CASE-средства для автоматизации инженерной деятельности

Андрей Мазурин

Лучшая система автоматизации производства — система, разработанная на заказ

СПРУТ — инструментальная среда быстрой разработки систем проектирования

Универсальные программы

Пример создания прикладной САПР в системе СПРУТ

Тенденции развития

На страницах журнала «САПР и графика» мы неоднократно говорили о необходимости ускорения процессов конструкторско-технологичекой подготовки производства, сокращении временных и трудозатрат за счет внедрения CAD/CAM/CAE- и TDM/PDM-технологий, рассказывали об эффективности использования той или иной САПР и мало задумывались над тем, что разработчиков всех этих САПР одолевают аналогичные проблемы. Подобно любому производителю товара каждая софтверная фирма стремится как можно более оперативно удовлетворить спрос, первой выйти на рынок программного обеспечения с новым решением, полностью отвечающим требованиям пользователей, в данном случае конструкторов и технологов проектных бюро и производственных отделов завода. Для достижения фирмами — разработчиками программного обеспечения лидирующих позиций на рынке программного обеспечения возможны два пути: экстенсивный — за счет увеличения числа разработчиков, что имеет свои разумные пределы, и интенсивный — за счет использования прогрессивных технологий разработки компьютерных программ. В данной публикации рассмотрим одну из таких технологий, предлагаемых известной российской компанией «СПРУТ-Технология», представленной ЗАО «СПРУТ-Технология» (г. Набережные Челны) и ООО «Центр СПРУТ-Т» (г. Москва).

Современный рынок программного обеспечения автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства насыщен самыми разнообразными CAD/CAM-, CAE-, TDM- и PDM-системами, способными существенно облегчить работу конструктора и технолога проектного и производственного отделов. Их разработкой занимаются специалисты самих промышленных предприятий, использующие полученные решения для собственных нужд, вузы — преимущественно для ведения научных исследований и специализированные софтверные фирмы, существующие за счет тиражирования программных решений или разработок систем на заказ. Таких программ по всему миру создано уже сотни тысяч, а спрос на новые решения постоянно растет и неизменно опережает предложение.

Несмотря на огромное число универсальных инструментальных средств автоматизации инженерной деятельности, все они недостаточно эффективны для выполнения комплексной автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства конкретного изделия на конкретном заводе. Обязательно найдется круг задач, выпадающих из списка решаемых проблем с использованием той или иной универсальной САПР. Это привело к тому, что разработчики программного обеспечения серьезно взялись за создание программных инструментальных средств, позволяющих на основе базовой САПР программировать модули для решения ряда специфичных задач пользователя.

Наличие инструмента, позволяющего создавать пользовательские программные модули, интегрированные с базовым продуктом, становится все более неотъемлемым условием, выдвигаемым со стороны пользователей САПР.

Использование универсальных систем для автоматизации производства — один из наиболее понятных и распространенных путей развития промышленных предприятий, но не единственный.

История возникновения и развития любой из существующих универсальных САПР показывает, что все они начинали свой жизненный путь как программы, ориентированные на решение вполне конкретных производственных задач. Одни разрабатывались в стенах заводов, другие — по заказу промышленников в вузах и НИИ. Итак, главное — программные разработки изначально были призваны решать конкретные производственные задачи (кстати, это привело, в частности, к тому, что современные универсальные САПР все-таки имеют некоторую специализацию, где их применение наиболее эффективно). Потребность в создании универсальных программ с целью их тиражирования появилась как результат использования малоэффективных инструментальных средств и технологий программирования. Кроме того, с точки зрения бизнеса тиражирование программного решения — самый простой путь развития компании-разработчика.

Лучшая система автоматизации производства — система, разработанная на заказ

Если опросить пользователей разных промышленных предприятий, какую САПР они предпочли бы видеть на своем рабочем месте, мы получим примерно один и тот же ответ: программу, в которой присутствует только одна кнопка, нажав на которую можно получить готовый комплект конструкторско-технологической документации на изготовление нового изделия. Это идеал, к которому в конечном счете стремятся все разработчики программного обеспечения.

