Система CATIA, разработанная французской фирмой Dassault Systemes, появилась на мировом рынке САПР для машиностроения еще в 1981 году. С тех пор поддержку системы, ее продажу и обучение пользователей на основе долгосрочного соглашения осуществляет корпорация IBM. Первоначально рассчитанная на мэйнфреймы IBM, система получила наиболее широкое применение на крупных машиностроительных предприятиях. Сейчас число фирм-пользователей CATIA превышает 8 тысяч, среди них есть и российские предприятия.

CATIA 4.1.6 – универсальная система автоматизированного проектирования, испытания и изготовления, используемая на предприятиях машиностроения во всем мире. Во многих фирмах CATIA используется в качестве основной системы САПР (основной не только по количеству мест сравнительно с другими системами машиностроительного САПР, а по методологии использования): Boeing – 7650 рабочих мест CATIA, Chrysler – 2800, ГАЗ-120, ВАЗ-45.

В конце 80-х годов в качестве рабочих мест в системах автоматизированного проектирования стали широко использоваться UNIX-станции. Появление новой, более мощной аппаратной платформы благоприятно сказалось на распространении системы. В настоящее время подавляющее большинство фирм-покупателей CATIA использует рабочие станции IBM (примерно 40 тыс. рабочих мест). Система эксплуатируется на мэйнфреймах и UNIX-станциях RISC/6000 IBM, рабочих станциях фирм Hewlett-Packard и Silicon Graphics.

Развитие системы, основы которой были заложены еще 25 лет назад, позволяло ей завоевывать все новых пользователей. Однако к началу 90-х годов насыщение системы новыми компонентами и модулями проектирования замедлилось, что немедленно сказалось на сокращении роста объема продаж. Поэтому IBM и Dassault привлекли коллективы проектировщиков на предприятиях, использующих CATIA, к совместной работе над улучшением и расширением функциональности системы. Крупные пользователи системы являются технологическими лидерами в своих отраслях промышленности, обладают большим опытом и знаниями в проектировании и производстве, и их требования к устанавливаемым системам CAD/CAM/CAE особенно высоки.

В настоящее время соразработчиками модулей системы являются известные машиностроительные компании:

BMW (модуль проверки собираемости изделия Fitting Simulation, ис-пользуемый для анализа условий сборки и ремонтопригодности изделия; модули генерации программ ЧПУ Speed Milling и Rough Cutting – последний разработан совместно с фирмой PSA);

Chrysler (подсистема виртуального производства – расширения системы моделирования на цеховые технологические процессы; модули моделирования поверхностей класса А, находящиеся в стадии завершения разработки – совместно с фирмами Honda и Volvo);

Mayer Verft (модули подсистемы проектирования для предприятий кораблестроения CATIA/CADAM Shipbuilding);

ISC (подсистема проектирования промышленных предприятий CATIA/CADAM AEC Plant);

Lockheed, Hyundai и другие.

 Кроме того, к сотрудничеству привлекаются передовые разработчики специальных приложений проектирования, различные ноу-хау включаются в CATIA в виде модулей или дополнительных приложений. Такие модули объединены в архитектуру прикладных программ CATIA (CATIA Application Architecture – CAA). За последние 3 года в состав САА в качестве важнейших приложений вошли:

Aleph Technologies – управление роботами (Robuse);

CADSI – динамический анализ механизмов (CATDADS);

NC Postprocessor Generator – генератор постпроцессоров для оборудования с ЧПУ;

CENIT – 4-координатная ЧПУ-обработка (САТ4АХЕ8);

Concentre (бывш. ICAD) – проектирование с помощью правил (CATIA Knowledge Engineering);

D-CUBED Ltd. – система расчета трехмерных допусков и функциональных размеров (Functional Dimensioning and 3D Tolerancing);

DVO – система проектирования судов и оборудования (труб, ферм, стандартных элементов);

GTX Corporation – технология векторизации, базирующаяся на системе преобразования чертежа в трехмерные параметризованные модели;

Imageware – расчет оптимальной геометрии (Cloud to Geometry);

Insoft Inc. – видеоконференции в параллельном инжиниринге;

Mental Images – модуль создания фотореалистических изображений (Visualization Studio);

Mentor Graphics – приложение "Проектирование электросистем" (E3LCABLE);

PLUS 3 TerraModel – система моделирования земной поверхности.

