САПР в машиностроении

Основными требованиями к промышленному производству являются сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение ее качества. Выполнить эти требования невозможно без широкого использования методов и систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAD/CAM/CAE-систем).

Историю развития CAD/CAM/CAE-систем в машиностроении часто разделяют на несколько этапов.

На первом этапе (до конца 70-х годов) был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность автоматизированного проектирования сложных промышленных изделий. Возможности систем на первом этапе в значительной мере определялись характеристиками имеющихся в то время графических аппаратных средств. Преимущественно использовались графические терминалы, подключаемые к мэйнфреймам, в качестве которых применялись компьютеры компаний IBM и CDC, или к мини-ЭВМ типа PDP/11. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000.

На втором этапе (80-е годы) появились и начали использоваться графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun Microsystems с архитектурой SPARC или автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX от DEC под управлением ОС Unix. К концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась примерно до $20000. Тем самым были созданы предпосылки для разработки CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения.

На третьем этапе (начиная с 90-х годов) бурное развитие микропроцессоров привело к возможности использования рабочих станций на персональных ЭВМ, что заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. На этом этапе продолжается совершенствование систем и расширение их функциональности. Начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Wintel не уступают Unix-станциям по объемам продаж. Стоимость лицензии снизилась до нескольких тысяч долларов.

Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.

Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы и в начале 90-х такое деление основывалось на значительном различии характеристик используемого для САПР вычислительного оборудования. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного геометрического моделирования применительно к сборочным узлам из многих деталей. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах. По мере улучшения характеристик персональных компьютеров удавалось создавать сравнительно недорогие системы с возможностями параметрического и ассоциативного 3D-моделирования. Такие системы стали относить к CAD/CAM-системам среднего уровня. Сегодня деление CAD/CAM-систем на САПР верхнего, среднего и нижнего уровней еще сохраняется, хотя и страдает очевидной нечеткостью.

Проектирование механических изделий заключается прежде всего в конструировании, т.е. в определении геометрических форм тел и их взаимного расположения. Поэтому история автоматизации проектирования в машиностроении связана с историей компьютерной графики и практически началась с создания первой графической станции. Это была станция Sketchpad с использованием дисплея и светового пера, представленная в 1963 г. И. Сазерлендом. Растровые дисплеи стали применяться в 70-е годы. И. Сазерленд в дальнейшем работал в ARPA, возглавляя в этом агентстве департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета

К 1982 г. твердотельное моделирование начинают применять в своих продуктах компании Computervision, IBM, Prime и др., однако методы получения моделей тел сложной формы еще не развиты, отсутствует поверхностное моделирование. В следующем году разработана техника создания 3D моделей с показом или удалением скрытых линий. В 1986 г. компания Autodesk выпускает свой первый CAD-продукт Autocad, пока однопользовательскую версию на языке Cи с поддержкой формата IGES. В 1988 г. создается аппаратура для прототипирования изделий с помощью лазерной стереолитографии по данным, получаемым в MCAD. Также в 1988 г. компания PTC впервые реализует параметризацию моделей.

Развитие компьютерной графики определялось не только возможностями аппаратных средств, но и характеристиками программного обеспечения. Оно должно было быть инвариантным по отношению к используемым аппаратным средствам ввода и вывода графической информации. Поэтому значительное внимание с 70-х годов уделяется вопросам стандартизации графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.

В 1977 г. ACM публикует документ Core, описывающий требования к аппаратно-независимым программным средствам. А в начале 1982 г. появляется система Graphical Kernel System (GKS), задающая примитивы, сегменты и преобразования графических данных и ставшая стандартом ISO в 1985 г. В 1987 г. разработан вариант GKS-3D с ориентацией на 3D графику.

В 1986 г. утверждается ряд новых стандартов. Среди них CGI (Computer Graphics Interface) и PHIGS P (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) - стандарт ANSI, ставший стандартом ISO в 1989 г. В 1993 году компанией Silicon Graphics предложен стандартOpenGL (SGI Graphical Language), широко используемый в настоящее время.

В этих системах используются графические форматы для обмена данными, представляющие собой описание изображения в функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Графический формат (метафайл) обеспечивает возможность запоминать графическую информацию единым образом, передавать ее между различными системами и интерпретировать для вывода на различные устройства. Такими форматами стали CGM - Computer Graphics Metafile, PostScript - Adobe Systems' Language, GEM - GEM Draw File Format и др.

Работы по стандартизации были направлены на расширение функциональности графических языков и систем, включение в них средств описания не только данных чертежей и 3D-моделей, но и других свойств и характеристик изделий.

В области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического моделирования привела к созданию инвариантных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР. Наибольшее распространение получили два геометрических ядра Parasolid (продукт фирмы Unigraphics Solutions) и ACIS (компания Spatial Technology). Ядро Parasolid разработано в 1988 г. и в следующем году становится ядром твердотельного моделирования для CAD/CAM Unigraphics, а с 1996 г. – промышленным стандартом.

Параллельно проводились работы по стандартизации описаний геометрических моделей для обмена данными между различными системами на различных этапах жизненного цикла промышленной продукции. В 1980 г. появился формат IGES (Initial Graphics Exchange Specification), ставший на следующий год стандартом ANSI. Фирма Autodesk в своих продуктах стала использовать формат DXF (Autocad Data eXchange Format). В 1984 г. в ISO для целей стандартизации в области промышленной автоматизации создается технический комитет TC184, а внутри него для разработки стандартов обмена данными - подкомитет SC4, где и была разработана группа стандартов ISO 10303 STEP (Standard for Exchange Product Model Data), включая язык Express и прикладные протоколы AP203 и AP214.

Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются CATIA (компания Dassault Systemes), Unigraphics (Unigraphics Solution), Pro/Engineer (PTC). Продукты этих фирм доступны с 1981, 1983 и 1987 гг. соответственно. В 1998 г. в компании Крайслер с помощью CATIA демонстрируется возможность создания исчерпывающей цифровой модели автомобиля (проектирование, имитация сборки и испытаний). К числу САПР верхнего уровня в 90-е годы относились также EUCLID3 (Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision), но их развитие было прекращено в связи со слиянием компаний.

Так, в 2001 г. происходит слияние компании Unigraphics Solution с SDRC, что означало постепенное прекращение развития I-DEAS и использование удачных решений двух систем I-DEAS и Unigraphics (UG) в новых версиях системы Unigraphics NX.

Еще раньше система CADDS5 была приобретена компанией PTC (Parametric Technology Corp.). Эта компания, штаб-квартира которой расположена в США, основана в 1985 г. бывшим профессором Ленинградского университета Семёном Гейзбергом.

Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Cimatron (Cimatron Ltd.); ADEM (Omega Technology); Mastercam (CNC Software, Inc.); Powermill (DELCAM) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid относятся, в частности, Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); SolidWorks (SolidWorks Corp.); MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); Anvil Express (MCS Inc.) и др. Компания PTC в своих продуктах начинает применять разработанное ею в 2000 г. геометрическое ядро Granite One.

В 1992 году корпорация Intergraph, один из ведущих на тот момент производителей CAD-систем для машиностроения, приняла решение о разработке нового программного продукта, целиком построенного на базе платформы Wintel. В результате в конце 1995 года появилась система геометрического моделирования Solid. В 1998 году к Unigraphics перешло все отделение Intergraph, занимающееся САПР для машиностроения. В это же время Solid Edge меняет геометрическое ядро ACIS на ядро Parasolid. В 1999 году появляется 6-я версия Solid Edge на русском языке.

В 1993 г. в США создается компания Solidworks Corporation и уже через два года представляет свой первый пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе геометрического ядра Parasolid. Система Solidworks вошла в число ведущих систем среднего уровня.

Ряд CAD/CAM-систем среднего и нижнего уровней разработан в СССР и России. Наибольшее распространение среди них получили Компас (компания Аскон) и T-Flex CAD (Топ Системы) и некоторые другие системы.

Компания Аскон основана в 1989 г. В нее вошел коллектив разработчиков, который до этого в Коломенском конструкторском бюро машиностроения проектировал систему Каскад. Первая версия Компас для 2D проектирования на персональных компьютерах появилась в том же 1989 г. В 2000 г. САПР Компас распространена на 3D проектирование. В 2003 г. выпущена 6-я версия Компас и PDM-система Лоцман:PLM.

Автоматизация технологической подготовки производства в системах CAM не была столь жестко привязана к аппаратным средствам машинной графики, как автоматизация конструирования в системах CAD. Среди первых работ по автоматизации проектирования технологических процессов нужно отметить создание языка APT (Automatic Programming Tools) в 1961 г. в США. Этот язык стал родоначальником многих других языков программирования для оборудования с числовым программным управлением. В СССР Г.К.Горанский создает программы для расчетов режимов резания в первой половине 60-х годов. В.Д.Цветков, Н.М.Капустин, С.П.Митрофанов и др. разрабатывают методы синтеза технологических процессов в 70-е годы.

В системах инженерных расчетов и анализа CAE центральное место занимают программы моделирования полей физических величин, прежде всего это программы анализа прочности по методу конечных элементов (МКЭ).

Метод конечных элементов разработан в 1950 г. специалистами, работающими в областях строительной механики и теории упругости. Сам термин "конечные элементы" был введен в 1960 г. Клафом (R.Clough). В 1963 г. был предложен сравнительно простой способ применения МКЭ для анализа прочности путем минимизации потенциальной энергии. Появились программно-методические комплексы для анализа и моделирования на основе МКЭ.

В 1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, ставит задачу разработки конечно-элементного программного пакета. К 1970 г. такой пакет под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и начал эксплуатироваться. Стоимость разработки, продолжавшейся 5 лет, составила 3-4 млн долларов. Одной из компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation). С 1973 г. MSC (с 1999 г. компания называется MSC.Software Corporation) самостоятельно продолжает развивать пакет MSC.NASTRAN, который стал мировым лидером в своем классе продуктов.

В 1976 г. разработан комплекс DYNA3D (позднее названный LS-DYNA), предназначенный для анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур.

К числу лидеров программ CAE можно отнести также комплекс Ansys. В 2000 г. с помощью средств многоаспектного моделирования, реализованных в Ansys, продемонстрирована возможность совместного моделирования электромагнитных, механических и тепловых процессов при проектировании микроэлектромеханических устройств.

Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams, разработанный и развиваемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.

Для проектирования систем, функционирование которых основано на взаимовлиянии процессов различной физической природы, важное значение имеет возможность многоаспектного моделирования. Теоретические основы многоаспектного моделирования на базе аналогий физических величин рассматривались Г.Ольсоном (1947 г.), В.П.Сигорским (1975 г.) и были реализованы в программах моделирования ПА6 - ПА9, разработанных в МВТУ им. Н.Э.Баумана в 70-80-е годы. Основные положения многоаспектного моделирования позднее были закреплены в стандарте, посвященном языку VHDL-AMS.