Визначення CAD, САМ і САЕ

Date: 2015-10-07; view: 416.

Огляд

Введення в САПР

Технологічні аспекти теорії проектування як інформаційних систем

Життєвий цикл інформаційної системи

Технології проектування інформаційної системи

Технологічна мережа проектування

Стадії і етапи проектування

Сучасні підприємства не зможуть вижити у всесвітній конкуренції, якщо не будуть випускати нові продукти кращої якості (quality, Q), більш низької вартості (cost, С) і за менший час (delivery, D). Тому вони бажають використовувати великі можливості пам'яті комп'ютерів, їх високу швидкодію і можливості зручного графічного інтерфейсу для того, щоб автоматизувати і зв'язати одну з одною задачі проектування і виробництва, які раніше були стомлюючими і зовсім не пов'язані одна з одною. Таким чином зменшується час і вартість розробки і випуску продукту. Для цієї мети використовуються технології автоматизованого проектування (computer-aided design — CAD), автоматизованого виробництва (computer-aided manufacturing — САМ) і автоматизованої розробки або конструювання (computer-aided engineering — САЕ). Щоб зрозуміти значення систем CAD/CAM/CAE (всі ці системи разом називаються системами автоматизованого проектування), необхідно вивчити різні задачі і операції, які приходиться вирішувати і виконувати в процесі розробки і виробництва продукту. Всі ці задачі, взяті разом, називаються життєвим циклом продукту (product cycle). Приклад життєвого циклу продукту, описаного Зейдом, з незначними вдосконаленнями приведено на рис. 1.

Рис. 1. Життєвий цикл продукту

Прямокутники, нарисовані суцільними лініями, представляють два головних процеси, які складають життєвий цикл продукту: процес розробки і процес виробництва.

Процес розробки починається з запитів споживачів, які обслуговуються відділом маркетингу, і закінчується повним описом продукту (виконується в формі рисунка). Процес виробництва починається з технічних вимог і закінчується поставкою готових виробів.

Операції, що відносяться до процесу розробки, можна поділити на аналітичні і синтетичні.

Як слідує з рис. 1; первинні операції розробки, такі як визначення необхідності розробки, формулювання технічних вимог, аналіз здійсненності і збір важливої інформації, а також концептуалізація розробки, відноситься до підпроцесу синтезу. Результатом підпроцесу синтезу являється концептуальний проект запропонованого продукту в формі ескізу або топологічного креслення, який відображає зв'язки різних компонентів продукту. В цій частині циклу виконуються основні фінансові вклади, що необхідні для реалізації ідеї продукту, а також визначається його функціональність. Велика частина інформації, яка породжується і обробляється в рамках підпроцесу синтезу, являється якісною, а відповідно, незручною для комп'ютерної обробки.

Готовий концептуальний проект аналізується і оптимізується — це вже підпроцес аналізу. Перед усім створюється аналітична модель, так як аналізується модель, а не сам проект. Аналітична модель виходить, якщо з проекту знищити маловажливі деталі. Якість результатів, які можуть бути отримані в результаті аналізу, безпосередньо пов'язано з якістю вибраної аналітичної моделі, якою вона обмежується.

Після завершення проектування і вибору оптимальних параметрів починається етап оцінки проекту. Для цієї мети можуть виготовлюватися прототипи. В конструюванні прототипів все більшу популярність набуває нова технологія, яка називається швидким прототипіюванням (rapid prototyping). Ця технологія дозволяє конструювати прототип знизу вверх, тобто безпосередньо з проекту, так як фактично вимагає лише тільки дані про поперечний переріз конструкції. Якщо оцінка проекту на основі прототипу показує, що проект незадовольняє вимогам, тоді процес розробки повторюється спочатку.

Якщо результат оцінки проекту задовольняє вимогам, починається підготовка проектної документації. До неї відносяться креслення, звіти і списки матеріалів. Креслення копіюються, а копії передаються на виробництво.

