Огляд машинобудівних САПР

Як правило, машинобудівні САПР мають багатомодульну структуру. Типовий поділ модулів на групи програм конструкторського проектування механічних об'єктів, промислового дизайну, інженерного аналізу (функціонального моделювання), технологічного проектування, обміну даними, візуалізації.

У цей час у світі залишилися три реально розвиваються машинобудівні САПР верхнього рівня. Це Unigraphics (UGS - Unigraphics Solution), CATIA (Dessault Systemes), Pro/Engineer (PTC — Parametric Technology Corporation). Донедавна з ними конкурували системи I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision) і EUCLID (Matra Datavision).

Dessault Systemes, що працює у зв'язку з IBM, поширює систему CATIAv5, у якій використані результати розробок як CATIAv4, так і Euclid Quantum, отримані від Matra Datavision.

Після придбання компанії SDRC корпорацією EDS остання утворила у своєму складі підрозділ EDS PLM Solution, що потім став самостійною компанією Unigraphics Solution. Нова версія Unigraphics, що одержала назву Unigraphics NX, втілила в собі кращі властивості Unigraphics і I-DEAS. Наприклад, в I-DEAS були розвинені засоби інженерного аналізу, але на відміну від Unigraphics слабкі засоби CAM.

Компанія Computervision увійшла до складу PTC ще в 90-роки минулого століття, після чого розвиток CADDS5 було припинено. У теперішній час PTC здійснює впровадження нової версії Pro/Engineer за назвою Wildfire.

До числа тенденцій у розвитку CAD/CAM/CAE-систем варто віднести:

· розвиток САПР, як складової частини системи PLM, тобто інтеграція САПР із іншими системами, що підтримують життєвий цикл виробів;

· реалізація можливостей спільного проектування на базі використання Internet.

Система Unigraphics NX — універсальна система геометричного моделювання й конструкторсько-технологічного проектування, у тому числі розробки більших зборок, міцностних розрахунків і підготовки конструкторської документації. У ній використається концепція майстр-процесів – засобів інтерактивного проектування, що враховують особливості конкретних застосувань. У конструкторській частині (підсистема CAD) є засоби для твердотільного конструювання, геометричного моделювання на основі сплайнових моделей поверхонь, створення креслень по 3D моделі, проектування зборок (у тому числі із сотнями й тисячами компонентів) з обліком асоциативності, аналіз допусків і ін. Як графічне ядро використається Parasolid. У технологічній частині (підсистема CAM) передбачені розробка керуючих програм для токарської й електроерозійної обробки, синтез і аналіз траєкторій інструмента при фрезерної трьох- і п’ятикоординатної обробці, при проектуванні прес-форм і штампів і ін. Для інженерного аналізу (підсистема CAE) у систему включені модулі прочностного аналізу з використанням МСЕ з відповідними пре- і постпроцесорами, кінематичного й динамічного аналізу механізмів з визначенням сил, швидкостей і прискорень, аналізу литтєвих процесів пластичних мас.

Система CATIA V5 використовується на етапах від створення концепції виробу до технологічної підтримки виробництва й планування виробничих ресурсів. У системі реалізоване поверхневе й твердотільне 3D моделювання й оптимізація характеристик виробів. Використовується оригінальне графічне ядро CNEXT. Можливі фотореалістична візуалізація, відновлення математичної моделі з матеріального макета. Система масштабована. Пропонуються типові конфігурації, у тому числі варіанти для повнофункціонального наскрізного проектування складних виробів і проектування комплектуючих на невеликих і середніх підприємствах. До особливостей системи можна віднести наявність модуля формалізації знань, спрямованих на оптимізацію конструкцій і процесів проектування, і антропологічного модуля для моделювання деяких параметрів людини в людино-машинних системах.

