Реферат: Основы САПР (системы автоматизированного проектирования)

Содержание

1. Обзор САПР

2. Определение CAD, CAM и CAE

2.1 Автоматизированноепроектирование (CAD)

2.2 Автоматизированноепроизводство (CAM)

2.3 Автоматизированноеконструирование (CAE)

Список используемойлитературы

1. Обзор САПР

Современныепредприятия не смогут выжить во всемирной конкуренции, если не будут выпускатьновые продукты лучшего качества (quality, Q), более низкой стоимости (cost, С)и за меньшее время (delivery, D). Поэтому они стремятся использовать oгpoмныевозможности памяти компьютеров, их высокое быстродействие и возможностиудобного графического интерфейса для того, чтобы автоматизировать и связатьдруг с другом задачи проектирования и производства, которые раньше были весьмаутомительными и совершенно не связанными друг с другом. Таким образомсокращается время и стоимость разработки и выпуска продукта. Для этой целииспользуются технологии автоматизированного проектирования (computer – aided design – CAD), автоматизированногопроизводства (computer – aided mаnufасturing – САМ) и автоматизированной разработки или конструирования (соmрutеr аidеd engineering – СAЕ). Чтобы понять значение систем САD/СAМ/СAЕ, мы должны изучить различные задачи иоперации, которые приходится решать и выполнять в процесс е разработки ипроизводства продукта. Все эти задачи, взятые вместе, называются жизненнымциклом продукта (product cycle). Пример жизненного цикла продукта, описанного Зейдом, снезначительными усовершенствованиями приведен на рис. 1.

Прямоугольники,нарисованные сплошными линиями, представляют два главных процесса, составляющихжизненный цикл продукта: процесс разработки и процесс производства. Процессразработки начинается с запросов потребителей, которые обслуживаются отделоммаркетинга, и заканчивается полным описанием продукта, обычно выполняемым вформе рисунка. Процесс производства начинается с технических требований изаканчивается поставкой готовых изделий.

Операции,относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналитические исинтетические. Как следует из рис. 1, первичные операции разработки, такиекак определение необходимости разработки, формулирование техническихтребований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а такжеконцептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатомподпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продукта вформе эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различныхкомпонентов продукта. В этой части цикла делаются основные финансовые вложения,необходимые для реализации идеи продукта, а также определяется eгoфункциональность. Большая часть информации, порождаемой и обрабатываемой врамках подпроцесса синтеза, является качественной, а следовательно, Heудобнойдля компьютерной обработки.

/>

Рис. 1. Жизненный цикл продукта

Готовыйконцептуальный проект анализируется и оптимизируется это уже под процессанализа. Прежде всего, вырабатывается аналитическая модель, посколькуанализируется именно модель, а не сам проект. Несмотря на быстрый ростколичества и качества компьютеров, используемых в конструировании, в обозримомбудущем отказаться от использования абстракции аналитической модели мы несможем. Аналитическая модель получается, если из проекта yдaлить маловажныедетали, редуцировать размерности и учесть имеющуюся симметрию. Редукция размерностей,например, подразумевает замену тонкого листа из какого-либо материала наэквивалентную плоскость с атрибутом толщины или длинного и тонкого участка налинию с определенными параметрами, xapaктеризующими поперечное сечение.Симметричность геометрии тела и нагрузки, приложенной к нему, позволяетрассматривать в модели лишь часть этого тела.

Типичныепримеры анализа: анализ напряжений, позволяющий проверить прочностьконструкции, контроль столкновений, позволяющий обнаружить возможностьстолкновений движущихся частей, составляющих механизм, а также кинематическийанализ, показывающий, что проектируемое устройство будет совершать ожидаемыедвижения. Качество результатов, которые могут быть получены в результатеанализа, непосредственно связано с качеством выбранной аналитической модели,которым оно ограничивается.

Послезавершения проектирования и выбора оптимальных параметров начинается этапоценки проекта. Для этой цели могут изготавливаться прототипы.

Вконструировании прототипов все большую популярность приобретает новаятехнология, названная быстрым прототипированием (rapid prototyping). Эта тexнология позволяетконструировать прототип снизу вверх, то есть непосредственно из проекта,поскольку фактически требует только лишь данных о поперечном сеченииконструкции. Если оценка проекта на основании прототипа показывает, что проектне удовлетворяет требованиям, описанный выше процесс разработки повторяетсяснова. Если же результат оценки проекта оказывается удовлетворительным,начинается подготовка проектной документации. К ней относятся чертежи, отчеты исписки материалов. Чертежи обычно копируются, а копии передаются напроизводство.

