МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра “Оборудование и инструмент компьютеризированного производства” 658.51(07) М135 П.Г. Мазеин, А.В. Шаламов СКВОЗНОЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ В CAD/CAM CИСТЕМАХ Учебное пособие Челябинск Издательство ЮУрГУ 2002 УДК 658.512-52(075.8) Мазеин П.Г., Шаламов А.В. Сквозное автоматизированное проектирова- ние в CAD/CAM системах: Учебное пособие. − Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. − 83 с. Изложены классификация, структура и преимущества сквозных CAD/CAM систем, сравнительные характеристики различных CAD/CAM сис- тем. Показаны примеры использования CAD/CAM систем в машиностроении. Учебное пособие предназначено для студентов механико-технологи- ческого факультета и может быть полезным для работников предприятия. Ил. 48, табл. 2, список лит. − 13 назв. Одобрено учебно-методической комиссией механико-технологического факультета. Рецензенты: Г.Г. Созыкин, М.Л. Гельфонд. 2 ВВЕДЕНИЕ По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока вы- хода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требо- вания, принадлежат так называемые CAD/CAM/CAE системы (системы автома- тизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа) [1]. В настоящее время многие предприятия России занимаются внедрением систем автоматизированного проектирования изделий, к этому вынуждают ус- ловия рынка, на котором выигрывают предприятия с наименьшими затратами производящие нужную продукцию высокого качества. Быстрое освоение новой продукции возможно в современных условиях только на основе сквозных авто- матизированных систем проектирования, являющихся составной частью интег- рированных гибких производственных систем: CAD/CAM/CAE/FMS/PDM/EPD. Появление и быстрое распространение систем сквозного автоматизиро- ванного проектирования привело к скачку в области проектирования и произ- водства изделий в различных отраслях машиностроения. В последнее время бурными темпами развивается производство пласт- масс. К 2005-му году ожидается, что объем производства достигнет уровня 150…170 млн. тонн. Наибольшую сложность в единичном производстве пред- ставляет изготовление инструментальной оснастки: штампов и пресс-форм (ПФ) для литья пластмасс. Потребность в оснастке постоянно возрастает. Со- кращение сроков и трудоемкости проектирования, повышение качества проек- тов может быть достигнуто только за счет автоматизации процессов проекти- рования и производства. Развитие производства штампов и пресс-форм сопро- вождалось созданием систем автоматизированного проектирования − CAD/CAM систем. В их основу положена концепция “свободного” конструиро- вания (free design), согласно которой конструктор создает в своем воображении конструктивный образ детали, описывает его на входном геометрическом языке и вводит в ПЭВМ. Средства вычислительной техники реализуют вспомогатель- ные “сервисные” проектные функции, позволяющие конструктору анализиро- вать и корректировать созданную им конструкцию, выполнять необходимые проектные расчеты, формировать и автоматически выводить на графические устройства чертежи, разрабатывать технологический процесс и управляющие программы изготовления этой детали на оборудовании с ЧПУ. Системы CAD/CAM/CAE/FMS/PDM позволяют автоматизировать трудоемкие проектные расчеты, процессы разработки чертежей и подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ, что позволяет существенно повысить качество и про- изводительность труда конструктора и технолога. 3 В данном пособии рассмотрены наиболее распространенные в мире СAD/CAM/CAE системы, приведена классификация систем, рекомендации по выбору САПР для предприятия. Выполнен анализ структуры и возможностей современных систем высокого уровня на примере системы Pro/ENGINEER. В работе также дается пример сквозного проекта, выполненный в системе сквоз- ного проектирования Pro/ENGINEER. 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ CAD/CAM СИСТЕМ Прежде чем углубляться в изучение систем автоматизированного проек- тирования (САПР) дадим расшифровку некоторых широко используемых со- кращений: − CAD (Computer Aided Design) системы − компьютерная поддержка про- ектирования. Предназначены для решения конструкторских задач и оформле- ния конструкторской документации (более привычно они именуются система- ми автоматизированного проектирования − САПР). Как правило, в современ- ные CAD системы входят модули моделирования трехмерной объемной конст- рукции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской доку- ментации (спецификаций, ведомостей и т. д.). Ведущие трехмерные CAD сис- темы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий; − CAM (Computer Aided Manufacturing) системы − компьютерная под- держка изготовления. Предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM системы еще называют автоматизированными сис- темами технологической подготовки производства (АСТПП). В настоящее вре- мя они являются практически единственным способом для изготовления слож- нопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. Как правило, в CAM системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD сис- теме; − CAE (Computer Aided Engineering) системы − поддержка инженерных расчетов. Представляют собой обширный класс систем, каждая из которых по- зволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расче- тов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ систе- мах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD системе. CAE системы еще называют системами инженерного анализа; − FMS (Flexible Manufacturing Systems) системы – организация и управ- ление гибкими производственными комплексами. Российский аналог таких систем – ГПС (гибкие производственные системы); 4 − PDM (Project Development Systems) системы – управление проектом, организация документооборота на предприятии. Российский аналог таких сис- тем – АСУП (автоматизированные системы управления). 