Благодаря системам автоматизированного проектирования (САПР) существенно (в несколько раз) сокращаются сроки исполнения и подготовки конструкторской и технической документации. Такой выигрыш достигается за счет автоматизации большинства действий, связанных с этим процессом.

Кроме того, с использованием машинного проектирования достигается ощутимое улучшение качества как технической документации, так и не-посредственно самих конструкторских разработок. Конструктору, инженеру, проектировщику больше не приходится значительную часть своих усилий тратить на рутинные операции. Он может целиком сконцентрироваться на самом творческом процессе разработки.

САПР позволяет практически полностью исключить повторение одних и тех же действий. Например, если вы создали чертеж детали, а потом вам нужно эту же деталь начертить на другом чертеже (например, в составе сборочного чертежа), то вам не надо будет вычерчивать ее снова. Достаточно будет двух-трех секунд, чтобы скопировать построение одного чертежа на другой.

Стоит также отметить, что современные системы автоматизированного проектирования позволяют решать конструкторские задачи комплексно: от непосредственно постановки задачи до получения чертежей и программ для оборудования (станков) с числовым программным обеспечением (ЧПУ). В конечном итоге это позволяет в несколько раз ускорить не только выполнение чертежей, но изготовление самих деталей.

CAD – автоматизированное проектирование – представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов.

Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурного элемента, электронной схемы, плана зданий и т.п.), поскольку геометрия определяет все последующие этапы Ж.Ц.П..

Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами САПР. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах CAM/CAE. Это одно из значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах.

CAM – автоматизированное производство – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для планирования, управления и контроля операций производства через прямой или косвенный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое программное управление (ЧПУ), которое заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, превращая заготовки в готовые детали.

Еще одна важная функция CAM – это программирование роботов, которые могут работать на гибких автоматизированных участках, выбирая и устанавливая инструменты и обрабатываемые детали на станках с ЧПУ. Роботы могут выполнять и свои собственные задачи, например, выполнять сварку, сборку и перенос оборудования и деталей по цеху.

Планирование процессов также постепенно автоматизируется. План процессов может определять последовательность операций по изготовлению устройств от начала до конца на всем необходимом оборудовании. Хотя полностью автоматизированное планирование процессов практически невозможно, план обработки одной конкретной детали вполне может быть сформирован автоматически, если уже имеются планы обработки аналогичных деталей. Эта задача осуществляется при помощи объектно-ориентированного моделирования или распознавания элементов.

Компьютер может быть использован для выявления необходимого заказа исходных материалов и покупных деталей, а также определять их количество исходя из графика производства.

CAE – автоматизированное конструирование – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для анализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенствования и оптимизации его конструкции. Средства CAE могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Существуют, например, программы для кинематического расчета, расчетов траектории движения и скорости звеньев в механизме, определение нагрузок в механизме и пр.

ЖЦП (Жизненный цикл продукта).

Современное предприятие не может выжить во всемирной конкуренции, если не будет выпускать новые продукты лучшего качества, более низкой стоимости и за меньшее время. Поэтому они стремятся воспользоваться огромными возможностями компьютера, их высоким быстродействием, удобным графическим интерфейсом для того, чтобы автоматизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства, таким образом, сокращая время и стоимость разработки и выпуска продукции. Для этой цели используются технологии автоматизированного проектирования (computer aided design - CAD), автоматизированного производства (computer aided manufacturing - CAM) и автоматизированной разработки или конструирования (computer aided engineering - CAE).

Чтобы понять значение систем CAD/CAM/CAE, нужно изучить различные операции и задачи, которые приходится решать и выполнять в процессе разработки и производства продукта. Все эти задачи, взятые вместе, называются Жизненным Циклом Продукта.

Пример ЖЦП приведен на рис.1.

Прямоугольники, нарисованные сплошными линиями, представляют собой два главных процесса ЖЦП – процесс разработки и процесс производства.

    Процесс разработки начинается с изучения запросов потребителей (отдел маркетинга) и заканчивается полным описанием продукта, обычно выполняемым в форме рисунка.

Процесс производства начинается с разработки технических требований и заканчивается поставкой готовых изделий.

Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналитические и синтетические.

Синтез – первичные операции разработки, формулирование технических требований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а также концептуализация разработки.

Результат процесса синтеза – концептуальный проект предполагаемого продукта в форме эскиза или топологического чертежа.

В этой части цикла делаются основные финансовые вложения, а также определяется его функциональность. Большая часть информации неудобна для компьютерной обработки.

    Процесс анализа – готовый концептуальный проект анализируется и оптимизируется. Прежде всего, вырабатывается аналитическая модель. Она получается, если из проекта удалить маловажные детали, редуцировать размерности и учесть имеющуюся симметрию. Редукция размерностей подразумевает, например, замену тонкого листа из какого-нибудь материала на эквивалентную плоскость с атрибутами толщины или длинного и тонкого участка на линию с определенными параметрами сечения. Симметричность модели тела и нагрузки, приложенной к нему, позволяет рассматривать в модели лишь часть этого тела. С подобным абстрагированием сталкивались в курсе теоретической механики.

Качество результатов, которые могут быть получены в результате анализа, непосредственно связано с качеством выбранной аналитической модели.

После завершения проектирования и выбора оптимальных параметров начинается этап оценки проекта. Для этой цели могут быть изготовлены прототипы. Если оценка проекта на основании прототипа показывает, что проект не удовлетворяет требованиям, описанный выше процесс разработки повторяется снова. Если результат оценки удовлетворителен, начинается подготовка проектной документации. К ней относятся чертежи, отчеты и списки материалов.

Процесс производства начинается с планирования, а заканчивается готовым продуктом. Технологическая подготовка производства – это операция, устанавливающая список технологических процессов по изготовлению продукта и задающая их параметры. Одновременно выбирается оборудование, на котором будут производиться технологические операции. В результате подготовки производства составляется план выпуска, списки материалов и программы для оборудования. Подготовка занимает в процессе производства примерно такое же место, как процесс синтеза в процессе проектирования, требуя значительного человеческого опыта и принятия качественных решений.

После завершения технологической подготовки начинается выпуск готового продукта и его проверка на соответствие требованиям. Детали, успешно прошедшие контроль качества, собираются вместе, проходят тестирование на функциональность, упаковываются, маркируются и отгружаются заказчикам.

Компоненты САПР

Для реализации компьютерно-ориентированного подхода к проектированию и производству нужно специальное аппаратное и программное обеспечение. Графические устройства и периферийные устройства ввода-вывода вместе с обычным вычислительным модулем составляет аппаратное обеспечение систем CAD/CAM/CAE. Программными компонентами являются пакеты, манипулирующие формами или анализирующие их под управлением пользователя в двух или трех измерениях, одновременно обновляя базу данных.

Аппаратное обеспечение.

К аппаратному обеспечению относят вычислительный модуль и графическое устройство. Графическое устройство состоит из дисплейного процессора, устройства отображения (монитора), и одного или нескольких устройств ввода (клавиатура, мышь, спейсбол, цифровой планшет с пером и роликом). Эти устройства ввода призваны способствовать интерактивному манипулированию формами, давая возможность вводить графические данные непосредственно в компьютер. Каждое графическое устройство обычно подключается к устройствам вывода, например, к плоттеру или принтеру. Эти устройства могут быть использованы несколькими графическими устройствами совместно. Устройства вывода позволяют вывести любое изображение на бумагу.

Графические устройства бывают векторными и растровыми.

Векторные графические устройства появились в середине 60-х годов. (Дисплейный процессор формирует необходимые напряжения на вертикальных и горизонтальных парах отклоняющих пластин таким образом, что электрон, вылетающий с катода , попадает в нужное место внутренней поверхности передней стенки электронно-лучевой трубки.). Мерцание изображения и высокая стоимость – основные недостатки устройств векторной графики. Но есть у них и преимущества. Напряжения, подаваемые на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины, можно контролировать с любой заданной точностью, что обеспечивает любое желаемое разрешение. Поэтому дисплейное устройство может иметь высокое разрешение, например, 4096х4096, а прямые линии действительно получаются прямыми линиями, а не ступенчатыми. К тому же векторные устройства позволяют отображать динамическую анимацию. Динамика обеспечивается благодаря изменению содержимого дисплейного буфера по мере того, как дисплейный процессор занимается обновлением. Содержимое буфера изменяется программой анимации.

Растровые графические устройства появились в конце 70-х годов в результате широкого распространения телевизионных технологий. С тех пор они стали основным видом графических устройств благодаря высокому соотношению «качество-цена». (Получить наглядное представление о растровом изображении можно, если вплотную пододвинуться к телевизору. Размеры точек определяются установленным разрешением. На внутренней поверхности электронно-лучевой трубки может быть столько точек люминофора, сколько точек описывается буфером кадра.)

Программные компоненты.

Любая программа, используемая в жизненном цикле продукта для сокращения времени и стоимости разработки продукта, а также для повышения его качества, может быть отнесена к классу CAD/CAM/CAE. В основе лежат программы CAD, позволяющие конструктору создавать новые формы и манипулировать ими на мониторе в интерактивном режиме, сохраняя результаты в базе данных. Любая программа, используемая в процессе производства продукта, считается средством CAM.

Существует множество систем автоматизированного проектирования, использующих различные языки программирования. Наибольшее распространение получила система AutoCAD. По оценкам журнала CAD User около 50% конструкторской документации, выпускаемой автоматизировано, осуществляется с использованием AutoCAD.

AutoCAD в полной мере удовлетворяет требованиям к инструментальным средствам АКД (автоматизированная конструкторская документация).

AutoCAD поддерживает широкую гамму устройств получения твердых копий графических изображений (графопостроители, матричные и лазерные принтеры различных типов), практически все используемые для ЭВМ типа IBM графические дисплеи и адаптеры.

В ACAD встроен Auto Lisp (модификация языка программирования LISP). ACAD позволяет пользователям и разработчикам писать макропрограммы и функции на мощном языке высокого уровня, который хорошо сочетается с прикладной графикой.

Применение системы AutoCAD предполагает использование для ввода графической информации устройства типа графический планшет или “мышь”.

Лекция 2