Когда проект пресс-формы готов, производится расчет траектории движения инструмента с ЧПУ для изготовления верхней и нижней пластин формы (рис. 1.12). После изготовления формы на станке с ЧПУ производится ее сборка и собственно литье. На этом этапе также можно использовать моделирование для определения правильных значений параметров процесса, таких как температура формы, температура пластика и давление впрыскивания.

Вопросы и задачи

1. Опишите различие между проектной и аналитической моделями.

2. Почему аналитическая модель отличается от проектной?

3. Какие аналитические операции выполняются в рамках процесса разработки?

4. Как используются средства CAD в процессе разработки?

5. Какой вариант использования средств CAD в процессе разработки считается наиболее важным?

6. Перечислите наиболее важные типы средств CAD в соответствии с вашим ответом на вопрос 5.

7. Как используются средства САМ в процессе производства?

8. Какой вариант использования средств САМ считается наиболее зрелым? Объясните, почему.

9. Каких преимуществ следует ожидать от технологии группировки в результате объединения родственных деталей в семейство?.

10. Каково главное преимущество использования средств CAE в процессе разработки?

Глава 2

Компоненты САПР

Для реализации компьютерно-ориентированного подхода к проектированию и производству, описанному в главе 1, нужно специальное аппаратное и программное обеспечение. Ключевым аспектом является интерактивное управление формой, поэтому неудивительно, что аппаратное и программное обеспечение для интерактивного манипулирования формами относится к числу основных компонентов, составляющих системы CAD/CAM/CAE. Графические устройства и периферийные устройства ввода-вывода вместе с обычным вычислительным модулем составляют аппаратное обеспечение систем CAD/CAM/CAE (рис. 2.1). Ключевыми программными компонентами являются пакеты, манипулирующие формами или анализирующие их под управлением пользователя в двух или в трех измерениях, одновременно обновляя базу данных. В последующих разделах эти аппаратные и программные компоненты рассматриваются подробно.

Аппаратное обеспечение

Программное обеспечение

Вычислительный модуль

Графическое устройство

Дисплейный процессор Дисплейное устройство Устройство ввода Устройство вывода

Рис. 2.1. Компоненты систем CAD/CAM/CAE

2.1. Аппаратное обеспечение

Графическое устройство состоит из дисплейного процессора, устройства отображения, или дисплейного устройства (называемого монитором), и одного или нескольких устройств ввода. Дисплей (монитор) представляет собой экран, на который выводится графическое изображение, однако вывод конкретного изо-

бражения на экран выполняется дисплейным процессором. Другими словами, дисплейный процессор получает сигналы, которыми кодируются графические команды, генерирует электронные пучки и направляет их в нужное место монитора, порождая желаемое изображение.

В состав графического устройства обычно входит одно или несколько устройств ввода. Помимо клавиатуры к ним относятся мышь, спейсбол1 и цифровой планшет с пером и роликом (рис. 2.2). Эти устройства ввода призваны способствовать интерактивному манипулированию формами, давая пользователю возможность вводить графические данные в компьютер непосредственно. Каждое графическое устройство обычно подключается к устройствам вывода, например к плоттеру или цветному лазерному принтеру (рис. 2.3). Эти устройства могут использоваться несколькими графическими устройствами совместно. Устройства вывода позволяют вывести любое изображение на бумагу.

в

Рис. 2.2. Примеры устройств ввода: а - мышь; б - цифровой планшет с пером и роликом;

в - спейсбол

1 Спейсбол отличается от трекбола количсстиом степеней сиободы У трекбола их всего две, а у спейсбола - шесть. - Примеч. перев.

б

Рис. 2.3. Примеры устройств вывода: а - плоттер; б - цветной лазерный принтер

В последующих разделах мы рассмотрим различные графические устройства и принципы их функционирования.

2.1.1. Векторные графические устройства

Векторные графические устройства, появившиеся в середине 60-х гг. XX в., состоят из дисплейного процессора, дисплейного буфера памяти и электронно-лучевой трубки (рис. 2.4). Основные принципы их функционирования вкратце можно описать следующим образом.

Компьютер

Дисплейный буфер

MOVE

15 LINE

25 CHAR

CY LINE

ЭЛТ

Цифровой планшет

Рис. 2.4. Компоненты векторного графического устройства

Дисплейный процессор считывает дисплейный файл (display list), который представляет собой последовательность передаваемых приложением кодов, соответствующих графическим командам. Дисплейный файл хранится в разделе памяти, который называется дисплейным буфером (display buffer). Дисплейный процессор осуществляет также загрузку дисплейного файла в дисплейный буфер. После этого дисплейный процессор формирует необходимые напряжения на вертикальных и горизонтальных парах отклоняющих пластин таким образом, что электрон, вылетающий с катода, попадает в нужное место внутренней поверхности передней стенки электронно-лучевой трубки (рис. 2.5). Это место соответствует одной точке создаваемого изображения. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, поэтому в той точке, куда попал электрон, возникает короткая вспышка света. Электронный пучок движется по экрану и формирует изображение в соответствии с командами дисплейного файла.

