Системы автоматизированного проектирования

По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требования, принадлежат так называемые CAD/CAM/CAE-системы (системы автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа).

Необходимость автоматизации всех этапов проектирования, подготовки производства, выпуска продукции в рамках единого решения по управлению предприятием, осознает сейчас подавляющее большинство руководителей отечественных промышленных предприятий. Постепенно это становится залогом удержания своих позиций не только на мировом, но уже и на внутреннем рынке.

Свое начало термин САПР (Система Автоматизированного Проектирования) берет в 1970-х годах. САПР или CAD (Computer-Aided Design) обычно используются совместно с системами автоматизации инженерных расчетов и анализа CAE (Computer-aided engineering). Данные из СAD-систем передаются в CAM (Computer-aided manufacturing) – систему автоматизированной разработки программ обработки деталей для станков с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем)).

Под термином «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно подразумеваются пакеты, выполняющие функции CAD/CAM/CAE/PDM, т. е. автоматизированного проектирования, подготовки производства и конструирования, а также управления инженерными данными.

Первые CAD-системы появились еще на заре вычислительной техники – в 60-х годах. Именно тогда в компании General Motors была разработана интерактивная графическая система подготовки производства, а в 1971-м ее создатель – доктор Патрик Хэнретти (его называют отцом САПР) – основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS), оказавшую огромное влияние на развитие этой отрасли. По мнению аналитиков, идеи MCS составили основу почти 70% современных САПР.

На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах, присоединенных к мэйнфреймам производства компаний IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ PDP/11 (от Digital Equipment Corporation) и Nova (производства Data General). Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мэйнфреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE-систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, т.к. микропроцессоры были еще весьма несовершенными.

В начале 80-х годов, когда вычислительная мощность компьютеров значительно выросла, на сцену вышли первые CAM-пакеты, позволяющие частично автоматизировать процесс производства с помощью программ для станков с ЧПУ, и CAE-продукты, предназначенные для анализа сложных конструкций.

Таким образом, к середине 80-х системы САПР для машиностроения обрели форму, которая существует и сейчас. Но наиболее бурное развитие происходило в течение 90-х годов – к тому времени на поле вышли новые игроки «средней весовой категории».

Усиление конкуренции стимулировало совершенствование продуктов: благодаря удобному графическому интерфейсу значительно упростилось их использование, появились новые механизмы твердотельного моделирования ACIS и Parasolid, которые сейчас используются во многих ведущих САПР, значительно расширились функциональные возможности.

Можно сказать, что переход в новый век стал для рынка САПР переломным моментом. В такой ситуации на первый план вышли две основные тенденции – слияние компаний и поиск новых направлений для роста. Яркий пример первой тенденции – покупка компанией EDS в 2001 г. двух известных разработчиков тяжелых САПР – Unigraphics и SDRC, а второй – активное продвижение концепции PLM (Product Lifecycle Mana-gement), подразумевающей управление информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла.

ИСТОРИЧЕСКИ РЫНОК САПР РАЗДЕЛИЛСЯ НА НЕСКОЛЬКО СЕГМЕНТОВ

Тяжелые системы – полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР.

Системы среднего класса – надежные и многофункциональные продукты, которые содержат многие компоненты своих тяжелых собратьев, за исключением средств моделирования сложных поверхностей, встроенных подсистем инженерного анализа (CAE), подготовки производства (CAM) и специализированных приложений – многие из них можно купить у независимых разработчиков. «Середняки» поддерживают сборки, включающие от сотни до нескольких тысяч деталей, и имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций).

Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. Но это не значит, что такие продукты мало распространены. Напротив, они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место.

Персональные системы – самые легкие САПР, включающие только базовые средства черчения и двумерного/трехмерного геометрического каркасного моделирования. Они поставляются в виде коробочного продукта (без обучения) и, как правило, не способны поддерживать проектирование деталей в контексте сборки. Персональные системы стоят менее 1 тыс. долл. и применяются архитекторами, дизайнерами, издателями технической литературы, индивидуальными пользователями и небольшими компаниями.

В сегменте тяжелых САПР работают лишь те поставщики, которые предлагают многофункциональное решение, тесно интегрированное с PDM-системой масштаба предприятия, поддерживающее выполнение сложных функций, в частности моделирование крупных сборок или создание цифровых макетов, и включающее описания передовых отраслевых методик и специализированные настройки для конкретных отраслей. Кроме того, в них входят дополнительные подсистемы для контроля исходных требований, цифрового производства, управления проектами, визуализации и другие средства, позволяющие создавать решения, охватывающие весь жизненный цикл изделия. Важная особенность тяжелых систем – тесная интеграция всех подсистем, которая дает возможность организовать высокопроизводительную проектную среду.

