Обзор CAdCAM систем САПР

Поскольку структура архива формируется самим пользователем, не существует никаких ограничений  на способ и место его применения. Можно использовать архив как  в КБ или ТБ для обеспечения  контроля выполнения заданных работ, так  и индивидуально — как личный архив документов. Но наибольший интерес, и это подтверждается на практике, представляет использование архива в качестве средства работы с составом изделия. В этом случае можно контролировать процесс разработки технической  документации на изделие, выпускать  различного вида ведомости в целом  по изделию и т.д. Кроме того, электронный  архив ADEM Vault не является замкнутой системой, способной только хранить документы, — имеется возможность передавать накопленную информацию (данные спецификаций, технологических процессов и ведомостей) в другие системы, что позволяет интегрироваться с системами управления предприятием. Способы передачи данных могут быть различными: тексты, таблицы баз данных и др., но самым перспективным из них, на наш взгляд, является передача информации с использованием языка XML, который позволяет передавать не только сами данные, но и структурные связи между ними.

В числе новых возможностей системы — анализ геометрии модели. Эта функция позволяет производить  проверку достаточности геометрической информации для подготовки производства и соответствия модели замыслу конструктора. Практика показывает, что подобный анализ крайне важен в плане технических  аспектов, а также помогает решить задачу преодоления структурных  барьеров между подразделениями. Если конструктор на этапе проектирования уже предвидит проблемы, которые  возникнут при подготовке производства, он может использовать альтернативные методы и решения, чтобы обеспечить корректную информационную базу для изготовления изделия.

Еще более серьезной проверкой  технологичности конструкции является применение на этапах проектирования функциональности модуля ADEM CAM. Работая  в едином конструкторско-технологическом  пространстве, пользователь может самостоятельно изготовить виртуальную деталь в  соответствии со всеми законами механообработки  и оценить технологичность, используя  качественные и количественные параметры.

Интеграция конструкторских  и технологических задач на базе единого программного комплекса  дает пользователям уникальное средство, в котором сочетаются математические методы, технический интеллект и  производственный опыт. Становится реальным переход от локальной к общей  эффективности цикла проектирования и подготовки производства.

По мнению ведущих мировых  аналитиков, основными факторами  успеха в современном промышленном производстве являются срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости  и повышение качества. Сейчас общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, различных видов промышленного  оборудования и др.) без применения современных систем автоматизации. К числу наиболее эффективных  технологий, позволяющих выполнить  эти требования, принадлежат так  называемые CAD/CAM/CAE-системы (системы  автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа). Несмотря на широкое распространение систем CAD для проектирования и систем CAE для анализа, эти системы не так  уж хорошо интегрируются. Дело в том, что модели CAD и CAE по сути используют разные типы геометрических моделей, и в настоящее время не существует общей унифицированной модели, которая бы содержала в себе как информацию для проектирования, так и для анализа.

В данной работе намечаются основные пути решения данной проблемы, рассматриваются их достоинства  и недостатки.

Термины CAD, CAM, CAE обозначают следующее:

- CAD-системы (сomputer-aided design) — компьютерная поддержка проектирования, предназначенная для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования — САПР).

- CAM-системы (computer-aided manufacturing) — компьютерная поддержка изготовления, предназначенная для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков. CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства.

- САЕ-системы (computer-aided engineering) — поддержка инженерных расчетов представляющая собой применение обширного класса систем 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. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

- CAD системы, базирующиеся  на трехмерной геометрии, сейчас  широко применяются при проектировании  широкого спектра изделий. В  то же время, инженерный анализ  с использованием CAE-систем необходим  при проектировании изделия. Поэтому  ключевым моментом для улучшения  процесса проектирования является  тесная «бесшовная» интеграция CAD и CAE. Возможность тесной интеграции  зависит от следующих факторов: масштаба, границ и целей CAE-анализа;  природы и качественных характеристик  CAD-модели; степени детализации, требуемой  для CAE.

Существуют четыре основных подхода к интеграции CAD и CAE:

1) CAD-ориентированый;

2) CAE-ориентированный;

3) CAD/CAE-ориентированный;

4) Использование технологии  управления информацией об изделии  на протяжении его жизненного  цикла (Product Lifecycle Management, PLM).

Рассмотрим более подробно каждый из этих подходов.

CAD-ориентированый подход

В CAD-ориентированном подходе, рассматривается проектирование, основанное на CAD-системе и интерактивный  анализ, который проводится с целью  улучшения проектируемого изделия. Данная методика уже получила широкое  распространение. Практически во всех современных CAD-системах предусмотрены  дополнительные модули анализа и  имитации, тесно интегрированные  с системой моделирования. Эти модули позволяют решать задачи кинематического  моделирования, анализа методом  конечных элементов (МКЭ), генерации  сетки и последующей обработки  непосредственно в системе моделирования. Например, система Pro/Engineer фирмы PTC включает в себя модули Pro/Mechanica, выполняющие структурный, вибрационный, температурный и двигательный анализ. Pro/Mesh и Pro/FEMPOST – это пре- и постпроцессоры анализа по МКЭ соответственно [4]. Таким образом МКЭ становится наиболее популярным методом для анализа. К сожалению, часто модели созданные в CAD непригодны для МКЭ. Как показано на рис. 1 для МКЭ в большинстве случаев требуется некая абстрактная модель, в то время как CAD-система обеспечивает создание детализированной твердотельной модели.