1.1. История развития мирового рынка CAD/CAM/CAE систем Историю развития рынка CAD/CAM/CAE систем можно достаточно ус- ловно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет.Первый этап начался в 70-е гг. В ходе его был получен ряд научно- практических результатов, доказавших принципиальную возможность проекти- рования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (80-е гг.) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE системы массо- вого применения. Третий этап развития рынка (с 90-х гг. до настоящего време- ни) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производ- ствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность). На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE систем работали на графических терминалах, присоединенных к мэйнфреймам (компьютеры, обла- дающие большой вычислительной мощностью, к которым подключаются тер- миналы – машины, не имеющие собственных вычислительных средств и ис- пользующие ресурсы главного компьютера). Первые мэйнфреймы производили компании IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ PDP/11 (от Digital Equipment Corporation) и Nova (производства Data General). Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мэйн- фреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при раз- делении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагруз- ка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с раз- делением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нече- го, т. к. микропроцессоры были еще весьма несовершенными. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD системы доходила до $ 90000. Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоев микросхем сделало возможным появление схем высокой степени инте- грации (на базе которых и были созданы современные высокопроизводитель- ные компьютерные системы). В течение 80-х гг. был осуществлен постепенный перевод CAD систем с мэйнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась, при- мерно, до $ 20000. 5 Следует сказать, что в начале 80-х гг. произошло расслоение рынка CAD систем на специализированные секторы. Электрический и механический сег- менты CAD систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD систем, созданных на базе ПК: − часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86; − другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК ее производства работали под управлением ОС Unix от AT&T, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo). Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16- разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32- разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресур- соемкие приложения. К середине 80-х гг. возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computing − RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производитель- ность CAD систем. С середины 90-х гг. развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 90-х гг., и их позиции все еще сильны в сег- менте проектирования интегральных схем. Зато сейчас ОС MS Windows NT и MS Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектиро- вания конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 г. рабочие станции на плат- форме Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объемам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE систем годы стои- мость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, $ 6000 у Pro/ENGINEER). 1.2. Общая классификация CAD/CAM/CAE систем За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE систем сло- жилась следующая общепринятая международная классификация: − чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70- е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор); − cистемы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель 6 объекта, которая дает возможность решения задач его моделирования вплоть до момента изготовления; − cистемы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD − Electronic Product Definition). EPD − это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концепту- альное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. При применении EPD-концепции предпо- лагается замещение «компонентно-центрического» последовательного проек- тирования сложного изделия на «изделие-центрический» процесс, выполняе- мый проектно-производственными командами, работающими коллективно, от- дельные члены которых могут быть расположены в разных странах. Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автоном- ных CAD, CAM и CAE систем в интегрированные CAD/CAM/CAE системы. Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE систем на сис- темы верхнего, среднего и нижнего уровней. Следует отметить, что это деление является достаточно условным, т. к. сейчас наблюдается тенденция приближе- ния систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерны- ми чертежно-ориентированными и становятся трехмерными. Также ярко выра- жено увеличение числа пользователей систем среднего уровня за счет перехода пользователей к компьютерному проектированию (рис. 1.1). Рис. 1.1. Изменение количества пользователей САПР 7 Примерами CAD/CAM систем верхнего уровня являются Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, EUCLID, I-DEAS. Все они имеют модули инженерного анализа − CAE и могут работать с большими сборками (более 2000 сборочных единиц). Примером проекта, выполненного в системе высокого уровня, может служить проект цеха химического завода (рис. 1.2). В настоящее время в САПР широко используются два типа твердотельно- го геометрического ядра (Parasolid от фирмы Unigraphics Solutions и ACIS от Spatial Technology). Системы верхнего уровня имеют, как правило, свои собственные ядра. Например, Pro/ENGINEER начиная с версии 2000 выходит на общем с Pro/DESCKTOP ядре – Granite. Наиболее известными CAD/CAM системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются: ADEM (Omega Technology); Cimatron (Cimatron Ltd.); Mastercam (CNC Software, Inc.); Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Auto- desk Inc.); Powermill (DELCAM); CADdy++ Mechanical Design (Ziegler Infor- matics GmbH); семейство продуктов Bravo (Unigraphics Solutions), IronCad (VDS) и др. Рис. 1.2. Пример проекта, выполненный в системе верхнего уровня 8 К числу CAD/CAM систем среднего уровня на основе ядра Parasolid при- надлежат, в частности, MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); CADKEY 99 (CADKEY Corp.