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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

изделий и их элементов - тел вращения, пружин, зубчатых сое-

динений и т.д.).

САМ-системы (Computer-Aided Manufacturing - компьютерная

поддержка изготовления) предназначены в основном для проек-

тирования процессов обработки изделий на станках с числовым

программным управлением (ЧПУ) и генерации программ для

этих станков (фрезерных, сверлильных, токарных, шлифоваль-

ных и др.) [27, 32]. К САМ-системам логично отнести и другие

компоненты САПР, решающие многочисленные проблемно-

ориентированные задачи технологической подготовки произ-

водства (моделирование и расчет заготовок, подбор оптималь-

ных режимов обработки, вычисление параметров техпроцессов

и т.д.).

CAE-системы (Computer-Aided Engineering - компьютерная

поддержка инженерного анализа), как правило, реализуют уни-

версальные подходы метода конечных элементов, с помощью

которого можно проводить моделирование и численные расчеты

практически любых физических полей [6, 15, 21]. К CAE можно

отнести обширный класс подсистем, каждая из которых позво-

ляет автоматизировать определенную инженерную задачу (класс

однородных задач): от расчетов на прочность, анализа аэро-, ги-

дро-, термодинамических процессов - до моделирования функ-

ционирования машин и механизмов, расчетов процессов литья,

штамповки и пр.

САРР (СААР)-системы (Computer-Aided Process Planning

(Assembly Planning) - компьютерная поддержка планирования

технологических процессов (процессов сборки). Предназначены

для проектирования технологических процессов, трудового и ма-

териального нормирования и разработки технологической доку-

ментации. Эти системы совместно с компонентами CAD/САМ/

CAE-систем составляют современную основу САПР ТП [27].

PDM-системы (Product Data Management - управление дан-

ными о продукте) предназначены для интеграции и хранения

комплексной информационной модели изделия, включая геоме-

трические и инженерно-физические модели, исходные данные

и результаты расчетов, чертежи, программы для станков с ЧПУ*

другие конструкторские и технологические документы, результаты

измерений и контроля, материалы системы качества и т.д. [24].

262

5.2. Комплексное моделирование в среде САПР

5 2. Комплексное моделирование в среде САПР

С точки зрения подходов компьютерного моделирова-

ния, CAD/CAM/CAE/...-подсистемы интегрированной САПР

можно рассматривать как специализированные, объектно-

ориентированные инструменты (среды) моделирования. При

их совместном использовании создаются и связываются в еди-

ное целое (комплексную модель) геометрические (CAD/CAM),

инженерно-физические (CAM/CAE) и информационные (САРР/

PDM) модели изделия.

Разговоры о полезности комплексного моделирования в САПР

ведутся давно, однако воплощаться в практику эта идея ста-

ла только тогда, когда в машиностроении начал развиваться

объектно-центричный подход, основанный на использовании

Универсальной геометрической модели изделия [32, 38].

На рис. 5.2.1 приведена принципиальная схема взаимодей-

ствия подсистем интегрированной САПР. Графическое ядро ло-

гически выступает в роли своеобразного фундамента и является

Универсальным объединяющим элементом взаимосвязанных

подсистем (CAD/CAM/CAE/...), используемых в процессе тех-

нической подготовки машиностроительного производства. Объ-

емная геометрическая модель наиболее полно отражает струк-

туру, точно описывает форму и наглядно представляет облик

Проектируемого изделия.

При необходимости геометрическая модель может быть допол-

нена и всей другой важной для проектирования и производства

263

Наклонные линии в аббревиатуре CAD/CAM/CAE/... ско-

не делят, а объединяют подсистемы САПР. Интеграция

комплексное использование инженерных подсистем являются

магистральным путем развития современных систем автоматизи-

рованного проектирования и обосновываются необходимостью

создания комплексных моделей, наиболее полно и всесторонне

отражающих свойства изделия, а также удобством и экономиче-

ской целесообразностью комплексного решения проблем авто-

матизации КТПП.

264

автоматизированного конструирования (CAD), технологической

подготовки производства (САМ/САРР) и инженерного анализа

(CAE)- Проектировщик получает доступ к функциям геометри-

ческого ядра из соответствующей подсистемы через графический

пользовательский интерфейс.

Таким образом, геометрическое описание имеет очень важное

объединяющее значение - не зря его иногда называют «двигате-

лем» САПР. В значительной мере именно характеристики ядра

определяют функциональные возможности и производитель-

ность интегрированной автоматизированной системы.

Пользователи подсистемы инженерного анализа (CAE), ин-

тегрированной в полномасштабную САПР, применяют полу-

ченную в подсистеме геометрического моделирования объемную

твердотельную модель для генерации инженерно-физической

конечноэлементной модели (КЭМ), с помощью которой произ-

водятся необходимые расчеты и оптимизация конструкции из-

делия. Результаты расчетов (поля перемещений, напряжений,

температур и т.п.) визуализируются в наглядном и удобном для

анализа человеком виде с помощью графических моделей.

