книги / Основы САПР. CAD CAM CAE

Моей семье и .моим студентам. Без вашей помощи эта 1шига никогда не была бы зако11чена

Предисловие

Поразительный рост вычислительной мощности компьютеров и широкое рас­ nространение программнога обеспечения проектирования и производства при­

вели к тому, что инженеры могут использовать системы автоматизированного

nроектирования (САПР) для решения повседневных задач, а не только для под­ готовки наглядных иллюстраций. Международная конкуренция, увеличение <JИсла опытных специалистов и повышенные требования к качеству заставляют владельnев предприятий автоматизировать проектирование и производство. Как следствие этого, преподаватели высшей школы чувствуют потребность изменить nрограмму своих курсов, относящихся к проектированию, чтобы научить cтy­ ,Zleliтoв nользоваться САПР и дать им представления об основных принципах,

лежащих в основе этих систем.

Цель этой книги - изложить эти принципы, описать концепции систем, не вда­

В<Uiсь в I<Онкретные детали, связанные с работой в конкретных пакетах. Некото­

рым может показаться, что достаточно научить студентов пользоваться сущест­

вующими системами, или даже одной системой, наиболее популярной, потому tJTo студент с инженерной специальностью станет пользователем, а не разработ­ tJИt<ом САПР. Дело, однако, в том, что для эффективной работы с существую­ rхщм программным обеспечением и создания макросов и программ, автоматизи­

рующих процесс проектирования, пользователь должен иметь представление не

fOJiькo о среде, в которой он работает, но и о принципах, лежащих в ее основе. Фундаментальное знание помогает студенту быстро изучить любую конкретную

систему с конкретной средой и использовать ее максимально эффективно. Более

-roto, руi'оводства пользователя, поставляемые с САПР, обычно уделяют основ­ f!Ое вни!\1ание nользовательскому интерфейсу и синтаксису; предполагается, что 1!ОльзовС'lтель имеет определенную теоретическую подготовку. Без этой подго­ -rоnки ч~-Jтатель встретит серьезные затруднения с терминологией системной до­

:I<Ументации, а еще большие сложности у него вызовет анализ сообщений об

оu.rибках.

Эта книrа написана главным образом о САПР, используемых в конструирова­ f!Ии механических систем. Све,Zlения о компьютерной графике могут, однако,

оказаться полезными и тем, кто работает с ней в других областях инженерной

,деsrтелыюсти. Книга предназначена для студентов старших курсов и аспирантов.

Д.тr.я работы с lieй достаточно знать основы программирования, математического диализа, матричной 11 векторной алгебры; никаких знаний о собственно САПР у I.Jитателя не предполагается. Количество математических терминов и доказа-

тельств было сведено к минимуму. Соответствуiощис разделы излагаются на уровне интуитивного восприятия. Благодаря этому выбор определенных глав

книги (см. ниже) позволяет использовать ее в качестве основы для чтения лек­ ций студентам младших курсов, а также в качестве справочника по САПР.

Подготавливая эту книгу, я постаnил перед собой цель объяснить фундамен­

тальные концепции, иллюстрируя их адекватным количеством чертежей и при­

меров, не вдаваясь, однако, в избыточные подробности. Мне попадались учебни­

ки, авторы которых не сnравлялись с изложением основных идей, пытаясь

объяснить сл11шком много частных м'оментов. Повышенная детализация делает книгу столь толстой, что студенты просто боятся ее открывать. В тех местах, где нужны были подробности, я всегда указывал ссылки на справочную литературу. Я старался рекомендовать только такие работы, которые имели непосредствен­

ное отношение к обсуждаемым вопросам, и это позволило мне свести количество ссылок к минимуму. Некоторые учебники рекомендуют столько дополнитель­

ной литературы, что студенты просто теряются в ней.

Глава 1 рассказывает о роли САПР в жизненном цикле продукта. Здесь дается определение САПР и приводятся пр11меры, иллюстрирующие использование

САЛР n щюектировании и производстве. Эти примеры показьшают, каким обра­

зом nршщипы, излагающиеся во всех последующих главах, применяются в рабо­

те 11ад новыми проектами. Глава 2 рассматривает аппаратные и программные компоненты, из которых состоят современные САПР. Преподавателю рекомен­

дуется обновлять соответствующий раздел своего курса по мере выхода новых программ и нового оборудования.

