Общая классификация CAD/CAM/CAE-систем

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральноегосударственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Факультет «Экономика и менеджмент»

Кафедра «Экономика транспорта»

Специальность (направление) Экономика

Специализация (профиль) Налоги и налогообложение

КУРСОВой проект

по дисциплине«Информационные технологии в экономике»

на тему: «CAD-системы»

Форма обучения – очная

Санкт-Петербург

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ. 2

Введение. 3

1 Общие сведения о CAD/CAM/CAE-системах. 4

1.1 Назначение. 4

1.2 История развития мирового рынка CAD/CAM/CAE-систем. 8

1.3 Общая классификация CAD/CAM/CAE-систем. 10

1.4. Выгоды от применения. 12

2. Общее состояние мирового рынка CAD/CAM/САE-систем. 14

2.1. Состояние ИТ-отрасли в целом. 14

2.2 Рынок CAD/CAM/CAE-систем. 15

2.4 CAD новости. 16

2.5 Лидирующие компании-поставщики CAD-решений по оценке JPR.. 18

Заключение. 25

ЛИТЕРАТУРА.. 26

Введение

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.

Сейчас общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения современных систем автоматизации. 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). Несмотря на широкое распространение систем CAD для проектирования и систем CAE для анализа, эти системы не так уж хорошо интегрируются. Дело в том, что модели CAD и CAE по сути используют разные типы геометрических моделей, и в настоящее время не существует общей унифицированной модели, которая бы содержала в себе как информацию для проектирования, так и для анализа.

В данной работе намечаются основные пути решения данной проблемы, рассматриваются их достоинства и недостатки.

Общие сведения о CAD/CAM/CAE-системах

Назначение

Основные группы функций CAD-систем:

Формирование пространственной геометрической модели объекта (3D геометрия - модели отдельных деталей и сборок).

Формирование отдельных видов, разрезов, сечений (2D геометрия).

Оформление документации согласно стандартам (размеры, допуски, условные обозначения - шероховатость и другие, таблицы, технические требования, основные надписи).

Информационный обмен со смежными системами (CAE, CAPP, CAM).

Подробный список характеристик систем конструирования может быть весьма обширным - например, для популярной системы T-FLEX CAD он составляет около 120 пунктов. Поэтому для предварительного знакомства с возможностями систем целесообразно сгруппировать их характеристики.

Прообразом такого сокращенного набора признаков может служить перечень тестируемых функций, приведенный в статье «CAD-системы среднего уровня» /САПР и графика, 1997, № 6/ :

Работа с эскизами:

-создание профилей эскиза;

-задание параметров;

-алгебраические соотношения размеров;

-наименования параметров;

-ограничения, накладываемые на параметры.

Моделирование:

-создание и изменение 3D объектов при помощи профилей (выдавливанием, вращением и т.п.);

-создание оболочек, в том числе со стенками, имеющими разные уклоны;;

-добавление объектов (ребер, отверстий, оболочек) к детали;

-расположение объектов с учетом других объектов и с учетом размещения детали;

-копирование и размножение объектов;

-скругление объектов, в том числе сложное (острые грани, исчезающие поверхности, пересечения и др.);

-расчеты массо-инерционных характеристик и определение точности;

-сохранение работоспособности модели при перемещении объектов.

Черчение и визуализация:

-создание видов чертежа, в том числе изометрических, разрезов и сечений;

-отображение размеров модели на чертеже;

-добавление размеров;

-изменение чертежа при изменении модели и изменение модели при изменении чертежа (геометрическая ассоциативность);

-создание видов сборки в разобранном состоянии (exploded);

-создание закрашенных изображений деталей и сборок.

Работа со сборками:

-создание деталей в сборке (нисходящее проектирование);

-создание сборок из деталей (восходящее проектирование);

-размещение деталей на основании условий расположения огранич;

-управление сборкой с использованием инженерных и геометрических ограничений;

-внесение междетальных соотношений для управления сборкой;

-измерение размеров между деталями;

-изменение объектов детали для управления сборкой;

-создание детали с использованием элементов сборки;

-создание спецификации деталей.

Естественно предполагать наличие перечисленных функций у большинства современных CAD-систем.

В то же время эффективность решения проектных задач во многом определяется и такими возможностями, которые еще не могут рассматриваться как фактический стандарт, но демонстрируют определенные важные тенденции и реализованы в некоторых системах. Например, для модулей CAD к их числу могут быть отнесены:

-наличие встроенных расчетных библиотек для массовых инженерных расчетов (например, элементов общемашиностроительных деталей и узлов - соединений, передач и др.);

-наличие геометрических примитивов, совпадающих с конструкторско-технологическими элементами (шлицы, резьба, пазы, канавки и др.) - это облегчает генерацию геометрических моделей по результатам инженерных расчетов и передачу параметров детали в САПР технологических процессов;

-возможность пересчета предельных отклонений размеров в условные обозначения допусков и посадок и наоборот, а также способ хранения этих данных в модели;

-возможность восстановления (распознавания) дерева построения 3D модели (Feature Works в Solid Works; Feature Recognizer в Solid Edge);

-функции восстановления импортированной геметрии («лечение» модели): ADEM 6.2, Cimatron;

-возможность восстановления 3D модели по 2D проекциям (есть в Solid Works-2001 и в Pro/Engineer; обещана аналогичная возможность в ADEM A7;

-средства переноса проектных данных из HTML-страницы в чертеж или модель (AutoCAD 2002);

-менеджер стандартов и атрибутов (AutoCAD 2002);

-возможность подключения внешних расчетных программ;

-возможность генерации собственных графических программ по протоколу интерактивных построений (макросы).