Как виднопо рис. 1, процесс производства начинается с планирования, котороевыполняется на основании полученных на этапе проектирования чертежей, азаканчивается готовым продуктом. технологическая подготовка производства – этооперация, устанавливающая список технологических процессов по изготовлениюпродукта и задающая их Параметры. Одновременно выбирается оборудование, накотором будут производиться технологические операции, такие как получениедетали нужной формы из заготовки. В результате подготовки производствасоставляются план выпуска. Списки материалов и программы для оборудования. Наэтом же этапе обрабатываются прочие специфические требования, в частностирассматриваются конструкции зажимов и креплений. Подготовка занимает в процессепроизводства примерно такое же место, как подпроцесс синтеза в процессепроектирования, требуя значительного человеческого опыта и принятиякачественных решений. Такая характеристика подразумевает сложностькомпьютеризации данного этапа. После завершения технологической подготовкиначинается выпуск готового продукта и его проверка на соответствие требованиям.Детали, успешно проходящие контроль качества, собираются вместе, проходяттестирование функциональности, упаковываются, маркируются и отгружаютсязаказчикам.

Выше мыописали типичный жизненный цикл продукта. Посмотрим теперь, каким образом наэтапах этого цикла могут быть применены технологии CAD, САМ и САЕ. Как ужеговорилось, компьютеры не могут широко использоваться в подпроцессе синтеза,поскольку они не обладают способностью хорошо обрабатывать качественнуюинформацию. Однако даже на этом этапе разработчик может, например, при помощикоммерческих баз данных успешно собирать важную для анализа осуществимостиинформацию, а также пользоваться данными из каталогов.

Непростопредставить себе использование компьютера и в процессе концептуализациипроекта, потому что компьютер пока еще не стал мощным средством дляинтеллектуального творчества. На этом этапе компьютер может сделать свой вклад,обеспечивая эффективность создания различных концептуальных проектов. Полезнымимогут оказаться средства параметрического и геометрического моделирования, атакже макропрограммы в системах автоматизированной разработки чертежей (computer – аidеd drafting). Все это типичные примеры систем САО. Система геометрическогомоделирования (geometric modeling system) это трёхмерный эквивалент системы автоматизированнойразработки чертежей, то есть программный пакет, работающий с трехмерными, а нес плоскими объектами.

Ваналитической фазе проектирования ценность компьютеров проявляется по-настоящему.Программных пакетов для анализа напряжений, контроля столкновений икинематического анализа существует столько, что приводить какие-либо названиясмысла не имеет. Эти программные пакеты относятся к средствамавтоматизированного конструирования (САЕ). Главная проблема, связанная с ихиспользованием, заключается в необходимости формирования аналитической модели.Проблемы не существовало бы вовсе, если бы аналитическая модель автоматическивыводилась из концептуального проекта. Однако, как уже отмечалось,аналитическая модель не идентична концептуальному проекту она выводится из негопутем исключения несущественных деталей и редукции размерностей. Необходимыйуровень абстракции зависит от типа анализа и желаемой точности решения.Следовательно, автоматизировать процесс абстрагирования достаточно сложно,поэтому аналитическую модель часто создают отдельно.

Обычноабстрактная модель проекта создается в системе разработки рабочих

чертежейили в системе геометрического моделирования, а иногда с помощью встроенныхсредств аналитического пакета. Аналитические пакеты обычно тpeбуют, чтобыисследуемая структура была представлена в виде объединения связанных сеток,разделяющих объект на отдельные участки, удобные для компьютерной обработки.Если аналитический пакет может генерировать сетку автоматически, человекуостается задать только границы абстрактного объекта. В противном случае сеткатакже создается пользователем либо в интерактивном режиме, либо автоматически,но в другой программе. Процесс создания сетки называется моделированием методомконечных элементов (finite element modeling). Моделирование этим методом включает в себя также заданиеграничных условий и внешних нагрузок.

Подпроцессанализа может выполняться в цикле оптимизации проекта по каким-либо параметрам.Разработано множество алгоритмов поиска оптимальных решений, а на их основепостроены коммерчески доступные программы. Процедура оптимизации можетсчитаться компонентом системы автоматизированного проектирования, но болееестественно рассматривать эту процедуру отдельно.

Фаза оценкипроекта также выигрывает от использования компьютера. Если для оценки проектанужен прототип, мы можем быстро сконструировать eгo по заданному проекту припомощи программных пакетов, генерирующих код для машины быстрогопрототипирования. Такие пакеты считаются программами для автоматизированнойподготовки производства (САМ). Разумеется, форма прототипа должна бытьопределена заранее в наборе входных данных. Данные, определяющие форму,получаются в результате геометрического моделирования.