Далее производится имитация технологических процессов,

например, механообработки, литья, штамповки и т.д., которые

также не обходятся без геометрии и графики. Моделирование

термообработки позволяет оценить качество детали с точки зре-

ния усадки и деформации (коробления, перекоса, искривления).

Для виртуальной оценки дизайна изделий, кинематики и дина-

мики машин и механизмов строятся сложные компьютерные

сборки.

Наконец, твердотельная модель открывает уникальные воз-

можности для повышения качества производства. При исполь-

зовании точных геометрических моделей многократно улуч-

шается точность обработки поверхностей и сокращается время

программирования станков с ЧПУ. Геометрическая «мастер-

модель» может служить самым точным эталоном для контроля

и приемки готовой продукции.

На основе геометрических моделей автоматически выполняет-

ся материальное моделирование (быстрое прототипирование - RP)

Изделий сложной формы. При этом на вход RP-системы подают-

ся STL-файлы, генерируемые по ЗD-моделям.

265

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

266

5 3. Ретроспективный обзор развития автоматизированных систем

267

Основанные на широчайшем применении геометрического

моделирования и компьютерной графики, средства и техноло-

гии «виртуальной реальности» позволяют всесторонне оценить

и «опробовать» компьютерный (виртуальный) проект еще до из-

готовления изделия. При необходимости на основе ЗD-модели

могут быть разработаны высокоэффективные эксплуатацион-

ные документы и учебные материалы.

Таким образом, геометрически-центрированные системы

автоматизированного проектирования занимают особое поло-

жение среди других компьютерных приложений и определяют

ведущее направление автоматизации в машиностроении, а по-

лученные в САПР компьютерные модели являются свидетель-

ством достижений и высокого научного уровня проектирования

и производства.

5.3. Ретроспективный обзор развития

автоматизированных систем

промышленного назначения

Чтобы понять современные тенденции компьютеризации

промышленности, необходимо представить и оценить путь,

пройденный системами автоматизации за последние десятиле-

тия. Очень точно и эмоционально об этом высказался один из

ведущих российских специалистов в области САПР профессор

МГТУ И.П. Норенков: «По своей сложности изделия вычисли-

тельной техники, будь то операционная система, микропроцес-

сор или продукт САПР, лидируют в мире техники. Удивляет не

только сложность сама по себе, поражает скорость, с какой эта

сложность нарастает. Не всегда удается своевременно выполнить

обоснование и обобщение новых идей, методов и технологий,

дать им должную оценку. В этих условиях знание истории может

стать полезным ориентиром в осмыслении новых направлений

развития вычислительной техники и информационных техноло-

гий, помочь в принятии правильных решений, уберечь от лож-

ных путей достижения поставленных целей» [37].

Автоматизация проектирования и производства зародилась

в радиоэлектронной промышленности (ECAD) в конце 1950-х -

чале 1960-х годов XX века, практически одновременно с появ-

лением первых серийных электронно-вычислительных машин

(развернутый и иллюстрированный обзор развития ECAD можно

почерпнуть в [37]).

Обоснование практической ценности САПР для машино-

строительного конструирования (MCAD) связывают с появле-

нием и совершенствованием возможностей технических средств

интерактивной машинной графики в середине 1960-х. Первая

графическая станция Sketchpad с использованием дисплея и све-

тового пера была представлена И. Сазерлендом в 1963 г. [79].

Важность проекта Sketchpad трудно переоценить, так как имен-

но в нем была впервые продемонстрирована возможность фор-

мирования изображения на экране дисплея и манипулирования

им в реальном масштабе времени [13].

В эти же годы появились первые программы для расчетов

и компьютерного моделирования технологических процессов

(САМ). Среди первых работ по автоматизации проектирования

технологических процессов нужно отметить создание языка APT

(Automatic Programming Tools) в 1961 г. в Массачусетском техноло-

гическом институте США под руководством Д.Т. Росса [78]. APT

позволял в символьном виде описывать геометрические элементы

деталей и моделировать движение обрабатывающего инструмента.

Этот язык стал родоначальником многих других языков програм-

мирования для оборудования с числовым программным управле-

нием [13]. Следует обратить внимание, что в этой работе уже был

использован термин «Computer Aided Design", ставший общепри-

нятым обозначением САПР в мировом научном сообществе.

Необходимой предпосылкой автоматизации сложных инже-

нерных расчетов стало появление ориентированного на при-

менение ЭВМ математического обеспечения для анализа си-

ловых конструкций. Метод конечных элементов (МКЭ) был

Разработан в 1950 годах специалистами, работавшими в обла-

стях строительной механики и теории упругости. Сам термин

«конечные элементы» был введен в 1960 г. Клафом (R. Clough)

[76].

