Преимущества и выгоды, которые дает внедрение на предприятии системы автоматизированного проектирования (САПР), кажется, очевидны для всех. Не вызывает никаких сомнений и необходимость скорейшего технического переоснащения предприятий отечественной промышленности, – во всяком случае, той, что еще сохранилась. Поэтому усилившийся в последнее время интерес к САПР вряд ли можно назвать случайным.

Сегодня под словом "САПР" понимается гораздо большее, нежели просто "программно-аппаратный комплекс для выполнения проектных работ с использованием компьютеров", и зачастую этот термин используется прежде всего как удобная аббревиатура для обозначения большого класса систем автоматизации. Это связано с тем, что за последние 10-15 лет такие системы прошли большой путь развития от "электронных кульманов" первого поколения, предназначенных в основном для машинной подготовки проектной документации, до современных систем, автоматизирующих практически все процессы, связанные с проектированием и изготовлением новых изделий, будь то деталь, узел машины или целый автомобиль, самолет или здание.

Разумеется, чем сложнее разрабатываемое изделие, тем более сложной и многофункциональной должна быть САПР. Системы проектирования в масштабах предприятия за рубежом принято определять как CAD/CAM/ САЕ-системы, функции автоматизированного проектирования распределяются в них следующим образом: модули CAD (Computer Aided Design) – для геометрического моделирования и машинной графики, модули подсистемы САМ (Computer Aided Manufacturing) – для технологической подготовки производства, а модули САЕ (Computer Aided Engineering) – для инженерных расчетов и анализа с целью проверки проектных решений. Таким образом, современная система CAD/CAM/CAE способна обеспечить автоматизированную поддержку работ инженеров и специалистов на всех стадиях цикла проектирования и изготовления новой продукции. В основу каждой САПР заложена определенная математическая модель, формализующая описание и функционирование проектируемых изделий и процессы их изготовления. И природа изделий, и производственные процессы накладывают свою специфику на методы их математического моделирования. В конечном счете эта специфика приводит к существенному различию систем проектирования и условий их использования. Так, в САПР изделий электроники, благодаря практически полной стандартизации конечного числа компонентов, используются функциональные математические модели, основанные на структурном описании разрабатываемого изделия, с весьма высоким уровнем формализации. Во всех же остальных системах, несмотря на различную природу создаваемых с их помощью объектов (детали и узлы машин и механизмов, сети трубопроводов и электрические сети, архитектурные и инженерно-технические сооружения и т.д.), основу математической модели всегда составляет геометрическая модель проектируемого изделия, дополняемая функциональным описанием. Из всех САПР наибольший интерес представляют системы для машиностроения: в настоящее время круг решаемых ими задач максимально широк, а сложность наиболее высока.

Структура

Ни для кого не секрет, что бесхозяйственное управление предприятиями машиностроительных отраслей российской промышленности в течение последних 30 лет привело к почти полному моральному и физическому износу технологического оборудования – и, как следствие, низкому качеству производимой на нем продукции. Переход к открытой рыночной экономике сделал ее полностью неконкурентоспособной. Большинству отечественных предприятий сейчас необходимо практически полное переоснащение производственной базы.

В то же время задержка в использовании информационных технологий в промышленности может позволить внедрить их быстро и с минимальными потерями, с учетом опыта и ошибок ведущих западных фирм. Системы CAD/CAM/ САЕ масштаба предприятия (или полномасштабные) призваны сыграть в процессе информатизации машиностроения особую роль. Ведь они являются инструментальной базой по отношению ко всем остальным системам автоматизации производственной и хозяйственной деятельности и, как правило, основываются на последних достижениях в области автоматизации инженерного труда и организации производства.

Имеющиеся в настоящее время на рынке САО/САМ/САЕ-системы для машиностроения по широте охвата решаемых с их помощью задач можно разделить на универсальные и специализированные, причем последние используются как самостоятельно, так и в составе универсальных.

Все универсальные CAD/CAM/САЕ-системы содержат три обязательные категории подсистем:

 – Пакеты программ для графического ядра системы. Типичными представителями специализированных программ этой категории могут служить ACIS (Spatial Technology) и Concept Modeller (Wisdom), реализующие твердотельную вариационную геометрию при создании геометрических моделей.

