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. Возросла 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 эта схема выглядит следующим образом. По завершении проектирования конструктор передает данные на анализ, например, 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 обычно происходит не все так гладко.

Различные программы, которые используются на каждой стадии, могут быть несовместимы между собой, а это влечет проблемы в переносе 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 могут дать рекомендации по повышению прочности или технологичности, что для конструктора, который работает отдельно от них, может быть не всегда понятно, а с чем-то он может и не согласиться. После изменений в конструкции следует еще раз пройти все стадии. При этом снова будет необходимо решать проблемы передачи уже откорректированных данных от одной программы к другой. Если какая-то информация была добавлена дополнительно на одном из промежуточных этапов, ее нужно будет ввести заново, поскольку она должна уже быть настроена на новые данные. В результате возрастают общие издержки. Для выпуска изделия требуется большее время, теряется качество.

Сегодня с этими проблемами столкнулись уже многие предприятия. И в качестве одного из способов их 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. Также необходимо учесть, что, хотя эти стандартные форматы постоянно улучшаются, они не могут идти в ногу с расширением функциональности современных программ.

В этом случае гораздо более продуктивным является использование программ, базирующихся на едином геометрическом ядре, например, ACIS или Parasolid. Хотя по-прежнему обмен будет идти на низком уровне, вы, по крайней мере, можете быть уверены в том, что данные будут переданы корректно и не потеряют точность.

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. Так, например, работает российская фирма "Топ Системы", поставляя комплекс программ проектирования и подготовки производства под общей маркой T-FLEX. Этот комплекс основан на САПР двухмерного черчения и трехмерного моделирования T-FLEX CAD, которая хорошо зарекомендовала себя и в России, и за рубежом. Помимо T-FLEX CAD, в комплекс входят системы подготовки программ для станков с ЧПУ, технологического проектирования, расчета, проектирования оснастки и т.д.

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. То, что решает все задачи для одного предприятия, может не подойти другому. Кроме того, бывает, что предприятию требуется разрабатывать свои специализированные приложения, и, естественно, желательна их интеграция со всем комплексом. Для ответа на эти пожелания некоторые ведущие разработчики, включая разработчиков T-FLEX CAD, предлагают следующее решение. Они 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. Например, программа T-FLEX CAM, встроенная таким образом в T-FLEX CAD, сохраняет все специализированные настройки на обработку конкретных поверхностей при модификации исходной модели. Или, например, программа расчета, использующая геометрические данные о детали, полученные из T-FLEX CAD, сможет самостоятельно модифицировать исходную модель. Естественно, что использование единой информационной основы полностью исключает проблемы передачи данных или потерю точности.

Этот подход отлично сочетается с методом "командного проектирования" и приводит к реальному сокращению издержек и ускорению выхода изделия на рынок.

 2. Общие сведения о CAD/CAM/CAE-системах

Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE-систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Cледует отметить, что это деление является достаточно условным, т. к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными.

CAD-системы (сomputer-aided design — компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования — САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

Минимальная стоимость комплекса САПР, автоматизирующего все этапы подготовки производства на предприятии, достигается применением систем трех уровней функциональных возможностей и, соответственно, цен. Практический смысл трехуровневой классификации САПР состоит в общей оценке ожидаемого экономического эффекта от внедрения конкретной САПР.

Можно выделить три уровня сложности CAD-систем:

системы нижнего уровня предназначены для автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации,

подготовки управляющих программ для 2.5-осевого оборудования с ЧПУ “по электронному чертежу”.

То есть для сокращения сроков выпуска документации, что позволяет сократить время разработки проектов, но не гарантируют проектировщиков от ошибок даже при полном соответствии документации ЕСКД и ЕСТД. Поэтому экономический эффект таких систем зависит от квалификации и размера зарплаты конструктора или технолога и от их навыков использования САПР;

системы среднего уровня позволяют создать объемную модель изделия, по которой контролируется взаимное расположение деталей,определяются инерционно-массовые, прочностные и прочие характеристики,моделируются все виды ЧПУ-обработки, отрабатывается внешний вид по фотореалистичным изображениям и выпускается документация.

Кроме того, обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота.

Экономический эффект состоит в многократном сокращении затрат на доводку опытных образцов изделий в результате исключения ошибок при проектировании; системы высшего уровня, кроме перечисленных функций, дают возможность конструировать детали с контролем технологичности и учетом особенностей материала (пластмасса, металлический лист), моделировать работу механизмов, проводить динамический анализ сборки с имитацией сборочных приспособлений и инструмента, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки), что исключает брак в оснастке и изготовление натурных макетов, то есть значительно уменьшает затраты и время на подготовку производства изделия.

В свою очередь, CAM-системы (computer-aided manufacturing — компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы — (computer-aided engineering — поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая 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, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

Таким образом,

Computer Aided Design (CAD) — системы автоматизированного конструирования;

Computer Aided Manufacturing (CAM) — программы для подготовки производства;

Computer Aided Engineering (CAE) — модули для решения прикладных задач;

Product Data Management (PDM) — системы управления проектами.