Интегрированные САПР АСТПП

1



1



		

		1	Введение. САПР. АСТПП.  Интегрированные САПР/АСТПП.	2

		1.1	Что такое САПР? Ступени развития САПР.	2

		1.2	Ступени развития САПР:	2

		1.3	Достоинства САПР/АСТПП	4

		1.4	Исправление ошибок	4

		1.5	Резюме	5

		1.6	Процесс конструирования. Этапы.	5

		1.7	Автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП) или (САМ)	5

		1.8	Достоинства АСТПП	5

		1.9	Интеграция средств САПР и АСТПП (САМ) в единый процесс.	6

		1.10	Тактическое значение применения интегрированных систем САПР/АСТТП (интегрированная система автоматизации - ИСА).	7

		1.11	Смежные дисциплины	8

		2	Роль САПР/АСТПП в производственном цикле.	8

		2.1	Стадии жизненного цикла изделия	8

		2.2	Роль САПР АСТПП в производственном цикле.	9

		2.3	Традиционные области применения САПР/АСТПП	10

		2.3.1	Применение САПР – классификация	10

		2.3.2	Вариантное конструирование.	10

		2.3.3	Авиастроение:	10

		2.3.4	Судостроение:	10

		2.3.5	Электротехника	10

		2.3.6	Строительство	10

		3	Технология параллельного проектирования	11

		3.1	Последовательный подход (ПП) – П - технология	11

		3.2	Концепция параллельного проектирования	11

		3.3	Проблемы внедрения C-технологий	12

		4	Способы задания параметризованной геометрической модели.	13

		4.1	Параметрическое конструирование	13

		4.2	ПК с полным набором связей	13

		4.3	ПК с неполным набором связей.	14

		4.4	Ассоциативная геометрия (АГ)	14

		4.5	Объектно-ориентированное моделирование (ООМ)	14

		5	Система управления производственной информацией.  PDM – системы.	15

		5.1	Что такое системы управления производственной информацией	15

		5.2	EPD – полное электронное описание изделия	16

		5.3	CALS(Computer Added Layers Support)	16

		6	Состав САПР. Программное обеспечение САПР	17

		6.1	Программное обеспечение САПР	18

		6.2	Требования, которым должно удовлетворять ПО САПР	18

		6.3	Прикладное ПО	18

		6.4	ПО, созданное пользователем (приложение)	18

		7	Средства двумерного черчения	18

		8	3D моделирование	19

		8.1	Каркасные модели	19

		8.2	Поверхностное моделирование	20

		8.3	Твердотельное моделирование (ТМ).	21

		8.3.1	C-REP.	21

		8.3.2	B-REP (метод граничного представления)	22

		9	Системы автоматизированного анализа (CAE). Метод конечных элементов.	22

		11	Эргономика и автоматизированные системы	24

		9.1	Среднестатистический человек, антропометрия.	24

		9.2	Взаимодействие человека и машины	24

		9.3	Автоматизированное моделирование процесса взаимодействия человека и машины, применение  эргономических пакетов.	25



Введение. САПР. АСТПП.  Интегрированные САПР/АСТПП.

Словарь терминов:

CAD – computer Aided Design (САПР)

Общий термин для обозначения  всех аспектов проектирования с использованием средств вычислительной техники. Обычно охватывает создание геометрических моделей изделия. (Твердотельные,3D). А также генерацию чертежных изделий и их сопровождений. Следует отличать что этот термин САПР по отношению промышленным системам имеет более широкое толкование чем CAD. Он включает в себя как CAD так и CAM и CAE.

CAM – Computer Aided Manufacturing. Общий термин для обозначения  системы автоматизированной  подготовки производства, общий термин для обозначения ПС подготовки информации для станков с ЧПУ. Традиционно исходными данными  для таких систем были геометрические модели деталей, полученных из систем CAD.

CAE – Computer Aided Engineering. Система автоматического анализа проекта. Общий термин для обозначения информационного  обеспечения условий автоматизированного анализа проекта, имеет целью обнаружение ошибок(прочностные расчеты) или  оптимизация производственных возможностей.

PDM – Product Data Management. Система управления производственной информацией. Инструментальное средство, которое помогает администраторам, инженерам, конструкторам и так далее управлять как данными так и процессами разработки изделия на современных производственных предприятиях или группе смежных предприятий. 

CAD/CAM/CAE/PDM = САПР

Прогресс  науки и техники, потребности развивающегося общества в новых промышленных изделиях обусловлено необходимость выполнения проектных работ. Требование к качеству проектов, к срокам их выполнения становятся все более жесткими по мере увеличения сложности проектируемых объектов. Кроме того, темпы морального устаревания изделий сегодня таковы, что поставленные на конвейер новые образцы часто уже не соответствуют современным требованиям.

Осуществление этих требований стало возможным на основе широкого применения средств ЭВМ на всех этапах производства:

Контроль проектирования, где зарождается исходная модель изделия, технологического проектирования.

Проектирование организации управления производством с формированием данных о материальных и информационных потоках производства.

Изготовление изделий путем выполнения операций над материальным объектом на основе созданной на предварительных этапах информации.

Оценки качества изделия на основе сравнения требуемых и реальных характеристик.

К числу наиболее эффективных технологий САПР и АСТПП.

Что такое САПР? Ступени развития САПР.

Примеры использования были даже до того, как сформировался термин САПР.

В 1955-59 году в МТИ под руководством Росса была разработана система программирования АРТ (авт. прог. станки). АРТ дает возможность подготовки программ для станков с чипом, путем описания длины рабочего кода инструмента. В дальнейшем в процессе разработки систем подготовки программ для станков с чипом не задавать длину кода, а описывать саму деталь. В противоположность сегодняшнему понятию САПР, тогда понималась растущая возможность использования ЭВМ. САD придумал Cайзерленд. В настоящее время под САПР процесс проектирования с использованием машинной графики поддерживаемых пакетами ПО для решения на компьютерах аналитических квалификационных экономических и эргономических проблем связанных с проектной деятельностью. 

Широкое применение САПР началось с использованием микроЭВМ. Лидером в разработке была фирма Computer Visual.

Ступени развития САПР:

В 70х годах были получены отдельные результаты, показавшие, что область проектирования в принципе поддается компьютеризации. В соответствии с веяниями времени в этот период основное внимание уделялось системам авт. черчения.

В 80-х годах внедрились микро и суперкомпьютеры и САПЧ (САП и черчения) стали доступны даже малым фирмам. Когда стол для черчения заменяется на дисплей то повышается скорость работы, повышается уровень опытного чертежника в 3 раза. На цветном дисплее в 3,5 раза. В это время поставщики АПЧ применяли не только авт. проектирования, но и моделирование 3D. Сначала в 3D были простые поверхности, затем твердотельные изображения.

В 90-е годы – период зрелости, осознаны многие реальные задачи практики, исправлены многие ошибки при разработки. Сейчас существуют вопросы интеграции возможности, позволяющих вести речь об автоматизации всего процесса проектирования, конструирования. Бурный рост функциональности АП с одновременным усложнением ряда ключевых функций и операций, связанных с распознаванием и обработки особенностей форм привел к тому, что на переднем плане стал интерфейс. Актуальны методы отката назад (roll back), которые восстанавливают конкретно проект, несмотря на ошибки как собственные, так и ошибки алгоритмов данных.

В наше время самыми актуальными стали вопросы, связанные с интеграцией разнообразных возможностей, позволяющей вести речь об автоматизации не отдельных элементов, а всего процесса проектирования, конструирования и производства. Бурный рост функциональности САПР с одновременным усложнением ряда функций, привело к тому, что на первом плане оказались проблемы пользовательского интерфейса.

Чрезвычайно  актуальными являются методы отката назад, позволяющие восстановить корректный проект, несмотря на допущенные ошибки, происходящие  из-за собственных неадекватных действий и из-за  некорректных проектных данных.

В последнее время акцент снова сдвигается в сторону более автоматизированных  систем САПР. В частности, с повышением мощности и эффективности отдельных фаз проектирования с использованием методов, как генетические алгоритмы, нейронные сети и системы баз данных.

Среди достижений последнего  10-летия следует отметить более отчетливое расслоение классов  систем. Стало понятно, что поскольку в промышленности имеются большие предприятия, средние, и вообще мелкие, то и автоматизация для них должна быть разной. Сейчас на рынке CAD/CAM/CAE систем имеется большая гамма систем, различающихся по стоимости, по функциональности и по степени охвата проектно-технологической и производственной сферы предприятия.

3 градации систем:

Чертежно-ориентированные системы (появились первыми в 70-ые и продолжают использоваться). Это легкие системы для пользователей CAD начального уровня, имеющие урезанный набор функций. Цена до 1000$. Используются на ПК. К ним относятся AutoCad, ArchiCad, GraphicsCad, IsiCad, CadKey. В основном работают с 2d объектами.

Системы среднего уровня (до 8000$), требующие ПК высокого класса со специальным графическим оборудованием или младшие модели рабочих станций, или PISE- процессоры.
Это системы, позволяющие создавать электронную модель объекта в 3д пространстве, которая даст возможность решения  задач моделирования вплоть до момента его изготовления. Примеры: Mechanical Desktop (Autodesk), PTI Modeler (Parametric Technology), Personal Designer (ComputerVision).
Personal Designer – ПП с широким набором функций для автоматического проектирования и подготовки конструкторской документации в областях механических приложений с достаточными возможностями для дальнейшего расширения. С помощью этого пакета можно разработать 3d  геометрические модели, синтезировать и моделировать модели с помощью NURB- и Безье поверхностей, воспроизводить и контролировать разработанные  конструкции, документировать  разработанные изделия за счет создания  высококачественных технических чертежей для процесса производства и монтажа в соответствие со стандартами DIN, ANSI, ISO.
Ценность этого пакета усиливается за счет внушительного количества ПП третьесторонних  поставщиков, расширяющих функциональность. 
Например, Personal Machinist дополняет этот пакет функциями  для NK – программирования (станки с ЧПУ). Обе системы базируются на общей БД и используют один и тот же пользовательский интерфейс. Эти два пакета  вместе представляют собой единственно полностью интегрированное CAD/CAM решение среди своего класса.

Системы старшего уровня. Обычно работают на рабочих станциях и графических серверах RISC/UNIX/NT Windows. Поддерживают полное электронное описание объекта, т.е. разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжение всего жизненного цикла объекта (включая: маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическая подготовка, производство, эксплуатация, ремонт и утилизация). Поэтому эти системы можно называть CAD/CAM/CAE/PDM системами. К таким относятся (I/EMS (Intergraph), CATIA(IBM), Pro/Engineer (Parametric Technology), CADDS 5 (Computer Vision), Euclid () ). CADDS5 – интегрированная инструментальная программная среда для автоматизации процессов проектирования и технологической подготовки изделий, которая включает в себя  более 85 отдельных программных пакетов, функционально охватывает эскизное и рабочее проектирование, синтез геометрических моделей,  инженерный анализ, разработку чертежно-конструкторской документации, подготовку к производству.
Благодаря своим функциональным возможностям CADDS5 позволяет выполнять разработку многих типов технических объектов, начиная от машиностроительных деталей, конструкций и отдельных изделий до таких  изделий, как автомобили буровая платформа. Эта система относится к ряду тех систем, которые способны функционировать  на практически  любых технологических платформах аппаратных средств и взаимодействовать с другими прикладными программами, относящихся к областям CAD/CAM/CAE/PDM и ЧПУ-оборудованием. В CADDS5 поддерживаются все основные стандарты обмена (IGES, STEP, SET, DxF, AP1203/2/4 и др. специализированные стандарты). Имеются прямые трансляторы для обмена с другими САПР (CATIA и др.).  CADDS5 поддерживает технологию параллельной работы  разных проектно-технологических групп, согласованно выполняющих  в рамках единой информационной модели операции проектирования, сборки, анализа, тестирования, проверки корректности модели и подготовки ее к производству. Позволяет в масштабах предприятия логически связывать информацию об изделии, обеспечивая быструю обработку и доступ к ней пользователя.