Исчерпывающий анализ ранних этапов развития МКЭ и

его применения для решения инженерных задач дан Дж. Оденом

В [40]. Там же приведен систематизированный и самый широ-

кий список литературных источников, состоящий более чем из

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

268

ых систем

5.3. Ретроспективный обзор развития автоматизированн

269

зывают его отцом САПР) основал компанию Manufacturing and

Consulting Services (MCS), ставшую одной из первых профес-

сиональных фирм-разработчиков CAD-систем, которые выпу-

скались под названием ANVIL. В том же году появились пер-

вые системы фирмы Computervision, состоявшие из 16-битовой

ЭВM планшета для ввода графической информации и графо-

строителя (программно-методический комплекс CADDS в

настояшее время принадлежит фирме РТС) [147]. «Родствен-

ные» связи фирм-разработчиков САПР с ведущими промыш-

ленными концернами и высшими техническими учебными за-

ведениями - достаточно важная закономерность. Подавляющее

большинство современных коммерческих САПР имеют научно-

производственные корни.

Уже в 1970-е годы выдвигаются идеи создания интегриро-

ванных САПР, предусматривающих переход от использования

отдельных, не связанных друг с другом программ, решающих

частные проектные задачи, к применению интегрированной

совокупности программно-методических комплексов. Роль

интегрирующего компонента в 70-е гг. отводилась единой базе

данных САПР. Однако попытки использовать имевшиеся в то

время СУБД не привели к удовлетворительным результатам

в силу разнообразия типов проектных данных, распределенного

и параллельного характера процессов проектирования, с одной

стороны, и недостаточной развитости технологии баз данных,

с другой стороны [38].

В 1980-е годы разнородность и большой объем информации,

используемой при проектировании, необходимость поддержа-

ния целостности данных, их достоверности и полноты, а также

нарастающая сложность управления проектами привели инте-

граторов автоматизированных систем к концепции применения

в составе САПР специальных средств, для управления проект-

ными данными (PDM — Product Data Management).

Начиная с середины 1990-х годов разворачиваются работы

по созданию специализированных PDM-систем для машино-

строительных САПР. Расширение функций программ управле-

ния проектными данными и их использование на большинстве

важнейших этапов жизненного цикла изделий, позволяет созда-

вать на базе современных PDM автоматизированные системы

400 наименований. Хотя в 1950-х компьютерной графики еще не

существовало, для моделирования рассчитываемой с помощь

МКЭ конструкции совершенно необходима была геометриче-

екая информация. Топологические данные и координаты узлов

конечноэлементной сети представляют собой не что иное, как

сеточную (ячеистую) геометрическую модель. Правда, рисо-

вать модель надо было карандашом на бумаге, а вводить много-

тысячные массивы цифр приходилось с помощью перфокарт

и перфолент. Реализация МКЭ не была столь жестко привяза-

на к аппаратным средствам машинной графики, как автомати-

зация конструирования, поэтому достаточно быстро появились

многочисленные расчетные программные пакеты, которые и по-

служили прообразом современных систем инженерного анализа

(CAE-системы). В настоящее время МКЭ считается одним из

инвариантных методов САПР.

Как важный вклад в развитие методов автоматизированного

проектирования, следует рассматривать разработку ориентиро-

ванного на инженерные вычисления высокоуровневого алгорит-

мического языка программирования «Фортран» [77]. На «Фор-

тране» были написаны первые программные компоненты САПР,

в том числе и одна из известнейших CAE-систем NASTRAN

(NAsa STRucturalANalysis). Национальное космическое агентство

США (NASA) в 1965 г. для поддержки своих инновационных

проектов, связанных с космическими исследованиями, поста-

вило задачу разработки расчетного программного пакета, первая

версия которого начала эксплуатироваться в 1970 г.

К концу 1960-х целый ряд крупных промышленных концер-

нов самым активным образом включился в создание систем ав-

томатизированного проектирования. Впоследствии многие из

этих проектов послужили основой для современных программ-

ных комплексов. Например, на базе разработок McDonnel-

Douglas появилась система CADD (впоследствии породившая

Unigraphics), в Lockheed была разработана система CADAM

(исторический предшественник CATIA). В шестидесятые в ком-

пании General Motors была разработана первая интерактивная

графическая система для подготовки производства, названная

DAC-1, которая считается первой машиностроительной САПР

[74]. В 1971 г. ее создатель доктор Патрик Хэнретти (многие на-

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

управления жизненным циклом продукции предприятия или

корпорации (PLM — Product Lifecycle Management).

Таким образом, уже в последнем десятилетии уходящего XX

века САПР изделий машиностроения обрели состав и структуру

прикладных подсистем, которые существуют и сейчас. Справед-

ливости ради следует отметить, что многие теоретические основы

САПР, сформированные в те годы, не потеряли своей актуаль-

ности и в XXI веке. Например, подтвердили свою методическую

важность и правильность определение САПР, системный подход

к компьютеризации промышленности. Достаточно давно появи-

лась идея комплексной автоматизации и введен термин «инте-

грированная САПР».

