Черепашков А.А., Носов Н.В. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

Рис. 4.10.2. Устройства объемной визуализации:

а - шлем виртуальной реальности; б - головной монитор

Панорамный видеоэкран позволяет организовать коллективную

иллюзию виртуальной реальности без необходимости облачения

людей в специальные устройства. Экран полностью окружает

пользователя, причем на разных сегментах экрана демонстриру-

ются различное изображение, соответствующее повороту головы

наблюдателя, создавая эффект присутствия внутри виртуальной

среды. Панорамный экран обеспечивает большое поле зрения

и свободу передвижения в виртуальной среде. Следует заметить,

что прототип данной технологии был разработан задолго до по-

явления компьютерной техники и широко использовался как

аттракцион, реализованный средствами многокамерного кине-

матографа.

Устройства управления. В системах виртуальной реальности,

в отличие от обычных графических компьютерных программ,

как правило, требуется вводить значительно больше исходной

информации для управления, чем это позволяют манипулятор-

мышь и клавиатура персонального компьютера. Поскольку

приходится одновременно управлять не только виртуальными

объектами, но и положением наблюдателя, координировать ча-

сти его тела, направление взгляда, удаление/приближение и пр.

В компьютерных тренажерах в дополнение к привычным орга-

нам управления компьютером (клавиатура и мышь) добавля-

ют джойстики и педали, хорошо известные по компьютерным

играм. Кроме них в системах виртуальной реальности также ис-

пользуются следующие оригинальные устройства.

Пространственная мышка, или Spac-bal (спейсбол), пред-

ставляет собой конструктивное объединение мышки и шари-

242

4 10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

ка слежения (трекбола). Мышка перемещается рукой по столу

и обеспечивает ввод двух координат. Ввод третьей координаты

обеспечивается вращением шарика трекбола.

для манипулирования объектами в трехмерном пространстве

может быть использована «технология виртуальной сферы». Объ-

ект помешается в центр воображаемой сферы, для перемещения

которой используется мышь, находящаяся в одной руке пользо-

вателя, а вращение сферы и другие манипуляции обеспечива-

ются дополнительным устройством, управляемым второй рукой

(рис. 4.10.3).

Рис. 4.10.3. Графические манипуляторы

Наиболее совершенные средства визуализации позволяют

взаимодействовать с виртуальным миром, даже не прибегая к

помощи отдельных устройств ввода. Встроенные датчики (следя-

щая система) автоматически регистрируют повороты головы на-

блюдателя (head tracking) и даже положение его глаз (eye tracking)

и соответствующим образом изменяют состав изображения, вы-

водимого на экран дисплея, согласуя его с положением точки

зрения наблюдателя, заданной в виртуальном пространстве.

Технология определения позиции и ориентации пользовате-

и его частей тела (голова, глаза, руки, и т.д.) в пространстве

лучила название «трекинга» (tracking). Эта технология долж-

243

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

на отслеживать во времени 3 координаты (х, у, z) расположения

каждого объекта и 3 угла, задающие его ориентацию в простран-

стве {а,р,у). Для реализации трекинга применяются датчики

и приборы, действующие на электромагнитном, ультразвуковом

инерционном, а также оптическом принципе.

Компьютерная (информационная) перчатка (Date Glove) име-

ет на каждом суставе пальцев руки датчики, измеряющие изгиб

пальца. Положение руки в целом определяется следящей систе-

мой, прикрепленной к перчатке. Обычно информация, полу-

чаемая с перчатки, преобразуется в виртуальной среде обратно

в изображение, форма и положение которого динамически

изменяются, следуя за движениями руки пользователя (рис.

4.10.4).

Устройства осязания. Аппаратура осязания представляет со-

бой датчики и приборы с силовой обратной связью. Устройство

осязания призвано дать ощущение реального тактильного при-

косновения. Такое устройство позволяет пользователям ощу-

щать присутствие виртуального объекта через систему силовой

обратной связи, создающую иллюзию управления реальным тех-

ническим объектом.

Джойстик с силовой обратной связью, через который пользо-

ватель может ощущать реалистически смоделированную и реа-

лизованную с помощью механических устройств силу реакции

органов управления.

