Документооборот. Смысл компьютерной поддержки. Проблемы безбумажного документооборота.

Среди всех проектных работ разработка чертежей, схем и другой документации требует наибольших затрат времени и человеческого труда, при том, что подавляющая часть операций при черчении имеет совершенно рутинный характер.

Кроме этого, есть и еще более рутинная часть работы: это создание документации. От этого никуда не денешься – то, что родилось в голове, должно быть перенесено на бумагу, в первую очередь для сохранения информации, а также для того, чтобы сделать ее доступной для тех, кому предстоит проект реализовать. Трудоемкость этой составной части проектирования очень велика.

Результирующее описание на деле представляет собой очень большое количество документов, имеющих отношение к объекту проектирования. Они используются не только при изготовлении объекта (что к проектированию отношения уже не имеет), но и в качестве источника информации для других проектов. Чтобы в этой горе документов не запутаться, она должна быть определенным образом организована, в частности, каждый документ должен иметь свой уникальный идентификатор, содержащий информацию о принадлежности документа к определенному проекту и о его месте в этом проекте

Кроме того, должна существовать система процедур, жестко регламентирующая прием, выдачу, регистрацию, копирование документов, внесение изменений, а также допуск в круг лиц, имеющих право работать с документацией. Это совершенно необходимо для того, чтобы избежать превращения с течением времени целостного проекта в кучу хаотично набросанных бумаг, а заодно и утечки информации к конкурентам.

Все это составляет систему документооборота. Она также требует немалых затрат человеческого труда, хотя работа в ней носит уже совершенно рутинный характер.

К примеру, запуская объект в производство, нужно размножить и выдать в цеха и службы те и только те документы (чертежи, схемы, технологические карты), которые имеют отношение и к ним, и к объекту – значит, надо без долгих поисков быстро взять только то, что нужно, а затем вернуть на то же место. Кроме того, надо учесть, что, кому и в скольких экземплярах выдано.

Далее, при необходимости корректировки нужно быстро найти нужный чертеж, проследить его взаимосвязи с тем, чтобы изменение, вносимое в один документ, корректно отразилось на всех других, связанных с ним, и было внесено во все действующие экземпляры. При этом изменения должны вноситься не когда и кем вздумается, а людьми, имеющими соответствующий допуск, т.е.компетентными и несущими за это ответственность.

Смысл комп поддержки – уменьшение трудоемкости разработки документации.

Один из чрезвычайно важных моментов – это возможность использовать в качестве источника информации при разработке технологических процессов и программ для технологического оборудования с ЧПУ непосредственно первичный конструкторский документ. Последнее, кстати, является уже областью применения CAM-систем, хотя в области проектирования и производства печатных плат эта возможность была встроена во все CAD-системы с самого начала.Представление информации в виде компьютерных файлов позволяет организовать безбумажный документооборот и существенно сужает номенклатуру используемых документов, позволяет практически мгновенно пересылать их не только из одного подразделения в другое, но и вообще на край света. Дошло даже до работы над одним документом в режиме диалога двух разработчиков, находящихся на разных берегах океана.

 

Правда, эти возможности порождают и некоторые проблемы. В частности, проблема ограничения доступа, проблема подписей, проблема контрольного экземпляра и неучтенных копий и т. п., но выигрыш велик, а проблемы не имеют стратегического характера и в конце концов будут решены, поскольку системы автоматизации документооборота существуют и развиваются.

