Подготовка кадров
Как же изменятся требования к квалификации инженеров при использовании чертежей будущего?
Очевидно, что они изменятся и очень существенно. В настоящее время главное требование заключается в том, что любой квалифицированный инженер должен, глядя на чертеж в ортогональных проекциях, мог представить себе мысленно деталь, которая будет изготовлена по этому чертежу. И наоборот инженер должен уметь по готовой детали выполнить чертеж в ортогональных проекциях без затруднений. Для опытного инженера это, конечно, несложно, но преподаватели вузов хорошо знают, как трудно научить этому студентов и привить им полноценное пространственное мышление. В будущем эти навыки будут не нужны из-за отсутствия чертежей в ортогональных проекциях. В этом смысле обучение существенно упростится, но появятся новые требования. Каждый инженер должен будет свободно владеть, как минимум одной графической системой и сопутствующим программным обеспечением. У него должно быть хорошо развито пространственное мышление, т.е. он должен уметь мыслить объемными объектами и свободно оперировать ими.
Существует мнение, что пространственное мышление лучше всего развивает начертательная геометрия. По нашему опыту, его также хорошо развивают техническое рисование и компьютерная графика.
Обычно подготовка специалистов для работы в автоматизированных системах осуществляется поэтапно. Первоначально обучение проводится для специалистов отдела САПР, а затем, используя их как "учителей", организуется более широкая, постоянно действующая подготовка кадров на предприятии.
Такой подход оправдывает себя на практике. Он позволяет определенному составу в короткий срок выйти на уровень реальной полноценной работы в данной автоматизированной системе. В основном эти люди разрабатывают различные прикладные инструментальные средства, выполняют срочные работы повышенной сложности для нужд конструкторских и технологических подразделений и обучают специалистов других отделов. Обычно на рабочих станциях работа организована по двухсменному расписанию. Ввиду дефицита "машинного времени" в расписание включаются только наиболее приоритетные работы. Организована работа в ночное время и в выходные дни.
При выполнении подобного рода работ формируются группы параллельного проектирования, где в одну команду объединяются все специалисты, участие которых необходимо для проектирования и изготовления конкретной детали. Например, при изготовлении оснастки для турбинных лопаток в такую группу входят: конструктор по детали, специалист по литью, конструктор по оснастке, технолог, расчетчик программ для станков с ЧПУ.
Одновременная работа всех привлеченных специалистов, ежедневное обсуждение вносимых изменений в геометрические модели детали и оснастки позволяют конструировать высокотехнологичные детали, исключают практику "перебрасывания документации через забор", что в итоге обеспечивает значительное сокращение сроков проектирования и технологической подготовки производства и повышает качество изготовления.
Современные системы автоматизации, проектирования и технологической подготовки производства
Системы проектирования в масштабах предприятия за рубежом принято определять, как CAD/CAM/CAE системы.
Большинство российских предприятий встали или встают на путь полного переоснащения производственной базы, включая и CAD/CAM/CAE технологии. Эти системы являются инструментальной базой по отношению ко всем остальным системам автоматизации производственной и хозяйственной деятельности. Имеющиеся в настоящее время на рынке CAD/CAM/CAE системы для машиностроения можно разделить на универсальные и специализированные, последние могут использоваться, как самостоятельно, так и в составе универсальных. Все универсальные системы содержат три обязательные подсистемы:
1. Пакеты программ графического ядра системы. В основе графических систем лежат трехмерные геометрические моделировщики, а также сервис, соответствующий функциональному назначению. Ядром такого ПО являются графические редакторы, реализующие модели и методы трехмерного (3D) геометрического моделирования и плоского (2D) черчения. Известны четыре программы для графического ядра системы ACIS (Spatial Technology), Concept Modeller (Wisdom), ParaSolid - США и Design Base - Япония, реализующие твердотельную вариационную геометрию при создании геометрических моделей. На них базируются все известные CAD системы.
2. Пакеты для анализа и оценки функциональных и эксплуатационных свойств технических объектов с использованием различных методов математического моделирования (снижение натурных экспериментов за счет математических экспериментов, расчеты на прочность на основе М.К.Э.). Эти пакеты также могут быть универсальными и специализированными. К числу самых известных относятся:
NASTRAN, NISA II, PATRAN, ANSYS, FLUENT.
Специализированные - SIMTEC, MAGMA soft (моделирование процессов отвердевания металлических отливок), MOLD FLOW (литье пластмасс), OPTRIS (деформация при листовой штамповке), POLIGON-отечественная система и ряд других.
 |
3. Системы для подготовки управляющих программ станков и технологического оборудования с ЧПУ. Эти системы могут иметь свой графический редактор. Например, это Smart CAM, CIMCAP, Cimplex, Euclid Peps, Duct и др.