Компьютерная перчатка с обратной связью (Power Glove) может

быть оснащена небольшими подушечкам, которые под управ-

лением компьютера надуваются и давят с разной силой на раз-

личные участки ладони пользователя, создавая иллюзию сжатия

предмета.

Дальнейшим развитием технологий, реализованных в ком-

пьютерных перчатках, являются компьютерные (информацион-

ные) костюмы (Date Suit), предназначенные для отслеживания

комплекса движений человека, и экзоскелеты — механические

каркасы, которые надеваются на руку или тело человека, так

что каждый оснащенный приборами орган и сустав получают

силовую обратную связь. Экзоскелет объединяет в себе устрой-

ство управления и устройство осязания одновременно (см. рис-

4.10.4а).

244

4.10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

Рис. 4.10.4. Устройства управления и осязания:

а - устройство слежения; б -цифровая перчатка;

в, г- фрагменты работы с компьютерной перчаткой;

д - комплексная система виртуальной реальности

с перчатками и экзоскелетом

245

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

4.10.3. Виртуальная инженерия

В технике виртуальная реальность используется в одном из

самых актуальных направлений развития новых технологий раз-

работки и подготовки производства сложной наукоемкой про-

дукции, получившей на Западе название VPD (Virtual Product

Development) - виртуальная разработка изделий, или виртуаль-

ная инженерия (Virtual engineering).

Виртуальная инженерия (ВИ) - это комплекс технологий,

появившихся благодаря развитию систем автоматизированного

проектирования (САПР - CAD/CAM/CAE), позволяющих про-

вести все стадии разработки нового технического объекта пол-

ностью на компьютере, не прибегая к традиционным «бумажно-

ориентирванным» методам проектирования и расчета [32].

Как правило, в промышленных системах геометрического

моделирования взаимодействие конструктора с моделью огра-

ничено использованием стандартных технических средств и тех-

нологий ввода-вывода. Компьютерная графика ограничивается

рендерингом полученной геометрической модели на монитор

персонального компьютера, а интерактивное взаимодействие

сводится к манипуляциям с мышью. Но даже в этом случае воз-

можности визуальной имитации позволяют существенно повы-

сить эффективность автоматизации процессов технической под-

готовки производства изделий машиностроения.

Методы виртуальной реальности используются в машино-

строительных САПР для работы с электронными макетами из-

делий.

ГОСТ определяет электронный макет изделия (ЭМК) как спе-

циальную электронную модель, описывающую его внешнюю

форму и размеры и позволяющую полностью или частично оце-

нить его взаимодействие с элементами производственного и/или

эксплуатационного окружения, служащую для принятия реше-

ний при разработке изделия и процессов его изготовления и ис-

пользования [81].

Как правило, ЭМК выполняется на основании и с использова-

нием мультимедийных технологий и анимации, показывающих

динамику перемещения и крайние положения перемещающихся,

246

4.10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

выдвигаемых или откидываемых частей, рычагов, кареток, кры-

шек на петлях и т.п. ЭМК разрабатывается на проектных стадиях

работ и не предназначается для изготовления или сборки по ним

изделий,

а нужен для удобства анализа и принятия проектных

и управленческих решений человеком.

Средства виртуального макетирования должны обеспечить

реалистичные представления того, как в действительности будет

выглядеть и функционировать проектируемый объект. Приме-

нение виртуального макетирования способствует значительному

сокращению времени, затрачиваемого на просмотр, модифика-

цию и доводку сложных машиностроительных изделий.

Виртуальное макетирование расширяет возможности исполь-

зования мастер-моделей изделий, распространяя их применение

также на сферу маркетинга, продаж, сопровождения и обучения.

Например, применение фотореалистической визуализации зна-

чительно ускоряет процесс согласования проекта с заказчиками

и принятие решений специалистами смежных отделов и под-

разделений, при этом дизайнеры, специалисты по маркетингу,

рекламе и промышленным патентам получают возможность

использовать виртуальный макет будущего изделия еще до из-

готовления самого прототипа и заранее подготовить рынок к по-

явлению нового товара [163].