Глава 3 вводит понятия, относящиеся к графическому проrраммированию с ис­ пользованием графической библиотеки, не замыкаясь на какой-либо одной из них. Однако примеры в этой главе написаны для библиотеки OpenGL, которая

постепенно становится стандартом де факта для переанальных компьютеров и

рабочих станций. Это глава послужит хорошим введением в тему для любого чи­ тателя, интересующегося компьютерной графикой. Глава 4 дает обзор основных функций, предоставляемых пользователю большинством систем автоматизиро­

ванной разработки чертежей. Как и предыдущая, эта глава рассматривает кон­

цепции и функции, имеющ11еся во всех широко распространенных системах ав­

томатизированной разработки чертежей. В примерах используются команды AutoCAD, потому что на настоящий момент эта система наиболее популярна. Опыт взаимодействия с конкретной системой студенты должны получать во время лабораторных работ.

Глава 5 описывает основы снетем геометрического моделиро~ания. В ней рас­ сказывается о системах не~шогообразного моделирования - развивающейся вет­

ви геометрического моделнроnан11я. Отдельные темы, слишком сложные для студентов, но имеющие ценность для профессионалов, вынесены в приложения.

Те, кому СJiстеыы геометрического моделирования нужны только для работы,

могут спокойно пропустить их. Главы 6 и 7 посвящены представлению кривых и

поверхностей и работе с ними. Это математические основы систем геометриче­ ского моделирования и автоматизированной разработки чертежей. Я постарался

свести количество типов кривых 11 поверхностей к минимуму, которого было бы

достаточно для большинства nрнложений. Чтобы студенты не потерялись в

Я благодарен своим критикам за полезные замечания и предложения, которые,

вне всякого сомнения, сделали эту книгу лучше. Хочется выразить признатель­ ность профессору Дэвиду Госсарду из Массачусетского Технологического ин­ ститута, который дал мне ценный совет еще на этапе планирования книги. Так­

же хочу поблагодарить тех, кто предоставил мне необходимую информацию:

професеары Ген Хо Чо, Йон Иль Ким, Джон Вон Ким, доктора Вон Чоль Цой и Ха Йон Син, господа Сок Джу Ким и Джин Пен Чон обеспечили меня материа­

лами по оптимизации, виртуальному проектированию, технологической подго­

товке и стандартным файлам данных. Наконец, я благодарю своих студентов, а в особенности тех, кто помогал мне подготовить рукопись и иллюстрации к ней, -

это Джон Хун Хо и Ин Хен Чо.

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной

почты comp@piter.com (издательство «Питер>>, компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

Подробную информацию о наших книгах вы найдете на веб-сайте издательства http://WWW.piter.com.

Глава 1

Введение в САПР

1.1. Обзор

Современные предприятия не смогут выжить во всемирной конкуренции, если

не будут выпускать новые продукты лучшего качества (quality, Q), более низкой

стоимости (cost, С) и за меньшее время (delivery, D). Поэтому они стремятся ис­

пользовать огромные возможности памяти компьютеров, их высокое быстродей­

ствие и возможности удобного графического интерфейса для того, чтобы авто­

матизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства,

которые раньше были весьма утомительными и совершенно не связанными друг с другом. Таким образом сокрашается время и стоимость разработки и выпуска

продукта. Для этой цели используются технологии автоматизированного проек­

тирования (computeг-aided design - CAD), автоматизированного производства

(computer-aided manufacturing - САМ) и автоматизированной разработки или

конструирования (computer-aided engineering - САЕ). Чтобы понять значе­

ние систем CAD/CAM/CAE 1, мы должны изучить различные задачи и опера­

ции, которые приходится решать и выполнять в процессе разработки и произ­

водства продукта. Все эти задачи, взятые вместе, называются ЖUЗ1le1l1lЬLM циклом

продукта (product cycle). Пример жизненного цикла продукта, описанного Зей­

дом [166], снезначительными усовершенствованиями приведен на рис. 1.1.