Современные тенденции требуют более автономной системы САПР. (Увеличение мощности эффективности отд. фаз проектирования с использованием методов ИИ: генетические алгоритмы, нейросети, системы на основе БЗ).

Самая актуальная проблема повышения надежности и устойчивости многих функций базисных геометрических алгоритмов.

Достоинства САПР/АСТПП

Сейчас термином САПР обозначают процесс проектирования с использованием сложных средств машинной графики, поддерживаемых пакетами прикладных программ для решения на компьютерах аналитических, квалификационных, экономических и эргономических проблем, связанных с проектной деятельностью.

Достоинства САПР:

		Более быстрое выполнение чертежей (до 3 раз). Дисциплина работы с использованием САПР ускоряет процесс проектирования в целом, позволяет в сжатые сроки  выпускать продукцию и быстрее реагировать на изменение рыночных конъектур. 

		Повышение точности выполнения. На чертежах, построенных с помощью  системы САПР, место любой точки определено точно, а для увеличения достаточного просмотра элементов есть средство, называемое наезд, или zooming, позволяющее увеличивать или  уменьшать любую часть данного чертежа в любое число раз. На изображение, над которым выполняется наезд, не накладывается практически никаких ограничений.

		Повышение качества;

		Возможность многократного использования чертежа. Запомненный чертеж может быть использован повторно для проектирования, когда в состав чертежа входит ряд компонентов, имеющих одинаковую форму. Память компьютера является также идеальным средством хранения библиотек, символов, стандартных компонентов и геометрических форм.

		САПР обладает чертежными средствами (сплайны, сопряжения, слои). 

		Ускорение расчетов и анализа  при проектировании. В настоящее время существует большое разнообразие ПО, которое позволяет выполнять на компьютерах часть проектных расчетов заранее. Мощные средства компьютерного моделирования, например,  метод конечных элементов, освобождают конструктора от использования традиционных форм и позволяют проектировать нестандартные геометрические формы. 

		Понижение затрат на обновление. Средства анализа и имитации в САПР, позволяют резко сократить затраты времени и денег на тестирование и усовершенствование прототипов, которые являются дорогостоящими этапами процесса проектирования;

		Большой уровень проектирования. Мощные средства, комплексного моделирования. Возможность проектирования нестандартных геометрических форм, которые быстро оптимизируются;

		Интеграция проектирования с другими видами деятельности. Интегрируемые вычислительные средства обеспечивают САПР более тесное взаимодействия с инженерными подразделениями.

-САПР

		Выигрывая в одной сфере, проигрываешь в другой.

Исправление ошибок

Почти все производители CAD-систем создавали системы от начала до конца, включая управление памятью, драйверы устройств, интерфейс пользователя, интерпретатор для языков. Ни один продукт не имеет интерфейса в стиле Вындоус; строчно-командный интерфейс сохранился, и все еще остается необходимым. Наиболее важное влияние на CAD оказала Windows – оболочка. Наличие миллионов компьютеров для Windows стимулирует разработку быстрых процессоров, больших мониторов, стал более емким сам процесс создания CAD, освобождая пользователя от заботы о драйверах устройств, и в определенной степени об интерфейсе. В настоящее время увеличивается интеграция функций из CAD в ОС. Наиболее известный пример – OpenGL в Windows. Уже сейчас OpenGL – самый легкий и универсальный метод рендеринга объектов CAD. Он обладает двумя преимуществами:

		Независимость от оборудования;

		Устранение обработки дисплейных списков;

 Негативную роль в развитии CAD-систем играют недостатки в организации ПО CAD. Это ограниченная открытость для расширений, трудность настройки на национальные стандарты, плохая модульность. Любой пакет CAD без адаптации не слишком полезен для большей части пользователей, поэтому существует рынок производителей, которые выполняют вертикальную адаптацию для различных применений CAD-систем. Обычно в состав систем общего назначения включался инструментарий для создания и подключения приложений, а также для адаптации  и расширения интерфейса с пользователем. Однако существуют две причины по которым эта адаптация затруднена:

приложения приходится создавать поверх всей базовой системы, хотя многие ее функции не нужны. Цена даже небольшой разработки в основном определяется стоимостью базового пакета;

инструментальные средства изготавливаются производителем базовой системы самостоятельно, были не стандартными и не качественными;

Резюме

Компьютеризации д.б. подвергнуто только то, что можно преложить на компьютерный язык, а не все. Некоторые математические расчеты нельзя произвести на текущих машинах.

Понятие САПР в содержательном смысле означает конструирование, возможность автоматизации, которая обеспечивается возможностью использования ЭВМ. 

Процесс конструирования. Этапы.

Замысел изделия;

Определение его структуры;

Детализация.

При использование ЭВМ, когда конструирование и разработка технологии объединяются, существуют этапы:

Определение функциональной структуры изделия;

Разработка принципа действий;

Деталировка и подготовка к производству;

Автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП) или (САМ)

Цель ТПП: Достижение в процессе изготовления продукции оптимального соотношения между затратами и получаемыми результатами. Повышение доли мелкосерийного производства требует в создание АСТПП, т.к. именно при этом характере производства преимущества использования авт. систем проявляется в наибольшей степени. Большие вложения, затраченные на мелкосерийное производство,  требуют качественного проведения технологической подготовки и документирования ее результатов. Высокие требования НТП предполагают высокую гибкость процесса подготовки в целях более быстрой адаптируемости в новых процессах производства. Под CAM понимают любой автоматизированный производственный процесс, которым управляет компьютер. Первые CAM появились в начале 50-х годов.  Применение средств обработки данных в области ТПП дало возможность решения организационных проблем таких как: управление производство, планирования.

Важный шаг в АСТПП: Разработка АСУ для организации работ станков с ЧПУ. 

Преимущества АСТПП:

Выполнение рутинных процессов и подготовка информации с помощью средств электронной обработки данных, эффективность АСТПП может быть измерена не только сравнением затрат на традиционные и авт. способы решения, учитывается все влияние технологической  подготовки на весь процесс. 

АСТПП - любой автоматизированный производственный процесс, которым управляет компьютер. 

Первые АСТПП появляются в 40-50 годах, в 60х получают названия ЧПУ. Средства влияния ЧПУ охватывает множества различных автоматизированных производственных процессов (фрезеровка, кислородная и лазерная резка, штамповка и контактная сварка).

Т.о. термин АСТПП применяется как общее название для разработок, связанных с  организацией технических процессов, которые уже существуют, которые только появляются в области программно-управляемой промышленности.

Важнейшими элементами АСТПП являются:

		Средства производственного испытания и программирования станков с ЧПУ.

		Изготовление и сборка с помощью программно-управляемых роботов.

		Гибкие производственные системы (мелкосерийное производство).

		Средства автоматизированного производства.

		Средства автоматизированного тестирования.

Достоинства АСТПП 

определяются тем, что за счет её проявления достигаются следующие результаты:

		увеличивается производительность при меньшем кол-ве рабочей силы;

		уменьшается вероятность возникновения ошибок по вине человека;

		становится разнообразнее ассортимент изделий;

		снижаются издержки благодаря увеличению эффективности производства;

		повышение эффективности хранения и сборки продукции;

		становится возможным использование повторяемости производственных процессов, обусловленное сокращением данных;

		повышается качество продукции.

Интеграция средств САПР и АСТПП (САМ) в единый процесс.

САПР/АСТПП – интеграция средств САПР и АСТПП в единый процесс.

Разговоры о полезности интеграции велись очень давно, но стали воплощаться в практику, когда в фундамент  лег объектно-центрический подход на основе пространственной, как правило твердотельной, модели. Такая модель наиболее точно и наглядно определяет 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. Современные версии программ технологического анализа воспринимают на входе геометрию твердого тела, автоматически генерируя  конечно-элементную сетку, производит на ней расчет и наносит результат на 3D модель. Анализ может заключаться в расчете простейших физических величин или в выполнении более сложных видов, включая прочностной, термический, вибрационный, динамический, кинематический анализы.

Кроме того, производится имитация таких производственных процедур, как заливка и охлаждение. Для визуальной оценки динамики заполнения шаблонов и состояния пропускающих каналов строится мультипликация, которая помогает обнаружить  некорректные участки на сварных швах и линиях сплавления в полости детали.  Сегодня в качестве оценки изделия широко распространилось быстрое прототипирование (RP). На вход системы RP подаются STL-файлы, полученные по 3d модели. Применяются несколько разных технологий RP.  Первая из них – стереолитография. При этом способе жидкие полимеры послойно отвердевают, принимая нужную форму под воздействием ультрафиолетового лазера. После  построения прототип извлекается из формы, помещается в печь для окончательного затвердевания и сушки. Твердотельная модель  также открывает уникальные способности  для производства. Достигнуто 5-кратное улучшение точности обработки поверхности и в 4 раза уменьшилось время программирования станков с ЧПУ.

Чтобы создать программу для ЧПУ при изготовлении типовой головки цилиндра, требуется работа 3-4 специалистов приблизительно в течение 5 месяцев. При этом генерируется около 5 млн. точек. Автоматическая генерация из твердотельной модели с помощью CV Toolmaker выполняется за полчаса.



При изучении истории разработки таких систем в  конкретной форме часто обнаруживается, что развитие применения этой технологии часто совсем непохоже на развитие самой индустрии САПР АСТПП. Индустрия АСТПП стимулировалась с технологией в обстановки интенсивной конкуренции. В результате возникла ситуация наличия различных систем САПР АСТПП, функционирующих многими различными способами и занимающие различные ниши рынка. Преимущества этой системы в том, что обычно удается найти систему, весьма подходящую для конкретного, довольно узкого применения. Например, система фирмы Computer Vision была первой системой «под ключ», ориентированной на  применение в электронике.

По мере распространения и развития применения САПР АСТПП наступило понимание того, что генерация данных в одном приложении часто может обеспечить большую экономию в др. приложениях. Так закладывался первый камень в основании того, что теперь называется интеграцией. Проблема состоит в том, что поскольку эти различные системы разрабатывались разными фирмами, данные, генерируемые одним поставщиком системы САПР АСТПП, не распознавались другим. На самом деле поставщики СА были заинтересованы в поддержке этой несовместимости, т.к. конкурентный барьер из-за того, что пользователю трудно и дорого переключиться с одной системы СА на другую. Неизбежный результат такой политики состоит в следующем: как только автоматизация проектирования и ТПП охватывает несколько отделов крупной фирмы, в этой фирме появляются несколько систем СА, каждая из которых оптимизирована на решение в некоторой конкретной области. Фирмы, ставшие обладательницами таких «коллекций», принялись вырабатывать изощренные приёмы, чтобы заставить свои разнообразные системы общаться между собой.

Хорошим примером является CIIN (Boing), связавшая вместе Computer Vision, CDS, DEC и др. Эти ранние попытки обычно не были способны преображать любые типы данных, но проектировались для обработки определенных типов данных, весьма важных для обмена между конкретными вычислительными  системами фирмы.

Системы «под ключ».

Не существует такого объекта, как интегрированной системы «под ключ». Термин «под ключ» означает, что вам достаточно только купить систему, установить её, подвести питание, повернуть ключ и система начнет делать то, что вы хотите. При этом предполагается, что ПО, необходимое для удовлетворения ваших потребностей, выполнение требуемых вами функций уже заранее написано и отлажено поставщиком. Практически, поставщик может разработать под ключ систему автоматизации чертёжных работ, систему 3D моделирования, поскольку функциональные возможности таких систем достаточно стандартны в инженерной среде. Между тем деятельность и автоматизация конкретного предприятия уникальны.

