactive Application).
В 1979 г. разрабатывается графический формат IGES (Initial Graphic Exchange Standard).
На втором этапе (80-е годы) появились и начали использоваться графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun Microsystems с архитектурой SPARC или автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX от DEC под управлением ОС Unix. К 1982 г. твердотельное моделирование начинают применять в своих продуктах компании Computervision, IBM, Prime и др., однако методы получения моделей тел сложной формы еще не развиты, отсутствует поверхностное моделирование. В том же году повляется первая версия программы CATIA с возможностями 3D моделирования и разработки программ для ЧПУ и Джоном Уокером создается компания Autodesk. В следующем году разработана техника создания 3D моделей с показом или удалением скрытых линий. На рынок вышла система Unigraphics, а компания Autodesk выпускает свой первый CAD-продукт Autocad, пока однопользовательскую версию на языке C с поддержкой формата IGES. В 1988 г. создается аппаратура для прототипирования изделий с помощью лазерной стереолитографии по данным, получаемым в MCAD. Также в 1988 г. компания PTC впервые реализует параметризацию моделей. К концу 80-х годов стоимость CAD-лицензии существенно снизилась и тем самым были созданы предпосылки для создания CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения.
Развитие компьютерной графики определялось не только возможностями аппаратных средств, но и характеристиками программного обеспечения. Оно должно было быть инвариантным по отношению к используемым аппаратным средствам ввода и вывода графической информации. Поэтому значительное внимание с 70-х годов уделяется вопросам стандартизации графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.
Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы и в начале 90-х такое деление основывалось на значительном различии характеристик используемого для САПР вычислительного оборудования. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного геометрического моделирования применительно к сборочным узлам из многих деталей. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах. По мере улучшения характеристик персональных компьютеров удавалось создавать сравнительно недорогие системы с возможностями параметрического и ассоциативного 3D-моделирования. Такие системы стали относить к CAD/CAM-системам среднего уровня. Сегодня деление CAD/CAM-систем на САПР верхнего, среднего и нижнего уровней еще сохраняется, хотя и страдает очевидной нечеткостью.
На третьем этапе (начиная с 90-х годов) бурное развитие микропроцессоров привело к возможности использования рабочих станций на персональных ЭВМ, что заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. На этом этапе продолжается совершенствование систем и расширение их функциональности. Начиная с 1997 г., рабочие станции на платформе Wintel не уступают Unix-станциям по объемам продаж.
Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.
Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются CATIA (компания Dassault Systemes), Unigraphics (Unigraphics Solution, ныне развивается в компании Siemens), Pro/Engineer (PTC). Продукты этих фирм доступны с 1981, 1983 и 1987 г. соответственно. Современная версия CATIA v5 представлена в 1999 г. К числу САПР верхнего уровня в 90-е годы относились также EUCLID3 (Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision), но их развитие было прекращено в связи со слиянием компаний.
Так, в 2001 г. происходит слияние компании Unigraphics Solution с SDRC, что означало постепенное прекращение развития I-DEAS и использование удачных решений двух систем I-DEAS и Unigraphics (UG) в новых версиях системы Unigraphics NX.
Еще раньше система CADDS5 была приобретена компанией PTC (Parametric Technology Corp.). Эта компания, штаб-квартира которой расположена в США, основана в 1985 г. бывшим профессором Ленинградского университета Семеном Гейзбергом.
Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Cimatron (Cimatron Ltd.); ADEM (Omega Technology); Mastercam (CNC Software, Inc.); Powermill (DELCAM) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid принадлежат, в частности, Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); SolidWorks (SolidWorks Corp.); MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); Anvil Express (MCS Inc.) и др. Компания PTC в своих продуктах начинает применять разработанное ею в 2000 г. геометрическое ядро Granite One.
В 1992 году корпорация Intergraph, один из ведущих на тот момент производителей CAD-систем для машиностроения, приняла решение о разработке нового программного продукта, целиком построенного на базе платформы Wintel. В результате в конце 1995 года появилась система геометрического моделирования Solid Edge (такое имя получила новая система). В 1998 году к Unigraphics перешло все отделение Intergraph, занимающееся САПР для машиностроения. В это же время Solid Edge меняет геометрическое ядро ACIS на ядро Parasolid. В 1999 год появляется 6-я версия Solid Edge на русском языке.
В 1993 г. в США создается компания Solidworks Corporation и уже через два года она представила свой первый пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе геометрического ядра Parasolid. Система Solidworks вошла в число ведущих систем среднего уровня.
Ряд CAD/CAM систем среднего и нижнего уровней разработан в СССР и России. Наибольшее распространение среди них получили Кредо (НИЦ АСК), Компас (компания Аскон), T-Flex CAD (Топ Системы), и некоторые другие системы.
Система Кредо считается первой отечественной CAD/CAM системой в машиностроении. Она разработана в созданном в 1987 г. Научно-исследовательском центре автоматизированных систем конструирования (НИЦ АСК).
