Специальное оборудование САПР

В силу особенностей задач, решаемых САПР, для их эффективного использова­ния применяется достаточно широкий спектр специфического оборудования, как правило, не имеющего хождения в других отраслях использования компьютеров. Специфика САПР накладывает свои особенности даже на выбор стандартных компонент оборудования.

Плоттеры

Плоттер, или графопостроитель, – устройство для автоматического вычерчива­ния с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой гра­фической информации на бумаге. Плоттеры появились как необходимое допол­нение к 2D CAD-системам, так как традиционно чертежи исполняются на листах крупного размера, которые невозможно отпечатать на традиционном принтере.

Первые плоттеры работали на принципе передвижения бумаги с помощью ро­лика, обеспечивая тем самым координату X, a Υ обеспечивалась поперечным дви­жением каретки. В качестве рисующего элемента использовались перья различ­ных типов, конструктивно напоминающие фломастеры или чернильные ручки. Вторым типом являются планшетные (плоские, см. рис. 14.1) графопостроители. В них бумага либо пленка располагается на плоскости и неподвижна. Над плоскостью устанав­ливается конструкция, позволяющая перемещать пишущий блок одновременно по двум координатам вдоль плоскости. Недостаток этого метода заключался в том, что требовалось пространство, соответствующее расчерчиваемой области. Но достоинством этого решения, вытекающим из его недостатка, является высо­кая точность позиционирования пера и соответственно точность самого рисунка, наносимого на бумагу. Позже рисующая головка плоттеров была дополнена кас­сетными держателями с перьями разной толщины и цвета.

Рис. 14.1 Планшетный крупноформатный плоттер

С широким распространением технологии струйной печати с высокой разре­шающей способностью, удешевлением компьютерной памяти и скоростью обра­ботки растровых цветных изображений плоттеры с пером практически исчезли из обихода.

В современных плоттерах (рис. 14.2) часто комбинируют печатающую и сканирующую головки, установленные на одной каретке. Такое многофункциональное устрой­ство позволяет не только выводить на печать электронные чертежи и схемы, но и сканировать ранее созданные документы (например, выполненные вручную чер­тежи), а также создавать копии документов без их ввода в CAD-системы.

Рис. 14.2 Струйные плоттеры-сканеры

Несмотря на набирающую популярность технологию публикации электронных чертежей и документов, широкоформатные плоттеры все еще остаются достаточно востребованными. Они используются для печати чертежей, карт, результатов ком­пьютерной визуализации. Обеспечивая максимальную точность, высокую цветопе­редачу, широкий цветовой охват, плоттеры предоставляют большие возможности для печати графической информации. Основным их достоинством остается размер получаемого изображения – мониторы размером более метра на метр вряд ли скоро станут стандартным оснащением рабочих мест инженеров, конструкторов и карто­графов, а потому плоттеры приходится использовать для получения «твердой ко­пии» электронных данных – так эти данные проще анализировать. В ряде отраслей бумажный чертеж не сдает своих позиций, например на строительной площадке.

Лекция 22

Быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование (rapid prototyping) технология быстрого создания физических геометрических макетов деталей и сборок, позволяющих оценить внешний вид детали, проверить элементы конструкции, провести необходимые испытания, изготовить мастер-модель для последующего литья. Эти технологии начали развиваться в 80-х годах XX века и преимущественно основаны на принци­пе постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значи­тельного прогресса достигли технологии послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным моделям. Построение прототипа происходит на основе твердотельной модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверх­ностными контурами. Большинство известных САПР обеспечивают экспорт моделей в формате STL, являющемся стандартом де-факто для быстрого прототипирования. Модель, записанная в этом формате, разбивается на тонкие слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, причем толщина каж­дого слоя равна разрешающей способности оборудования по Ζ-координате (см. рис. 14.3). По­строение детали происходит послойно до тех пор, пока не будет получен физиче­ский прототип.

Рис. 14.3 Основные этапы подготовки данных для послойного выращивания: а) 3D-модель; б) разбиение на тонкие слои с заданным шагом; в) формирование траектории для заполнения слоя

Принципиальная схема всех устройств прототипирования одинакова: на рабо­чий стол наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение из­делия, затем стол смещается на шаг вниз, и наносится следующий слой. Таким образом, слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели, реализуя требуемую форму.

Основным различием между технологиями являются используемый материал и способ его нанесения. Остановимся на самых основных технологиях.