Все это позволило существенно повысить функциональность системы и расширить спектр решаемых с ее помощью задач проектирования и производства. Сразу же начал расти и объем продаж системы – по данным IDC, к середине 1996 года доля системы составила 13% мирового рынка, а по данным Dataquest (март 1996 года) система CATIA функционировала на 45% рабочих мест проектирования в мировом автомобилестроении и около 70% – в авиастроении.

Проведение обширных работ по совершенствованию системы привело к тому, что архитектура CATIA версии 4.1.6 не может быть однозначно описана простым набором модулей и приложений. Система содержит полные решения для автоматизированного проектирования в областях: конструирования машин и их узлов (Mechanical Design Solutions), формообразования поверхностей и дизайна (Shape Design & Styling Solutions), анализа и моделирования (Analysis & Simulation Solutions), подготовки производства (Manufacturing Solutions), функциональных инженерных расчетов систем и оборудования (Equipment & Systems Engineering Solutions).

IBM и Dassault накопили большой статистический материал, позволяющий судить об оптимальном для предприятия наборе модулей в системе в зависимости от его профиля и масштабов производственной деятельности. Это позволяет рекомендовать клиентам к покупке определенные "Профили CATIA" – конфигурации модулей, оптимально отвечающие запросам пользователей. Покупатель CATIA может в любое время купить недостающий ему функциональный модуль и тем самым расширить возможности своей системы. В системе существуют также модули, обладающие функциональной законченностью – например, модули для разработчиков программ ЧПУ для трехосевого фрезерования или расчетчиков, использующих метод конечных элементов (МКЭ). Естественно, что цена таких модулей ниже стоимости профиля, объединяющего модули для полного набора решений в определенной области проектирования, и это позволяет покупателю экономить средства при покупке системы. Такая гибкость конфигурирования позволяет удовлетворить и запросы промышленных гигантов, имеющих по несколько тысяч рабочих мест CATIA, и потребности предприятий, имеющих у себя одно-пять рабочих мест.

 В CATIA 4.1.6 в качестве базовых используются определенные модули администрирования и управления системой, которые позволяют поддерживать на многих рабочих местах полную функциональность проектирования: модуль, неиспользуемый в настоящее время на одном рабочем месте в сети рабочих станций, становится доступным любому другому пользователю.

Система недешева, поскольку включает не только аппаратные средства определенной конфигурации и программные модули, но и наборы библиотек, определенную методологию проектирования. Необходимы также затраты на обучение персонала и поддержку системы в работоспособном состоянии.

Иногда от потенциального покупателя – как правило, опытного производственника, руководителя многих успешных проектов, – приходится слышать: "Столько лет работали без САПР, такие проекты выполняли..."

В качестве ответа на подобные высказывания можно привести результаты проведенного на Горьковском автозаводе эксперимента: при изготовлении опытного образца джипа "Атаман* с самого начала проектирования было условлено проводить 75% работ с использованием CATIA и 25% обычным способом, "на кульмане". В результате все, что было спроектировано на CATIA, пришло на сборку без ошибок и не потребовало доработок "по месту". В остальных случаях потребовалась масса переделок, изменения конструкции и т.д. в результате ошибок проектирования. Понятно, что чем позднее ошибка выявлена, тем дороже ее исправление. Об этом красноречиво свидетельствуют подсчитанные экспертами автомобильной компании General Motors оценки того, во что обходится исправление ошибки в конструкции одной лишь детали, приведенные в таблице 1. В дорогостоящих проектах цена одной ошибки близка к стоимости 2-3 рабочих мест системы CATIA, которая позволяет их избежать.

В чем отличие

"А по-моему, они одинаковые". Из мультфильма

Во всех универсальных САПР для машиностроения есть, безусловно, много общего. Но есть и отличия, причем принципиальные.

