CAD/CAM-системы находят применение в широком диапазоне инженерной деятельности, начиная,с решения сравнительно простых задач проектирования и изготовления конструкторско-технологической документации и, кончая, задачами объемного геометрического моделирования, ведением проекта, управления распределенным процессом проектирования и т.п. Современные изделия можно создать только с использованием CAD/CAM-систем на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации. В данной статье рассмотрены отличительные особенности комплекса программных средств, его состав, назначение отдельных систем и области их применения. Приведены примеры использования комплекса.
Разработка и создание CAD/CAM-систем является достаточно сложным и длительным процессом, требует значительных затрат материальных и людских ресурсов. К сожалению, за последние годы государственная политика по отношению к коллективам, создающим CAD/CAM-системы, резко изменилась. Из-за отсутствия централизованного финансирования практически прекращены новые разработки в этой области. Значительное количество коллективов-разработчиков распалось. В результате, например, среди отечественных машиностроительных CAD-систем, поставляемых в этом году на рынок, продавалось не более пяти 2D-систем [2,3,4] и не более одной-двух 3D-систем. Полностью отсутствовали системы для проектирования в радиоэлектронике, строительстве и архитектуре. В то же время значительные средства расходуются организациями на закупку дорогостоящих зарубежных CAD/CAM-систем. Пользователи на местах оказываются неподготовленными к применению этих систем, известны примеры, когда в одной организации скапливаются несколько типов дублирующих друг друга систем, порой практически неэксплуатируемых.
Развитие отечественных CAD/CAM-систем и их широкое использование в промышленности позволит существенно сократить затраты на закупку таких систем за рубежом и тем самым поддержать собственные научные разработки в этой области.
ОСНОВНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСА "ГРАФИКА-81"
Работа над комплексом "ГРАФИКА-81" [5] начата в 70-х годах. К 1981 году сложилась основная идеология построения комплекса и создана первая версия.
Идеология построения предполагала создание CAD/CAM-интегрированного комплекса с универсальным ядром, применимым для решения задач различного функционального назначения, и прикладными системами. Были разработаны общая структура комплекса [6], структура данных, языки взаимодействия пользователя с комплексом [7] и способы согласования отдельных систем. За истекший период времени созданы версии комплекса для различных технических средств и операционных систем. В комплексе заложена и реализована идея проектирования "сверху вниз", т.е. начиная от ввода модели проектируемого изделия и кончая выпуском конструкторско-технологической документации, подготовкой управляющей информации для станков с ЧПУ, координатографов и фотоплоттеров. Так, например, для проектирования в машиностроении на первом этапе создается объемная геометрическая модель проектируемого изделия (комплекса или отдельной детали), решаются задачи отработки внешнего вида, компоновки, производятся необходимые расчеты и выпускается конструкторско-технологическая документация. Та же объемная модель используется для моделирования процессов обработки на станках с ЧПУ. Преимущества такого подхода очевидны: на 3D модели выявляются ошибки, допущенные при конструировании, что достаточно трудно обнаружить по трем проекциям, сокращается время создания чертежной документации, не требуется вводить повторно информацию для моделирования процессов обработки на станках с ЧПУ и т.п. Аналогичная процедура с использованием комплекса "ГРАФИКА-81" поддерживается при проектировании в строительстве и радиоэлектронике.
К сожалению большинство проектировщиков до сих пор отдает предпочтение проектированию "снизу вверх", что связано, во-первых, с традициями ручного проектирования, а, во-вторых, с наличием на рынке отечественных систем, ориентированных на выпуск чертежной документации, в которых отсутствует возможность создания 3D модели.
Помимо возможности проектирования "сверху вниз" комплекс "ГРАФИКА-81" имеет следующие отличительные особенности:
НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ "ГРАФИКА-81"
Комплекс предназначен для автоматизации проектно-конструкторских работ, выпуска чертежной документации, создания объемных геометрических моделей изделий, в том числе кинематических, моделирования процессов обработки деталей и подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ. Комплекс позволяет решать задачи объемной трассировки, например, трубопроводов, электрических соединений и т.п., а также автоматической трассировки соединений на принципиальных схемах, печатных платах и микросборках.