Средства виртуального макетирования поддерживают кол-

лективную работу в системах управления жизненным циклом

изделий (PLM системы). Это позволяет разработчикам изделия,

специалистам служб маркетинга, управления, производственной

логистики, а также заказчикам вести совместную работу по ана-

лизу и тестированию виртуального макета проектируемого из-

делия параллельно и на самых ранних стадиях проектирования.

В данном случае каждый пользователь системы, имеющий право

Доступа к текущей версии макета, может самостоятельно выби-

рать точку наблюдения и задавать свои параметры просмотра

и Даже фактуру объекта и окружающей среды.

В рамках подготовки производства, средства виртуального

моделирования позволяют в реальном времени проконтроли-

ровать все технологические этапы изготовления узлов и сборок,

оценить качество разработанной оснастки.

247

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

4.10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

Рис. 4.10.5. Использование виртуальной реальности

качестве средства интерактивной визуализации в САПР

альный анализ и контроль человеком технологических процессов

сборки и/или траекторий и параметров движущихся частей тех-

нологического оборудования до сих пор являются необходимым

этапом как при проектировании технологических процессов,

так и при монтаже и отладке технологического оборудования.

Существенная экономия времени технической подготовки про-

изводства и немалых материальных средств возможна при ор-

ганизации визуальной проверки прохождения технологических

процессов в реалистической трехмерной графической среде.

Применение технологий BP позволяет создавать на основе

геометрических моделей, полученных в конструкторских под-

системах САПР, анимационные ролики, отражающие пошаго-

вый процесс сборки/разборки узлов и их визуального анализа.

В этом случае могут учитываться ограничения на геометрию из-

делий, возможные пределы и направления движения оборудо-

вания. В результате отслеживаются необходимые зазоры и па-

раметры пространственных взаимоотношений между деталями

сборок, выявляются возможные помехи и затруднения, возни-

кающие при работе оборудования или в процессе сборки/раз-

борки узлов.

Например, концепция Digital Manufacturing (цифровое произ-

водство), предлагаемая фирмой SPLMS (UGS) [163], реализо-

вана в системе Tecnomatix, которая представляет собой среду

Разработки виртуальной реальности для промышленного ис-

пользования и информационной поддержки проектирования

Технологических процессов в машиностроении (рис. 4.10.6).

248

249

4.10.4. Применение виртуальной реальности в САПР

В настоящее время практически все современные САПР

включают в свой состав средства виртуальной реальности, по-

зволяющие осуществлять электронное макетирование изделий

и организовывать эффективное использование ЭМК для реше-

ния производственных задач [95, 101, 163].

По своему функциональному назначению средства виртуаль-

ного макетирования можно классифицировать по следующим

нескольким группам.

Интерактивные средства реалистической визуализации, кото-

рые обеспечивают возможность создания и визуального анали-

за прототипа машиностроительного изделия с различных точек

зрения, в реальном масштабе времени и габаритах человека.

Реалистичность восприятия достигается за счет обеспечения

высокого качества изображения с учетом свойств материалов

и текстур, различных видов освещения и окружающей среды.

Если моделируемая искусственная среда сложна и трудоем-

кость её получения и визуализации требует длительной обра-

ботки на компьютере, то по достижении эффекта динамики

заранее определяется набор позиций и точек наблюдения, ин-

тересующих пользователя (сценарий), а затем последовательно

осуществляется их обход. В результате автоматически создают-

ся анимационные ролики, отражающие сценарий просмотра

и поведения макетов узлов и деталей, которые могут визуализи-

роваться уже с необходимой скоростью и без ущерба для каче-

ства восприятия изображения. На рис. 4.10.5 приведены иллю-

страции использования реалистической анимации в известной

машиностроительной САПР (CAD/CAM/CAE - системе) NX

(SPLMS) [163].

Трудно переоценить изобразительные возможности вирту-

альной реальности для использования в интерактивных элек-

тронных технических руководствах (ИЭТР) и при разработке

иллюстративного материала для эксплуатационной технической

документации.