5.4. История автоматизации машиностроения в России

Следует заметить, что отечественная история компьютерных

технологий и систем по времени своего зарождения практически

не отстает от широко известных зарубежных исследований, хотя

и отличается несколько большим драматизмом, связанным со

значительным влиянием государства на развитие технического

прогресса [11, 37]. Достижения в области создания и практиче-

ского применения автоматизированных систем в нашей стране во

многом определялись возможностями доступных машинострои-

тельным предприятиям технических средств автоматизации.

Универсальные ЭВМ создавались в СССР по оригинальным

проектам отечественных специалистов, начиная с 1948 г. в ин-

ституте точной механики и вычислительной техники — ИТМиВТ

(ЭВМ серий БЭСМ, М20, М40, «Эльбрус»); в Киевском инсти-

туте кибернетики (ЭВМ серий «Днепр», «Мир», «Проминь»);

в институте электронных управляющих машин — ИНЭУМ (ма-

шины серий «М», «Раздан», «Минск», СМ ЭВМ), в научно-

исследовательским институте электронных математических

машин - НИЭМ (ЭВМ «Стрела», М222, «Урал»); в ряде других

НИИ и КБ. По своим тактико-техническим характеристикам

первые отечественные ЭВМ не уступали лучшим иностранным

образцам.

270

5.4. История автоматизации машиностроения в России

Основоположником отечественной вычислительной техни-

читается С.А. Лебедев. Под его руководством в 1951 г. была

создана первая отечественная вычислительная машина МЭСМ,

ЭВМ М-20, разработанная в 1958 г., стала одной из лучших се-

рийных машин первого поколения. Вершиной научных и инже-

нерных достижений С.А. Лебедева стала БЭСМ-6, запущенная

в 1967 г. В ней реализованы такие новые принципы и решения,

как параллельная обработка нескольких команд, сверхбыстрая

регистровая память, расслоение и динамическое распределение

оперативной памяти, мультипрограммный режим работы, раз-

витая система прерываний. БЭСМ-6 стала первой отечествен-

ной супер-ЭВМ, достигнув ошеломительного для того времени

быстродействия — 1 млн. операций в секунду [37].

Уже в 1957 г. академик В.М. Глушков [11], определяя направ-

ления стратегических исследований в области информатики

в СССР, относит к ним разработку методов автоматизации про-

ектирования. В 1959 г. по инициативе академика А.И. Берга соз-

дается Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика»

при Президиуме АН СССР. В 1960-х годах активно ведутся ра-

боты по развитию численных методов, теории компьютерно-

го моделирования, разворачиваются многочисленные проекты

практического внедрения ЭВМ в науке и технике, прежде всего,

в оборонной промышленности.

В это время появились САПР первого поколения, которые

представляли собой пакеты программ для инженерных расчетов

в различных предметных областях. Быстрее всего системы авто-

матизированного проектирования прививались в радиоэлектро-

нике и эффективно использовались для проектирования самих

же ЭВМ [28].

Первые машиностроительные приложения начали появлять-

ся вместе с новыми ЭВМ в самой приоритетной тогда аэрокос-

мической промышленности [14]. Машиностроительные САПР

Первого поколения работали в пакетном режиме и автоматизиро-

вали только определенную часть проектно-конструкторских ра-

бот, связанную с трудоемкими прочностными расчетами и про-

цедурами предэскизного проектирования изделий. Для решения

задач анализа и оптимизации сложных машиностроительных

изделий в 1970 годах в СССР начались разработки первых отече-

271

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

272

5.4. История автоматизации машиностроения в России

ретроспективный анализ показывает, что совершенствова-

ние различных типов автоматизированных систем происходит

неравномерно. Большинство специалистов по САПР сходят-

ся во мнении, что наибольших успехов добились разработчики

конструкторских приложений и систем инженерного анализа

(CAD/CAE-систем).

Технологическая подготовка производства по ряду объектив-

ных причин поддается автоматизации значительно хуже [27].

В СССР в первой половине 1960 годов Г. К. Горанский создает

программы для расчетов режимов резания. В.Д. Цветков, Н.М.

Капустин, СП. Митрофанов и др. разрабатывают методы коди-

рования и автоматического синтеза технологических процессов

в 70-е годы. На заре автоматизации, когда в САПР ТП практи-

чески совсем отсутствовали возможности компьютерной графи-

ки, для описания структуры и геометрии изделия и связанных

с ними операций и переходов в техпроцессах предусматривалась

единственно возможная тогда система алфавитно-цифровых

кодов. Вариации этого символьного языка проектирования

и сейчас можно встретить в некоторых публикациях и учебниках,

ориентированных на пакетный режим работы и «автоматическое

проектирование».

