Система автоматизированного проектирования — автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования^[1], представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования. Так же для обозначения подобных систем широко используется аббревиатура САПР.

         Необходимо также автоматизировать управление проектированием, поскольку сам процесс проектирования становится все более сложным и зачастую приобретает распределенный характер^[5]. На крупных и средних предприятиях заметна тенденция к интеграции разнообразных возможностей, позволяющей вести речь об автоматизации всего процесса проектирования, конструирования и производства.

       Сегодня происходит серьезное переосмысление подходов к организации промышленного  производства. Главным фактором успеха сегодня становится повышение качества и скорости проектирования с максимально  быстрым доведением продукта до рынка.

       На  крупных предприятиях на передний план выходят вопросы организации  взаимодействия проектировщиков и  обеспечения интегрированного процесса, охватывающего все стадии — конструирование  изделия, анализ, технологическое проектирование, получение программы для станка с ЧПУ. 

1. Интегрированные системы автоматизированного проектирования

1.1 Основные  тенденции

       Основными тенденциями в развитии рынка  систем автоматизации проектирования и производства является интеграция всех этапов жизненного цикла изделия:

• Проектирование;
• Разработка документации;
• Технологическая подготовка;
• Материально-техническое снабжение;
• Планирование;
• Производство;
• Сервисное обслуживание.

       Одним из ключевых аспектов интеграции является выработка общей информационной среды проекта, где каждый этап и  его подзадачи расширяют информационную структуру изделия. Согласно исследованиям  в области CALS–технологий предлагается деление информации на шесть категорий:

• Конструкторские данные формируются на этапе проектирования изделия и включают: геометрическое описание формы изделия; многоуровневая структура модели, отражающая процесс конструирования изделия; результаты расчетов и технические характеристики.
• Технологические данные возникают на стадии технологической подготовки производства: описание маршрутных и операционных технологий, нормы времени и расхода материалов, управляющие программы для станков с ЧПУ, данные для проектирования приспособлений и специального режущего и мерительного инструмента и т.д.
• Производственные данные относятся к производственному циклу. Данные описывают статус конкретных экземпляров изделия и его компонентов.
• Данные о качестве изделия содержат сведения о соответствии экземпляров изделия техническим требованиям.
• Данные для логистической поддержки изделия на постпроизводственных стадиях жизненного цикла.
• Эксплуатационные данные, необходимые для организации обслуживания и ремонта изделия.

       Для решения задач интеграции разработан и получил широкое применение международный стандарт ISO 10303 STEP –  “Стандарт о представлении информации об изделии и способам работы с  ней”.

       Для построения САПР ключевым вопросом является правильный выбор инструментов на общесистемном  и прикладном уровне. Обзор предлагаемых решений комплексной автоматизации  производства позволяет выделить три  степени интеграции:

• Поддержка стандартных или внутренних протоколов обмена данными для этих пакетов;
• Организация взаимодействия приложений на уровне данных общего пакета, встроенного в эти программы;
• Полная совместимость на уровне структуры данных.

       Большинство инструментальных средств для САПР было реализовано на общесистемном уровне разными разработчиками. Это объясняется двумя факторами: 

• Высокая стоимость  исследований и разработки;
• Инвариантность и узконаправленность решаемых задач.

       Один  из важных аспектов производительности системы – эффективность и  наглядность представления данных.  

2. Интеграция  проектирования, расчетов, технологии и изготовления

       Компьютерное  проектирование, анализ и изготовление принесли моментальный эффект сразу  же с момента своего появления  в 70-х годах. С тех пор так  называемые системы CAD (проектирование и подготовка чертежей), CAE (анализ и  расчеты) и CAM (подготовка программ для  станков с ЧПУ) были существенно  улучшены. Возросли их эффективность, функциональность и точность результатов. Однако с точки зрения основного  подхода их внедрения, а именно использования  в качестве автоматизации отдельных  элементов процесса проектирования, мало что изменилось.