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); SolidWorks (SolidWorks Corp.); Anvil Express (MCS Inc.), Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); IronCAD (VDS) и др. CAD системы нижнего уровня (например, AutCAD LT, Medusa, TrueCAD, КОМПАС, БАЗИС и др.) применяются только при автоматизации чертежных работ и имеют, как правило, свои собственные геометрические ядра. 1.2.1. Системы нижнего уровня Эти системы представляют собой электронный кульман. Программы это- го уровня предназначены для создания чертежей и, как правило, имеют весь необходимый для этого инструментарий: рисование геометрии, простановка размеров, символов шероховатости, технологических требований и т.д. Применимость таких программ для российских предприятий следует рас- сматривать с точки зрения потребностей и финансовых возможностей предпри- ятия, соответствия требованиям российских стандартов Наиболее распространенными на отечественном рынке являются: AutoCAD, Компас-график, T-Flex 2D. Последние две программы, созданные отечественными компаниями, представляются наиболее целесообразными для внедрения на отечественных предприятиях. Они имеют следующие преимуще- ства перед AutoCAD: 1) возможность параметризации чертежа (создавая чертеж типовой дета- ли) без применения навыков программирования; 2) большое количество консалтинговых центров; 3) более низкая стоимость. Следует отметить, что соответствие требованиям российским стандартам является весьма существенным параметром, характеризующим программу, так как далеко не все иностранные фирмы включают поддержку требований ЕСКД в свои программные продукты. Как правило, для таких систем не требуется больших вычислительных мощностей и вполне приемлемая конфигурация персонального компьютера для работы с такой системой Pentium 233 MMX с 32 мегабайтами оперативной па- мяти и 15 дюймовым монитором. Стоимость систем нижнего уровня находится в пределах 900…1500 долларов. Завершая обзор систем нижнего уровня, следует отметить, что россий- ские продукты сейчас имеют также и модуль трехмерного моделирования и продолжают приближаться по возможностям к системам среднего уровня. Срок освоения систем такого уровня, при условии того, что человек владеет навыка- ми работы с компьютером и опытом построения бумажных чертежей, составля- ет от одной до двух недель. 9 1.2.2. Системы среднего уровня Чтобы понять, почему с течением времени потребовался переход от про- грамм нижнего уровня к более мощным программам, проанализируем, как опи- сывается чертеж в системах нижнего уровня. Геометрия деталей и сборочных единиц описывается через плоские изо- бражения: виды, сечения, разрезы и приложенные к ним символы размеров, то есть дискретный символьный способ описания. При этом, как правило, не было ничего общего с фактическим заданием формы при изготовлении. Геометрия в плоских символах существовала всего лишь как язык, на котором конструктор передавал свое представление формы технологу и другим своим коллегам. Не- совершенство и слабость такого метода очевидны: вслед за чертежом следовала его интерпретация − перевод с языка символов на язык технологии изготовле- ния. Любой подобный перевод, во-первых, неизбежно повторяет труд конст- руктора, а во-вторых, приносит смысловые потери и неоднозначные толкова- ния. Таким образом, первая проблема в чертежном способе описания геомет- рии − неполнота и неоднозначность. Пример. При выполнении тестового геометрического моделирования с помощью САD программы по готовым чертежам заказчика всегда выявляются ошибки, связанные со сложностью однозначного и корректного отображения сложной трехмерной геометрии на плоском чертеже. Отметим, что часто штамп или пресс-форма оказываются значительно сложнее готовой детали. При про- ектировании и разработке чертежей оснастки ошибки возникают не реже, чем при проектировании изделия. Отработка таких чертежей требует весьма боль- ших усилий. Примером изделия, такой проработки, может служить пятицилин- дровый двигатель изображенный на (рис. 1.3). Без сложного инженерного ана- лиза понадобилось бы огромное количество времени и ресурсов для создания взаимно соответствующих чертежей: и даже после большого числа проверок ошибки не исключены. Отсюда вторая проблема: между чертежами не под- держивается взаимнооднозначное соответствие. Проанализируем содержание графических документов: − геометрия конечного состояния детали, сборки и изделия в целом, вы- раженная языком плоских дискретных символов; − допуски и посадки, приложенные к графическому представлению гео- метрии символам размеров; − указания шероховатости поверхности; − указания маркировки и клеймения; − идентификация объектов (наименование, обозначение, реквизиты ис- полнителей, принадлежность сборочному чертежу и проекту); − некоторые свойства детали (материал, термообработка, покрытие, мас- са); − указания на технические условия, ссылки на руководящие документы (стандарты) и условия применения данного документа. Недостатки чертежного представления проекта изделия можно система- 10