Разновидности сапр

Современные САПР предоставляют широкий спектр интегрированных и изолированных программных продуктов, которые могут решать различные задачи при автоматизации проектирования, подготовке производства, управления:

- создание трехмерной модели изделия;

- создание конструкторской документации на изделие;

- создание технологической документации на изделие;

- анализ изделия (прочностной, динамический анализ и т.д.);

- управление проектами и техническим документооборотом;

- создание технологической оснастки для изготовления изделия;

- изготовление изделия.

Прежде всего появились (70-е годы) и успешно в некоторых случаях применяются до сих пор автономные чертежно-ориентированные системы двумерного моделирования, затем возможности таких систем расширились - создание трехмерной электронной модели объекта, что дает возможность решения задач моделирования вплоть до момента изготовления.

Это CAD-системы (Computer Aided Design — компьютерная поддержка проектирования), предназначенные для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации. Эти системы не изменяют самой технологии проектирования объекта и подготовки производства, представляющие собой, по сути дела, электронный кульман (двухмерное моделирование).

Требование сокращения сроков проектирования, подготовки производства новых видов изделий и разработки таких технологических процессов, которые в условиях конкретного производства позволяют при минимальных затратах получить продукцию с заданными свойствами, вызвало к жизни разработку соответствующих автоматизированных систем.

В современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной конструкции и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). Такие недорогие системы индивидуального пользования (100—3000 долл.) широко распространены. Имеется много версий таких систем (AutoCAD, Autodesk, DataCAD, IntelliCAD, SurfCAM), только AutoCAD к 2003 году продано свыше 4 млн. копий.

Расширение систем - все технологические процессы переводятся в электронный вид. Типовая система технологического проектирования основывается на взаимосвязанных базах данных: изделий и спецификаций, технологических процессов, параметров оборудования, оснастки, материалов, применяемых на предприятии. Автоматизация подготовки технологического процесса дает возможность избежать ошибок и ускорить процесс подготовки производства – появились CAM-системы.

CAM-системы (Computer Aided Manufacturing - компьютерная поддержка изготовления) - системы технологической подготовки производства, предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением и выдачи программ для этих станков. В настоящее время они широко применяются для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла подготовки их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы (Computer Aided Engineering — поддержка инженерных расчетов) – проблемно-ориентированные системы для решения расчетных задач при проектировании (расчеты на прочность, анализ и моделирование тепловых процессов, расчеты гидравлических систем и машин, расчеты процессов литья). В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. Особенно развиты эти системы при автоматизации производства с применением пресс-форм и штампов – на них приходится более половины продаж CAM.

На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах с разделением системных ресурсов центрального процессора. В начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $ 90 тыс. К концу 80-х гг. CAD-системы были переведены на персональные компьютеры, и их стоимость снизилась до $ 20 тыс. Сейчас - несколько тыс. долл.

Сейчас CAD/CAM/CAE-системы представляют собой интегрированные программные комплексы, обеспечивающие единую поддержку всего цикла разработки от эскизного проектирования до технологической подготовки производства, испытаний и сопровождений. Современные CAD/CAM/CAE-системы дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, повысить качество и надежность выпускаемой продукции, уменьшить стоимость отработки (например, заменяя физическое моделирование на основе прототипа математическим).

Традиционно существует деление CAD/CAM/CAE-систем на системы легкого, среднего и тяжелого классов (в соответствии с функциональными возможностями). Это деление достаточно условно, грани между ними стираются, но системы различаются и по функциональным возможностям и по цене. Имеются также САПР, которые не относятся ни к каким классам - это системы, обеспечивающие различные специализированные решения.

Системы легкого класса - совокупность программ, ориентированных на оформление конструкторской и технологической документации. Эти программы, как правило, не связаны единой структурой данных; их функциональные возможности ограничены плоским (или приближенным трехмерным) представлением машиностроительного объекта. Тем не менее, программы этого класса существенно повышают темпы и качество выпускаемой бумажной документации. Локальная автоматизация проектно-конструкторских и технологических рабочих мест на основе таких систем может быть применена, если: разработки отдельных специалистов относительно независимы, документирование ведется в основном на бумажных носителях, предприятие (подразделение) использует традиционную схему документооборота и внесения изменений, уровень сложности выпускаемой продукции невысок. Системы легкого класса предназначены для автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ “по электронному чертежу”. Это позволяет сократить время разработки проектов и выпуска документации, но не гарантируют проектировщиков от ошибок даже при полном соответствии документации стандартам - такие системы эффективны только в случае использования их квалифицированными конструкторами и технологами, имеющими навыки работы с САПР.