У системі Pro/Engineer, що веде свою історію з 1986 р., базові модулі конструкторського проектування призначені для твердотільного й поверхневого моделювання, синтезу конструкцій з базових елементів форми, підтримки параметризації й асоциативності, проекційного креслення й розробки креслень із проставлянням розмірів і допусків. Користувач може поповнювати бібліотеку елементів форми (БЕФ) оригінальними моделями. Для САПР компанії PTC розроблене графічне ядро Granite One. Додаткові модулі конструкторського проектування мають більш конкретну, але вузьку спеціалізацію. Прикладами таких модулів можуть служити модулі конструювання панелей з композиційних матеріалів, розробки штампів і ливарних прес-форм, трубопровідних систем, зварених конструкцій, розведення електричних кабелів і джгутів. Модулі функціонального моделювання використовуються як препроцесори й постпроцесори в програмах скінченноелементного аналізу (нанесення сітки скінченних елементів, візуалізація результатів аналізу), для аналізу теплового стану конструкцій, оцінки вібростійкості й ін. Основні модулі технологічного проектування служать для моделювання технологічних процесів фрезерної, токарської, електроерозійної обробки й для розробки постпроцесорів для систем керування встаткуванням із ЧПК, хоча CAM-засоби в Pro/Engineer не є сильною стороною системи. Модулі обміну даними (конвертори форматів даних) повинні забезпечувати можливості імпорту/експорту даних в інші CAE/CAD/CAM-системи.

До числа особливостей нової версії Wildfire відноситься використання Internet для організації спільного проектування, у тому числі для організації відеоконференцій розроблювачів. Помітно спрощений інтерфейс користувача, завдяки введенню ієрархії піктограм.

Лідируюче положення в класі САПР середнього рівня займають системи Solid Works (Solid Works Corporation), Solid Edge (EDS PLM Solution), Inventor (Autodesk). Компанія PTC також має САПР середнього рівня за назвою Pro/Desktop. У нас нарівні з ними знайшли поширення російські системи Компас (Аскон) і T-Flex CAD (Топ Системи), а також деякі інші системи, у числі яких САПР компаній Autodesk, Beantly, Інтермех, Bee-Pitron. Всі ці системи, як правило, мають підсистеми конструкторсько-креслярського 2D, твердотільного 3D геометричного моделювання, технологічного проектування, керування проектними даними, ряд підсистем інженерного аналізу й розрахунку окремих видів машинобудівних виробів, а також бібліотеки типових конструктивних рішень.

Система твердотільного параметричного моделювання механічних конструкцій Solid Works побудована на графічному ядрі Parasolid. Синтез конструкції починається з побудови опорного тіла за допомогою операцій типу видавлювання, протягання або обертання контуру з наступним додаванням та/або вирахуванням тих або інших тіл. Використовується технологія граничного моделювання (B-representation) з аналітичним або сплайновим описом поверхонь. При проектуванні зборок на основі БЕФ можна задавати різні умови взаємного розташування деталей, автоматично контролювати зазори й відсутність взаємного пересікання деталей. Передбачені IGES, DXF, DWG-інтерфейси з іншими системами. У систему входить модуль міцностних розрахунків Cosmos/Works.

Істотною перевагою системи Solid Edge є високий ступінь інтегруємості із системою високого рівня Unigraphics, тому що системи підтримує одна компанія, у них використовується одне графічне ядро. Технологія конструювання в Solid Edge аналогічна до інших розвинених систем: конструктивні елементи задаються у вигляді перетинів 3D форми, ці перетини шляхом витягування або обертання перетворять у модель деталі.

Система Inventor призначена для твердотільного параметричного проектування, орієнтована на розробку великих зборок із сотнями й тисячами деталей, має розвинену бібліотеку стандартних елементів. Система побудована на графічному ядрі ACIS (на базі цього ядра компанія Autodesk розробила власне ядро Shape Manager). Синтез 3D-моделей можливий видавлюванням, обертанням, по перетинах, по траєкторіях. З 3D-моделі можна одержати 2D креслення й специфікації матеріалів. Підтримується колективна робота над проектом, у тому числі в межах однієї й тієї ж зборки. Передбачено автоматичну перевірку кінематики, розмірів деталі з урахуванням положення сусідніх деталей у зборці. Значні зручності роботи конструкторів обумовлені тим, що асоціативні зв'язки задаються не шляхом опису операцій з параметрами й рівняннями, а безпосередньо визначенням форми й положення компонентів.

Autodesk поставляє також системи середнього рівня MDT (Machanical Desktop) і нижнього рівня AutoCAD LT.

