Системы автоматизированного проектирования САПР CAD/CAM/CAE

Поразительный рост вычислительной мощности компьютеров и широкое распространение программного обеспечения проектирования и производства привели к тому, что инженеры могут использовать системы автоматизированного проектирования (САПР) для решения повседневных задач, а не только для подготовки наглядных иллюстраций. Международная конкуренция, увеличение числа опытных специалистов и повышенные требования к качеству заставляют владельцев предприятий автоматизировать проектирование и производство. Как следствие этого, преподаватели высшей школы чувствуют потребность изменить программу своих курсов, относящихся к проектированию, чтобы научить студентов пользоваться САПР и дать им представления об основных принципах, лежащих в основе этих систем.

Цель этой книга — изложить эти принципы, описать концепции систем, не вдаваясь в конкретные детали, связанные с работой в конкретных пакетах. Некоторым может показаться, что достаточно научить студентов пользоваться существующими системами, или даже одной системой, наиболее популярной, потому что студент с инженерной специальностью станет пользователем, а не разработчиком САПР. Дело, однако, в том, что для эффективной работы с существующим программным обеспечением и создания макросов и программ, автоматизирующих процесс проектирования, пользователь должен иметь представление не только о среде, в которой он работает, но и о принципах, лежащих в ее основе. Фундаментальное знание помогает студенту быстро изучить любую конкретную систему с конкретной средой и использовать ее максимально эффективно. Более того, руководства пользователя, поставляемые с САПР, обычно уделяют основное внимание пользовательскому интерфейсу и синтаксису; предполагается, что пользователь имеет определенную теоретическую подготовку. Без этой подготовки читатель встретит серьезные затруднения с терминологией системной документации, а еще большие сложности у него вызовет анализ сообщений об ошибках.

Эта книга написана главным образом о САПР, используемых в конструировании механических систем. Сведения о компьютерной графике могут, однако, оказаться полезными и тем, кто работает с ней в других областях инженерной деятельности. Книга предназначена для студентов старших курсов и аспирантов. Для работы с ней достаточно знать основы программирования, математического анализа, матричной и векторной алгебры; никаких знаний о собственно САПР у читателя не предполагается. Количество математических терминов и доказательств было сведено к минимуму. Соответствующие разделы излагаются на уровне интуитивного восприятия. Благодаря этому выбор определенных глав книги (см. ниже) позволяет использовать ее в качестве основы для чтения лекций студентам младших курсов, а также в качестве справочника по САПР.

Подготавливая эту книгу, я поставил перед собой цель объяснить фундаментальные концепции, иллюстрируя их адекватным количеством чертежей и примеров, не вдаваясь, однако, в избыточные подробности. Мне попадались учебники, авторы которых не справлялись с изложением основных идей, пытаясь объяснить слишком много частных моментов. Повышенная детализация делает книгу столь толстой, что студенты просто боятся ее открывать. В тех местах, где нужны были подробности, я всегда указывал ссылки на справочную литературу. Я старался рекомендовать только такие работы, которые имели непосредственное отношение к обсуждаемым вопросам, и это позволило мне свести количество ссылок к минимуму. Некоторые учебники рекомендуют столько дополнительной литературы, что студенты просто теряются в ней.

Глава 1 рассказывает о роли САПР в жизненном цикле продукта. Здесь дается определение САПР и приводятся примеры, иллюстрирующие использование САПР в проектировании и производстве. Эти примеры показывают, каким образом принципы, излагающиеся во всех последующих главах, применяются в работе над новыми проектами. Глава 2 рассматривает аппаратные и программные компоненты, из которых состоят современные САПР. Преподавателю рекомендуется обновлять соответствующий раздел своего курса по мере выхода новых программ и нового оборудования.