Как правило, все они в той или иной мере используют параметризацию. При этом одна из важных целей – создание типоразмерного ряда изделий изменением нескольких параметров, в оптимуме – одного. Это общее.

Отличие систем заключается в применяемой идеологии параметризации. Например, в некоторых системах применяется сквозная глобальная параметризация, при которой само моделирование идет за параметрической моделью: прежде чем начать что-либо строить, требуется хорошо продумать систему параметров, которыми будет описана модель, и представить себе их связи. Потом изменить эти связи довольно трудно. Системы такого типа хорошо работают при конструировании простых деталей и сборок. Но, в силу экспоненциально возрастающей сложности связей между параметрами сложных и сверхсложных узлов и изделий (автомобиль, самолет и т.д.), где изменение одного параметра влечет за собой колоссальный поток изменений, эти системы не всегда справляются с проектированием. В таких случаях представить себе, в каком месте тот или иной параметр выйдет за пределы области допустимых значений, физически невозможно.

В CATIA 4.1.6 принята принципиально другая схема построения параметрически связанных моделей. Конструктор строит модель, руководствуясь лишь функциональностью и технологичностью детали, узла и изделия, и не думает о параметризации – в этом нет необходимости. Если понадобится определить параметры и связи между ними, он сможет сделать это в любое время – и во время построения модели, "налету", и после ее завершения (так называемая постпараметризация). Причем нет необходимости определять полную группу параметров: система позволяет задать только те, которые представляются конструктору важными, а остальные оставить определенными системой "по умолчанию".

Другим важным отличием CATIA 4.1.6 является то, что ассоциативность (взаимное влияние связанных параметров, в том числе внутренних) управляема. Это означает, что конструктор может позволить ассоциативно распространиться изменениям на все объекты, а может и ограничить зону их распространения, т.е. сделать их локальными. Такое управление ассоциативностью обеспечивает уверенность в том, что изменение некоторого маловажного, локального параметра не приведет к глобальным неконтролируемым изменениям – или хуже того, к нарушению функциональности изделия.

Такая ассоциативность в CATIA трактуется очень широко, сюда включаются ассоциативные связи между геометрией модели и самыми разными ее представлениями и отражениями: это связь между трехмерной моделью и чертежом (тоже управляемая); между моделью и программой для станка с ЧПУ; между моделью и расчетом по МКЭ и т.д. Во многих случаях конструктору посылается сигнал о возникшем рассогласовании и предоставляется возможность принять решение о согласовании или разрыве связи.

 Система CATIA 4.1.6 обладает неординарным сочетанием функциональных возможностей, которые в отдельности встречаются во всех других САПР. Так, исследованиями Gartner Group неоднократно признавалось, что CATIA 4.1.6 обладает одной из самых совершенных методик проектирования поверхностей (модули Surface Design, Advanced Surface Design, Free Form Design), в которую включен широкий набор методов анализа качества получаемых поверхностей: по Гауссовой и экстремальной кривизне, кривые отраженных лучей на поверхности (анализ гладкости), сопряжение с соседними поверхностями (непрерывность по углам и кривизнам), графоаналитический анализ уклонов для пресс-форм и др.).

 При необходимости поверхности могут быть преобразованы в точные твердые тела. Это так называемое "гибридное моделирование", используемое в CATIA 4.1.6. Для систем, в которых моделирование ведется только в твердых телах, такая гибкость является проблематичной.

Как уже указывалось, отдельные модули системы разрабатывались в тесном сотрудничестве с заказчиками CATIA и третьими фирмами-разработчиками. Одним из примеров такого сотрудничества является уникальный модуль "Проверка собираемости изделия" (Fitting Simulation), созданный заказчиком – фирмой BMW. С его помощью моделируется процесс сборки изделия, проверка ее последовательности и выполнимости с учетом доступности, способов установки и используемой оснастки. Этот же модуль применяется при оценке доступности узла для съема при ремонте или обслуживания. Создание такого модуля позволило заметно продвинуться по пути реализации полной электронной модели проектируемого изделия.