Прямоугольники, нарисованные сплошными линиями, представляют два глав­

ных процесса, составляющих жизненный цикл продукта: процесс разработки и

процесс производства. Процесс разработки начинается с запросов потребителей,

которые обслуживаются отделом маркетинга, и заканчивается полным описани­

ем продукта, обычно выполняемым в форме рисунка. Процесс производства на­ чинается с технических требований и заканчивается поставкой готовых изделий.

Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналити­

ческие и синтетические. Как следует из рис. 1.1, первичные операции разработ­

ки, такие как определение необходимости разработки, формулирование техниче­

ских требований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а также концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатом

подпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продук­

та в форме эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различных

компонентов продукта. В этой части цикла делаются основные финансовые вло­

жения, необходимые для реализации идеи продукта, а также определяется его

1По-русски все эти системы вместе называются системами автоматизированного проекти­

рования - САПР. - При.меч. перев.

для интеллектуального творчества. На этом этапе компьютер может сделать свой

вклад, обеспечивая эффективность создания различных концептуальных проек­

тов. Полезными могут оказаться средства параметрического и геометрического

моделирования, а также макропрограммы в системах автоматизироватюй раз­ работки чертежей (coтpиter-aided drafting). Все это типичные примеры систем

CAD. Система геометрического моделироваиuя (geoтetric тodeling systeт) -это

трехмерный эквивалент системы автоматизированной разработки чертежей, то есть программный пакет, работающий с трехмерными, а не с плоскими об-qекта­

ми. О разработке чертежей речь пойдет в главе 4, а о геометрическом моделиро­

вании - в главе 5.

В аналитической фазе проектирования ценность компьютеров проявляется по­

настоящему. Программных пакетов для анализа напряжений, контроля столк­

новений и кинематического анализа существует столько, что приводить какие­

либо названия смысла не имеет. Эти программные пакеты относятся к средствам

автоматизИрованного конструирования (САЕ). Главная проблема, связанная с их использованием, заключается в необходимости формирования аналитической

модели. Проблемы не существовало бы вовсе, если бы аналитическая модель

автоматически выводилась из концептуального проекта. Однако, как уже отме­

чалось, аналитическая модель не идентична концептуальному проектуона вы­

водится из него путем исключения несущественных деталей и редукции размер­

ностей. Необходимый уровень абстракции зависит от типа анализа и желаемой

точности решения. Следовательно, автоматизировать процесс абстрагирова­

ния достаточно сложно, поэтому аналитическую модель часто создают отдельно.

Обычно абстрактная модель проекта создается в системе разработки рабочих

чертежей или в системе геометрического моделирования, а иногда с помощью

встроенных средств аналитического пакета. Аналитические пакеты обычно тре­

буют, чтобы исследуемая структура была представлена в виде объединения свя­

занных сеток, разделяющих объект на отдельные участки, удобные для ком­ пьютерной обработки. Если аналитический пакет может генерировать сетку

автоматически, человеку остается задать только границы абстрактного объекта. В противном случае сетка также создается пользователем либо в интерактивном режиме, либо автоматически, но в другой программе. Процесс создания сетки называется моделироваиием методом коиечиых эле.'ttеuтов (Jinite-element тodeling).

Моделирование этим методом включает в себя также задание граничных усло­

вий и внешних нагрузок.

Подпроцесс анализа может выполняться в цикле оптимизации проекта по ка­

ким-либо параметрам. Разработано множество алгоритмов поиска оптимальных

решений, а на их основе построены коммерчески доступные программы. Проце­

дура оптимизации может считаться компонентом системы автоматизированного

проектирования, но более естественно рассматривать эту процедуру отдельно.

Фаза оценки проекта также выигрывает от использования компьютера. Если для

оценки проекта нужен прототип, мы можем быстро сконструировать его по за­

данному проекту при помощи программных пакетов, генерирующих код для ма­

шины быстрого прототипирования. Такие пакеты считаются программами для

автоматизированной подготовки производства (САМ). Разумеется, форма про­

тотипа должна быть определена заранее в наборе входных данных. Данные, оп-