Обзор CAdCAM систем САПР

Интеграция (лат. integratio — восстановление, восполнение, от integer — целый), 1) понятие, означающее состояние связанности отдельно дифференцированных частей и функций системы, организма в целое, а также процесс, ведущий к такому состоянию; 2) процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами их дифференциации.

Обычно CAD- и CAM-системы являются специализированными программными продуктами для решения локальных  задач: черчения, моделирования, написания  техпроцессов, программирования ЧПУ  и т.п. Каждая из таких систем может  быть сверхэффективной в своей области, но когда возникает вопрос о подготовке производства в целом, то его можно  решить, только интегрировав весь научно-технический  потенциал в единый механизм. И  при этом выясняется, что локальные  преимущества вовсе не гарантируют  общей эффективности.

Кроме проблемы обмена данными  между разнородными программными продуктами с различными внутренними представлениями  информации, есть и более серьезное  препятствие на пути достижения цели. Оказывается, что для эффективного решения комплексной задачи идеология  программных компонентов системы  должна иметь серьезные отличия  от той, что применяется в отдельных  продуктах для решения частных  задач.

Программные продукты, предназначенные  для комплексной автоматизации  подготовки производства, называются интегрированными CAD/CAM-системами и, как правило, предоставляют пользователю единое проектно-конструкторско-технологическое  пространство. Входящие в них компоненты сделаны, подобраны и притерты таким  образом, чтобы обеспечить сквозные процессы проектирования с максимальной эффективностью. Если рассматривать  интегрированный CAD/CAM-продукт, то прежде всего следует обратить внимание на возможности совмещения плоского и объемного моделирования с системой технологической подготовки производства.

Система ADEM была изначально ориентирована на подобную организацию  работы, однако сложившаяся структура  имела ряд особенностей. Система  логически разделена на три основных модуля: ADEM-CAD, ADEM-CAM и ADEM-TDM, которые появились в системе практически одновременно, в начале 90-х годов. Если никаких вопросов относительно первых двух модулей в то время не возникало, то название ADEM-TDM было еще новым, хотя назначение модуля было известно многим — это выпуск технической документации. Работая в единой среде с чертежно-графической частью, TDM позволяет быстро и эффективно оформлять конструкторскую спецификацию, карты техпроцесса с операционными эскизами для любого вида производства (механообработка, сборка, сварка и пр.) и всевозможные ведомости и документы, сопутствующие всему процессу проектирования.

Несмотря на то что все модули работали на единой базе данных и были достаточно тесно связаны между собой, развитие гибридного объемного моделирования и расширение возможностей технологической части системы заставило нас переосмыслить степень интеграции и общую организацию системы.

Во-первых, опыт работы в  едином 2D/3D-пространстве проектирования в версиях 6 и 7 позволил сформулировать круг задач и понять возможности, которые открываются перед технологами — пользователями САМ-части системы ADEM. Теперь для разработки ЧПУ-программ возможно использовать в одном проекте всё многообразие геометрических элементов: тел, граней, ребер и плоских элементов (рис. 1).

Принципиально новые возможности  работы с геометрией стали реальностью  с появлением твердотельных моделей. На их основе можно получать данные о топологии детали и автоматически  определять такие технологические  параметры, как глубина обрабатываемого  элемента, угол наклона стенки, тип  отверстия и др. Таким образом, система стала более интеллектуальной и способной самостоятельно определять часть параметров.

Во-вторых, TDM со временем расширил свои возможности и стал выполнять  функции системы управления и  планирования производственных процессов, что послужило основой для  создания новой версии CAD/CAM/CAPP-системы ADEM — версии 8.0, которая позволяет  не только автоматизировать, но и координировать весь процесс подготовки производства — от проектирования и конструирования  до выхода готовых изделий. Поэтому  в определении ADEM в качестве интегрированной  системы добавилась и третья важная составляющая — CAPP, что означает автоматизированное планирование (проектирование) производственных процессов.

В новой версии TDM изменит  свое положение в структуре системы: теперь он станет основой управления всей технологической частью независимо от видов оборудования и способов производства.