Внутреннее металлическое

покрытие под высоким положительным потенциалом

Система фокусировки

Нагревательная спираль

Катод

Управляющая сетка

Вертикальное отклонение

Горизонтальное отклонение

Люминофор ное покрытие

Рис. 2.5. Поперечный разрез электронно-лучевой трубки

Однако люминофор излучает свет очень недолго, а затем гаснет. Поэтому изображение требует постоянного перерисовывания с очень высокой скоростью, чтобы пользователю не досаждало мерцание. Изображение сохраняется в мозге около 1/30 с, поэтому пользователь не будет замечать исчезновения изображения, если его перерисовывать с периодом менее 1/30 с. Процесс перерисовки называется обновлением (refresh), которое обеспечивается повторяющимся считыванием дисплейного буфера сверху вниз и направлением электронного пучка в соответствии с командами из буфера. Дисплейный буфер используется исключительно для реализации обновления. В зависимости от сложности изображения перерисовка может занимать и более 1/30 с. Тогда часть изображения, построенная в начале цикла обновления, успеет исчезнуть, в то время как другая часть изображения еще будет прорисовываться. Возникнет эффект мерцания картинки в целом. Мерцание изображения и высокая стоимость - основные недостатки устройств векторной графики.

Есть у них и преимущества. Напряжения, подаваемые на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины, можно контролировать с любой заданной точностью, что обеспечивает любое желаемое разрешение. Поэтому дисплейное

Глава 2. Компоненты САПР

устройство может иметь высокое разрешение (например, 4096x4096), а прямые линии получаются действительно прямыми, а не ступенчатыми. К тому же векторные устройства позволяют отображать динамическую анимацию. Динамика обеспечивается благодаря изменению содержимого дисплейного буфера по мере того, как дисплейный процессор занимается обновлением. Содержимое буфера изменяется графическими командами, передаваемыми управляющим приложением, в данном случае - программой анимации.

2.1.2. Растровые графические устройства

Растровые графические устройства появились в середине 70-х гг. XX в. в результате широкого распространения телевизионных технологий. С тех пор они стали основным видом графических устройств благодаря высокому соотношению качество - цена . Основные принципы их функционирования коротко можно описать следующим образом.

Дисплейный процессор принимает графические команды от приложения, преобразует их в точечное изображение, или растр, после чего сохраняет растр в разделе памяти, который называется буфером кадра {frame buffer) (рис. 2.6). Получить наглядное представление о растровом изображении можно, если пододвинуться к телевизору вплотную. Размеры точек определяются установленным разрешением. Растровые графические устройства должны хранить в своей памяти изображение в виде растра, в отличие от векторных, хранящих лишь дисплейные файлы. Поэтому требования к памяти у этих двух видов устройств отличаются, как и методы обновления изображения на экране.

Компьютер

Графические команды

i L

Дисплейный процессор

ЭЛТ

Рис. 2.6. Компоненты растрового графического устройства

Когда дисплейный процессор генерирует растровое изображение и сохраняет его в буфере кадра, он параллельно считывает содержимое этого буфера и направля-

2.1. Аппаратное обеспечение

ет электронные пучки на дисплей, воспроизводя на нем картинку, хранящуюся в буфере. На внутренней поверхности электронно-лучевой трубки может быть столько точек люминофора, сколько точек описывается буфером кадра. Электронный пучок направляется на точки, соответствующие точкам растрового изображения. Время свечения люминофора в растровых устройствах так же коротко, как и в векторных, поэтому необходимо регулярное обновление изображения. Единственное отличие - порядок движения электронного пучка при обновлении. Пучок пробегает по экрану слева направо, переходя со строки на строку в направлении сверху вниз (рис. 2.7). Когда электронный пучок направляется на точку люминофора, соответствующую точке изображения, он включается, возбуждая свечение люминофора. Время обновления остается постоянным независимо от сложности воспроизводимого изображения. Время обновления определяется, таким образом, временем сканирования всех строк развертки от верхней до нижней, и, как правило, составляет 1 /30 с для обычных телевизоров или 1/60 с для качественных растровых графических устройств. Однако буфер кадра в растровых устройствах требует гораздо больше памяти, чем дисплейный буфер в векторных графических устройствах.