При оценке поставщику для систем СА необходимо уверить, что они представляют такие гибкие средства, которые позволят вам реализовать функциональные возможности системы с учетом специфики задач фирмы и решать эти задачи так, как требуется деятельностью вашей фирмы. При этом следует планировать создание коллектива программистов для осуществления этих разработок. Объём интегрированной системы велик, поэтому она должна создаваться поэтапно. Выбор конкретной системы СА – почти такая же проблема, как и решение о покупке ПК.

Тактическое значение применения интегрированных систем САПР/АСТТП (интегрированная система автоматизации - ИСА).

Основные преимущества можно сгруппировать в следующие категории:

ИСА – интегрированные системы автоматизации

Качество ИСА может оказаться мощным средством как для установления требований к продукции, так и для измерения того, на сколько хорошо эти требования удовлетворяются. Например, экспертные системы могут дать уверенность, что требования, установленные для каждой новой продукции соответствуют общим стандартам и совместимы с другой продукцией фирмы. Система просто не позволит инженеру-проектировщику забыть или нарушить спецификацию. Когда дело касается измерения качества продукции, ИССА может служить для того, чтобы:

А) Обеспечить данные для статистики системы контроля производства;

Б) Обеспечить данные для оборудования лабораторного тестирования;

В) Проводить аппаратный контроль измерения с использованием станков с ЧПУ.

Потребительская стоимость. Получение максимума за ваши деньги. Чем ближе продукция была спроектирована к требованию клиента, тем охотнее он будет платить деньги.

Время разработки. Если проанализировать, где теряют время инженеры, то обнаружится, что много времени уходит на поиск и получение информации, необходимой для проектирования продукции. Очень часто не хватает достаточно точной информации для выполнения инженерной работы. Если недоступна хорошая возможность компьютерного моделирования, то много времени уходит в ожидание проверки прототипов и их передел. и проверки снова и снова.

Автоматизация – тип детального проектирования (в части чертежных работ) позволяет избежать многочисленных разнообразных ошибок (размеры, не согласующиеся между собой на проекциях, отсутствуют информации о детали).

Поддержка производственной технологии. Многие из современных, производственных технологий не могут быть эффективно реализованы без интегрированных САПР-АСТПП. Это касается роботов, гибких производственных систем.

Сокращение ошибок и удобство внесения инженерных изменений

Широкие вычислительные сети, связи предприятия.

Современное предприятие в своей деятельности связано со многими другими предприятиями – смежниками, поставщиками комплектующих изделий, заказчиками и т.д. Время согласования производственных вопросов  с ними влияет на общее время выполнения заказа, а его уменьшение требует в первую очередь  автоматизации общих информатизационных потоков. Такая совокупность организационно самостоятельных организаций, но информационно связанных  между собой для выполнения определенных заказов представляет собой виртуальное предприятие. Для создания нового особо сложного  наукоемкого изделия нужна первоначальная разработка модели реализующего его виртуального предприятия. Она должна включать все необходимые ресурсы для его создания и состав производства и предприятий для их реализации. Программно-технической поддержкой такой организации является локальная сеть предприятия либо сеть Intranet виртуального предприятия с общим доступом к базам данных и знаний.















что не может СА:

Решить проблему некачественной инженерной работы.

Система СА не является методом производства, она не решит проблему хронической неоплаты труда или избыточности оплаты труда. Эти проблемы решаются автоматизацией перехода от высокооплачиваемой работы к.

Интегрированная система не может заставить производство работать только за счет того, что она обеспечивает автоматизацию.

Введение системы СА не может резко увеличить доходы от производства, а наоборот является долгосрочным вложением.

Смежные дисциплины 

Очевидным развитием интегрированного процесса СА является его связывание СА с другими компонентами системами. К настоящему времени разработано много смежных дисциплин с новой терминологией и уже устоявшейся аббревиатурой.

Все виды инженерной деятельности, упр-й комп-ми, объединены под названием «АС инженерного обеспечения» (АСИО). Эта система включает:

САПР/АСТПП

Процедуры АСУ производством (АСУП) 

Процедуры АС производства планирования (АСПП)

Планирование процесса проектирования с использованием комплексного ПО.

Система автоматизации проектирования инструмента и процесса обработки.

Система автоматизации процесса усовершенствования 

Система автоматизации проектирования расположения оборудования на производстве, включая графическую имитацию робототехники.

Полная интеграция отраслей АСИО вместе с интегр. экон. и бух. систем, называется комп. интегр. пространством (КИП).



Роль САПР/АСТПП в производственном цикле.

Совокупность видов деятельности и функций, необходимых для осуществления проекта и изготовления изделий, называется производственным циклом. Поведение этого цикла определяется заказчиками изделий и потребностями рынков сбыта.

Производственный цикл может активизироваться различными путями в зависимости от особенностей той или иной группы заказчиков-потребителей. В одних случаях функции проектирования выполняет сам заказчик, а изготовление изделия – сторонние фирмы, в других и проектирование и производство выполняет одна и та же фирма. Однако, как бы это не происходило, производственный цикл всегда начинается с выработки концепций нового изделия (т.е. возникновение определенной идеи). Первоначально концепция нового изделия прорабатывается, затем в деталях уточняется, анализируется, совершенствуется и после конструктивной разработки воплощается в план выполнения нового изделия. Этот план подкреплен документацией в виде набора конструктивных чертежей, показывающих, как должно изготавливаться изделие и совокупность технических описаний, спецификаций, отражающих принципы функционирования изделия. Этим завершается деятельность по проектированию, если не считать конструкцию изделия на протяжении всего жизненного цикла.

Следующим видом деятельности становится изготовление изделия, которое начинается составлением плана, определяющего последовательность операций, необходимых для выполнения изделия. Иногда могут потребоваться новое оборудование, инструмент и оснастка.

На этапе составления графика производства выбранного плана, в соответствии с которым фирма фактически принимает на себя обязательство выпустить определенное количество изделий в конкретные сроки. После того, как сформированы планы-графики по всем изделиям, они запускаются в производство, и затем проходят через операции контроля качества и отгрузки заказчику.

В одинарной рамке – без автоматизации. При автоматизации добавляются Дв. рамки, дв. Стрелки

Стадии жизненного цикла изделия















Стадии жизненного цикла в общем случае: 



		Концептуальное  проектирование 	<-CAD

	Анализ <-CAE

	Детальное проектирование		<-CAD

	Документирование 			<-CAD

	ТПП						<-CAM

	Производство				<-CAM

	Сопровождение				<-CAM

	1-7 — PDM

Роль САПР АСТПП в производственном цикле.

Авт. проектирование и авт. изготовление чертежей и документации с помощью ЭВМ имеет место на этапах выработки концепции нового изделия, конструирования изделия, разработки чертежей. Целью САПР является выдача конструкторской документации, которая может быть результатом поиска аналогов (прототипа) или результатом конструирования оригинального изделия. С использованием САПР проектируется 3D модель детали, получаются требуемые виды моделей, выполняется деталировка и деталировочные чертежи. 

с применением различных возможностей систем инженерного анализа, например, с применением анализа МКЭ и кинематики. 

Технологическая подготовка. Чрезвычайно разнообразные задачи АСТПП, к которым относится планирование и использование технологического оборудования, подготовка либо проектирование и изготовление инструмента. Подготовка программ для тех. оборудования с ЧПУ, программ для роботов. На этапах планирования произв. процесса и календарного выпуска изделия ЭВМ используется для обеспечения более эффективного выполнения этих функции.

В ходе производства ВМ осуществляет текущий контроль и управление тех. операциями. В автомат-х процедурах. Контроля качества обеспечивается инспектирование и эксплуатац. испытания как готовых изделий, так и их компонентов.

Традиционные области применения САПР/АСТПП

		Машиностроение – для этой отрасли ЭВМ используется для решения 2х задач – изготовление чертежей, проведение вычислений

		Автомобилестроение 

 Применение САПР – классификация

		2D представление - расчет экспериментальных диаграмм и граф. представление электронных схем.

		3D представление объектов – машиностроительное конструирование.

		Изготовление чертежей, составление программ с ЧПУ, предназначенных для сверления, точения, фрезерования.

Вариантное конструирование.

Проектирование называется вариантным, когда при заданной функционально-зависимой структуре и неизменным расположении всех элементов, изменяется конфигурация и размеры самих элементов.

Вар. проектирование предполагает, как необходимое условие, описание комплексных деталей. Для этого из группы геометр. похожих деталей составляется искусств. комплексная деталь, которой присуще все геометр. признаки деталей группы. Доп. определяется, на базе каких параметров и в каком диапазоне изменения этих параметров можно создавать отдельные элементы группы. Отдельные вар. группы образуются путем задания путем задания действ. всех параметров. Благодаря этому при создании варианта не требуется описание их геометр. элементов.

3D поверхности применяются для конструирования и выравнивания сопряжений, конструирования внешних форм поверхностей при проектировании кузова автомобиля, при составлении программ с ЧПУ, фрезеровании контуров и поверхностей исходных моделей и инструментов. Применение САПР для 3D описания деталей и агр., с одной стороны, служит для последующего детального конструирования и изготовления чертежей, с другой стороны, помогает конструктору произвести пространственную компоновку агрегатов, решить сложные вопросы сборки, промоделировать движение и определить истинное расстояние в пространстве. 

Авиастроение:

В связи со сложностью, чисто используются несколько систем для:

		конструирования обводов фюзеляжа 

		конструирования деталей и создания программ для станков

		изготовления чертежей

		моделирования процессов

Благодаря применению фрезерных станков с ЧПУ стало возможным изготовление деталей легких и прочных. Получить это из традиционного конструирования на базе листовых заготовок невозможно.

Судостроение:

Эскизное проектирование (описание корпуса)

		оценки технических и экономических данных

		приближенное описание корпуса

		гидростатические и гидродинамические расчеты

Проектирование, параметризация корпуса 

		Определение размеров

		Принятие конструктивных решений

		Сборочные и монтажные чертежи

		Окончательное определение формы корпуса

Деталировка

		Конструирование деталей и технологическая подготовка.

		Кестинг – минимум отходов раскроя

		Рабочие чертежи, информация для машин с ЧПУ, ведомость материалов и т.п.

Электротехника

Особое положение занимают изделия п/п и электронной техники. Здесь разрабатываются разнообразные простые системы, которые охватывают весь производственный процесс. Группам изделий, где проявляется нехватка отн. Приборы и уст. энергетики, приборы обр. инфы обр. связи, пром. и вспом. электроника, ширпотреб.

САПР, которая осуществляет автоматический или полуавтоматический контроль электрической схемы. Особо эффективны эти системы, если проводить периодич. и непр. одни и те же операции, например, включить исполнение логических символов, и т.п., системы конструирования печатных плат, логических схем, моделирование электрических схем, проектирование структурных интегр. схем, расчет параметров интегр. схем и монтажных плат.

Строительство

		Архитектура

		Проектирование рабочей документации

		Планировка внутренних площадей

		Планировка коммуникаций

Применение САПР облегчает труд архитектора, помогая ему осуществить выборку всех промежуточных результатов. В принятии решения ему помогает наглядное представление результатов, быстрое проигрывание альтернатив. Благодаря 3D можно получить различные виды, определив плоскость сечения. 3D описание является предпосылкой для изображения внутренних помещений при рассмотрении его из разных точек.

При строительстве инт. сооружений возникает необходимость вычислений. Применение расчетного прогнозирования позволяет сократить расход конструкционной стали примерно на 35%. Для планировки сантехнического, отопительного и другого оборудования применяются как 2D так и 3D САПР.

Общий план, монтаж электротехнического оборудования, монтаж вентиляционного оборудования, текстовая информация.

