4.11.4. Системы автоматизированного проектирования

Понятие проектирования. Проектирование технического объекта – создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы. 

Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее окончательное описание объекта. Более коротко, проектирование – процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и используемых для обсуждения и принятия решений для окончания или продолжения проектирования. Такие промежуточные описания называют проектными решениями.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным проектированием, в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). 

Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования (САПР, в англоязычном написании CAD System — Computer Aided Design System).

Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов. Превалирующим в настоящее время является автоматизированное проектирование.

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики проектирования сложных систем.

Из истории САПР. Под термином САПР обычно подразумеваются программные пакеты, выполняющие функции CAD/CAM/CAE/PDM, т.е. автоматизированного проектирования, подготовки производства и конструирования, а также управления инженерными данными.

Первые CAD-системы появились еще на заре вычислительной техники — в 60-х годах. Именно тогда в компании General Motors была разработана интерактивная графическая система подготовки производства, а в 1971-м ее создатель — доктор Патрик Хэнретти (его называют отцом САПР) — основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS), оказавшую огромное влияние на развитие этой отрасли. По мнению аналитиков, идеи MCS составили основу почти 70% современных САПР.

В начале 80-х, когда вычислительная мощность компьютеров значительно выросла, на сцену вышли первые CAM-пакеты, позволяющие частично автоматизировать процесс производства с помощью программ для станков с ЧПУ, и CAE-продукты, предназначенные для анализа сложных конструкций. Таким образом, к середине 80-х системы САПР для машиностроения обрели форму, которая существует и сейчас. Но наиболее бурное развитие происходило в течение 90-х годов — к тому времени на поле вышли новые игроки “средней весовой категории”.

Усиление конкуренции стимулировало совершенствование продуктов: благодаря удобному графическому интерфейсу значительно упростилось их использование, появились новые механизмы твердотельного моделирования ACIS и Parasolid, которые сейчас используются во многих ведущих САПР, значительно расширились функциональные возможности. В результате спрос на САПР рос как на дрожжах на протяжении почти всего десятилетия. Но в последнее время, в связи со снижением производственной активности в США и Европе и насыщением рынка продуктами САПР, этот рост постепенно замедлился: по оценке аналитической компании Daratech, в 1999 г. объем продаж систем CAD/CAM за год увеличился на 11,1%, в 2000-м — на 4,7%, в 2001-м — на 3,5%, а в 2002 г. — на 1,3% (предварительная оценка).

Можно сказать, что переход в новый век стал для рынка САПР переломным моментом. В такой ситуации на первый план вышли две основные тенденции — слияния/поглощения компаний и поиск новых направлений для роста. Яркий пример первой тенденции — покупка компанией EDS в 2001 г. двух известных разработчиков тяжелых САПР — Unigraphics и SDRC, а второй — активное продвижение концепции PLM (Product Lifecycle Management), подразумевающей управление информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла. 

Структура САПР. Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассиров-ки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering), обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения:

• техническое обеспечение (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
• математическое обеспечение (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
• программное обеспечение (ПО), представляемое компьютерными программами САПР;
• информационное обеспечение (ИО), состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также включающее другие данные, используемые при проектировании;
• лингвистическое обеспечение (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;
• методическое обеспечение (МетО), включающее различные методики проектирования, иногда к МетО относят также математическое обеспечение;
• организационное обеспечение (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.

Отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР. Базой данных называют упорядоченную совокупность данных, отображающих свойства объектов и их взаимосвязи в некоторой предметной области. Доступ к БД для чтения, записи и модификации данных осуществляется с помощью СУБД, а совокупность БД и СУБД называют банком данных (БнД).

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы — ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами.
2. САПР в области радиоэлектроники: системы ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation).
3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т.п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются CAE/CAD/CAM системы.

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР.

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер. В настоящее время широко используются унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР, это ядра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph.
2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.
3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления и т.п. Часто такие САПР относят к системам CAE. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.
4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

Олигархи мира САПР. В итоге недавних перемен, связанных со слияниями и поглощениями, компаний-лидеров в области САПР осталось всего три: Unigraphics NX компании UGS PLM Solutions (EDS), CATIA французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Продукты этих компаний занимают положение олигархов: на них приходится львиная доля объема рынка в денежном выражении.

Современная раскладка САПР по сформировавшимся классовым признакам приведена в табл.4.11. 