Компания Аскон основана в 1989 г. В нее вошел коллектив разработчиков, который до этого в Коломенском конструкторском бюро машиностроения проектировал систему Каскад. Первая версия Компас для 2D проектирования на персональных компьютерах появилась в том же 1989 г. В 2000 г. САПР Компас распространена на 3D проектирование. В 2003 г. выпущена 6-я версия Компас и PDM система Лоцман.PLM.
Выпуск первой коммерческой версии системы T-FLEX CAD 2.x (TopCAD) относится к 1992 г.
Системы инженерных расчетов и моделирования в машиностроении появились позже систем моделирования в радиоэлектронике. В 1971 г. П. Хэнретти (Patrick Hanratty) основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS), которой суждено на многие годы быть ведущей компанией в области машиностроительных CAE систем. В частности, компания MSC Software разработала или обладает правами распространения таких известных продуктов САПР, как MSC.Nastran, MSC.Patran, ADAMS и др.
Екатерина Слуднева, начальник отдела САПР, ЗАО «Метровагонмаш» (г.Мытищи)
Первые САПР на нашем предприятии появились более семи лет назад. А наше сотрудничество с «Русской Промышленной Компанией» продолжается приблизительно два года.
Сегодня мы в основном используем AutoCAD. В настоящее время в конструкторском отделе у нас порядка 40 автоматизированных рабочих мест, в отделе перспективных разработок - около 80, а в проектном бюро - также около 40. Конечно, у нас на предприятии сохранились и обычные кульманы, поскольку некоторые виды работ конструкторам удобнее выполнять именно на кульмане, а не на компьютере. Кроме того, большинство первоначальных проработок осуществляется вручную на кульмане. Это связано с тем, что у нас многие руководители проектов не умеют работать на компьютере. Но есть и такие молодые сотрудники, которые могут с самого начала вести проект с помощью компьютера. Нами была разработана специальная методика по обучению работе в AutoCAD, и в результате на обучение уходит примерно полтора месяца.
К сожалению, наши вузы дают выпускникам лишь приблизительное представление о реальном производстве. Молодому конструктору необходимо проработать три года, а технологу пять лет, прежде чем им можно будет доверить серьезный проект. На обучение новым САПР нужно время, а работнику требуется выполнить план. Поэтому даже среди молодежи мы не видим большого рвения к освоению новых методов проектирования.
Большинство наших конструкторов - предпенсионного возраста, и мы вынуждены с этим мириться. Наши сотрудники пока еще не готовы к работе с современными высокоуровневыми САПР - для этого необходимо изменение культуры проектирования и всего производства. Проблема заключается в том, что переходить на трехмерное проектирование необходимо всем и сразу. Если часть проектировщиков будет работать в трехмерном пространстве, а часть - в плановых проекциях, то это еще больше усложнит весь процесс. К тому же тем, кто работает в объеме, фактически придется дублировать работу тех, кто работает в проекциях. Поэтому необходима комплексная, а не лоскутная автоматизация. Пока две имеющиеся у нас лицензии на Inventor реально не используются. Несколько лет назад мы приобрели Pro/ENGINEER, но этот продукт до сих пор фактически не задействован в силу целого ряда причин организационного характера.
Несмотря на сказанное, применение AutoCAD позволило нам снизить количество ошибок. Во-первых, даже при традиционном двумерном проектировании AutoCAD позволяет проводить на чертеже точные измерения. Во-вторых, появилась возможность групповой работы над проектом. И в-третьих, становится легче и удобнее использовать уже имеющиеся наработки. Наше производство нельзя назвать динамичным: геометрия изделия меняется медленно, в основном используются унифицированные изделия. Поэтому для нас проще взять готовые чертежи с видами и проекциями, а не трехмерную модель, и уже на основе имеющихся готовых чертежей разрабатывать новое изделие.
Для проведения прочностных расчетов в конструкторских отделах применяется ANSYS. На нашем производстве длительное время использовалась CAM-система PEPS. На более совершенные решения у нас просто нет средств, но пока сложившаяся ситуация нас удовлетворяет.
Конструкторско-технологическая документация хранится у нас преимущественно в бумажном виде. Для работы с документацией в одном из наших отделов установлена широкоформатная система Ocе. Иногда файлы проектов хранятся по папкам в виде примитивного электронного архива.
Можно сказать, что на данный момент у нас на предприятии нет полностью внедренного комплекса САПР - пока мы находимся в процессе выбора. У нас еще нет и работающей сквозной технологии проектирования, хотя бы в силу того, что конструкторский и технологический отделы территориально удалены друг от друга. К тому же дополнительные сложности в общий процесс вносит согласование в «секретных» отделах.
У нас устарели материальные фонды, и большая часть оборудования нуждается в замене. Поэтому мне кажется, что кардинально помочь нашему предприятию может лишь комплексная автоматизация, затрагивающая не только конструкторов и технологов, но и производство.
Как и любой другой производственный процесс, внедрение САПР необходимо начинать с планирования, и отнестись к этому процессу нужно очень серьезно. Необходимо разработать план оптимального развития и уже на его основе выполнять конкретные задачи с учетом существующих ресурсов.