 – Пакеты для всестороннего анализа и оценки функциональных и эксплуатационных свойств с помощью методов моделирования на различных уровнях физического представления проектируемых объектов. Их использование позволяет почти полностью отказаться от дорогостоящего изготовления прототипов проектируемых изделий и их натурных испытаний. Такие системы обычно отличаются высокой сложностью и стоимостью и охватывают широкий круг задач моделирования технических объектов. Здесь наиболее распространены системы моделирования на распределенном уровне, использующие метод конечных элементов (МКЭ). В зависимости от типа проектируемых изделий, технологии их изготовления и условий эксплуатации они также подразделяются на универсальные и специализированные. К числу самых известных универсальных систем относятся NAS-TRAN, NISA II, PATRAN, ANSYS, к числу специализированных САЕ-систем – пакеты SIMTEC и MAG-MAsoft (моделирование процессов отвердевания металлических отливок), MoldFlow (процессы литья пластмасс), OPTRIS (деформации при листовой штамповке) и др. Для моделирования кинематики и динамики механизмов используются такие пакеты, как ADAMS, DADS, для моделирования технических объектов различной физической природы на сосредоточенном уровне – система SABER.

 – Системы для подготовки управляющих программ станков и технологического оборудования с ЧПУ. Как правило, они имеют собственный достаточно развитый графический редактор, позволяющий на основе чертежа детали создавать ее геометрическую модель, которая затем используется для генерации управляющей программы систем ЧПУ. Таких пакетов для ПЭВМ и рабочих станций создано уже немало. Наиболее известные из них – Smart-САМ, CIM CAD, Cimplex, EUCLID, PEPS, DUCT, "Спрут" и др. Часто они выпускаются как специализированные пакеты для конкретных видов механообработки или имеют набор специализированных модулей.

Масштабы

Несмотря на то что универсальные CAD/CAM/CAE-системы предназначены для комплексной автоматизации проектирования и производства, по масштабу решаемых ими задач (в зависимости от их функциональных возможностей, набора входящих в них модулей и структурной организации) принято выделять три класса систем: низкого уровня, среднего и полномасштабные системы (масштаба предприятия).

Системы низкого уровня обычно имеют ограниченный набор модулей и кроме средств автоматизации чертежных работ включают в себя графический моделлер с 30-поверхностной графикой (иногда с 30-твердотельной), модуль визуализации трехмерных тел, модуль генерации программ для оборудования с ЧПУ и др. В них исключительно ограничены возможности параметрического проектирования и ассоциативных связей, как правило, отсутствуют модули управления данными проекта, функционального анализа и управления процессами механосборки. Обычно базовые графические модули этих систем создаются фирмами-разработчиками системы, которые часто выступают и в роли интеграторов внедряемой САПР. Модули для расширения возможностей системы на область задач САЕ и САМ обычно разрабатываются и поставляются третьими фирмами. В большинстве случаев системы низкого уровня могут инсталлироваться и работать на персональных компьютерах или недорогих рабочих станциях.

К системам этого класса можно отнести такие недорогие и популярные в нашей стране системы автоматизации, как AutoCAD, CADDY, отечественные TopCAD, "Компас", "Спрут" и др. Фирмы-производители стремятся постоянно наращивать функциональные возможности своих систем, приближая их к системам среднего уровня, а за счет приобретения продукции третьих фирм – и к полномасштабным системам.

Системы среднего уровня имеют более широкий набор модулей, разрабатываемых фирмой-собственником пакета. Системы этого класса обеспечивают более высокую функциональность при проектировании, используют геометрические моделлеры с возможностями параметрического моделирования и ассоциативности, а некоторые включают наборы модулей управления проектными данными и механическими сборками. Технической базой для таких систем являются обычно рабочие станции с ОС UNIX или персональные компьютеры уровня графических рабочих станций. К подобным системам могут быть отнесены Cimatron, KONSYS 2000, Pro/JUNIOR, MicroStation (выделяется более развитыми функциональными возможностями) и др. В результате совершенствования и развития эти системы по своим возможностям приближаются к системам масштаба предприятия, а в некоторых случаях даже превосходят их по функциональности.