Главная особенность “тяжеловесов” состоит в том, что их обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность достигнуты в результате длительного развития. Все они далеко не молоды: CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer — в 1988-м, а Unigraphics NX, хотя и вышла лишь несколько месяцев назад, является результатом слияния двух весьма почтенных систем — Unigraphics и I-Deas, приобретенных вместе с компаниями Unigraphics и SDRC. 

Несмотря на то что тяжелые системы значительно дороже своих более “легких” собратьев (свыше 10 тыс. долл. на одно рабочее место), затраты на их приобретение окупаются, особенно когда речь идет о сложном производстве, например машиностроении, двигателестроении, авиационной и аэрокосмической промышленности. По мнению аналитиков, этот сегмент рынка уже практически насыщен и поделен между китами индустрии. Сейчас производители средств автоматизации проектирования возлагают основные надежды на предприятия среднего и малого бизнеса, которых гораздо больше, чем промышленных гигантов. Для них предназначены системы среднего и легкого классов. 

Средний класс.  Считается, что стабильность и процветание любого общества зависит от среднего класса, отличающегося трудолюбием и надежностью. Это утверждение справедливо и для мира САПР. Здесь средний класс появился относительно недавно — в середине 90-х. До этого существовало только два полюса — на одном мощные системы, работающие на Unix (впрочем, тогда их было гораздо больше, чем сейчас), а на другом — простые программы двумерного черчения для ПК. Но к 1995 г. вычислительная мощность ПК выросла, а Windows стала более стабильной и начала поддерживать многозадачность. Это позволило разработчикам создать системы автоматизированного проектирования, которые заняли промежуточное положение между тяжелым и легким классами. От первых они унаследовали возможности трехмерного твердотельного моделирования, а от вторых — невысокую цену и ориентацию на платформу Windows. Они произвели настоящий переворот в мире САПР, позволив многим конструкторским и проектным организациям перейти с двумерного на трехмерное моделирование.

Таблица 4.11

Класс САПР

(программные продукты и компании их выпускающие)

Лидерами этого сегмента являются системы SolidEdge (разработанная фирмой Intergraph, а теперь принадлежащая UGS PLM Solutions (EDS)), SolidWorks одноименной компании (в настоящее время — подразделение Dassault Systemes), а также Inventor и Mechanical Desktop корпорации Autodesk. Это далеко не полный перечень средних САПР. 

В данном сегменте работает множество компаний, в том числе и российских, предлагающих относительно недорогие системы стоимостью порядка 5—8 тыс. долл. на одно рабочее место. Их популярность среди пользователей постоянно растет, и благодаря этому данная область очень динамично развивается.  В результате по функциональным возможностям средний класс постепенно догоняет своих более дорогостоящих конкурентов. Однако далеко не всем пользователям требуется такое разнообразие функций. Тем, кто в основном работает с двумерными чертежами, прекрасно подойдет система легкого класса, которая стоит в несколько раз дешевле. 

Легковесы. Программы легкой категории служат для простого двумерного черчения, поэтому их обычно называют электронной чертежной доской. И хотя к настоящему времени “легковесы” обрели и некоторые трехмерные возможности, у них нет средств параметрического моделирования, имеющихся в более мощных системах. 

Первые системы двумерного моделирования появились еще в 70-х годах, когда были разработаны средства для изображения линий, окружностей и кривых на экране монитора с помощью макрокоманд и интерфейсов прикладного программирования. 

Однако подлинный расцвет в этой области наступил лишь в 80-х, когда на сцену вышел персональный компьютер. События развивались быстро: в 1982 г. была основана компания Autodesk, которая занялась разработкой САПР для ПК под названием AutoCAD, а уже к 1987-му было продано 100 тыс. копий AutoCAD (в прошлом году это число превысило 4 млн.). Примеру Autodesk последовали и другие игроки, и сейчас существует множество разнообразных "легких" САПР, включая DataCAD одноименной компании, IntelliCAD фирмы CADopia, SurfCAM 2D от Surfware и др. Эти продукты проще в использовании и дешевле (100—3000 долл.) своих более мощных собратьев, поэтому спрос на них растет даже при нынешнем экономическом спаде. В результате "легкие" системы стали самым распространенным продуктом автоматизации проектирования, заняв в мире САПР такое же положение, какое в сообществе людей отводится "простому рабочему народу".

