Автоматизация управления. Автоматизации управления. 7. Контрольные вопросы
 Скачать 345.75 Kb.
|
|
Системы автоматизации инженерных расчетов(CAE). В данном разделе разберемся, что-же представляют из себя системы автоматизации инженерных расчет и для чего они применяются. Говоря простыми словами, CAE-системы применяются в тех случаях, где необходимо производить какие-либо инженерные расчеты, анализировать и визуализировать физические процессы. САЕ-системы также поддерживают возможность производить моделирование процессов динамики, а также улучшать проектируемое изделие. В основном CAE-системы проверяют уже готовые изделия, которые спроектированы в системах CAD, то есть уже готовые геометрические модели. С помощью довольно развитых CAE-систем изделия, которые собираются уже непосредственно на предприятиях, выходят из конвейера в надлежащем виде и качестве и в дальнейшем доходят до заказчика в указанный срок. Огромное множество САЕ-систем имеют возможность производить решения систем уравнений с дифференциалами в частных производных, используя метод конечных элементов. Основные функции САЕ-систем имеют очень большое разнообразие. Например, в машиностроительных САЕ-системах выполняются такие функции, как: анализ кинематики и динамики изделия путем определения траектории движения подвижных частей и сил, которые приложены к изделию в рабочем процессе; процесс моделирования физических свойств, которые проводятся методом конечных элементов; расчет состояния и временных процессов на макроуровне; моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри. На рисунке 7 можно увидеть небольшую часть отраслей, где используются САЕ-системы.  Рисунок 7 – Отрасли использования САЕ-систем. В настоящее время уже нереально представить какое-либо производство без САЕ-систем. В связи с чем САЕ-системы обширно развиваются в различных направлениях. Несколько таких направлений представлены на рисунке 8.  Рисунок 8 – Направления развития САЕ-систем. При проведении инженерных исследований в системе САЕ создается компьютерная модель, которая называется анализом. Она описывает поведение объекта при определенных условиях. Эта компьютерная модель содержит геометрическую трехмерную модель детали или узла и набор условий, которые ограничивают нагрузку и движение исследуемого элемента. Как правильно, прототип задачи механического анализа определяется следующим образом и представляется уравнением в частных дифференциальных уравнениях вместе с начальными условиями и граничными условиями. Условно решения дифференциальных уравнений разделяют на две основные категории. К ним относятся аналитические методы и численные методы. Благодаря аналитическому методу нужное нам решение будет являться уравнение, с помощью которого можно будет найти значения нужной нам функции, за счет использования определенных значений аргументов. Про такое решение говорят, что оно получено в аналитической форме. Многие инженерные задачи, связанные с изучением напряженно-деформированного состояния твердых тел, могут быть решены с помощью аналитических методов, таких как теория упругости и пластичности, теории пластин и оболочек. Например, если задача определения напряжений, перемещений и собственной частоты конструкции простой геометрии может быть сведена к решению алгебраических, тригонометрических и элементарных дифференциальных уравнений, известных из лекций по механике материалов и теоретической механике, то решение может быть получено аналитическими методами. Преимущество аналитического метода заключается в том, что точные результаты могут быть получены за короткое время. Решения получаются путем подстановки, функциональных преобразований и строгого обоснования определенных предположений. Из-за грубости модели физическая точность метода невысока, и в большинстве случаев он может лишь оценить количество цифр. Для более точных и сложных моделей аналитические решения встречаются относительно редко. Многие важные технические проблемы не могут быть решены аналитически из-за сложности геометрии конструкции и граничных условий. Численные вычисления- это метод подхода к решению математических задач, обычно путем выполнения ряда арифметических операций над числовыми значениями. Численные расчеты позволяют получать результаты с числовой неопределенностью, которая зависит от проблемы. В этом отличие от аналитических методов. Численные методы дают только приблизительные решения. Аналитические методы дают приблизительное решение проблемы. Численные расчеты позволяют получить решение задачи при конкретных значениях параметров и исходных данных. Для того, чтобы провести анализ, который позволит нам определить зависимость нашего решения от некоторых параметров и заданных начальных условиях, просто необходимо произвести серию вычислений. Когда дифференциальное уравнение решают численным методом неизвестная величина будет являться переменная в конечном значении исходного поля. В таком случае дифференциальное уравнение будет дискретизироваться. Системы автоматизированного проектирования(CAD). Системы автоматизированного проектирования или же computer-aided design(САD) используются для моделирования в двухмерном или трехмерном пространстве. С помощью САD систем проектируются конструкции технологических процессов, изделий машиностроения, авиастроения, полупроводников и многого другого. В двухмерном (2D) проектировании производится черчение, оформление конструкторской документации, а в трехмерном (3D) проектировании получаются уже готовые трехмерные модели вместе с расчетами