Идея единого пользовательского  интерфейса (рис. 2) наиболее полно решена при проектировании технологических процессов. Особенностью интерфейса является единое технологическое пространство, под которым понимается единый технологический процесс, включающий программные операции для станков с ЧПУ, операции на универсальное оборудование и вспомогательные операции. Иными словами, в одном пространстве объединяются работа технолога и работа технолога-программиста. Таким образом, систему ADEM можно более гибко использовать в технологическом проектировании, поскольку:

• технологический процесс  представляет собой единое целое;

• в пределах одного маршрута может быть спроектировано несколько  операций с ЧПУ и получено соответствующее  количество управляющих программ;

• технолог-программист  имеет доступ ко всем библиотекам  нормативно-справочной базы данных оборудования, приспособлений, инструмента и т.д.;

• производится расчет режимов  резания и норм времени на все  операции технологического процесса и, как следствие, расчет времени изготовления детали в целом, с учетом времени  работы как универсального оборудования, так и станка с ЧПУ;

• в комплект технологических  документов, при наличии операций с ЧПУ, включаются карты наладки  на каждую операцию.

Единый технологический  процесс представляет собой объектно-ориентированное  дерево, состоящее из объектов различных  классов технологического назначения: операции, переходы, инструменты и  др. Каждый объект может содержать  связанную с ним геометрическую информацию, которая отображается в  основном окне, вследствие чего обеспечивается концепция единого конструкторско-технологического пространства. Для обычных операций геометрическая информация используется для скалывания обрабатываемых размеров и создания операционных эскизов, а  для операций с ЧПУ — в качестве исходной информации для проектирования траектории движения.

Создание единого конструкторско-технологического пространства и перевод технологического модуля на объектно-ориентированную  основу позволили пересмотреть принципы формирования траектории движения инструмента. Прежде для обеспечения актуальности и целостности модели приходилось  пересчитывать весь маршрут обработки, что иногда приводило к значительным потерям времени. Теперь, если конструктор  или технолог вносит изменения в  соответствующие части единой модели, АDЕМ точно знает об этом и даже сообщает пользователю, какие объекты технологической базы данных подверглись модификации, пересчитывая только данные объекты. Это позволило существенно сократить сроки разработки ЧПУ-программы, оставляя пользователей в привычном для них едином пространстве и сохраняя при этом все преимущества ассоциативных связей между конструкторской и технологической моделями.

Параллельно с перестройкой общей организации технологического модуля в системе ADEM продолжалось бурное развитие возможностей программирования станков с ЧПУ. В этом вопросе  инициаторами выступали и наши западноевропейские партнеры, и российские пользователи. Именно по их запросам мы приступили к  разработке модуля высокоскоростного  фрезерования. Первым этапом стала  модернизация существующих схем фрезерования, обеспечивающих гладкую траекторию при черновой выборке и при подходе/отходе к контуру (рис. 3). Была доработана схема спирального врезания, обеспечивающая плавное вхождение инструмента в материал с одновременным выходом на траекторию обработки.

На следующем этапе  были созданы новые схемы обработки, применяемые в высокоскоростном фрезеровании:

• спиральная обработка  карманов и окон;

• трохоидальное фрезерование пазов (рис. 4);

• гладкие траектории при  трехосевой обработке зигзагом и петлей с возможностью плавного перехода между строчками по дуге или по отрезку, касательному к границе поверхности.

Развитие процессов обработки  в системе ADEM затронуло не только фрезерование — значительные новшества  были заложены в токарную обработку. В первую очередь был кардинально  изменен алгоритм работы с пользовательскими  инструментами. Теперь геометрия режущей  пластинки и резцедержателя учитывается  как на чистовых, так и на черновых проходах, что обеспечивает полный контроль столкновений инструмента  с деталью и элементами приспособлений. Был также создан механизм выделения  необработанных зон, поднутрений и их последующей обработки другим инструментом. Новая версия ADEM постоянно контролирует состояние заготовки и использует эту информацию для оптимизации холостых перемещений в процессе расчета траектории обработки всей детали.