Андрей Пузанов, ведущий инженер, СКБ приборостроения и автоматики (г.Ковров)
Внедрение САПР на нашем предприятии начиналось постепенно. Такие программы, как AutoCAD ранних версий, использовались еще до того, как СКБ ПА было выделено в отдельную структуру. В области САПР мы сотрудничаем с «Русской Промышленной Компанией» с момента основания СКБ как самостоятельной организации в 1995 году.
Вслед за AutoCAD на предприятии появились продукты фирмы НПП ИнтерМех - CADMech, Search и др. В определенный момент у нас произошел довольно болезненный переход с DOS-версий AutoCAD, CADMech и системы документооборота Search на Windows-платформу. Этот переход должен был произойти в один момент, что потребовало проведения очень большой подготовительной работы, ведь производство нельзя остановить. Конечно, компании НПП ИнтерМех и «Русская Промышленная Компания» нам помогли - были написаны специальные программы-конверторы и созданы особые типы шрифтов. Сейчас весь наш документооборот также осуществляется в системе Search. У нас налажено очень тесное сотрудничество с НПП ИнтерМех - все наши пожелания к разработчику находят отражение в новых версиях Search.
Сегодня в ОАО «СКБ ПА» внедрена и функционирует комплексная система конструкторско-технологической подготовки производства, включающая модули трехмерного моделирования, виртуальных испытаний, выпуска документации и управляющих программ для ЧПУ. В качестве системы трехмерного моделирования применяется пакет программ Inventor Series 7 и Autodesk Mechanical Desktop v6, на котором работает большинство конструкторов. Для проведения кинематических, прочностных и тепловых расчетов мы используем MSC.visualNASTRAN 4D. Для аэрогидродинамических вычислений применяется CFD-комплекс Flow-3D. Ресурсоемкие задачи решаются на мощных двухпроцессорных системах, которые нам также поставила «Русская Промышленная Компания».
Когда появилась программа Inventor, некоторые наши компоновщики были несказанно счастливы. По сравнению с Autodesk Mechanical Desktop в Inventor улучшена работа с большими сборками и очень хорошо реализована визуализация.
Что касается методики проектирования, то мы пришли к компромиссному решению: иногда наши проектировщики изначально работают с трехмерными моделями, а иногда основой является плоский чертеж. Мы считаем, что создавать простые детали в 3D экономически и идеологически невыгодно. У нас уже есть довольно много чертежей, созданных в AutoCAD, и переводить их в геометрические модели для внесения незначительных изменений не имеет смысла. Конечно, есть продукция, например элементы гидросистем, имеющая сложную пространственную конфигурацию, и проектировать такие элементы гораздо удобнее в трехмерном пространстве - это позволяет избежать многих ошибок. Моделирование сборок также производится в 3D при помощи продуктов Inventor Series. В частности, разработанную в Inventor 3D-модель гидравлической развязки системы питания экскаватора не пришлось дорабатывать «по месту». Таким образом, внедрение продуктов Inventor Series позволило нам снизить количество итераций при доработке изделия.
Когда мы занимались выбором САПР, то поняли, что ассортимент предлагаемых решений очень велик и изучить все системы нам не удастся. К тому времени нами уже были выработаны своеобразные стандарты предприятия на электронную документацию. Серия продуктов Inventor Series хорошо вписывалась в сложившиеся на нашем предприятии подходы к проектированию, поэтому в определенный момент мы приняли решение прекратить метания от одной САПР к другой и начать работу.
Проанализировав решаемые нами задачи проектирования, мы убедились, что существующие решения в обозримом будущем будут удовлетворять нашим потребностям. Только пару раз нам пришлось прибегнуть к возможностям Pro/ENGINEER (в то время Inventor еще не было), но эти частные случаи не могут заставить нас перейти с Autodesk Mechanical Desktop/Inventor Series на другую САПР среднего или высокого уровня.
Для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ мы используем два рабочих места с системой EdgeCAM. Сейчас мы закупаем новые станки и обрабатывающие центры. В ближайших планах - покупка 15 пятикоординатных фрезерных станков с ЧПУ. Это даст нам возможность отказаться от услуг некоторых поставщиков и больше ориентироваться на собственное производство.
Наш технологический отдел использует как трехмерные модели, так и чертежи - в зависимости от необходимости.
Мы делаем ставку на безбумажные технологии, но зачастую вынуждены чертежи распечатывать, брошюровать, регистрировать, хранить и рассылать заказчикам или соразработчикам. Таким образом, то, на чем мы планировали сэкономить, нас сегодня разоряет, хотя это, возможно, лишь вопрос времени.
Николай Зыкин, начальник отдела САПР, КНААПО (г.Комсомольск-на-Амуре)
На нашем предприятии используются 32 лицензии стандартного AutoCAD и 45 инсталляций Autodesk Mechanical Desktop. Сейчас мы проводим плавное обновление Autodesk Mechanical Desktop до Inventor Series. Со временем планируем все больше работ выполнять в системе Inventor - нас очень привлекает в ней удобство работы со сборками. Мы уже опробовали новую разработку «Русской Промышленной Компании» для Inventor - программу auto.ЕСКД, и она нам очень понравилась. Для выполнения несложных расчетов мы будем использовать программу MechSoft, которая также интегрируется с Inventor. Inventor - это второе поколение технологии трехмерного моделирования, отличительными признаками которой являются интеллектуальная среда и адаптивные сборки. При этом сохраняется основное достижение систем трехмерного моделирования первого поколения - параметризация.