Технология параллельного проектирования



1

2

3

4

5

6

7

Наименование стадий жизненного цикла изделия

Концептуальное проектирование

Сопровождение

Производство

Технологические подготовки производства

Документирование

Детальное проектирование

АнализПоследовательный подход (ПП) – П - технология

Традиционный ПП в разработке новых изделий обычно включает последовательность работ по проектированию, сборке, испытанию, анализу, анализу с итеративным повторением цикла до получения нужного результата. Производственный цикл, охватывающий все стадии жизненного цикла изделия, начинается с выработки концепции нового изделия. На первом этапе разработаны специальные основные требования к изделию (внешний вид, технические характеристики). Затем прорабатываются различные варианты решения, производится анализ вариантов и выбор окончательного решения. Затем это решение в деталях уточняется, анализируется, совершенствуется и воплощается в план выпуска нового изделия и документации. Итеративное повторение этого цикла дорого и отнимает много времени. При последнем проектировании до того момента, пока начнётся промышленный выпуск, проблемы разработки достаточно резко координируют с проблемами подготовки производства.

В настоящее время параллельное проектирование с успехом развивается ведущими американскими и западноевропейскими фирмами. В частности в США исследовательские проекты в рамках этой технологии разрабатываются по заказу перспективных военных проектов Пентагона.

Известные исследовательские системы (Gernet, DAISIE, CATIA, PRO/ENGENEER, INITGRAPHICS).

Концепция параллельного проектирования

С-технологии – принципиально новый интегрированный подход к разработке изделия. В основе технологии лежит совмещение проектирования изделия, а также планирования его изготовления и сопровождения, координируемые специально предназначенной для этого распределённой информационной средой. Подобная технология позволяет использовать проектные данные с ранней стадии одновременно различными группами специалистов. Например, в трёх главных конструкторских бюро компании BOING 220 групп «проектирование – изготовление», которые координируют параллельные разработки и состоят из специалистов таких разнообразных областей, как проектирование, разработка материалов и прочее. Фактически, при использовании С-технологии удаётся достичь перекрытия практически всех стадий жизненного цикла изделий.

Развитие С-технологий связано, прежде всего, с повышением для потребителя таких неценовых факторов конкуретноспособности, как качество, способность быстрого выполнения индивидуального заказа.

Использование организации проектирования изделия, ориентировано на использование новых информационных технологий и интеграцию знаний из различных областей жизненного цикла изделия, позволяет экономить не только время, причём время сокращается на 20-25%, но и экономические средства за счёт повышения качества изделия, упрощение сервисного обслуживания, сокращения изменений, вносимых в конструкцию на стадии изготовления.

S-технология обеспечивает устранение известных недостатков последовательного проектирования, в частности, когда ошибки проектирования неожиданно обнаруживаются на последних его стадиях. Как отечественный показывает опыт, 50-70% имеющихся дефектов готовой продукции машиностроения возникают из-за ошибок в конструкционной работе, 20-30% из-за недостаточной технологичности изделия, 5-15% - по вине рабочих.

Устранение первой группы дефектов осуществляется в основном за счёт совмещения проектирования составляющих технологической системы «изделие – технология - оборудование» и раннего учёта возможных при этом ограничений.

Особенности S-технологий:

		Охват всех условий и факторов повышения жизненного цикла изделия;

		S-технология обеспечивает образование интегрального эффекта. Более тесная связь между группами специалистов;

		S-технология индивидуализированы, так как её конкретная реализация учитывает особенности предприятия, на котором она внедряется, а также требования заказчиков;

		Обычно внедряется в рамках уже действующего предприятия, конкретные экономические параметры которого и условия функционирования оказывают существенное влияние на результативность её внедрения;

		Постоянно развивается, что предполагает необходимость расширения состава учитывающих факторов повышения эффективности жизненного цикла изделия и согласование их с ранее учтёнными факторами и полученными результатами.

	Объектами внедрения S-технологии являются предприятия, поэтому анализ проблемы внедрения должен проводиться с учётом внешних социоэкономических  факторов и внутренних производственных факторов повышающих эффективности деятельности предприятия.

Эффективность S-технологии по сравнению с последовательным проектированием объясняется следующими соображениями:

Все проектные работы имеют 3 общих составляющих

спецификация требований;

информационная модель изделия, которая определяет цель или конечное состояние;

средства достижения цели

Описание

определение всех доступных ресурсов и ограничений (внутренних и внешних);

«мишень», определение которой требует максимального учёта знаний о факторах, которые на неё влияют и её формируют;

средства, обеспечивающие максимальную эффективность достижения цели и допускающие пересмотр и изменение сценария достижения цели в процессе его реализации

Пользователи S-технологии по сравнению с пользователями традиционных технологий имеют более чёткую цель и более управляемые средства её достижения.

Основными составляющими S-технологии являются:

распределённая компьютерная архитектура, обеспечивающая синхронизацию, оптимальные планирование и обработку информации на отдельных стадиях ЖЦИ;

совокупность инструментальных программных средств, которые обеспечивают быстрое прототипирование и многокритериальную оптимизацию при проектировании, позволяющую достичь эффективного соотношения проекта, производства и цены изделия при соблюдении жизненно важных ограничений.

Унифицированное и всестороннее представление все требуемой при проектировании и производстве информации, которая может быть  разносторонне проанализирована в соответствии с потребностями пользователя. 

Проблемы внедрения C-технологий

Три группы проблем внедрения C-технологий:

Обоснованность экономической эффективности С-технологии . В настоящее время эффективность внедрения С-технологий не вписывается в нормативы эффективности  нововведений, так как она оценивается единственно с позиции получения  на предприятии эффекта  от капитальных вложений без адекватного соизмерения с государственными интересами.

Организация и управление  всем комплексом деятельности, связанной с внедрением C-технологии. Внедряемая технология имеет принципиально новые характеристики. Поэтому возможны требования проведения потребителем технологии организационных и технических мероприятий (изменение технологического процесса, модификация организационной структуры). Иными словами, необходимость обеспечить создание организации производства, которая была бы наиболее адекватной специфике C-технологии. В противном случае достижение результата будет невозможно.

Разработка стратегии планирования, развития и внедрения C-технологии, требующая для своего решения комплексного рассмотрения задачи исследования производства, проектирования, доставки, монтажа и пуска в эксплуатацию её составляющих, подготовки кадров и обслуживания.

В рамках решения этой проблемы нужно определить желаемый уровень эффективности ЖЦИ и наметить пути е достижения, ориентируясь на стратегию поэтапного нарастания C-технологии.

В зависимости от цели внедрения и объёма инвестирования возможны следующие пути внедрения:

закупка и установка системы «под ключ»;

закупка существующей типовой системы за рубежом и адаптация её к местным условиям, в частности для привязки к действующим стандартам;

Разработка и внедрение C-технологии не на всех стадиях ЖЦИ, а только там, где им для этого имеются как технические, так и экономические предпосылки

Известно, что  наибольшую отдачу дают методы, ориентированные на усовершенствование  организации ЖЦИ на начальной стадии C-технологии – стадии концептуального проектирования.

Затраты на концептуальное проектирование составляют до 3% от общих затрат в течение ЖЦИ, и правильность принятых на этой стадии решений влияет на весь проект, так как 75% стоимости будущего изделия закладывается именно на этой стадии.

Успешность внедрения C-технологии определяется уровнем технических средств (10%), качеством программного и информационного обеспечения (40%) и человеческим фактором (50%) В наибольшей степени местные конструкторские, технические и производственные традиции и стандарты проявляются в сфере информационного и кадрового обеспечения. Внедрение C-технологии требует привлечения при её адаптации в условиях конкретного предприятия её специалистов.

Способы задания параметризованной геометрической модели.

Параметризованная  геометрическая модель является основой современной технологии выполнения  проектно-конструкторских работ.

Существует 3 подхода к созданию параметризованной геометрической модели изделия:

параметрическое конструирование (ПК);

ассоциативная геометрия (АГ);

объектно-ориентированное конструирование с использованием базовых операций добавления (удаление) материала.

Параметрическое конструирование бывает:

с жестким (полным) набором связей;

с неполным набором связей (мягкая).

Объектно-ориентированное конструирование:

макрооперации;

ассоциативные базовые операции.

Параметрическое конструирование

Определить цель конструирования достаточно просто, но процесс поиска рационального решения сложен и требует гармоничного сочетания  различных методов автоматизированного конструирования изделий. 

ПК как методология автоматизированной разработки является основной для параллельного введения проектно-конструкторских работ и позволяет уточнить конечную цель конструирования уже на ранних стадиях разработки (реализации) проекта, что определяет  эффективность совмещения процессов конструирования, инженерного анализа и производства на едином временном интервале и их взаимной интеграции.

Параметризация подразумевает использование разных видов взаимодействий м/у компонентами моделей и приложениями, которые используют данную модель. Использование технологии параметрического конструирования позволяет при необходимости легко изменить форму модели, в результате чего пользователь имеет возможность быстро и эффективно получать альтернативные конструкции, либо пересмотреть концепцию изделия в целом. При отсутствии средств обеспечения ПК модель однозначно определена только своей геометрией, поэтому внесение малейших изменений требует значительных трудовых затрат.

Параметризация-это концепция, которая охватывает все методы для решения задач конструирования. Важной особенностью современной концепции ПК является возможность создания геометрических моделей с использованием связей и правил, которые могут переопределяться и дополняться на любом этапе ее создания.

Связи определяется в виде размерных, геометрических, алгебраических соотношений.

Правила определяются как условия выполнения базовой операции.

ПК с полным набором связей

Жесткая параметризация-режим ПК, при котором конструктор полностью задает все необходимые связи, однозначно определяя форму геометрической модели изделия.

В этом случае изменение к/л параметра или переопределение связей влечет за собой автоматическое изменение геометрической модели и не требует от конструктора выполнение к/л действий модификации геометрической модели.

Описание процесса геометрического моделирования -в ходе построения система накапливает конструкционные параметры и соотношения между ними, а также создает протокол, позволяя легко моделировать.

Для режима жесткой параметризации характерно наличие случаев, когда при изменении параметров геометрической модели решение вообще не м.б. найдено, т.к. часть параметров и установленные связи вступают в противоречие  друг с другом.

Другим  словами такая технология позволяет при необходимости управлять изменением формы конструкции в некоторых приделах, которые определяются интервалом взаимной непротиворечности всей совокупности параметров и накопленных связей. 

Существует много способов задания параметров и связей для одной и той же конструкции. Следовательно,  при использовании этой технологии очень важным является  порядок определения и характер наложенных связей, которые будут управлять  изменением формы конструкции, т.к. для любого способа наложения связей интервалы непротиворечивости будут разными.

ПК с неполным набором связей.

Мягкая параметризация – это режим ПК, который позволяет, конструктору работать не задумываясь о порядке, в котором определены или учтены связи, а также об их достаточности для полного описания геометрии конструкции.

Такой подход позволяет пользователю решать проблемы следуя по интуитивному наиболее естественному пути. Ключевое преимущество использования мягкой  параметризации при конструировании — возможность решения геометрически недоопределенных задач путем предоставления пользователю возможности выявления неизвестных факторов в виде связей  и нахождения нужного решения.

С точки зрения практической реализации мягкая параметризация – это метод для нахождения необходим размеров и уточнения ориентации элементов, определенных форм геометрических объектов. В основе метода лежит принцип решения нелинейных уравнений, которые описывают систему связей, подкрепленными формулами. Использование механизма решения, связывающих уравнений конструктор может оптимизировать такие параметры как масса, объем, и т.д., площадь, центр тяжести и т.д.

Эти все процедуры позволяют либо оптимизировать потери материала, либо чтобы разрабатываемая деталь была легка в изготовлении, обеспечить поддержку требуемых  эксплутационных показателей.

Параметризация полезна не только для моделирования. Она также автоматизирует  итерационную отладку конструкции. Работая в среде параметрического конструирования, пользователь указывает изменяемые параметры, задает связывающие условия, определяет целевую функцию и запускает процесс оптимизации. Особенно эффективна следующая задача: на вход задается приближенная геометрия, а в качестве целевой функции – условия размещения в заданном габарите.