До начала 90-х гг. прошлого века в отечественном машино-

строении применялись САПР ТП исключительно отечественно-

го происхождения. Многие промышленные предприятия и КБ

создавали и эксплуатировали собственные программные раз-

работки. Наряду с эффективно работающими программами су-

ществовало значительное число систем, не отвечавших требова-

ниям, предъявляемым к САПР, «имевших весьма ограниченные

области применения, малую надежность и т.д. Необходимость

работы с такими системами часто вызывала у технологов-

проектировщиков негативное отношение к самой идее автома-

тизации технологического проектирования ТП» [27].

Конструкторами и технологами, работавшими в те времена на

Машиностроительных предприятиях, под САПР понимались ис-

ключительно предметно-ориентированные и специализирован-

ны расчетные пакеты. В таких «САПР» были жестко запрограм-

мированы традиционные методики расчета стандартных изделий

Или единичных технологических процессов, например, расчет

273

ственных CAE-систем, реализующих МКЭ: «ЛИРА», «ФРОНТ»

«РИПАК», «СПРИНТ» и др.

Начиная с 1969 г. радиоэлектронная промышленность СССР

переключилась на производство преимущественно машин ЕС

и СМ ЭВМ, сделанных по западным аналогам. К сожалению

именно с 1970 годов, когда было принято решение о построении

ЕС ЭВМ по прототипу IBM-360—370, начинается отставание оте-

чественной вычислительной техники. Если БЭСМ-6 находилась

на мировом уровне производительности, практически не уступая

лучшим американским машинам, то ЕС ЭВМ, равноценную по

потребительским качествам компьютерам фирмы IBM, так и не

удалось получить.

О возможностях технических средств САПР первого поколе-

ния красноречиво свидетельствует выдержка из описания исполь-

зовавшихся тогда для автоматизации проектирования новейших

компьютеров: «ЕС ЭВМ имеют единую схему, основными ком-

понентами которой являются процессор (один), внешняя память

(несколько съемных дисков емкостью по 10-20 мегабайт) и вну-

тренняя память (оперативная память размером несколько десятков

килобайт). ... ввод и вывод информации в ЭВМ осуществляется

с помощью алфавитно-цифровых печатающих устройств (АЦПУ

выводят только текстовые документы), перфокарт и перфолент»

[14]. На промышленных предприятиях ЕС-ЭВМ устанавливались

в так называемых кустовых вычислительных центрах (1 —2 штуки на

большой завод или НИИ). Пользователи общались с программно-

техническими средствами САПР не напрямую, а через посредни-

ков - операторов, которые набивали написанные на бумажных

бланках команды на перфокарты и запускали их на выполнение

в порядке очереди. После нескольких часов вычислений резуль-

таты автоматически распечатывались на быстродействующих

АЦПУ, не имевших никаких графических возможностей. Поэтому

для автоматизации проектных процедур приходилось прибегать к

значительным упрощениям в технической документации, которые

воспринимались как неизбежное зло. Например, печатать таблицы

и схемы приходилось с помощью звездочек, тире и восклицатель-

ных знаков, а рисунки и математические формулы вписывать в тех-

нические документы от руки. Конечно, о реализации на такой тех-

нике интерактивных инженерных систем не могло быть и речи.

Раздел 5, Компьютерные технологии и моделирование в САПР

274

5.4. История автоматизации машиностроения в России

пенно начали применяться первые серийные технические сред-

ства машинной графики, прежде всего для вывода графических

даннных. Векторные графопостроители позволяли выводить на

бумагу результаты расчетов в удобной для анализа форме, а также

визуализировать несложные геометрические модели и схемы.

Отечественная система малых машин (CM-ЭВМ), воспроиз-

водящая архитектуру ЭВМ серии PDP-11 американской компа-

нии DEC, оказалась более подходящей, чем «большие» ЕС-ЭВМ

дня реализации интерактивных систем. В 1980 годы на базе этих

недорогих компьютеров серийно выпускались специализиро-

ванные программно-аппаратные автоматизированные места

(АРМ-М) для отечественных машиностроительных САПР. В это

время на Западе появились системы геометрического модели-

рования, работающие на специализированных интерактивных

аппаратно-программных комплексах, которые получили назва-

ние «рабочие станции» и стали основными платформами для

дальнейшего развития CAD/CAM-систем.

Если в эпоху больших машин из-за дефицита ресурсов пре-

имущественно развивались автоматизированные системы вы-

числительной направленности, работающие в пакетном режиме,

то с появлением персональных компьютеров началось массовое

внедрение графических интерактивных систем. В 1986 г. компа-

ния Autodesk [101] выпускает свой революционный программ-

ный продукт - систему AutoCAD, доказавшую неопровержимые

преимущества интерактивной разработки машиностроительных

чертежей на персональных ЭВМ. АВТОКАД оказал огромное

влияние на популяризацию автоматизированного конструиро-

вания в нашей стране.