Рисунок 1. Геометрические модели: (a) детализированная CAD-модель; (b) абстрактная  модель CAE.

Следовательно, как показано на рис.2, для получения МКЭ-специфичной  модели необходим процесс преобразования, который удаляет некоторые элементы, и даже изменяет размеры исходной модели. Удаление элементов заключается  в том, что маленькие геометрические элементы, содержащиеся в модели, игнорируются или скрываются. Существуют специальные экспертные системы, в которые загружается CAD-модель и они селективно скрывают геометрические элементы и их свойства, чтобы затем получить модель для анализа. А при изменении размеров происходит некое упрощение твердотельной модели. В результате получается, например, каркасная модель или поверхностная.

Рисунок 2. СAD-ориентированный подход к интеграции CAD и CAE.

Процесс преобразования моделей  является значительным препятствием на пути интеграции CAD и CAE, а также довольно нетривиальной задачей, к тому же требующей значительных временных  затрат. Для решения этой проблемы существует много разработок, в первую очередь связанных с автоматизацией процесса преобразования одной модели в другую. Однако, возможности всех существующих в данное время методов достаточно ограничены, и степень автоматизации процесса преобразования моделей требует совершенствования.

Преобразование моделей  зависит также от наличия тех  или иных свойств у CAD-модели. Если CAD-модель не содержит информацию о  необходимых для CAE свойствах, производится определение этих свойств, путем  анализа твердотельной модели. В  противном случае необходимые свойства конвертируются в свойства CAE-модели. В случае если свойства CAD-модели полностью  идентичны свойствам CAE-модели, никакой  конвертации не производится. Технологии, используемые в процессе преобразования, включают в себя: проектирование на основе конструктивных элементов геометрической модели (фичеров), определение свойств модели, конвертация свойств, удаление некоторых элементов модели и изменение размеров. Также здесь используется твердотельное моделирование и самопересекающееся топологическое моделирование (NMT). Число общих ребер в моделях должно быть чуть меньше или равно двойному количеству ребер. Если это число более чем в два раза превосходит число ребер, тогда модель считается самопересекающейся, в которой одно или более ребер лежит на пересечении более чем двух граней, т.е. она имеет совпадающие ребра. Самопересекающиеся модели позволяют строить топологию, включающую точки, кривые, поверхности и трехмерные объекты, содержащие в себе точки, кривые или поверхности, присоединенные или нет к внешней границе.

CAE-ориентированый подход

В CAE-ориентированном подходе, прежде всего проводится инженерный анализ на основе абстрактной модели, с целью определения всех параметров CAE-модели. Как показано на рис.3 модель для проектирования получается путем добавления дополнительных элементов, а также необходимой информации о размерах.

Рисунок 3. CAE-ориентированный  подход к интеграции CAD и CAE.

Этот подход, основанный на добавлении элементов модели и образмеривании прямо противоположен CAD-ориентированному подходу, который требует упрощения геометрии модели с целью приближения к модели МКЭ. В случае ориентации на CAE, требуются автоматизированные процедуры формирования твердотельных моделей на основе абстрактных предшественников. В противном случае, конструкторам потребуется вручную восстанавливать геометрию по проектной документации. В случае CAE-ориентированного подхода, аналогично CAD-подходу, существуют различные технологии преобразования в зависимости от наличия и содержания свойств в CAE модели. При данном подходе используются технологии проектирования на основе фичеров, определения свойств модели и конвертации свойств из NMT-модели, а также добавления элементов и размеров NMT-модели. Добавление размеров – это технология создания твердотельных моделей из абстрактных NMT-моделей, используемая в CAE-ориентированном подходе. Добавляется толщина для поверхностей и производится утолщение каркасов.

CAD/CAE-ориентированый подход

CAD- и CAE-ориентированные  подходы требуют двойных усилий  по созданию и непрерывному  поддержанию двух различных моделей  одного изделия. Отсутствие автоматизированных  средств трансформации из одного типа модели в другой может привести к тому, что модель придется восстанавливать по документации. Это является узким местом в интеграции CAD-CAE. В дополнение, при инженерном анализе часто требуется менять степень детализации (LOD) и/или уровень абстракции (LOA) рассматриваемой модели. Как только меняются LOD и LOA, необходимо заново проводить процесс трансформации. В качестве решения данных проблем предлагаются варианты общего модельного пространства, а также двунаправленной интеграции CAD-CAE [6]. В данном случае система позволяет CAD-системе автоматически генерировать модели для анализа, а CAE-системе автоматически модифицировать геометрию деталей и проводить новый анализ. Процесс преобразований повторяется, пока не будет достигнут заданный критерий.