В итоге недавних перемен, связанных со слияниями и поглощениями, тяжелых систем осталось всего три: NX компании Siemens PLM Software, CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Эти компании – лидеры в области САПР, а их продукты занимают особое положение: на них приходится львиная доля объема рынка в денежном выражении.

Главная особенность тяжелых систем состоит в том, что их обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность достигнуты в результате длительного развития. Все они далеко не молоды: CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer – в 1988-м, а NX, хотя и вышла недавно, является результатом слияния двух весьма почтенных систем – Unigraphics и I-Deas, приобретенных вместе с компаниями Unigraphics и SDRC.

Характерная особенность поставщиков тяжелых САПР заключается в том, что они работают в самых разных странах мира, продвигая продукты с помощью прямых продаж и через партнерские сети, предоставляющие услуги внедрения и поддержки. Другие игроки рынка САПР отстают от них с точки зрения функционала, общемирового охвата и прочных связей с заказчиками из числа лидеров мировой промышленности.

Несмотря на то что тяжелые системы значительно дороже своих более «легких» собратьев (свыше 10 тыс. долл. на одно рабочее место), затраты на их приобретение окупаются, особенно когда речь идет о сложном производстве, например машиностроении, двигателестроении, авиационной и аэрокосмической промышленности. По мнению аналитиков, этот сегмент рынка уже практически насыщен и поделен между лидерами индустрии.

В настоящее время общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, танков, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения CAD/CAM/CAE-систем.

За последние годы CAD/-CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная c эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные CAD/-CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции (повышая, тем самым, ее конкурентоспособность). В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может зафиксировать нестыковку и экономит на стоимости изготовления физического прототипа.

Тяжелые системы могут использоваться любыми предприятиями дискретного производства, однако каждая из них наиболее сильна в определенных отраслях.

Автомобилестроение. Характерные особенности этой индустрии оказывают серьезное влияние на использование САПР. Здесь доминируют порядка 20 ведущих производителей (General Motors, Ford, Toyota, Daimler-Chrysler, Nissan, BMW, Renault и другие), которые разрабатывают и выпускают автомобили с помощью различных САПР. Они работают с множеством партнеров, организованных в многоуровневые сети, начиная с поставщиков первого уровня, разрабатывающих и производящих целые автомобильные подсистемы, и кончая поставщиками третьего и четвертого уровней, выпускающими отдельные компоненты. Такая структура приводит к тому, что в создании автомобиля участвует множество компаний, применяющих различные САПР. Из-за этого возникает необходимость в трансляции проектных данных, созданных в разных системах. Индустрия САПР давно борется с этой проблемой, но пока до конца ее не решила.

Другая особенность данной отрасли состоит в том, что автомобилестроительные предприятия предъявляют очень высокие требования к функциям моделирования сложных поверхностей. Эти функции предусмотрены только в тяжелых САПР и специализированных системах, таких, как ICEM. Чтобы обеспечить всю необходимую функциональность, некоторые из них даже создают собственные САПР, например PDGS (Ford) и Caelum (Toyota).

В автомобилестроении доминируют три поставщика тяжелых САПР, причем системы Dassault и Siemens широко применяются как самими производителями, так и партнерами первого уровня, а многие поставщики более низких уровней работают с САПР среднего класса этих компаний – SolidWorks и Solid Edge. Продукты PTC имеют сильные позиции в области создания силовых цепей, а также у некоторых партнеров автогигантов.

Авиакосмическая и оборонная отрасли. Как и в автомобилестроении, здесь доминируют несколько крупнейших производителей, сотрудничающих с многоуровневой сетью поставщиков. Однако самолет и его двигатель – гораздо более сложные продукты, чем автомобиль и детали машин. Поэтому для их разработки нужны САПР, поддерживающие очень большие сборки и тесные взаимосвязи между отдельными деталями. На это способны только тяжелые системы.

Еще одно отличие этих отраслей состоит в том, что здесь изделия обычно служат очень долго – 40, 50 и даже 60 лет. Отсюда возникает длительная потребность в запасных частях, из-за чего их производители не могут при желании поменять САПР, так как им приходится долго обращаться к одним и тем же исходным проектным данным. Это создает серьезную проблему для этих отраслей.

Здесь признанными лидерами являются Dassault и Siemens, причем продукты первой наиболее сильны в проектировании корпусов самолетов, а второй – в создании авиационных двигателей. Но PTC тоже имеет много заказчиков в данных отраслях и получает от этого значительную долю дохода.