Все сложные работы по геометрическому моделированию у нас выполняются в системе верхнего уровня Unigraphics. Сейчас мы начали переход на Unigraphics NX, хотя могли сделать это значительно раньше. К сожалению, нас задерживает ОКБ «Сухой». Пока основная польза, полученная от внедрения Unigraphics, - возможность выполнять компоновку и провязку конструкции.
В основном из ОКБ к нам приходят чертежи, которые содержат множество всевозможных геометрических ошибок. Иногда мы обнаруживаем очень грубые конструктивные просчеты на уровне сборок. В итоге нам самим приходится по чертежам строить трехмерные модели, чтобы убедиться в отсутствии ошибок.
Электронный макет позволяет избежать многих грубых ошибок. В опытных экземплярах вскрываются более мелкие промахи, которые исправляются «по месту». Но даже на серийных образцах нам приходится самостоятельно вносить изменения и исправлять ошибки.
Собрать полный трехмерный электронный макет планера, к сожалению, пока не удается из-за колоссального объема сборки. Cобрать сборку, конечно, можно, но работать с ней практически нельзя - мощности наших компьютеров для этого явно недостаточно.
Современный истребитель имеет весьма сложную внутреннюю компоновку, поэтому приходится признать, что традиционная работа в проекциях с использованием чертежной технологии морально устарела. Появилась реальная возможность нового, то есть трехмерного, описания деталей, узлов и агрегатов. При этом электронный макет (электронная модель с атрибутами) не только легче читается и несравнимо наглядней, но и может нести массу дополнительной информации. Однако, чтобы сделать целиком электронный проект, нужны серьезные ресурсы. ОКБ таких ресурсов не имело и раньше, при командно-административной системе, тем более не имеет и сейчас. Фактически мы получаем от ОКБ концептуальные решения, поэтому большая часть работы по созданию виртуального изделия выполняется у нас. Не говоря уже об оснастке, объем работ по которой превышает само изделие.
Не так давно для выполнения прочностных расчетов мы приобрели две сетевые лицензии NASTRAN. Система достаточно дорогая, поэтому она используется в основном для решения оптимизационных задач по заказу различных отделов. Мы решили выделить одного специалиста исключительно для работы с NASTRAN. Возможно, в ближайшее время мы опробуем и другие CAE-системы.
Приблизительно шестая часть всех деталей планера изготавливается на станках с ЧПУ, причем эта величина непрерывно растет. Сейчас мы столкнулись с тем, что у технологов-программистов заметно добавилось работы. За счет трехмерного проектирования производительность работы конструкторов существенно выросла, и технологи уже не справляются с таким объемом работ. Недавно технологический отдел закупил еще 15 рабочих мест Vericut.
На мой взгляд, внедрению новых технологий препятствует прежде всего пресловутый человеческий фактор. Кто-то не хочет перестраивать свое сознание, некоторые боятся перемен - есть очень много субъективных причин. Кроме того, комплексное внедрение САПР подразумевает изменение производственных отношений. К примеру, электронный макет изделия не имеет такого же официального юридического статуса, как чертеж, и поэтому непонятно, кто и как несет ответственность за допущенные в нем ошибки. И это одна из причин, почему в производство передается не только электронный макет изделия, но и комплект чертежей - получается двойная работа. При этом часто в спешке изменения отражаются по старинке, то есть только в чертежах, а значит, провязка - одна из главных целей - теряет смысл.
Производственные процессы сложились на отечественных предприятиях авиационной отрасли еще полвека тому назад и поэтому требуют коренного пересмотра. Как известно, все высокоуровневые САПР (и Unigraphics здесь не исключение) плохо приспособлены для оформления конструкторской документации. По идее, это правильно: за бесчертежной технологией - будущее, и мы все идем в этом направлении и благодаря, и вопреки. Однако реалии сегодняшнего дня заставляют возвращаться к морально устаревшим понятиям: чертеж, шаблон и пр.
Сейчас у нас в штате много молодых талантливых специалистов, которые хотят работать и готовы к переменам. В некоторых «элитарных» конструкторских отделах КНААПО средний возраст сотрудников составляет менее 30 лет. Многие из них прошли путь от AutoCAD до Unigraphics. И хотя для технологов опыт практической работы важнее, то есть они более консервативны, «революционная ситуация» развивается и многие организационные вопросы уже можно решать.
САПР верхнего уровня была внедрена на нашем предприятии приказом сверху, поэтому производство оказалось не готовым к переменам. На мой взгляд, до комплексного внедрения высокоуровневой САПР необходимо еще дорасти, и в первую очередь руководству, чтобы система заработала в полную силу. Одного энтузиазма здесь явно недостаточно.