По предложению одного из российских предприятий была разработана  уникальная технология обработки длинных  валов (длиной до 100-150 диаметров) без  использования дополнительного  центра. Данная технология позволила  практически исключить деформацию (отгиб) детали при обработке.

Кроме того, в систему  были встроены следующие новые возможности:

• изменение на участках чистового контура таких технологических  параметров, как подача, обороты  шпинделя, номера корректоров и др. — это в значительной мере повышает гибкость управления параметрами обработки  и позволяет оптимизировать чистовые проходы (рис. 5);

• задание группы точек  врезания — ADEM автоматически выбирает ближайшую разрешенную точку  и выполняет врезание именно в  ней, сокращая тем самым непроизводительные перемещения по воздуху;

• создание типовых технологических  шаблонов — пользователи могут накапливать  и использовать библиотеки типовых  схем обработки, определяя геометрические элементы, на которых данный шаблон будет выполняться;

• размещение элементов  обработки на группе точек — это  значительно упростило задание  групповых операций, поскольку теперь можно выполнять копирование  и поворот обрабатываемых объектов.

В новой версии был полностью  переделан механизм задания и  управления системами координат  обрабатываемых элементов, что сделало  более удобным и простым процесс  задания зонной обработки и позволило  полностью исключить влияние  способа создания используемого  геометрического элемента на обработку, в отличие от предыдущих версий.

Работа в едином конструкторско-технологическом  пространстве требует особых правил взаимодействия между пользователями, и здесь не обойтись без систем управления проектными данными. В рамках системы ADEM эти задачи решает встроенный модуль ADEM Vault (рис. 6), который можно отнести к классу легких PDM-систем. Авторизованный доступ к хранилищу, защита документов от несанкционированного доступа, обеспечение коллективной работы с документами, ведение версий документов, поиск по атрибутам, генерация различного вида отчетов и ведомостей — вот далеко не полный список возможностей ADEM Vault.

Поскольку структура архива формируется самим пользователем, не существует никаких ограничений  на способ и место его применения. Можно использовать архив как  в КБ или ТБ для обеспечения  контроля выполнения заданных работ, так  и индивидуально — как личный архив документов. Но наибольший интерес, и это подтверждается на практике, представляет использование архива в качестве средства работы с составом изделия. В этом случае можно контролировать процесс разработки технической  документации на изделие, выпускать  различного вида ведомости в целом  по изделию и т.д. Кроме того, электронный  архив ADEM Vault не является замкнутой системой, способной только хранить документы, — имеется возможность передавать накопленную информацию (данные спецификаций, технологических процессов и ведомостей) в другие системы, что позволяет интегрироваться с системами управления предприятием. Способы передачи данных могут быть различными: тексты, таблицы баз данных и др., но самым перспективным из них, на наш взгляд, является передача информации с использованием языка XML, который позволяет передавать не только сами данные, но и структурные связи между ними.

В числе новых возможностей системы — анализ геометрии модели. Эта функция позволяет производить  проверку достаточности геометрической информации для подготовки производства и соответствия модели замыслу конструктора. Практика показывает, что подобный анализ крайне важен в плане технических  аспектов, а также помогает решить задачу преодоления структурных  барьеров между подразделениями. Если конструктор на этапе проектирования уже предвидит проблемы, которые  возникнут при подготовке производства, он может использовать альтернативные методы и решения, чтобы обеспечить корректную информационную базу для изготовления изделия.

Еще более серьезной проверкой  технологичности конструкции является применение на этапах проектирования функциональности модуля ADEM CAM. Работая  в едином конструкторско-технологическом  пространстве, пользователь может самостоятельно изготовить виртуальную деталь в  соответствии со всеми законами механообработки  и оценить технологичность, используя  качественные и количественные параметры.

Интеграция конструкторских  и технологических задач на базе единого программного комплекса  дает пользователям уникальное средство, в котором сочетаются математические методы, технический интеллект и  производственный опыт. Становится реальным переход от локальной к общей  эффективности цикла проектирования и подготовки производства.