Ассоциативная геометрия (АГ)

АГ это обобщающее название технологии параметрического конструирования, обеспечивающая единую и двухстороннюю информационную взаимосвязь между геометрической моделью, расчетными моделями, программами для изготовления изделий на станках ЧПУ, конструкторской БД и т.д.

Технология АГ – это технология ассоциативного конструирования, которая базируется на непосредственной взаимосвязи между объектами, это параметризация более объективно и независимо от действий пользователей, которая создается на таких как параллельность, ортогональность и перпендикулярность.

Пример. Определение параллельности двух отрезков: отрезок а может быть определен как параллельный отрезку в. Для построения параллельной линии проектировщик указывае линию, относительно которой производится построение, и фиксирует расстояние между этими линиями. В результате перемещения  отрезка в в отрезок а  также изменяет свое положение с сохранением ориентации по отношению к отрезку в. Собственное же положение  отрезка а не может быть непосредственно изменено. Можно определить отрезки а и в как параллельные и другим способом так, что можно будет  изменять положение любого из отрезков, удовлетворяя условиям других наложенных связей – это случай «мягкой» ассоциативности. 

+ АГ: Скорость.

- АГ: пользователь должен  полностью определить размеры и ориентацию элемента, прежде чем приступить к созданию следующего.

Объектно-ориентированное моделирование (ООМ)

Этот подход реализован на основе определенного набора правил и атрибутов, задаваемых при выполнении базовой операции в дополнение к уже заданным связям и ассоциативной геометрии. 

ООМ представляет пользователю макрофункции, ранее определенные как последовательность действий, исполняющих булевы операции (пример: сквозное отверстие  - вычитание, причем под сквозным отверстием понимается правило, которое определяет сквозной проход в заданном месте через тело модели независимо от того, изменялась форма модели, или нет).

Этот подход реализован на основе определенного набора правил и атрибутов задаваемых при выполнении базовых операций в дополнение к уже заданным связям в АГ.

К базовым операциям предъявляются требования: 

Использующаяся базовая операция д.б. полностью определена.

После выполнения базовой операции ее топология должна сохранятся, и распознавать как базовая операция (отверстие, паз, округление), а также предоставлять возможность изменения определяющих ее геометрических параметров.

Определение  базовой  операции должно включать  в себя правила, определяющие поведение геометрической формы, а также средства контроля за соблюдением этих правил после выполнения операции. 

Для повышения эффективности процесса ||-ой разработки приложения для инженерного анализа изготовления должен быть доступ к описанию объекта , не требуя от пользователя информации об объекте, использованной ранее при выполнении базовой операции.

Появление в практике такого важного метода моделирования фичерса можно связать с появлением компании РТС.

Фичерсы – интеллектуальное конструирование элементов, которые помнят о своем окружении независимо от внесенных изменений.

Фичерсы – привычные пользователю конструкционно-технические элементы, такие как отверстия, фаски, скругления, ребра жесткости, центр. отверстия, канавки. Фичерсы – являются параметризованными объектами, определенным образом привязанные к определенному геометрическому контексту. При модификации модели привязка сохраняется, с соответствующей корректировкой фичерсов. Конструкционные элементы могут принимать любые очертания, приобретая будущую геометрию. Они содержат также знания о своем окружении, т.е. информацию о том, как они соотносятся друг с другом. Т.к. конструкционные формы помнят о своем окружении, при изменении любой из них могут изменятся геометрия и топология модели в целом. Это означает, что можно автоматически создавать любой объект и элемент (фаски, скругления), просто указывая их местоположение. После этого оно остается привязанным к грани при любом ее перемещении.

Фичерсы – интеллектуальные  конструкции, объектно-ориентированные операции, объекты, методы или категории.

Параметрические модели в отличие от жестко-размерных, не стандартизированы. Нынешние трансляторы IGES и STEP не работают с описаниями ограниченных условий и историй. Эта информация теряется при переносе из одной системы в другую, и поскольку параметризация модели основана  на истории построения, последующее редактирование создаваемых объектов  становится затруднительным.

Программы с реализацией фичерсов: Pro/Engineer (PTC), CADDS5(CV), T-Flex.

Система управления производственной информацией. 
PDM – системы.

Что такое системы управления производственной информацией

Проектирование изделий – ускоренный процесс, требующий быстрого доступа к большим масштабам согласованной  проектно–инженерной информации. Чтобы облегчить решение проблем, вызванных современными средствами проектирования и ускорить разработку изделий, появились системы PDM, обеспечивающие доступ к проектной информации, управляющие процессами проектирования.

Система управлений производственной информацией – инструментальные средство, которое помогает администраторам, конструкторам и другим специалистам управлять как данными, так и производственными разработками изделия на современных производственных предприятиях или группе предприятий. Системы PDM следят за большими постоянными обновлениями машинных данных и инженерно-технологической информации, необходимых на этапах проектирования, производства или строительства, а так же поддержки эксплуатации, сопровождение и утилизации технических изделий.

PDM – системы работают с файлами и записями БД по всем этапам цикла разработки, изготовления и поддержки изделия. Конфигурации изделия, описание деталей, спецификации, чертежи CAD, геометрические модели, изображения, модели инженерного анализа и результата расчетов, планы маршрута процесса изготовления, NC – программы изготовления деталей, хранимые в электронном виде документы, заметки, корреспонденция, аудио и видео ссылки на бумажные документы, проектные планы и др.

Система PDM отличается от БД тем, что интегрирует информацию любых форматов и типов, поступающую от различных источников, предоставляет ее пользователям уже в структурированном виде, причем структуризация привязана к особенностям современного промышленного производства. Системы PDM отличаются от интегрированных систем офисного документооборота, т.к. тексты – далеко не самое нужное в производстве. Важнее геометрическая модель, данные для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и т.д. 

Системы PDM обобщают такие известные технологии как управление инженерными  данными(EDM); управление документами ( информация об изделии) (PIM); управление техническими данными (TDM); управление технологической информацией (TIM); управление изображениями и др. системы, которые используются для манипулирования информацией, всесторонне определяющей конкретное изделие.

Таким образом, любая информация используемая на том или ином этапе жизненного цикла изделия, может управляться системой PDM, которая предоставляет корректные данные  всем пользователям и всем промышленным информационным системам по мере надобности. 

Наряду с данными, система PDM управляет и проектом, то есть процессом разработки изделия, контролируя собственно информацию об изделии, о состоянии объекта, от данных по этому объекту, об утверждениях вносимых изменений, осуществляя авторизацию и другие операции, которые влияют на данные об изделии и режим доступа к ним каждого конкретного пользователя.

Начало 80-х – первая система PDM фирмы Computer Vision Optegra – Optimal integration. Появление этой системы предшествовало появление системы автоматизации процессов. К этому времени в рамках САПР корпорация Visual имела пакет моделирования больших сборок CAMU и многофункциональные гибридные модели.  Увязав всю структуру изделия целиком и модельные данные из CAMU с возможностями  занесения в эту структуру любой информации, полученной в электронном виде, дополнив все это механизмом отслеживания получаемых вариантов  и автоматизацией генерации отчетных документов к спецификации. Computer Visual  получило программный продукт, принадлежащий классу PDM- систем.  В основу своих решений корпорация положила принцип полного электронного описания изделия. В соответствии с таким принципом вся информация, относящаяся к одному изделию, структурируется по типу, предназначению и увязывается с  последовательной  технологией производственных процессов, причем в соответствии со структурой самого изделия.



EPD – Electronic Product Definition. 

ПЭОИ – полное электронное описание изделия.

EPD – ПЭОИ.

EPD – полное электронное описание изделия

	Концепцию EPD вызвала к жизни потребность современных крупных предприятий в средствах параллельного создания, управления, разделения и неоднократного использования всей электронной информации выпускаемых предприятием на протяжении всего жизненного цикла изделий с возможностью интеграции данных о всех участниках этого цикла( поставщиков и т.д.). 

Реализованное в серии программных продуктов и служб концепция EPD  обеспечивает:

		создание интерактивной среды совместной разработки, охватывает различные дисциплины;

		создание структуры электронного описания изделия, интегрирующего всю информацию, которая может быть использована в масштабах расширения предприятия в т.ч. поставщиками и сервисными организациями;

		электронное определение всех этапов ЖЦ, формулировка потребностей в материалах, концептуальное проектирование, производство, распространение и поддержка;

		защиту данных и гарантированый доступ к информации об изделии для каждого пользователя с соответствующими правами доступа;

		управление внесением изменений;

	ПЭОИ включает  информацию от всех дисциплин, вовлеченных в процесс его создания и обеспечивает связь структуры проекта с прикладными системами и необходимой деловой информацией. EPD позволяет превратить электронные данные  об изделии в важнейший бизнес-ресурс корпорации, который обеспечивает разработку и сопровождение конкурентоспособной  продукции, уменьшает время ее выхода на рынок, увеличивает качество и уменьшает затраты на проектирование, производство и поддержку.

Разработка систем EPD явилась ответом на происходящий в индустрии переход от разрозненных приложений, способных повысить эффективность инженерного труда к интегрированной корпоративной среде совместной работы над изделием. В процессе разработки продукта возникает ряд проблем, влияющих на успешное введение корпоративного бизнеса: необходимость организации совместной работы коллектива специалистов с привлечением компаний, поставляющих основные компоненты для разрабатываемого изделия; длительность времени, а значит суммы, которые затрачены на реализацию сложной сборки, а так же трудности понимания таких сборок в целом.

Слишком поздно удается обнаружить проблему в следствии дезинтеграции процессов разработки изделия и функций поддержки его ЖЦ.

Уровень сложности конструкции изделий растет, и в результате приходится откладывать принятие определенного решения об изделии на возможно более поздние сроки.

CALS(Continuous Acquisition and Life cycle Support)

CALS – протокол цифровой передачи данных об изделии. Обеспечивает стандартные механизмы  доставки цифровых данных. Использует как основу стандарты IGES и STEP в качестве форматов обмена графическими данными.

Формат IGES – стандарт на передачу и обмен графических данных между различными CALS – системами.

STEP – международный стандарт ISO 10303, призванный облегчить хранение и обмен всех типов информации, имеющей отношение к изделию. STEP определяет форму данных о конкретном типе изделия для всех типов информационных сред, а также для специфических секторов промышленности. Предусмотрена постепенная замена IGES на STEP. Разработаны STEP для авиа- и автостроения.

Т.о. ПЭОИ – технология, которая интегрирует все данные об изделии и связанные с ним процессы, обеспечивая разработку и поддержку полной электронной модели изделия на протяжении всего ЖЦ.

EPD реализуется сегодня в системе управления проектными и производственными данными (CADDS5 Optegra, CATIA, Euclid).

Euclid Design Manager  - это ОО PDM, предназначенная для размещения на уровни подразделения и имеющая целью обеспечит информационную поддержку отдельных групп разработчиков в среде параллельного проектирования. Функциональные возможности PDM системы распадаются на функции пользователя и утилиты. Первые обеспечивают доступ пользователя к возможностям PDM и делятся на следующие категории:

		Хранение данных и управление документами;

		Управление потоком заданий или процессом;

		Управление структурой изделия;

		Классификация и поиск;

В целях сохранности и непротиворечивости данных, когда над проектом работает группа пользователей, прикладные данные дублируются в виде метаданных, которые разграничены по местам размещения и по уровням доступа. Метаданные могут быть разбиты на иерархию папок, для навигации  в которых используется специальный броузер. В отличие от прикладных данных, обрабатываемых приложениями, метаданные хранятся в отдельной БД.  С метаданными оперирует приложение администратора. Права доступа к файлам и документам предоставляются отдельным лицам и группам, причем лицо может входить в несколько групп. Весь процесс разработки изделия идет под управлением PDM-системы, которая фиксирует и размещает в хранилище все инженерные и проектные данные. Поддерживается распределенное хранение и  управление документацией по сети  с прозрачным доступом пользователей.