Средства реалистического моделирования технологических про-

цессов сборки многокомпонентных изделий и проверки взаимодей-

ствия их составных частей и технологического оборудования. Визу-

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

в г

Рис. 4.10. 6. Объемные модели производственных участков

и линий, созданные в системе Tecnomatix (SPLMS-UGS)

Промышленная система виртуальной реальности позволяет

полностью смоделировать и проверить производственную среду

еще до того, как оборудование установлено и запущено в экс-

плуатацию. Промышленная BP помогает создать достоверную

картину, необходимую для запуска систем управления слож-

ным производственным оборудованием. В виртуальном про-

странстве моделируются взаимодействие и поведение техноло-

гического оборудования от отдельных станков и автоматических

линий вплоть до полного моделирования виртуального заво-

да. С использованием BP процесс установки линии сборки для

компании-изготовителя комплектного оборудования ускоряет-

ся в несколько раз [95].

В состав специализированных программно-методических

комплексов BP, предназначенных для моделирования техноло-

гических процессов, входят обширные библиотеки геометриче-

250

4.10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

ских моделей технологического оборудования, коммуникаций,

конструкций производственных помещений и других элементов

производственной среды.

реалистические средства эргономического моделирования и

контроля изделий и процессов. Моделирование работы оператора

средствами BP позволяет оценить, насколько удобно новое изде-

лие в эксплуатации и обслуживании, выявить и проверить зоны

доступа к органам управления.

Современные концепции дизайна и проектирования изделий

базируются на том, что все инновации должны учитывать тре-

бования и особенности тех людей, которым реально предстоит

производить эти изделия, обслуживать их и работать с ними [32].

Для этого программы эргономического моделирования долж-

ны использовать достаточно подробные электронные манекены

с большим числом степеней свободы, учитывающие половые

и возрастные признаки людей, а также возможные диапазоны

роста и веса операторов.

Электронные манекены могут использоваться не только при мо-

делировании работы операторов технических объектов и систем

(пилотов, водителей, пользователей), но и для моделирования

работы технологического персонала при изготовлении и сборке

изделий на предприятиях. Для этого программное обеспечение

оснащается специальными средствами, моделирующими харак-

терные особенности человеческой деятельности в конкретных

производственных условиях. Например, наборами моделей руч-

ного инструмента, стандартных сидений и столов, подставками,

лестницами, средствами защиты и техники безопасности.

Электронное макетирование позволяет провести все необхо-

димые эргономические проверки и исследования, не прибегая

к опасным и дорогостоящим материальным экспериментам.

Прикладные программы промышленной BP содержат сред-

ства анимации виртуальных людей и позволяют моделировать

поведение оператора, обслуживающего проектируемое изделие,

или рабочего, выполняющего сборку/разборку узлов. С помо-

щью электронных манекенов можно определять, контролиро-

вать и оптимизировать зоны доступа к деталям и узлам изделий

и оборудования, ограничения и опасности, возникающие при

проведении работ.

251

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

Пользователь системы BP может управлять поведением ма-

некенов и оценивать его с различных подходов и сторон. При

помещении манекена в модель производственной среды объек-

тивно оцениваются сферы обзора и доступность участков кре-

пежа деталей человеком, анализируются технологии монтажа

и эксплуатации проектируемых устройств.

На рис. 4.10.7 показаны фрагменты работы промышленной

системы виртуальной реальности DELMIA Human (фирма Dasault

System) [95], которая дополняет возможности машинострои-

тельной САПР CATIA. Данное приложение позволяет создавать

подробные электронные манекены, имеющие до 99 независи-

мых связей и сегментов. Позы манекена могут быть полностью

управляемы путем перемещения рук, плеч, спины и шеи для точ-

ного воспроизведения реалистичного движения человека.

Манекен может быть интерактивно позиционирован с ис-

пользованием специального указателя («компаса») или путем

выбора объекта, до которого он должен дотянуться. Кинемати-

ческие манипуляторы могут быть использованы для более точ-

ного позиционирования манекена методом прямого перемеще-

ния отдельных сегментов.