В зависимости от функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации эти системы можно условно разделить на три группы: "легкие", "тяжелые" и "полномасштабные" системы.
Системы легкие:
-ограниченный набор модулей;
-2D редактор (основной);
-графический моделлер с 3D поверхностной графикой, иногда с 3D твердотельной;
-модуль визуализации 3-х мерных тел;
-модуль генерации программ для оборудования с ЧПУ.
Ограничены возможности параметрических и ассоциативных связей, отсутствуют модули управления данными проекта, функционального анализа и управления процессами механосборки. Обычно базовые модули поставляются разработчиками. Модули расширения на CAD/CAM/CAE ,обычно, разрабатываются и поставляются 3 фирмами. Это недорогие системы: AUTOCAD, CADDY, Bravo 3, ICEM, Series, отечественные ADEM (старые версии), Top CAD, Компас-график (старые версии), Альфа, Спрути др.
Система Альфа разработана в Уфе (УГАТУ). На ее основе в ряде ОКБ были развернуты работы по созданию лопаток, в том числе композиционных, с использованием CAD/CAM-систем.
Система Bravo 3 распространяется фирмой Арр1iсоn, обладающей правами собственности на нее. В странах СНГ система Bravo3 использовалась рядом оборонных предприятий на ЭВМ семейства VAX. Сильными сторонами системы всегда были приложения по генерации управляющих программ для станков с ЧПУ, средства разработки прикладных программ и сопровождение. Однако уровень твердотельного моделирования и горизонтальная интеграция модулей не отвечают современным требованиям. Версия MacBravo для ПЭВМ Macintosh - слабая и распространяется с трудом. В целом система находится на достаточно хорошем уровне, но существенно уступает лидерам в области CAD/САМ/САЕ, и по алгоритмической базе значительно отстала от среднепромышленного уровня.
Система ICEM разработана и распространяется известной в прошлом фирмой Control Data Systems. В связи с ошибками руководства корпорацией она понесла большие финансовые потери и находится практически в критическом положении. ICEM содержит полный набор модулей, характерный для САD/САМ/САЕ систем, и распространяется совместно с такими продуктами других фирм, как DUCT (фирмы Delcam) и Pro/Engineer (фирмы РТС). На Западе IСЕМ достаточно распространена в автомобильной и авиационной промышленности, менее известна она в России. Слабой стороной системы является объединение модулей, отвечающих современным требованиям и устаревших, а также полная реализация системы на рабочих станциях типа Cyber 910, имеющих слабое распространение. Будущее системы неопределенно в связи с тяжелым положением фирмы.
Система Series. Эта же система под названием CAEDS распространяется фирмой IBM.
Тенденции - стремятся к тяжелым.
Системы тяжелые и полномасштабные имеют более широкий набор модулей, разрабатываемых фирмой-собственником пакета. Они обеспечивают увеличение функциональности при проектировании, используют геометрические моделлеры с возможностями параметрического моделирования и ассоциативности. Некоторые системы включают наборы модулей управления проектными данными и механическими сборками. Технической базой- PC c OC UNIX или ПК уровня графических PC. Cimatron, KONSYS 2000, Projunior, Mikrostation, AUTOCAD, ADEM и Компас-график последних версий и др.. Они стремятся к системам полномасштабным.
Наиболее распространенными из них являются CADDS-5 (Computervisions), CATIA (IBM), Cimatron, Euclid, I-DEAS, INTERGRAPH, MicroStation,Pro/ENGINEER (PTC -фирма), Unigraphics (EDS) и некоторые другие.
Это сложные многофункциональные системы, увеличивающие набор модулей до (40-70) различного функционального назначения.
Типовые:
-графическое ядро для создания геометрической модели, отдельных деталей, узлов и изделия в целом.
-модуль создания и оперирования процессами механосборки.
-модуль для инженерного анализа с использованием М.К.Э., моделирования, кинематики и динамики механизмов.
-модули конструирования систем управления гидравлических, пневматических, электрических и др. систем жизнеобеспечения.
-набор модулей для технологической подготовки производства.
-модули обмена данными в различных форматах IGES, STEP, DXF, DWG, VDA-FS и др.
-модули управления данными проектов.
-собственная или коммерческая СУБД.
-модули подготовки и выпуска проектной и конструкторской документации по геометрическим модулям.
Базовые наборы модулей могут дополняться ADAMS, MOLD FLOW, NASTRAN и т.д.