Глава 3 вводит понятия, относящиеся к графическому программированию с использованием графической библиотеки, не замыкаясь на какой-либо одной из них. Однако примеры в этой главе написаны для библиотеки OpenGL, которая постепенно становится стандартом де факто для персональных компьютеров и рабочих станций. Это глава послужит хорошим введением в тему для любого читателя, интересующегося компьютерной графикой. Глава 4 дает обзор основных функций, предоставляемых пользователю большинством систем автоматизированной разработки чертежей. Как и предыдущая, эта глава рассматривает концепции и функции, имеющиеся во всех широко распространенных системах автоматизированной разработки чертежей. В примерах используются команды AutoCAD, потому что на настоящий момент эта система наиболее популярна. Опыт взаимодействия с конкретной системой студенты должны получать во время лабораторных работ.

Глава 5 описывает основы систем геометрического моделирования. В ней рассказывается о системах нем ногообразного моделирования — развивающейся ветви геометрического моделирования. Отдельные темы, слишком сложные для студентов, но имеющие ценность для профессионалов, вынесены в приложения. Те, кому системы геометрического моделирования нужны только для работы, могут спокойно пропустить их. Главы 6 и 7 посвящены представлению кривых и поверхностей и работе с ними. Это математические основы систем геометрического моделирования и автоматизированной разработки чертежей. Я постарался свести количество типов кривых и поверхностей к минимуму, которого было бы достаточно для большинства приложений. Чтобы студенты не потерялись в большом объеме материала, я вынес сложные математические доказательства в приложения. Объяснение давалось на интуитивном уровне, приемлемом для инженеров, не являющихся профессионалами-математиками.

В главе 8 рассматриваются системы CAE, объясняется процесс анализа методом конечных элементов и описывается подготовка информации, необходимой для этого анализа, на основании геометрических моделей, созданных в CAD. Здесь дается обзор подходов к автоматическому построению сеток конечных элементов. В главе 9 описываются методы оптимизации. Подробно рассказывается о развивающихся методах, таких как метод модельной закалки и генетические алгоритмы. Примером интеграции анализа методом конечных элементов и оптимизации является структурная оптимизация — относительно новая концепция в проектировании. Метод структурной оптимизации может применяться к исходному концептуальному проекту для проверки его соответствия требованиям.

В главе 10 речь идет о различных методах технологической подготовки производства и о программах, позволяющих интегрировать CAD и CAM. Здесь же вводится концепция групповой технологии, которая заключается в кодировании деталей. Без групповой технологии не может быть автоматизированной подготовки производства. В главе 11 рассказывается о том, каким образом осуществляется программирование станков с ЧПУ после построения чертежа детали с помощью CAD и задания параметров технологического процесса ее изготовления. В главе 12 рассматривается еще один аспект CAM — развивающаяся технология, носящая название быстрого прототипирования. В отличие от станков с ЧПУ, она позволяет строить деталь непосредственно по модели, созданной в CAD, без сложного планирования производства. Эта технология первой позволила полностью интегрировать CAD и CAM. Глава 13 посвящена еще одной развивающейся технологии — виртуальному проектированию, объединяющему в процессе разработки продукта системы геометрического моделирования, CAE и CAM.

В главе 14 дается обзор стандартных форматов файлов, позволяющих обмениваться информацией между различными системами. Эти стандарты незаменимы для интеграции САПР.

В конце каждой главы приводятся задачи, назначение которых — проверить качество усвоения материала студентами. Некоторые задачи требуют от студентов использования собственных систем. В этом случае помимо книги им придется пользоваться также документацией — руководствами пользователя.

Как уже отмечалось, книга может использоваться в качестве основы для чтения лекций студентам младших курсов. Приложения можно полностью исключить, потому что они важны для разработчиков систем, а не для пользователей. Вместо них я бы порекомендовал расширить разделы, посвященные применению САПР в целом: построение объемных тел, их чертежей, оценка результатов проектирования методом конечноэлементного анализа и изготовление прототипов на фрезеровальном станке с ЧПУ или других устройствах быстрого прототипирования, таких как устройства стереолитографии. Если книгу планируется использовать в качестве основы для курса геометрического моделирования, главы 1, 2, 4 и 14 можно дать в качестве дополнительной литературы, а основное внимание уделить приложениям.