Система автоматизированного проектирования
Систе́ма автоматизи́рованного проекти́рования (САПР; англ. Computer-Aided Design – CAD), автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования. Представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.
Цели автоматизации проектирования: повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение средств проектирования, повышение производительности труда проектировщиков, уменьшение или ликвидация роста числа проектировщиков и конструкторов. Различают внешнее и внутреннее проектирование, к которым относятся следующие компоненты: предпроектные исследования, разработка, утверждение технического задания, разработка технического предложения, а также технического и рабочего проекта, изготовление, отладка, испытание и ввод в действие (Нестеренко. 2013).
Этапы развития САПР
1970-е гг. Теоретически доказано, что проектирование подвергается компьютеризации. В основном упор делался на возможность автоматического черчения. Такие программы получили название «системы автоматического черчения» (САЧ). Однако в США САПР стали разрабатывать после окончания Второй мировой войны силами научно-исследовательских организаций для применения в комплексе управления силами и средствами континентальной противовоздушной обороны в 1947 г. (Phiri. 1999. P. 52);
1980-е гг. Появление микрокомпьютеров и создание систем для них. Это время считается началом объёмного 3D-моделирования и возможности передачи данных. Именно в этот период (конец 1980-х гг.), как считают, в СССР была создана первая система автоматизированного проектирования в Челябинском политехническом институте под руководством профессора А. А. Кошина;
1990-е гг. Окончательное формирование базы САПР (термины и определения) и дальнейшее совершенствование. Стало возможным передавать файл в одном формате на другую компьютерную систему. Впоследствии при соглашении производителей о едином образце форматов применение платформы стало более доступно и намного популярнее. Далее создавались системы автоматизированного инженерного анализа (CAE), системы управления промышленным продуктом (PDM) и ресурсами предприятия (англ. Enterprise Resource Planning – ERP), происходила интеграция систем, а с середины 1990-х гг. состоялся переход на электронную документацию и электронные модели изделия на всех этапах его жизненного цикла CALS-технологии.
Появление САПР было революционным изменением в машиностроительной отрасли, где начинали объединять труд чертёжников, дизайнеров и инженеров. Это способствовало слиянию разных отделов на предприятии, что являет собой пример того, как компьютерные технологии повлияли на промышленность. Кроме того, САПР является важным звеном в промышленном конструировании, широко используемым во многих отраслях, в том числе в автомобильной, судостроительной и аэрокосмической промышленности, промышленном и архитектурном проектировании, протезировании и многих других. Из-за своей экономической важности САПР стала основной движущей силой исследований в области вычислительной геометрии, компьютерной графики и т. д. (Pottmann. 2007. P. 213–234).
Программное обеспечение САПР
Программное обеспечение (ПО) САПР представляет собой совокупность программ на машинных носителях с необходимой программной документацией, предназначенной для выполнения автоматизированного проектирования. ПО САПР позволяет инженерам и архитекторам проектировать, проверять инженерные проекты и управлять ими в рамках интегрированного графического интерфейса пользователя в системе персонального компьютера. ПО занимает особое место в САПР, т. к. в программе реализуются методы автоматизированного проектирования. Сложность функциональных возможностей ПО объясняет большие затраты средств на его разработку.
ПО САПР подразделяют на три составляющие (Берлинер. 2008):
Базовое. Обеспечивает согласованную работу технических устройств, используемых для автоматизации проектирования. Оно разрабатывается для конкретных аппаратных средств и поставляется вместе с ними.
Общесистемное. Представляет собой комплекс программ, применяемых для обеспечения работы компьютера и сетей, связи пользователя с комплексом технических средств, а также для обеспечения согласованной работы различных технических средств.
Прикладное. Предназначено для решения задач в определённой области (например, станкостроение, машиностроение и т. д.). Основой в прикладном ПО являются средства 2D и 3D машинной графики, а также твердотельного моделирования.
ПО САПР для проектирования применяет векторную графику в целях изображения объектов традиционного черчения или может также создавать растровую графику, отображающую общий вид проектируемых объектов. Как и при ручном создании технических и инженерных чертежей, выходные данные САПР должны передавать информацию, такую как характеристики используемых материалов, процессы, размеры и допуски, в соответствии с соглашениями для конкретных приложений.
Классификации программных приложений и средств автоматизации САПР по отраслевому и целевому назначению
ПО САПР по отраслевому назначению разделяется следующим образом:
MCAD (от англ. Mechanical Computer-Aided Design) – автоматизированное проектирование механических устройств. К ним относят машиностроительные САПР, которые применяются в автомобилестроении, судостроении, авиационной и космической промышленности, производстве товаров общего потребления. MCAD включают в себя разработку деталей и сборок с применением проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объёмного моделирования. Представителями этой категории являются следующие системы: Autodesk Inventor, КОМПАС 3D, SolidWorks Mechanical Conceptual, CATIA, NX, Pro/ENGINEER, Solid Edge, T-FLEX CAD 3D, FORAN и др.