Диаграммы обзора каждого манекена дают возможность тех-

нологу оценить то, что данный оператор или специалист техни-

ческого обслуживания сможет увидеть в данном рабочем окру-

жении. Отдельное окно показывает диаграмму обзора и то, что

оператор видит. Такая диаграмма позволяет определить, какие

объекты находятся в поле зрения конкретного работника [95].

Реалистические средства инженерного анализа, предназначен-

ные для оценки рабочих характеристик и свойств проектируемого

изделия. В большинстве САПР высокого уровня, при реализации

технологий виртуальной реальности могут быть использованы

результаты численных расчетов проведения и свойств техниче-

ских объектов, выполненные с помощью подсистем инженер-

ного анализа (CAE-систем). Например, для реалистической ви-

зуализации динамических процессов в машинах и механизмах,

деформаций силовых конструкций, течения жидкости и газа

и далее, сначала необходимо произвести моделирование физики

соответствующих явлений и выполнить необходимые расчеты

с помощью CAE.

252

4,10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

а б

Рис. 4.10.7. Фрагменты работы промышленной системы

виртуальной реальности DELMIA Human:

а — выбор параметров электронного манекена;

б - моделирование и анализ эргономичности рабочего места слесаря-сборщика

Изменяя физические параметры и свойства технических объ-

ектов и среды, пользователи BP получают возможность исследо-

вать реалистическое поведение макета, определяя его реакцию

на действие различных условий внешней среды, режимов рабо-

ты, состояний и материалов изделий.

Таким образом, системы инженерного анализа, используемые

в BP, дополняют геометрические модели возможностями реали-

стического отображения свойств и поведения изделий и объ-

ектов окружающей среды. А инженерная графика, в сочетании

с технологиями BP, в свою очередь предоставляет эффективные

средства визуализации, необходимые для проведения анализа

Результатов расчетов и оптимизации человеком.

Например, широкий спектр систем инженерного анализа,

составляющих вычислительную основу системы моделирования

Физических свойств и процессов функционирования машино-

строительных изделий, разработан корпорацией MSC.Software,

более известной по имени своего заглавного программного про-

ста: MSC/NASTRAN [142]. Стратегия виртуальной разработ-

ки изделия VPD (Virtual Product Development), реализуемая этой

корпорацией, получила название MSC.SimOffice - офис ком-

пьютерного моделирования - и основывается на интеграции

253

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

предметно-ориентированных подсистем инженерного анализа

посредством использования единой геометрической модели

Геометрическая информация оптимальным образом передает-

ся от одного процесса к другому, а результаты одного расчета

органично становятся исходными данными для следующего

шага инженерного моделирования. Наряду с геометрией, обе-

спечивается передача данных по нагрузкам, всевозможным

граничным условиям и т.д. Здесь средства компьютерной гра-

фики и виртуальной реальности обеспечивают удобство анали-

за информации человеком.

Компьютерные технологии инженерного анализа не только

обеспечивают самый широкий спектр высокоточных инженер-

ных расчетов прочности, динамики, кинематики, теплопереда-

чи, акустики, аэроупругости, долговечности, ресурса, но и по-

зволяют виртуально моделировать технологические процессы

изготовления и сборки изделий [32].

Оперативные и точные расчеты физических полей и процес-

сов состояний технических объектов, а также возможность их

оптимизации и реалистичной визуализации могут эффективно

применяться для создания учебных пособий и интерактивных

технических руководств (ИЭТР).

Виртуальная реальность обладает достаточным потенциалом

для того, чтобы стать значительной составляющей деятельности

инженера в будущем. Некоторые специалисты в области САПР

вводят даже понятие «виртуальное проектирование».

Виртуальное проектирование предоставляет конструктору

и технологу новую искусственную среду для проведения раз-

работки. В отличие от нынешних автоматизированных систем,

в футуристической САПР зрение будет стереоскопическим,

а взаимодействие с моделью конструкции может осуществлять-

ся с помощью всех органов чувств. В ближайшем будущем кон-

структор будет иметь возможность взять объект в руки и рас-

тянуть его или создать и изменить модель с помощью одного

только голоса. Новый подход к моделированию обеспечит бо-

лее естественные и интуитивные способы создания прототипов

изделий [32].