Александр Кудрявцев, главный конструктор СВП, ЗАО «ЦКБ Нептун» (г.Москва)
ЗАО «ЦКБ Нептун» занимается проектированием катеров на воздушной подушке. Особенностью нашего КБ сегодня является то, что мы используем наработки 80-х годов, когда ЦКБ «Нептун» работало на полную мощь. В 90-х годах фирма фактически распалась, и от нее осталось лишь несколько специалистов, владеющих AutoCAD. Сейчас в нашем конструкторском отделе работают всего три человека. В основном мы используем наработки, доставшиеся нам по наследству от советских времен. Нам удалось найти спонсора, который заинтересован в производстве судов на воздушной подушке.
Сотрудничество с «Русской Промышленной Компанией» началось год назад, мы познакомились через НПП ИнтерМех. Нас заинтересовали разработки НПП ИнтерМех, в значительной мере удовлетворяющие нашим требованиям, мы начали искать дистрибьютора в Москве и вышли на «Русскую Промышленную Компанию».
Сегодня мы используем CADMech Desktop, AVS, Search и другие разработки компании НПП ИнтерМех, а также Spotlight и RasterDesk компании Consistent Software. Работа в двумерном CADMech значительно облегчает работу с документацией. Это я могу утверждать с полной уверенностью, так как начинал работать еще в плоском AutoCAD в конце 80-х. К сожалению, на продукты Inventor Series у нас не хватило финансовых средств. Лично мне жаль, что продукт Autodesk Mechanical Desktop признан компанией-разработчиком тупиковой ветвью - мне он нравился.
В основном мы модернизируем существующие конструкции, и о разработке новых типов судов речь пока не идет. На данный момент с поставленными задачами мы справляемся с помощью имеющихся САПР. К тому же для проектирования судов требуются специализированные САПР для судостроения типа FORAN, AutoShip или FastShip. Но стоимость одного такого рабочего места составляет десятки тысяч долларов.
Среди полученных нами преимуществ в работе выделю несколько. Во-первых, сегодня фирма имеет крайне мало производственных площадей - нам попросту негде ставить кульманы и хранить документацию. Исторически так сложилось, что ЦКБ «Нептун» расположено практически в самом центре Москвы, возле здания Моссовета (ныне - мэрии). Когда стоимость аренды повысилась, значительная часть площадей была сдана в аренду коммерческим структурам, и у ЦКБ «Нептун» фактически осталось всего несколько комнат.
Часть документации нам удалось спасти от полного уничтожения на предприятиях, где строились наши проекты. Очень большая работа была проведена нами по сканированию и векторизации чертежей. Сканирование чертежей решило проблему хранения документации - несколько проектов теперь умещается на четырех компакт-дисках. Мы размещаем заказы по всей России, поэтому нам стало удобно обмениваться информацией.
Для редактирования чертежей мы используем гибридные графические редакторы Spotlight и RasterDesk. Новые чертежи мы стараемся прорабатывать в трехмерном пространстве при помощи CADMech Desktop. Если необходимо просто незначительно отредактировать существующий чертеж, то для этого также применяются Spotlight и RasterDesk.
В последнее время нашу документацию на производство мы передаем в электронном виде в формате DWF или PDF. В качестве системы документооборота мы используем Search. У нас мало рабочих мест, и пока возможности Search даже превышают наши потребности. Кроме того, из-за нехватки времени мы приобрели Search без обучения, так что нам все приходится постигать самим. Сейчас мы осознали, что обучение необходимо. Не понимая глобальной логики системы, самостоятельно разобраться бывает очень сложно даже при наличии всей документации.
Основная проблема, с которой мы сталкиваемся, заключается в том, что иногда мы вынуждены вносить изменения в проекты непосредственно на производстве исполнителя. В цех документация поступает в бумажном виде. Когда в цеху делаются изменения в конструкции, то местные конструкторы вносят правки в чертежи с помощью карандаша и ластика, и нам бывает сложно перенести их в электронную форму. Как правило, на предприятиях отсутствуют широкоформатные сканеры, ведь чертежи в судостроении, как и в авиастроении, больших форматов. Времени на редактирование электронного чертежа прямо на производстве всегда не хватает. Возможно, мы попробуем использовать для этой цели цифровой фотоаппарат, если нам удастся решить проблему исправления нелинейных искажений изображения.
Внедрение САПР позволило нам повысить качество проектной документации. Иногда конструктору бывает лень сходить в архив и найти там требуемый бумажный чертеж; часто на чертежах встречаются неоднократные ссылки на другие чертежи, но найти нужный документ бывает непросто. В результате конструктор может сам додумать конструкцию, что чревато проблемами на этапе сборки. Система электронного документооборота Search оказывает нам здесь неоценимую услугу. Другой аспект - за счет наследования элементов конструкции в AutoCAD значительно упростилось создание новых чертежей и стало легче редактировать существующую документацию.
Сергей Молодов, начальник бюро САПР, СП ОАО «Брестгазоаппарат» (г.Брест)
СП ОАО «Брестгазоаппарат» является ведущим производителем высококачественных газовых и электрических плит в странах СНГ. И хотя наше предприятие находится в Белоруссии, торговая марка Gefest хорошо знакома и российским потребителям.