Комплекс в свой состав включает систему геометрического моделирования и выпуска конструкторско-технологической документации "ГРАФИКА-81-2D", систему объемного геометрического моделирования "ГРАФИКА-81-3D", систему трассировки соединений на принципиальных схемах и печатных платах "ГРАФИКА-81-ТР", систему для создания гипертекста "ГРАФИКА-81-ГТ". В комплекс включена система для подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ. Комплекс программных средств организован таким образом, что, с одной стороны, все системы тесно связаны между собой по информации, с другой, каждая система может быть использована самостоятельно. В системе "ГРАФИКА-81-3D" помимо объемного геометрического моделирования имеются развитые средства для проектирования чертежной документации, при этом нет необходимости дополнительно использовать систему "ГРАФИКА-81-2D". В то же время "ГРАФИКА-81-2D" занимает существенно меньший объем памяти и имеет большее быстродействие из-за отсутствия операций с объемными телами и упрощенной структуры данных. Ядро этой системы имеет специальные интерфейсы для подсистем проектирования в радиоэлектронике.
СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ "ГРАФИКА-81-2D"
Система позволяет:
На рис. 1 показан пример чертежной документации, созданной в системе "ГРАФИКА-81-2D". Для параметрически заданных моделей деталей созданы специальные средства (рис. 2), позволяющие просматривать в отдельном окне модели, хранящиеся в базе данных, указывать местоположение детали на чертеже и в диалоговом режиме присваивать фиксированные значения параметров. Разработанный графический язык позволяет вводить описания моделей с заведомо запланированными вопросами по диалогу конструктора с системой и сообщениями при некорректных ситуациях, возникающих в процессе диалога.
Рисунок 1.
Сургутский чертеж.
Рисунок 2.
Окно для параметрически заданных деталей.
На рис. 3 приведен пример создания чертежной документации на детали типа "тел вращения". Для такого типа деталей создана параметрическая база данных отдельных элементов (конические валы, резьбы, скругления, фаски, подшипники и т. п.). Использование этой базы данных позволяет ускорить процесс выпуска чертежной документации и подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ.
Рисунок 3.
Чертеж деталей типа "тела вращения".
СИСТЕМА ОБЪЕМНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ "ГРАФИКА-81-3D"
Cистема обеспечивает пространственное моделирование конструкций [7] и моделирование процессов обработки деталей на станках с ЧПУ. Cистема позволяет проставлять размеры на пространственных схемах, производить расчет массоинерционных характеристик, решать задачи отсечения 3-х мерных объектов произвольной плоскостью, склеивания 3-х мерных объектов, операции объединения, пересечения и разности 3-х мерных объектов.
Система имеет возможность комбинированного представления моделей пространственных конструкций: проволочное, состоящее из ломаных, дуг второго порядка и сплайнов третьего порядка; 2,5-мерное, типа многогранников, в виде тела, заданного отдельными сечениями, тела вращения и тела движения, полученных путем преобразования плоских объектов; 3-х мерное представление объектов, аппроксимированных многогранниками, в виде твердых тел и поверхностей, заданных криволинейными участками.
Система позволяет формировать изображения объектов с произвольной точки наблюдения:
На основе разработанного специализированного языка система позволяет создавать макрорасширения с передачей параметров. Система обеспечивает следующие режимы работы: пакетный; интерактивный с использованием "подсказок"; интерактивный с использованием меню, создаваемого самим пользователем средствами подсистемы.
С использованием системы были созданы объемные модели внешнего облика всех модулей орбитальной станции МИР [8], объемная кинематическая модель и компьютерный фильм ФЕРМЫ-3 [9]. На рис. 4 показан фрагмент объемной геометрической модели орбитальной станции МИР.
Рисунок 4.
Модель орбитальной станции МИР.
