Файл: Лекція 17 Основи САПР.doc

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).

2. Загальні відомості про cad/cam/cae-системи

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.

3. Історія розвитку світового ринку сапр

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).