Вопрос 3. Сценарий интеграции проектирования и производства посредством общей базы данных

Приведенный ниже сценарий демонстрирует использование систем CAD/CAM/САЕ в рамках всего жизненного цикла продукта для достижения упоминавшихся целей: повышения качества (Q), снижения стоимости (С) и ускорения от-
грузки (D). Этот сценарий может показаться несколько упрощенным на фоне
современных передовых компьютерных технологий, однако он иллюстрирует направление развития техники. Рассмотрим фазы разработки и производства шкафа для аудиосистемы (рис. 1.2). Жизненный цикл этого продукта будет похожим
на жизненный цикл механической системы или здания, а значит, наш сценарий
будет применим и к таким продуктам.

Рис. 1.2. Шкаф для аудиосистемы

Предположим, что в технических требованиях для разработчика указано, что шкаф
должен иметь четыре полки: одну для проигрывателя компакт-дисков, одну для
проигрывателя аудиокассет, одну для радиоприемника и одну для хранения ком-
пакт-дисков. Вероятно, разработчик сделает множество набросков конструкции,
прежде чем придет к варианту, изображенному на рис. 1.2. На данном этапе он
может пользоваться автоматизированной системой разработки рабочих чертежей
(если задача решается в двух измерениях) или системой геометрического моделирования (в случае трех измерений). Концептуальный проект может быть отправлен в отдел маркетинга по электронной почте для получения отзыва. Взаимодействие разработчика с отделом маркетинга может происходить и в реальном
времени через объединенные в сеть компьютеры. При наличии подходящего
оборудования подобное взаимодействие может быть удобным и продуктивным.
Информация о готовом концептуальном проекте сохраняется в базе данных.
Туда попадают сведения о конфигурации мебели (в нашем случае — вертикальное хранение компонентов аудиосистемы друг над другом), количестве полок,
распределении полок по компонентам и тому подобные данные. Другими слова-
ми, все особенности проекта, которые можно увидеть, взглянув на рис. 1.2, упорядочиваются и помешаются в базу данных с возможностью считывания и изменения в любой последующий момент.

Следующий шаг — определение размеров шкафа. Его габариты должны быть выбраны таким образом, чтобы на каждую полку можно было поставить одну из
множества имеющихся на рынке моделей аудиотехники соответствующего класса. Значит, нужно получить сведения об их размерах. Эти сведения можно взять
в каталоге или в базе данных производителей или поставщиков. Доступ к базе данных осуществляется аналогично доступу к книгам и их содержимому при
подключении к электронной библиотеке. Разработчик может даже скопировать
сведения в свою собственную базу данных, если он планирует часто пользоваться ими. Накопление сведений о проекте подобно накоплению форм и файлов
при работе с текстовыми процессорами. Форма конструкции, изображенной на
рис. 1.2, должна изменяться в соответствии с полученными сведениями.

Затем разработчик должен выбрать материал для шкафа. Он может взять натуральный дуб, сосну, ДСП, сталь илу что-нибудь еще. В нашем случае выбор
осуществляется интуитивно или исходя из имеющегося у разработчика опыта.
Однако в случае продуктов, рассчитанных на работу в жестких условиях, в частности механических устройств, разработчик обязательно учитывает свойства материалов. На этом этапе также полезна база данных, потому что в ней могут быть
сохранены свойства множества материалов. Можно воспользоваться даже экспертной системой, которая выберет материал по свойствам, хранящимся в базе
данных. Информация о выбранном материале также помещается в базу.

Следующий шаг — определение толщины полок, дверец и боковых стенок. В простейшем случае, который мы рассматриваем, толщина может определяться глав-
ным образом эстетическими соображениями. Однако она должна быть по крайней
мере достаточной для того, чтобы избежать прогиба под воздействием установленной в шкаф техники. В механических устройствах высокой точности и структурах, рассчитанных на большие нагрузки, такие параметры, как толщина, должны определяться точным расчетом, чтобы избежать деформации. Для расчета
деформации структур широко используется метод конечных элементов. Как уже
было объяснено, метод конечных элементов применяется к аналитической моде-
ли конструкции. В нашем случае аналитическая модель состоит из каркасных
сеток, на которые разбивается шкаф, рассматриваемый в приближении лис-
тов. Переход к приближению листов может быть выполнен автоматически при
помощи алгоритма преобразования к средним осям (medial axis transformation —
MAT) [146]. Элементы оболочки приближения листов также могут генерироваться автоматически¹. Параметры нагрузки, которые в нашем случае есть просто
веса соответствующих устройств, считываются из базы данных точно так же, как
и сведения о размерах. Определяя зависимость прогиба полок от их толщины,
разработчик может выбрать подходящее значение этого параметра и сохранить
его в базе данных. Этот процесс может быть автоматизирован путем интеграции
метода конечных элементов с процедурой оптимизации. Аналогичным образом
можно определить толщину боковых стенок и дверец, однако сделать это можно
и просто из эстетических соображений.