Як видно з рис. 1, процес виробництва починається з планування, яке виконується на основі отриманих на етапі проектування креслень, а закінчується готовим продуктом. Технологічна підготовка виробництва — це операція, яка встановлює список технологічних процесів по виготовленню продукту і така, що задає їх параметри. Одночасно вибирається обладнання, на якому будуть вироблятися технологічні операції, наприклад, такі як отримання деталі необхідної форми з заготовки. В результаті підготовки виробництва складається план випуску, списки матеріалів і програм для обладнання. На цьому ж етапі обробляються інші специфічні вимоги, наприклад, можуть розглядатися конструкції зажимів і кріплень. Підготовка займає в процесі виробництва приблизно таке ж місце, як підпроцес синтезу в процесі проектування, вимагаючи значного людського досвіду і прийняття якісних рішень. Така характеристика має складність комп'ютеризації даного етапу. Після завершення технологічної підготовки починається випуск готового продукту і його перевірка на відповідність вимог. Деталі, що успішно пройшли контроль якості, збираються разом, проходять тестування функціональності, упаковуються, маркіруються і відправляються замовникам.

В даному випадку був описаний типовий життєвий цикл продукту. Тепер розглянемо, яким чином на етапах цього циклу можуть бути застосовані технології CAD, САМ і САЕ. Комп'ютери не можуть широко застосовуватися в підпроцесі синтезу, так як вони не володіють здатністю добре обробляти якісну інформацію. Однак навіть на цьому етапі розробник може, наприклад, за допомогою комерційних баз даних успішно зібрати важливу для аналізу здійсненності інформацію, а також користуватися даними із каталогів.

На етапі інтелектуального вибору комп'ютер може зробити свій вклад, забезпечуючи ефективність створення різних концептуальних проектів. Корисними можуть бути засоби параметричного і геометричного моделювання, а також макропрограми в системах автоматизованої розробки креслень (computer-aided drafting). Все це типові приклади систем CAD. Система геометричного моделювання (geometric modeling system) — це трьохмірний еквівалент системи автоматизованої розробки креслень, тобто програмний пакет, який працює з трьохмірними, а не з плоскими об'єктами.

Програмних пакетів для аналізу напружень, контролю зіткнень і кінематичного аналізу є дуже багато. Ці програмні пакети відносяться до засобів автоматизованого конструювання (САЕ). Головна проблема, яка пов'язана з їх використанням, полягає в необхідності формування аналітичної моделі. Проблеми не було б зовсім якщо б аналітична модель автоматично виводилась з концептуального проекту. Аналітична модель не ідентична концептуальному проекту — вона виводиться з нього шляхом виключення несуттєвих деталей і редукції розмірностей. Необхідний рівень абстракції залежить від типу аналізу і бажаної точності рішення. Тому, автоматизувати процес абстрагування достатньо складно, тому аналітичну модель часто створюють окремо. Звичайно абстрактна модель проекту створюється в системі розробки робочих креслень або в системі геометричного моделювання, а іноді за допомогою вбудованих засобів аналітичного пакета. Аналітичні пакети вимагають, щоб структура була представлена у вигляді об'єднання зв'язаних сіток, що розділяють об'єкт на окремі ділянки, зручні для комп'ютерної обробки. Якщо аналітичний пакет може генерувати сітку автоматично, людині залишається задати лише границі абстрактного об'єкту. В противному випадку сітка також створюється користувачем або в інтерактивному режимі, або автоматично, але в іншій програмі. Процес створення сітки називається моделюванням методом кінцевих елементів (finite-element modeling). Моделювання цим методом включає в себе також завдання граничних умов і зовнішніх завантажень.

Підпроцес аналізу може виконуватися в циклі оптимізації проекту по будь-яким параметрам. Розроблено багато алгоритмів пошуку оптимальних рішень, а на їх основі побудовані комерційні доступні програми. Процедура оптимізації може вважатися компонентом системи автоматизованого проектування.

Фаза оцінки проекту також виграє від використання комп'ютера. Якщо для оцінки проекту потрібний прототип, можна швидко сконструювати його по заданому проекту за допомогою програмних пакетів, що генерують код для машини швидкого прототипіювання. Такі пакети вважаються програмами для автоматизованої підготовки виробництва (САМ). Форма прототипу повинна бути визначення заздалегідь в наборі вхідних даних. Дані, що визначають форму, отримуються в результаті геометричного моделювання.

Швидке прототипіювання — зручний спосіб конструювання прототипу, але ще зручніше користуватися віртуальним прототипом, який часто називається «цифровою копією» (digital mock-up) і дозволяє отримати необхідні відомості.

Коли аналітичні засоби для роботи з цифровими копіями стануть достатньо потужними, щоб давати точні результати, що і еквівалентні експерименти на реальних прототипах, цифрові копії почнуть витісняти звичайні прототипи. Ця тенденція буде підсилюватися по мірі удосконалення технологій віртуальної реальності, що дозволяє відчути цифрову копію так само, як реальний прототип. Віртуальна реальність — це технологія створення зображень, які виглядають як реальні об'єкти. Ця технологія дозволяє оператору відчути цифрові об'єкти і маніпулювати ними так само, як реальними. Побудова цифрової копії називається віртуальним прототипіюванням. Віртуальний прототип може бути створений і в спеціалізованій програмі геометричного моделювання.

Остання фаза процесу розробки — підготовка проектної документації. На цьому етапі корисним стає використання систем підготовки робочих креслень. Здатність подібних систем працювати з файлами дозволяє систематизувати збереження і забезпечення зручності пошуку документів.

Комп'ютерні технології використовуються і на стадії виробництва. Процес виробництва включає в себе планування випуску, проектування і придбання нових інструментів, замовлення матеріалів, програмування машин с числовим програмним керуванням (ЧПК), контроль якості і упаковку. Комп'ютерні системи, що використовуються в цих операціях, можуть бути класифіковані як системи автоматизованого виробництва. Наприклад, програма автоматизованої технологічної підготовки (computer-aided process planning — САРР) використовується на етапі підготовки виробництва і відноситься до систем автоматизованого виробництва (САМ). Існує багато програмних пакетів, які генерують код для станків з числовим програмним керуванням. Станки цього класу дозволяють отримати деталь необхідної форми по даним, що зберігаються в комп'ютері. До систем автоматизованого виробництва також відносяться програмні пакети, що керують рухами роботів при зборці компонентів і переміщені їх між операціями, а також пакети, що дозволяють програмувати координатно-вимірювальну машину (coordinate measuring machine — СММ), яка використовується для перевірки продукту.

Згідно з попередньою темою, автоматизоване проектування (computer-aided design — CAD) представляє собою технологію, що полягає в використанні комп'ютерних систем для полегшення створення, зміни, аналізу і оптимізації проектів. Таким чином, будь-яка програма, що працює з комп'ютерною графікою, так само як і будь-який додаток, що використовується в інженерних розрахунках, відноситься до систем автоматизованого проектування. Іншими словами, більшість засобів CAD можуть представляти собою від геометричних програм для роботи з формами до спеціалізованих додатків для аналізу і оптимізації. Між цими крайностями містяться програми для аналізу допусків, розрахунків мас-інерційних властивостей, моделювання методом кінцевих елементів і візуалізація результатів аналізу. Основна функція CAD — це визначення геометрії конструкції (деталі механізму, архітектурні елементи, електроні схеми, плани будинків та ін.), так як геометрія визначає всі наступні етапи життєвого циклу продукту. Для цієї мети використовуються системи розробки робочих креслень і геометричного моделювання. Крім того, геометрія, яка визначена в цих системах, може використовуватися в якості основи для подальших операцій в системах САЕ і САМ. Це одна з найбільш значних переваг CAD, що дозволяє економити час і скорочувати кількість помилок, що пов'язані з необхідністю визначати геометрію конструкції з нуля кожний раз, коли вона необхідна в розрахунках. Можна стверджувати, що системи автоматизованої розробки робочих креслень і системи геометричного моделювання являються найбільш важливими компонентами автоматизованого проектування.

Автоматизоване виробництво (computer-aided manufacturing — САМ) — це технологія, що полягає в використанні комп'ютерних систем для планування, управління і контролю операцій виробництва через прямий або непрямий інтерфейс з виробничими ресурсами підприємства. Одним з найбільш поширених підходів до автоматизації виробництва являється числове програмне управління (ЧПУ, numerical control — NC). ЧПУ полягає в використанні запрограмованих команд для управління станком, який може шліфувати, різати, фрезерувати, штампувати, згинати та іншими способами перетворювати заготовки в готові деталі. В наш час комп'ютер може генерувати більше програми для станків з ЧПУ на основі геометричних параметрів виробів з бази даних CAD і додаткових відомостей, що надаються оператором. В цьому випадку скорочується необхідність втручання оператора.

Ще одна важлива функція систем автоматизованого виробництва — програмування роботів, які можуть працювати на гнучких автоматизованих ділянках, вибираючи і встановлюючи інструменти і деталі, що обробляються на станках з ЧПУ. Роботи можуть також виконувати свої власні задачі, наприклад займатися зваркою, збіркою і переносом обладнання і деталей по цеху.

