Современное состояние автоматизации технологического проектирования

   CATIA - Generative Shape Design 2 -проектирование сложных поверхностей. Модуль Generative Shape Design является дальнейшим развитием продукта 5626-GSM Generative Shape Modeling в CATIA версии 4.2. В его основе лежит идея определения сложных геометрических форм через их спецификацию, представленную в виде сетевой структуры. В отличие от иерархической структуры (в виде дерева), сетевая структура позволяет одному элементу несколько раз участвовать в булевых операциях и занимать несколько позиций в спецификации объекта (истории построения) без дублирования. Такая возможности позволяет достичь полной управляемости геометрии по параметрам, тем самым существенно повысив производительность. Модуль незаменим при проектировании сложных изделий, где требуются частые и кардинальные модификации.

   Модуль  полностью интегрирован с объектно-ориентированным ядром CATIA пятой версии и обладает общими с ним преимуществами: интуитивным пользовательским интерфейсом, эргономичностью, средствами поддержки диалога и непосредственным доступом к параметрам и свойствам объекта.

   Геометрия, построенная с использованием этого модуля, благодаря средствам редактирования ее истории построения может повторно использоваться как образец или стандарт. Схема построения прототипа может быть скопирована в другой проект или часть проекта и применена с новыми параметрами. Таким образом, продукт   Generative Shape Design может использоваться как средство поддержки стандартов компании и накопления опыта проектирования. 

   CATIA — Circuit Board Design 2 — проектирование электросистем. Предоставляет пользователю двухсторонний интерфейс обмена данными с внешними системами проектирования электросистем. Конструктор, создающий пространственную компоновку и деталировку с участием агрегатов электрооборудования в CATIA, может экспортировать результат своей работы в ECAD для расчета электрических цепей и других специальных задач. И наоборот, электросхема, разработанная в ECAD, может быть импортирована в систему для ее пространственной компоновки. Предусмотрена возможность обмена данными со многими ECAD-системами.

   CATIA — Generative Assembly Structural Analysis 2 — анализ сборок на прочность. Расширяет возможности модуля Generative Part Structural Analysis 2 от анализа одной детали до анализа целой сборки, обеспечивая качественный расчет статической прочности и вибраций. Соединения конечных элементов для расчетной схемы сборки выполняются так, чтобы учесть реальную картину механических связей между компонентами, с учетом их деформаций. Расчетная схема сохраняет социативную связь с геометрией, на основании которой она была сделана. Благодаря этому после модификации геометрии требуется не полное переопределение расчетной схемы, а только ее повторная калькуляция.

   Модуль CATIA — Generative Assembly Structural Analysis 2 заметно повышает уровень технологии проектирования благодаря высокой интеграции инженерно-аналитических задач с конструкторскими и объектно-ориентированной идеологии CATIA.

   СATIA - Knowledge Advisor 2 - инструмент использования в проектировании базы знаний предприятия. Этот программный продукт открывает новое направление; развития компьютерных средств проектирования, конструирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства. До сих пор CAD/CAM служил инструментом для воплощения в реальность того, что являлось плодом творчества исключительного самого конструктора, аналитика или технолога — обладателя квалификации и опыта в определенной области знаний.

   С выходом пятой версии системы  открылась возможность непосредственно  контролировать характеристики разрабатываемого объекта по результатам логических и алгебраических вычислений, заложенных в базу знании предприятия. База знаний — это система функций, законов и правил, которая работает на основе характеристик разрабатываемого объекта, выполняет вычисления по заданным формулам и логическим операциям, производит новые; параметры или свойства и присваивает их изделию. Пользователь может проверить свою гипотезу методом «что, если...», прежде чем принимать какое-либо ответственное решение.

   Благодаря тому что в CATIA реализован классическиий объектно-ориентированный подход, входными параметрами (аргументами) для вычислений могут служить любые геометрические или негеометрические характеристики объекта, с которыми инженер считает нужным работать, — масса, объем, координаты центра тяжести, площадь омываемой поверхности, момент инерции, марка материала и другие.