Накоплен опыт автоматического получения физической модели методом стереолитографии по сформированному в системе геометрическому образу. На рис. 5 приведена физическая модель одного из модулей орбитальной станции МИР. Работа выполнена совместно с НИЦТЛ РАН (г. Шатура).
Рисунок 5.
Физическая модель одного из модулей орбитальной станции МИР.
СИСТЕМА ТРАССИРОВКИ СОЕДИНЕНИЙ НА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМАХ И ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ "ГРАФИКА-81-ТР"
Система работает совместно с системой "ГРАФИКА-81-2D", которая выполняет все подготовительные функции по вводу исходных данных, созданию базы данных, выводу информации на графопостроители, фотоплоттеры и станки с ЧПУ.
Система позволяет трассировать соединения между элементами с пересечением трасс или без пересечений. Система использует комбинированный алгоритм трассировки, позволяющий варьировать качество и скорость проведения трасс. Путем задания соответствующих коэффициентов можно изменять время продвижения к концу трассы, минимизировать возможное число пересечений трасс, их длину. При трассировке с пересечениями в последующем можно произвести автоматическое разделение трасс по слоям. На стр. 1 обложки показан процесс подготовки исходных данных для автоматической трассировки принципиальных схем. Элементы схем выбираются из базы данных, связи между элементами указываются в интерактивном режиме. Возможно последующее редактирование результатов вручную при помощи средств системы "ГРАФИКА-2D" и возврат, при необходимости, в автоматическую трассировку.
СИСТЕМА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГИПЕРТЕКСТОВ "ГРАФИКА-81-ГТ"
Система позволяет структурировать текстовую информацию по ключевым словам или фразам, вывести информацию на дисплей или печатающее устройство, ввести другие ключевые слова и фразы.
Средства "ГРАФИКА-81-ГТ" использованы в комлексе "ГРАФИКА-81" для создания пользовательских описаний и HELP.
СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ
В комплексе используется система, разработанная на заводе "Красный пролетарий". Система предназначена для получения управляющей информации для 2,5 координатной обработки. Система имеет встроенный 2D геометрический процессор для построения контуров 2,5 координатной обработки. По заданному контуру автоматически генерируется программа для станков с ЧПУ. Через специальный интерфейс с системой "ГРАФИКА-3D" может быть передан набор сечений 3D геометрической модели детали.
Комплекс "ГРАФИКА-81" эксплуатируется на ряде заводов по ремонту нефтебурового оборудования для выпуска конструкторско-технологической документации и подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ. Комплекс применяется также для объемного геометрического моделирования крупногабаритных космических конструкций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жук Д.М. CAD/CAE/CAM-системы высокого уровня для машиностроения. - Информационные технологии, # 0. 1995.
2. Чекалин О.В. Идеология легких CAD/CAM-систем. - Автоматизация проектирования, # 1. 1996.
3. Голиков А. Возможно ли создание САПР в России? Компьютерпресс, # 8. 1996.
4. Кураксин С.А., Бикулов С.А., Баранов Л.В., Козлов С.Ю., Ксенофонтов Д.К., Ефремов А.Н. T-FLEX CAD - новая технология построения САПР. - Автоматизация проектирования, # 1. 1996.
5. Артамонов Е.И., Лебедев В.С., Варшавский А.Д. Система программ для проектирования и изготовления конструкторской документации. М.: Институт проблем управления. 1976.
6. E.Artamonov. Organization of computer-aided design systems. North-Holland. Mathematics and Computers in Simulation, # 33. 1991.
7. Артамонов Е.И., Загвоздкин В.А., Шурупов А.А., Щегольков М.Ю. Языки взаимодействия пользователя с ЭВМ в системе ГРАФИКА-81. М: Институт проблем управления. 1993.
8. Artamonov E.,Shurupov A. Grafika-81-3D Program Package of 3D-Modelling. International Conference Information Technology in design EWITD'96. Moscow, 1996.
9. Artamonov E., Shurupov A., Efremov I., Petukhov V., Cherniavsky A. Modelling of the Large-Space Structures Deployment Process. International Conference Information Technology in design EWITD'96. Moscow, 1996.