По мнению ведущих мировых  аналитиков, основными факторами  успеха в современном промышленном производстве являются срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости  и повышение качества. Сейчас общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, различных видов промышленного  оборудования и др.) без применения современных систем автоматизации. К числу наиболее эффективных  технологий, позволяющих выполнить  эти требования, принадлежат так  называемые CAD/CAM/CAE-системы (системы  автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа). Несмотря на широкое распространение систем CAD для проектирования и систем CAE для анализа, эти системы не так  уж хорошо интегрируются. Дело в том, что модели CAD и CAE по сути используют разные типы геометрических моделей, и в настоящее время не существует общей унифицированной модели, которая бы содержала в себе как информацию для проектирования, так и для анализа.

В данной работе намечаются основные пути решения данной проблемы, рассматриваются их достоинства  и недостатки.

Термины CAD, CAM, CAE обозначают следующее:

- CAD-системы (сomputer-aided design) — компьютерная поддержка проектирования, предназначенная для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования — САПР).

- CAM-системы (computer-aided manufacturing) — компьютерная поддержка изготовления, предназначенная для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков. CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства.

- САЕ-системы (computer-aided engineering) — поддержка инженерных расчетов представляющая собой применение обширного класса систем из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

- CAD системы, базирующиеся  на трехмерной геометрии, сейчас  широко применяются при проектировании  широкого спектра изделий. В  то же время, инженерный анализ  с использованием CAE-систем необходим  при проектировании изделия. Поэтому  ключевым моментом для улучшения  процесса проектирования является  тесная «бесшовная» интеграция CAD и CAE. Возможность тесной интеграции  зависит от следующих факторов: масштаба, границ и целей CAE-анализа;  природы и качественных характеристик  CAD-модели; степени детализации, требуемой  для CAE.

Существуют четыре основных подхода к интеграции CAD и CAE:

1) CAD-ориентированый;

2) CAE-ориентированный;

3) CAD/CAE-ориентированный;

4) Использование технологии  управления информацией об изделии  на протяжении его жизненного  цикла (Product Lifecycle Management, PLM).

Рассмотрим более подробно каждый из этих подходов.

CAD-ориентированый подход

В CAD-ориентированном подходе, рассматривается проектирование, основанное на CAD-системе и интерактивный  анализ, который проводится с целью  улучшения проектируемого изделия. Данная методика уже получила широкое  распространение. Практически во всех современных CAD-системах предусмотрены  дополнительные модули анализа и  имитации, тесно интегрированные  с системой моделирования. Эти модули позволяют решать задачи кинематического  моделирования, анализа методом  конечных элементов (МКЭ), генерации  сетки и последующей обработки  непосредственно в системе моделирования. Например, система Pro/Engineer фирмы PTC включает в себя модули Pro/Mechanica, выполняющие структурный, вибрационный, температурный и двигательный анализ. Pro/Mesh и Pro/FEMPOST – это пре- и постпроцессоры анализа по МКЭ соответственно [4]. Таким образом МКЭ становится наиболее популярным методом для анализа. К сожалению, часто модели созданные в CAD непригодны для МКЭ. Как показано на рис. 1 для МКЭ в большинстве случаев требуется некая абстрактная модель, в то время как CAD-система обеспечивает создание детализированной твердотельной модели.

Рисунок 1. Геометрические модели: (a) детализированная CAD-модель; (b) абстрактная  модель CAE.

Следовательно, как показано на рис.2, для получения МКЭ-специфичной  модели необходим процесс преобразования, который удаляет некоторые элементы, и даже изменяет размеры исходной модели. Удаление элементов заключается  в том, что маленькие геометрические элементы, содержащиеся в модели, игнорируются или скрываются. Существуют специальные экспертные системы, в которые загружается CAD-модель и они селективно скрывают геометрические элементы и их свойства, чтобы затем получить модель для анализа. А при изменении размеров происходит некое упрощение твердотельной модели. В результате получается, например, каркасная модель или поверхностная.