И, конечно же, наибольшими возможностями обладают полномасштабные системы CAD/САМ/САЕ. Из них к числу наиболее распространенных в России относятся Pro/Engineer (компания РТС), Unigraphics (фирма EDS), CADDS 5 (Computervision), CATIA (IBM). Это сложные, многофункциональные системы, в состав которых входит большой набор модулей (до 40-70) различного функционального назначения, из которых как типовые выделяются:

 – графическое ядро для создания геометрических моделей отдельных деталей, узлов и изделия в целом;

 – модуль создания и оперирования процессами механосборки;

 – модули для инженерного анализа с использованием МКЭ, моделирования кинематики и динамики механизмов;

 – модули конструирования систем управления (гидравлических, пневматических, электрических и др.) и систем жизнеобеспечения(вентиляция, кондиционирование, теплоснабжение, энергопитание и т.п.);

 – набор модулей для технологической подготовки производства, в основном модули генерации управляющих программ для различных видов механообработки, литья, штамповки и других техпроцессов;

 – модули обмена данными в различных графических форматах (IGES, STEP, DXF, VDA-FS и др.);

 – модули управления данными выполняемых проектов;

 – собственная или коммерческая СУБД;

 – модули подготовки и выпуска проектной и конструкторской документации (разработки чертежей по геометрическим моделям, подготовки спецификаций).

В большинстве случаев приведенный базовый набор модулей дополняется различными вспомогательными, и очень часто в состав универсальных систем включаются специализированные пакеты – ADAMS, MoldFlow, NAS-TRAN и т.д. Например, некоторые предприятия, используя CAD/CAM/CAE-систему Pro/Engineer фирмы РТС, тем не менее для генерации программ станков с ЧПУ предпочитают применять соответствующие модули других систем (CADDS, CIM CAD, Smart-CAD), считая их более эффективными.

На большинстве западных машиностроительных предприятий эксплуатируются различные CAD/CAM/CAE-системы разных версий и в разной конфигурации, то есть системы неоднородные или гетерогенные. Можно привести случаи, когда разные системы используются в соседних подразделениях предприятия, а иногда и отдельными проектировщиками. Подобный разнобой объясняется многими причинами: симпатиями и привычками отдельных сотрудников, желанием использовать для различных проектных задач наиболее подходящее программное обеспечение.

Основная проблема, возникающая при использовании гетерогенных систем (нередко усугубляемая неоднородностью инструментальной базы – системных программно-аппаратных средств, в том числе систем управления LAN и базами данных), заключается в переносе между системами геометрических моделей сконструированных деталей и узлов одного проекта, когда в каждой из систем нужно обеспечить адекватность описания геометрии с заданной точностью. Как правило, для этого используется преобразование внутреннего представления геометрических моделей в формат одного из распространенных графических стандартов (IGES, VDA-FS, STEP, DXF и др.). Однако при этом зачастую не удается достаточно полно согласовать графические возможности системы-источника и системы-приемника геометрической модели. И поэтому фирмы-разработчики систем CAD/CAM/CAE часто создают модули прямой связи между известными системами -например, CATIA-CADDS, I/EMS-MEDUSA и т.п.

Развитие

Перечисленных выше возможностей для современных интегрированных систем CAD/CAM/CAE уже недостаточно. Системы масштабов предприятия третьего поколения поддерживают следующие важные с точки зрения пользователя функции:

 – твердотельное моделирование как основа для создания и описания геометрических моделей проектируемых изделий с использованием вариационной геометрии и поддержкой межуровневых связей, развивающее метод параметрического моделирования;

 – распространение двунаправленных связей на все уровни проектирования, включая сборочные единицы, расчетные модули системы, технологическую подготовку производства;

 – полное описание всего проекта в определенном формате представления и, как следствие, обеспечение горизонтальной и вертикальной интеграции и сбалансированности модулей в рамках единой системы;

 – наличие средств поддержки параллельного проектирования и методов коллективной работы.

