тельств было сведено к минимуму. Соответствующие разделы излагаются на уровне интуитивного восприятия. Благодаря этому выбор определенных глав книги (см. ниже) позволяет использовать ее в качестве основы для чтения лекций студентам младших курсов, а также в качестве справочника по САПР.

Подготавливая эту книгу, я поставил перед собой цель объяснить фундаментальные концепции, иллюстрируя их адекватным количеством чертежей и примеров, не вдаваясь, однако, в избыточные подробности. Мне попадались учебники, авторы которых не справлялись с изложением основных идей, пытаясь объяснить слишком много частных моментов. 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 непосредственное отношение к обсуждаемым вопросам, и это позволило мне свести количество ссылок к минимуму. Некоторые учебники рекомендуют столько дополнительной литературы, что студенты просто теряются в ней.

Глава 1 рассказывает о роли САПР в жизненном цикле продукта. Здесь дается определение САПР и приводятся примеры, иллюстрирующие использование САПР в проектировании и производстве. Эти примеры показывают, каким образом принципы, излагающиеся во всех последующих главах, применяются в работе над новыми проектами. Глава 2 рассматривает аппаратные и программные компоненты, из которых состоят современные САПР. Преподавателю рекомендуется обновлять соответствующий раздел своего курса по мере выхода новых программ и нового оборудования.

Глава 3 вводит понятия, относящиеся к графическому программированию с использованием графической библиотеки, не замыкаясь на какой-либо одной из них. Однако примеры в этой главе написаны для библиотеки OpenGL, которая постепенно становится стандартом де факто для персональных компьютеров и рабочих станций. Это глава послужит хорошим введением в тему для любого читателя, интересующегося компьютерной графикой. Глава 4 дает обзор основных функций, предоставляемых пользователю большинством систем автоматизированной разработки чертежей. Как и предыдущая, эта глава рассматривает концепции и функции, имеющиеся во всех широко распространенных системах автоматизированной 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 систем геометрического моделирования. В ней рассказывается о системах немногообразного моделирования - развивающейся ветви геометрического моделирования. Отдельные темы, слишком сложные для студентов, но имеющие ценность для профессионалов, вынесены в приложения. Те, кому системы 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 геометрического моделирования и автоматизированной разработки чертежей. Я постарался свести количество типов кривых и поверхностей к минимуму, которого было бы достаточно для большинства приложений. Чтобы студенты не потерялись в

большом объеме материала, я вынес сложные математические доказательства в приложения. Объяснение давалось на интуитивном уровне, приемлемом для инженеров, не являющихся профессионалами-математиками.

В главе 8 рассматриваются системы CAE, объясняется процесс анализа методом конечных элементов и описывается подготовка информации, необходимой для этого анализа, на основании геометрических моделей, созданных в CAD. Здесь дается обзор подходов к автоматическому построению сеток конечных элементов. В главе 9 описываются методы оптимизации. Подробно рассказывается о развивающихся методах, таких как метод модельной закалки и генетические алгоритмы. Примером интеграции анализа методом конечных элементов и оптимизации является структурная оптимизация - относительно новая концепция в проектировании. Метод структурной оптимизации может применяться к исходному концептуальному проекту для проверки его соответствия требованиям.

В главе 10 речь идет о различных методах технологической подготовки производства и о программах, позволяющих интегрировать CAD и САМ. Здесь же вводится концепция групповой технологии, которая заключается в кодировании деталей. Без групповой технологии не может быть автоматизированной подготовки производства. В главе 11 рассказывается о том, каким образом осуществляется программирование станков с ЧПУ после построения чертежа детали с помощью CAD и задания параметров технологического процесса ее изготовления. В главе 12 рассматривается еще один аспект САМ - развивающаяся технология, носящая название быстрого прототипирования. В отличие от станков с ЧПУ, она позволяет строить деталь непосредственно по модели, созданной в CAD, без сложного планирования производства. Эта технология первой позволила полностью интегрировать CAD и САМ. Глава 13 посвящена еще одной развивающейся технологии - виртуальному проектированию, объединяющему в процессе разработки продукта системы геометрического моделирования, CAE и САМ.

В главе 14 дается обзор стандартных форматов файлов, позволяющих обмениваться информацией между различными системами. Эти стандарты незаменимы для интеграции САПР.

В конце каждой главы приводятся задачи, назначение которых - проверить качество усвоения материала студентами. Некоторые задачи требуют от студентов использования собственных систем. В этом случае помимо книги им придется пользоваться также документацией - руководствами пользователя.

Как уже отмечалось, книга может использоваться в качестве основы для чтения лекций студентам младших курсов. Приложения можно полностью исключить, потому что они важны для разработчиков систем, а не для пользователей. Вместо них я бы порекомендовал расширить разделы, посвященные применению САПР в целом: построение объемных тел, их чертежей, оценка результатов проектирования методом конечноэлементного анализа и изготовление прототипов на фрезеровальном станке с ЧПУ или других устройствах быстрого прототипирования, таких как устройства стереолитографии. Если книгу планируется использовать в качестве основы для курса геометрического моделирования, главы 1, 2, 4 и 14 можно дать в качестве дополнительной литературы, а основное внимание уделить приложениям.

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 использовать огромные возможности памяти компьютеров, их высокое быстродействие и возможности удобного графического интерфейса для того, чтобы автоматизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства, которые раньше были весьма утомительными и совершенно не связанными друг с другом. Таким образом сокращается время и стоимость разработки и выпуска продукта. Для этой цели используются технологии автоматизированного проектирования (computer-aided design - CAD), автоматизированного производства (computer-aided manufacturing - САМ) и автоматизированной разработки или конструирования (computer-aided engineering - CAE). Чтобы понять значение систем CAD/CAM/CAE1, мы должны изучить различные задачи и операции, которые приходится решать и выполнять в процессе разработки и производства продукта. Все эти задачи, взятые вместе, называются жизненным циклом продукта (product cycle). Пример жизненного цикла продукта, описанного Зей-дом [166], с незначительными усовершенствованиями приведен на рис. 1.1.

Пря-моугольники, нарисованные сплошными линиями, представляют два главных процесса, составляющих жизненный цикл продукта: процесс разработки и процесс производства. Процесс разработки начинается с запросов потребителей, которые обслуживаются отделом маркетинга, и заканчивается полным описанием продукта, обычно выполняемым в форме рисунка. Процесс производства начинается с технических требований и заканчивается поставкой готовых изделий.

Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналитические и синтетические. Как следует из рис. 1.1, первичные операции разработки, такие как определение необходимости разработки, формулирование технических требований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а также концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатом подпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продукта в форме эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различных компонентов продукта. В этой части цикла делаются основные финансовые вложения, необходимые для реализации идеи продукта, а также определяется его

1 По-русски все эти системы вместе называются системами автоматизированного проектирования - САПР. - Примеч перев