Система CADDS5 была разработана фирмой Computervisions, а в настоящее время распространяется фирмой Parametric Technology Corporation. Она является довольно распространенной системой с большим числом инсталляций. К достоинствам этой системы можно отнести следующие:
* полный набор функциональных модулей;
* полная двунаправленная ассоциативность между большинством функциональных модулей;
* хорошее управление данными, есть связь с коммерческими СУБД, модуль PDM продается как самостоятельный продукт;
* поддерживает видеоконференции;
* современный графический интерфейс пользователя (OSF Motif);
* графический интерфейс – единый для большинства модулей;
* хорошие возможности расширения системы (CV-DORS);
* быстро устраняются недостатки, и наращивается число модулей;
* система имеет поддержку на ПЭВМ, совместимых с IВМ РС и РS/2, включающую пакеты Personal Machinist, Personal Designer, Design View, Design Post.
К недостаткам системы относятся:
* высокая сложность системы для освоения, использования и управления;
* сложный и громоздкий интерфейс пользователя;
* проблемы в системной интеграции. Часть модулей, разработанных третьими фирмами, не поддерживает все функции системы;
* имеются модули с одинаковым назначением;
* имеются проблемы в стыковке пакетов на ПЭВМ с CADDS5.
Фирма большое внимание уделяет развитию системы, в последнее время предложена новейшая технология разработки и адаптации средств CAD/САЕ/САМ под названием PELORUS. Однако информация о ней ограничена и не позволяет оценить ее возможности. Тем не менее PELORUS принята как базовая технология такой всемирно известной фирмой, как Mersеdes Benz и консорциумом Airbus Industrie. Финансовое положение фирмы в последнее время существенно улучшилось в результате структурной реорганизации и заключения ряда крупных контрактов.
Система CATIA разработана и распространяется Dassault Systems, но правами собственности обладает IВМ, также распространяющая эту систему. Система широко известна и получила распространение благодаря авторитету и финансовым возможностям IBM. CATIA широко распространена в авиакосмической и автомобильной промышленности.
Достоинства системы:
* полный набор функциональных модулей, включая Piping, Cabling и HVAS;
* распространенная система с большим числом инсталляций;
* современный графический интерфейс пользователя с использованием пиктограмм;
* прекрасные возможности в моделировании поверхностей;
* хорошо зарекомендовавшая себя технологическая часть;
* имеются средства управления роботами;
* на CATIA выполнен ряд сложных проектов: Boeings 777 и серия LH автомобилей фирмы Chrysler.
Недостатки системы:
* недостаточный уровень графического интерфейса пользователя;
* в геометрических моделях недостаточный уровень ассоциативности - устаревшее графическое ядро;
* основные проекты выполнены в предыдущих версиях CATIA на больших ЭВМ, а не на рабочих станциях под AIX;
* недостаточный уровень средств анализа;
* слабая поддержка в проблемных приложениях;
* нет поддержки на ПЭВМ с процессорами Intel;
* нет средств концептуального проектирования сложных изделий;
* реализована только на технических средствах IВМ.
Система в описываемом виде по ряду аспектов морально устарела и уступает современным лидерам в области CAD/САМ/САЕ, но в последующие годы, насколько нам известно, большинство из этих недостатков было устранено, и ее последние версии уже не уступают лидерам. В России она больше используется в автомобилестроении.
Система Cimatron разработана фирмой Cimatron (Израиль), а распространяется в странах СНГ фирмой Capital Technology. С ее помощью организуется CAD/CAM лопаток, в том числе достаточно сложных - композиционных, а также других деталей двигателя. Это быстро развивающаяся система Она предпочтительна с учетом того, что не имеет больших отличий между реализациями для персональных компьютеров и рабочих станций. Она несет в себе все новые подходы в программировании и оптимальна по соотношению эффективность/стоимость. В России используют систему Cimatron такие ОКБ, как АО “Люлька-Сатурн”, ГНПП “Мотор”, ЛНПО им. Климова.
Система EUCLID разработана и продается фирмой Matra Datavision (Франция), входящей в состав Matra Group. EUCLID-IS – широко известная система, отличающаяся высоким уровнем твердотельного моделирования, хорошим управлением данными проекта и производственными приложениями. Последние версии отличаются улучшенной вариационной геометрией, фотореалистичной визуализацией объектов и новым графическим интерфейсом пользователя (на OSF Motif).