При переходе к проектированию с компьютерной поддержкой на предприятиях, много лет работавших по традиционной технологии, неминуемо возникает проблема работы со старыми чертежами. Компьютеризация быстро и безжалостно вытесняет сегодня традиционное бумажное проектирование, и организация, которая расчитывает остаться на рынке проектных работ, вынуждена этот путь пройти, по возможности с минимальными затратами., требуется, чтобы все документы, включая чертежи, существовали в электронном виде. Информация, накопленная в предшествующие годы, представляет собой огромную интеллектуальную собственность, поэтому документация, хранящаяся на бумаге, кальке и на фотопленке, чтобы быть использованной в компьютеризованном проектировании и производстве, должна быть преобразована в электронный вид Это можно сделать тремя путями: просто перечертить заново на компьютере, использовать планшет-дигитайзер (жаргонное название – сколка), либо сканировать. Первый путь малореален – просто слишком долго. Второй, конечно, побыстрее первого, но также недостаточно эффективен. Остается третий - но в результате сканирования получается растровое изображение, которое чрезвычайно трудно редактировать, не говоря уж об огромном количестве всякого мусора в виде штрихов, серых пятен, а также о потерянных вследствие общей затертости частях изображения. Компьютерный же чертеж должен быть выполнен в векторном формате. Разница понятна каждому, кто хотя бы немного поработал в растровом редакторе Paint и в векторном AutoCAD. Иными словами, требуется векторизация растрового изображения. Такого рода программы существуют довольно давно, но современные продукты по сравнению с ранними вариантами позволяют значительно большую часть работы переложить на компьютер, хотя и они не позволяют совсем избавиться от ручной работы.

Прежде всего эти программы позволяют улучшить качество сканированного изображения: устранять растровый мусор, заливать «дырки», делать растровые линии более гладкими (а они в сканированном изображении уже в результате воспроизведения фактуры бумаги всегда лохматые и извилистые), утолщать или утоньшать их, устранять возникающий при сканировании перекос, устранять линейные и нелинейные искажения при помощи специальной операции, называемой калибровкой. Большинство этих операций может выполняться в пакетном режиме. В результате качество сканированного изображения может быть улучшено весьма значительно. Наиболее продвинутые программы могут распознавать на растровом изображении графические примитивы: отрезки, дуги, окружности, полилинии и т.п.

Существует также класс программ, позволяющих векторизовать не весь документ, а только те его фрагменты, которые необходимо редактировать, и работать как с векторными фрагментами чертежа, так и с растровыми. Они называются гибридными редакторами и позволяют существенно сэкономить время при работе со старыми чертежами.

 

 

5. CAD–системы различных уровней. Основные особенности «средних» и «тяжелых» CAD–систем.

Автоматизация имеет целью повышение эффективности той или иной деятельности путем замены человеческого труда работой технических средств. Она возможна лишь в тех случаях, если возможно исчерпывающее формальное описание процессов и объектов, вовлеченных в эту деятельность. При прочих равных в первую очередь подвергаются автоматизации процессы, являющиеся «узким местом», или требующие бόльших трудозатрат, или имеющие более простое формальное описание – в общем, во всех случаях наиболее важным критерием является соотношение затрат и результата.

Несмотря на то, что попытки создания САПР начались практически с самого начала широкого использования ЭВМ, истинного расцвета САПР достигли с распространение персональных компьютеров.

Еще 15 лет назад средства САПР представлялись следующим образом: на одной очень большой машине устанавливается необходимое программное обеспечение, к ней подключаются АРМы – автоматизированные рабочие места и некоторое количество устройств вывода. Все это должно было работать в многопользовательском режиме.

К великому сожалению, для этого требовались достаточно большие машины, которые были страшно дефицитны, поэтому САПРом баловались те, ради кого с затратами не считались – институты и конструкторские бюро, работавшие на военных. Ну и к слову – при том уровне надежности и при тех вычислительных возможностях САПРы давали ощутимый эффект при решении большого количества однотипных задач невысокой сложности, что характерно для больших проектных организаций. В остальных случаях традиционные методы проектирования выигрывали. Многие идеи по тем же причинам оставались нереализованными. Тем не менее разработки велись, вычислительная техника совершенствовалась, и в конечном счете с широким распространением ПК наступил настоящий прорыв.

Теперь вернемся к началу.

Должен заметить, что сегодня сам термин САПР постепенно отходит в прошлое, поскольку не вполне отражает суть вещей – ей более соответствуют такие термины, как CAD (Computer Aided Design – проектирование с компьютерной поддержкой) и САМ (Computer Aided Manufacturing – изготовление с компьютерной поддержкой).