Планування процесів також поступово автоматизується. План процесів може визначати послідовність операцій по виготовленню пристроїв від початку і до кінця на всьому необхідному обладнанні. Хоча повністю автоматизувати планування процесів, як вже відмічалося, практично неможливо, план обробки конкретної деталі може бути сформульований автоматично, якщо вже є плани обробки аналогічних деталей. Для цього була розроблена технологія групування, що дозволяє об'єднувати схожі деталі в сімейства. Деталі вважаються подібними, якщо вони мають загальні виробничі особливості (гнізда, пази, фаски, отвори та ін.). Для автоматичного знаходження подібності деталей необхідно, щоб база даних СAD містили відомості про такі особливості. Ця задача здійснюється за допомогою об'єктно-орієнтованого моделювання або розпізнавання елементів.

Ще комп'ютер може використовуватися для того, щоб виявляти необхідність замовлення вихідних матеріалів і деталей, що купляються, а також визначати їх кількість виходячи з графіка виробництва. Називається така діяльність плануванням технічних вимог до матеріалу (material requirements planning — MRP). Комп'ютер може також використовуватись для контролю стану станків в цеху і відправки їм відповідних завдань.

Автоматизоване конструювання (computer-aided engineering — САЕ) — це технологія, що полягає в використанні комп'ютерних систем для аналізу геометрії CAD, моделювання і вивчення поведінки продукту для удосконалення і оптимізації його конструкції. Засоби САЕ можуть здійснювати безліч різних варіантів аналізу. Програми динамічного аналізу з великими зміщеннями можуть використовуватися для визначення напруги і зміщень в складних складових пристроях типа автомобілів. Програми верифікації і аналізу логіки і синхронізації імітують роботу складних електронних кіл.

Найбільш широке застосування в конструюванні має метод кінцевих елементів (finite-element method — FEM). З його допомогою розраховуються потужність, деформації, теплообмін, розподілення магнітного поля, потоки рідини та інші задачі, рішати які будь-яким іншим методом непрактично. В методі кінцевих елементів аналітична модель структури представляє собою з'єднання елементів, завдяки чому вона розбивається на окремі частини, які вже можуть оброблятися комп'ютером.

Для використання методу кінцевих елементів потрібна абстрактна модель належного рівня, а не сама конструкція. Абстрактна модель відрізняється від конструкції тим, що вона формується шляхом виключення несуттєвих деталей. Наприклад, трьохмірний об'єкт невеликої товщини може бути представлений у вигляді двомірної оболонки. Модель створюється або в інтерактивному режимі, або автоматично. Готова абстрактна модель розбивається на кінцеві елементи, що утворюють аналітичну модель. Програмні засоби, що дозволяють конструювати абстрактну модель і розбивати її на кінцеві елементи, називаються препроцесорами (preprocessors). Проаналізувавши кожний елемент, комп'ютер збирає результати разом і представляє їх в візуальному форматі. Наприклад, області з високими напругами можуть бути виділені червоним кольором. Програмні засоби, що забезпечують візуалізацію, називаються постпроцесорами (postprocessors).

Перевагами методів аналізу і оптимізації конструкцій полягає в тому, що вони дозволяють конструктору побачити поведінку кінцевого продукту і виявити можливі помилки до створення і тестування реальних прототипів. Так як вартість конструювання на останніх стадіях розробки і виробництва продукту зростає, рання оптимізація і удосконалення, які можливі завдяки аналітичним засобам САЕ, окупаються значним зниженням термінів і вартості розробки.

Таким чином, технології CAD, САМ і САЕ полягають в автоматизації і підвищенні ефективності конкретних стадій життєвого циклу продукту. Розвиваючись незалежно, ці системи ще не до кінця реалізували потенціал інтеграції проектування і виробництва. Для рішення цієї проблеми була запропанована нова технологія, яка називається комп'ютеризованим інтегрованим виробництвом (computer-integrated manufacturing — CIM). CІM намагається з'єднати автоматизації разом і перетворити їх в безперебійно і ефективно працюючу систему. CIM має на увазі використання комп'ютерної бази даних для більш ефективного управління всім підприємством, в тому числі бухгалтерією, плануванням, доставкою та іншими задачами, а не тільки проектуванням і виробництвом, які охоплюються системами CAD, САМ і САЕ. CIM часто називають філософією бізнесу, а не комп'ютерною системою.