Однако этот идеал не столь иллюзорен. Оказывается, «систему с одной кнопкой» для решения несложных локальных задач сегодня уже можно получить даже с применением универсальных САПР со встроенными средствами программирования и настройки. Однако в рамках автоматизации всего производства без создания системы на заказ построить «систему с одной кнопкой», манипулируя универсальными САПР разного уровня, практически невозможно. Впрочем, построение заказной системы с использованием современных визуальных сред программирования класса Delphi, Borland C++, Visual Basic и Visual C++ не менее утопично. Более того, опыт создания систем на заказ показывает, что без привлечения специалистов, для которых они разрабатываются, успех данного мероприятия также сомнителен, поскольку в противном случае мы рискуем получить очередное «программистское решение» — красивое и изящное, но неработоспособное. Становится очевидным, что пользователь сам должен участвовать в разработке и поддержке системы, с помощью которой он на своем рабочем месте сможет эффективно решать стоящие перед ним производственные задачи.

Необходимость привлечения непосредственно к процессу создания программ предметных специалистов, не обладающих углубленными знаниями в области программирования, привела к появлению CASE-средств.

Наиболее заметные успехи в этом направлении на сегодня достигнуты в индустрии компьютерных игр, при создании которых разработчики используют специальные программные средства, позволяющие быстро проектировать различные лабиринты, движущиеся объекты, создавать монстров и определять правила игры. Некоторые компьютерные игры сегодня даже поставляются вместе с таким инструментом — для дальнейшего их развития усилиями самих пользователей (например, DOOM).

Немало специализированных CASE-средств сегодня используется и для разработки различных автоматизированных систем управления.

Хуже обстоят дела в области машиностроительных CASE-средств. С уверенностью можно назвать только две серьезные разработки, высокоэффективные и доступные на сегодня пользователям различных промышленных предприятий. Это CAS.CADE от французской фирмы MATRA Datavision и СПРУТ от российской компании «СПРУТ-Технология».

СПРУТ — инструментальная среда быстрой разработки систем проектирования

Необычность решений, предлагаемых «СПРУТ-Технологией» потенциальным потребителям САПР, заключается в том, что наряду с классическими универсальными программами автоматизации инженерной деятельности (CAD, CAM) пользователям предлагается инструмент по быстрому созданию специализированных компьютерных программ, ориентированных на решение задач, возникающих на этапе конструкторско-технологической подготовки производства и непосредственно в процессе производства готовых изделий.

В своей деятельности специалисты «СПРУТ-Технологии» выделяют два основных направления:

1. Автоматизация предприятия и конструкторско-технологической подготовки производства.
2. Автоматизация разработки программных средств автоматизации предприятия и конструкторско-технологической подготовки производства.

Основной упор делается на сокращении сроков и себестоимости создания прикладных САПР, с включением в процесс разработки предметных специалистов-экспертов. Для лучшего понимания идеи и принципов, заложенных в системе СПРУТ, поясним суть системы автоматизированного проектирования изделия.

Любая система автоматизированного проектирования представляет собой некую программу, на входе которой подаются исходные данные, а на выходе получаются результаты их обработки в виде цифр, графиков или чертежей, как правило, оформленных в виде отдельных документов. Ни одна система автоматизированного проектирования не существует абстрактно. САПР¹ может быть чего-либо конкретно, например, штамповой оснастки, электродвигателя, автомобиля или утюга. Другими словами, САПР — это объект некоторого проектирования, структура которого должна содержать как минимум пять основных составляющих:

• объект проектирования, под которым подразумевается описание структуры и свойств проектируемого изделия;
• пользовательский интерфейс, соответствующий объекту проектирования, для задания исходных данных на привычном предметному специалисту, в лице которого выступает пользователь системы, языке;
• вспомогательные данные, участвующие в процессе проектирования (нормативы, стандарты, графики и т.п.);
• методики расчетов, использование которых ведет к получению конечного результата работы программы;
• документирование результатов работы программы.