       Конструктор работает отдельно от специалиста по анализу, а тот, в свою очередь, слабо  связан с технологами или инженерами программ для станков с ЧПУ. Сегодня  по завершении проектирования конструктор  передает данные на анализ, например на прочностной или температурный. Аналитик проводит определенные расчеты и по их результатам дает конструктору рекомендации по изменению изделия. После согласования данные передаются технологу или специалисту по ЧПУ. В конце концов информация в виде технологического процесса или программы ЧПУ достигает производства. Изделие изготавливается. Схема выглядит логичной и стройной, однако на практике все обычно происходит не так.

       Различные программы, которые используются на каждой стадии, могут быть несовместимы между собой, а это влечет за собой  появление проблем переноса данных от одной программы к другой. Это  может привести к потере точности, а иногда и к повторному заданию  одних и тех же данных. Расчетчик  или технолог может дать рекомендации по повышению прочности или технологичности, с которыми конструктор может  и не согласиться. После изменений  в конструкции необходимо еще  раз пройти все стадии. При этом снова необходимо будет решать проблемы передачи уже откорректированных данных от одной программы к другой. Если какая-то информация была добавлена  дополнительно на одном из промежуточных  этапов, ее необходимо будет ввести заново, поскольку она должна уже  быть настроена на новые данные. В результате возрастают общие издержки. Для выпуска изделия требуется  больше времени, снижается его качество.

       Сегодня с этими проблемами столкнулись  уже многие предприятия. И в качестве одного из способов ее решения используют так называемое командное проектирование. Вместо отдельных технологических, конструкторских, расчетных и прочих отделов создается единая команда, отвечающая за изделие. В нее входят конструкторы, технологи, расчетчики и  другие специалисты, вплоть до экономистов  и менеджеров по маркетингу. В небольших  организациях это могут быть один-два  человека, способных выполнить весь комплекс работ.

       Стоит, однако, отметить, что если в плане  организации такая схема выглядит более эффективной, то для того, чтобы решать технические проблемы, связанные с программами и передачей данных, требуется другое — а именно поддержка интеграции непосредственно на уровне программ. Одним из способов обеспечения интеграции является использование стандартных форматов файлов для обмена данными. Используя для передачи графической информации форматы DXF, IGES или STEP, пользователи могут в определенной степени реализовать связь между программами. Однако эти форматы являются низкоуровневыми и не могут обеспечить передачу всего набора данных, которые существуют в современных программах. Кроме того, функции чтения/записи этих форматов в различных программах реализованы по-разному, что часто приводит к несовместимости.

       Другим, гораздо более эффективным способом реализации интеграции является использование программных комплексов, базирующихся на каком-то основном программном продукте — как правило, системе проектирования, черчения и моделирования. Разработчики таких комплексов предлагают набор программ, которые либо работают в рамках единой программной среды, либо имеют хорошо отлаженное взаимодействие между собой.

       Однако  даже этот, казалось бы, оптимальный  способ интеграции нельзя назвать идеальным. Во-первых, в комплексе могут отсутствовать программы из каких-либо областей проектирования, которые необходимы предприятию. Во-вторых, всегда лучше иметь широкий выбор прикладных программ различных разработчиков. Кроме того, бывает, что предприятию требуется разрабатывать свои специализированные приложения, и, естественно, желательна их интеграция со всем комплексом. На эти пожелания ведущие разработчики разрабатывают специальные механизмы доступа к внутренним функциям своих программ. Это позволяет создавать встроенные интегрированные решения для любых сторонних разработчиков, включая пользователей этих программ. Используя связь на уровне внутреннего обмена данными и функциональными возможностями, можно обеспечить любую степень интеграции. Естественно, что использование единой информационной основы полностью исключает проблемы передачи данных или потерю точности^[6].

2 Переход от 2D к 3D

       Интегрированные универсальные  САПР — это системы 3D -моделирования ближайшего будущего. В настоящее время их не существует в том виде, в котором их представляет себе большинство пользователей.

