Тема: Введення в САПР.
Мета: вивчити основні поняття автоматизованого проектування, познайомитися з історією розвитку САПР та основними розробниками.
План:
Введення в автоматизоване проектування.
Загальні відомості про CAD/CAM/CAE-системи.
Історія розвитку світового ринку САПР.
Основні розроблювачі CAD/CAM/CAE-систем.
Стратегічна лінія сучасного розвитку на прискорення соціально-економічного розвитку - це вихід у короткий термін на самі передові науково-технічні позиції, на вищий світовий рівень продуктивності суспільної праці. Для реалізації цієї стратегії необхідні створення й швидке якісне впровадження високоефективних машин, устаткування, приладів і технологічних процесів, що забезпечують високі темпи науково-технічного прогресу.
Для розвитку виробництва на сучасному етапі необхідно впроваджувати автоматизовані системи в різні сфери виробництва, і в першу чергу в проектування, керування встаткуванням і технологічними процесами.
Сучасні завдання, що виникають перед наукою й технікою, викликають необхідність проектування усе більше складних технічних об'єктів у стислий термін. Задовольнити суперечливі вимоги підвищення складності об'єктів, скорочення строків і підвищення якості проектування за допомогою простого збільшення чисельності проектувальників не можна, тому що можливість паралельного проведення проектних робіт обмежена й чисельність інженерно-технічних працівників у проектних організаціях країни не може бути скільки-небудь помітно збільшена. Виходом із цього положення є широке застосування обчислювальної техніки для рішення проектних завдань (систем автоматизація проектування - САПР).
Ціль автоматизації проектування - забезпечити бездефектне проектування, знизити матеріальні витрати, скоротити строки проектування й ліквідувати ріст кількості інженерно-технічних працівників, зайнятих проектуванням.
Знання математичного апарата, застосовуваного в інженерних дослідженнях, уміння користуватися математичними моделями при оптимальному проектуванні реальних об'єктів і систем, знання програмних і технічних засобів САПР й уміння користуватися ними як інструмент проектувальника повинні дозволити сучасним інженерам ставити й вирішувати завдання автоматизації проектування по галузях техніки.
На думку провідних світових аналітиків, основними факторами успіху в сучасному промисловому виробництві є: скорочення строку виходу продукції на ринок, зниження її собівартості й підвищення якості. До числа найбільш ефективних технологій, що дозволяють виконати ці вимоги, належать так називані CAD/CAM/CAE-системи (системи автоматизованого проектування, технологічної підготовки виробництва й інженерного аналізу).
CAD-системи (computer-aided design – комп'ютерна підтримка проектування) призначені для рішення конструкторських завдань та оформлення конструкторської документації (більш звично вони іменуються системами автоматизованого проектування – САПР). Як правило, у сучасні CAD-системи входять модулі моделювання тривимірної об'ємної конструкції (деталі) і оформлення креслень і текстовий конструкторской документації (специфікацій, відомостей і т.д.). Провідні тривимірні CAD-системи дозволяють реалізувати ідею наскрізного циклу підготовки й виробництва складних промислових виробів.
CAM-системи (computer-aided manufacturing – комп'ютерна підтримка виготовлення) призначені для проектування обробки виробів на верстатах із числовим програмним керуванням (ЧПУ) і видачі програм для цих верстатів (фрезерних, свердлильних, ерозійних, пробивних, токарських, шліфувальних й ін.). CAM-системи ще називають системами технологічної підготовки виробництва. У цей час вони є практично єдиним способом для виготовлення сложнопрофильных деталей і скорочення циклу їхнього виробництва. В CAM-системах використається тривимірна модель деталі, створена в CAD-системі.
САЕ- системи (computer-aided engineering – підтримка інженерних розрахунків) являють собою великий клас систем, кожна з яких дозволяє вирішувати певне розрахункове завдання (групу завдань), починаючи від розрахунків на міцність, аналізу й моделювання теплових процесів до розрахунків гідравлічних систем і машин, розрахунків процесів лиття. В CAE-системах також використається тривимірна модель виробу, створена в CAD-системі. CAE-системи ще називають системами інженерного аналізу.