Для малых и персональных компьютеров в СССР, а затем

в России был разработан ряд интерактивных программно-

методических комплексов САПР. Наибольшее распростране-

ние среди них получили КОМПАС [100], T-Flex [161], СПРУТ

[155], ADEM [96], КРЕДО [143] и ряд других систем [150].

Среди универсальных САПР ТП выделяются: КОМПАС-

АВТОПРОЕКТ (теперь ВЕРТИКАЛЬ) [100], TecnologiCS [117],

ТехноПро [159], TECHCARD [130], ADEM-CAPP/CAM, T-Flex-

ЧПУ, в которых используются геометрическо-технологические

модели изделия [27].

275

зубчатого зацепления определенного вида или вычисление ре-

жимов резания заготовки по заранее заданной схеме. Для неко-

торых узко поставленных инженерных задач удается реализовать

даже не автоматизированное, а автоматическое проектирование

В этом случае от пользователя, как правило, не требуется высо-

кой квалификации: достаточно, строго следуя инструкции, под-

готовить исходные данные - и успешный результат уже предре-

шен. Кстати, такой (автоматический) способ компьютеризации

имеет определенные достоинства и свою жизненную нишу.

Стандарты [85-86] особо оговаривают различия между ав-

томатизированным и автоматическим проектированием. Для

типовых и структурно простых изделий автоматическое проек-

тирование даже может быть предпочтительно, поскольку дает

наивысшие показатели производительности. К сожалению, при-

менимость таких систем так же ограничена, как и решенная част-

ная задача. Мировая практика развития автоматизации показала

невозможность сведения бесконечного многообразия машино-

строительных изделий, их форм и параметров к обозримому на-

бору специализированных программ. Заманчивая концепция

автоматического проектирования заняла свою нишу в наборе

методов автоматизации проектных работ, а в программном обе-

спечении САПР прочное лидирующее место заняли универсаль-

ные программные комплексы, реализующие диалоговые (инте-

рактивные) методики автоматизированного проектирования.

В 1980 годы на предприятиях и в КБ стали появляться

устройства компьютерной периферии с интерактивными воз-

можностями. Они присоединялись к процессору с помощью

мультиплексных каналов ввода-вывода со стандартным интер-

фейсом, позволяющим дополнительно подключить электриче-

скую пишущую машинку с обратной связью, графопостроитель,

алфавитно-цифровой или векторный графический дисплей со

световым пером. В это время в СССР динамично развивались ав-

томатизированные системы различного назначения, в том числе

произошло становление САПР второго поколения, которые от-

личались возможностью ведения человеко-машинного диалога.

Конструкторы и технологи впервые получили прямой доступ

к интерактивным устройствам коллективного использования —

по предварительной записи по нескольку часов в день. Посте-

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

Практика внедрения и использования автоматизированных

систем в промышленности показала, что для достижения це-

левых показателей эффективности производства необходима

обязательная целенаправленная подготовка и обучение поль-

зователей. Многочисленные факты и научные исследования

доказывают, что производительность человеко-машинных си-

стем напрямую зависит от уровня компетентностной подготов-

ки персонала. А для проектирования, которое всегда считалось

венцом инженерной деятельности, непременно требуется еще

и активное творческое участие специалистов, возможности ко-

торых определяются наличием развитых профессиональных

знаний и навыков. Автоматизация проектирования не только

не снижает требований к квалификации целевого персонала, но

и существенно повышает их, поскольку наряду с подготовкой

в предметной области необходимы знания методов компьютер-

ного моделирования, а также определенные навыки управления

техническими и программными средствами САПР.

Принципиально важным этапом для становления системы

подготовки пользователей и разработчиков САПР в вузах ста-

ла начатая в 1980 годы целевая общегосударственная программа

(ОЦ-027), которая предусматривала создание и развитие учеб-

ных САПР [14, 54]. В рамках этой программы в ведущих техни-

ческих вузах страны (МГТУ [105], СТАНКИН [157], МАИ [136],

ИЭИ [131], БГТУ [106], КУАИ [156] и др.) были разработаны

учебные автоматизированные системы и базы знаний, ком-

пьютерные тренажеры, электронные учебники и методические

материалы, изданы пособия по САПР. На регулярной основе

в вузах начали проводиться тематические конференции и семи-

нары, стали разворачиваться исследования по созданию научно

обоснованной методики обучения автоматизированному про-

ектированию.

В 1990 годы производство отечественных компьютеров прак-

тически было свернуто. Эта судьба постигла и многие группы

разработчиков программного обеспечения. К счастью, тяжелые

для промышленности России времена удалось пережить доста-

точно большому ряду фирм и организаций, профессионально

занимающихся разработкой и развитием отечественного про-

граммного обеспечения САПР [98, 128, 155, 161...].