Это общая структура любого программного модуля, из которых может складываться система.

Теперь применительно к структуре прикладной системы автоматизированного проектирования рассмотрим укрупненную структуру СПРУТ:

• для описания структуры и характеристик объекта проектирования разработано соответствующее визуальное интерактивное средство описания объекта в виде графа И/ИЛИ с возможными заменами и описанием свойств каждой структурной единицы (рис. 1). Описание структуры объекта проектирования — задача предметного специалиста, далеко не всегда владеющего программированием. Поэтому пользователю предлагается удобное интерактивное средство, требующее (разумеется, помимо экспертных знаний), только умения владеть мышью и клавиатурой. Объект при этом может постоянно изменяться и дополняться пользователем по мере необходимости в процессе развития системы;
• для создания пользовательских интерфейсов имеется соответствующее интерактивное средство, позволяющее усилиями самих пользователей быстро визуально создавать любые окна с размещением на них любых стандартных Windows-компонентов (рис. 2);
• для создания баз данных в системе СПРУТ также предусмотрены все необходимые визуальные средства, исключающие труд программиста (рис. 3). Кроме того, здесь пользователь с помощью мыши может связывать часть параметров объекта с имеющимися в базе данными. Для интеграции с уже разработанными на производствах базами данных в СПРУТ поддерживаются BDE- и ODBC-интерфейсы;
• для создания баз знаний или методик расчетов предметному специалисту предлагается инструмент, позволяющий в удобном для него виде непосредственно описывать методики расчета (рис. 4). При описании методик могут использоваться, в частности, таблицы, графики, монограммы и т.п. При этом в системе СПРУТ поддерживается естественная форма описания методик и алгоритмов выполнения всех этапов проектирования изделия. Если у пользователей имеются собственные программные разработки, их подключение осуществляется в данном блоке. На этом этапе разработки прикладной САПР, как это ни парадоксально, приоритет остается за специалистом, а не за программистом. Не каждый программист способен правильно разработать алгоритм, а ведь именно здесь особенно важно четкое понимание физики процесса. На практике нередко возникают ситуации, когда справочные материалы, используемые для описания методик расчета, содержат ошибки в виде опечаток, своевременно выявить которые могут только предметчики. Все закладываемые методики документируются и при необходимости могут быть распечатаны для дополнительного контроля и анализа ошибок, допущенных на стадии описания, и утверждения окончательного варианта руководством;
• для документирования результатов работы прикладной системы в СПРУТ также имеются соответствующие интерактивные средства, позволяющие создавать любые шаблоны документов (рис. 5) и связывать их с результатами расчета программы.

Таким образом, все необходимое для визуального создания прикладных систем автоматизированного проектирования силами предметных специалистов практически в полном объеме представлено на сегодняшний день в системе СПРУТ. Конечно, на практике может оказаться, что не все задачи могут быть описаны легко и просто, без привлечения программиста.

Возьмем, к примеру, в качестве объекта проектирования простой вырубной штамп. Пользователю САПР может понадобиться спроектировать вырубной штамп для детали, наружный контур которой имеет сложную несимметричную форму. В этом случае для определения центра давления штампа необходимо рассчитать центр тяжести плоской фигуры — точнее, вырубаемой детали. Или для определения усилия штамповки может потребоваться рассчитать периметры всех контуров профиля. Для автоматического выполнения этих расчетов в прикладной системе на этапе создания методик расчетов необходимо будет написать соответствующую программку, а это требует привлечения программиста. Но, согласитесь, такое вмешательство программиста ничтожно мало по сравнению с ручным программированием всей системы.