Существует три уровня хранения:

		Высший (область хранения - репозиторий);

		Средний (уровень рабочей группы);

		Низший (уровень пользователя);

Иерархия хранения определяет, какие документы могут видеть отдельные лица. Документы на уровне рабочей группы видят ее члены. Документы в области хранения видимы всем.  Использование иерархии хранения и статус документа позволяют управлять видимостью.  Например, пользователь заносит файл в область рабочей группы, и он становится видимым для группы. Это позволяет членам бригады разработчиков создавать  альтернативные проекты, вводя данные из своих индивидуальных областей в промежуточную область рабочей группы, не дожидаясь окончательного утверждения данных. Всем членам бригады предоставлен параллельный доступ к информации из промежуточной области. Пользователь получает полную свободу для модификации  деталей и сборок в пределах группы. Как только данные утверждены, они поступают в область хранилища, завершая цикл проверкой согласованности на всех рабочих уровнях.

Утилиты включают  связь и оповещение, перенос и трансляцию данных, средства визуализации, администрирование. Средства администрирования обеспечивают определение физического размещения данных, определение логическую иерархию данных, определение семейств данных, определение пользователей и групп пользователей, обеспечение прав и контроль доступа к данным, архивирование данных.

Сердце всех PDM-приложений – структура изделия, которая обеспечивает полнофункциональную прикладную среду, позволяет управлять всеми ресурсами в контексте разрабатываемого изделия. Это не только организует данные  в максимально удобном  для пользователя виде, но и создает скелет, на который будут наращиваться документы с определенного изделия на протяжении всего его ЖЦ.

Семейство программ Optegra является ОО – пакетом, использующим технологию клиент-сервер, что позволяет сотрудникам целого предприятия не только получать доступ к описанию продукта, но и управлять потоками информации и, соответственно, данными по сопровождению продукта.

CATIA (IBM)

Электронный цифровой макет изделия в системе CATIA предлагает упорядоченную логическую схему: История построения, геометрия, механические связи, свойства, ссылки, обоснования. Причем свойства должны быть систематизированы.



Состав САПР. Программное обеспечение САПР

Составными функциональными частями САПР являются:

Техническое;

Математическое;

Программное;

Информационное;

Лингвистическое;

Организационное;

Методическое обеспечение;

4. Информационное обеспечение САПР представляется в виде БД, содержащей сведения, необходимые для проведения проектирования. В БД входят справочные данные об унифицированных элементах, ГОСТах, сведения о типовых проектных решениях, сведения о предыдущих этапах проектирования, графические данные. Графические данные могут быть сгруппированы следующим образом: геометрия (точки, типы линий, окружности), тексты, способы штриховки и закраски, данные о слоях, ассоциативные данные, которые регулируют соотношения.

Определение геометрической ассоциативности требуется при определении стандартных форм компоновки символов, данные связи, определение способов проектирования комп-в сборки, атрибутные данные, которые связаны с изображением чертежа, но не имеют отображения на дисплее.

5. Лингвистическое обеспечение САПР - есть совокупность языков для записи.

6. Организационное обеспечение – совокупность положений, устанавливающих состав и функции, формы

Методическое – совокупность документов в которых отражены, состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования. Этапы технологического проектирования.



Программное обеспечение САПР

системное

прикладное

		Системы 3D моделирования

		Системы инженерного анализа

		Системы 2D

		Системы эргономического анализа

		Простые приложения

Требования, которым должно удовлетворять ПО САПР

Адаптивность, приспособленность к функционированию в различных условиях.

Гибкость

Компактность

Мобильность

Надежность

Реактивность – обеспечение быстрого решения задачи при ориентации на пользователя.

Модифицруемость – пополнение программами, расширение возможностей системы.

Прикладное ПО

		Прикладное ПО обычно представляет собой пакет прикладных программ, реализованных на языках высокого уровня фирмой, которая специализируется на изготовлении такого ПО.

Кроме развитых пакетов для САПР, существуют тысячи простых пакетов. Типичным приложением таких программ является: простой расчет расположения напряжений, нахождение центроидов, вычисление допустимых нагрузок, несложные операции над поверхностями.

ПО, созданное пользователем (приложение)

Генерация параметрических форм.

Вычисление размеров комп-в по заданным параметрам, с последующей передачей сгенерированной формы с систему САПР.

Составление календарных планов и вычисление затрат по атрибутивным данным проекта, полученных из системы САПР

Логичным развитием установленного интерфейса пользовательских программ с САПР является разработка средств, позволяющих пользователю самому искать приемы, работающие в рамках ПО САПР. Например, пакет АвтоКад дает возможность пользователю создавать  параметрические макросы и функции с использования языка AutoLisp. 

Средства двумерного черчения

С помощью  2D пакетов создается большинство конструкторских чертежей изделий в ортогональных  проекциях и электрических схем.

Распознавание геометрических форм,  определённых точками, прямыми или кривыми только на плоскости. Иногда, чтобы подчеркнуть неразрывность процессов черчения и проектирования, употребляют термин САЧПР.  Относительными ограничениями на 2d системы САПР являются:

системы 2d моделирования распознают геометрические формы, определенные точками, кривыми, или прямыми только на плоскости.

Не умея обрабатывать 3D формы, 2D инструменты не умеют автоматически генерировать дополнительные виды. Произвольный вид  компонента м выполнить лишь как отдельную форму, которая рассматривается системой вне связи с другими изображениями видов.

Основное назначение САПР, включающих обработку 2d информации – это изготовление чертежей с помощью ЭВМ. В зависимости от принципа обработки геометрических элементов различают вариантные системы и генерирующие системы. Сегодня используются  системы, построенные на базе комбинации обоих принципов.

Предпосылкой создания и применения проекта логического проектирования, реализующего метод принципиального проектирования является наличие принципиального решения, включающего идентифицирующие, классифицирующие, текущие данные и пространственные описывающие конструкции (логическое сочетание формы и размеров). С решением проектно-логического проектирования принципиальное решенье, создающее общее представление об изделии, превращается в решение с конкретным значением данных о конкретном изделии.

Применение метода предполагает, что уже сделан выбор геометрии для проектируемого изделия.

Область применения - отдельные детали, комплектующие функциональные узлы, готовые изделия.

Вариантный метод предполагает, как необходимое условие, описание комплексной детали. Для этого из группы геометрически похожих деталей составляется искусственная комплексная деталь, которой присущи геометрические признаки деталей группы. В простейшем случае изменяются только размеры, а конструкция отдельных вариантов деталей семейства остается не измененной. Такой вид проектирования называется принципиальным, т.е. сохраняется принцип конструкции. Использование этого метода предполагает, что  уже сделан выбор геометрии для проектируемого изделия. Областями использования  является проектирование отдельных деталей (пружины, гаечный ключ), проектирование комплексных функциональных  узлов, проектирование готовых изделий. 

Далее определяется, на базе каких параметров можно создать отдельные элементы группы. Для этого вида проектирования создается ряд специальных систем (VABCOM) и неспециальных (PROPEN1, COMDRAW, COMVAR).

COMVAR: автоматическое изготовление чертежей деталей с максимальным использованием стандартов.

В основе метода генерирования лежит использование определенных геометрических элементов, введенных в систему проектирования и поддающихся переработке. Такими элементами могут быть отрезки, окружности, дуги, плоскости. Описание детали выполняется разложением реальных объектов на элементы, которые могут быть обработаны той или другой системой. Эти элементы  по их названиям вызываются из БД, позиционируются и получают размеры.

С помощью основных элементов описывается геометрическая форма (общее описание детали). С помощью вспомогательных элементов, которые связаны с основными элементами, осуществляется более подробное описание детали, что позволяет полностью передать геометрическую форму детали. Технологические элементы, относящиеся и к основным, и к вспомогательным - CODEM, RADIAN, T2000.

Этот способ позволяет составить детали из отдельных элементов (конструкционная геометрия CSG).

Наряду с 2D САПР для изготовления чертежей были созданы системы, элементарными объектами которых являются символические образы. Эти системы используются главным образом там, где требуется представлять функциональные узлы в символическом виде. (CADSYM - программная система для создания схем в режиме графического диалога. Система дает пользователю возможность  формировать любые символы, манипулировать ими и связывать их по заданной логике. Система может использоваться при проектировании электрических и гидравлических схем, заводских установок и трубопроводных систем).



Среди систем 2D моделирования можно выделить:

Graphics CAD Professional 3.0 (возможно создание впечатления рельефности 2D объектов)

Microsoft Design (для архитекторов, художников, иллюстрирующих технические документы).

3D моделирование

3D системы обеспечивают такую дисциплину работы с 3 координатами, при которой любой изменение одного вида автоматически приводит к соответствующим изменениям на всех остальных видах. 

Последовательность построений может быть следующей: сначала строится 3D вид, а затем автоматически генерируются  2D виды. Некоторые системы способны преобразовывать сборочные чертежи механизма ортогональной проекции в 3d вид этого изделия в разобранном  состоянии.

3D особо успешно применяется для создания сложных чертежей при проектирование размещения заводского оборудования, трубопроводов, различных строительных сооружений.

Неоценимо 3D там, где нужно обеспечить адекватные зазоры между компонентами. Возможность генерировать траектории движения инструмента и имитация функционирования роботов делает 3D моделирование неотъемлемой частью интеграции САПР/АСТПП. В некоторых системах 3D имеются средства автоматического анализа физических характеристик, таких как вес, моменты инерции и средства решения геометрических проблем сложных сопряжений и интерпретации. Поскольку  в 3D системах существует автоматическая связь между данными различных геометрических видов  изображения, 3D моделирование полезно в тех приложениях, где требуется многократное редактирование 3D образа на всех этапах процесса проектирования.

Методы 3D моделирования делятся на три категории:

каркасные (проволочные)

поверхностные (полигональные)

твердотельные (сплошное, объемное моделирование)

Каркасные модели 

Каркасная модель полностью описывается в терминах точек и линий. Это моделирование самого низкого уровня. Имеет ряд серьезных ограничений, большинство из которых возникает из-за недостатка информации о гранях, заключенных между линиями и невозможности выделить внутреннюю и внешнюю область изображения твердого объемного тела. Однако каркасная модель требует меньше памяти и вполне пригодна для решения задач, относящихся к простым. Каркасное представление  часто используется не при моделировании, а при отображении моделей как один из методов визуализации.

Широко используются для имитации траектории движения инструменты, выполняющие несложные операции обработки деталей по 2,5 или 3 осям. "2,5 оси" - более простые системы могут моделировать формы только с постоянным поперечным сечением.  Такую форму можно построить следующим образом: сначала вводится вид (X,Y), а затем любой точке приписывается третья координата, характеризующая глубину изображения. Такие формы относятся к так называемым "2,5 геометрии".

Ограничения каркасной модели:

Неоднозначность

Это эффект может привести к непредсказуемым результатам. Нельзя отличить видимые грани от невидимых. Операцию по удалению невидимых линий можно выполнить только в ручную с применением команд редактирования каждой отдельной линии, но результат этой работы равносилен разрушению  всей созданной каркасной конструкции, т.к. линии невидимы в одном виде и видимы в другом.

Невозможность распознания криволинейных граней

Боковые поверхности цилиндрической формы реально не имеют ребер, хотя на изображении есть изображение некоторых мнимых ребер, которые ограничивают такие поверхности. Расположение этих мнимых ребер меняется в зависимости от направления вида, поэтому эти силуэты не распознаются как элементы каркасной модели и не отображаются на них. 

Чтобы пытаться представить криволинейные грани, проводят продольные … прибегают к ряду условностей (интерпретируя поверхность цилиндра плоскими гранями). Формируется условное изображение объекта. Наличие несущих линий может внести еще больше путаницы в чертеж, который и так уже полон неоднозначностей.