Электроника и телекоммуникации. Эти отрасли ориентированы на потребительские и высокотехнологичные продукты: компьютеры, телефоны, медицинское оборудование и т. д. Проектирование таких устройств не представляет особых сложностей с точки зрения количества деталей, но предъявляет высокие требования к средствам поверхностного моделирования (хотя и не такие высокие, как автомобилестроение) и к наличию специализированных приложений, например для проектирования пресс-форм и интеграции электроники и ПО. Кроме того, САПР для этих отраслей должна обладать удобным пользовательским интерфейсом и средствами ускоренной разработки, так как цикл проектирования здесь гораздо короче, чем в вышеперечисленных областях.

Исторически сильные позиции на этом рынке имеет компания PTC. Однако здесь также используются системы Dassault (CATIA и SolidWorks), Siemens (NX и Solid Edge) и другие САПР. В данной области работает много компаний, выпускающих продукты самого разного масштаба – от тяжелых до легких, и особого доминирования систем какого-либо одного класса не наблюдается.

Машиностроение. В этот сегмент входит производство тяжелого и механического оборудования (станков, подъемных кранов, сборочных конвейеров и т. д.), а также некоторых потребительских товаров (ручных инструментов, строительных конструкций и пр.). Данный сегмент предъявляет примерно такие же требования к работе со сложными сборками, как и автомобилестроение. Кроме того, изделия обычно имеют сложную конфигурацию, поэтому при их проектировании необходимо управлять множеством различных вариантов и версий проекта.

Здесь применяются все три тяжелые системы, а также САПР среднего класса. В этом сегменте работает много компаний самого разного масштаба, от небольших фирм до огромных корпораций, а сложность выпускаемых изделий сильно различается. Поэтому в данной отрасли нет заметного преобладания систем какого-либо одного класса.

Судостроение. На этом специализированном и относительно небольшом рынке работает несколько десятков крупных кораблестроительных компаний и около сотни более мелких фирм и проектных бюро. Однако из-за специфических требований эта отрасль пользуется значительным вниманием поставщиков САПР. Проект судна включает очень много элементов, таких, как сложные поверхности (хотя и не такие сложные, как в автомобилестроении), а также множество трубопроводов, воздуховодов и кабелей. Сборки отличаются огромными размерами, а элементы конструкций, как правило, изогнуты и тоже очень сложны. Кроме того, существует множество правил для соединения отдельных частей.

Корабли находятся в эксплуатации очень долго, зачастую более 60 лет, и на всем протяжении этого жизненного цикла их нужно поддерживать, ремонтировать и обновлять. Поэтому проектировщикам приходится долго обращаться к исходным проектным данным, созданным в устаревших САПР.

Исторически судостроители применяли САПР, специально разработанные для данной отрасли, некоторые из них широко используются до сих пор. Это – Tribon (Aveva), CADDS 5 (PTC), IntelliShip и ISDP (Intergraph). Dassault Systemes разработала для судостроения специальное решение на базе систем CATIA и Enovia, пользующееся сейчас популярностью. Проникновению французской компании в этот сегмент способствуют тесные связи, которые корпорация IBM (стратегический партнер Dassault) имеет с ведущими судостроителями США. CADDS 5, широко распространенная в этой отрасли, основана на устаревших технологиях и постепенно уступает позиции более новым САПР.

Каждая из ключевых отраслей предъявляет особые требования к тяжелым САПР. Для их удовлетворения поставщики должны предусматривать в своих системах специализированные средства, которые не только создают препятствия для новых игроков, но и затрудняют самим поставщикам вход в другие отрасли. На это есть несколько причин.

Во-первых, трудно найти опытных специалистов, обладающих знаниями, достаточно глубокими для разработки и маркетинга продуктов в конкретной отрасли. Они должны знать технические требования индустрии и ее рыночные особенности, разбираться в современных САПР, уметь без лишних затрат реализовать те или иные требования отрасли, понимать динамику рынка САПР в данной индустрии. Такие специалисты работают либо у других поставщиков САПР, либо на предприятиях этой отрасли. В любом случае они представляют большую ценность, и переманить их стоит очень дорого.

Во-вторых, разработка специализированных приложений для поддержки отрасли требует много времени и денег. Их создание не ограничивается одной лишь реализацией технологических требований, но также включает определение функциональных и бизнес-процессов и использование передовых отраслевых методик. Конечно, сложность этой задачи сильно зависит от конкретных требований. На протяжении многих лет все поставщики САПР добавляли отраслевые приложения к своим системам. В результате рынок САПР становился более зрелым и всеобъемлющим.

В-третьих, необходима специальная подготовка сотрудников отдела сбыта и выпуск маркетинговых материалов, в которых нужно демонстрировать знания специфики данной отрасли и объяснять преимущества данной САПР с точки зрения возврата инвестиций. Для этого тоже требуются высокая квалификация и глубокий опыт, а также время.