       Без сомнения, одной из основных тенденций  сегодняшнего дня в области проектирования становится переход от двухмерного  проектирования и черчения к трехмерному  моделированию. Такой переход очень  важен. Все вышеизложенные соображения  об интеграции справедливы лишь при  использовании трехмерных моделей. Конечно-элементный расчет или разработка программы для станка с ЧПУ требует трехмерных данных.

       По  статистике, лишь 15% пользователей САПР используют сегодня 3D-моделирование. Однако в последнее время произошел  существенный перелом в этом вопросе, и связан он, прежде всего, с появлением ряда сильных программ моделирования  для персональных компьютеров. Кроме  того, существенно возросла производительность современных ПК. Сегодня уже нет  необходимости тратить многие десятки  тысяч долларов для оснащения  всего лишь одного рабочего места  для трехмерного моделирования.

       Однако  это не значит, что переход от двухмерного проектирования к трехмерному так уж прост и не потребует дополнительных усилий и финансовых трат. Тем не менее во многих случаях такой переход оправдан и окупится сторицей. Рассмотрим основные шаги такого перехода.

       Для того чтобы переход к 3D прошел в  едином ключе для всех проектировщиков, необходимо специфицировать общие  требования к созданию моделей на данном предприятии, подготовить библиотеки, согласовать способы хранения и  именования файлов. Стандартизация повысит  эффективность и обеспечит повторное  использование уже созданных  моделей, а также упростит модификацию. В принципе, этот подход важен для  любого типа проектирования, однако в 3D он наиболее полезен. Нужно постараться  сделать так, чтобы любой проектировщик  смог легко разобраться в структуре  модели, созданной другим конструктором, и ввести необходимые изменения.

       Трехмерное  моделирование требует больших  аппаратных ресурсов, чем двухмерное. Причем наиболее важным является не столько быстродействие процессора, хотя и это весьма существенный параметр, сколько объем оперативной памяти.

       Чем сложнее ваша трехмерная модель, тем  больше памяти для нее требуется. К счастью, сегодня цены на память вполне доступны. Неплохо было бы также оснастить свой компьютер хорошей графической платой. Это позволит ускорить манипулирование 3D-моделью. Однако перед покупкой нужно убедиться, что предлагаемое вам изделие действительно ускорит работу с программой. Для этого нужно проконсультироваться с разработчиками программы.

       Ранее уже говорилось о важности интеграции в проектировании. Переход к 3D потребует  от вас создания новой схемы использования  всего набора программ проектирования, с которыми вы работаете в настоящий  момент. Поэтому необходимо составить  общую структуру функционирования всего комплекса и провести предварительное  тестирование согласованной работы всех компонентов.

       Обучение  является одним из наиболее важных (если не самым важным) моментов перехода к 3D-проектированию. Хотя это потребует определенных временных и финансовых затрат, выигрыш в перспективе будет значительным. Как показала практика, недостаточное обучение или, тем более, его отсутствие приводит к существенным проблемам в производительности проектирования, что обходится намного дороже^[7].

2.1 Преимущества 3D

       Основной  недостаток 2D-проектирования состоит  в том, что по чертежам бывает трудно представить, как изделие выглядит в пространстве. Поэтому предприятиям зачастую приходится сопровождать чертежи  реальными прототипами, в роли которых  выступает первое выпущенное изделие  или первая партия. Ошибки в чертежах приходится исправлять на уже созданном  изделии, что замедляет выпуск продукции  и приводит к дополнительным затратам.

        3D-системы, напротив, позволяют смоделировать  изделие до создания чертежей  или опытных образцов. Основным  документом в этом случае является  объемная компьютерная модель. В  объемности и состоит одно  из главных ее преимуществ.  Если правда, что изображение  стоит тысячи слов, то 3D-модель  стоит тысячи чертежей. Неслучайно  визуализация изделия занимает  первое место в длинном списке  преимуществ трехмерного моделирования. Ведь плоский чертеж статичен, а модель можно поворачивать и изучать с любой точки, меняя масштаб просмотра по своему усмотрению. При этом несложно заметить ошибки и нестыковки в проекте и оценить степень его соответствия исходному замыслу, а также выполнить проверку будущего изделия на собираемость, что крайне важно для последующего изготовления. Благодаря использованию трехмерной технологии предприятие получает возможность качественнее и в более короткие сроки реализовать проект, найти ошибки еще до начала изготовления опытных образцов, а ведь исправление различных недочетов на стадии проектирования обходится в сотни раз дешевле, чем на этапе производства.

         Но для проверки моделей  недостаточно одного лишь визуального  осмотра. Требуется более серьезное  тестирование. 3D-технология помогает  решить эту задачу виртуальными  методами. Модели можно передавать  в системы инженерных расчетов, предназначенные для всестороннего  анализа изделий: на функциональность, прочность, долговечность, устойчивость  к вибрации, управляемость, безопасность, ремонтопригодность, технологичность  и т. д. По 3D-моделям автоматически  вычисляются массово-инерционные  характеристики, объем и другие  важные физические параметры  проектируемых деталей и сборок. Это позволяет оптимизировать  конструкцию с учетом различных физических свойств. Такая возможность обеспечивает трехмерным методам проектирования огромное преимущество перед двумерными. Ведь в мире 2D существует лишь два варианта проверки: ручные вычисления и тестирование реальных макетов. Очевидно, что в обоих случаях требуются немалые денежные и временные затраты. Анализ виртуальных макетов обходится гораздо дешевле и к тому же позволяет проработать множество вариантов исполнения конструкций и выбрать наиболее оптимальное решение.

         Еще одно достоинство 3D-моделей  заключается в том, что их  можно передавать в системы  подготовки производства, которые  автоматически создают программы  для станков с ЧПУ. Это значительно  ускоряет производственный цикл. Как только у заказчика появляется  потребность в сквозной технологии например, когда он покупает станок с ЧПУ и хочет изготовить на нем свое изделие, ему сразу становятся очевидны преимущества 3D-систем.

       Объемные  модели находят применение и на этапах, следующих за производством. С их помощью удобно разрабатывать интерактивную  техническую и эксплуатационную документацию, маркетинговые материалы  и презентации.

         Серьезное преимущество 3D-моделирования  заключается в свойственной этой  технологии ассоциативности. Стоит  изменить размер одной детали  в сборке, как соответствующим  образом поменяются размеры связанных  с нею элементов, причем эти  перемены будут отражены на  чертежах и в спецификациях.  В результате значительно сокращаются  объем ручной работы и число  ошибок, в то время как использование  2D-инструментов превращает внесение  изменений в проект а это неизбежно в очень трудоемкий процесс.

         Очень важное достоинство 3D состоит  в возможности многократного  использования спроектированной  детали или узла для создания  целого семейства аналогичных  объектов. Ведь гораздо проще  внести изменения в существующий  проект, чем создавать его с  нуля. Правда, для этого модель  требуется хорошо проработать  и сделать ее пригодной для  дальнейшей модификации, а управление  данными должно быть организовано  так, чтобы нужные детали можно  было быстро найти.

         Таким образом, становится понятно,  почему трехмерные САПР произвели  революцию в работе инженеров^[7].

Заключение

        В настоящее время  крупные компании, ведущие самостоятельные разработки по основным направлениям развития функциональности САПР, стремятся к интеграции с другими производителями программного обеспечения, решающего узкий круг задач. Обеспечение интеграции возможно через представление собственной функциональности. Для этого используются два подхода: импорт функций; выделение некоторых аспектов функционирования системы в отдельные коммерческие пакеты. Ведущие разработчики стремятся САПР сделать собственное представление данных едиными стандартами обмена информации вместо промышленных форматов, предлагаемых комитетами стандартизации.