Системы автоматизации проектирования

Системы автоматизации проектирования вчера, сегодня, завтра  
Оглавление

1. Введение          3

1. Тернистый  путь CAD        4

2. Исправление  ошибок        6

3. Системы  старшего класса       9

4. Большие  сборки         13

4.1. Зачем  нужны сборки       13

4.2. Стратегии  упрощения       17

5. Моделирование         19

5.1. Параметризация        20

5.2. Гибридное  моделирование      23

6. Практические  результаты       24

6.1. Проектная  база: технология моделирования   25

6.2. Переход  к гибридному моделированию   26

6.3. Электронная  сборка       27

Литература          29

 

 

Введение

Системы автоматизированного проектирования занимают исключительное положение среди компьютерных приложений - это индустриальные технологии, непосредственно направленные в сферу самых важных областей материального производства. Сейчас можно с уверенностью сказать, что уровень развития и стратегический потенциал нации определяются не количеством лежащих под ногами запасов золота или нефти, а в гораздо большей степени тем, сколько она имеет рабочих мест компьютерного проектирования и сколько инженеров творчески владеют соответствующими методами. Уровень развития CAD непосредственно сказывается на благосостоянии каждого члена социума, в отличие, например, от степени развитости мультимедийных технологий, что тоже важно, но все же менее существенно. Нужно принять как непреложный факт, что сегодня уже невозможно без компьютерной автоматизации производить современную технику, ставшую чрезвычайно сложной и требующей исключительной точности при изготовлении.

Историю развития систем автоматизации можно достаточно условно разбить на три десятилетия. В 70-х годах были получены отдельные результаты, показавшие, что область проектирования в принципе поддается компьютеризации. В 80-х появились массовые системы и базовые программные продукты для них. 90-е годы можно охарактеризовать, как период зрелости, когда были осознаны многие реальные задачи практики, исправлены некоторые из допущенных ошибок, и CAD-системы наконец реально стали демонстрировать свою эффективность в высокотехнологичных производствах.

 

1. Тернистый путь CAD

Эволюция CAD оказалась процессом гораздо более медленным, чем ожидалось. Многие функции, о которых шла речь уже на начальном этапе, либо так и остались на бумаге, либо получили реальное воплощение лишь недавно. В самом начале 80-х, когда только-только появились настольные CAD-системы, энтузиасты верили, что единственные барьеры теперь - это их собственное воображение. Сравнивая с современным состоянием, можно сказать, что эти надежды были слишком оптимистичны. Ясно, что CAD как был, так и остался значительно более ограниченным, чем наше воображение.

Следует признать, что трудности развития CAD-систем во многом объективны. Прежде всего - это тяжелое приложение, успех которого зависит от наличия самой мощной и разнообразной компьютерной техники, программного обеспечения, правильной организации деятельности крупных коллективов, различных специалистов и их обученности. Многие методы моделирования и анализа, ставшие сейчас общим местом, в свое время потребовали выполнения большого объема научных исследований, которые активно проводились во всем мире. Необходимы были серьезные изменения в системе образования, и на сегодня практически все колледжи технического профиля в США имеют в своих учебных программах практикумы по основам автоматизированного проектирования, в частности на AutoCAD.

Долгое время CAD был "ужасным ребенком" в семье компьютерных приложений, предъявляя немыслимые требования к оборудованию. Для первых настольных систем требовались 20 Мбайт дисковой памяти, математический процессор, графическая карта и как можно больше (свыше 256 Кбайт!) оперативной памяти. Почти через 10 лет эти запросы кажутся смешными, особенно по сравнению с ресурсами для новых приложений - цифровым видео и дизайнерскими программами. По иронии судьбы, начальная конфигурация, способная работать под Windows, также может функционировать и с CAD.

Среди изменений последнего десятилетия следует отметить более отчетливое расслоение классов CAD-систем, которые, как оказалось, нужно применять только по назначению, например они не выгодны для рисования и дизайна - у них есть своя ниша и весьма узкая, их пользователи - это весьма ограниченный круг профессионалов. Отличительная черта CAD - точность не нужна для широкой публики. Стало понятно, что поскольку в промышленности имеются большие предприятия, средние и вообще индивидуалы, то и автоматизация для них должна быть разная.

Реальным рычагом расслоения стала стоимость CAD-систем. Можно вспомнить, что в первый период затраты на программы этого типа доходили до 150 тыс. долл. за рабочее место. С появлением настольных компьютеров (Apple, IBM PC) и новых программ для них цена опустилась до 5000 за рабочее место. Поставщики не могли смириться с уменьшением прибыли - расширяя функциональные возможности, они подняли цены на CAD существенно выше 1 млн. долл., в то время как стоимость компьютеров, способных поддерживать такие системы, упала с 4 до 2 тыс. долл. Однако на рынок повело наступление большое количество легких систем: IsiCAD стоимостью 2 тыс. долл., ставший первой CAD-системой для Windows, CadKey (495 долл.), VisualCADD (395 долл.), AutoCAD LT (459 долл.) и ряд других. Реальное давление оказали и программы рисования, в которых появились многие средства, характерные для систем автоматизации проектирования. Так, в CorelDraw появились понятие слоя, ассоциативные размеры и атрибуты. Дело было сделано - сегодня для пользователей CAD начального уровня очень многие поставщики производят легкие системы, имеющие урезанный набор функций.

В результате получилось три класса CAD-систем: начального уровня с ценой до 1000 долл., выполняемых на самых обычных ПК; среднего уровня (цена до 8 тыс. долл.), требующих ПК старшего класса со специальным графическим оборудованием или младших моделей рабочих станций; старшего уровня, которые обычно работают на рабочих станциях и графических серверах RISC/Unix/NT и Windows 95.

2. Исправление ошибок

Так уж сложилось, что почти все производители CAD создавали свои системы от начала до конца, включая управление памятью, драйверы устройств, интерфейс с пользователем, интерпретаторы для инструментальных языков. Результат сказывается до сих пор - ни один продукт не имеет до сих пор интерфейса полностью в стиле Windows, хотя все и стремятся приблизиться к этому. Строчный командный интерфейс сохранился и все еще остается необходимым - во многих случаях быстрее использовать именно его.

Между тем CAD-системы являются естественным полем приложения для более современного объектно-ориентированного пользовательского интерфейса, в котором сами объекты знают, какие операции к ним применимы, как операция должна выполняться для объекта данного типа и как ее результаты должны сказываться на окружении. Особенно эффектно это выглядит при моделировании с помощью типовых элементов - фичерсов. В последнее время этот вид интерфейса был реализован во многих системах, например в Euclid Quantum или Pro/Engineer.

Вообще говоря, оболочка Windows оказала наиболее важное влияние на CAD. Сама по себе медленная оболочка Windows - не слишком дружественная среда для CAD, но аппаратные средства для нее очень похожи на то, что требуется для CAD. Наличие миллионов компьютеров для Windows стимулировало разработку быстрых процессоров, больших мониторов, более емкой дисковой и оперативной памяти. В какой-то мере Windows облегчает прикладным программистам процесс создания пакетов CAD, освобождая их от забот о драйверах устройств и в определенной степени об интерфейсе с пользователем.

Одновременно увеличивается интеграция функций из CAD в базовые операционные системы, что естественным образом способствует стандартизации этих функций. Наиболее известный пример - планы включения OpenGL в Windows. Уже сейчас OpenGL - самый легкий и универсальный метод рендеринга объектов CAD, обладающий двумя неоспоримыми преимуществами: независимость от оборудования и устранение обработки дисплейных списков.

Весьма негативную роль играют недостатки в организации программного обеспечения CAD - ограниченная открытость для расширений, трудность настройки на национальные стандарты, плохая модульность. Давно известно, что любой пакет CAD прямо из коробки не слишком полезен для большей части пользователей. Поэтому существует рынок третьих производителей, которые выполняют вертикальную адаптацию для различных применений CAD-систем: архитектуры, инженерии, картографии, управления ресурсами, дизайна и т. д. Это всегда учитывалось основными производителями - в состав системы общего назначения включался инструментарий для создания и подключения приложений, а также для адаптации и расширения интерфейса с пользователем. Однако на практике все получалось не так хорошо, как хотелось бы. И этому были две причины. Во-первых, приложение приходилось создавать поверх всей базовой системы, хотя многие ее функции могли быть совершенно не нужны. Цена даже небольшой разработки в основном определялась высокой стоимостью базового пакета, что заставляло заказчиков по крайней мере хорошо подумать. Во-вторых, инструментальные средства изготовлялись производителем базовой системы самостоятельно, были нестандартными и не очень качественными.

За последнее десятилетие появились независимые продукты для разработки приложений CAD. Например, третьи разработчики получили доступ ко всем родным командам Cadvance для Windows через документированную DLL. Посредством новых функций, добавленных к среде разработки MicroStation, MDL-приложения могут обращаться к функциям Windows API. Пакет COD (CadKey Object Developer) через аппарат C++ может взаимодействовать с Windows. Отпала необходимость программировать поверх полномасштабного CAD-пакета, а можно выбрать те функции, которые нужны конкретному приложению, например доступ к файлам (DXF или DWG), вывод на дисплей, рисование, интерфейс с БД. Это очень сильная альтернатива для третьих разработчиков - издавать приложение поверх Autocad за 3750 долл. или использовать полностью совместимый с ним пакет за 500 долл.