Основой практически всех современных CAD-систем являются системы геометрического моделирования (СГМ), именуемые также моделерами или «геометрическими ядрами» САПР. Их основное назначение - формирование геометрических моделей объектов проектирования: деталей, узлов и изделий в целом

CAD-системы (сomputer-aided design компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

В свою очередь, CAM-системы(computer-aided manufacturing компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы (computer-aided engineering поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

Существует некоммерческая отраслевая организация CAD Society, занимающаяся вопросами популяризации CAD/CAM/CAE-систем в мире.

1.2 История развития мирового рынка
CAD/CAM/CAE-систем

Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет.

Первый этап начался в 70-е гг. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (80-е гг.) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE-системы массового применения. Третий этап развития рынка (с 90-х гг. до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE-систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность).

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. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000.

Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоев микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 80-х гг. был осуществлен постепенный перевод CAD-систем с мэйнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до $20000.

Следует сказать, что в начале 80-х гг. произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК:
-часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;
-другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК ее производства работали под управлением ОС Unix от AT&T, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).

Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоемкие приложения.

К середине 80-х гг. возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computing RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD-систем.

С середины 90-х гг. развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 90-х гг., и их позиции все еще сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас ОС MS Windows NT и MS Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объемам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, $6000 у Pro/Engineer).

Общая классификация CAD/CAM/CAE-систем

За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE-систем сложилась их общепринятая международная классификация:
-Чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор).
-Системы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, дающая возможность решения задач его моделирования вплоть до момента

изготовления.
-Системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD Electronic Product Definition). EPD это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. При применении EPD-концепции предполагается замещение компонентно-центрического последовательного проектирования сложного изделия на изделие-центрический процесс, выполняемый проектно-производственными командами, работающими коллективно. Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автономных CAD-, CAM- и CAE-систем в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы.

Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE-систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Следует отметить, что это деление является достаточно условным, т.к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными.

Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, EUCLID, I-DEAS (все они имеют расчетную часть CAE).

В настоящее время на рынке широко используются два типа твердотельного геометрических ядра (Parasolid от фирмы Unigraphics Solutions и ACIS от Spatial Technology). Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются: ADEM (Omega Technology); Cimatron (Cimatron Ltd.); Mastercam (CNC Software, Inc.); AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Powermill (DELCAM); CADdy++ Mechanical Design (Ziegler Informatics GmbH); семейство продуктов Bravo (Unigraphics Solutions), IronCad (VDS) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid принадлежат, в частности, MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); CADKEY 99 (CADKEY Corp.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); SolidWorks (SolidWorks Corp.); Anvil Express (MCS Inc.), Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); IronCAD (VDS) и др.

CAD-системы нижнего уровня (например, AutCAD LT, Medusa, TrueCAD, КОМПАС, БАЗИС и др.) применяются только при автоматизации чертежных работ.

Выгоды от применения

CAD/CAM/CAE-системы занимают особое положение среди других приложений, поскольку представляют индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства. 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 от 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. Даже для такого относительно несложного изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели двигателя обойдется в полмиллиона долларов, а полномасштабный прототип самолета будет стоить уже десятки миллионов долларов.

Например, широко известен проект разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для самолета бизнес-класса Learjet 45 при помощи современных CAD/CAM/CAE-систем. Результаты выполнения проекта просто впечатляют.

Ранее компания Shorts использовала в проектно-конструкторских работах проволочное моделирование деталей. В создаваемых Shorts Brothers фюзеляжах самолетов обычно насчитывалось до 9500 структурных деталей. Подобные проекты могли потребовать более 440000 человеко-дней (до 4-х лет для завершения проекта).

Фюзеляж Learjet 45 оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в значительно меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. Кроме того, примерно в 10 раз было улучшено качество деталей и самой сборки фюзеляжа, а общее число деталей сокращено на 60% (при снижении объема основных переделок на 90% по сравнению с предыдущими проектами). В целом, компания Shorts смогла уменьшить число компонентов с 9500 до 3700 (на 60%). Полное время на проектирование и технологическую подготовку производства было сокращено до 125000 человеко-дней. Общее время разработки и технологической подготовки производства до 60000 человеко-дней, а весь цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4-х лет до 1,5-2 лет.

2. Общее состояние мирового рынка
CAD/CAM/САE-систем