Стереолитография (StereoLithography, рис. 14.4 ) является первым появившимся и наи­более распространенным методом прототипирования. Принцип метода состоит в послойном отверждении жидкого фотополимера лазерным лучом, направляе­мым сканирующей системой. Стол-элеватор находится в емкости с жидким фото­полимером, шаг вертикального перемещения варьируется в диапазоне 0,025…0,3 мм, что позволяет получать достаточно хорошее качество поверхности.

Рис. 14.4 Схема стереолитографического процесса

После полимеризации получается достаточно твердый, но хрупкий полупро­зрачный материал (см. рис. 14.5), подверженный короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается.

Рис. 14.5 Примеры моделей, выполненных по технологии стереолитографии

В технологии лазерного спекания порошковых материалов (Selective Laser Sintering, SLS, рис. 14.6 ) в качестве рабочего материала используются порошковый пластик, металл или керамика, близкие по свойствам к конструкционным маркам. На по­верхность наносится тонкий слой порошка, который затем спекается лазерным лучом, формируя твердую массу, соответствующую сечению ЗD-модели и опре­деляющую геометрию детали.

Рис. 14.6 Схема SLS-процесса

SLS – это единственная технология, которая может быть применена для изго­товления металлических деталей и формообразующих для пластмассового и ме­таллического литья. Прототипы из пластмасс обладают хорошими механически­ми свойствами, могут быть использованы для создания полнофункциональных штучных изделий.

В технологии ламинирования листовых материалов (Laminated Object Manu­facturing, LOM) слои прототипа создаются при помощи ламинирования бумаж­ного листа. Контур слоя вырезается лазером, а поверхность, которую нужно затем удалить, режется лазером на мелкие квадратики. После извлечения созданной де­тали мелко порезанные излишки материала легко удаляются. Структура полу­ченного прототипа похожа на древесную, боится влаги.

В последние годы бурно развивается метод струйного моделирования (InkJet Modelling, рис. 14.7 ), в котором головка, содержащая от двух до десятков сопел, наносит модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя. После нанесения слоя могут проводиться его фотополимеризация и механическое выравнивание.

Рис. 14.7 Схема процесса струйной ЗD-печати

В качестве поддерживающего материала обычно используется воск, а в каче­стве модельного – широкий спектр материалов, очень близких по свойствам к конструкционным термопластам. Данный метод позволяет получать прозрач­ные и окрашенные прототипы с различными механическими свойствами – от элас­тичных, похожих на резину, до твердых, похожих на пластики. Эта технология, помимо высокого качества получаемых моделей, достаточно просто реализуется в небольших габаритах, буквально в виде ЗD-принтеров, доступных многим. Пример изделия, созданного методом 3D струйной печати, показан на рис. 14.8.

Устройства ввода и указания

Помимо традиционных для ПК клавиатуры и мыши, в САПР в силу особенностей их применения используются специфичные устройства ввода, в первую очередь – более точного указания координат.

Так как исходно в руки инженеров попали чертежные 2D CAD, первыми спе­цифическими устройствами указания стали дигитайзеры (или графические планшеты) – устройства для перевода бумажных технических чертежей и схем в цифровую форму.

Графические планшеты применяются как для создания изображений на ком­пьютере способом, максимально приближенным к тому, как создаются изображе­ния на бумаге, так и для обычной работы с интерфейсами, не требующими относи­тельного ввода. Хотя ввод относительных перемещений с помощью планшета и возможен, он зачастую неудобен.

В состав дигитайзера (рис. 14.9), помимо самого планшета, на котором располагают чер­теж или карту, предназначенную для оцифровки, входит специальный указатель (курсор или перо). Зачастую на рабочем поле дигитайзера располагали и элемен­ты интерфейса CAD-программ, тем самым освобождая дополнительное рабочее пространство графического дисплея для изображения чертежа. Принцип дей­ствия дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки, состоящей из проволочных или печатных проводни­ков. Курсор излучает электромагнитные волны, а планшет служит приемником.

Рис. 14.8 Пример многоцветной 30-модели яхты, созданной методом трехмерной струйной печати

Рис. 14.9 Оцифровка чертежа с помощью крупноформатного дигитайзера

Новый этап в использовании дигитайзеров в САПР наступил с появлением крупноформатных тонких ЖКИ дисплеев (рис. 14.10) – их совмещение с чувствительной по­верхностью планшета принципиально изменило стиль работы. Теперь точное указание позиции курсора можно осуществлять прямо на изображении, то есть наиболее естественным способом, аналогичным рисованию на бумаге, но с ис­пользованием всех возможностей компьютерных графических редакторов: при­вязки к сетке и объектам, автоматического выравнивания, построения перпенди­куляров и касательных и т. д.

