САПР
Инженерная деятельность в современных условиях тесно связана с
использованием персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ) и
микропроцессоров. В последние годы в инженерной практике вычислительная
техника широко применяется для выполнения расчетов, автоматизации
проектирования, организации и планирования экспериментальных исследований,
для обработки результатов испытания машин, механизмов, аппаратов и для
многих других целей. В настоящее время инженеры любой специальности должны
приобрести в вузе умения и навыки решения производственных и научных задач
с помощью ЭВМ. С этой целью в учебные планы всех инженерных специальностей
введены дисциплины, обеспечивающие углубленное изучение математики,
программирования, вычислительной техники, новых информационных технологий.
Сейчас обучение в технических вузах поставлено таким образом, что
студенты с первого курса пользуются персональными электронными
вычислительными машинами. Если раньше своего рода символом инженерного
труда была логарифмическая линейка, то теперь все большее и большее
количество студентов имеют в своем личном пользовании ПЭВМ.
Термин САПР "Система автоматического проектирования" (в английской
нотации CAD) появился в конце пятидесятых годов, когда Д.Т.Росс начал
работать над одноименным проектом в Массачусетском Технологическом
Институте (MIT). Первые CAD - системы появились десять лет спустя.
За последние 25 лет CAD - системы, как системы геометрического
моделирования, были значительно усовершенствованы: появились средства 3D-
поверхностного и твердотельного моделирования, параметрического
конструирования, был улучшен интерфейс.
Несмотря на все эти усовершенствования, касающиеся, в основном,
геометрических функций, CAD - системы оказывают конструктору слабую помощь
с точки зрения ВСЕГО процесса конструкторского проектирования. Они
обеспечивают описание геометрических форм и рутинные операции, такие как
образмеривание, генерация спецификаций и т.п. Эти ограничения и чисто
геометрический интерфейс оставляет методологию конструкторской работы такой
же, какой она была при использовании чертежной доски. Развитие получили
также системы автоматизации проектирования технологических процессов (CAPP)
и программирования изготовления деталей на станках с ЧПУ (CAM). Однако,
подобно CAD - системам, эти усовершенствования не затронули ПРОЦЕСС
проектирования: CAPP - системы могут генерировать технологические процессы,
но только при условии предварительного специального описания изделия с
помощью конструкторско - технологических элементов. CAM -системой может
быть использована геометрическая модель CAD - системы, но все функции CAPP
- системы (проектирование технологии обработки)- перекладываются на
инженера.
Помимо проектирования, инженерная деятельность связана с инженерным
бизнесом и менеджментом. Сюда, в частности, входят автоматизированные
системы управления производством (АСУПр). Эти системы обычно развиваются
без какой - либо интеграции с САПР.
Итак, до последнего времени концепция автоматизации труда
конструктора базировалась на принципах геометрического моделирования и
компьютерной графики. При этом, системы компьютеризации труда
конструкторов, технологов, технологов - программистов, инженеров -
менеджеров и производственных мастеров развивались автономно и Инженерные
Знания - основа проектирования, оставались вне компьютера. Такое положение
не удовлетворяет современным требованиям к автоматизации. Сейчас необходима
комплексная компьютеризация инженерной деятельности на всех этапах
жизненного цикла изделий, которая получила название CALS (Computer Aided
Life-cycle System) технологии. Традиционные САПР с их геометрическим, а не
информационным ядром, не могут явиться основой для создания таких систем.
Сегодня каждое изделие в процессе своего жизненного цикла должно
представляться в компьютерной среде в виде иерархии информационных моделей,
составляющих единое целое и имеющих соподчиненность .
В промышленном производстве давно царит жесткая конкуренция. Чтобы
выжить в этих нелегких условиях предприятиям приходится как можно быстрее
выпускать новые изделия, снижать их себестоимость и повышать качество. В
этом им помогают современные системы автоматизированого проектирования
(САПР), позволяющие облегчить весь цикл разработки изделий — от выработки
концепции до создания опытного образца и запуска его в производство. Тем
самым значительно ускоряется процесс создания новой продукции без ущерба
качеству. Поэтому сейчас без САПР не обходится ни одно конструкторское
или промышленное предприятие. И хотя на долю указанных систем приходится
лишь около 3% рынка ПО, они играют очень важную роль, поскольку помогают
создавать товары, без которых невозможно представить нашу повседневную
жизнь: автомобили, самолеты, бытовые приборы, промышленное оборудование и,
следовательно, являются одной из движущих сил современной промышленности и
мировой экономики.
.
Термин «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно используют в
тех случаях, когда речь идет о пакетах программ для автоматизированного
проектирования (CAD), подготовки производства (CAM) и инженерного анализа
(CAE). Существуют САПР и для других областей — разработки электронных
приборов, строительного проектирования.
Идея автоматизировать проектирование зародилась в конце 50-х годов
прошлого века, почти одновременно с появлением коммерческих компьютеров. А
уже в начале 60-х ее воплотила компания General Motors в виде первой
интерактивной графической системы подготовки производства. В 1971 г.
создатель этой системы доктор Патрик Хэнретти (Patrick Hanratty) основал
компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS) и разработал методики,
которые составили основу большинства современных САПР. Вскоре появились и
другие CAD-пакеты. В то время они работали на мэйнфреймах и мини-
компьютерах и стоили очень дорого — в среднем 90 тыс. долл. за одно рабочее
место. Очевидно, что лишь крупные предприятия могли позволить себе идти в
ногу со временем.
Одновременно стали появляться и первые CAM-программы, позволяющие
частично автоматизировать процесс производства с помощью программ для
станков с ЧПУ, и CAE-продукты, предназначенные для анализа сложных
конструкций. Так в 1971 г. компания MSC.Software выпустила систему
структурного анализа MSC.Nastran, которая до сих пор занимает ведущее
положение на рынке CAE.