Нашим основным партнером по САПР в Белоруссии является НПП ИнтерМех, а с «Русской Промышленной Компанией» сотрудничество началось в 2002 году: сначала мы обучили группу наших специалистов в Академии САПР и ГИС в Москве, а затем заключили договор с РПК на поставку нескольких пакетов Autodesk Inventor Series с последующей годовой подпиской.
На СП ОАО «Брестгазоаппарат» используется весь спектр САПР: от высокоуровневых систем до «электронных кульманов». Разработка и подготовка производства всех новых изделий производится при помощи САПР.
Если раньше мы конкурировали в основном с российскими производителями бытовой техники, то сейчас соперничаем и с западными брендами. Современный потребитель в первую очередь обращает внимание на дизайн изделия. Использование тяжелых пакетов САПР позволило нам разработать современный дизайн новых моделей со сложными поверхностями. Все разработки мы ведем самостоятельно. Из САПР верхнего уровня мы до недавнего времени применяли пять рабочих мест на базе системы Euclid и графических RISC-станций Silicon Graphics, которые приобрели в 1996 году у французской фирмы Matra Datavision. Однако после фактической ликвидации этой фирмы уровень поддержки и сопровождения Euclid резко снизился. В 2001 году мы перешли на комплекс Power Solution английской фирмы Delcam plc, а теперь для моделирования сложных геометрических форм используем PowerSHAPE из этого пакета.
Средний уровень САПР у нас на предприятии до недавнего времени был представлен Autodesk Mechanical Desktop. В середине 2002 года мы приобрели через НПП Интермех две первые лицензии Autodesk Inventor. Конструкторы сразу же оценили преимущества этого дружелюбного пакета перед тяжеловесным Mechanical Desktop. Продукт, как говорится, «пошел». А затем при содействии руководства «Русской Промышленной Компании» нам удалось обменять на специальных условиях четыре уже не нужных нам пакета Euclid на Autodesk Inventor Series. Успешное сотрудничество с «Русской Промышленной Компанией» и Академией САПР и ГИС продолжилось и в этом году. Мы пригласили к себе сотрудника «Русской Промышленной Компании», который непосредственно на предприятии обучил работе с Autodesk Inventor большую группу наших конструкторов и технологов. Пользуясь случаем, хочу выразить благодарность специалистам «Русской Промышленной Компании», которые в режиме горячей линии оперативно помогают нам и консультируют по всем вопросам, возникающим при работе с Inventor.
Еще несколько лет назад сроки изготовления технологической оснастки были для нас больным вопросом. С помощью Autodesk Inventor мы решили эту проблему. Конструкторам оснастки передается сложная геометрия деталей, выполненная в PowerSHAPE, а все остальные элементы штампов они создают в Inventor. Нас также привлекает в этой системе простота работы со сборками.
И наконец, из САПР нижнего уровня мы используем AutoCAD для двумерного проектирования. Знание этой программы обязательно для молодых специалистов при приеме их на работу в качестве конструкторов. Применяется AutoCAD с программной надстройкой CADMECH фирмы НПП ИнтерМех. Архив электронной конструкторской документации ведется средствами пакета Search, также разработанного НПП ИнтерМех. Учитывая «всеядность» Search, мы используем этот пакет также для хранения трехмерных моделей, рисунков и других объектов, созданных в разных системах.
Наше инструментальное производство - одно из крупнейших в Белоруссии. Инструментальный цех имеет большой парк импортных станков с ЧПУ. Для подготовки управляющих программ мы используем различные CAM-системы: английскую PowerMILL из пакета Power Solution, французскую Euclid Milling, российскую ГеММа-3D, эстонскую UniCAM. Каждая из них имеет свою нишу, так как, к сожалению, нет универсального CAM-пакета, который смог бы успешно обслуживать весь наш станочный парк.
Мы постоянно следим за развитием САПР, применяемых в машиностроении, и знакомы с большинством систем, предлагаемых на рынке. Что-то лучше в одном пакете, что-то - в другом, но по большому счету на каждом уровне основные продукты в целом равнозначны. Как показала практика, решающими критериями для окончательного выбора системы являются качественная поддержка и сопровождение продукта.
«САПР и графика» 12" 2003
Основными требованиями к промышленному производству являются сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение ее качества. Выполнить эти требования невозможно без широкого использования методов и систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAD/CAM/CAE-систем).
Историю развития CAD/CAM/CAE-систем в машиностроении часто разделяют на несколько этапов.
На первом этапе (до конца 70-х годов) был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность автоматизированного проектирования сложных промышленных изделий. Возможности систем на первом этапе в значительной мере определялись характеристиками имеющихся в то время графических аппаратных средств. Преимущественно использовались графические терминалы, подключаемые к мэйнфреймам, в качестве которых применялись компьютеры компаний IBM и CDC, или к мини-ЭВМ типа PDP/11. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000.
Навтором этапе(80-е годы) появились и начали использоваться графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun Microsystems с архитектурой SPARC или автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX от DEC под управлением ОС Unix. К концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась примерно до $20000. Тем самым были созданы предпосылки для разработки CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения.