В процессе визуального создания прикладной системы автоматизированного проектирования в системе СПРУТ пользователь, сам не ведая того, «пишет» программу. Вернее, программа незаметно для пользователя генерируется автоматически системой СПРУТ, в то время как ее «автор» описывает контуры будущей САПР.

Сгенерированная в системе СПРУТ программа доступна и для ручного редактирования. Более того, все, что создается системой СПРУТ, автоматически может быть написано программистом вручную на языке СПРУТ (рис. 6). Таким образом, систему СПРУТ можно условно разбить на две взаимосвязанные части:

1. интерактивные средства;
2. средства программирования.

Другой важной особенностью является то, что созданное в СПРУТ приложение является независимым от платформы и без потерь переносится из одной операционной системы в другую.

Универсальные программы

Несмотря на то что все программные разработки «СПРУТ-Технология» являются составляющими одной системы СПРУТ, некоторые из них успешно продвигаются на рынке САПР как автономные программные продукты. К ним относятся:

• SprutCAD для 2D-параметрического моделирования (рис. 7);
• SprutCAM для проектирования управляющих программ 3D ЧПУ-обработки (рис. 8);
• СПРУТ-ТП для проектирования технологических процессов.

Наиболее широкое распространение за последние полтора года получила программа SprutCAM. И если по функциональным возможностям она пока уступает некоторым ведущим западным разработкам, то по интерфейсной части считается наиболее удачной среди существующих мировых аналогов. Для того чтобы приступить к работе с программой, технологу более чем достаточно пройти однодневный курс обучения, при этом обучаемый необязательно должен иметь предварительный опыт работы в области ЧПУ-обработки.

SprutCAM уже более года успешно продается в России и на Западе. Известная итальянская компания Sintesi (Милан), специализирующаяся в области поставок CAD/CAM-систем в Италии и ряде стран Западной Европы, три года назад заключила с компанией «СПРУТ-Технология» соглашение, в рамках которого была разработана CAM-система SprutCAM, продвигаемая на Западе фирмой Sintesi под торговой маркой SinteCAM.

Интерес к CAM-системе SprutCAM со стороны западных пользователей не мал. Каждый день на Web-сайт компании «СПРУТ-Технология» заходят и скачивают демонстрационную версию программы в среднем два представителя дальнего зарубежья. В настоящее время SprutCAM предоставлена в опытную эксплуатацию компании «Роллс-Ройс» в Норвегии.

Пример создания прикладной САПР в системе СПРУТ

Для иллюстрации возможностей системы СПРУТ рассмотрим конкретный пример создания прикладной САПР проектирования оснастки для изготовления резиновых манжет и колец круглого сечения на Коломенском заводе резинотехнических изделий (КЗ РТИ). Здесь решалась вполне конкретная задача проектирования оснастки для изготовления резиновых армированных манжет и резиновых колец круглого сечения.

Основной трудностью при проектировании пресс-формы является большое количество разновидностей манжеты, отличающихся не только параметрически, но и структурно. Поэтому незначительное отличие проектируемой манжеты от манжет, выпускавшихся ранее, зачастую приводит к проектированию пресс-формы практически «с нуля». В связи с этим основной задачей при разработке системы автоматизированного проектирования явилась возможность структурного и параметрического формирования требуемого вида манжеты и автоматическая генерация комплекта чертежей на пресс-форму для изготовления требуемой манжеты.

В случае с САПР пресс-форм резиновых колец существует другая сложность: резиновое уплотнительное кольцо модифицируется только параметрически, зато используется множество вариантов пресс-форм — как одноместных, так и многоместных. При проектировании требуются умение грамотного выбора типа и вида пресс-формы, а в случае отсутствия в базе данных подходящего аналога — синтез нового вида пресс-формы. При этом правила синтеза, описываемые в базе знаний, должны управлять многокритериальным поиском наиболее подходящего решения.