254

Вопросы для самоконтроля

1 Поясните роль и место компьютерной графики и геометри-

ческого моделирования в современном машиностроении.

2 Поясните термины и опишите предметную область ком-

пьютерной графики и геометрического моделирования.

3. Какие технические устройства машинной графики вам из-

вестны/

4. Опишите принципы действия и разновидности плоттеров.

5. Приведите классификацию и поясните применимость гра-

фических моделей.

6. Перечислите достоинства и недостатки использования гра-

фических моделей в процессах технической подготовки произ-

водства.

7. Дайте определение векторной графической модели.

8. Дайте определение растровой графической модели.

9. Что такое pixel, вектор и «битовая карта»?

10. Поясните терминологию и назначение показателя «Dpi».

11. Поясните терминологию и назначение показателя «Lpi».

12. Приведите классификацию компьютерных геометриче-

ских моделей и поясните их применимость.

13. Поясните назначение плоских компьютерных геометри-

ческих моделей.

14. Поясните назначение объемных компьютерных геометри-

ческих моделей.

15. Что такое конструктивная твердотельная геометрия?

16. Для чего используется представление с помощью границ?

17. В чем заключается позиционный подход в геометрическом

моделировании?

18. Перечислите основные способы представления кривых.

19. Что такое произвольные кривые и какие существуют спо-

собы их представления?

20. Поясните особенности сплайнов Безье и NURBS.

21. Дайте определения геометрической аппроксимации и ин-

терполяции.

22. Приведите примеры аналитических поверхностей.

23. Что такое поверхности движения?

255

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

24. Поясните термин «облако точек» и его назначение.

25. Для чего используются фасеточные поверхности?

26. Что такое геометрическая триангуляция поверхностей?

27. Перечислите известные методы построений ЗD-моделей

28. Как в прикладных программах осуществляется управление

геометрическими моделями?

29. Что такое и для чего используется Булева геометрия?

30. Опишите способы многотельного моделирования.

31. Поясните назначение и содержание операции выдавли-

вания.

32. Поясните назначение и содержание операции вращения.

33. Поясните назначение и содержание операции кинемати-

ческой операции.

34. Поясните назначение и содержание операции по сечениям.

35. Что такое гибридные геометрические модели?

36. Для чего используется дерево построения геометрической

модели?

37. Приведите определение и дайте классификацию способов

параметризации.

38. Что подразумевается под взаимосвязью геометрических

объектов при параметризации моделей?

39. Что обеспечивает ассоциативность геометрических объек-

тов при параметризации моделей?

40. Как накладываются ограничения на геометрические моде-

ли при параметризации моделей?

41. Какие характеристики определяют понятие «высокоавто-

матизированная параметрическая модель»?

42. Что такое программная параметризация геометрических

моделей?

43. В чем состоит принцип параметризации по истории по-

строения?

44. Приведите перечень основных параметрических связей

и ограничений, накладываемых на геометрические модели.

45. В чем заключается вариационная параметризация геоме-

трических моделей?

46. Опишите назначение и роль моделирования объемных

сборок.

47. Что такое сопряжения элементов сборки?

256

4.11. Вопросы для самоконтроля

48 Для чего и каким образом в геометрических моделлерах

осуществляется проверка интерференции компонентов?

49 Для чего и как осуществляется моделирование детали в со-

ставе сборки?

50. Что такое эксплодирование?

51. Для

чего и как осуществляется моделирование кинемати-

ки объектов сборки?

52. Перечислите перспективные направления развития гео-

метрического моделирования сборок.

53. Перечислите базовые функции моделирования сборок.

54. Опишите основные достоинства и типовые проблемы ра-

боты со сложными сборками в машиностроительных САПР.

55. Опишите технологию получения проекционных видов.

56. Поясните возможные технологии использования компью-

терных сборок для организации процессов разработки сложных

технических объектов.

57. Для чего используются ассоциативные связи 3D и 2D-

моделей?