Системы среднего класса - функционально-независимые системы, работающие на основе единой структуры данных. Системы позволяют в полной мере осуществлять трехмерное моделирование и создавать электронные математические модели, имеют средства параметрического моделирования. К системам этого класса относятся и специализированные расчетные, аналитические системы, системы подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ. Пользователь получает все преимущества трехмерного проектирования: топологическую точность, возможность анализа трехмерных моделей и использования в подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ. По объемной модели изделия имеется возможность контроля взаимного расположения деталей, определять инерционно-массовые, прочностные и прочие характеристики, моделировать все виды ЧПУ-обработки, отрабатывать внешний вид по фотореалистичным изображениям и выпускать документацию. Обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота.

Использование совокупности проблемно-ориентированных конструкторских и технологических подсистем среднего уровня целесообразно для предприятия, ориентированного на выпуск высокотехнологичной продукции. Экономический эффект состоит в сокращении затрат на доводку опытных образцов изделий в результате исключения ошибок при проектировании. Эти системы неприхотливы к технической платформе, позволяют совмещать функциональность систем верхнего уровня с простотой систем нижнего уровня.

Системы тяжелого класса - многофункциональные интегрированные системы с единой структурой данных и набором проблемно-ориентированных приложений, а также узкоспециализированные системы. Системы обеспечивают две возможности: автоматизацию всего цикла создания изделия от концептуальной идеи до реализации без дополнительного использования внешних приложений и создание единой цифровой модели, с которой все участники проекта могут работать одновременно. Такие системы позволяют изменять сложные структуры в больших сборках, строить сложные ассоциативные связи, а также обладают определенной гибкостью, так как изделие в процессе проектирования постоянно изменяется.

Эти системы дают возможность: конструировать детали с учетом особенностей материалов и технологичности, моделировать работу механизмов, проводить динамический анализ сборки с имитацией сборочных приспособлений и инструментов, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки), что исключает брак в оснастке и изготовление натурных макетов, то есть значительно уменьшает затраты и время на подготовку производства изделия.

Стоимость таких систем вдвое больше систем среднего класса - свыше 10 тыс. долл. на одно рабочее место, на них приходится львиная доля объема рынка в денежном выражении. Применяются такие системы для сложных производств машиностроения, двигателестроения, авиационных и аэрокосмических. Внедрение такой интегрированной автоматизированной системы оправдано для высокоорганизованных предприятий, имеющих достаточные финансовые средства, современное оборудование и высококвалифицированных высокооплачиваемых сотрудников.

Минимальная стоимость комплекса САПР, автоматизирующего все этапы подготовки производства на предприятии, достигается применением систем всех трех классов (уровней функциональных возможностей).

Возможность подробного моделирования как конструкции изделий и их функциональных характеристик, так и процессов их изготовления с помощью САПР тяжелого класса вызвала к середине 90-х годов появление нового типа организации работы промышленного предприятия, названной Concurrent Engineering, позволяющая параллельно поагрегатно разрабатывать и изготовлять изделия. В результате начинать изготавливать изделие можно до выпуска полного комплекта документации, что сокращает время и затраты на проектирование при повышении качества изделий.

Одной из задач управления проектированием является управление потоком работ, состоящих из отдельных шагов различных типов. Шаги маршрута работ могут представлять собой выполнение проектных процедур и операций, пересылку документов и файлов другим пользователям, изменение статуса объекта, просмотр, контроль, утверждение проектов и внесение в них изменений и т.п. Между шагами перемещается пакет документов, документы проекта обрабатываются, видоизменяются, оцениваются, пакет автоматически пополняется. Может осуществляться одновременное управление различными проектами.

Функции координации работ CAD/CAM/CAE-систем, управления проектными данными и проектированием в целом возложены на системы управления проектными данными PDM (Product Data Management) - управление проектированием и его информационным обеспечением. Основным компонентом систем PDM является хранилище данных DW (Data Warehouse), образованное базами данных и системой управления данными.

В системах PDM разнообразие типов проектных данных и документов поддерживается их классификацией, выделением структурных элементов и их описаний в соответствии с атрибутами и связями. Имеется система поиска нужных данных по различным критериям. Например, элементы дерева, представляющего структуру объекта, могут соответствовать сборочным узлам, агрегатам, блокам, отдельным деталям. Навигация по дереву позволяет просматривать относящиеся к структурным единицам документы, геометрические модели, чертежи и другие атрибуты. Редактор позволяет устанавливать связи в виде ссылок между компонентами (например, между изображениями на чертежах и элементами спецификаций).