Ближе всего к САПР как по звучанию, так и по внутреннему содержанию термин EDA (Electronic Design Automation – автоматизация проектирования электронных устройств).

Первые САПРы были ориентированы главным образом на уменьшение трудоемкости разработки документации. В основе эффекта лежала, строго говоря, не автоматизация, а компьютерная поддержка – по сути, замена бумаги, линейки и карандаша монитором и устройствами ввода графической информации.

Это ускорило и сделало более точным выполнение собственно чертежных операций и геометрических построений, значительно облегчило редактирование чертежей и в значительной степени изменило саму технологию их создания.

Это очень существенно упростило использование одних документов или их фрагментов в качестве «сырья» для других, дало возможность создания и широкого использования самых разнообразных библиотечных элементов – бланков, типовых текстов и конструктивных элементов, изображений крепежных изделий, условных графических изображений элементов схем и др., устранив необходимость в копировальной машине, ножницах и клее, значительно облегчило простановку размеров и т. д.

Использование устройств вывода графической информации резко улучшило качество оригиналов и в корне изменило технологию тиражирования документов, очень существенно уменьшив трудоемкость этого процесса и затраты на материалы.

В большинстве случаев и сегодня именно эти моменты дают основной эффект при использовании в проектировании компьютеров и CAD-систем, хотя это еще не все.

В области проектирования электронных устройств все начиналось с компьютерной поддержки создания схем: создания специализированных графических редакторов, средств создания библиотечных элементов и организации библиотек. То же было сделано и в области конструирования печатных узлов. Следующий естественный шаг - обеспечение переноса информации об электрических связях, содержащейся в принципиальной схеме, в конструкцию узла. (Должен заметить, что при выполнении этой совершенно рутинной операции при ручном проектировании возникает основная масса ошибок). Следующий шаг – компьютерная поддержка разработки топологии проводящего рисунка печатных плат – создание программ, которые называются автотрассировщиками. Параллельно решалась задача автоматического размещения компонентов на печатных платах. Два последних момента интересны тем, что результаты автоматической компоновки и трассировки отличаются от окончательных примерно так же, как подстрочник от настоящего литературного перевода, но основную массу черной работы все-таки удалось переложить на компьютер.

Обратите внимание, что нет и намека на автоматическую разработку конфигурации детали или автоматическое создание принципиальной схемы. Очевидно, что эти задачи в значительной степени являются творческими, несмотря на огромное количество типовых решений, и алгоритмизация их практически невозможна, или, скажем мягче, нецелесообразна.

Один из чрезвычайно важных моментов – это возможность использовать в качестве источника информации при разработке технологических процессов и программ для технологического оборудования с ЧПУ непосредственно первичный конструкторский документ. Последнее, кстати, является уже областью применения CAM-систем, хотя в области проектирования и производства печатных плат эта возможность была встроена во все CAD-системы с самого начала.

 

Существуют специализированные CAD-системы, предназначенные для проектирования технологической оснастки и инструмента, включающие в себя и необходимые средства моделирования. В частности, одна из систем для проектирования прессформ [H-CAM] включает в себя средства моделирования температурных полей. Это позволяет так спректировать прессформу, что деформации деталей при остывании сводятся к минимуму.

Известна система Cosmos, предназначенная для конечно-элементного анализа конструкций. Предметами исследования могут выступать:

▪ тепловое и напряженно-деформированное состояние элементов конструкций;

▪ устойчивость и частотные характеристики объектов;

▪ динамический отклик;

▪ усталость;

▪ электромагнитные процессы (ВЧ и НЧ);

▪ динамика жидких сред.

Трудно ошибиться в оценке экономии времени, труда и денег при замене натурного моделирования и анализа макетов моделированием и анализом на экране монитора.

Должен заметить, что сегодняшние средства моделирования и анализа позволяют получить практически достоверные результаты.

 

Имея столь мощный инструмент проектирования и анализа (а так же и производства) Вы можете запускать в производство законченное изделия, используя методы сквозного проектирования начиная от стадии эскизных набросков и заканчивая этапом создания программ для станков с ЧПУ. Таким образом, не вставая с рабочего места, Вы можете выполнить полную разработку изделия, включая прочностной анализ и анализ качества нового изделия, вплоть до изготовления рекламных проспектов нового изделия. Естественно, что данные системы весьма дорогостоящи, и не всегда целесообразно оснащать рабочее место конструктора такими системами. Поэтому существует тенденция разделения CAD пакетов на категории в зависимости от круга решаемых задач.

Условно можно выделить три категории: категория "тяжелых" CAD – систем. К которым относятся такие "монстры", как: UNIGRAPHICS; ProEngineer; Euclid; CADDS5 и ряд других.. С моей точки зрения наиболее удачным является UNIGRAPHICS – детище фирмы EDS. Продукт, который специально разрабатывался авиационщиками для своих нужд. Теми, кто стоит на передовых позициях в области проектирования. Отсюда естественно продукт получает наиболее динамически развивающимся (сам факт того, что формат проекта среды UNIGRAPHICS стал де-факто стандартом мирового авиа и ракетостроения, настолько широкое распространение получил данный продукт в этой области). Все эти продукты зачастую работают на платформе графических станций (но в последнее время существует тенденция адаптации их так же и на PC).

К "средним" можно отнести те системы, которые выполняют тот же круг задач, что и их старшие братья, но менее мощные и, следовательно, более доступные в цене (так, например если UNIGRAPHICS может позволить себе купить только крупная компания, то "средние" уже доступны фирмам из разряда малого бизнеса). К таким пакетам можно отнести ADEM – разработка московской фирмы Omega Technologies Ltd. Фирма является лидером в производстве таких систем. Ее продукт отличает удобный русский интерфейс, широкий круг решаемых задач, как моделирования, так и производства на основе полноценного трехмерного моделирования.

К "легким" системам можно отнести такие пакеты как "Компас" фирмы Аскон и AutoCAD фирмы Autodesk. Круг решаемых задач – это производство чертежей. Хотелось бы особо отметить продукт фирмы Аскон "Компас" - разработка отечественных специалистов и для наших специалистов, настроенность на менталитет советского конструктора, базы данных наших отечественных стандартных изделий и стандартов ЕСКД.

Но даже мощные пакеты не всегда могут решить сугубо узкий круг задачи. Тогда на помощь приходят специализированные пакеты, которые и позволяют решать такие задачи. Одним из таких пакетов является модуль конечно элементного анализа ANSYS. Интеграция его с наиболее распространенными CAD пакетами, мощный мат аппарат делают его незаменимым в решении большинства задач прочности и оптимизации.

 

D- и 2D системы. Сравнительная оценка возможностей в плане использования информации при создании документации, моделировании и подготовке производства.

Поскольку чертеж – это в принципе изображение на плоскости, чертежные программы являются двумерными, то, что сегодня называется 2D (2 dimensions). 2D–редакторы и сегодня являются самыми распространенными, однако им свойственны очень серьезные ограничения. В этой проблеме можно выделить несколько аспектов.

Часть проблемы составляет то, что чертеж для получения представления об объекте требует хорошо развитого пространственного воображения, а оценить объект с точки зрения дизайна вообще практически не позволяет. Известно, что 80% людей оценивают потребительские свойства изделия по внешнему виду, в меньшей степени это относится к технологическому оборудованию, в большей – судов, самолетов, транспортных средств, профессионального или военного электронного оборудования. Что же касается бытовой электротехники, мебели, посуды, автомобилей, то дизайн приобретает почти решающее значение. То же относится и к архитектуре. Для того, чтобы дефекты дизайнерского решения выявлялись не на натурных моделях, которые в общем-то очень недешевы, необходимо фотографически достоверное изображение объекта, которое, в лучшем случае, можно было бы еще вертеть и разглядывать со всех сторон.