Для решения такой задачи не подходят привычные продукты. Попытки выполнить расчеты, в частности, с использованием Microsoft Excel и затем выполнить параметризацию подготовленной модели в CAD-системе оказались бесплодными. В настоящее время САПР как отечественного, так и зарубежного производства обладают хорошо развитой возможностью параметрического редактирования чертежа. Но в данном случае такой подход оказался неприемлем из-за большого разнообразия проектируемых типов манжет и требований, предъявляемых к уплотнительным кольцам (направление разъема пресс-формы, количество колец на одной пресс-форме и т.п.). Ведь для получения комплекта чертежей пресс-форм на каждый вид кольца пришлось бы заводить собственную параметризированную модель, что ведет к неоправданным затратам. Возникла острая потребность в структурной генерации манжеты, а на ее основе — и пресс-формы, что возможно только при наличии соответствующего инструментария в системе разработки.

Для решения этой задачи была использована инструментальная среда автоматизированного проектирования СПРУТ.

Геометрическая модель детали была создана средствами SprutCAD, предназначенной для быстрой разработки геометрических моделей изделия с одновременной генерацией программы, описывающей эту модель. В результате интерактивных действий пользователя автоматически генерируется текст программы на языке СПРУТ (см. рис. 7). Любое интерактивное изменение элемента приводит к корректировке его текстового определения, и наоборот, редактирование текстового определения любого элемента автоматически отражается на чертеже. При этом в обоих случаях система не только изменит редактируемый элемент чертежа, но и по дереву построения автоматически переопределит все элементы, имеющие отношение к изменению.

Все знания о проектировании данного вида изделий были получены в КБ завода. Эти знания были формализованы в базе знаний (см. рис. 1, 2, 3, 4, 5, 6). Таким образом были созданы программные модули прикладной САПР, осуществляющие структурный и параметрический синтез (рис. 9, 10).

Результатом использования данной системы на КЗ РТИ являются:

• сокращение времени создания комплекта конструкторской документации на пресс-формы до 10-20 минут;
• повышение надежности принимаемых решений;
• снижение требований к квалификации работающего персонала.

Тенденции развития

Последний год двадцатого века был для компании ООО «Центр СПРУТ-Т» непростым. В августе 2000 года ушел из жизни один из основателей компании Андрей Алексеевич Крючков, возглавлявший ее на протяжении двенадцати лет. Но направление деятельности компании с приходом нового руководства не изменилось. «Стратегия развития компании заключается в разработке инструментальных средств создания прикладных САПР, — говорит генеральный директор ООО «Центр СПРУТ-Т» Борис Владимирович Кузьмин. — Решения, предлагаемые компанией, остаются неизменными:

• оказание промышленным предприятиям услуг в виде инженерного аудита и разработки проектов автоматизации производств;
• разработка прикладных систем на заказ для конкретных промышленных предприятий (это могут быть как локальные, так и комплексные задачи);
• тиражирование программных средств и среды СПРУТ для разработки пользователями прикладных САПР».

Продолжается развитие интерактивных средств создания специализированных систем, дальнейшее развитие получат SprutCAM, SprutCAD и СПРУТ-ТП, планируется более активное развитие в системе СПРУТ TDM/PDM-технологий и закрепление достигнутых позиций в различных отраслях промышленности, в частности:

• в автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении;
• нефтехимическом машиностроении;
• мебельной промышленности;
• шинной промышленности (проектирование оснастки для изготовления шин);
• производстве асинхронных электродвигателей;
• инструментальном производстве (в первую очередь проектирование штамповой оснастки для холодной листовой и объемной штамповки) и др.

Все эти направления подкреплены накопленным богатым опытом и конкретными результатами внедрения специализированных САПР в масштабах завода. Кроме того, «СПРУТ-Технология» принимает активное участие в тендерах, организованных различными предприятиями, и ее специалисты готовы продемонстрировать свои достижения на любом уровне.

«САПР и графика» 2'2001