На третьем этапе (начиная с 90-х годов) бурное развитие микропроцессоров привело к возможности использования рабочих станций на персональных ЭВМ, что заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. На этом этапе продолжается совершенствование систем и расширение их функциональности. Начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Wintel не уступают Unix-станциям по объемам продаж. Стоимость лицензии снизилась до нескольких тысяч долларов.
Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.
Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы и в начале 90-х такое деление основывалось на значительном различии характеристик используемого для САПР вычислительного оборудования. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного геометрического моделирования применительно к сборочным узлам из многих деталей. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах. По мере улучшения характеристик персональных компьютеров удавалось создавать сравнительно недорогие системы с возможностями параметрического и ассоциативного 3D-моделирования. Такие системы стали относить к CAD/CAM-системам среднего уровня. Сегодня деление CAD/CAM-систем на САПР верхнего, среднего и нижнего уровней еще сохраняется, хотя и страдает очевидной нечеткостью.
Проектирование механических изделий заключается прежде всего в конструировании, т.е. в определении геометрических форм тел и их взаимного расположения. Поэтому история автоматизации проектирования в машиностроении связана с историей компьютерной графики и практически началась с создания первой графической станции. Это была станция Sketchpad с использованием дисплея и светового пера, представленная в 1963 г. И. Сазерлендом. Растровые дисплеи стали применяться в 70-е годы. И. Сазерленд в дальнейшем работал в ARPA, возглавляя в этом агентстве департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета
К 1982 г. твердотельное моделирование начинают применять в своих продуктах компании Computervision, IBM, Prime и др., однако методы получения моделей тел сложной формы еще не развиты, отсутствует поверхностное моделирование. В следующем году разработана техника создания 3D моделей с показом или удалением скрытых линий. В 1986 г. компания Autodesk выпускает свой первый CAD-продукт Autocad, пока однопользовательскую версию на языке Cи с поддержкой формата IGES. В 1988 г. создается аппаратура для прототипирования изделий с помощью лазерной стереолитографии по данным, получаемым в MCAD. Также в 1988 г. компания PTC впервые реализует параметризацию моделей.
Развитие компьютерной графики определялось не только возможностями аппаратных средств, но и характеристиками программного обеспечения. Оно должно было быть инвариантным по отношению к используемым аппаратным средствам ввода и вывода графической информации. Поэтому значительное внимание с 70-х годов уделяется вопросам стандартизации графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.
В 1977 г. ACM публикует документ Core, описывающий требования к аппаратно-независимым программным средствам. А в начале 1982 г. появляется система Graphical Kernel System (GKS), задающая примитивы, сегменты и преобразования графических данных и ставшая стандартом ISO в 1985 г. В 1987 г. разработан вариант GKS-3D с ориентацией на 3D графику.
В 1986 г. утверждается ряд новых стандартов. Среди них CGI (Computer Graphics Interface) и PHIGS P (Programmer"s Hierarchical Interactive Graphics System) - стандарт ANSI, ставший стандартом ISO в 1989 г. В 1993 году компанией Silicon Graphics предложен стандартOpenGL (SGI Graphical Language), широко используемый в настоящее время.
В этих системах используются графические форматы для обмена данными, представляющие собой описание изображения в функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Графический формат (метафайл) обеспечивает возможность запоминать графическую информацию единым образом, передавать ее между различными системами и интерпретировать для вывода на различные устройства. Такими форматами стали CGM - Computer Graphics Metafile, PostScript - Adobe Systems" Language, GEM - GEM Draw File Format и др.
Работы по стандартизации были направлены на расширение функциональности графических языков и систем, включение в них средств описания не только данных чертежей и 3D-моделей, но и других свойств и характеристик изделий.
В области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического моделирования привела к созданию инвариантных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР. Наибольшее распространение получили два геометрических ядра Parasolid (продукт фирмы Unigraphics Solutions) и ACIS (компания Spatial Technology). Ядро Parasolid разработано в 1988 г. и в следующем году становится ядром твердотельного моделирования для CAD/CAM Unigraphics, а с 1996 г. – промышленным стандартом.
Параллельно проводились работы по стандартизации описаний геометрических моделей для обмена данными между различными системами на различных этапах жизненного цикла промышленной продукции. В 1980 г. появился формат IGES (Initial Graphics Exchange Specification), ставший на следующий год стандартом ANSI. Фирма Autodesk в своих продуктах стала использовать формат DXF (Autocad Data eXchange Format). В 1984 г. в ISO для целей стандартизации в области промышленной автоматизации создается технический комитет TC184, а внутри него для разработки стандартов обмена данными - подкомитет SC4, где и была разработана группа стандартов ISO 10303 STEP (Standard for Exchange Product Model Data), включая язык Express и прикладные протоколы AP203 и AP214.
Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются CATIA (компания Dassault Systemes), Unigraphics (Unigraphics Solution), Pro/Engineer (PTC). Продукты этих фирм доступны с 1981, 1983 и 1987 гг. соответственно. В 1998 г. в компании Крайслер с помощью CATIA демонстрируется возможность создания исчерпывающей цифровой модели автомобиля (проектирование, имитация сборки и испытаний). К числу САПР верхнего уровня в 90-е годы относились также EUCLID3 (Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision), но их развитие было прекращено в связи со слиянием компаний.