Второй аспект – компоновка изделия. При этом очень важно правильно представлять себе расположение его составных частей в пространстве. От этого зависит правильность оценки их взаимодействия не только в механическом плане, но и в плане теплообмена, электромагнитной совместимости и др. Любой практикующий конструктор знает, насколько сложно проработать этот момент на плоской бумаге. Конечно, можно сделать несколько видов и разрезов, что-то расчитать, но это сопряжено с огромными затратами труда.

Третий аспект – материальные свойства объектов, такие, как объем, масса, положение центра масс, момент инерции относительно произвольной оси. Это и при объектах относительно простой конфигурации всегда трудно сделать, а любое усложнение может сделать задачу почти неразрешимой.

Четвертый аспект – оценка поведения объекта под действием сил, а также в динамике, в особенности во взаимодействии с другими объектами.

Использование информации об объекте в CAM-системах. Если имеется только плоский чертеж, для разработки программы обработки на станке с ЧПУ требуется, чтобы программист представил в голове и саму деталь, и траектории инструмента. Надо ли объяснять, насколько это сложно и сколько при этом можно сделать ошибок? Это естественным образом стимулировало развитие соответствующего математического аппарата и создание программных продуктов для 3D-моделирования. Правда, и в этом вопросе существуют различные подходы.

К примеру, в AutoCADе, который изначально разрабатывался как 2D-система, и в котором 3D-моделирование появилось в качестве надстройки, создается каркасная модель. Это значит, что создается поверхность, а не тело.

В отличие от этого, в системах, которые изначально создавались как 3D, создается именно тело (solid). Технология создания и свойства созданного объекта достаточно сильно отличаются.

Что касается создания чертежей, то продвинутые 3D-системы при наличии модели позволяют автоматически получать заданные виды, на которых штриховыми линиями показываются внутренности, или разрезы по указанным плоскостям, то есть вся графическая информация, необходимая для создания чертежа, извлекается достаточно легко. Конечно, какой-то доработки этот материал требует – все-таки информация, содержащаяся в чертеже, не целиком заключается в графике - всегда хватает различных условных обозначений, текста и т.п., но самая трудоемкая и рутинная часть работы оказывается сделанной.

 

 

Таким образом, 3D-системы не только обладают всеми возможностями 2D-систем в плане создания чертежей, но и имеют очень серьезные преимущества в других планах.

Хорошие 3D-системы включают в себя также средства, существенно облегчающие создание сборочных чертежей и спецификаций.

Однако, если речь идет о том, какую систему следует приобретать для профессиональной работы, приходится рассматривать и другие стороны вопроса, кроме чисто функциональных:

▪ создание 3D-модели при прочих равных требует существенно больших трудозатрат,

▪ 3D-системы сложнее изучать и осваивать,

▪ 3D-системы существенно дороже, чем 2D.

По оценке одного из практикующих конструкторов с большим опытом работы и с теми, и с другими системами, использование 3D-систем нецелесообразно в тех случаях, когда:

▪ большинство деталей проекта имеют простую конфигурацию,

▪ узлы относительно несложны и не требуют контрольной электронной сборки, или в основном применяется полнофункциональное моделирование изделия.

Без применения 3D-систем не обойтись, если, в частности:

▪ узлы настолько сложны, что контрольная электронная сборка экономичнее натурного моделирования,

▪ детали имеют сложную «скульптурную» форму, и для их изготовления необходимо создание управляющих программ для станков с ЧПУ с помощью САМ-систем,

▪ необходимо выполнять расчеты на прочность, исследование динамики,

▪ есть необходимость создания прототипов методами «Rapid Prototyping».

Не могу с уверенностью объяснить значение термина «Rapid Prototyping», но мне известно о методе создания натурных моделей, когда на станке с ЧПУ из специального листового материала вырезаются сечения детали, отстоящие друг от друга на толщину листа, и слой за слоем наклеиваются. По прочности и стабильности этот материал превосходит дерево, полученная деталь по форме практически не отличается от того, что задумано, и может быть использована для изготовления литейной формы или натурного моделирования узла.

Таким образом, существуют направления проектной деятельности, в которых использование 3D-систем объективно необходимо, но удельный вес таких направлений все еще невелик, хотя имеется тенденция его роста, поэтому в ближайшей перспективе использование 2D-систем, по-видимому, будет преобладать.

По мере уменьшения ценовых различий между конкурирующими 2D- и 3D-системами они начнут использоваться для решения тех задач, которые в практике предприятия встречаются относительно редко и сегодня решаются подручными средствами за счет больших усилий и чудес изворотливости, а поскольку им заодно присущи все возможности 2D- систем, то и для решения всех остальных задач наряду с 2D- системами.

По мере развития системы подготовки инженеров и увеличения числа людей, владеющих навыками работы в 3D-системах, придет пора, когда создание трехмерной модели перестанет существенно отличаться по трудозатратам от создания двухмерной, при том, что трехмерная модель будет востребована на следующих этапах проектирования – и тогда распространение 3D-систем будет интенсивно расширяться.

 

 

9. Создание и редактирование 3D – моделей на основе булевых операций и на основе элементов. Основные различия.

Рассмотрим вопрос на основе программы 3D Studio MAX. Моделирование с помощью булевых операций - это общая и часто используемая методика. Булевы операции весьма близки к традиционным методам создания скульптур и моделирования. В 3D Studio MAX булево моделирование становится еще более полезным за счет реализации составного булевого объекта. В отличие от модификатора моделирования составной булев объект состоит из двух объектов, называемых операндами, которые представляют булеву операцию. Эти операнды остаются в виде объектов столько, сколько необходимо, и обеспечивают возможность доступа к своим параметрам и стекам модификаторов.

Составной булев объект отличается от многих программных понятий булевых операций, поскольку он не изменяет на постоянной основе формы, определяющие геометрию операндов. Позже эту геометрию можно перемещать, переопределять и производить обмен. Поскольку операнды остаются объектами, с ними можно взаимодействовать как с любым другим объектом. Для них можно даже выполнять анимацию, создавая поразительные эффекты. Затененные видовые окна 3DS МАХ позволяют видеть результат булевой операции в случае изменения операндов. Последнее является преимуществом интерактивного режима работы и вызывает ощущение, что один объект используется для вырезания другого. Оставаясь весьма полезными и развлекательными, сложность булевых операций может возрасти при вложении их одна в другую.

Основы булевых операций. Как и для многих терминов компьютерной графики, термин "булева" происходит от имени человека, который ввел это понятие (в данном случае это Джордж Буль). В математике термин "булева" появился для обозначения операции сравнения между множествами; в 3D Studio MAX подобное сравнение выполняется между геометрическими объектами. Булева операция в 3D Studio MAX выполняется путем создания булевого составного объекта из двух существующих объектов, которые называются операндами.

Объекты сравниваются для определения их действительности (с точки зрения выполнения булевой операции) и, если они действительны, булева операция выполняется. Теперь можно изменить тип операции и увидеть различные булевы результаты.

Типы операции подобны многим традиционным методам. Объединение соединяет объекты подобно работе с глиной; при вычитании один объект вырезается из другого, как в скульптуре; пересечение оставляет то, что должно было бы быть вырезано или выбито из вычитания. Объединение и вычитание всегда возвращают одинаковый результат независимо от порядка выбора операндов. Предусмотрены две опции (А-В и В-А), поэтому при неправильном начальном выборе можно быстро переключиться.

Булевы выражения в качестве составных объектов. Чрезвычайная гибкость булевых операций в 3DS МАХ состоит в том, что объекты, содержащие булевы операнды, по-прежнему существуют как объекты. Каждый операнд сохраняет свой первоначальный стек Edit History (отредактировать историю) и его можно модифицировать из панели Command. Операнды можно даже трансформировать на уровне подобъекта.