Рассматривая конкретную деталь, конструктор и технолог обязаны определять точность ее изготовления с помощью системы допусков. Сложность их расчетов существенно возрастает, когда деталь в каком-либо узле или механизме сопрягается с другими деталями. К числу существенных достоинств CATIA, отличающих ее от других CAD/CAM/CAE-систем, относится система "расчета трехмерных допусков", созданная с помощью партнера-разработчика – фирмы D-CUBE. Модуль "Функциональные размеры и трехмерные допуски" (Functional Dimensioning and 3D Tolerancing) позволяет рассчитать размерную цепь любой сложности и оптимальные конструктивно-технологические допуски, смоделировать поведение механизмов при вариации допустимых размеров деталей.

 Одной из важных отличительных черт CATIA 4.1.6 является наличие специализированных модулей проектирования, функциональные возможности которых отсутствуют в других CAD/CAM/CAE-системах. К таким относится модуль "Проектирование и изготовление трехмерных трубопроводов" (SDTubing). С его помощью пользователь может в автоматическом или полуавтоматическом режиме проложить трассу, проверить условия ее пересечения и зазоры с другими элементами конструкции, быстро изменить геометрию трубопровода. Впрочем, это можно имитировать и с помощью обычных геометрических объектов – поверхностей, твердых тел. Но "трехмерный трубопровод" в CATIA – особый (не только геометрический) объект, который включает в себя множество различных логических и физических атрибутов. Используя их, модуль позволяет автоматически учесть выполнение таких требований предприятия-изготовителя, как соблюдение отраслевых стандартов на минимальную длину прямого участка, углы и радиусы гиба, учесть логику построения соединений трубопровода (сварных, фланцевых, резьбовых и т.д.) и выбрать нужные элементы из стандартной, поставляемой вместе с системой, или собственной библиотеки, обеспечить контроль состояния рабочего тела (давление, температура, агрессивность и т.д.). Имеется возможность проектирования гибких трубопроводов (например, для гидро- и пневмосистем). Преимущества такого многопараметрического подхода к проектированию пространственных трубопроводов наглядно проявились в ходе использования системы на Подольском машиностроительном заводе.

Аналогичными возможностями обладает модуль "Проектирование и изготовление электросистем", где к геометрическому описанию жгутов добавляется функциональная специфика: легко определить (в дополнительном плоском окне)раскладку проводов в жгуте, проходящем через крепление к корпусу; создать ответвление со специальной изоляцией в месте выхода группы проводов из жгута; создать прокладку жгута вдоль конструктивного элемента (например, обшивки). Система имитирует физическое провисание жгута и позволяет управлять параметрами провисания. Так же легко получить чертеж раскладки жгута с указанием всех атрибутов: точной длины, сечения, типа изоляции и т.п.

Кроме того, оба модуля обладают необходимой ассоциативностью – не всегда повторимой в других системах, где трубопровод и электропроводка рассматриваются лишь как геометрический объект (при перемещении агрегата CATIA, если нужно, переместит все трубопроводы и перестроит их с учетом всех Правил).

О Правилах с большой буквы

"Здесь, в Зазеркалье, все наоборот..."

Л. Кэрролл. "Алиса в Зазеркалье"

Каждое промышленное предприятие в своей работе руководствуется целым набором нормативной документации (ГОСТ, ОСТ, нормали), в которой перечислено, как надо и как не надо проектировать и изготавливать изделия. Было бы заманчиво иметь что-то подобное и в САПР, но не в виде текстовых или графических описаний, а в виде интеллектуального помощника, который следил бы за тем, что и как делает конструктор, и давал свои советы по ходу работы или тогда, когда его спросят.

Такой подход реализован в подсистеме "Проектирование с помощью Правил" (другое название – "Конструктивно-технологическая база знаний предприятий"). Суть этой новации, представляющей собой одно из отличий CATIA от других систем САПР, в том, что каждый пользователь системы может определить с помощью простейших логических операций "Правила проектирования", записать их и использовать в повседневной работе. Созданные "Правила" можно объединять в группы (например: "Правила проектирования электропроводки с креплением на кожухе двигателя", где можно определить шаг расстановки крепежа, зону расположения проводки и зону запрета ее местонахождения, зоны безопасного расстояния от нагретых частей двигателя, материалы изоляции и т.п.).