276

5.4. История автоматизации машиностроения в России

Например, крупнейший российский производитель и инте-

гратор САПР компания АСКОН (Автоматизированные Системы

конструирования) [100] была основана в 1989 г. коллективом

разработчиков, который до этого проектировал в Коломенском

конструкторском бюро машиностроения систему КАСКАД. Пер-

вая версия КОМПАС-ГРАФИК для персональных компьютеров

появилась в том же 1989 г. С 2000 г. САПР КОМПАС включает

ЗD-моделирование. В настоящее время АСКОН на базе россий-

ских систем предлагает доступное по стоимости комплексное

решение PLM «middle» (среднего) класса, позволяющее автома-

тизировать почти все задачи и процессы технической подготов-

ки машиностроительного производства.

Пока отечественные разработки еще не вышли на уровень

тяжелых, полномасштабных САПР. Однако при всех своих про-

блемах и бедах отечественные системы автоматизированного

проектирования в настоящее время активно развиваются и с

успехом конкурируют на российском рынке с западными анало-

гами своего класса. Это поддерживает надежду на возрождение

российской индустрии высоких компьютерных технологий.

5.5. Этапы развития САПР

Историю САПР как одной из самых успешных молодых тех-

нических наук, порожденных развитием компьютерной техники

и технологий, можно условно разбить на десятилетия, каждое из

которых характеризуется появлением новых идей, методов или

их практическим подтверждением.

На первом этапе, в 1960 годы, были заложены научно-

практические основы компьютеризации промышленности, до-

казавшие принципиальную возможность автоматизированного

проектирования сложных промышленных изделий [11]. Практи-

кующими специалистами термин Computer Aided Design (CAD)

в те годы связывался исключительно с инженерными расчетами

на ЭВМ, реализацией программ анализа по методу конечных эле-

ментов и поисковой оптимизацией. Впоследствии на базе этих

пакетов программ сформировались современные САЕ-системы.

277

Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в САПР

278

5.5. Этапы развития САПР

САПР подразумеваются подобные утилитарные специали-

зированные программы для инженерных расчетов. В настоящее

время разработка программного обеспечения для САПР ведется

профессиональной основе с использованием промышленных

технологий и стандартов. Утилитарная программа, чтобы стать

спешным коммерческим программным продуктом, должна от-

вечать многим техническим требованиям, быть широко востре-

бованной и тиражируемой.

В конце XX века научную поддержку и коммерческое распро-

странение получили универсальные программно-методические

комплексы, основанные на объемном геометрическом модели-

ровании. Разработка и интеграция САПР была поставлена на

промышленную основу и окончательно приобрела профессио-

нальный, «фирменный» характер. Из пестрого компьютерного

мира выделились отдельные фирмы-разработчики программ-

ного обеспечения САПР, которые проводят огромный объем

научно-технических работ, связанных с проектированием, мо-

дификацией и развитием комплекса средств обеспечения САПР.

Разработка, внедрение и сопровождение автоматизированных

систем промышленного назначения в настоящее время превра-

тились в серьезный бизнес с миллиардными финансовыми обо-

ротами [127].

В XXI веке под словом «САПР» понимается гораздо больше

нежели просто программно-аппаратный комплекс для выполне-

ния проектных работ с использованием компьютеров. Ставший

Уже классическим у нас в стране, термин «САПР» в настоящее

время подразумевает весь комплекс интегрированных автома-

тизированных систем промышленного назначения: CAD/САМ/

CAE/CAPP/PDM/... Нужно поставить многоточие в конце этого

Перечня аббревиатур, обозначающих разновидности подсистем

САПР, поскольку процесс развития промышленных автомати-

зированных систем не прекращается, а сфера их приложений,

Несомненно, будет расширяться.

За последние годы произошел новый революционный пере-

ворот, связанный с официальным признанием, стандартизацией

и массовым внедрением электронного технического докумен-

тооборота. Например, с 2006 г. в России «электронный документ»

и "Электронная модель изделия» официально уравнялись в правах

279

В 1970 годах передовые научные интересы в области авто-

матизации инженерного труда переместились в направлении

развития графических возможностей прикладных программ

С этого времени у специалистов с понятием САПР стали ассоцц-

ироваться системы компьютерной графики и геометрического

моделирования, на практике реализованные пока еще, преиму-

щественно, в «плоских» CAD-системах [37]. Появились средства

и методы интерактивной работы в режиме человеко-машинного

диалога.

В начале 1980-х вычислительная мощность компьютеров

стала позволять решать сложные расчетные и оптимизацион-

ные задачи, появились серийные графические рабочие станции.

А вместе с ними получили распространение трехмерные, пока

еще тяжелые и дорогие CAD/CAM-пакеты, позволяющие мо-

делировать не только структуру конструкции, но и технологи-

ческие процессы, разрабатывать программы для оборудования

с цифровым управлением (ЧПУ) [27].