Быстроепрототипирование – удобный способ конструирования прототипа, однако еще удобнеепользоваться виртуальным прототипом, который часто называется «цифровой копией(digital mосk – uр) и позволяет получить столь жеполезные сведения.

Когдааналитические средства для работы с цифровыми копиями станут достаточномощными, чтобы давать столь же точные результаты, что и эквивалентныеэксперименты на реальных прототипах, цифровые копии начнут вытеснение обычныхпрототипов. Эта тенденция будет усиливаться по мере совершенствованиятехнологий виртуальной реальности, позволяющих нам ощущать цифровую копию также, как реальный прототип. Построение цифровой копии называется виртуальнымпрототипированием. Виртуальный прототип может быть создан и вспециализированной программе геометрического моделирования.

Последняя фазапроцесса разработки – подготовка проектной документации. На этом этапечрезвычайно полезным оказывается использование систем подготовки рабочихчертежей. Способность подобных систем работать с файлами позволяетсистематизировать хранение и обеспечить удобство поиска документов.

Компьютерныетехнологии используются и на стадии производства. Процесс производства включаетв себя планирование выпуска, проектирование и приобретение новых инструментов,заказ материалов, программирование машин с ЧПУ, контроль качества и упаковку.Компьютерные системы, используемые в этих операциях, могут бытьклассифицированы как системы автоматизированного производства. Например,программа автоматизированной технологической подготовки (computer aided process planning – САРР) используется на этапе подготовки производства и относитсяк системам автоматизированного производства (САМ). Как отмечалось выше,подготовка производства с трудом поддается автоматизации, поэтому полностьюавтоматических систем технологической подготовки в настоящий момент несуществует. Однако существует множество хороших программных пакетов,генерирующих код для станков с числовым программным управлением. Станки этогокласса позволяют получить деталь нужной формы по данным, хранящимся вкомпьютере. Они аналогичны машинам для быстрого прототипирования.

К системамавтоматизированного производства относят также программные пакеты, управляющиедвижением роботов при сборке компонентов и перемещении их между операциями, атакже пакеты, позволяющие программировать координатно – измерительную машину(coordinate mеasuring machine – СММ), используемую для про верки продукта.

Итак, выполучили представление о том, каким образом компьютерные технологиииспользуются в операциях, составляющих жизненный цикл продукта, и какие задачирешаются при помощи систем автоматизированного проектирования.

2.Определение CAD, САМ и САЕ

2.1 Aвтоматизированноепроектирование (computer – aided design– CAD)

Представляетсобой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчениясоздания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любаяпрограмма, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение,используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированногопроектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается отгеометрических прогpaмм для работы с формами до специализированных приложенийдля анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы дляанализа допусков, расчета масс инерционных свойств, моделирования методомконечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функцияCAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурныеэлементы, электронные схемы, планы зданий и т.п.), поскольку геометрия определяетвсе последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычноиспользуются системы разработки рабочих чертежей и геометрическогомоделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системамиавтоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этихсистемах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций всистемах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD,позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостьюопределять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется врасчетах. Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированнойразработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являютсянаиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

2.2 Автоматизированное производство (computer – aided manufacturing – САМ) – это технология, состоящая в использовании компьютерных системдля планирования, управления и контроля операций производства через прямой иликосвенный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним изнаиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовоепрограммное управление (ЧПУ, numerical control – NC). ЧПУ заключается в использованиизапрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать,резать, фрезеровать, штамповать, изгибать и иными способами превращатьзаготовки в готовые детали. В наше время компьютеры способны

генерироватьбольшие программы для станков с ЧПУ на основании геометрических параметровизделий из базы данных САD и дополнительных сведений, предоставляемыхоператором. Исследования в этой области концентрируются на сокращениинеобходимости вмешательства оператора.

Еще однаважная функция систем автоматизированного производства – программированиероботов, которые могут работать на гибких автоматизированных участках, выбираяи устанавливая инструменты и обрабатываемые детали на станках с ЧПУ. Роботымогут также выполнять свои собственные задачи, например, заниматься сваркой,сборкой и переносом оборудования и деталей по цеху.