Рисунок 2. СAD-ориентированный подход к интеграции CAD и CAE.

Процесс преобразования моделей  является значительным препятствием на пути интеграции CAD и CAE, а также довольно нетривиальной задачей, к тому же требующей значительных временных  затрат. Для решения этой проблемы существует много разработок, в первую очередь связанных с автоматизацией процесса преобразования одной модели в другую. Однако, возможности всех существующих в данное время методов достаточно ограничены, и степень автоматизации процесса преобразования моделей требует совершенствования.

Преобразование моделей  зависит также от наличия тех  или иных свойств у CAD-модели. Если CAD-модель не содержит информацию о  необходимых для CAE свойствах, производится определение этих свойств, путем  анализа твердотельной модели. В  противном случае необходимые свойства конвертируются в свойства CAE-модели. В случае если свойства CAD-модели полностью  идентичны свойствам CAE-модели, никакой  конвертации не производится. Технологии, используемые в процессе преобразования, включают в себя: проектирование на основе конструктивных элементов геометрической модели (фичеров), определение свойств модели, конвертация свойств, удаление некоторых элементов модели и изменение размеров. Также здесь используется твердотельное моделирование и самопересекающееся топологическое моделирование (NMT). Число общих ребер в моделях должно быть чуть меньше или равно двойному количеству ребер. Если это число более чем в два раза превосходит число ребер, тогда модель считается самопересекающейся, в которой одно или более ребер лежит на пересечении более чем двух граней, т.е. она имеет совпадающие ребра. Самопересекающиеся модели позволяют строить топологию, включающую точки, кривые, поверхности и трехмерные объекты, содержащие в себе точки, кривые или поверхности, присоединенные или нет к внешней границе.

CAE-ориентированый подход

В CAE-ориентированном подходе, прежде всего проводится инженерный анализ на основе абстрактной модели, с целью определения всех параметров CAE-модели. Как показано на рис.3 модель для проектирования получается путем добавления дополнительных элементов, а также необходимой информации о размерах.

Рисунок 3. CAE-ориентированный  подход к интеграции CAD и CAE.

Этот подход, основанный на добавлении элементов модели и образмеривании прямо противоположен CAD-ориентированному подходу, который требует упрощения геометрии модели с целью приближения к модели МКЭ. В случае ориентации на CAE, требуются автоматизированные процедуры формирования твердотельных моделей на основе абстрактных предшественников. В противном случае, конструкторам потребуется вручную восстанавливать геометрию по проектной документации. В случае CAE-ориентированного подхода, аналогично CAD-подходу, существуют различные технологии преобразования в зависимости от наличия и содержания свойств в CAE модели. При данном подходе используются технологии проектирования на основе фичеров, определения свойств модели и конвертации свойств из NMT-модели, а также добавления элементов и размеров NMT-модели. Добавление размеров – это технология создания твердотельных моделей из абстрактных NMT-моделей, используемая в CAE-ориентированном подходе. Добавляется толщина для поверхностей и производится утолщение каркасов.

CAD/CAE-ориентированый подход

CAD- и CAE-ориентированные  подходы требуют двойных усилий  по созданию и непрерывному  поддержанию двух различных моделей  одного изделия. Отсутствие автоматизированных  средств трансформации из одного типа модели в другой может привести к тому, что модель придется восстанавливать по документации. Это является узким местом в интеграции CAD-CAE. В дополнение, при инженерном анализе часто требуется менять степень детализации (LOD) и/или уровень абстракции (LOA) рассматриваемой модели. Как только меняются LOD и LOA, необходимо заново проводить процесс трансформации. В качестве решения данных проблем предлагаются варианты общего модельного пространства, а также двунаправленной интеграции CAD-CAE [6]. В данном случае система позволяет CAD-системе автоматически генерировать модели для анализа, а CAE-системе автоматически модифицировать геометрию деталей и проводить новый анализ. Процесс преобразований повторяется, пока не будет достигнут заданный критерий.