CAD/CAM/CAE-системи займають особливе положення серед інших додатків, оскільки представляють індустріальні технології, безпосередньо спрямовані в найбільш важливі області матеріального виробництва. У цей час загальновизнаним фактом є неможливість виготовлення складної наукомісткої продукції (кораблів, літаків, танків, різних видів промислового встаткування й ін.) без застосування CAD/CAM/CAE-систем. За останні роки CAD/CAM/CAE-системи пройшли шлях від порівняно простих креслярських додатків до інтегрованих програмних комплексів, що забезпечують єдину підтримку всього циклу розробки, починаючи від ескізного проектування й закінчуючи технологічною підготовкою виробництва, випробуваннями й супроводом. Сучасні CAD/CAM/CAE-системи не тільки дають можливість скоротити строк впровадження нових виробів, але й впливають на технологію виробництва, дозволяючи підвищити якість і надійність випускає продукции, що (підвищуючи, тим самим, її конкурентноздатність). Зокрема, шляхом комп'ютерного моделювання складних виробів проектувальник може зафіксувати нестиковку й заощаджує на вартості виготовлення фізичного прототипу. Навіть для такого щодо нескладного виробу, як телефон, вартість прототипу може становити кілька тисяч доларів, створення моделі двигуна обійдеться в полмиллиона доларів, а повномасштабний прототип літака буде коштувати вже десятки мільйонів доларів.
Наприклад, широко відомий проект розробки компанією Shorts Brothers фюзеляжу для літака Learjet 45 за допомогою сучасних CAD/CAM/CAE-систем. Раніше компанія Shorts використала в проектно-конструкторських роботах дротове моделювання деталей. У створюваних Shorts Brothers фюзеляжах літаків звичайно налічувалося до 9500 структурних деталей. Подібні проекти могли зажадати більше 440000 людино-днів (до 4-х років для завершення проекту).
Фюзеляж Learjet 45 виявився найбільш складним серед існуючих, але був розроблений у значно менший термін (на 40%), чим його попередники. Крім того, приблизно в 10 разів була поліпшена якість деталей і самої зборки фюзеляжу, а загальне число деталей скорочене на 60% (при зниженні обсягу основних переробок на 90% у порівнянні з попередніми проектами). У цілому, компанія Shorts змогла зменшити число компонентів з 9500 до 3700 (на 60%). Повний час на проектування й технологічну підготовку виробництва було скорочено до 125000 людино-днів. Загальний час розробки й технологічної підготовки виробництва – до 60000 людино-днів, а весь цикл розробки типового фюзеляжу скоротився з 4-х років до 1,5-2 років.
Історію розвитку CAD/CAM/CAE-систем можна досить умовно розбити на три основних етапи, кожний з яких тривав, приблизно, по 10 років:
- перший етап почався в 70-і рр. У ході його був отриманий ряд науково-практичних результатів, що довели принципову можливість проектування складних промислових виробів;
- під час другого етапу (80-і рр.) з'явилися й почали швидко поширюватися CAD/CAM/CAE-системи масового застосування;
- третій етап розвитку ринку (з 90-х рр. дотепер) характеризується вдосконалюванням функціональності CAD/CAM/CAE-систем й їхнім подальшим поширенням у высокотехнологичных виробництвах (де вони найкраще продемонстрували свою ефективність).
На початковому етапі користувачі CAD/CAM/CAE-систем працювали на графічних терміналах, приєднаних до мэйнфреймам виробництва компаній IBM й Control Data, або ж мини-ЭВМ PDP/11 (від Digital Equipment Corporation) і Nova (виробництва Data General). Більшість таких систем пропонували фірми, що продавали одночасно апаратні й програмні засоби (у ті роки лідерами розглянутого ринку минулого компанії Applicon, AutoTrol Technology, Calma, Computervision й Intergraph). У мэйнфреймов того часу був ряд істотних недоліків. Наприклад, при поділі системних ресурсів занадто більшим числом користувачів навантаження на центральний процесор збільшувалася настільки, що працювати в інтерактивному режимі ставало важко. Але в той час користувачам CAD/CAM/CAE-систем нічого, крім громіздких комп'ютерних систем з поділом ресурсів (по встановлюваних пріоритетах), запропонувати було нема чого, тому що мікропроцесори були ще досить недосконалими. По даним Dataquest, на початку 80-х рр. вартість однієї ліцензії CAD-системи доходила до $90000.