58. Приведите классификацию ядер геометрического модели-

рования.

59. Поясните концепцию комплексного использования гео-

метрических моделей.

60. Дайте определение терминам «виртуальная реальность»

и «виртуальная инженерия».

61. Поясните назначение, основные возможности и отличи-

тельные особенности языка VRML.

62. Перечислите основные типы технических средств вирту-

альной реальности.

63. Каким образом средства BP могут быть использованы

в виртуальной инженерии?

64. Перечислите основные направления применения вирту-

альной реальности в САПР.

257

Раздел 5. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

И МОДЕЛИРОВАНИЕ В САПР

В данном разделе систематически изложены основные поня-

тия, термины и определения компьютерных технологий и моде-

лирования, используемые в курсе «Основы САПР». Эта дисци-

плина уже много лет присутствует в учебных планах и программах

технических вузов как у нас в стране [38, 14, 69], так и за рубежом

[ 13, 32, 74], и с полным правом может считаться одним из класси-

ческих предметов цикла прикладных компьютерных наук.

Дан ретроспективный обзор истории становления САПР как

ведущей промышленной отрасли компьютерных технологий.

Подробно рассмотрены состав средств обеспечения и класси-

фикация автоматизированных систем. Описываются и обсужда-

ются проблематика и основные научные направления развития

САПР, а также международные и отечественные стандарты по-

строения и использования автоматизированных систем проек-

тирования и управления жизненным циклом изделий.

Приводится ряд характерных примеров («решений») ком-

плексных систем автоматизации проектирования и технологи-

ческой подготовки производства машиностроительной продук-

ции, предлагаемых ведущими разработчиками программного

обеспечения САПР.

5.1. Системы автоматизированного проектирования

Компьютерные технологии, относящиеся к информацион-

ной, неосязаемой, виртуальной составляющей деятельности че-

ловека, уже заметно повлияли на облик современной цивилиза-

ции в целом и материального производства в частности.

258

5.1. Системы автоматизированного проектирования

В настоящее время общепризнанным фактом является невоз-

ожность проектирования и изготовления сложной наукоемкой

продукции (кораблей, самолетов, автомобилей, различных ви-

ов промышленного оборудования и др.) без применения ком-

пьютеров. Автоматизированные системы не только повышают

эффективность, но и значительно изменяют содержательную

сторону всех бизнес-процессов машиностроения, оказывая су-

щественное влияние на способы проектирования, технологию

и организацию производства.

Многие современные автоматизированные линии и станки

с ЧПУ уже нельзя эксплуатировать, опираясь только на традици-

онные методы и подходы. При использовании цифровых систем

управления оборудованием компьютеры и программное обеспе-

чение становятся неотъемлемой частью технологической цепоч-

ки на производственном предприятии. Поэтому без создания

специальных промышленных автоматизированных систем теря-

ют смысл инвестиции в дорогостоящие средства производства,

измеряемые миллионами, а порой и миллиардами рублей.

Несмотря на свою относительную молодость и новизну, си-

стемы автоматизированного проектирования уже прошли дли-

тельный и плодотворный путь совершенствования и метаморфоз.

Всего за несколько десятилетий они стремительно эволюцио-

нировали из утилитарных программ и лабораторных образцов

в ведущую отрасль промышленного программного обеспече-

ния и образовали обширное поле деятельности для целого ряда

компьютерных наук. Методология разработки, внедрения и ин-

теграции автоматизированных систем, методы моделирования

и проектирования, алгоритмы численных расчетов, оптимизация

и многие другие компьютерные средства и технологии, реализо-

ванные сейчас в математическом, информационном, программ-

ном, организационном и других видах обеспечений САПР, в свое

время потребовали выполнения большого объема исследований

и экспериментов. Все это нашло свое место и отражение в теоре-

тическом и практическом арсенале САПР как науки.