Рис. 14.10 Дигитайзер, совмещенный с рабочим экраном

Современные дигитайзеры обеспечивают не только точный ввод координат, но и могут определять степень нажима пером на поверхность, что сделало их чрез­вычайно популярными в системах создания художественной графики и иллюст­раций.

С развитием трехмерных систем геометрического моделирования появились и средства манипулирования объемным изображением (ЗD-манипуляторы) и вво­да трехмерных данных (ЗD-сканеры).

ЗD-манипуляторы (рис. 14.11) – устройства, которые обеспечивают интуитивную навига­цию в трехмерном пространстве, возможность работать обеими руками: панора­мирование, изменение масштаба изображения и поворот выполняются одним плавным движением джойстика, в отличие от работы с обычной мышью, которая позволяет одновременно выполнять лишь одно действие, что влечет за собой мно­гочисленные остановки для позиционирования модели. При работе обеими рука­ми управление видом осуществляется ЗD-манипулятором, а указание координат рабочего курсора – мышью, что сокращает количество переключений и ускоряет работу.

Несмотря на наличие мощных редакторов, для создания ЗD-моделей «с нуля» существует ряд задач, в которых требуется получение полной электронной моде­ли либо информации о ее геометрии по существующему физическому объекту. Это могут быть: контроль качества, реконструкция (воссоздание продукции ком­пании-конкурента), оцифровка макета, созданного дизайнером вручную, исполь­зование геометрии образца для последующего быстрого изготовления упаковки и т. д. Для выполнения таких работ применяются ЗD-сканеры, которые существуют двух основных типов: контактные и бесконтактные.

Рис. 14.11 Работа с мышью и ЗD-манипулятором

Контактные сканеры (рис. 14.12) построены по принципу обвода модели специальным вы­сокочувствительным щупом, посредством которого в компьютер передаются трехмерные координаты сканируемой модели.

Достоинством контактных сканеров являются простота сканирования приз­матических частей, независимость от освещения, точное определение ребер. Однако контактное сканирование требует значительного времени, щуп должен касаться объекта сканирования, что не всегда приемлемо, поэтому все более широкое распространение находят бесконтактные сканеры.

Принцип работы бесконтактного сканера (рис. 14.13) основан на проеци­ровании лазерного луча на объект сканирования. Все искажения воспринимаются измерительной камерой, которая отслеживает физическое положение лазера. По совокупности этих данных вычисляются координаты точек на поверхности.

Рис. 14.12 Контроль качества геометрии с помощью контактного ЗD-сканера

Рис. 14.13 Работа с ручным лазерным ЗD-сканером

Для привязки к объекту на него в произвольном порядке, с расстоянием от 20 до 100 мм друг от друга, наклеиваются самоклеящиеся светоотражающие круглые маркеры. Это позволяет сканировать объект целиком, со всех сторон, как изнутри, так и снаружи, не прибегая к склейке сканов, что существенно экономит время. Более того, процесс сканирования можно прервать, уточнить и детально рассмотреть уже отсканированное.

Полученные методом сканирования ЗD-модели в дальнейшем могут быть об­работаны средствами САПР и использованы для разработки технологии изготов­ления (САМ) и инженерных расчетов (САЕ).

Лекция 23

Видеоадаптеры

Современные графические рабочие станции предназначены для работы с трех­мерной графикой, будь то проектирование деталей и узлов различных установок, проектирование зданий и сооружений или визуализация результатов проведен­ных прочностных или иных расчетов. Существенный вклад в общую производительность рабочей станции вносит видеоподсистема. В настоящее время видео­карты разделяются на «игровые» и «профессиональные». Первые рассчитаны на максимальную производительность в ЗD-играх, вторые же нацелены на быструю работу в системах CAD/CAM/CAE. Главным отличием является то, что они оп­тимизированы для работы с разными данными (см.): для игровых приложений харак­терно небольшое количество полигонов, определяющих геометрию и большой объем текстур для реализации визуальных эффектов. Для приложений САПР, напротив, типичны значительные объемы геометрических данных и относитель­но небольшой объем текстурных данных.

Рис. 14.14 Трехмерная модель самолета для игр (слева) и компоновочная модель из CAD-системы (справа)

В результате видеокарты для профессионального применения имеют сущест­венные отличия как на аппаратном, так и на программном уровне. При этом, имея преимущество при работе с приложениями САПР, профессиональные видеокар­ты могут уступать при работе с играми. Для иллюстрации приведем результаты ряда тестов (рис. 14.15, рис. 14.16).

