Обзор современных систем автоматизированного проектирования (САПР)

Рис. 1.4.1  Обобщенная схема процесса автоматизации проектирования

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2. 1 Обзор САПР

   Традиционно, продукты  САПР для машиностроения разделены  на три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация сложилась исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между классами вот-вот сотрутся, они остаются, так как системы по-прежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям.

   В результате сейчас в этой области имеется несколько мощных систем, своего рода “олигархов” мира САПР, стабильно развивающиеся продукты среднего класса и получившие массовое распространение недорогие “легкие” программы. Имеется и так называемая “внеклассовая прослойка общества”, роль которой выполняют различные специализированные решения.

                                        Табл.  2.1.1  Обзор САПР

2.1.1 ТяжелЫЕ САПР

   Компьютерная  технология призвана не автоматизировать традиционно существующие технологические звенья (так как это обычно не дает какого-либо эффекта, за исключением некоторого изменения условий труда), а принципиально изменить саму технологию проектирования и производства изделий. Только в этом случае можно ожидать существенного сокращения сроков создания изделий, снижения затрат на весь жизненный цикл изделия, повышения качества изделий.

   Прежде всего,  применительно к созданию сложных  изделий машиностроения, в основе  организации компьютерной технологии  лежит создание полного электронного  макета изделия, так как именно создание трехмерных электронных моделей, адекватных реально проектируемому изделию, открывает колоссальные возможности для создания более качественной продукции (особенно сложной, наукоемкой продукции) и в более сжатые сроки.

   В идеале в процессе проектирования и производства сложных и многокомпонентных изделий все участвующие в проектировании должны, работая одновременно и наблюдая работу друг друга, создавать сразу на компьютерах электронные модели деталей, узлов, агрегатов, систем и всего изделия в целом.

                                     Рис. 2.1.1.1     Планетарный

   При этом одновременно  решать задачи концептуального  необходимо проектирования, всевозможных  видов инженерного анализа, моделирования ситуаций, а также компоновки изделия и формирования внешних обводов. Не дожидаясь полного окончания разработки нового изделия, эту информацию следует использовать для технологической подготовки производства и производства как такового. Кроме того, необходимо автоматизированно управлять и всеми создаваемыми данными электронной модели (то есть структурой изделия), и самим процессом создания изделия, и к тому же иметь возможность управлять структурой процесса создания изделия.

   Для реализации  именно компьютерной технологии проектирования и производства должны применяться системы автоматизированного проектирования инженерного анализа и технологической подготовки производства (CAD/CAE/CAM) высшего уровня, а также системы управления проектом (PDM — Product Data Management).

   Что такое система CAD/CAE/CAM высшего уровня? Это такая система,  которая, во-первых, обеспечивает  весь цикл создания изделия  от концептуальной идеи до  реализации, а во-вторых (и это  самое главное), создает проектно-технологическую  среду для одновременной работы всех участников создания изделия с единой виртуальной электронной моделью этого изделия.

                             Рис. 2.1.1.2      Корпус буксирного судна

   На Западе эта  организационная философия обозначается аббревиатурой CAPE (Concurrent Art-to-Product Environment), что можно перевести как «Единая среда создания изделия от идеи до реализации». По существу, именно то, в какой степени система реализует указанную философию, и определяет уровень системы. Руководствуясь такой концепцией, можно резко сократить цикл создания изделия, повысить технический уровень проектов, избежать нестыковок и ошибок в изготовлении оснастки и самого изделия благодаря тому, что в подобном случае все данные взаимосвязаны и контролируемы.

   В настоящее время на  рынке осталось лишь три САПР  верхнего ценового класса —  Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской  фирмы Dassault Systemes (которая продвигает  ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от  РТС (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., а 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.

2.1.1.1.  Unigraphics

   Система Unigraphics в своем сегодняшнем виде —  система достаточно молодая. Она  имеет совершенную внутреннюю  архитектуру. С 1993 года Unigraphics строится  на ядре Рarasolid, которое в значительной  степени определило сегодняшний  отрыв системы от основных конкурентов. Это ядро реализует совершенно новые принципы геометрического моделирования, структуры сборок, обеспечивая гибкую параметризацию и полную ассоциативность. Ядро Parasolid уже приобрели многие компании для разработок собственных систем, и в настоящее время число инсталляций ядра Parasolid в разных системах составляет в мире 550000. Постепенно Parasolid фактически становится стандартом CAD/CAE/CAM-систем.

   В 2002 году UGS PLM Solutions (EDS) выпустила систему, получившей  название Unigraphics NX, которая получила самую высокую оценку аналитиков, как решение, которое в наибольшей степени отражает все наиболее современные и перспективные подходы к построению MCAD систем.

   В настоящее  время, система Unigraphics является  универсальной интегрированной системой автоматизации проектирования и производства и, фактически, служит стандартом для САПР аэрокосмической, автомобильной, машиностроительной, медицинской и многих других отраслей промышленности, производящих высокотехнологичную и наукоемкую продукцию.