У системі Компас для тривимірного твердотільного моделювання використається оригінальне графічне ядро. Синтез конструкцій виконується за допомогою булевських операцій над об'ємними примітивами, моделі деталей формуються шляхом видавлювання або обертання контурів, побудовою по заданих перетинах. Можливе завдання залежностей між параметрами конструкції, розрахунок масінерційних характеристик. Розробка проектно-конструкторської документації, у тому числі різних специфікацій, виконується підсистемою Компас-Графік. Є бібліотеки з даними про типові деталі й графічними зображеннями, а також програми спеціального призначення (проектування тіл обертання, пружин, металоконструкцій, трубопровідних арматур, штампового оснащення, вибору підшипників кочення, розкрою листового матеріалу й ін.). Проектування технологічних процесів виконується за допомогою підсистеми Компас Автопроект, програмування об'ємної обробки на верстатах із ЧПК – за допомогою підсистеми ГЕМА-3D. Ряд необхідних функцій керування проектними даними покладено на підсистему Компас-Менеджер.

Підсистема тривимірного твердотільного моделювання T-Flex CAD 3D у САПР T-Flex CAD побудована на базі ядра Parasolid. Реалізована двонаправлена асоціативність, тобто зміна параметрів креслення автоматично викликає зміну параметрів моделі й навпаки. При проектуванні зборок зміна розмірів або положення однієї деталі веде до коректування положення інших. Модель 3D може бути отримана безпосередньо по наявному кресленню, або за допомогою булевських операцій, або шляхом виштовхування, протягання, обертання профілю й т.п. Передбачений розрахунок масінерційних параметрів. З іншого боку, можна по видах і розрізам тривимірної моделі одержати креслення, для чого використовується підсистема T-Flex CAD 3D SE. Для параметричного проектування й оформлення конструкторсько-технологічної документації служить підсистема T-Flex CAD 2D, для керування проектами й документообігом - підсистема T-Flex DOCs. У підсистемі технологічного проектування T-Flex/Технопро виконуються синтез технологічних процесів, розрахунок технологічних розмірів, вибір ріжучого й допоміжного інструмента, формування технологічної документації, у тому числі операційних і маршрутних технологічних карт, відомостей оснащення й матеріалів, карт контролю. Підготовка програм для верстатів із ЧПК здійснюється в підсистемі T-Flex ЧПК. Крім названих основних підсистем до складу T-Flex CAD включений ряд програм для інженерних розрахунків деталей, проектування штампів і прес-форм.

Розробкою продуктів для САПР ливарного виробництва займається компанія Moldflow, її програми Part Adviser і Mold Adviser призначені для моделювання процесів лиття пластмас.

Важливе місце в конструкторсько-технологічних САПР займають програми технологічної підготовки виробництва.

Одним з лідерів у цій області є система Mastercam. У системі є модулі розрахунку керуючих програм різних видів обробки заготівель, програми моделювання й доробки моделей, конвертори ряду популярних графічних форматів даних, наприклад, форматів STEP, IGES, Parasolid (xmt, txt), SAT ядра ACIS (sat), систем AutoCAD (dxf, dwg), Inventor (ipt, iam), SolidWorks (sldprt) і ін.

Компанія Consistent Software пропонує систему TechnologiCS для технологічної підготовки дискретного виробництва. Ця система виконує функції складання специфікацій, ведення дерева проекту й бібліотеки креслень, синтезу технологічних процесів, вибору інструмента, розрахунку режимів різання, нормування витрати матеріалів, ведення технологічної документації. Система SolidCAM (CADTech), побудована як і Mechanical Desktop на ядрі ACIS, служить для одержання керуючих програм для токарської, 2,5- і 3-осьової фрезерної обробки на верстатах із ЧПК. Система ТЕХТРАН (НИП "Інформатика") включає модулі токарської, фрезерної, електроерозійної обробки.

Світові лідери серед програм скінченноелементного аналізу є програмно-методичні комплекси Nastran і Patran (компанія MSC Software Corporation) і Ansys (компанія Ansys Inc.).

Як правило, ці комплекси містять у собі ряд програм, близьких по математичному забезпеченню, інтерфейсам, спільності деяких використовуваних модулів. Ці програми розрізняє орієнтація на різні додатки, ступень спеціалізації, ціна або виконувана обслуговуюча функція. Наприклад, у комплексі Ansys основні модулі дозволяють виконувати аналіз механічної міцності, теплопровідності, динаміки рідин і газів, акустичних і електромагнітних полів. В усі варіанти програм входять пре- і постпроцесори, а також інтерфейс із БД. Передбачено експорт (імпорт) даних між Ansys і провідними комплексами геометричного моделювання й машинної графіки.

Світовий лідер серед засобів моделювання механічних процесів на макрорівні шляхом рішення СОДР — програма Adams.