К середине 80-х годов системы САПР для машиностроения обрели форму,
которая существует и сейчас. Но впереди их ждало много любопытных перемен.
Появление микропроцессоров положило начало революционным преобразованиям в
области аппаратного обеспечения — наступила эра персональных компьютеров.
Но для трехмерного моделирования мощности первых ПК не хватало. Поэтому в
80-е годы поставщики «серьезных» средств автоматизации проектирования
ориентировались на компьютеры на базе RISC-процессоров, работавшие под
управлением ОС Unix, — они были намного дешевле мэйнфреймов и мини-машин.
Параллельно снижалась стоимость ПО, и к началу 90-х средняя цена рабочего
места снизилась до 20 тыс. долл. — САПР становились доступнее. Но в
массовый продукт они превратились лишь тогда, когда компания Autodesk
разработала свой знаменитый пакет AutoCAD стоимостью всего 1 тыс. долл.
Правда, в те времена ПК были 16-разрядными, и их мощности хватало лишь для
двумерных построений — черчения и создания эскизов. Однако это не помешало
новинке иметь огромный успех у пользователей. .
Наиболее бурное развитие САПР происходило в 90-х годах, когда Intel
выпустила процессор Pentium Pro, а Microsoft — систему Windows NT. Тогда на
поле вышли новые игроки «средней весовой категории», которые заполнили нишу
между дорогими продуктами, обладающими множеством функций, и программами
типа AutoCAD. В результате сложилось существующее и поныне деление САПР на
три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация возникла
исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между
классами постепенно стираются, они продолжают существовать, так как системы
по-прежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям.
Следует добавить, что кроме универсальных САПР также выпускаются и
различные специализированные продукты, например, для инженерного анализа,
расчета трубопроводов, анализа литья металлов, проектирования
металлоконструкций и множества других конкретных задач.
На основе проведенного анализа структуры эксперной системы, можно
утверждать, что такая вычислительная среда имеет прямое применение для
инженерной деятельности как средство автоматизации проектных работ, если
проектирование ведется от прототипа, по восходящей технологии или на высших
иерархических уровнях той или иной системы проектирования. Однако, если
объект проектирования можно формально описать, возникает потребность, с
одной стороны, использовать приемы, характерные для инженерной
деятельности, а с другой - привлечь знания математиков для использования
формальных методов принятия решения. Кроме того, дальнейшее развитие САПР,
по мнению многих разработчиков, должно идти по пути создания вычислительных
систем, которые "лояльны" к пользователю, легко тиражируются и обладают
свойством развития. В ближайшее время при построении САПР необходимо
обеспечить решение следующих задач: обучение пользователя, которое сводится
к обучению входным языкам, представлению справочной информации,
адаптированной к характеру запроса, диагностике ошибок и сопровождению
пользователя в процессе проектирования; обучение САПР, предполагающее
настройку системы на конкретную предметную область или класс проектных
процедур; организация диалога в процессе проектирования с целью описания
объекта проектирования, технологического задания и заданий на выполнение
проектных процедур; изготовление проектной и справочной документации,
оформляющей проектные решения; контроль за функционированием системы и
отображение статистических данных о количестве и качестве проектных
решений.
Одни из наиболее мощных САПР – Unigraphics NX компании EDS, CATIA
французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и
Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Главная особенность
таких мощных САПР — обширные функциональные возможности, высокая
производительность и стабильность работы — все это результат длительного
развития.
Важную роль в становлении среднего класса сыграли два ядра
твердотельного параметрического моделирования ACIS и Parasolid, которые
появились в начале 90-х годов и сейчас используются во многих ведущих САПР.
Геометрическое ядро служит для точного математического представления
трехмерной формы изделия и управления этой моделью. Полученные с его
помощью геометрические данные используются системами CAD, CAM и САЕ для
разработки конструктивных элементов, сборок и изделий.
Программы "легкой" категории служат для двумерного черчения, поэтому
их обычно называют электронной чертежной доской. К настоящему времени они
пополнились некоторыми трехмерными возможностями, но не имеют средств
параметрического моделирования, которыми обладают тяжелые и средние САПР.
Первая чертежная система Sketchpad была создана еще в начале 60-х
годов, а затем появилось немало других продуктов такого рода, использующих
достижения компьютерной графики. Однако подлинный расцвет в этой области
наступил лишь в 80-е годы с появлением персональных компьютеров. Пионером в
этой области стала компания Autodesk, которая в 1983 г. выпустила САПР для
ПК под названием AutoCAD.
Таким образом, развитие Систем автоматического проектирования идет
двумя путями — эволюционным и революционным. В свое время революционный
переворот произвели первые САПР для ПК и системы среднего класса. Сейчас
рынок развивается эволюционно: расширяются функциональные возможности
продуктов, повышается производительность, упрощается использование. Но,
возможно, вскоре нас ждет очередная революция. Аналитики из Cambashi
считают, что это произойдет, когда поставщики САПР начнут использовать для
хранения инженерных данных (чертежей, трехмерных моделей, списков
материалов и т. д.) не файловые структуры, а стандартные базы данных SQL-
типа. В результате инженерная информация станет структурированной, и
управлять ею будет гораздо проще, чем теперь.
Список использованной литературы
1 Перевод с англ. Ли К., Основы САПР (CAD/CAM/CAE), С.-П.: Питер, 1996
-559с
2 Хейфец А.Л., Инженерная компьютерная графика. AutoCad: Опыт преподавания
и широта взгляда М.: Диалог-МИФИ 2004 -432с
3 Журнал "Спрут", статья "САПР и графика", №4, 1998
4 http://www.sapr.ru