Система автоматизированного проектирования AutoCad.  AutoCAD – самая популярная в мире система автоматизированного проектирования и выпуска рабочей конструкторской и проектной документации. С его помощью создаются двумерные и трехмерные проекты различной степени сложности в области архитектуры и строительства, машиностроения, генплана, геодезии и т.д. Формат хранения данных AutoCAD де-факто признан международным стандартом хранения и передачи проектной документации.

AutoCAD 2005 позволяет полностью перейти на электронный документооборот. Импорт слоев с существующих чертежей на лист позволяет быстро создавать новые листы в чертеже. Значительно улучшена координация работы с файлами, их структурирование, обновление. Для лучшей навигации по чертежам возможно использование гиперссылок и выносок. В AutoCAD 2005 был пересмотрен подход к работе с таблицами, что позволит сделать управление данными более удобным, а создание таблиц - более эффективным. Значительно улучшены возможности инструментальной палитры.

При отсутствии инсталлированного AutoCAD пользователь может открыть файлы с помощью нового приложения DWF Composer, позволяющего просмотреть, сделать пометки и аннотации к каждому чертежу. В состав поставки AutoCAD 2005 входит бесплатный просмотрщик Autodesk DWF Viewer версии 4.1. Он позволяет просматривать и печатать многостраничные файлы DWF с учетом входящих в него листов и гиперссылок.

AutoCAD 2005 позволяет полностью перейти на электронный документооборот. Пароль на файлах DWG защищает интеллектуальную собственность пользователя, а цифровая подпись подтверждает его права на этот чертеж.

AutoCAD 2005 предоставляет пользователям возможность эффективного создания, управления и совместного использования наборов логически связанных рисунков. 

Диспетчер наборов листов Sheet Sets Manager, позволяет организовать размещение пакетов листов в зависимости от типа чертежей и с возможностью эффективного управления ими. Sheet Sets Manager отображает все группы листов в виде дерева файлов, благодаря чему можно увидеть, кто именно в данный момент работает с тем или иным чертежом. При наличии системы электронного документооборота, Sheet Sets Manager обеспечивает эффективное создание, управление и совместное использование целых наборов логически связанных друг с другом проектов. 

Markup set manager, диспетчер управления слоями "заметок" или аннотаций, позволяет обмениваться по Internet компактными чертежами формата DWF с заметками по исправлениям и текущим изменениям основных чертежных файлов. 

Управлять слоями в layer Properties Manager стало значительно легче. По дереву фильтров можно отобразить только архитектурные слои, а далее, используя контекстное меню, работать с выбранным слоем. 

AutoCAD 2005 предоставил возможность работать с крупноформатными таблицами. Таблицы создаются с помощью отдельного диалогового окна Create Table, где задается количество столбцов и строк, данные о ширине и высоте ячеек или просто задается размеры таблицы. С учетом возможности размещать по чертежу метки, идентификатора элементов, информация с меток автоматически считывается, и формируются на листе в таблицы спецификации. Пользователи AutoCAD 2005 получили возможность копирования табличных данных из Excel в AutoCAD или сохранение таблиц из AutoCAD в формате CSV.

В AutoCAD 2005 на обновленной инструментальной палитре есть возможность помещать часто используемые команды так же, как и на панели инструментов. 

AutoCAD 2005 позволяет создавать свои предметно ориентированные библиотеки графических элементов. Практически все команды AutoCAD 2005, включая написанные на LISP, выполняются с палитры. Палитры можно организовывать в группы и вызывать нужную группу из контекстного меню. 

В AutoCAD 2005 палитры представлены отдельными вкладками в специальном окне, что позволяет пользователю быстро создавать инструменты прямо из объектов текущего рисунка, легко создать новые оперативные библиотеки графических блоков изображений, включая внешние ссылки и растровые изображения. 

Полученные библиотеки графических блоков на инструментальной палитре впоследствии легко можно использовать для построения чертежа из этих же объектов методом "перетащи и брось" (drug and drop). При этом блоки имеют те же свойства, что и оригинальные объекты. 

При создании инструмент-команды, в её составе образуется подменю с целым стандартным набором вложенных инструментов. Вставленный с помощью подменю объект будет иметь те же свойства, что и исходный инструмент на палитре. 

После создания инструмента его можно копировать из одной палитры в другую. Также можно создавать инструменты, выполняющие последовательность команд, процедуры AutoLISP или пакетные файлы. 

САПР и системы конструкторского анализа (64-битная для версии WINDOWS). Компания SolidWorks Corporation объявила о выпуске 64-битных версий популярной САПР-системы SolidWorks и средств конструкторского анализа COSMOS, которые обеспечат возможность более эффективной работы над проектами крупномасштабных конструкций.