В эти же "Правила" может включаться и система ноу-хау предприятия, что обеспечивает защиту его интересов в случае ухода специалиста, накопление знаний. Это позволяет снизить требования к проектировщикам и избежать серьезных ошибок в процессе проектирования и изготовления. Конечно, это не панацея, но большое подспорье.

Кооперация и гетерогенность

"Ну, а в мировом масштабе?"

Петька – Василию Ивановичу

В настоящее время за рубежом степень кооперации в изготовлении сложных изделий (автомобили, самолеты и т.д.) достигла настолько высокого уровня развития, что в изготовлении даже одного автомобиля принимают участие сотни партнеров. Для России, где нарушены связи между производителями, а их экономическое положение неустойчиво, ориентация на многих партнеров повышает риск основного производства. Однако такое состояние является временным, так как очевидно, что не каждое предприятие сможет изготавливать все комплектующие для своего изделия – это дорого, да и качество вряд ли будет лучше, чем у предприятий, специализирующихся на выпуске комплектующих.

IBM стремится ориентироваться на обслуживание именно "расширенных предприятий", под которыми подразумеваются группы предприятий, вовлеченных в единое производство на основе глубокой кооперации. Для таких российских предприятий, как ГАЗ, ВАЗ, ЗИЛ, КамАЗ, УралАЗ, Челябинский тракторный завод, МА-ПО-МиГ и многих других, это понятие вполне применимо: на них существует множество крупных специализированных цехов, зачастую разнесенных территориально, с большой административной, а иногда и финансовой независимостью.

Для таких "расширенных предприятий" проблемы информационного взаимодействия приобретают особенно важное значение. Ведь оно охватывает не только автоматизацию проектирования и изготовления, но и сферу управления финансами, продажами,

В одном из КБ специалистами САНА была проведена работа по обратному моделированию отсека с оборудованием, когда по готовым рабочим чертежам создавалась трехмерная модель и проверялась на функциональность. В отсеке со сложной геометрией размещалась масса труб с технологическими и эксплуатационными компенсационными элементами и элементами крепежа и соединении, а также агрегаты, к которым подводились трубы. Все трубопроводы трехмерные, разного диаметра и назначения. На первом же этапе создания модели в рабочих чертежах был выявлен ряд серьезных нарушений: телескопические элементы технологических компенсаторов в одном месте не достигали ответной части трубопровода (не хватало длины), а в другом месте — не помещались (компенсируемые участки перекрывали друг друга). В нескольких местах трубопроводы пересекали обшивку отсека, элементы крепежа, не попадали на штуцеры агрегатов и т.п. После проведения полного моделирования в CATIA коррекция была проведена практически немедленно. Причина появления таких ошибок не в недостаточной опытности конструкторов, а в том, что пространственная компоновка — сложный процесс, лишь с ограничениями повторимый на бумаге. Традиционная старая методология в этих случаях предлагает проверять компоновку на физическом макете, что требует лишних затрат времени и немалых средств.

складским хозяйством, ресурсосбережением, кадрами, регулирование отношений с поставщиками и заказчиками и многое другое, что определяет жизнеспособность предприятия. Без решения вопросов информационной поддержки в этих сферах деятельности предприятие может не влиться в рыночный механизм.

Эти проблемы, как правило, решают информационные системы управления предприятием. Система CATIA 4.1.6, использующая коммерческие сетевые реляционные базы данных (Oracle, DB2) и имеющая интерфейсы в наиболее широко распространенные сегодня системы управления предприятием (R3 фирмы SAP; Triton фирмы Baan), позволяет создать реальную информационную основу для регулирования производственной и хозяйственной деятельности, расчета себестоимости изделия и выработки управляющих воздействий при коррекции планирования производства.