характеристик, также реализуется визуализация для более детального изучения модели. CAD-системы уже не первый десяток лет имеет место в проектировании. Разработчики разделяют развитие данных систем на 3 этапа. Начиная с 70-х годов прошлого столетия начинается упорное развитие CAD-систем. Это последовало за достижениями в научно-практической работе. В ней было доказано, что проектировать сложные промышленные изделия в принципе реально. Вот именно это и стало первым этапом развития CAD-систем. В ходе первого этапа те люди, которые работали на CAD, CAM и САЕ-системах, использовали графические терминалы. Они присоединялись к большим серверам, производителями которых в те времена являлись такие компании как IBM и Control Data. В те времена эти самые сервера были не такими надежными, как сейчас. У них был один большой недостаток. Когда нужно было системный ресурс дать большому количеству сотрудников, то на центральный процессор накладывалась огромная нагрузка, которая мешала штатному функционированию системы. В дальнейшем эта проблема была решена. Подводя итоги первого этапа, разработчики сделали ряд открытий. Им удалось развить проектирование печатных плат и слоев микросхем на такой уровень, что стало возможно создавать сложные интегрированные микросхемы. Также на первом этапе стал происходить переход систем с больших серверов на персональные компьютеры. Начиная с 80-х годов прошлого столетия начинается разделение CAD-систем на специализированные сектора. С этого момента начался второй этап развития систем. В ходе второго этапа было разделение электрических и механических CAD-систем на две отличные отрасли, а именно ECAD-системы и MCAD-системы. Также не остались в стороне производители рабочих станций для систем. Какие-то производители остались с компанией IBM, которые использовали микропроцессоры от intel, другие производители стали работать с компанией Motorola. Так как была необходимость проектировать сложные модели, то 16-разрядные системы плохо справлялись с этой задачей, тогда пользователям приходилось переходить на 32-разрядные системы, которые в те времена были на операционной системе Unix. Переход на другую операционную систему позволил проектировать сложные модели без каких-либо серьезных затруднений. Ближе к середине 80-х годов компания Motorola почти использовала все возможности своей архитектуры. Тогда пришлось создавать новые чипы для станций, которые работают с Unix. По итогу второго этапа развития началось создание архитектуры RISC, которая помогла повысить производительность систем. В 90-х годах прошлого столетия компания intel начала производить свои транзисторы по более низкой цене, что привело к повышению производительности. Это связано с развитием микротехнологий, с которых и начинается третий этап развития систем. В дальнейшем наблюдалась успешная конкуренция рабочих станций ПК с RISC или Unix платформами. Даже сейчас данные платформы широко используются для проектирования интегральных схем. Хотя в настоящее время почти всю область проектирования заняла операционная система Windows. Разные источники пишут, что, начиная с конца 90-х годов рабочие станции платформы Windows обходят по объемам продаж платформу Unix. Именно это сейчас мы и наблюдаем. Полная классификация показана на рисунке 9.  Рисунок 9 - Классификация CAD-систем. Первоначально программное обеспечение CAD-систем разрабатывалось с использованием таких компьютерных языков, как Fortran и ALGOL, но ситуация существенно изменилась с развитием методов объективно-ориентированного программирования. Типичные современные системы параметрического моделирования и системы проектирования поверхностей произвольной геометрии основаны на ряде основных модулей на языке C с собственными API. CAD-системы основаны на взаимодействии данных NURBS геометрии данных граничного представления через ядро геометрического моделирования, и это можно считать основным на взаимодействии с графическим интерфейсом пользователя. Благодаря этим связям начинает появляться новый вид проектирования, который можно назвать цифровым. Этот вид проектирования предполагает использование значительного времени процесса производства. Создание модели САD-систем предполагает, что имеется возможность перенести уже имеющийся прототип модели на компьютер при помощи томографа. Из-за большого разнообразия работ можно выбирать, какие именно прототипы нам подойдут, цифровые или физические. Благодаря выбору возможно удовлетворить определенные потребности. В настоящее время данные системы возможно установить на все имеющиеся платформы. Несколько из систем имеют возможность работать не нескольких платформах одновременно. В нынешние времена много программ, которые используются для CAD-систем, не нуждаются в каких-то определенных оборудованиях. Однако некоторые систем CAD способны выполнять тяжелую графическую и вычислительную работу. В связи с этим есть возможность использовать современные видеокарты, быстрые процессоры и большой объем оперативной памяти. Для проектирования деталей или каких-либо элементов человек обычно использует компьютерную мышь. Есть возможно при проектировании использовать ручки и графические планшеты. В настоящее время появилась возможность для проектирования использовать 3D очки. Раньше такие очки невозможно было использовать из-за серьезных ограничений при использовании программ, но с течением времени такая возможность стала доступной. Теперь же использование 3D очков позволяет детальнее изучить проект, чтобы избавиться от малейших ошибок. Автоматизация