По результатам видно преимущество профессиональной видеокарты NVidia Quadro FX 4600 в тестах, имитирующих работу в приложениях САПР, использующих OpenGL. Однако в тесте 3D mark (тест, имитирующий работу в играх, использую­щих DirectX) преимущество имеет игровая видеокарта.

Рис. 14.15 Сравнение производительности игровой и профессиональной видеокарт при работе с приложениями САПР

Рис. 14.16 Сравнение производительности игровой и профессиональной видеокарт при работе с играми

Выбор САПР

Выбор САПР, наиболее оптимально решающей задачи конкретного предприятия – это непростая задача как для небольших компаний, так и для крупных корпора­ций. Для предприятий малого и среднего бизнеса ситуация осложняется тем, что, как правило, они не располагают существенными финансовыми и людскими ре­сурсами, обеспечивающими тщательный анализ предполагаемых к внедрению си­стем, которыми обладают крупные предприятия. Процесс выбора всех компонент САПР – CAD, САМ, CAE, PDM и т. д. – зачастую характеризуется невысоким уровнем аргументации, недостаточной глубиной анализа стратегических аспек­тов, слабым пониманием среды разработки изделия и предложений, направлен­ных на ее улучшение, весьма приблизительной оценкой коэффициента отдачи инвестиций (Return On Investment, ROI) и других важных критериев.

Чем крупнее компания и чем сложнее ее структура, тем более сложным пред­ставляется процесс выработки решения. Это обусловлено тем, что в промышлен­ности САПР является важным инструментом разработки изделия, который мо­жет играть критически важную роль при согласовании организационных целей, но при всей своей важности это только один из многих инструментов, с которыми также необходимо взаимодействовать.

Еще в недавнем прошлом применение САПР сводилось к схеме проектирова­ния, принятой при работе с бумажными документами. Однако глобальные изме­нения в мировой экономике за последние десятилетия внесли новые факторы, которые нужно учитывать:

o необходимо обеспечивать быстрый выход продукта на рынок;

o высокие требования к качеству изделия, которое должно соответствовать мировому уровню;

o деятельность в условиях глобальной экономики, когда клиенты, поставщи­ки и разработчики изделия могут находиться в любой точке земного шара;

o необходимость снижения издержек ввиду высокой ценовой конкуренции мировых производителей.

Самое важное требование – соответствие системы разработки изделий целям и задачам компании. Поэтому при выборе нового программного продукта следует найти ответы на следующие вопросы:

o Нужна ли вам вообще новая система? Соответствует ли имеющаяся систе­ма текущим и перспективным целям?

o Обеспечивает ли она конкурентоспособность? Можно ли усовершенство­вать текущую систему?

o Какие возможности нового продукта отсутствуют в текущей системе? От­вечая на данный вопрос, целесообразно сформировать список этих допол­нительных функций.

o Какой экономии можно ожидать? Новая система потребует определенного времени на освоение и определенной суммы на приобретение.

o На какой экономический эффект можно рассчитывать? За какой период?

o Какими будут издержки при использовании новой системы?

Внедрение или обновление программных продуктов для разработки изделий стоит рассматривать как последовательность логических этапов.

Инициация процесса

Процесс обновления начинается с принятия решения о необходимости усовер­шенствования существующей системы либо замены ее новой системой. Для этого придется ответить себе на целый ряд достаточно простых вопросов:

o Как давно обновлялась система разработки изделий? Делалось ли это в по­следние 3-5 лет?

o Работают ли ваши конструкторы/разработчики в 3D?

o Удовлетворены ли вы качеством вашей продукции?

o Удовлетворены ли вы сроками разработки изделий и сроками вывода изде­лий на рынок?

o Насколько высок процент своевременных ответов на заявки и предло­жения?

o Насколько конкурентоспособно ваше предприятие с точки зрения затрат, на разработку и вывод изделия на рынок?

o Можете ли вы обмениваться проектными данными с вашими заказчиками и/или поставщиками, если возникает такая необходимость? И если такой обмен имеет место, то можете ли вы обеспечить необходимую безопасность процесса и сохранность ключевых данных об изделии?

o Поддерживается ли синхронность изменений в спецификациях, используе­мых на этапе разработки изделия и на этапе его производства?

o Имеются ли у вас эффективный доступ к фрагментам ранее выполненных проектов и возможность их использования в новых изделиях?

Если хотя бы на один из этих вопросов ответ отрицательный - можно пола­гать, что предприятие использует среду разработки, не удовлетворяющую совре­менным целям и задачам предприятия, и необходимо либо ее модифицировать, либо выбрать новую систему.