   Unigraphics имеет единую  внутреннюю базу данных для  всех приложений системы, которая  построена на принципе мастер-модели, обеспечивающей надежный систематизированный  подход к созданию и проверке  геометрии изделия и связанных  с ней процессов. Это позволяет легко манипулировать большими сборками в среде параллельного инжиниринга. Внутри системы существует единая среда хранения данных, и нет абсолютно никаких конверторов, поэтому все данные ассоциативны через все приложения системы. Unigraphics имеет твердотельный моделлер с встроенной гибкой параметризацией и глубокой ассоциативностью — самый совершенный среди всех систем. Все модели, создаваемые в UG, являются автоматически параметризованными и в любой момент доступными для различного вида модификаций.

Рис. 2.1.1.1.1     Расчет рамы роликовой секции машины непрерывного литья заготовок

   Причем параметризация  — нежестко привязанная к порядку  построения геометрии (как, например  в системе Pro/Engineer), а гибкая, не  заставляющая конструктора много раз переделывать геометрию в процессе моделирования и модификации, позволяющая в любой момент времени переопределять и перепривязывать связи, изменять порядок создания элементов в уже построенной модели. При этом средства создания жестко параметризованной геометрии в системе также присутствуют в полной мере, и в некоторых случаях это целесообразно. В системе не существует каких-либо внутрисистемных ограничений для конструктора. Например, внутри системы нет различий между объемным и листовым телом, поэтому с гранью твердого тела можно делать то же самое, что с поверхностью, а над листовыми телами (поверхностями) можно производить булевы операции, так что различие обусловливается только физическим смыслом.

   Unigraphics — хорошо  сбалансированная система. Она содержит все средства инженерного анализа, присущие универсальным системам.

Рис. 2.1.1.1.2      Стенд для настройки съемного блока машины непрерывного литья заготовок

   Программное обеспечение  UG в области программирования станков с ЧПУ обеспечивает функциональность на таком уровне, который недоступен для других систем. Позиции UG/CAM оцениваются в качестве мирового стандарта для всех других производителей NC-программ. Система содержит специализированные технологические приложения, функционирующие в единой базе данных Unigraphics, а значит, поддерживающие ассоциативность и целостность данных.

   Немаловажным  преимуществом системы является  то, что она является единственной CAD/CAM/CAE системой верхнего уровня  на рынке, которая имеет русский интерфейс и документацию на русском языке.

   Одним из отличий  Unigraphics от других продуктов на  рынке САПР-систем является возможность  использования на предприятии  технологии KDA (Knowledge Driven Automation - автоматизация  с использованием базы знаний). Предлагаемое решение позволяет объединить в единой системе процессы проектирования и знания, накопленные специалистами предприятия.

   Использование мастер-процессов, специфичных для конкретных областей инженерной деятельности, дает огромный эффект за счет аккумулирования знаний о процессах в виде логической последовательности действий с определенными параметрами. Яркими примерами реализации мастер-процессов в Unigraphics являются модули UG/Mold Wizard и UG/Die Engineering позволяющие сократить время проектирования сложных литьевых форм и штампов в несколько раз.

   Система Unigraphics имеет модульную структуру. Различное сочетание модулей позволяет выбрать конфигурацию, наиболее полно отвечающую требованиям конкретного предприятия.

   Однако главным  преимуществом системы Unigraphics является  возможность в наибольшей степени, по сравнению с любой другой системой, создать полное цифровое представление сложных многокомпонентных изделий и организовать параллельное проектирование. Поскольку в процессе проектирования постоянно приходится проводить изменения, необходимо, чтобы система позволяла осуществлять изменения на всем дереве создаваемой цифровой модели многокомпонентного изделия. Эта задача очень сложна, и здесь недостаточно только наличия параметризации. Для этого в Unigraphics существует инженерная технология WAVE (What if Alternative Value Engineering), предназначенная для целевого управления глобальными модификациями, проводимыми в больших сборках сложных изделий. WAVE позволяет создавать любые ассоциативные структуры, осуществлять анализ ассоциативных связей и управлять их статусом, проводить оптимизации на концептуальной упрощенной электронной модели изделия и проводить управляемую трансляцию изменений в результате оптимизации на детальную электронную модель сколь угодно сложного изделия. Сочетание в системе UG гибкой параметризации, структуры организации сборок и технологии WAVE действительно позволяет реализовать даже на уровне CAD/CAE/CAM-системы процесс проектирования в параллельном режиме, c созданием единой виртуальной цифровой модели. Используя создаваемую с помощью WAVE ассоциативную структуру в Unigraphics, возможно даже реализовать процесс утверждения, после которого утвержденная модель попадает в виртуальную цифровую модель общего доступа. Это — уникальное качество системы. Поэтому взаимодействие Unigraphics с PDM-системой строится на более высоком уровне.