   Таким образом, арсенал инженера пополнился инструментом, способным хранить и использовать его профессиональные знания. Для создания базы знаний предприятия не требуется квалификации программиста. Модуль Knowledge Advisor содержит средства интерактивного программирования и отладки содержимого базы знаний.

   Вместо  выводов. Обе платформы, CATIA P1 и CATIA P2, построены на обшей архитектуре CATIA пятой версии, дающей пользователю большую свободу роста его CAD/CAM/CAE-оснашения как количественно, так и качественно. Многоуровневый и многоплатформный подход к позиционированию системы CATIA позволяет охватить различные отрасли машиностроения — автомобилестроение, авиастроение, общее и транспортное машиностроение, включая железнодорожный транспорт, станкостроение, производство технологического оборудования и оснастки, а также производство товаров народного потребления. 

   7.10 САПР ХХI века 

   Проектирование  технологических процессов (ТП) занимает центральное место в подготовке производства изделий. Технологические процессы содержат информацию о трудовых и материальных нормативах, без которых невозможно планирование и управление производственными ресурсами. В середине XX века наша страна занимала лидирующие позиции в области разработки методологии и методов автоматизации проектирования ТП. В эти годы были созданы концепции проектирования типовых и групповых технологических процессов, сформировано понятие конструкторско-технологических элементов детали (которые в последствии получили на Западе наименование features), разработано множество различных САПР ТП. Однако большинство этих систем, созданных с использованием кустарных информационных технологий, прекратили свое существование, как только их авторы перестали ими заниматься. В настоящее время это направление компьютеризации инженерной деятельности стоит на пороге революционных изменений, о которых и пойдет речь ниже  [22].

   Цели  автоматизации проектирования технологических  процессов и средства их достижения. Подробное описание дерева целей компьютеризации инженерной деятельности было приведено в декабрьском номере журнала за прошлый год. Основная цель создания САПР ТП заключается в экономии труда технологов. Для достижения этой цели необходимо располагать средствами автоматизации оформления технической документации, средствами информационной поддержки проектирования и автоматизации принятия решений. В своем историческом развитии САПР ТП постепенно расширяли арсенал своих средств. На первом этапе эти системы часто представляли собой специализированные текстовые редакторы, некоторые из которых были документоориентированными. С появлением баз данных появилась возможность поддерживать процесс ручного формирования ТП в таких редакторах в части поиска необходимых средств технологического оснащения. Однако подавляющее большинство САПР ТП, в том числе и ныне существующих, не способны поддерживать автоматизацию принятия решений в процессе проектирования на основе технологических знаний: алгоритмический и применяющий методы искусственного интеллекта.

   История развития САПР ТП показала бесперспективность алгоритмического подхода. При внедрении  одной из первых таких систем, созданных  в 60-е годы, было разработано десять технологических процессов. Заказчик принял лишь четыре из них, а остальные отверг. Разработчики пытались доказать представителям заказчика, что их алгоритмы построены правильно, но получили ответ: «Может быть, ваши алгоритмы действительно правильны, но у нас так не делают». Этот давний спор вынес, по сути дела, приговор алгоритмическому подходу в САПР ТП, при использовании которого правила принятия решений, заложенные в системе, недоступны для формирования и изменений непрограммирующими пользователями. В наступающем веке информатики знания станут ценнейшим достоянием как физических, так и юридических лиц. На одном из предприятий авторы [22] ознакомились с САПР ТП по аналогам. Технологи, проработавшие много лет на этом предприятии, получив чертеж детали, быстро находили в памяти компьютера описание процесса на аналогичную деталь и редактировали его, формируя новый. На вопрос о том, что будет, если работать с этой САПР придется специалистам, которые не обладают подобным опытом, ответа не последовало.

   Немаловажное  значение среди целей внедрения САПР имеет повышение качества проектных решений. Необходимо, чтобы накопленный положительный опыт находил отражение в базе знаний системы и был доступен для всех, в том числе и для новых сотрудников. Для достижения этой цели нужно предоставить непрограммирующим носителям технологического опыта возможность сохранять его в системе. Такую возможность и обеспечивают методы искусственного интеллекта.