Невозможность обнаружить взаимное влияние компонентов.

Каркасная модель не несет информации о поверхностях, ограничивающих форму, что обуславливает невозможность  обнаружения нежелательных взаимодействий между гранями объекта и существенно ограничивает использование каркасной модели в пакетах, имитирующих траекторию движения  инструмента или имитацию функционирования робота, так как при таком моделировании не могут быть выявлены на стадии проектирования многие коллизии, появляющиеся при механической сборке.

Трудности при вычислении физических характеристик.

Отсутствие средств выполнения тоновых изображений.

Основным принципом техники выполнения тоновых изображений, т.е. обеспечение плавных переходов различных цветов и нанесение светотени, является то что затенению подвергаются грани, а не ребра. 

Поверхностное моделирование

Поверхностная модель определяется с помощью точек, линий и поверхностей. При построении поверхностной модели предполагается, что технические объекты ограничены поверхностями, которые отделяют их от окружающей среды. Такая оболочка  изображается  графическими поверхностями. Поверхность  технического объекта снова становится  ограниченной контурами, но эти контуры уже являются результатом 2-х касающихся или пересекающихся поверхностей.

Точки объектов  - вершины, могут быть заданы пересечением 3 поверхностей.

Поверхностное моделирование имеет следующие преимущества по сравнению с каркасным:

способность распознавания и изображения сложных криволинейных граней.

способность распознавания грани для получения тоновых изображений.

способность распознавания особые построения на поверхности (отверстия).

возможность получения качественного изображения. Обеспечение более эффективных средств для имитации функционирования роботов. В основу поверхности положены 2 следующих математических положения:

любую поверхность можно аппроксимировать многогранником, каждая грань которого является простейшим плоским многоугольником;

дополнительные поверхности второго порядка и аналитически не описываемые поверхности, форму которых можно определить с помощью интерпретации или аппроксимации.

Типы поверхностей:

Базовые геометрические поверхности:

Плоские поверхности, которые можно получить, начертив сначала отрезок прямой, а затем, введя команду, которая разворачивает в 3D пространстве образ этого отрезка на заданное расстояние (получается плоскость или двугранник). Подобным образом разверткой окружностей или дуг могут быть получены цилиндрические и канонические поверхности, области поверхностей также могут быть  развернуты в 3D объект (область внутри граней остается пустой). 

Поверхности вращения. Могут, получены по команде создающей поверхность вращения плоской грани вокруг определенной оси (круговая развертка).

Поверхность сопряжения и пересечений. Плавной сопряжение одной поверхности к другой (часто используется). Доступны средства определений пересечений поверхностей.
Возможность построения плавного сопряжения двух поверхностей является наиболее мощным и часто используемым на практике средством поверхностного моделирования. Кроме этого может быть доступно средство определения пересечения поверхности. Например, можно построить плавное сопряжение боковых поверхностей параллелепипеда и цилиндра. Проблема порождения результирующей поверхности в данном случае сводится к задаче построения методом сплайн-интерполяции особых кривых в 3D пространстве, выходящих из квадрата и входящих в автоматически генерируемую кривую  на поверхности цилиндра, по которой заданные кривые должны пересекаться. 

Аналитические поверхности. Такие определяются одним математическим уравнение с неизвестными X,Y,Z. Эти неизвестные обозначают искомые координаты поверхностей, т.е. чтобы изобразить любую аналитическую поверхность, необходимо знать математическое уравнение, которым онон описывается.

Скульптурные поверхности (СП). Очень сложные. Поверхности свободных форм или произвольные поверхности. Методы ГМ  скульптурной поверхности  сложной формы  применяют в областях, где проектируются динамические поверхности, т.е. поверхности, которым предъявляются повышенные эстетические требования. Используются при проектирование корпусов машин, самолетов. Динамические подразделяются на 2 класса:

Омываемые средой (внешне обод самолетов, судов и т.д.)

Трассирующие – направляющие среды (воздушные гидравлические каналы).

СП используют в основном каркасно-кинематический метод, основанный на перемещении некоторых образующих каркасов по направляющим, или путем построения сплайнов продольных образующих кривых между 3D точками.  Каркас задается либо множеством точек, либо ломанными через эти точки.

При каркасном кинематическом методе каркас задается как множеством характерных точек, так и ломанными линиями, проходящими через эти точки. Существуют системы, в которых задача построения модели поверхности решается на множествах точек,  координаты которых вычисляются  в прикладной программе. При решении задач представление  скульптурных поверхностей и гладких сплайновых кривых возникают задачи аппроксимации, интерполяции и сглаживания исходных данных. Задача аппроксимации, т.е. приближенного представления, возникают при замене кривой или поверхности, описываемых сложными функциями, другими объектами, описываемыми более простыми уравнениями без потери необходимой точности. Задача интерполяции, т.е. приближенного восстановления, связана с поиском гладких кривых – сплайнов, или поверхностей, проходящей через множество заданных точек. Задачи сглаживания возникают, когда необходимо, чтобы искомая кривая или поверхность описывались функцией обеспечивающей, например, необходимую степень дифференцирования. В системах автоматизации проектирования наибольший интерес представляют методы интерполяции, обеспечивающие необходимую точность  задания проектируемых поверхностей. Для интерполяции кривых используют различные методы, среди которых наибольшее распространение получили методы интерполяции  локальными сплайнами нечетных степеней и кубическими сплайнами , с помощью В-сплайнов, аппроксимация кривых методом Безье: перечисленные способы основаны на предположении, что известен набор функций или точек, описывающих исходные данные об объекте проектирования. Эти данные могут быть сформированы эвристически на основе опыта проектировщика, получены в результате физических экспериментов, или вычислены в результате решения промежуточных задач.

Методы отображения скульптурных поверхностей в значительной степени связаны с возможностями графических устройств. Следует отметить, что отображение самой поверхности не играет существенной роли, так как основное назначение этих методов – визуальная проверка корректности, гладкости, эстетичности полученной поверхности. В настоящее время модели скульптурных поверхностей широко используются при проектировании и производстве корпусов автомобилей, самолетов, предметов домашнего обихода.

Составные поверхности

В развитых системах поверхностного моделирования составную поверхность можно полностью определить, покрыв ее сеткой четырехугольных кусков, т.е. участками ограниченной продольными и поперечными линиями на поверхности. Каждый кусок имеет геометрическую форму топологического прямоугольника, который отличается от обычного тем, что его стороны не обязательно прямые и попарно перпендикулярные. Границы кусков представляют собой непрерывные кривые, что обеспечивает гладкость поверхности натянутой на сетку.  Внутренняя область  каждого куска определяется методом  интерполяции. Изображение составной поверхности, реализованное указанным способом, м.б. получено на экране дисплея, либо с помощью построения по точкам сплайновых кривых, либо путем создания многогранного каркаса, на который система будет автоматически аппроксимировать натяжение гладкой криволинейной поверхности.


Твердотельное моделирование (ТМ).

ТМ-единственное средство, которое обеспечивает полное однозначное описание 3D геометрической формы.

+ Т моделей:

		Полное определение объемной формы с возможностью разграничивать внутренний и внешние области объекта, что необходимо для взаимовлияний компонент.

		Обеспечение автоматического удаления скрытых линий.

		Автоматическое построение 3D разрезов компонентов, что особенно важно при анализе сложных сборочных изделий.

		Применение методов анализа с автоматическим получением изображения точных  весовых характеристик методом конечных элементов.

		Получение тоновых эффектов, манипуляции с источниками света.

Методы твердотельного моделирования, которые обычно используются в прикладных системах,  делятся на 2 класса:

1.Метод конструктивного представления (C-Rep)

2.Метод граничного представления (B-Rep)

Они близки, но отличаются способами хранения данных памяти машины.

C-REP.

Этот метод состоит в построении твердотельных моделей из базовых составляющих элементов, называемых твердотельными примитивами, и определяемыми формой, размерами, точкой привязки и ориентацией. Типичные примеры: параллелепипеды, сферы.

Булевы операции являются существующим инструментарием для построения модели C-REP при определении взаимоотношений между соседними примитивами. Булевы операции базируются на понятиях алгебраической теории множеств, и имеют обычный смысл, когда применяются к твердотельным объектам. Наиболее часто следующие операции: пересечение, объединение и разность.

Модель конструктивной геометрии  представляет собой бинарный  древовидный граф G=(V,U), где V – множество вершин – базовые элементы формы – примитивы, из которых конструируется объект, а U – множество ребер,  которые обозначают теоретико-множественные операции, выполняемые над  соответствующими базовыми элементами формы. Каждый примитив модели  задан множеством атрибутов A=<x, y, z, ax, ay, az, Sx, Sy, …, Sn>, где x,y,z – координаты точки привязки локальной системы координат примитива к системе координат синтезируемого объекта, ax, ay, az, - углы поворота примитива вокруг соответствующих осей координат, Sx, Sy, …, Sn - метрические параметры объекта.



B-REP (метод граничного представления)

Описание тела с помощью представления границ или точного аналитического задания граней, ограничивающих тело. Этот метод позволяет создавать точное, а не приближенное представление геометрического твердого тела. B-REP требует, чтобы пользователь задал контуры или границы объекта, а также эскизы разных видов объекта, указав линии связи между ними, чтобы можно было установить взаимооднозначное соответствие.



Любой из двух названных методов имеет свои + и – по сравнению с другими. Системы в C-REP представлении имеют значительные процедурные преимущества при начальном формировании моделей. Так как построить точную объемную модель из объемных примитивов правильной формы с помощью булевых операций сравнительно не сложно. Этот метод обеспечивает также более компактное описание модели в БД. В то же время системы с B-REP представлением  обладают своими достоинствами. Одно из них становится очевидным, когда встречаются необычные формы, которые не перекрываются имеющимся набором примитивов метода c-Rep. Примером ситуации такого рода может служить форма фюзеляжа и крыльев самолета. Второе отличие заключается в следующем: в C-REP методе модель хранится в виде комбинации данных и логических процедур. При этом требуется меньше памяти, но больше оказывается объем вычислений при воспроизведении модели и ее изображении. 

Система с B-REP представлением хранит точное описание границ модели. Здесь и больше памяти, но не требуется  почти никаких вычислений для создания изображения.

Относительным достоинством систем с B-REP является сравнительная простота преобразования граничного представления в соответствующую каркасную модель и обратно. Причина такой простоты заключается в том, что описание границ подобно  описанию каркасной модели, а это облегчает преобразование модели из одной формы в другие, что делает системы в B-REP представлении совместимыми с уже имеющимися системами.

Примерами пакетов 3d моделирования являются: Power Shape, Solid Edge.

В виду относительного характера преимуществ и недостатков C-rep и B-rep были разработаны гибридные системы, которые сочетают в себе оба метода (CADDS5, UnitGraph/Solid Modeling, Euclid, CATIA). Эти системы позволяют сочетать каркасную, поверхностную и твердотельную геометрию и использовать комбинации жестко размерного моделирования, т.е. использовать гибридное моделирование.

Лучше было бы искать стратегию моделирования для всех продуктов, но:

часто приходится использовать ранее наработанные данные, либо данные, введенные из других систем, а они могут иметь разное происхождение;

в какие-то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или 3d геометрией, описанной поверхностью;

часто проще иметь различные представления для разных компонентов.

Системы автоматизированного анализа (CAE). Метод конечных элементов. 

Главная сфера использования МКЭ – анализ на прочность и расчет деформации. Однако этот метод быстро завоевал популярность и для решения инженерных задач, связанных с гидро- , аэродинамикой, электроникой, радиоанализом. С его помощью можно решить задачи: механики жидкости, сплошных сред, статики, динамики. 