Для многих западных фирм, имеющих большой объем наработок в устаревшей дискретной технологии проектирования – с частичной автоматизацией узких мест при использовании модулей различных САПР, – задача перехода к единой базовой системе связана с большими материальными затратами, сложностью переобучения персонала и другими проблемами. Подобное переоснащение могут позволить себе лишь очень мощные фирмы (например, Caterpillar, Cummins Engine, Short Brothers, Rolls-Royce, United Technologies и др.) или, наоборот, совсем молодые, только появляющиеся. Для отечественных же предприятий с их низким уровнем использования информационных технологий более рациональным видится переход сразу к единой полномасштабной системе CAD/CAM/CAE для информатизации всего производственного процесса на современном уровне.

Как уже было сказано, одним из главных преимуществ систем CAD/ САМ/САЕ третьего поколения заявлена возможность совмещения во времени большинства стадий автоматизированного проектирования и изготовления изделий, называемая параллельным проектированием (concurrent engineering). Под этим подразумевается одновременная работа коллектива разных специалистов (конструкторов, расчетчиков, технологов и др.) над одним изделием. Однако к этому следует относиться с осторожностью, ибо в традиционном цикле "проектирование-анализ-подготовка-изготовление" всегда найдутся работы, принципиально не допускающие совмещения во времени с другими. Кроме того, организация параллельной коллективной работы в системе CAD/CAM/CAE должна поддерживаться эффективными программными и техническими средствами. Это дает основание считать, что параллельное проектирование в системах CAD/CAM/ САЕ будет практически реализоваться по мере их совершенствования и разработки новых подходов к организации цикла "проектирование-изготовление".

Развитие современных САПР идет по нескольким направлениям. С одной стороны, это переход к объектно-ориентированным системам и технологиям проектирования, реализованным в большинстве выпущенных в последнее время версий систем CAD/CAM/CAE. Наиболее интересных результатов в развитии этого направления добились следующие фирмы-разработчики: Intergraph (объектно-ориентированная система Solid Edge), Bentley Systems (пакет Objective Micro-Station), Computervision (пакет Design Post P&D – реализация объектно-ориентированной управляемой по событиям технологии PELORUS), Straessle (системы ObjectD и FeatureM).

С другой стороны, фирмы стремятся включать в свои системы CAD/CAM/CAE все новые модули, расширяющие сферы их применения: от традиционного проектирования узлов и изделий машиностроения, зданий и сооружений – до планировки предприятий, картографии и геоинформатики. Это особенно показательно для систем среднего уровня, в которых наиболее ярко выражена модульная структура построения: выпущенные Bentley Systems инструментальный пакет MicroStation GeoGraphics, предназначенный для решения задач картографии, и пакет PlantSpace (совместная с фирмой Jacobus Technology разработка) для перепланировки предприятий в среде системы MicroStation 95; пакет AutoCAD Map (для картографии) фирмы Autodesk; модули HVAC и CV Plant Design фирмы ComputerVision для проектирования коммуникаций и сложных производственных объектов.

Наконец, у конструкторов и проектировщиков появляются принципиально новые возможности, связанные с созданием глобальных сетей проектирования на базе Internet. В этом направлении развития систем следует отметить работы компаний Bentley Systems и Autodesk. Так, Bentley Systems намерена в текущем году поставить систему Objective MicroStation со встроенным WWW-браузером, что позволит в рамках CAD/CAM/САЕ оперировать моделями объектов, созданными проектировщиками в различных частях света, загружая их из подключенных к Интернету библиотек.

Дмитрий Жук – кандидат технических наук, доцент кафедры "САПР", руководитель Центра машинной графики МГТУ им. Баумана. Более 30 лет участвует в создании и внедрении систем автоматизированного проектирования изделий электроники и машиностроения. Руководимый им центр стал российским полигоном для тестирования, исследования условий применения САПР (Pro/ENGINEER, CATIA, EUCLID, MicroStation и др.), локализации программных пакетов и обучения пользователей. Одна из последних разработок центра – совместный со специалистами завода им. Лихачева анализ условий отливки главного колокола Храма Христа Спасителя в Москве. Тел. Центра (095) 263.96.71