EDA (от англ. electronic design automation) – автоматизированное проектирование электроники предназначено для проектирования и производства электронных систем (создания микросхем, печатных плат и т. п.). К этому разделу относится следующее ПО: AutoCAD, P-CAD, ACCEL EDA, T-FLEX Печатные платы, CoFluent Design, Caddy, OrCAD, SPECCTRA, AUTOSAR, PSpice, Altium Designer (рис. 1), OrCAD, Cadence Allegro, Accel EDA, Графика-ТР и др.
AEC CAD (от англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) – архитектурно-строительное проектирование применяется с помощью компьютера. Непосредственно задействовано при начальной разработке и строительстве зданий, промышленных объектов, дорог, мостов и др. В этой сфере применяются: Autodesk Architectural Desktop (рис. 2), GeoniCS ЖЕЛДОР, AutoCAD Revit Architecture Suite, McGraw-Hill Construction, BuildingSMART, Гектор, КОМПАС-СПДС, xD Suite, ArchiCAD, Renga и др.
Рис. 1. Трассировка печатной платы, выполненная в Altium Designer.
По целевому назначению различают средства автоматизации, которые обеспечивают различные аспекты проектирования:
CAD (от англ. Computer-Aided Design/Drafting) – непосредственно средства автоматизированного проектирования, в контексте указанной классификации термин обозначает средства САПР. К этой категории принадлежит следующее программное обеспечение: AutoCAD, Autodesk, SolidWorks, Pro/ENGINEER, КОМПАС, nanoCAD, GeoniCS, Project Studio CS, Aveva, CATIA и др.
CADD (от англ. Computer-Aided Design and Drafting) – автоматизированное проектирование и создание чертежей. Представителями являются: Alibre Design, BricsCAD, Modelur, TurboCAD, Autodesk Inventor, CorelCAD, Fusion 360 и др.
CAGD (от англ. Computer-Aided Geometric Design) – средства геометрического моделирования, которые применяются для проектирования кривых и фигур в двумерном (2D) пространстве; или кривые, поверхности и тела в трёхмерном (3D) пространстве. К ним относят следующий ряд ПО: ArchiCAD, PunchCAD, Solid Edge, OpenSCAD, TiffinCAD, Onshape и др.
CAE (от англ. Computer-Aided Engineering) – средства автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий. Характеризуются следующим программным рядом: DesignSpace, Flite Software, Caedium, АСТРА-СТАДИО, CADFEM, Compliance, OpenFOAM, SolidWorks Simulation и др.
CAM (от англ. Computer-Aided Manufacturing) – средства технологической подготовки производства изделий, обеспечивают автоматизацию программирования и управления оборудования с числовым программным управлением. Входными данными системы CAM является геометрическая модель изделия, разработанная в САПР. К ним относят: CAM Express, ГеММа-3D, OneCNC, Edgecam, CimatronE, GibbsCAM, CIMCO Edit, PowerMILL и др.
CAPP (от англ. Computer-Aided Process Planning) – автоматизированная технологическая подготовка производства. Это программные продукты, помогающие автоматизировать процесс подготовки производства, а именно планирование (проектирование) технологических процессов. Задача CAPP следующая: по заданной модели изделия, выполненной в CAD-системе, составить план его производства – маршрут изготовления. В этот маршрут входят сведения о последовательности технологических операций изготовления детали, а также сборочных операциях (при необходимости); оборудование, используемое на каждой операции, приспособление и инструмент, при помощи которого на операциях выполняется обработка. Представителями CAPP являются: TechCard, Tecnomatix, Robcad, ТехноПро, САПР ТП, DELMIA и др.
Большинство САПР совмещают в себе решение задач, относящихся к различным аспектам проектирования CAD/CAM, CAD/CAE, CAD/CAE/CAM. Такие системы называют комплексными, или интегрированными. При помощи CAD-средств создаётся геометрическая модель изделия, применяемая в качестве входных данных в CAM-системах, и на её основе в CAE формируется модель исследуемого процесса, которая требуется для инженерного анализа.
Современные САПР – сложные программные системы. Уже сегодня анализ и совершенствование «тяжёлых» САПР являются сложными задачами, которые могут решаться только в рамках крупных научно-исследовательских коллективов. При этом эффективное использование и совершенствование САПР невозможно без теоретических знаний в области системной инженерии (системотехники), стандартизации и т. д. Сегодня САПР, кроме собственно проектирования, охватывают многие другие смежные области, такие как подготовка производства, планирование и управление. Однако опыт разработки существующих САПР пока что практически не изучался и не анализировался. Вероятно, эта работа будет проведена в будущем.
Ныне САПР также широко используется в создании компьютерной анимации для спецэффектов в фильмах, рекламных и технических материалах, часто называемых цифровым контентом.
Дальнейшим развитием в этой области будет совершенствование вопросов адаптации методов решения прикладных задач, исключение человеческого фактора ошибки из систем проектирования, применение искусственного интеллекта при решении задач параметрического и структурного синтеза для проектирования широкого спектра устройств и систем через разработку интеллектуальных компонентов в составе САПР.