Система объединяет большой набор специализированных модулей, ориентированных на решение различных задач в цикле проектирования. Особый интерес представляет модуль моделирования для процессов листовой штамповки, отсутствующий в других системах. Matra Datavision развивает создание интегрированных программных модулей, специализированных на различных видах механообработки и реализующих все требуемые функции: Surfmaster и Foldmaster. В последнее время фирма стала распространять инструментальную среду для разработки приложений CAS/CADE, что усилило позиции системы особенно на рынке СНГ.
К слабым сторонам системы можно отнести:
* недостаточную горизонтальную интеграцию модулей;
* недостаточный уровень управления данными и механическими сборками;
* недостаточный уровень поддержки коллективной работы и работы с ПЭВМ.
Система I-DEAS разработана и распространяется фирмой Structural Dynamics Research Corp. (SDRC). В настоящее время распространяется версия системы под названием Master. Традиционно I-DEAS известна в России как пакет для моделирования с использованием МКЭ, однако, в настоящий момент это мощная CAD/САМ/САЕ система, включающая обширный набор модулей для организации различных вариантов рабочих мест.
К недостаткам системы можно отнести:
* недостаточный уровень управления данными;
* недостаточный уровень управления механическими сборками;
* недостаточная поддержка коллективной работы;
* возможность поддержки на ПЭВМ только на уровне AutoCAD.
В целом система перспективна и может быть рекомендована для использования.
Система I/EMS разработана и распространяется фирмой Intergraph Corp., которая, в отличие от всех рассматриваемых фирм, является крупным производителем рабочих станций и периферии (однако рабочие станции создаются на базе процессоров Intel и имеют высокую стоимость). Благодаря этому фирма предлагает потребителям "интегрированные решения" в области CAD/САМ/САЕ систем для различных применений. I/ЕМS по своим возможностям является одним из лидеров среди CAD/САМ/САЕ систем. В СНГ системы фирмы практически не известны, что в значительной мере объясняется тем, что фирма вышла на российский рынок сравнительно недавно. I/EMS – современная CAD/САМ/САЕ система, отвечающая самым высоким требованиям в этой области и включающая более 40 различных модулей, ориентированных на решение широкого круга задач.
К слабым сторонам системы можно отнести:
* недостаточный уровень работы с параметризованными сборочными единицами.
В последнее время Intergraph, как и Computervision, уделяет большое внимание развитию инструментальных средств (фирмой предложена объектно-ориентированная технология Jupiter, поддерживающая технологию ОLЕ-2 для Windows приложений) и созданию объектно-ориентированных графических систем.
Система Pro/ENGINEER разработана и распространяется фирмой Parametric Technology Corporation (РТС). Фирма очень динамична и очень быстро растет. РТС - один из лидеров на рынке СНГ в секторе полномасштабных САD/САМ/САЕ систем. Систему отличает высокий уровень параметрического твердотельного моделирования с поддержкой ассоциативности на уровне сборок, деталей, свойств и параметров. Достаточно высок уровень технологических модулей в системе и удобен пользовательский интерфейс. Сильной стороной системы является наличие версий практически для всех вариантов технических средств от IBM PC до НР9000system 700. Рейтинг системы достаточно высок и она развивается очень быстро.
К слабым сторонам системы можно отнести:
* недостаточный уровень управления данными;
* недостаточный уровень приложений в различных проблемных областях.
Система UNIGRAPHICS - распространяется компанией EDS, принадлежащей General Motors. Этой же компании фирма McDonnel Douglas уступила права на эту систему и коллектив разработчиков. UNIGRAPHICS – широко известная система, использующаяся в автомобильной и авиационной промышленности. Система содержит обширный набор различных модулей, традиционно сильна в технологических приложениях. К слабым сторонам системы можно отнести недостаточный уровень управления данными и механическими сборками.
Рейтинг системы достаточно высок, в СНГ она приобретена несколькими машиностроительными заводами.
Наиболее интересная на сегодня система ADEM версий 7.1 и 8.2
Система объединяет в едином конструкторском пространстве все известные методы геометрического проектирования:
– плоское двумерное моделирование,
– черчение и оформление конструкторской документации,
– твердотельное пространственное моделирование,
– поверхностное моделирование,
– подготовка геометрической модели для механообработки, включая автоматический пересчет размеров на середину ширины поля допуска
– Плоское моделирование с использованием комплексных объектов, булевых операций, аппликативности
– Динамическая модификация модели с сохранением ее геометрической целостности
– Два типа параметризации
– Разработка растрово-векторной модели на базе сканированного изображения
– Импорт и экспорт плоской геометрии через форматы DXF, IGES, SAT
– Создание библиотек фрагментов
– Единые методы работы с твердыми телами, поверхностями и открытыми оболочками
– Создание объемных сборок
– Автоматическая генерация чертежных видов на базе пространственной модели
– Твердотельное моделирование с использованием как булевых, так и базовых операций
– Импорт объемной геометрии через форматы SAT, IGES, STL, STEP
– Осуществление взаимодействия между твердыми телами и поверхностями (например, обрезка твердого тела поверхностью или поверхности твердым телом)
– Построение сопряжений заданным радиусом (постоянным или переменным), а также фасок (равносторонних или разносторонних) на ребрах твердых тел и открытых оболочек
– Поддержка стандартов:
– ЕСКД
– ЕСТД
– ANSI
– ISO 9000
В настоящее время наиболее распространенной программой для автоматизации проектирования является система AutoCAD, которая с 1982 года получила широкое распространение.