Технология баз данных и компьютерных сетей ввела в широ-

кое обращение понятия и методы информационного моделиро-

вания, которое в САПР было использовано для хранения и пере-

дачи данных об изделиях.

Внедрение в инженерную практику персональных компью-

теров (ПК) взвинтило темп развития методов и средств САПР

в 1990 годах. Благодаря удобному графическому интерфейсу

интерактивные системы вытеснили «молчаливые» расчетные

пакеты программ. Появились средние по сложности и цене си-

стемы трехмерного геометрического моделирования, способные

работать на ПК. Массовое распространение компьютерных се-

тей сделало реальным внедрение комплексных систем, техно-

логий коллективной работы и параллельного проектирования

(concurrent engineering) [32].

В 1980-1990 годы на многих отечественных предприятиях,

в вузах и проектных организациях в массовом порядке писа-

лись собственные инженерные программы. Обычно они не от-

личались развитым интерфейсом и разнообразием функций,

а осуществляли частичный перенос традиционных методов

и технологий ручного проектирования в компьютерную вычис-

лительную среду. До сих пор некоторыми производственниками

Раздел 5, Компьютерные технологии и моделирование в САПР

с традиционной бумажной документацией и внесены в стандар-

ты Единой системы конструкторской документации (ECKД

[80-82].

Несколько ранее была принята большая группа стандартов

под общим названием «Системы автоматизации производства

и их интеграция», которая «освятила» тенденции комплексной

автоматизации производства на базе системной интеграции

В этих официальных государственных документах поддержана

концепция информационной поддержки жизненного цикла из-

делий (ИПИ), более известная у нас в стране как CALS-технологцц

[109-111]. Ведущие мировые фирмы-производители САПР для

обозначения интегрированных автоматизированных систем ис-

пользуют термин PLM-solution - решения автоматизации жиз-

ненного цикла изделий [95, 147, 163].

5.6. Научные основы и стандарты САПР

За годы своего развития понятия «компьютерное моделирова-

ние», «САПР», «автоматизированное проектирование», «комплекс-

ная автоматизация производства» и др. прочно вошли не только

в терминологию работников промышленных предприятий, НИИ

и КБ, но и в названия учебных курсов, направлений и специаль-

ностей высшей школы [14, 23, 27, 32, 38].

К концу прошлого века создание и развитие научных основ

САПР прочно утвердилось как одно из ведущих компьютер-

ных направлений технических наук. Согласно классификации

ВАКК, специальность «Системы автоматизации проектирова-

ния» (шифр 05.13.12) занимается «проблемами создания и повы-

шения эффективности функционирования систем автоматизиро-

ванного проектирования, управления качеством проектных работ

на основе использования современных методов моделирования и ин-

женерного анализа, перехода на безбумажные сетевые формы до-

кументооборота и интеграции САПР в общую архитектуру авто-

матизированной проектно-производственной среды».

Как научная специальность САПР изучает принципы и мето-

ды автоматизированного проектирования, построения и функ-

280

5.6. Научные основы и стандарты САПР

цонирования интегрированных интерактивных комплексов

анализа

синтеза проектных решений, включая системы

созда-

ния проектной, конструкторской, технологической документа-

ции на изготовление, испытание и эксплуатацию сложных тех-

еских объектов, образцов новой техники и технологий.

Значение решения научных и технических проблем данной

специальности для техники и технологии машиностроения за-

ключается в совершенствовании процессов проектирования

и технологической подготовки производства новых объектов

и изделий на основе широкого использования средств компью-

терной техники, информационных технологий и вычислитель-

ных сетей.

Многие методы и средства САПР являются инвариантными

и обеспечивают сокращение сроков создания и ввода в эксплуа-

тацию образцов новой техники, ускорение научно-технического

прогресса в различных отраслях промышленности.

Специалистам по САПР отводится обширная область иссле-

дований, включающая в себя вопросы не только компьютерного

моделирования и проектирования, но и ряда смежных дисци-

плин. В том числе выделяются следующие направления иссле-

дования:

- методология автоматизированного проектирования в тех-

нике, которая включает в себя постановку, формализацию и ти-

пизацию проектных процедур и процессов проектирования, во-

просы выбора методов и средств для применения в САПР;

- разработка научных основ создания систем автоматизации

проектирования и автоматизации технологической подготовки

производства (САПР и АСТПП);

- разработка научных основ построения и комплексирования

средств обеспечения САПР;

- разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов

Для синтеза и анализа проектных решений, включая конструк-

торские и технологические решения в САПР и АСТПП;

- Разработка принципиально новых методов и средств взаи-

модействия «проектировщик - система» (интерактивные мето-

ды проектирования);

- разработка научных основ реализации жизненного цикла

Проектирование - производство - эксплуатация», построения

281