Планированиепроцессов также постепенно автоматизируется. План процессов может определятьпоследовательность операций по изготовлению устройства от начала и до конца навсем необходимом оборудовании. Хотя полностью автоматизированное планированиепроцессов, как уже отмечалось, практически невозможно, план обработкиконкретной детали вполне может быть сформирован автоматически, если уже имеютсяпланы обработки аналогичных деталей. Для этого была разработана технологиягруппировки, позволяющая объединять поxoжие детали в семейства. Деталисчитаются подобными, если они имеют общие производственные особенности (гнезда,пазы, фаски, отверстия и т.д.). Для автоматического обнаружения схожестидеталей необходимо, чтобы база данных CAD содержала сведения о такихособенностях. Эта задача осуществляется при помощи объектно-ориентированногомоделирования или распознавания элементов.

Вдобавок,компьютер может использоваться для тoгo, чтобы выявлять необходимость заказаисходных материалов и покупных деталей, а также определять их количество исходяиз графика производства. Называется такая деятельность планированиемтехнических требований к материалу (material requirements planning – MRP). Компьютер может также использоваться для контролясостояния станков в цехе и отправки им соответствующих заданий.

2.3Автоматическое конструирование (computer – aided engineering – САЕ) – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем дляанализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта дляусовершенствования и оптимизации eгo конструкции. Средства САЕ могутосуществлять множество различных вариантов анализа. Программы длякинематических pacчетов, например, способны определять траектории движения и скоростизвеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениямимогут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составныхустройствах типа автомобилей. Прогpаммы верификации и анализа логики исинхронизации имитируют работу сложных электронных цепей.

По всейвидимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко вконструировании используется метод конечных элементов (finite element method – FЕМ). С eгo помощьюрассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитногополя, потоки жидкостей и другие задачи с непрерывными средами, решать которые каким-либоиным методом оказывается просто непрактично. В методе конечных элементованалитическая модель структуры представляет собой соединение элементов,благодаря чему она разбивается на отдельные части, которые уже могутобрабатываться компьютером.

Какотмечалось ранее, для использования метода конечных элементов нужна абстрактнаямодель подходящего уровня, а не сама конструкция. Абстрактная модель отличаетсяот конструкции тем, что она формируется путем исключения несущественных деталейи редуцирования размерностей. Например, трёхмерный объект небольшой толщиныможет быть представлен в виде двумерной оболочки. Модель создается либо винтерактивном режиме, либо автоматически. Готовая абстрактная модельразбивается на конечные элементы, образующие аналитическую модель. Программныесредства, позволяющие конструировать абстрактную модель и разбивать ее наконечные элементы, называются пpeпpoцессорами (preprocessors). Проанализировав каждыйэлемент, компьютер собирает результаты воедино и представляет их в визуальномформате. Например, области с высоким напряжением могут быть выделены краснымцветом. Программные средства, обеспечивающие визуализацию, называютсяпocтпpoцeccoрами (postprocessors). Существует множество программных средств дляоптимизации конструкций.

Хотясредства оптимизации могут быть отнесены к классу САЕ, обычно их pacсматриваютотдельно. Ведутся исследования возможности автоматического определения формыконструкции путем объединения оптимизации и анализа.

В этихподходах исходная форма конструкции предполагается простой, как, например, упрямоугольного двумерного объекта, состоящего из небольших элементов различнойплотности. Затем выполняется процедура оптимизации, позволяющая определитьконкретные значения плотности, позволяющие достичь определенной цели с учетомограничений на напряжения. Целью часто является минимизация веса. Послеопределения оптимальных значений плотности рассчитывается оптимальная формаобъекта. Она получается отбрасыванием элементов с низкими значениями плотности.

Замечательноедостоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, чтоони позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявитьвозможные ошибки до создания и тестирования реальных прототипов, избежавопределенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадияхразработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняяоптимизация и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическимсредствам САЕ) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

Такимобразом, технологии CAD, САМ и САЕ заключаются в автоматизации и повышенииэффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясьнезависимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал интеграциипроектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новаятехнология, получившая название компьютеризированного интегрированного производства(computer – integrated manufacturing – СIМ). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе ипревратить их в бесперебойно и эффективно работающую систему. CIM подразумеваетиспользование компьютерной базы данных для более эффективного управления всемпредприятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другимизадачами, а не только проектированием и производством, которые охватывалисьсистемами CAD, САМ и САЕ. CIM часто называют философией бизнеса, а некомпьютерной системой.

Списокиспользуемой литературы

1) Кунву Ли. Основы САПР.ПИТЕР, 2004

2) Кондаков А.И. САПРтехнологических процессов и производств. ACADEMA, 2007