Если заказчик не планирует ввод в эксплуатацию системы управления производством в ближайшее время, то он может воспользоваться средствами системы CATIA 4.1.6., в которой создана подсистема "Управление проектными данными". На основе ее инструментария предприятие может систематизировать и структурировать данные, используемые в проектировании, технологической подготовке и изготовлении продукции: создавать, управлять и редактировать в графическом и табличном виде иерархию сборочных единиц в изделиях, определять доступ на внесение изменений в данные и фиксировать вносимые изменения (последовательность электронных подписей), обеспечивать поддержку модификаций и вариантов (конструктивных и технологических) производимой продукции, оповещать о произошедших производственных изменениях и многое другое.

 Но кроме того, на "расширенных предприятиях подчас остро встает вопрос информационного взаимодействия между разнородными, гетерогенными системами САПР. Проблема организации обмена данными, содержащими геометрию изделия, технологию ее изготовления, спецификации материалов, стандартных и готовых изделий, логические связи в проекте и многое другое, что составляет основу современных CAD/CAM/CAE-систем, до сих пор до конца не решена ни в одной системе.

Потенциально возможны следующие варианты решения:

1. Использовать единую систему проектирования.

2. Обеспечить интерфейсы для обмена данными между используемыми системами.

3. Использовать наряду с другими одну систему как базовую.

Первый вариант понятен: если система одна, то проблема обмена данными возникает только при информационном взаимодействии с другими предприятиями. Однако, когда в эксплуатации уже находятся несколько систем, переход на единую систему может потребовать слишком больших затрат.

Реализация второго варианта проблематична, поскольку в настоящее время абсолютно однозначных интерфейсов передачи данных между системами нет. Даже на уровне обмена геометрическими данными процедура передачи часто бывает некорректной ввиду различия математических основ моделирования, разной логики построения и прочих отличий систем. Наиболее серьезную надежду на возможность унифицированной передачи расширенных данных проектирования дает новый стандарт STEP, однако в полном объеме он также еще не реализован.

Разработчики CATIA считают, что наиболее рациональным является третий путь – в гетерогенной среде установить их систему, которую можно использовать в качестве базовой. В этом случае CATIA 4.1.6 будет сосредотачивать и контролировать все данные, касающиеся процесса проектирования, анализа (расчета), моделирования поведения изделия, изготовления и эксплуатации. То есть, все основное проектирование – определение состава изделия, привязки агрегатов и их взаимодействия – в таком случае ведется в CATIA как в базовой системе. Решение специализированных задач, не укладывающихся в рамки CATIA, доверяют другим программам, но их результаты обязательно отображаются в базовой системе.

Чтобы заказчики и пользователи системы CATIA 4.1.6 могли получить необходимую помощь при установке и во время эксплуатации системы, фирма IBM создала сеть консультационных инженерно-технологических центров и центров компетенции (ближайший – в Словакии), которые осуществляют информационно-методологическую поддержку и инженерное обеспечение CATIA и пользователей. IBM и Dassault Systemes осуществляют патронаж высших учебных заведений, реализуя систему скидок на приобретение вузами техники и системы CATIA для обучения и в исследовательских целях.

В России вопросами продажи и послепродажной поддержки системы CATIA4.1.6 занимается представительство IBM EMEA. Телефон в Москве: (095) 940.20.00.

{НАЧАЛО ВРЕЗКИ}

На одном авиапредприятии после запуска в работу CATIA имела место буквально следующая сцена первой сборки экспериментального отсека на стапеле. Элементы наружного обвода уже размещены в ложементах, задача сборщиков -замкнуть стапель. Обычно сборка не проходит просто: детали изготовлены неточно и их приходится "вправлять". Сборщики, привычно поплевав на руки, взялись за кувалды и другой "специнструмент" и... легко, без всяких усилий, замкнули ложементы (чего, по традиции, "быть не может"). Это был отсек, целиком спроектированный в CATIA, благодаря чему были исключены привычные ошибки проектирования вручную. Другие отсеки, выполненные по обычным чертежам (из-за недостатка рабочих мест CATIA на предприятии), у сборщиков удивления не вызывали. С ними боролись как обычно.

{КОНЕЦ ВРЕЗКИ}