технологической подготовки производства. CAM-системы. Современный промышленный процесс невозможно представить без автоматизации технологической подготовки производства. Ручная обработка деталей и изделий сегодня заменяется компьютерными системами, основной задачей которых является создание электронных моделей изделий, создание управляющих программных кодов и автоматическая подача команд обработке деталей и изделий на специализированных станках. САМ-системы представляют собой средства, с помощью которых реализуется подготовка производства изделий. За счет данных систем производится автоматизация программирования и управления оборудованием. В русском языке имеется аналог данного термина, а именно АСТПП, что означает Автоматизированная Система Технологической Подготовки Производства. В нее также, как и в САПР входят такие задачи, как создание технологической документации, которая доставляется до рабочих мест с целью производства изделия, и доставка регламента процесса изготовления изделий. Системы САМ обеспечивают своевременную и точную обработку деталей и изделий, повышают эффективность производственных процессов и уменьшают затраты на производство. Системы САМ поддерживают широкий спектр производственных операций. К одним из важных задач, которые реализуются с помощью САМ-систем, можно отнести: проектировка технологического процесса; объединение программ управления с числовыми программами управления; моделирование процессов обработки; построение траекторий движения инструмента и заготовки в процессе обработки; расчет оптимального времени, для обработки изделия. Рынок САМ-систем представлен различными производителями, которые в той или иной мере имею как положительные, так и отрицательными сторонами. Основные производители CAM-систем являются такие компании как: Dassault, Siemens, Planit. Они занимают ведущие места в поставках САМ-систем. Уровень мирового рынка САМ-систем можно увидеть на рисунке 10. Рисунок 10 - Рынок САМ-систем. Но какая же САМ-система является самой лучшей? Чтобы произвести сравнительную характеристику САМ-систем и определить, какая САМ-система является наилучшей, нужно определить по каким параметрам будет производиться сравнение. К таким параметрам будут относиться функционал, системные требования и интерфейс. Для сравнительной характеристики возьмем три довольно известные САМ-системы, а именно: ESPRIT, ADEM и SprutСАМ. Перечисленные САМ-системы являются разработками российского производства. Это позволяет говорить, что в России тоже имеются свои довольно неплохие САМ-системы. Программа ESPRIT является высокопроизводительной, многофункциональной, обучающей системой среднего класса. У нее имеется русифицированный интерфейс и справочная система. Лучше остальных программных комплексов поддерживает электроэрозионные станки. [4] Программа ADEM была разработана еще в 90-х годах прошлого столетия. Внутри программы заложены основные системы для проектирования, программирования и конструирования моделей. SprutCAM в отличие от многих существующих в мире систем поддерживает разработку управляющего программного обеспечения для многокоординатных фрезерных станков, а также используется для управление процессами в нефтегазовой отрасли, что выделяет ее их многих САМ-систем. Все преимущества российского разработчика: удобный интерфейс, обновление версий, поддержка, приемлемая цена, наличие справочной литературы. [4] Функционал трех основных САМ-систем представлены на рисунке 11.  Рисунок 11 - Функционал трех основных САМ-систем. Из проведенного анализа, можно сделать вывод, что ADEM и SprutСАМ имеют больше возможных функций. Какие же минимальные системные требования рекомендуют поставить производители САМ-систем для своих систем? На этот вопрос можно ответить если посмотреть на рисунок 12  Рисунок 12 – Системные требования САМ-систем. После проведенного анализа системных требований САМ-систем, можно сделать вывод, что по большей мере у всех представленных САМ-систем схожие системные требования. САМ-системы ADEM и SprutCАМ для своего функционирования используют более требовательные процессоры, но ADEM использует меньше оперативной памяти, чем SprutСАМ. Для работы на ESPRIT нужен менее требовательный процессор, но объём оперативной памяти в три раза выше чем в ADEM и на 4 Гб меньше, чем в SprutСАМ. Выполнив визуальный анализ каждой системы, мною был сделан субъективный анализ. Более-менее понятный интерфейс наблюдается у системы SprutCAM. У нее имеется большой ассортимент различных функций, которые помогают при проектировании. В ней также удобно и приятно работать. Чтобы увидеть выполненные операции технологу не обязательно заполнять определенные параметры. Все эти параметры можно будет заполнить чуть позже. Еще один из плюсов SprutCAM – это наличие генератора постпроцессоров. Благодаря нему появляется возможность создать управляющую программу разного формата и для огромного количества стоек с ЧПУ. Что касается интерфейсов ESPRIT и ADEM. То тут можно также сказать, что интерфейсы являются простыми, но менее понятными. Допустим в ADEM имеется более наглядный процесс просмотра модели, когда модель уже находится на рабочем станке. Что же касается ESPRIT, то в нем реализована такая вещь, как возможность переносить проекты от одного станка к другому и при этом потратить минимальное количество времени. Это означает, что можно будет заменять одну модель станка на другую, и задачи сами перестроятся под новый станок. Ниже представлена таблица 2 с сравнительными характеристиками выбранных CAM-систем. |