С помощью  МКЭ можно решать такие задачи, как расчет реакции ракеты на импульс тяжести, анализ навигационной системы в условиях вибрации…

Сейчас МКЭ является одним из наиболее популярных инструментов исследования характеристик инженерных конструкций, подвергаемых различным нагрузкам. Традиционные методы, предполагающие строгое теоретическое обоснование, могут использоваться  только для ограниченного класса задач и особых условий нагрузки. Они часто нуждаются в модификации, причем приходится контролировать их применимость к решению поставленной задачи. Неуверенность конструкторов в достоверности полученных результатов заставляет их повышать предельные нагрузки, что приводит к включению в конструкцию дополнительных крепежных секций, перерасходу материалов и повышению общей стоимости изделия.

МКЭ позволяет конструктору решать задачи расчета сложных деталей путем разбиения их на более мелкие части – конечные элементы. Эти элементы иногда называю дискретными, процесс их выделения- дискретизацией формы детали.

После разбивки дальнейшие расчеты проводятся для отдельных конечных элементов, каждый из них вносит  свой вклад в характеристику прочности детали.  Точки, ограничивающие элемент, называются узлами, и вместе с проходящими через линиями образуют конечную элементную сетку.

Для 2d областей  наиболее часто используются элементы в форме треугольника и четырехугольника. При этом элементы могут иметь как прямо-, так и криволинейные границы, что позволяет с достаточной степенью точности аппроксимировать границу любой формы. Для 3D областей наиболее употребимы элементы в форме тетраэдра и параллелепипеда, которые также могут иметь прямо – и криволинейные границы.

В общем случае МКЭ состоит из 4 этапов:

Выделение конечных элементов.

Это один из наиболее важных этапов МКЭ, т.к. от качества разбиения во многом зависит точность полученных результатов.

Например,  разбиение на двумерные элементы, близкие по форме к равносторонним треугольникам, обеспечивает лучшие результаты по сравнению с  разбиением на вытянутые треугольники.
Возможность легко изменять размеры элементов позволяет без труда учитывать  концентрацию напряжения, температурные градиенты, свойства материалов и т.д.
Разбиение области на элементы обычно начинают от ее границы с целью наиболее точной аппроксимации формы границы, затем выполняют разбиение внутренних областей. Часто разбиение области на элементы выполняют в несколько этапов. Сначала область делится на достаточно большие подобласти, границы между которыми проходят там, где изменяются свойства материалов, геометрия, приложенная нагрузка и др.
Затем каждая подобласть делится на элементы, причем резкого изменения размеров конечных элементов на границах подобластей стараются избегать.

Нумерация узлов элементов. 

Порядок нумерации имеет в данном случае существенное значение, так как влияет на эффективность последовательных вычислений. Дело в том, что матрица коэффициентов системы множества алгебраических уравнений, к которым приводит МКЭ – сильно разряженная матрица ленточной структуры. Ненулевые элементы матрицы располагаются параллельно главной диагонали. Целое число, являющееся максимальной разностью между номерами ненулевых элементов в строке, называется шириной полосы.
Чем меньше ширина полосы, тем меньший объем памяти требуется для хранения матрицы при реализации МКЭ и тем меньше затраты машинного времени на решение результирующей системы уравнений. Ширина полосы зависит от количества степеней свободы узлов и способа нумерации последних. При нумерации узлов предпочтителен способ, обеспечивающий минимальную разницу между номерами узлов в каждом отдельном элементе.

Если максимальная разность между номерами узлов для отдельного элемента обозначить через Н, а количество степеней свободы через М, то L=(Н+1)*М.

В некоторых случаях уменьшение числа Н может быть достигнуто последовательной нумерацией узлов при движении в направлении минимального размера рассматриваемой области.

Рациональная нумерация  уменьшает необходимый объем памяти почти в 3 раза.  

Информация о способе разбиения области на конечные элементы и нумерация узлов является исходной для всех следующих этапов алгоритмов МКЭ при реализации методов САПР. При этом требуется указывать не только номер, но и координаты каждого узла и принадлежность его к определенным конечным элементам. Такого рода информация называется топологической и содержит примерно в 6 раз больше цифр, чем количество узлов системы. При описании области, разбитой на конечные элементы, необходимо задавать тип конечного элемента, его порядковый номер, номера узлов элемента, координаты узлов, информацию о соединении элементов, значении физических параметров объекта в пределах конечного элемента.

	Определение аппроксимирующей  функции для каждого элемента (определение функции элемента).

	На этом этапе искомая непрерывная аппроксимирующая кусочно-непрерывных, определенной на множестве конечных элементов.  Эту процедуру нужно выполнить один раз  для типичного элемента области безотносительно к его топологическому положению в ней. Полученная функция используется для всех остальных элементов области того же вида. Эта особенность является важным аспектом МКЭ. Благодаря ей элементы с однажды определенными функциями легко включаются в библиотеку элементов соответствующего  программного комплекса и далее используется для решения разнообразных краевых задач. В качестве аппроксимирующей функции элементов чаще всего используются полиномы, которые разбираются так, чтобы обеспечить непрерывность искомой функции в узлах и на границах элементов.

	Объединение конечных элементов в ансамбль.

	На этом этапе уравнения, относящиеся к отдельным элементам, объединяются в ансамбль, т.е. в систему алгебраических уравнений. При этом выполняется перенумерация узлов.

	Решение полученной системы алгебраических уравнений.

	Реальная конструкция апроксимируется сотнями конечных элементов, и следовательно появляются системы уравнений с сотнями и тысячами неизвестных, которые нужно решить. Решение таких систем -  главная проблема реализации МКЭ. Методы решений зависят от размеров разрешающей системы уравнений. В связи с большой размерностью и сильной разряженностью матрицы коэффициентов для реализации МКЭ САПР разработаны специальные способы хранения матрицы жесткости, позволяющей уменьшить необходимый для этого объем памяти. Матрицы жесткости используются в каждом методе прочностного расчета, используя конечную элементную сетку. Название матрицы жесткости пришло из строительной механики, где МКЭ начал использоваться раньше, чем в других областях техники.

	К числу фирм, предлагающих на российском рынке комплексные ПП инженерного исследования, относятся: CAE/MSC – MacNeal-Shcwonder Corporation, MDI – Mechanical Dynamic  Inc. 

	Главный ПП – MSC – MSE/Nastran. Эта система обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно деформирующего состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, спектральный анализ. Тесная связь этого ПП с MSC/AKIES и MSE/PATRAN позволяет формировать полностью интегрированную среду для моделирования и анализа результатов. Все ведущие производители пре – и постпроцессоров, а также САПР, предусматривают прямые интерфейсы с этой средой.

	Компания MDI известна как разработчик программного комплекса имитационного моделирования механических систем ADAMS.  Сегодня продукция ADAMS составляет  около 65% мирового рынка программных средств кинематического и динамического анализа механических систем. 

	Система ADAMS нашла широкое применение в таких приложениях как исследование динамики полета  летательных аппаратов, анализ функционирования лентопротяжного механизма видеомагнитофона, оптимизация техники  наведения понтонных мостов, функционирования роботов и манипуляторов, расследование ДТП.

	Еще один интегрированный комплекс: I_DFACNASTER Series (SDRC – Structural Dynamics Research Corporation ). Он позволяет создавать конечно-элементные модели как отдельных деталей, так и сборок. Нагрузки и граничные условия связываются с геометрической моделью и сеткой, что позволяет обновлять их автоматически с изменением модели или сетки


Эргономика и автоматизированные системы

Среднестатистический человек, антропометрия.

Эргономика – научная дисциплина, изучающая деятельность человека в условиях искусственной окружающей среды. В центре внимания эргономики оказываются вопросы оформления рабочего места и обеспечение внешних условий работы (температура, освещение, взаимоотношения с коллегами, использование механизмов и инструментов, методы организации труда и производства). Каждый раз, когда человек набирает номер телефона, работает на ЭВМ, обрабатывает деталь на станке, он объединяет свои ощущения, способность принимать решения и мускульную силу с технической системой. Когда он ошибается, или теряется при слежении за большим числом индикаторов, или испытывает неудобство на рабочем месте, это означает, что система работает неправильно.  Ошибки человек могут приводить к выпуску бракованных изделий и несчастным случаям.

Инженер-конструктор должен использовать информацию о человеческом факторе, чтобы обеспечить оптимальное взаимодействие между человеком и тем оборудованием, с которым человек входит в контакт при выполнении своих повседневных задач. Должны учитываться антропометрические данные. Антропометрия – одна из группы научных дисциплин, образующих эргономику, которую можно определить как набор сведений о строении человеческого тела. Люди отличаются друг от друга по росту, силе, весу, телосложению. Поэтому в качестве критерия эргономисты  используют данные для особых статистических групп, называемых процентилями. Если сто человек расположить в порядке возрастания какого-либо параметра, то они распределятся от 1 до 100 процентиля. Системы, созданные  на основе данных для 50-го процентиля, подойдут для 50% людей. Остальные либо не могут, либо будут испытывать неудобства. Например, при расчете дверной пружины надо брать женщину 2,5% процентиля. Вообще, при проектировании для учета максимально большой части населения берут границы 5 и 95 процентилей. В большинстве случаев нецелесообразно у3читывать запросы всего населения, так как в этом случае эффективность конструкции ухудшается при эксплуатации ее большинством людей.

Данные о человеке удобно анализировать, если представить их в виде кривой нормального распределения, или кривой Гаусса, которые дают представление о процентном соотношении людей, обладающих определенными антропометрическими данными.

С точки зрения антропометрии человек рассматривается как тело, имеющее размеры. Антропометрические данные можно составлять либо для всех, либо для отдельных групп населения. В каждом конкретном случае выбор зависит от назначения проектируемой конструкции.

Взаимодействие человека и машины

Любого человека, работающего с машиной, можно рассматривать как часть циклической системы управления, в которой оператор получает и обрабатывает информацию, а затем производит адекватные действия.



Рисунок 1

Информация передается оператору с помощью устройства отображения информации через канал вывода. Дисплей – источник информации, призванный помочь оператору в управлении машиной. Обычно в качестве устройства отображения выступают датчики, индикаторы и др. Информация от дисплея через зрительные и нервные системы пересылается в мозг оператора, где она обрабатывается для принятия решения относительно требуемого воздействия.  После этого решение в виде мускульных усилий человека передается элементу управления, образуя таким образом  канал передачи решения. Устройство управления – это прибор, который контролирует поведение машины. Такими приборами могут быть рычаги, кнопки и т.д. Изменение в поведении машины фиксируется приборами, и снова  передается по каналу вывода на устройство отображения информации. Цикл замкнулся. Эффективность цикла управления зависит от внутренних и внешних факторов. Внутренние: скорость устройства отображения информации, надежность канала передачи управления, удобство элемента управления в эксплуатации. Внешние: температура, освещение, …

Автоматизированное моделирование процесса взаимодействия человека и машины, применение  эргономических пакетов.

Удовлетворительный анализ бесконечного числа различий в строении человеческого тела и учет всех возможных перемещений можно провести только при помощи автоматизации. В последнее время для этих целей используются средства виртуальной реальности. Одним из удачных пакетов является пакет Sammie, с помощью которого можно построить объемную модель рабочего места, разместить оператора внутри рабочего места, показать модель разными способами, модифицировать модель и получить  оценку качества решения. Модель человека может быть основана на любых доступных данных  о населении региона. Основные характеристики конструкций: обзор, досягаемость, доступность,  рабочая поза. Кроме этого, можно путем наложения регулярной сетки на видимую область модели определить  места появления световых бликов. При помощи пакета  можно получить зеркальный вид отображения, который видит наблюдатель. Тесты на досягаемость могут потребоваться при проверке расположения точек на конструкции. Sammie позволяет определить доступность рабочего места. Этот пакет использовался в следующих областях: транспорт, управление роботами и определение их размещения, погрузка материалов, производство, оборудование помещений.

Современные пакеты:

ADAMS(MDI): Adams/driver, Adams/Android/

EDS Unigrafics: - Virtual Mocrup