Интерес вызывает рассчитанная на многолетнюю перспективу разработка Computervision - PELORUS. Это объектно-ориентированная, управляемая событиями инструментальная архитектура, созданная специально для интерактивной автоматизированной разработки приложений в средах Unix и Windows. Ядро PELORUS составляет большое число программных объектов - инструментов, реализованных в виде DLL или разделяемых библиотек Unix, которые динамически связываются при загрузке приложения.

3. Системы старшего класса

Наиболее интересные и значимые события произошли в классе систем старшего уровня: I/EMS (Intergraph), Catia (IBM), Pro/Engineer (Parametric Technology), EDS Unigraphics, CADDS 5 (Computervision), PE/SolidDesigner (Hewlett-Packard) и Euclid (Matra Division) [1]. Появилось значительно больше оснований называть их уже не CAD-системами, а системами CAD/CAM/CAE и PDM. Имеется в виду, что старый тезис интеграции всего цикла создания изделия от проектирования к анализу и подготовки производства постепенно получает реальное воплощение в программном обеспечении CAD-систем.

Задачу интеграции поставила на первое место компания Parametric Technology (PTC), изначально сделав в своем продукте Pro/Engineer (1988 год) ставку на полную ассоциативность всех видов данных об изделии на основе единой структуры базы. Аналогичные подходы применяют и другие производители. Рассмотрим, к примеру, философию интеграции, выраженную Computervision (CV), в известном подходе EPD [2] "Полное электронное определение изделия".

Раньше разработка изделия обычно включала последовательность работ по проектированию, сборке, испытанию, анализу с итеративным повторением этого цикла до получения нужного результата, что было и дорого, и отнимало слишком много времени. Приемлемой нормой работы во многих отраслях промышленности стало получение "просто хорошей" конструкции. Не оставалось ни времени, ни ресурсов для выполнения "хотя бы еще одной итерации". До того момента, пока не начинался промышленный выпуск, проблемы разработки довольно редко координировались с вопросами подготовки производства.

Типичный для сегодняшнего высокотехнологического производства проект чаще всего охватывает "расширенное предприятие", в котором сотрудничают разработчики, поставщики, производители и заказчики. EPD предполагает замещение "компонентно-центрического" последовательного проектирования на "изделие-центрический" процесс, выполняемый проектно-производственными бригадами, работающими совместно в параллельно-согласованной среде. Поскольку многие из участников проекта и поставщики могут находиться в разных странах, становится понятно, что для обеспечения такой деятельности кроме ПК и локальной сети требуются мощные сетевые серверы, высокопроизводительные графические рабочие станции и глобальная сеть Internet.

Таблица 1. Количество рабочих мест машиностроительных CAD на начало 1996 года (данные IDC).

Поставщик	Количество лицензий на рабочих станциях	Количество лицензий на PC/MAC
Autodesk	80 000	410 380
Computervision	95 000	85 000
Cadkey	182 000
SDRC	146 925
IBM	89 750
Hewlett-Packard	61 750	3 250
PTC	48 705	4 820
EDS/Unigraphics	39 148
Другие	70 222	613 022
Всего	631 500	1 298 472

Интеграция всех этапов создания изделия - пожалуй, самый революционный прорыв в CAD-технологиях, который позволяет существенно сократить время на разработку, одновременно повысив качество. На чем же она основывается?

Разговоры о полезности интеграции велись очень давно, однако стали воплощаться в практику только тогда, когда в фундамент лег объектно-центричный подход на основе пространственной, как правило твердотельной, модели изделия. Такая модель наиболее точно и наглядно представляет проектируемое изделие, и в нее может быть включена вся существенная информация. Средства реалистичного рендеринга и виртуальной реальности позволяют представить заказчику концептуальный проект его изделия еще на самой ранней стадии проектирования. При необходимости по 3D-модели могут быть построены чертежи. Например, в CADDS 5 и EDS Unigraphics основная работа при получении изображений разрезов сборок выполняется автоматически, включая генерацию линий разрезов и штриховки.

Современные версии программ технологического анализа - GFEM, NASTRAN, ANSYS, Euclid Analyst - непосредственно воспринимают на входе геометрию твердого тела, автоматически генерируя конечноэлементную сетку, производят на ней расчет и наносят результаты на 3D-модель. Анализ может заключаться в расчете простейших физических характеристик: веса детали, центроидов или в выполнении более сложных видов исследований, включая прочностный, термический, вибрационный, кинематический и динамический анализ. Кроме того, производится имитация таких производственных процедур, как заливка и охлаждение. Для визульной оценки динамики заполнения шаблонов и состояния пропускающих каналов строится мультипликация, которая помогает обнаружить некорректные участки на сварных швах и линиях сплавления в полости детали. Моделирование механообработки позволяет оценить качество детали с точки зрения усадки и деформации (коробления, перекоса, искривления).