Развитие и совершенствование систем автоматизированного

Проектирования, которые активно продолжают культивировать-

ся во всех индустриально развитых странах мира, дают ощути-

мые результаты. Со стремительным прогрессом компьютерной

259

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

техники и технологий значительно изменяются в положитель-

ную сторону показатели экономической эффективности автома-

тизированных систем. Многократное удешевление электроники

заметно даже на бытовом уровне. Программное обеспечение ста-

новится все более мощным и функционально полным без замет-

ного увеличения стоимости, а в ряде случаев и более доступным

для пользователей за счет увеличения тиражей и использования

промышленных методов разработки.

По своему энциклопедическому определению автоматизиро-

ванноепроектированиеявляется сложным информационным процес-

сом взаимодействия проектировщиков и средств автоматизации.

Причем за человеком остаются самые ответственные, интеллек-

туальные функции, такие как постановка задач и принятие реше-

ний, которые не могут быть выполнены с помощью формальных

математических методов. Таким образом, все более критичным

для прогресса промышленности становятся наличие развитой

системы подготовки специалистов по промышленным компью-

терным технологиям и уровень их подготовки. В экономически

развитых странах в свое время были сделаны серьезные измене-

ния в системе образования с учетом происходящей компьютери-

зации промышленности. И сейчас практически все учебные за-

ведения технического профиля в США и Западной Европе имеют

в своих учебных программах практикумы по основам автоматизи-

рованного проектирования. Так, например, мировыми лидерами

в области промышленных компьютерных технологий являются

ведущий технический университет США — Массачусетский тех-

нологический институт (MIT) [140], Колумбийский университет

[118] и Университет Пурдью (штат Индиана) [ 148], университеты

Кембриджа [112] и Бирмингема [104] в Великобритании, а также

многие другие известные центры образования и науки. В России

большое внимание развитию САПР уделяют в МГТУ им. Бау-

мана [105, 32], в Московском станко-инструментальном техни-

ческом университете (СТАНКИН) [41, 56, 157], МАИ [14, 136],

МАТИ [138], Волгоградском [165] и Брянском [106] технических

и Ивановском энергетическом [131] университетах, Уфимском

авиационном [166], Самарских аэрокосмическом (СГАУ) [25,54,

156] и техническом (СамГТУ) [39, 69, 149] университетах и ряде

других ведущих вузов страны.

260

5.1. Системы автоматизированного проектирования

261

Многие научные методы и рекомендации по созданию и экс-

плуатации автоматизированных систем доведены до уровня про-

мышленных стандартов, которые официально приняты на меж-

дународном и государственном уровнях [84-94].

Разработка и техническая подготовка производства изделий

машиностроения предусматривает выполнение определенной

стандартами последовательности взаимосвязанных процессов

[23 27]. К основным процессам принято относить конструк-

торское и технологическое проектирование (КТПП). Вспомо-

гательными, но не менее необходимыми процессами считают

организацию информационной поддержки КТПП (корпора-

тивные справочники, технические архивы, документооборот)

и управление бизнес-процессами промышленного предприятия.

Современные системы автоматизированного проектирования

поддерживают целый комплекс инженерных работ на несколь-

ких ключевых этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ) —

в процессах проектирования, конструкторско-технологической

подготовки производства и составляют основу интегрированных

систем управления ЖЦИ машиностроительного предприятия

(PLM-систем).

В настоящее время под термином «машиностроительная

САПР» у нас в стране [38, 150] и за рубежом [32, 107] однознач-

но подразумевается комплексная автоматизированная систе-

ма, состоящая как минимум из CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM-

подсистем.

CAD-системы (Computer-Aided Design - компьютерная под-

держка конструирования) предназначены, прежде всего, для

решения конструкторских задач и автоматизации оформления

проектно-конструкторской документации. Современные уни-

версальные CAD-системы позволяют выполнять в интерактив-

ном режиме как 2D, так и ЗD-геометрическое моделирование де-

талей и сборок, а также разрабатывать на основе геометрических

vоделей полный комплект технической документации: чертежи,

спецификации, ведомости и т.д. Сюда же относятся и многочис-

ленные проблемно-ориентированные программы и подсистемы,

автоматизирующие частные задачи проектирования (моделиро-

dfние деталей, изготавливаемых из листовых материалов, объ-

емной штамповки, трассировки трубопроводов, расчеты типовых