Рис. 2.7. Развертка растрового изображения

Растровое изображение в буфере кадра может содержать сведения о цвете, если] каждой точке (пикселу) будет соответствовать не один бит, а несколько. Рассмотрим пример с тремя битами на каждый пиксел. Буфер кадра может быть представлен тремя плоскостями (рис. 2.8), каждая из которых содержит по одному биту для каждого пиксела. Говорят, что в таком случае буфер кадра содержит 3-битовые плоскости. В случае трехбнтового представления цвета первый разряд может использоваться для включения или выключения красного, второй - зеленого, а третий - синего цвета. Так получается восемь цветов (табл. 2.1), которые могут быть одновременно выведены на экран графического устройства. ЦАПы, показанные на рис. 2.8, - это цифроаналоговые преобразователи, выдающие аналоговый сигнал, управляющий электронной пушкой определенного цвета на основании значений битов соответствующей плоскости. Цена на микросхемы памяти падает, поэтому на рынке в настоящее время доминируют графические устройства с 24-битовыми плоскостями (по восемь битов на каждый из основных цветов). В таких устройствах каждый цвет может иметь 256 градаций (28), а всего возможно одновременно отобразить 16 777 216 (2й) цветов. Хранение конкретного цвета в буфере кадра иллюстрирует рис. 2.9. ЦАПы на рис. 2.9 решают ту же задачу, что и на рис. 2.8, но работают с 8 разрядами вместо одного.

Электронные Регистры пушки

аЧЦАГТУН Синяя

4(3-Красная

Буфер кадра

Рис. 2.8. Пример 3-битовых плоскостей Таблица 2.1. Набор цветов для 3-битовых плоскостей

Растр ЭЛТ

Регистры

1QIИ QIQIИ 0ЦЩ- - 8-разрядный ЦАП Синий 75

Буфер кадра

Электронные пушки

Рис. 2.9. Задание цвета 24-битовыми плоскостями

Растр ЭЛТ

Точка монитора, соответствующая точке буфера кадра, будет светиться определенным цветом, как в обычном цветном телевизоре. Формирование цвета происходит следующим образом. Внутренняя поверхность трубки монитора покрыта люминофором трех разных типов. Люминофор первого типа светится красным, второго - синим, а третьего - зеленым. Точки люминофора расположены в вершинах равносторонних треугольников (рис. 2.10). Каждый треугольник соответствует одной точке в буфере кадров. Энергия электронного пучка, падающего на люминофор из пушки соответствующего цвета, пропорциональна аналоговому сигналу от ЦАП (см. рис. 2.8 и 2.9). Следовательно, интенсивность излучения определенного цвета также пропорциональна сигналу от ЦАП. Точки разных цветов расположены в вершинах треугольника, но для человека они сливаются воедино и образуют цвет, задаваемый значением, хранящимся в буфере кадра. Электронный пучок может попадать и на люминофор другого цвета. Например, пушка, предназначенная для красного люминофора, может попасть пучком на зеленый люминофор. Для предотвращения этого эффекта перед слоем люминофора помещается теневая маска (shadow mask) (рис. 2.11). Теневая маска гарантирует, что электронные пучки попадают только на люминофор соответствующего цвета.

J-4?-47-47 47 47 47 47 47

© © © ©© © © © <5 S) 0 © 0 Д^® © © ©

© © © © © © © © i

Рис. 2.10. Распределение точек люминофора

Теневая маска

Люминофор на стеклянном экране ЭЛТ

Зеленый пучок Синий пучок Красный пучок

Сведение лучей Рис. 2.11. Теневая маска

2.2. Конфигурация аппаратных средств

Графические устройства, описанные в предыдущем разделе, редко используются поодиночке. Чаще всего они объединяются в кластер того или иного рода, рассчитанный на обслуживание множества пользователей. Существует три основных варианта конфигурации такого кластера.

Первая конфигурация состоит из мейнфрейма (mainframe) и множества графических устройств (рис. 2.12). Графические устройства подключаются к мейн-фрейму точно так же, как алфавитно-цифровые терминалы в обычных вычислительных центрах. К нему же подключаются и устройства вывода, такие как принтеры и плоттеры. Поскольку такая конфигурация может рассматриваться как естественное расширение существующей вычислительной среды, она с готовностью принималась большинством крупных компаний, у которых уже были мейнфреймы. Этот подход до сих пор используется производителями автомобилей и кораблей, у которых имеются огромные базы данных, обрабатываемые централизованно. Однако он обладает некоторыми недостатками. Он требует больших начальных вложений в аппаратное и программное обеспечение, да и обслуживание эксплуатируемой системы тоже стоит недешево. Обслуживание мейнфрейма всегда включает в себя расширение системной памяти и жесткого диска, что для мейнфрейма обходится гораздо дороже, чем для небольших компьютеров. Более того, обновление операционной системы тоже оказывается непростой задачей. Программы CAD/CAM/CAE требуют довольно частой замены в связи с выходом новых, гораздо более мощных версий и альтернатив, а также из-за ошибок при первичном выборе программного обеспечения. Программы CAD/CAM/CAE для мейнфреймов стоят намного дороже, чем аналогичные программы для меньших компьютеров. Еще одним серьезным недостатком централизованных вычислений является нестабильность времени отклика системы. В конфигурации с мейнфреймом приложения пользователей, относящиеся к разным графическим устройствам, конкурируют друг с другом за вычислительные ресурсы мейнфрейма. Поэтому время отклика для любого конкретного графического устройства зависит от того, какие задачи были запущены с другого устройства. Иногда время отклика может быть слишком большим для интерактивной работы с графикой, особенно когда другие пользователи решают сложные вычислительные задачи, например проводят анализ методом конечных элементов.

Меинфрейм

Графическое устройство

Интерактивные устройства ввода

Плоттер

Рис. 2.12. Меинфрейм с графическими устройствами

Вторая конфигурация состоит из автоматизированных рабочих мест проектировщика (рабочих станций - workstations), объединенных в сеть (рис. 2.13). К той же сети подключаются устройства вывода - плоттеры и принтеры. Рабочая станция - это графическое устройство с собственными вычислительными ресурсами. Такой подход в настоящее время используется очень широко, потому что в области технологий изготовления рабочих станций прогресс идет огромными темпами, да и вообще имеется тенденция к распределению вычислений. Производительность рабочих станций удваивается каждый год при сохранении их цены. Данный подход обладает и другими преимуществами. Пользователь может работать с любой станцией сети, выбирая ее в соответствии со своей задачей, причем системные ресурсы не будут зависеть от задач других пользователей. Еще одно преимущество - отсутствие необходимости в крупных первичных вложениях. Количество рабочих станций и программных пакетов может увеличиваться постепенно, по мере роста потребности в ресурсах CAD/CAM/CAE. Это очень выгодно, потому что стоимость оборудования постоянно падает.

Файловый сервер

Инженерная рабочая станция

Инженерная рабочая станция

Плоттер

Интерактивные устройства ввода

Интерактивные устройства ввода

Рис. 2.13. Рабочие станции, объединенные в сеть

Третья конфигурация аналогична второй за тем исключением, что вместо рабочих станций используются персональные компьютеры с операционными системами Windows 95 и NT. Конфигурации на базе персональных компьютеров популярны в небольших компаниях, особенно если выпускаемые продукты состоят из небольшого количества деталей ограниченной сложности, а также в компаниях, использующих системы CAD/CAM/CAE главным образом для построения чертежей. По мере того как различие между персональными компьютерами и рабочими станциями сглаживается, стирается и различие между вторым и третьим типами конфигурации.

2.3. Программные компоненты

Согласно определению, данному в главе 1, любая программа, используемая в жизненном цикле продукта для сокращения времени и стоимости разработки продукта, а также для повышения его качества, может быть отнесена к классу CAD/CAM/CAE. В основе лежат программы CAD, позволяющие конструктору создавать формы и манипулировать ими на мониторе в интерактивном режиме, сохраняя результаты в базе данных. Однако в принципе любая программа, облегчающая процесс разработки, может быть названа программой CAD. Например, специализированное приложение, предназначенное для автоматизации проектирования конкретной детали или механизма, также считается приложением CAD. В качестве примера приведем пример чертежа механизма (рис. 2.14, а), I

Г г

Т/ J > 1 J in

А А

в-в

ELEMENT 2-1

ELEMENT 2-2

DWG.

scale

ELEMENT 2-1.2-2

Q.T. i 4

XTM.

I кпв£>-i

Я ЛЯЛИ I .