Затем разработчик выбирает метод сборки полок и боковых стенок. В идеале метод также может быть определен из расчета прочности структуры в целом или
при помощи экспертной системы, имеющей сведения о методах сборки.

После завершения этапов концептуализации проекта, его анализа и оптимизации разработчик переходит к работе над проектной документацией, описывающей
шкаф с точностью до мельчайших подробностей. Чертежи отдельных деталей (полок, дверец и боковых стенок) изготавливаются в системе разработки рабочих чертежей. На этом этапе разработчик может добавить некоторые эстетические детали, например декоративные элементы на дверцах и боковых стенках. Детальные
чертежи помещаются в базу данных для использования в процессе производства.

Изготовление шкафа осуществляется в следующем порядке. Форма каждой де-
тали наносится на необработанный материал (в нашем случае дерево) и вырезается пилой. Количество отходов можно снизить, располагая детали на кусках дерева оптимально. Разработчик может испытывать разные варианты размещения
на экране компьютера до тех пор, пока не будет найдена конфигурация с минимальным количеством отходов. Компьютерная программа может помочь в этой
работе, рассчитывая количество отходов для каждой конфигурации. Программа
более высокого уровня может самостоятельно определить наиболее экономичное размещение деталей на заготовке. В любом случае конечная конфигурация
сохраняется в компьютере и используется для расчета траектории движения пилы
станка с числовым программным управлением. Более того, программные средства позволяют разработать зажимы и крепления для процедуры выпиливания,
а также запрограммировать системы передачи материала. Эти системы могут
быть как простыми конвейерами, так и сложными роботами, передающими необработанный материал на распилку и забираю! ними готовые детали. Подготовленные детали должны быть собраны вместе. Процесс сборки также может выполняться роботами, которые программируются автоматически на основании описания конечного продукта и его деталей, хранящегося в базе данных. Одновременно проектируются зажимы и крепления для автоматизированной сборки. Наконец, робот может быть запрограммирован на покраску шкафа после сборки. В настоящее время зажимы и крепления для сборки проектируются или выбираются планировщиком процессов, а программирование роботов осуществляется в интерактивном режиме путем перемещения рабочего органа робота вручную.

Общий вид получившегося сценария показан на рис. 1.3, из которого видно, каким образом база данных позволяет интегрировать системы CAD, САЕ и САМ,
что и является конечной целью CIM.

Рис. 1.3. Интеграция CAD, CAM и САЕ через базу данных

Система Автоматизированного Проектирования

САПР (CAD System - Computer Aided Design System) - это система, реализующая проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают в результате вычисления и составления математических моделей на ЭВМ.

В настоящий момент выделяют три основные подгруппы САПР:

- машиностроительные САПР (MCAD - Mechanical Computer Aided Design)

- архитектурно-строительные САПР (CAD/AEC - Architectural, Engineering, and Construction)

- САПР печатных плат (ECAD - Electronic CAD/EDA - Electronic Design Automation)

Наиболее развитым среди них является рынок MCAD, по сравнению с которым секторы ECAD и CAD/AEC довольно статичны и развиваются слабо.

САПР в машиностроении

CAD – computer Aided Design

Общий термин для обозначения всех аспектов проектирования с использованием средств вычислительной техники. Обычно охватывает создание геометрических моделей изделия. А также генерацию чертежных изделий и их сопровождений.

CAM – Computer Aided Manufacturing

Общий термин для обозначения системы автоматизированной подготовки производства, общий термин для обозначения ПС подготовки информации для станков с ЧПУ. Традиционно исходными данными для таких систем были геометрические модели деталей, полученных из систем CAD.

CAE – Computer Aided Engineering

Система автоматического анализа проекта. Общий термин для обозначения информационного обеспечения условий автоматизированного анализа проекта, имеет целью обнаружение ошибок (прочностные расчеты) или оптимизация производственных возможностей.

PDM – Product Data Management

Система управления производственной информацией. Инструментальное средство, которое помогает администраторам, инженерам, конструкторам и так далее управлять как данными так и процессами разработки изделия на современных производственных предприятиях или группе смежных предприятий.

CAD/CAM/CAE/PDM эти системы вместе и представляют собой единый комплекс САПР.