Пользователи тяжелых САПР неохотно переходят на другие продукты – на переобучение сотрудников приходится затрачивать много времени и денег. Еще больше средств уходит на перенос наработанных данных из одной системы в другую.

Внедрение тяжелых систем требует перестройки бизнес-процессов, оснащения современным оборудованием, соответствующей подготовки персонала и серьезных материальных затрат. Не считая аппаратного обеспечения, настройки и обучения пользователей, только стоимость одного рабочего места может начинаться от 10 000 долларов. В этой ситуации возможность иметь на предприятии набор систем от одного производителя, построенных на одном ядре и с единым форматом данных – пока недостижимый идеал. Более того, и сами предприятия, и эксперты рынка констатируют, что сегодня ни один из поставщиков систем тяжелого класса не может предложить оптимального решения за приемлемые деньги и с реальным сроком окупаемости инвестиций. В итоге предприятия пытаются подобрать оптимальное соотношение двухуровневых систем и сталкиваются уже с другими проблемами, в частности, совместимости данных.

Правильный выбор САПР – надежное условие эффективного проектирования. Критерии выбора:

- Распространенность САПР

- Цена САПР, ее сопровождения и модификации

- Широта охвата задач проектирования

- Удобство работы САПР и ее «дружественность»

- Наличие широкой библиотечной поддержки стандартных решений

- Возможность и простота стыковки с другими САПР

- Возможность коллективной работы

На функциональную оценку возможностей САПР безусловно влияют специфичные требования вашего предприятия, но есть и некоторые общие моменты. Ядром всех современных САПР является модуль геометрического моделирования, который дает возможность построить корректное описание проектируемого продукта, что является базой для всех остальных задач, решаемых в рамках системы. Современная САПР обязана иметь возможность моделировать геометрию твердого тела методом Brep. Метод получил название от сокращения термина Boundary Representation – описание тела с помощью представления границ или точного аналитического задания граней, ограничивающих тело. Это единственный метод, позволяющий создать точное, а не приблизительное представление геометрии тела. Сегодня трудно встретить систему, которая бы не имела или не декларировала бы наличие методов твердотельного моделирования. Однако функциональные возможности методов построения твердого тела в двух системах могут сильно отличаться друг от друга. Следует обращать внимание на функциональную полноту, возможность решать топологические сложные задачи: перекрывающиеся скругления переменного радиуса, построение тонкостенного тела с изменением топологии, взаимосвязь методов построения поверхностей и твердого тела, возможность параметризации и изменения модели.

Необходимыми атрибутами моделирования сборок являются графический навигатор, взаимосвязь геометрических моделей, возможность построения элементов и взаимная ориентация компонентов в контексте сборки. Создание сборочной модели, состоящей из многих сотен и тысяч деталей, открывает возможность построения полной цифровой модели изделия. Современные САПР обычно не ограничивают количество компонентов, участвующих в сборке. Но чем больше в сборке деталей, тем больше вычислительных ресурсов требуется от вашей рабочей станции. Рано или поздно они будут исчерпаны. Хорошая САПР должна обладать специальными функциями, которые дают возможность бороться с подобными проблемами: фильтры загружаемых компонентов, возможность переключения между полным и упрощенным представлением геометрии.

Модули инженерного анализа должны иметь удобный интерфейс, возможность быстрого проведения многовариантных расчетов. Однако система анализа не может быть всеобъемлющей. Всегда существуют расчетные задачи, для решения которых необходимо привлечение специальных расчетных программ, не входящих в САПР. Оцените удобство передачи данных в виде расчетной сетки и твердотельной геометрической модели в те системы анализа, которые вы собираетесь использовать.

Анализ возможностей технологических модулей очень специфичен и зависит от используемого станочного парка, технологических процессов и т. п. Общих критериев здесь не существует, кроме, пожалуй, одного: изготовление «железа» не прощает ошибок и внутренних противоречий в модели. Поэтому отзыв о работе системы от пользователей очень полезен и может быть объективным показателем возможностей системы.

Лучший способ знакомства – инсталляция на базе предприятия сроком на 2-3 месяца, но польза от такого способа изучения зависит от реальной готовности специалистов воспринять возможности системы. Зачастую здесь не обойтись без обучения, и лучше купить это обучение у компании, предлагающей САПР. Польза здесь двойная: во-первых, плата за обучение служит лакмусовой бумажкой серьезности намерений купить САПР, во-вторых, даже если будет выбрана другая система, деньги не будут потрачены зря. Эффективность освоения выбранной системы прямо зависит от квалификации специалистов, а она, безусловно, вырастет.

Версия для печати

Авторы: Владимир Политов

Добавить комментарий

Автор: пашка нерсесьян (08.10.2013 09:27:33)
Тема: САПР

http://www.umpro.ru/common/upload/Image/sapr_9-1.jpg