<1 1

into Ihti to ft

.!

fl.S t.*

Ж* It u s

JlZia

SI MKSSF-1

ззйтлсотшш:

ИМ!:

ХагодаЖ СИСТеМЫ завизированной разработки чертежей

м юоезности Autodesk; чертежи построены в системе AutoCAD Release 13)

2.3. Программные компоненты

архитектурного чертежа (рис. 2.14, б) и электрической схемы (рис. 2.14, в), которые были построены в одной и той же программе автоматизированной разработки чертежей - типичного средства CAD. Твердотельная модель, созданная в системе геометрического моделирования, которая также является типичным представителем программ CAD, приведена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Результат работы системы твердотельного моделирования

Любая программа, используемая в процессе производства продукта, считается средством САМ. Таким образом, к САМ относятся программы для планирования, управления и контроля производственных операций через прямой или косвенный компьютерный интерфейс с производственными ресурсами завода. Это может быть программа, формирующая план процесса производства детали, или программа, которая пишет программу для ЧПУ, моделирует движение резца и контролирует работу станка в процессе обработки внешних поверхностей детали. Пример моделирования движения фрезы станка с ЧПУ по траектории, вычисленной программой САМ после создания чертежа детали в программе CAD, приведен на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Моделирование траектории движения фрезы станка с ЧПУ (благодаря любезности корпорации Gibbs and Associates, программа Virtual Gibbs)

Глава 2. Компоненты САП

Программы CAE используются для анализа геометрии конструкции и позволяют разработчику моделировать и изучать поведение продукта для улучшения и оптимизации проекта. Типичным примером является программа для расчета напряжений, деформации или теплопередачи в детали методом конечных элементов. Контурный график напряжений в детали, находящейся под нагрузкой, показан на рис. 2.17. Другие разновидности систем CAE и их функции были перечислены в главе 1.

Рис. 2.17. Пример расчетов в системе CAE (благодаря любезности Unigraphics Solutions, Inc.,

программа Unigraphics/FEA)

Форма, созданная в системе CAD, может использоваться для приложений, расчитывающих траекторию движения фрезы или выполняющих трехмерный анализ напряжений, только в том случае, если она строилась как трехмерная. По этой причине конструкторы часто начинают работать сразу с трехмерной моде-пью детали в системах геометрического моделирования.

Широко известные коммерческие программы CAD/CAM/CAE перечислены в кабл. 2.2. Основанием для включения в эту таблицу тех или иных пакетов послу-кил опыт автора по работе с ними, поэтому некоторые очень мощные коммерче-:кие программы могли быть пропущены. Интегрированные системы в крайнем фавом столбце таблицы предоставляют функциональность CAD, САМ и CAE 1осредством подключаемых модулей. В главе 5 вы узнаете, что новые системы хля персональных компьютеров продолжают появляться. Краткое введение в

истемы CAD для ПК будет дано в разделе 2.4. 1омимо систем, перечисленных в табл. 2.2, существуют программные продукты - наборы для моделирования, которые стремительно набирают популярность шагодаря своей гибкости, дающей возможность настройки под любую задачу. 1ри помощи средств из таких наборов может быть создано любое приложение щя создания и манипулирования трехмерными формами. В результате получит-

ся компактное приложение, ориентированное точно на решаемую задачу. На данный момент можно перечислить следующие типичные наборы для моделирования: ACIS, SHAPES, Parasolid, CAS.CADE и DESIGNBASE.

Таблица 2.2. Типичные системы CAD/CAM/CAE

ANSYS - зарегистрированная торговая марка Swanson Analysis Systems, Inc.

AutoCAD - зарегистрированная торговая марка AutoDesk, Inc.

BravoNCG -- зарегистрированная торговая марка Applicon, Inc.

CADAM - зарегистрированная торговая марка CADAM, Inc.

CATIA - зарегистрированная торговая марка DASSAULT SYSTEMS.

C-MOLD - зарегистрированная торговая марка Advanced CAE Technology.

Camand - зарегистрированная торговая марка Structural Dynamics Research Corporation (SDRC).

DADS - зарегистрированная торговая марка CADS, Inc.

DesignWorks - зарегистрированная торговая марка Computer Aided Design Software, Inc. DUCT - зарегистрированная торговая марка Delcam International Inc. EUCLID-IS - зарегистрированная торговая марка Matra Datavision. I/EMS - зарегистрированная торговая марка Intergraph, Inc.

I-DEAS - зарегистрированная торговая марка Structural Dynamics Research Corporation (SDRC).

Mastercam - зарегистрированная торговая марка CNC Software Inc.

Mechanical Desktop - зарегистрированная торговая марка Autodesk, Inc.

MicroCADAM - зарегистрированная торговая марка CADAM, Inc.

MOLDFLOW - зарегистрированная торговая марка Moldflow Pty Ltd.

MSC/NASTRAN - зарегистрированная торговая марка MacNeal-Schwendler Corporation.

PATRAN - зарегистрированная торговая марка MacNeal-Schwendler Corporation.