Продукты SolidWorks 2006 x64 Edition и COSMOS 2006 x64 Edition позволяют в полной мере оценить производительность и масштабируемость 64-битной версии операционной системы Microsoft Windows XP Professional, допускающей использование 8 терабайт оперативной памяти. Впервые заказчики, занимающиеся проектированием тяжелого промышленного и перерабатывающего оборудования, смогут отображать, модифицировать и анализировать сборки любого размера с неограниченным количеством компонентов. Инженерам больше не придется разбивать крупномасштабные сборки на составляющие из-за ограничений, накладываемых операционной системой Windows на объем используемой оперативной памяти. Для развертывания указанных решений могут использоваться системы на базе процессоров Intel Xeon EM64T и AMD Opteron. 

Стоит отдельно отметить, что SolidWorks Corporation продолжает предоставлять поддержку версий SolidWorks и COSMOS, работающих в 32-битном режиме на 64-битных платформах. Кроме того разработчики гарантируют, что решения SolidWorks и COSMOS для различных версий ОС совместимы между собой на уровне файлов. 

Интегрированные САПР. Создание на предприятиях или проектных организациях компьютерных сетей оказывает огромный положительный экономический эффект во всех сферах их деятельности: от повышения эффективности управления персоналом до автоматизации бухгалтерских задач.

Однако, автоматизация такой сферы, как производство современной продукции требует от предприятий внедрения систем автоматизированного проектирования (САПР).

Необходимость создания на предприятиях систем автоматизированного проектирования в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений. Особенно остро эта проблема стоит перед предприятиями авиационно-космической, машиностроительной и других наукоемких отраслей промышленности. 

Бурное развитие CALS-технологий привело к тому, что разработка и выпуск конкурентоспособной наукоемкой продукции невозможен без использования современных средств автоматизации проектирования на всех этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ) - от дизайнерской задумки до производства и утилизации. 

Современные интегрированные САПР (такие как система Unigraphics) позволяют решить весь спектр конструкторско-технологических проблем, стоящих перед современным предприятием, выпускающим или проектирующим наукоемкую продукцию.

Интегрированные САПР позволяют:

• резко повысить качество выпускаемой продукции;
• сократить сроки разработки новых изделий и расширить ассортимент выпускаемой продукции;
• сократить производственный цикл;
• выйти на мировой уровень производства и сертифицировать его на соответствие международным стандартам качества серии ISO 9000. Это является необходимым условием для ведения международного бизнеса.

Внедрение современных интегрированных САПР коренным образом изменяет концепцию проектирования и производства. В основе нового подхода лежит создание электронной модели (ЭМ) изделия (или математической модели - ММ) и принципы совместной работы коллектива разработчиков в единой интегрированной среде. 

Разработка электронной модели изделия в современный САПР высшего и/или среднего уровня (системы Unigraphics и/или Solid Edge) позволяет: 

• спроектировать на основе математической модели технологическую оснастку, необходимую для производства; 
• провести все необходимые инженерные анализы и расчеты; 
• подготовить комплект конструкторско-технологической документации на изделие; 
• получить программы для станков с ЧПУ и изготовить оснастку и изделия; 
• создать ассоциативную связь между всеми компонентами получившейся системы, обеспечивающую постоянное соответствие и автоматическую передачу изменений между формообразующими поверхностями деталей, сборок, техоснастки, программами для ЧПУ и конструкторско-технологической документацией;
• организовать электронный документооборот, обеспечивающий мгновенный доступ к необходимой и достоверной информации об изделии для всех разработчиков (на основе PDM-систем iMan и/или UG/Manager).

Эволюция и развитие. Схожесть рынка САПР с обществом людей проявляется и в характере его развития, которое происходит эволюционным и революционным путем. В свое время революционный переворот произвели первые САПР для ПК, а затем системы среднего класса. Сейчас рынок развивается эволюционно: с каждой новой версией функциональные возможности продуктов всех классов расширяются, производительность увеличивается, а использование упрощается, растет внимание к PDM-системам, позволяющим ускорить проектно-конструкторские работы и реализовать популярную концепцию PLM за счет внедрения технического документооборота и управления проектами, а в связи с распространением Интернета появляются средства для взаимодействия проектировщиков через Всемирную сеть и онлайновые библиотеки типовых деталей.