   Проводя аналогию с материальным производством, можно сказать, что в области  автоматизации инженерного труда  имеется основное производство, связанное с разработкой конструкторских и технологических проектов, а также планов управления, и вспомогательное производство, связанное с созданием и сопровождением собственно программных средств. Соответственно и цели компьютеризации инженерной деятельности следует разбить на две группы: основные и вспомогательные. Некоторые аспекты достижения основных целей автоматизации проектирования технологических процессов мы обсудили выше. Но при создании современных открытых систем не менее значимы и вспомогательные цели.

   К числу вспомогательных целей  автоматизации проектирования относятся: уменьшение трудоемкости разработки программных средств, адаптации их к условиям эксплуатации при внедрении, а также их сопровождения, то есть модификация, обусловленной необходимостью устранения выявленных ошибок и (или) изменения функциональных возможностей.

   Средством для сокращения трудоемкости разработки программных средств является использование  инструментальной среды и ее мобильность. Метаинструментальная среда СПРУТ  содержит полный набор инструментальных средств, необходимых для разработки конструкторских и технологических САПР. Поскольку среда СПРУТ является надстройкой над операционной системой и принадлежит к числу систем интерпретирующего типа, она обладает свойством мобильности. Перевод среды из одной операционной системы в другую требует только замены ее ядра. При этом все прикладные системы, разработанные с ее помощью, переносятся на новую платформу без каких-либо доработок.

   Средством для сокращения трудоемкости адаптации  систем к условиям эксплуатации на конкретном предприятии являются системы управления базами данных и знаний, ориентированные на конечного пользователя. Это означает, что упомянутые системы должны быть оснащены языками описания и манипулирования данных, доступными непрограммирующему пользователю.

   Средством уменьшения трудоемкости сопровождения СПРУТ является модульность, открытость и модернизируемость ее программных средств. Это обеспечивает простоту замены и дополнения процедур, данных и знаний.

     Методика описания изделий в интеллектуальных САПР ТП.  Методика описания деталей и сборочных единиц в существующих конструкторских САПР является основным препятствием на пути создания интегрированных конструкторско-технологических систем. Модели изделий в современных системах являются геометрическими, в то время как для автоматизации проектирования технологических процессов необходимы модели концептуальные. Эта проблема была подробно рассмотрена в первой статье цикла в декабрьском номере журнала за прошлый год. Геометрическая модель позволяет рассчитывать траектории инструментов при обработке деталей на станках с ЧПУ и поэтому способна обеспечить основу для построения систем класса CAD/CAM. Однако на станках с ЧПУ обрабатываются далеко не все детали; да и для тех деталей, которые подлежат такой обработке, она составляет только часть маршрутного технологического процесса.  

   Концептуальная  модель детали основывается на понятии конструкторско-технологического элемента (КТЭ). Такой элемент является конструкторским в том плане, что он выполняет в детали определенную конструктивную функцию, например: обеспечивает базирование детали в сборочной единице (цилиндрические и конические осевые отверстия, шпоночные пазы и т.п.) или соединяет деталь со смежными (резьбы, зубчатые венцы и т.п.). Вместе с тем КТЭ имеет один или несколько технологических маршрутов его изготовления, сформированных из набора переходов.

   КТЭ обладают иерархической структурой, состоящей из уровней элементов  комплексных, основных и дополнительных. В число комплексных входят осесимметричные, призматические элементы и отверстия. Такой набор определяется основными видами операций механической обработки деталей: токарной, фрезерной и сверлильно-расточной. Дополнительные элементы (выточки, пазы, канавки, фаски и т.п.) располагаются на основных, и к их обработке можно приступить только после предварительного формирования основных элементов.

   Каждый  КТЭ представляет собой объект со своим набором свойств. Имеется возможность наследования свойств от старшего объекта к младшему, например шероховатость «остального» от детали к ее элементам.

   Системный подход к проектированию технологических  процессов. Для системного анализа технологических процессов в машиностроении необходимо установить: номенклатуру элементов; состав элементов каждого типа; набор свойств этих элементов.