Последняя версия этой системы AutoCAD-2009 построена на приведенных выше современных принципах программного, математического, лингвистического обеспечения САПР.
Банки данных
Информация, подлежащая хранению
Информационное обеспечение САПР своевременно обеспечивает всеми видами полных и достоверных данных все этапы проектирования. При этом на каждом этапе появляется информация нормативно-справочного характера, информация о прототипах, о перспективных разработках, выходная информация предыдущих этапов, а в результате выполнения этапа возникает дополнительная информация о проектируемом объекте. Так как процесс проектирования сложного объекта носит итерационный характер, то возникшая в ходе проектирования информация о проектируемом объекте носит временный характер и постоянно уточняется, пока не закончено проектирование этого объекта.
Очень важно, чтобы на всех этапах проектирования использовались одна и та же информационная база и развивающаяся цифровая модель проекта (под которой понимается совокупность параметров и отношений между ними, обеспечивающих однозначное представление проекта в памяти ЭВМ). Соблюдение этого условия упрощает информационные связи внутри подсистем САПР, между функциональными подсистемами САПР, между этапами проектирования. В конечном счете все это сокращает сроки обмена информацией, сроки проектирования, приводит к безбумажной технологии проектирования, увеличивает эффективность САПР в целом.
Соответствие российской технологии двигателестроения международным стандартам серии ISO 9000-9004 (при функциональном моделировании) ISO 1033 (STEP) и 1358 (P-LIB) (при информационном моделировании) и третьей серии стандартов ISO (в производстве и менеджменте) позволяет усиленно конкурировать на мировом рынке.
По современным представлениям главным условием успешного проведения автоматизированного проектированияявляется хорошо организованное хранение информации. Оно должно осуществляться только в ЭВМ и только в банках данных. Как известно, любой банк данных состоит из базы данных или знаний, в которую входит вся информация, подлежащая хранению, и системы управления базой данных (СУБД), которая является довольно сложной программой для ЭВМ. На рынке программного обеспечения имеется большое число СУБД, имеющих разные возможности и разную цену. При разработке крупных проектов хорошо себя зарекомендовала СУБД Oracle, но для небольших проектов она слишком дорога и приходится выбирать СУБД, исходя в основном из финансовых возможностей организации.
В условиях коллективного пользования базой данных приобретает исключительную значимость вопрос защиты данных. Средства защиты данных, при конкретных реализациях банка данных, могут быть различными и зависят от изобретательности разработчиков. Тем не менее, можно в общих чертах остановиться на рассмотрении некоторых возможностей.
Требуется два вида защиты данных:
1. От несанкционированного доступа к данным.
2. От появления противоречивых и неправильных данных.
Защита от несанкционированного доступа обеспечивается с помощью механизма замков и ключей. Язык описания данных схемы позволяет объявлять замки для защиты элементов данных, записей и других более крупных частей базы данных.
Ключ управления доступом может быть константой, значением переменной или результатом процедуры. Замок управления доступом является либо значением, либо процедурой. Если замок представлен значением, то для получения доступа к данным требуется только совпадение ключа и замка. Если замок представлен процедурой, он использует соответствующий ключ, чтобы определить, следует ли отпереть данные. При этом возможны следующие действия процедуры замка:
- проведение вычислений над ключом для проверки его достоверности;
- проведение диалога с лицом, работающим на терминале, с целью получения ответа на ряд вопросов, прежде чем разрешить ему доступ;
- в случае нарушения защиты - регистрация соответствующей информации и, возможно, выдача сигнала тревоги на «консоль защиты»;
- в случае повторных нарушений - прекращение связи с пользователем, программой или терминальным пользователем;
- задержка выполнения операций с данными до подтверждения права на доступ;
- отключение терминала и т. д.
При проектировании сложных машиностроительных изделий, в том числе и газотурбинных двигателей, целесообразно использовать два банка данных: