Важнейшей проблемой, которую предстоит решать в ближайшее время в области информационных технологий, является электронное описание изделий в процессах конструирования, технологической подготовки производства и производства продукции. Перед промышленностью стоит задача реального перехода предприятий к действительно безбумажным технологиям проектирования, производства и эксплуатации продукции [1].
В настоящее время прогрессивным методом автоматизированного проектирования является разработка и совершенствование конструкции объекта проектирования с использованием современных систем компьютерного трехмерного моделирования. С помощью современных систем проектирования можно создавать многовариантные параметрические и динамические модели, проверять их свойства и поведение на компьютере до запуска в опытную партию и производство, что позволяет существенно сократить количество ошибок проектирования и ускорить реализацию проекта [2].
Одним из наиболее важных этапов проектирования машиностроительных изделий является этап конструирования. Значимость его не только в том, что на этом этапе формируется концептуальный облик будущего изделия, но и в том, что именно на этапе конструирования создаются математически точные геометрические модели как отдельных деталей, так и всего изделия, которые будут играть определяющую роль на всех последующих этапах жизненного цикла изделия.
В настоящее время все существующее программное обеспечение автоматизированного проектирования принято классифицировать по функциональной полноте. По этому признаку оно условно делится на три уровня. К нижнему уровню относятся программы, реализующие 2D модели в виде чертежей и эскизов. На среднем уровне располагаются программные комплексы, которые позволяют создавать трехмерную геометрическую модель сравнительно несложного изделия, в основном методом твердотельного моделирования. Наиболее мощные (тяжелые) программные системы сквозного проектирования и производства расположены на верхнем уровне. В них реализовано поверхностное моделирование. Они предназначены для создания объектов сложной формы (поверхностные формы самолетов, автомобилей, бытовой техники) [1].
Машиностроительные САПР среднего уровня — это системы геометрического моделирования, которые позволяют работать с формами в трехмерном прострастве. К наиболее часто используемым графическим редакторам относятся AutoCAD, КОМПАС, SolidWorks и другие (таблица 1).
Эти системы были созданы для того, чтобы преодолеть проблемы, связанные с использованием физических моделей в процессе проектирования. Эти системы создают среду, подобную той, в которой создаются и изменяются физические модели. Визуальная модель, созданная с использованием системы геометрического моделирования, может выглядеть точно так же, как физическая, но она нематериальна.
Таблица 1
Типичные САПР среднего уровня
|
Фирма и страна производитель |
Autodesk, США |
Siemens PLM Software, США |
Dassault Systemes, США |
АО «АСКОН», Россия |
АО «Топ Системы», Россия |
|
Программные продукты |
Inventor Series, Inventor Professional |
Solid Edge |
Solid Works |
КОМПАС-3D |
T-Flex CAD 3D |
Их общее назначение — создание трехмерных моделей деталей и сборочных изделий. Проектирование происходит на уровне твердотельных моделей с использованием конструкторских библиотек, с привлечением современного математического аппарата для проведения необходимых расчетов.
Каждая из систем проектирования среднего уровня наряду с общими возможностями, объединяющими их, обладает дополнительными свойствами и функциями моделирования [3].
Оптимальное проектирование предполагает создание технического объекта не только выполняющего заданные функции, но и отвечающие некоторым заранее установленным критериям качества.
Самый низкий уровень оптимального проектирования предполагает нахождение лучшего варианта конструкции, основанное на подборе нескольких, выполненных без использования вычислительной техники, математических моделей и соответствующих методов оптимизации вариантов.
При более высоком уровне задачи оптимального проектирования, сформулированные в виде математических моделей, решаются с применение соответствующих математических методов оптимизации и на базе ЭВМ. К высшему уровню относятся задачи оптимального проектирования, решаемые в рамках САПР.
В САПР задачи оптимизации могут решаться на всех этапах процесса проектирования. Так, на этапе эскизной проработки задача оптимального проектирования может состоять в определении рациональных значений необходимого числа основных параметров проекта, определяющих будущий облик технического объекта. На этапах технического и рабочего проектирования задачи оптимизации могут носить более глубокий характер, охватывающий вопросы определения оптимальных значений основных параметров как объекта в целом, так и отдельных узлов и деталей.
В процессе разработки САПР проблема оптимального проектирования заключается в решении следующих основных вопросов:
- определение этапов процесса автоматизированного проектирования, сопровождаемых решением тех или иных задач оптимизации;
- построение математических моделей оптимизации и разработка машинных алгоритмов;
- создание или заимствование программного обеспечения решения задач оптимизации;
- разработка системы диалогового формирования и просмотра вариантов объекта проектирования с определением значений тех или иных показателей качества а также формирования математических моделей и управления процессом решения соответствующих задач.
- оптимизация времени разработки
Совершенствование конструкции при проектировании обеспечивается ее оптимизацией по одному или нескольким критериям. Для различных механизмов критериями эффективности конструкции могут быть приняты: высокая надежность, минимальное межосевое расстояние или масса, габаритные размеры и стоимость, наибольший КПД, высокая точность и т. д. При этом часто критерии могут быть противоречивыми.
При оптимизации по одному критерию задача решается наиболее просто. Например, решение можно получить перебором различных вариантов конструкции и выбором наилучшего. Решение многокритериальных задач более сложно. Многокритериальная оптимизация используется, когда одного критерия для оценки качества недостаточно.
В условиях развития САПР формализация процесса автоматизированного поиска технических решений и оптимизация параметров машиностроительных узлов вызывает значительные трудности и требует применение специальных эвристических методов принятия решений, численных методов оптимизации и больших ресурсов по времени и мощности ЭВМ.
Таким образом, можно сделать вывод, что конструирование — многовариантно. Оптимальным в общем случае следует считать вариант, который обеспечивает нужные показатели работы при минимальных затратах.
Руководство предприятий повсеместно начинает осознавать эффективность вложений в передовые информационные технологии.
В свою очередь, растут и требования, предъявляемые заказчиками к САПР.
Количество пользователей подобных пакетов очень велико, и это создает проблему перегрузки программ функциями, которые многим пользователям могут быть и не нужны. В то же время у отдельных групп пользователей возникают специфические требования, своевременно неучтенные разработчиками основного программного пакета или не представляющие интереса для большинства других пользователей.
По этим причинам в программах массового распространения часто содержатся средства для расширения их функциональности силами самих пользователей.
В качестве простейшего примера средств расширения программного пакета можно назвать макросы — средства, позволяющие запомнить часто повторяющуюся последовательность команд пакета и затем воспроизводить ее всего одной новой командой.
Другим вариантом расширения программных пакетов является использование специализированных языков программирования. Это может быть целесообразно, когда требуется работать со сложными структурами данных и объемными исходными текстами, разработки которых язык VBA не слишком удобен.
Распространен еще один способ наращивания функциональности пакета — разработка дополнительных модулей (Plug-in) на компилируемых языках программирования общего назначения, таких как Pascal, Си или Си++.
Таким образом, можно выделить три основных способа расширения функциональности программных пакетов:
- язык Visual Basic for Applications;
- специфический язык программирования;
- дополнительные модули [4, с. 203].
Каким бы большим ни был набор библиотек к графической системе, он все равно не сможет охватить все множество различных отраслей промышленности и в полной мере удовлетворить требованиям всех категорий пользователей. Это характерно не только для инженерной графики, моделирования или автоматизации производства. В наше время, когда стало нормой внедрять информационные технологии везде, сфера их использования бывает иногда значительно шире их же возможностей. Спектр задач конструирования стал настолько обширным, что решение некоторых из них как стандартными, так и прикладными средствами, предоставленными компанией-разработчиком программного обеспечения, может отнимать много времени и быть нерациональным, а иногда даже невозможным [5, с. 485].
Преимуществом современных машиностроительных систем проектирования является открытость для развития со стороны пользователей — как профессиональных программистов, так и рядовых инженеров. Кроме базовых продуктов и библиотек они включают инструменты и приложения для создания пакета пользовательских библиотек. Все эти дополнительные возможности позволяют автоматизировать повторяющиеся действия, исключить ошибки пользователей и оптимизировать сроки реализации проекта.
Литература:
1. Ханов Г. В., Асеева Е. Н., Дятлов М. Н. Твердотельное геометрическое моделирование в ходе подготовки магистров. // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. cб. науч. cт. № 8 (68) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2010. — 220с. (Сер. Новые образовательные системы и технологии обучения в вузе. Вып. 7). — С. 199–203.
2. Использование твёрдотельного моделирования при графической подготовке студентов ВолгГТУ / Ханов Г. В., Федотова Н. В., Тодорев А. Н., Дятлов М. Н. // Изв. ВолгГТУ. Серия «Новые образовательные системы и технологии обучения в вузе». Вып. 9: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2012. — № 11 (98). — C. 160–162.
3. Ханов Г. В., Дятлов М. Н. Анализ машиностроительных САПР среднего уровня. // II Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» г. Пенза, июнь 2006 г.
4. А. Богуславский Си++ и компьютерная графика. Лекции и практикум по программированию на Си++. — М.: Компьютер Пресс, 2003. — 352 с.: ил.
5. Кидрук М. И. Компас-3D V10 на 100 % (+CD).: Питер, 2009.- 560c.: ил. — (Серия «На 100 %»).