Так, в 2001 г. происходит слияние компании Unigraphics Solution с SDRC, что означало постепенное прекращение развития I-DEAS и использование удачных решений двух систем I-DEAS и Unigraphics (UG) в новых версиях системы Unigraphics NX.
Еще раньше система CADDS5 была приобретена компанией PTC (Parametric Technology Corp.). Эта компания, штаб-квартира которой расположена в США, основана в 1985 г. бывшим профессором Ленинградского университета Семёном Гейзбергом.
Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Cimatron (Cimatron Ltd.); ADEM (Omega Technology); Mastercam (CNC Software, Inc.); Powermill (DELCAM) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid относятся, в частности, Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); SolidWorks (SolidWorks Corp.); MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); Anvil Express (MCS Inc.) и др. Компания PTC в своих продуктах начинает применять разработанное ею в 2000 г. геометрическое ядро Granite One.
В 1992 году корпорация Intergraph, один из ведущих на тот момент производителей CAD-систем для машиностроения, приняла решение о разработке нового программного продукта, целиком построенного на базе платформы Wintel. В результате в конце 1995 года появилась система геометрического моделирования Solid. В 1998 году к Unigraphics перешло все отделение Intergraph, занимающееся САПР для машиностроения. В это же время Solid Edge меняет геометрическое ядро ACIS на ядро Parasolid. В 1999 году появляется 6-я версия Solid Edge на русском языке.
В 1993 г. в США создается компания Solidworks Corporation и уже через два года представляет свой первый пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе геометрического ядра Parasolid. Система Solidworks вошла в число ведущих систем среднего уровня.
Ряд CAD/CAM-систем среднего и нижнего уровней разработан в СССР и России. Наибольшее распространение среди них получили Компас (компания Аскон) и T-Flex CAD (Топ Системы) и некоторые другие системы.
Компания Аскон основана в 1989 г. В нее вошел коллектив разработчиков, который до этого в Коломенском конструкторском бюро машиностроения проектировал систему Каскад. Первая версия Компас для 2D проектирования на персональных компьютерах появилась в том же 1989 г. В 2000 г. САПР Компас распространена на 3D проектирование. В 2003 г. выпущена 6-я версия Компас и PDM-система Лоцман:PLM.
Автоматизация технологической подготовки производства в системах CAM не была столь жестко привязана к аппаратным средствам машинной графики, как автоматизация конструирования в системах CAD. Среди первых работ по автоматизации проектирования технологических процессов нужно отметить создание языка APT (Automatic Programming Tools) в 1961 г. в США. Этот язык стал родоначальником многих других языков программирования для оборудования с числовым программным управлением. В СССР Г.К.Горанский создает программы для расчетов режимов резания в первой половине 60-х годов. В.Д.Цветков, Н.М.Капустин, С.П.Митрофанов и др. разрабатывают методы синтеза технологических процессов в 70-е годы.
В системах инженерных расчетов и анализа CAE центральное место занимают программы моделирования полей физических величин, прежде всего это программы анализа прочности по методу конечных элементов (МКЭ).
Метод конечных элементов разработан в 1950 г. специалистами, работающими в областях строительной механики и теории упругости. Сам термин "конечные элементы" был введен в 1960 г. Клафом (R.Clough). В 1963 г. был предложен сравнительно простой способ применения МКЭ для анализа прочности путем минимизации потенциальной энергии. Появились программно-методические комплексы для анализа и моделирования на основе МКЭ.
В 1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, ставит задачу разработки конечно-элементного программного пакета. К 1970 г. такой пакет под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и начал эксплуатироваться. Стоимость разработки, продолжавшейся 5 лет, составила 3-4 млн долларов. Одной из компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation). С 1973 г. MSC (с 1999 г. компания называется MSC.Software Corporation) самостоятельно продолжает развивать пакет MSC.NASTRAN, который стал мировым лидером в своем классе продуктов.
В 1976 г. разработан комплекс DYNA3D (позднее названный LS-DYNA), предназначенный для анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур.
К числу лидеров программ CAE можно отнести также комплекс Ansys. В 2000 г. с помощью средств многоаспектного моделирования, реализованных в Ansys, продемонстрирована возможность совместного моделирования электромагнитных, механических и тепловых процессов при проектировании микроэлектромеханических устройств.
Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams, разработанный и развиваемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.
Для проектирования систем, функционирование которых основано на взаимовлиянии процессов различной физической природы, важное значение имеет возможность многоаспектного моделирования. Теоретические основы многоаспектного моделирования на базе аналогий физических величин рассматривались Г.Ольсоном (1947 г.), В.П.Сигорским (1975 г.) и были реализованы в программах моделирования ПА6 - ПА9, разработанных в МВТУ им. Н.Э.Баумана в 70-80-е годы. Основные положения многоаспектного моделирования позднее были закреплены в стандарте, посвященном языку VHDL-AMS.