Розвиток мікросхем високого ступеня інтеграції уможливило створення сучасних високопродуктивних комп'ютерних систем. Протягом 80-х рр. був здійснений поступовий переклад CAD-систем з мэйнфреймов на персональні комп'ютери (ПК). У той час ПК працювали швидше, ніж многозадачные системи, і були дешевше. По даним Dataquest, до кінця 80-х рр. вартість CAD-ліцензії знизилася приблизно до $20000.
Cледует сказати, що на початку 80-х рр. відбулося розшарування ринку CAD-систем на спеціалізовані сектори. Електричний і механічний сегменти CAD-систем розділилися на галузі ECAD й MCAD. Розійшлися по двох різних напрямках і виробники робочих станцій для CAD-систем, створених на базі ПК. Частина виробників зорієнтувалася на архітектуру IBM PC на базі мікропроцесорів Intel х86. Інші виробники віддали перевагу орієнтації на архітектуру Motorola (ПК її виробництва працювали під керуванням ОС Unix від AT&T, ОС Macintosh від Apple й Domain OS від Apollo).
Продуктивність CAD-систем на ПК у той час була обмежена 16-розрядною адресацією мікропроцесорів Intel й MS DOS. Внаслідок цього користувачі, що створюють складні твердотельные моделі й конструкції, воліли використати графічні робочі станції під ОС Unix з 32-розрядною адресацією й віртуальною пам'яттю, що дозволяє запускати ресурсномісткі додатки.
До середини 80-х рр. можливості архітектури Motorola були повністю вичерпані. На основі передової концепції архітектури мікропроцесорів з усіченим набором команд (Reduced Instruction Set Computing - RISC) були розроблені нові чипи для робочих станцій під ОС Unix (наприклад, Sun SPARC). Архітектура RISC дозволила істотно підвищити продуктивність CAD-систем.
Із середини 90-х рр. розвиток мікротехнологій дозволило компанії Intel удешевить виробництво своїх транзисторів, підвищивши їхню продуктивність. Внаслідок цього з'явилася можливість для успішного змагання робочих станцій на базі ПК із RISC/Unix-станціями. Системи RISC/Unix були широко поширені в 2-й половині 90-х рр., і їхні позиції усе ще сильні в сегменті проектування інтегральних схем. Зате зараз ОС MS Windows 2000 практично повністю домінують в областях проектування конструкцій і механічного інжинірингу, проектування друкованих плат й ін. По даним Dataquest й IDC, починаючи з 1997 р. робочі станції на платформі Windows NT/Intel (Wintel) почали обганяти Unix-станції по обсягах продажів. За минулі з початку появи CAD/CAM/CAE-систем роки вартість ліцензії на них знизилася до декількох тисяч доларів (наприклад, $6000 в Pro/Engineer).
AutoDesk
Компанія AutoDesk є одним з найбільших у світі розроблювачів ПО й входить у п'ятірку лідерів по обсягах продажів програмних засобів. Вона була заснована у квітні 1982 р. групою з 15 програмістів. Восени того ж року на проходила в Лас-Вегасе міжнародній виставці Comdex компанія AutoDesk оголосила про створення CAD-системи AutoCAD, що надійшла в масовий продаж на початку 1983 р.
У цей час AutoDesk поставляє ціле сімейство програмних продуктів (в основі яких лежить AutoCAD), що дозволяють займатися не тільки двомірним проектуванням і получивших широким поширенням у світі. Варто сказати, що до кінця 2001 р. у світі налічувалося більше 4 млн. зареєстрованих користувачів тільки ПО AutoCAD і більше 1,7 млн. користувачів ПО AutoCAD LT. До складу AutoDesk як підрозділ входить фірма Kinetix, відома такими програмними засобами, як 3D Studio MAX, 3D Studio VIZ, Character Studio, Radio Ray й HyperMatter (на початку 1999 р., у зв'язку із придбанням компанією AutoDesk фірми Discreet Logic, дане підрозділ поміняв свою назву на Discreet).
Загальні доходи AutoDesk в 2000-2001 фінансовому році досягли $936,3 млн. (в 1999-2000 р. - $848 млн.).
Autodesk широко відома у світі, у першу чергу, своїми розробками в області CAD-систем: AutoCAD, Mechanical Desktop, Inventor й ін.
CAD-система середнього рівня AutoCAD призначена для проектування, оформлення креслень і конструкторської документації. Вона стала графічним ядром для рішення багатьох завдань, серед яких машинобудівне й архітектурно-будівельне проектування, картографія, геоинформационные системи (ГИС), завдання генплану й землевпорядження, різні спеціалізовані завдання. У цей час в AutoCAD реалізовані всі основні інструменти двовимірного проектування й оформлення креслень, розвинена система тривимірного моделювання й можливості розробки різних додатків для рішення проектних завдань. Формат креслень AutoCAD DWG/DXF став, фактично, міжнародним стандартом оформлення робочої документації (до сумісності з яким прагнуть навіть конкуренти AutoDesk).
СAD-система середнього рівня Mechanical Desktop використається машинобудівниками для параметричного тривимірного твердотельного моделювання. Вона створена на платформі AutoCAD і сполучає можливості двовимірного креслення й тривимірного моделювання. Поряд з Mechanical Desktop був розроблений й Mechanical Desktop Power Pack, призначений для використання в промисловому машинобудуванні, електромеханічній промисловості, при виробництві товарів народного споживання, а також у виробництві оснащення й інструментів.
Однієї з останніх розробок компанії AutoDesk є CAD-система середнього рівня AutoDesk Inventor, що забезпечує повний цикл конструювання й створення конструкторської документації. AutoDesk Inventor призначений для проектування більших зборок (до десятків тисяч елементів), а також твердотельного моделювання. В AutoDesk Inventor реалізований адаптивний механізм керування даними (в SolidWorks застосовується параметрически-ассоциативный підхід), що підтримує сегментированную базу й забезпечує високу швидкість її завантаження. У серпні 2001 р. була випущена вже п'ята версія AutoDesk Inventor. При її розробці використалися новітні досягнення компанії AutoDesk й інших лідерів Ит-отрасли (у цьому випадку, компаній Microsoft й SGI): можливості адаптивного проектування, робота з виробами обсягом більше 13000 деталей, ефективне використання оперативної пам'яті, графічне ядро, побудоване на основі технології Microsoft-SGI Fahrenheit. Система AutoDesk Inventor одержала поширення в різних областях. Наприклад, AutoDesk Inventor застосовується в компаніях Lamb Technicon Body й Assembly Division при проектуванні ліній зборки автомобілів Ford Expedition/Navigator, у які входять машини для зварювання кузовів, кромкозагибочные й складальні пристрої, преси й ін. У свою чергу, у компанії RTS Wright Industries AutoDesk Inventor використається для розробки конструкцій складних машин і механізмів, використовуваних у виробничому процесі в галузях промисловості, що випускають волоконно-оптическую техніку, автомобілі, фото^-електроніку, високошвидкісне встаткування, телекомунікаційне устаткування, робототехнические пристрою, устаткування й механізми для ядерної техніки.
AutoDesk пропонує користувачам AutoDesk Streamline, за допомогою якого здійснюється маніпулювання інформацією про виріб. За допомогою цієї програми підрозділу підприємства можуть користуватися виробничою інформацією й брати участь у впровадженні нових виробничих процесів і виробів. AutoDesk Streamline автоматично підбирає спеціалізовану інформацію про розроблювальних і виготовляти изделиях, що, для різних видів користувачів, і забезпечує можливість спільної роботи над виробом різних підрозділів підприємства.
Dassault Systems/IBM
Компанія Dassault Systems є одним з лідерів світового ринку CAD/CAM-систем. Її історія почалася в 1975 р., коли фірма Avions Marcel Dassault (AMD) придбала ліцензії на ПО CADAM (Computer-Augmented Drafting and Manufacturing) у компанії Lockheed й, таким чином, стала одним з перших постачальників системи CADAM у світі. В 1981 р. була створена компанія Dassault Systems (яку очолив Франсис Бернар), а в 1982 р. на ринку з'явилася система CATIA 1 (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) як спеціальний продукт для тривимірного проектування, поверхневого моделювання й розробки програм для ЧПУ. В 1984 р. у систему CATIA були додані можливості креслення, що забезпечують їй незалежність від CADAM. В 1985 р. була випущена друга версія CATIA з повністю інтегрованими функціями креслення, твердотельного моделювання й керування виготовленням деталей (із цього моменту CATIA стала лідером CAD-додатків в області авіабудування).
В 1992 р. компанії Dassault Systems й IBM вирішили передати ПО CADAM дочірньої компанії - фірмі Dassault Systems of America. З тих пор CATIA й CADAM поступово уніфікуються шляхом злиття кращих технологічних досягнень обох систем.
За умовами партнерської угоди з Dassault, компанія IBM поширює в усім світі продукти CATIA, здійснює їхню підтримку й маркетинг. У жовтні 1997 р. Dassault Systems й IBM відкрили в Сеулі центр по підтримці користувачів CAD/CAM/CAE-системи CATIA. Крім того, компанії випустили Web-браузер на основі Java для моніторингу через Інтернет систем автоматизованого проектування й технологічної підготовки виробництва. Загальний доход компанії Dassault Systems/IBM в 2000 фінансовому році склав 632,4 млн євро.
CAD/CAM/CAE-система верхнього рівня CATIA (з ядром ACIS) розробляється компанією Dassault Systems і просувається компанією IBM. Вона призначена для автоматизованого проектування, твердотельного моделювання, розробки керуючих програм для верстатів зі ЧПУ, технологічної підготовки виробництва, оформлення креслень і конструкторської документації, інженерного аналізу. Споконвічно CATIA створювалася для роботи на мэйнфреймах. Починаючи із третьої версії, вона стала доступна на робочих станціях фірми IBM, а із четвертої версії – і на робочих станціях інших виробників (Hewlett-Packard, Sun Microsystems, Silicon Graphics). З 1999 р. з виходом п'ятої версії CATIA стала працювати як на робочих станціях під UNIX, так і на робочих станціях (ПК) під керуванням MS Windows.
Система CATIA спочатку розроблялася для проектування в авіаційній промисловості, однак згодом сфера її застосування була істотно розширена.
У цей час близько 75 % робочих місць CAD-систем у світовій авіаційній промисловості й близько 50 % робочих місць CAD-систем у світовій автомобільній промисловості займає саме система CATIA. Останнім часом сфера впровадження системи розширюється, охоплюючи всі нові галузі загального машинобудування, хімічне й нафтохімічне машинобудування, проектування заводів і промислових установок, виробництво товарів споживання, суднобудування й ін.
Особлива увага приділяється суднобудуванню. Починаючи з 1995-1996 р. розробка й впровадження суднобудівних додатків стає стратегічно пріоритетним напрямком розвитку системи CATIA. Роботу цього напрямку очолює один з керівників Dassault Systems, член Ради директорів компанії. Крім великої групи безпосередніх розроблювачів, напрямок підтримується розвитий маркетинговою організацією Dassault Systems/IBM, що включає центри компетенції в Парижу й у США, додаткову групу європейської підтримки й консультантів-представників у Японії й Кореї. Користувачами системи CATIA у галузі суднобудування стали, зокрема, Шербурская верф CMN у Франції (високошвидкісні військові кораблі, пасажирські пороми й прогулянкові яхти), Meyer Werft у Німеччині (пасажирські лайнери вищого класу, різні типи поромів), Delta Marin у Фінляндії (дизайн внутрішніх суднових приміщень, рухові установки), ВМС Нідерландів, Міністерство оборони Великобританії, General Dynamics Bath Iron Works (військові кораблі, есмінці), General Dynamics Electric Boat і Newport News Shipbuilding (атомні підводні човни класу Virginia), Lockheed Martin GES, верфі Litton-Ingalls Shipbuilding, Naval Sea System Command, ВМС Австралії й ін.
У цей час у світі налічується більше 13000 користувачів системи CATIA із загальною кількістю робочих місць близько 120000. Біля десятка корпоративних користувачів мають більше 1000 робочих місць. Серед користувачів CATIA такі компанії, як Boeing, Chrysler, BMW, Honda, Volvo, FIAT, Peugeot-Citroen, Renault, Daimler-Benz, Motorola й ін.