При внесении изменений в проектные данные обеспечивается целостность проекта – каждый разработчик работает со своей версией проекта (доступ к нему ограничен), имеются средства ведения многих версий проекта, имеются средства учета влияния и автоматического распространения вносимых изменений на другие части проектной документации. Для подготовки, хранения и сопровождения необходимых документов имеются специализированные системы управления документами и документооборотом.

Основные функции систем PDM:

1. Хранение проектных данных (поиск, редактирование, аннотирование чертежей и документов), поддержка классификаторов и справочников, автоматизированное составление спецификаций.

2. Управление конфигурацией объекта, ведение версий проекта, контроль изменений, классификация и формирование обозначений (кодификация), визуализация структуры объекта в виде дерева, в том числе многооконное представление трехмерных изображений.

3. Управление документооборотом, электронным архивом (атрибутирование, поиск по атрибутам, контроль исполнения, маршрутизация и визуализация), ведение распределенных архивов документов.

4. Защита информации и управление правами доступа к данным.

5. Поддержка типовых форматов, генерация отчетов (спецификаций, ведомостей).

Информационная поддержка этапа производства осуществляется автоматизированной системой управления предприятием (АСУП) и автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУТП).

К АСУП относятся следующие системы.

ERP (Enterprise Resource Planning) – система планирования и управления предприятием выполняет бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п.

SCM (Supply Chain Management) – система управления цепочками поставок, управляет поставками материалов и комплектующих.

MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) – система планирования производства и требований к материалам. Система ориентирована на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством.

MES (Manufacturing Execution Systems) – производственная исполнительная система, ориентированная на решение оперативных задач управления проектированием, производством, маркетингом.

CRM (Customer Requirement Management) – система управления взаимоотношениями с заказчиками и покупателями, анализ рыночной ситуации, перспективы спроса на планируемые изделия.

S&SM (Sales and Service Management) – маркетинговые функции, обслуживание изделий.

На этапе эксплуатации применяются также специализированные компьютерные системы, ориентированные на ремонт, контроль, диагностику эксплуатируемых систем.

E-Commerce – системы электронного бизнеса. Ориентированы на организацию на сайтах Интернет витрин товаров и услуг, объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях организаций, специализирующихся на проектировании, изготовлении и поставках продукции.

Интеллектуальные средства поддержки принятия решений

В качестве систем поддержки принимаемых решений – систем DSS (Decision Support System) часто используют хранилища данных и OLAP-средства (On-Line Analytical Processing), которые обеспечивают оперативный доступ к данным для выяснения зависимостей между параметрами.

В составе подсистем управления могут быть средства консультирования по принятию решений. Они могут быть представлены в виде множества модулей, объединяемых гипертекстовой оболочкой. (Гипертекст – структурированный текст с перекрестными ссылками, отражающими смысловые связи частей текста). Библиотека первичных электронных документов – объектно-ориентированная структурированная гипертекстовая библиотека по основным достижениям, проектам, отдельным элементам конкретной области проектирования.

Интегрированные системы

Дальнейшее развитие – создание интегрированных систем, объединяющих комплекс САПР с автоматизированной системой управления предприятием (экономический анализ и прогноз, бухгалтерский учет, управление снабжением и сбытом).

EPD (Electronic Product Definition) - системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта. EPD — это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, маркетинг, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. Система обеспечивает коллективную разработку изделия. С развитием EPD-концепции автономные CAD-, CAM- и CAE-систем превратились в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы - появились системы управления информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла PLM (Product Lifecycle Management).

Системы управления предприятием (ERP) оперируют теми же данными, с которыми работают конструкторы и технологи – информацией об изделиях, материалах и комплектующих, технологических маршрутах и производственных мощностях. Для создания непрерывного конструкторско-производственного цикла объединяются ERP-системы и системы конструкторской и технологической подготовки в рамках единой информационной системы. Разрабатываются как инструменты для интеграции, так и готовые подсистемы, уже настроенные на работу с CAD/CAM и PDM-системами.

Создание полного электронного описания объекта, информационная интеграция позволили перейти к технологии комплексной компьютеризации производства – унификации и стандартизации спецификаций продукции на всех этапах жизненного цикла – CALS-технологии (Continuous Acquisition and Lifecycle Support – непрерывное сопровождение и поддержка жизненного цикла). Такие технологии дают возможность построения открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности. Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документацией. Главная проблема построения таких систем – обеспечение единообразного описания и интерпретации данных независимо от места и времени их получения на основе стандартизованных структуры и языков представления. Описания оборудования, машин и систем (в том числе, ранее спроектированных) хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов. Тогда становится возможной работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAD/CAM/CAE-системы. Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, одна и та же технологическая документация – адаптирована к различным производственным условиям.

Применение CALS-технологии позволяет существенно сократить объемы проектных работ, решать проблемы ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций.