Этот программный продукт открывает новое направление; развития компьютерных средств проектирования, конструирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства. До сих пор CAD/CAMслужил инструментом для воплощения в реальность того, что являлось плодом твор­чества исключительного самого конструктора, аналитика или технолога — обладателя квалификации и опыта в определенной области знаний.

С выходом пятой версии системы открылась возможность непосредственно контролировать характеристики разрабатываемого объекта по результатам логических и алгебра­ических вычислений, заложенных в базу знании предприятия. База знаний — это система функций, законов и правил, которая работает на основе характеристик разраба­тываемого объекта, выполняет вычисления по заданным формулам и логическим операциям, производит новые; параметры или свойства и присваивает их изделию. Пользо­ватель может проверить свою гипотезу методом «что, если...», прежде чем принимать какое-либо ответственное решение.

Благодаря тому что в CATIA реализован классическиий объектно-ориентированный подход, входными параметрами (аргументами) для вычислений могут служить любые гео­метрические или негеометрические характеристики объек­та, с которыми инженер считает нужным работать, — мас­са, объем, координаты центра тяжести, площадь омываемой поверхности, момент инерции, марка материала и другие.

Таким образом, арсенал инженера пополнился инструмен­том, способным хранить и использовать его профессиональные знания. Для создания базы знаний предприятия не требу­ется квалификации программиста. Модуль Knowledge Advisor содержит средства интерактивного программирования и от­ладки содержимого базы знаний.

Вместо выводов.Обе платформы, CATIA P1и CATIA P2,построены на об­шей архитектуре CATIA пятой версии, дающей пользовате­лю большую свободу роста его CAD/CAM/CAE-оснашения как количественно, так и качественно. Многоуровневый и многоплатформный подход к позиционированию системы CATIA позволяет охватить различные отрасли машиностро­ения — автомобилестроение, авиастроение, общее и транспортное машиностроение, включая железнодорожный транс­порт, станкостроение, производство технологического обо­рудования и оснастки, а также производство товаров народ­ного потребления.

7.10 САПР ХХI века

Проектирование технологических процессов (ТП) занимает центральное место в подготовке производства изделий. Технологические процессы содержат информацию о трудовых и материальных нормативах, без которых невозможно планирование и управление производственными ресурсами. В середине XX века наша страна занимала лидирующие позиции в области разработки методологии и методов автоматизации проектирования ТП. В эти годы были созданы концепции проектирования типовых и групповых технологических процессов, сформировано понятие конструкторско-технологических элементов детали (которые в последствии получили на Западе наименование features), разработано множество различных САПР ТП. Однако большинство этих систем, созданных с использованием кустарных информационных технологий, прекратили свое су­ществование, как только их авторы перестали ими зани­маться. В настоящее время это направление компьютеризации инженерной деятельности стоит на пороге революционных изменений, о которых и пойдет речь ниже [22].

Цели автоматизации проектирования технологических процессов и средства их достижения.Подробное описание дерева целей компьютеризации инженерной деятельности было приведено в декабрьском номере журнала за прошлый год. Основная цель создания САПР ТП заключается в экономии труда технологов. Для достижения этой цели необходимо располагать средствами автоматизации оформления технической документации, средствами информационной поддержки проектирования и автоматизации принятия решений. В своем историческом развитии САПР ТП постепенно расширяли арсенал своих средств. На первом этапе эти системы часто представляли собой специализированные текстовые редакторы, некоторые из которых были документо ориентированными. С появлением баз данных появилась возможность поддерживать процесс ручного формирования ТП в таких редакторах в части поиска необходимых средств технологического оснащения. Однако подавляющее большинство САПР ТП, в том числе и ныне существующих, не способны поддерживать автоматизацию принятия решений в процессе проектирования на основе технологических знаний: алгоритмический и применяющий методы искусственного интеллекта.

История развития САПР ТП показала бесперспективность алгоритмического подхода. При внедрении одной из первых таких систем, созданных в 60-е годы, было разработано десять технологических процессов. Заказчик принял лишь четыре из них, а остальные отверг. Разра­ботчики пытались доказать представителям заказчика, что их алгоритмы построены правильно, но получили ответ: «Может быть, ваши алгоритмы действительно правиль­ны, но у нас так не делают». Этот давний спор вынес, по сути дела, приговор алгоритмическому подходу в САПР ТП, при использовании которого правила принятия ре­шений, заложенные в системе, недоступны для форми­рования и изменений непрограммирующими пользовате­лями. В наступающем веке информатики знания станут ценнейшим достоянием как физических, так и юриди­ческих лиц. На одном из предприятий авторы [22]ознакомились с САПР ТП по аналогам. Техноло­ги, проработавшие много лет на этом предприятии, по­лучив чертеж детали, быстро находили в памяти компь­ютера описание процесса на аналогичную деталь и ре­дактировали его, формируя новый. На вопрос о том, что будет, если работать с этой САПР придется специалистам, которые не обладают подобным опытом, ответа не последовало.

Немаловажное значение среди целей внедрения САПР имеет повышение качества проектных решений. Необходимо, чтобы накопленный положительный опыт находил отражение в базе знаний системы и был доступен для всех, в том числе и для новых сотрудников. Для достижения этой цели нужно предоставить непрограммирующим носителям технологического опыта возможность сохранять его в системе. Такую возможность и обеспечивают методы искусственного интеллекта.

Проводя аналогию с материальным производством, можно сказать, что в области автоматизации инженерного труда имеется основное производство, связанное с разработкой конструкторских и технологических проектов, а также планов управления, и вспомогательное производство, связанное с созданием и сопровождением собственно программных средств. Соответственно и цели компьютеризации инженерной деятельности следует разбить на две группы: основные и вспомогательные. Некоторые аспекты достижения основных целей автоматизации про­ектирования технологических процессов мы обсудили выше. Но при создании современных открытых систем не ме­нее значимы и вспомогательные цели.

К числу вспомогательных целей автоматизации проектирования относятся: уменьшение трудоемкости раз­работки программных средств, адаптации их к услови­ям эксплуатации при внедрении, а также их сопровож­дения, то есть модификация, обусловленной необходи­мостью устранения выявленных ошибок и (или) изменения функциональных возможностей.

Средством для сокращения трудоемкости разработки программных средств является использование инструментальной среды и ее мобильность. Метаинструментальная среда СПРУТ содержит полный набор инструментальных средств, необходимых для разработки конструк­торских и технологических САПР. Поскольку среда СПРУТ является надстройкой над операционной системой и принадлежит к числу систем интерпретирующего типа, она обладает свойством мобильности. Перевод среды из од­ной операционной системы в другую требует только за­мены ее ядра. При этом все прикладные системы, раз­работанные с ее помощью, переносятся на новую плат­форму без каких-либо доработок.

Средством для сокращения трудоемкости адаптации систем к условиям эксплуатации на конкретном пред­приятии являются системы управления базами данных и знаний, ориентированные на конечного пользователя. Это означает, что упомянутые системы должны быть ос­нащены языками описания и манипулирования данных, доступными непрограммирующему пользователю.

Средством уменьшения трудоемкости сопровождения СПРУТ является модульность, открытость и модернизируемость ее программных средств. Это обеспечивает про­стоту замены и дополнения процедур, данных и знаний.

Методика описания изделий в интеллектуальных САПР ТП.Методика описания деталей и сборочных единиц в существующих конструкторских САПР является основным препятствием на пути создания интегрированных конструкторско-технологических систем. Модели изделий в современных системах являются геометрическими, в то время как для автоматизации проектирования техноло­гических процессов необходимы модели концептуальные. Эта проблема была подробно рассмотрена в первой ста­тье цикла в декабрьском номере журнала за прошлый год. Геометрическая модель позволяет рассчитывать траекто­рии инструментов при обработке деталей на станках с ЧПУ и поэтому способна обеспечить основу для построения систем класса CAD/CAM. Однако на станках с ЧПУ об­рабатываются далеко не все детали; да и для тех деталей, которые подлежат такой обработке, она составляет толь­ко часть маршрутного технологического процесса.

Концептуальная модель детали основывается на поня­тии конструкторско-технологического элемента (КТЭ). Такой элемент является конструкторским в том плане, что он выполняет в детали определенную конструктивную фун­кцию, например: обеспечивает базирование детали в сборочной единице (цилиндрические и конические осевые от­верстия, шпоночные пазы и т.п.) или соединяет деталь со смежными (резьбы, зубчатые венцы и т.п.). Вместе с тем КТЭ имеет один или несколько технологических марш­рутов его изготовления, сформированных из набора переходов.

КТЭ обладают иерархической структурой, состоящей из уровней элементов комплексных, основных и до­полнительных. В число комплексных входят осесимметричные, призматические элементы и отверстия. Такой набор определяется основными видами операций механической обработки деталей: токарной, фрезерной и сверлильно-расточной. Дополнительные элементы (вы­точки, пазы, канавки, фаски и т.п.) располагаются на основных, и к их обработке можно приступить только после предварительного формирования основных элементов.

Каждый КТЭ представляет собой объект со своим на­бором свойств. Имеется возможность наследования свойств от старшего объекта к младшему, например шерохова­тость «остального» от детали к ее элементам.

Системный подход к проектированию технологических процессов. Для системного анализа технологических процессов в машиностроении необходимо установить: номенклатуру эле­ментов; состав элементов каждого типа; набор свойств этих элементов.

Процессы, в том числе и технологические, представля­ют собой класс технических систем, отличительной особенностыо которых является существенная зависимость от времени. Можно предложить следующую иерархическую классификацию элементов технологических процессов: план обработки, этап обработки, операция, переход, ход. План обработки складывается из этапов, этапы из операций, операции из переходов, которые формируются из рабочих и вспомогательных ходов. Перед началом формирования плана необходимо выбрать вид заготовки и ее свойства, из которых для проектирования ТП важнейшими являются квалитет точности размеров, припуски и напуски.

Этап обработки представляет собой последовательность операций, принадлежащих к одному технологическому методу и обеспечивающих одинаковое качество обработки. Пол­ный набор этапов, из которых складывается план обра­ботки, зависит от конкретных условий, однако при этом можно выделить следующую базовую совокупность: термический 1 (улучшение, старение); обработка баз; черновой; получистовой; термический 2 (закалка или улучше­ние); чистовой; термический 3 (азотирование или старе­ние); отделочный; покрытий; доводочный (получение ше­роховатости до Ra=0,02).

Типаж операций и переходов определен в соответствующих классификаторах, а состав основных свойств — в стандартах ЕСТД.

Проектирование ТП на уровнях формирования последовательности этапов, операций и переходов склады­вается из двух фаз: структурного и параметрического син­теза. Структурный синтез должен установить последо­вательность элементов на соответствующем уровне. За­дача параметрического синтеза заключается в формировании свойств элементов, включенных в технологический процесс. Основными операциями параметрического синтеза яв­ляются выбор средств технологического оснащения (стан­ков, приспособлений, инструмента) и нормирование, включающее расчет режимов обработки.

Источник информации и степень инвариантности знаний структурного синтеза определяются иерархическим уровнем решаемой проблемы: проектирование маршрута изготовления детали (набора этапов и операций) или проекти­рование операционной технологии (набора переходов обработки КТЭ). В первом случае знания существенно зависят от организационно-технической структуры предприятия и его традиций. Эти знания индивидуальны для каждого предприятия. Во втором случае знания черпа­ются из справочников, методических пособий и норма­тивных материалов. Знания этого уровня относительно инвариантны и могут с минимальными изменениями использоваться на различных предприятиях.

Основной целью создания интеллектуальных САПР ТП является простота и удобство представления знаний для структурного и параметрического синтеза.

Метод представления знаний структурного синтеза.При проектировании структуры технологических процессов традиционно используются типовые и групповые ТП. Типовые процессы применяются для деталей, обладаю­щих подобием в конструктивном и технологическом плане. С системной точки зрения к числу типовых относятся детали, имеющие одинаковую структуру, то есть набор и связи КТЭ. при различных значениях свойств этих элементов (размеров, свойств материала и т.п.). Групповые процессы используются для деталей, различных в конст­руктивном отношении, но подобных в технологическом плане. Такие детали обладают различной структурой КТЭ. На основе выбранного множества деталей, входящих в груп­пу, обычно разрабатывают комплексную деталь, включающую все типы элементов, встречающихся у деталей группы. Для такой детали разрабатывается комплексный технологический процесс и формируется общая инстру­ментальная наладка. Рабочий ТП для каждой детали из группы определяется составом ее КТЭ и представляет собой подмножество комплексного ТП.

Существуют схемы моделей различных методов. Типовая модель имеет фиксированную структу­ру. Структура рабочего процесса в групповой модели формируется путем удаления лишних технологических действий (операций или переходов). Наиболее общей яв­ляется метамодель, представляющая собой И/ИЛИ-граф. В местах разветвлений на этом графе проставляются условия, определяющие выбор одного из возможных решений.

Если групповая модель строится на базе комплекс­ной детали, то метамодель основывается на виртуаль­ной детали. В отличие от комплексной, виртуальная де­таль может не иметь физической реализации. Это про­исходит в тех случаях, когда в ее состав входят взаимоисключающие элементы, например дополнительные элементы, связанные со шпоночным или шлицевым соединением на одном и том же основном элементе — ци­линдрической ступени вала.

Метамодель является наиболее общей, интегрируя в себе типовую и групповую. В отличие от групповой модели, для формирования структуры ТП она исполь­зует операции не только удаления, но и замены.

Простейший способ ввода таких знаний заключается в рисовании на экране И/ИЛИ-графа с простановкой в соответствующих местах на его ребрах условий вы­бора решений. Сам такой граф в целом также имеет условия своего применения. Именно таким образом, доступным для любого технолога, и организовано фор­мирование знаний структурного синтеза в интеллекту­альной САПР ТП, разработанной в «СПРУТ-Техноло­гии». На основе такой информации автоматически генерируются программные средства базы знаний, кото­рые затем используются при проектировании ТП. Для общепринятого набора КТЭ с использованием общема­шиностроительных нормативных материалов разработана обширная база знаний структурного синтеза операци­онных технологических процессов токарной, фрезерной и сверлильно-расточной обработки.

Метод представления знаний параметрического синтеза.Самым простым способом представления знаний парамет­рического синтеза является использование продукционных систем искусственного интеллекта. В таких системах зна­ния представляются в виде правил-продукций, являющихся аналогами условного предложения естественного языка: ЕСЛИ <условие>, ТО <действие>. Такие правила строят­ся на базе словаря, содержащего термины технического языка и их условные обозначения (идентификаторы). В качестве действий используются расчеты по формулам, выбор данных из многовходовых таблиц, которые могут содержать как константы, так и формулы, выбор информации из баз данных, генерацию графических изображений и т.д. Ниже приведены два правила, связанные расчетом режимов резания. Первое содержит формулу для расчета базовой по­дачи при сверлении отверстий, а второе — коэффициен­ты, необходимые для расчета по этой формуле. Условием применения обоих правил является значение «Сверлить» у переменной «Вид перехода».

Технолог формирует правила параметрического синтеза с помощью специального инструментального средства. Работа с помощью этого средства доступна любому непрограммирующему пользо­вателю. После ввода всех необходимых правил автомати­чески генерируется программное средство базы знаний, которое в дальнейшем используется при проектировании технологических процессов. Базы знаний получаются мо­дульными, открытыми для модернизации и доступными для чтения и понимания любым технологом. Разработаны базы знаний по оснащению и нормированию основных видов технологических процессов.

Создана интеллектуальная система проектирования технологических процессов, не имеющая аналогов и обес­печивающая достижение всех основных и вспомогательных целей, стоящих перед САПР. Проектирование нового ТП с ее помощью занимает считанные минуты. Технологу с помощью простейшего интерфейса необходимо описать деталь, а затем наблюдать за генерацией технологичес­кого процесса, отвечая на редкие запросы компьютера по выбору из допустимого набора тех решений, которые невозможно формализовать. В заключение производит­ся автоматическая генерация технологической докумен­тации с использованием форм документов, принятых на предприятии.

Качество спроектированного ТП практически не зависит от квалификации технолога и определяется содержимым баз знаний.

Генерация баз знаний не требует знаний по про­граммированию и доступна широкому кругу специалистов.

CASE – технологии

Современный рынок программного обеспечения автоматизации конструкторско-технологической под­готовки производства насыщен самыми разнообразны­ми CAD/CAM-, CAE-, TDM- и PDM-системами, способными существенно облегчить работу конструк­тора и технолога проектного и производственного отделов. Их разработкой занимаются специалисты самих промышленных предприятий, использующие полученные решения для собственных нужд, вузы — преимущественно для ведения научных исследований и специализированные софтверные фирмы, существую­щие за счет тиражирования программных решений или разработок систем на заказ. Таких программ по всему миру создано уже сотни тысяч, а спрос на но­вые решения постоянно растет и неизменно опережает предложение [23].

Несмотря на огромное число универсальных инст­рументальных средств автоматизации инженерной де­ятельности, все они недостаточно эффективны для вы­полнения комплексной автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства конкрет­ного изделия на конкретном заводе. Обязательно найдется круг задач, выпадающих из списка решаемых проблем с использованием той или иной универсаль­ной САПР. Это привело к тому, что разработчики программного обеспечения серьезно взялись за создание программных инструментальных средств, позволяющих на основе базовой САПР программировать модули для решения ряда специфичных задач пользователя.

Наличие инструмента, позволяющего создавать пользовательские программные модули, интегрирован­ные с базовым продуктом, становится все более неотъем­лемым условием, выдвигаемым со стороны пользова­телей САПР.

Использование универсальных систем для автома­тизации производства — один из наиболее понятных и распространенных путей развития промышленных предприятий, но не единственный.

История возникновения и развития любой из су­ществующих универсальных САПР показывает, что все они начинали свой жизненный путь как программы, ориентированные на решение вполне конкретных про­изводственных задач. Одни разрабатывались в стенах заводов, другие — по заказу промышленников в ву­зах и НИИ. Итак, главное — программные разработ­ки изначально были призваны решать конкретные производственные задачи (кстати, это привело, в ча­стности, к тому, что современные универсальные САПР все-таки имеют некоторую специализацию, где их применение наиболее эффективно). Потребность в создании универсальных программ с целью их тиражирования появилась как результат использования малоэффективных инструментальных средств и техно­логий программирования. Кроме того, с точки зрения бизнеса тиражирование программного решения — са­мый простой путь развития компании-разработчика.

Лучшая система автоматизации производства — система, разработанная на заказ.Если опросить пользователей разных промышленных предприятий, какую САПР они предпочли бы видеть на своем рабочем месте, мы получим примерно один и тот же ответ: программу, в которой присутствует только одна кнопка, нажав на которую можно полу­чить готовый комплект конструкторско-технологической документации на изготовление нового изделия. Это идеал, к которому в конечном счете стремятся все раз­работчики программного обеспечения.

Однако этот идеал не столь иллюзорен. Оказывается, «систему с одной кнопкой» для решения несложных ло­кальных задач сегодня уже можно получить даже с при­менением универсальных САПР со встроенными сред­ствами программирования и настройки. Однако в рам­ках автоматизации всего производства без создания си­стемы на заказ построить «систему с одной кнопкой», манипулируя универсальными САПР разного уровня, практически невозможно. Впрочем, построение заказной системы с использованием современных визуальных сред программирования класса Delphi, Borland C++, Visual Basic и Visual C++ не менее утопично. Более того, опыт создания систем на заказ показывает, что без привлечения специалистов, для которых они разрабатываются, успех данного мероприятия также сомните­лен, поскольку в противном случае мы рискуем получить очередное «программистское решение» — красивое и изящное, но неработоспособное. Ста­новится очевидным, что пользователь сам должен участвовать в разработке и поддержке системы, с помощью кото­рой он на своем рабочем месте сможет эффективно решать стоящие перед ним производственные задачи.

Необходимость привлечения не­посредственно к процессу создания программ предметных специалистов, не обладающих углубленными зна­ниями в области программирования, привела к появлению CASE-средств.

Наиболее заметные успехи в этом направлении на сегодня достигнуты в индустрии компьютерных игр, при создании которых разработчики используют специальные программные средства, позволяющие быстро проектировать различные лабиринты, движущиеся объекты, создавать монстров и определять правила игры. Некоторые компьютерные игры сегодня даже поставляются вместе с таким инструмен­том — для дальнейшего их развития усилиями самих пользователей (например, DOOM).

Немало специализированных CASE-средств сегод­ня используется и для разработки различных автома­тизированных систем управления.

Хуже обстоят дела в области машиностроительных CASE-средств. С уверенностью можно назвать только две серьезные разработки, высокоэффективные и доступные на сегодня пользователям различных промыш­ленных предприятий. Это CAS.CADE от французской фирмы MATRA Datavision и СПРУТ от российской компании «СПРУТ-Технология».