Развитие систем автоматизированного проектирования

РАЗВИТИЕ  СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Система автоматизированного  проектирования (САПР, в англоязычном написании CAD System - Computer Aided Design System) - это  система, реализующая проектирование, при котором все проектные  решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ.

В настоящий  момент существует несколько классификационных  подгрупп, из них три основных: машиностроительные САПР (MCAD - Mechanical Computer Aided Design), архитектурно-строительные САПР (CAD/AEC - Architectural, Engineering, and Construction), САПР печатных плат (ECAD - Electronic CAD/EDA - Electronic Design Automation). Наиболее развитым среди них является рынок MCAD, по сравнению с которым секторы ECAD и CAD/AEC довольно статичны и развиваются слабо. Рассмотрим процесс развития автоматизированного проектирования в машиностроении.

Современный рынок  машиностроения предъявляет все  более жесткие требования к срокам и стоимости проектных работ. Проведение конструкторских работ, нацеленных на создание качественной, конкурентоспособной продукции, связано с подготовкой точных математических моделей узлов и агрегатов, а также с выполнением огромного объема математических расчетов, необходимых для инженерного анализа конструкций. Основной путь повышения конкурентоспособности предприятия связан с резким сокращением сроков создания моделей и ускорением расчетов математических параметров на всех этапах разработки продукции. Таким образом, применение высокопроизводительных систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAE/CAD/CAM-систем) стало ключевым элементом бизнеса предприятия, работающего на современном рынке машиностроения.

Применение  линейки, циркуля и транспортира на чертежной доске привело к  технической революции начала XIX века. Для повышения точности все построения выдерживали в максимально возможном масштабе, при этом погрешность построений составляла не менее 0,1 мм, а при задании угловых значений - не менее 1 мм на одном метре. Таковы пределы точности при геометрическом моделировании на кульмане. Появление ЭВМ стало благоприятной предпосылкой для развития машинной графики, которая включила в себя дисциплины геометрического моделирования и вычислительной геометрии. Основная их задача состоит в решении геометрических задач в аналитической и вычислительной (алгоритмической) форме.

История САПР в  машиностроении разделяется на несколько  этапов. Первый этап формирования теоретических  основ САПР начался в 50-х годах  прошедшего столетия. В основу идеологии  положены разнообразные математические модели, такие как теория B-сплайнов, разработанная И. Шоенбергом (I.J. Schoenberg) в 1946 г. Моделированию кривых и поверхностей любой формы были посвящены работы П. Безье (P.E. Bezier), выполненные в 60-х годах. В этот период сформировалась структура и классификация САПР. Объекты проектирования стали рассматриваться с точки зрения различных областей науки, базовые подсистемы САПР разделились на геометрические, прочностные, аэродинамические, тепловые, технологические, и т. п, впоследствии их стали классифицировать как CAD, CAE, CAM, PDM, PLM.

САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического  моделирования (собственно CAD - Computer Aided Design) решают задачи, в которых основной процедурой проектирования является создание геометрической модели, поскольку любые предметы описываются в первую очередь геометрическими параметрами.

САПР системы  технологической подготовки производства (CAM - Сomputer Aided Manufacturing) осуществляют проектирование технологических процессов, синтеза программ для оборудования с ЧПУ, моделирование механической обработки и т.п. в соответствии с созданной геометрической моделью.

САПР системы  инженерного анализа (CAE - Computer Aided Engineering) позволяют анализировать, моделировать или оптимизировать механические, температурные, магнитные и иные физические характеристики разрабатываемых моделей, проводить симуляцию различных условий и нагрузок на детали.

Как правило, эти  пакеты работают, используя метод  конечных элементов, когда общая  модель изделия делится на множество геометрических примитивов, например тетраэдров. Основными модулями программ анализа являются препроцессор, решатель и постпроцессор.

Исходные данные для препроцессора - геометрическая модель объекта - чаще всего получают из подсистемы конструирования (CAD). Основная функция препроцессора - представление исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т.е. в виде множества конечных элементов.

Решатель - программа, которая преобразует модели отдельных  конечных элементов в общую систему алгебраических уравнений и рассчитывает эту систему одним из методов разреженных матриц.

Постпроцессор служит для визуализации результатов  решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это  форма - графическая. Конструктор может  анализировать поля напряжений, температур, потенциалов и т.п. в виде цветных изображений, где цвет отдельных участков характеризует значения анализируемых параметров.

Наконец, системы  управления инженерными данными (PDM - Product Data Management) обеспечивают хранение и управление проектно-конструкторской документацией разрабатываемых изделий, ведение изменений в документации, сохранение истории этих изменений и т. п.

На первом этапе  развития возможности систем в значительной мере определялись характеристиками имевшихся в то время недостаточно развитых аппаратных средств ЭВМ. Для работы с системами САПР использовались графические терминалы, подключаемые к мэйнфреймам. Процесс конструирования механических изделий заключается в определении геометрии будущего изделия, поэтому история CAD-систем практически началась с создания первой графической станции. Такая станция Sketchpad, появившаяся в 1963 г, использовала дисплей и световое перо. Ее создатель И. Сазерленд в дальнейшем работал в агентстве ARPA и возглавлял департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета.

Развитие компьютерной графики сдерживалось не только аппаратными  возможностями вычислительных машин, но и характеристиками программного обеспечения, которое должно было стать универсальным по отношению к использовавшимся аппаратным средствам представления графической информации. С 70-х годов прошлого века разрабатывался стандарт графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включал в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.

В 1977 г. ACM представила  документ Core, который описывал требования к аппаратно-независимым программным  средствам. В 1982 г. появилась система Graphical Kernel System (GKS), принятая в качестве стандарта в 1985 г, а уже в 1987 г. был разработан вариант GKS-3D с ориентацией на 3D-графику.

Параллельно с  развитием CAD-систем бурное развитие получили CAM-системы автоматизации технологической  подготовки производства. В 1961 г. был создан язык программирования APT (Automatic Programming Tools), впоследствии этот язык стал основой многих других языков программирования применительно к оборудованию с числовым программным управлением. Параллельно с работами, проводившимися в США, в СССР Г.К. Горанский создал первые программы для расчетов режимов резания.

Разработанный к 1950 г. метод конечных элементов  послужил толчком к развитию систем инженерного анализа CAE. В 1963 г. был  предложен способ применения метода конечных элементов для анализа прочности конструкции путем минимизации потенциальной энергии.

В 1965 г. NASA для  поддержки проектов, связанных с  космическими исследованиями, поставила  задачу разработки конечно-элементного  программного пакета. К 1970 г. такой пакет  под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и введен в эксплуатацию. Стоимость разработки, длившейся 5 лет, составила $4 млн. Среди компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation), которая с 1973 г. начала самостоятельно развивать пакет MSC.NASTRAN, впоследствии ставший мировым лидером в своем классе продуктов. С 1999 г. компания MSC называется MSC.Software Corporation. В 1976 г. был разработан программный комплекс анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур DYNA-3D (позднее названный LS-DYNA).

Мировым лидером  среди программ анализа на макроуровне  считается комплекс Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), разработанный и совершенствуемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение комплекса Adams - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.

Широкое внедрение  систем САПР в то время сдерживалось высокой стоимостью программных продуктов и "железа". Так, в начале 80-х годов прошлого века стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $100000 и требовала использования дорогостоящей аппаратной платформы.

Следующий этап развития ознаменовался началом  использования графических рабочих станций под управлением ОС Unix. В середине 80-х годов компании Sun Microsystems и Intergraph предложили рабочие и графические станции с архитектурой SPARC. Фирма DEC разработала автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX, появились персональные компьютеры на основе процессоров i8086 и i80286. Эти разработки позволили снизить стоимость CAD-лицензии до $20000 и создали условия более широкого применения для CAD/CAM/CAE-систем.

В этот период математический аппарат плоского геометрического моделирования был хорошо "доведен", способствуя развитию плоских CAD-систем и обеспечивая точность геометрии до 0,001 мм в метровых диапазонах при использовании 16-битной математики. Появление 32-разрядных процессоров полностью обеспечило потребности плоских CAD-систем для решения задач любого масштаба.

Развитие CAD-систем следовало  двум подходам к плоскому моделированию, которые получили название твердотельный  и чертежный. Чертежный подход оперирует  такими основными инструментами  как отрезки, дуги, полилинии и кривые. Операциями моделирования на их основе являются продление, обрезка и соединение. В твердотельном подходе основными инструментами являются замкнутые контуры, а остальные элементы играют вспомогательную роль. Главными операциями моделирования являются булевы объединение, дополнение, пересечение.

В 80-е годы прошлого века характеристики использовавшегося  для САПР вычислительного оборудования значительно различались. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного объемного моделирования применительно к деталям и сборочным узлам из многих деталей. Идеология систем объемного моделирования базируется на объемной мастер-модели; при этом определяется геометрия поверхности не по проекциям отдельных сечений, а интегрально - для всей спроектированной поверхности. Используя модель, можно получить информацию о координатах любой точки на поверхности, а также сформировать плоские изображения: виды, сечения и разрезы. Геометрическая модель позволяет легко получить такие локальные характеристики как нормали, кривизны и интегральные характеристики - массу, объем, площадь поверхности, момент инерции.

Системы объемного моделирования также базируются на двух подходах к построению поверхностей модели: поверхностном и твердотельном. При использовании поверхностного моделирования конструктор определяет изделие семейством поверхностей. При твердотельном способе конструктор представляет изделие семейством геометрических примитивов, таких как куб, шар, цилиндр, пирамида, тор. В отличие от чертежа модель является однозначным представлением геометрии и количественного состава объекта. Если в сборочном чертеже болт представляется несколькими видами, то в объемной сборке - одним объектом, моделью болта.

Поверхностное моделирование  получило большее распространение  в инструментальном производстве, а  твердотельное - в машиностроении. Современные  системы, как правило, содержат и тот, и другой инструментарий и позволяют работать как с телами, так и с отдельными поверхностями, используя булевы и поверхностные процедуры.

Принято делить CAD/CAM-системы  по их функциональным характеристикам  на три уровня (верхний, средний и  нижний). В 80-е годы прошлого века такое деление основывалось на значительном различии характеристик использовавшегося для САПР вычислительного оборудования. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах.

К 1982 г. твердотельное  моделирование начали применять  в своих продуктах компании IBM, Computervision, Prime, но методы получения моделей  тел сложной формы не были развиты, отсутствовал аппарат поверхностного моделирования. В 1983 г. была разработана техника создания 3D-моделей с показом или удалением скрытых линий. В 1986 г. компания Autodesk выпустила свой первый CAD-продукт Autocad - однопользовательскую версию на языке "C" с поддержкой формата IGES. В области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического моделирования привела к созданию универсальных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР. Распространение получили два геометрических ядра: Parasolid (продукт фирмы Unigraphics Solutions) и ACIS (компания-разработчик Spatial Technology). Ядро Parasolid было разработано в 1988 г. и в следующем году стало ядром твердотельного моделирования для CAD/CAM Unigraphics, а с 1996 г. - промышленным стандартом.

Необходимость обмена данными между различными системами на различных этапах разработки продукции способствовала стандартизации описаний геометрических моделей. Вначале  появился стандарт IGES (Initial Graphics Exchange Specification). Фирма Autodesk в своих продуктах стала использовать формат DXF (Autocad Data eXchange Format). Затем были разработаны язык Express и прикладные протоколы AP203 и AP214 в группе стандартов ISO 10303 STEP (Standard for Exchange Product Model Data). В 1986 г. появился ряд новых стандартов. Среди них CGI (Computer Graphics Interface) и PHIGS P (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) - стандарт ANSI, принятый в качестве стандарта ISO в 1989 г. В 1993 г. компанией Silicon Graphics предложен стандарт OpenGL (SGI Graphical Language), широко используемый в настоящее время.

В упомянутых системах используются графические форматы  для обмена данными, представляющие собой описание изображения в  функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Графический формат (метафайл) обеспечивает возможность запоминания графической информации, передачи ее между различными системами и интерпретации для вывода на различные устройства. Такими форматами явились CGM - Computer Graphics Metafile, PostScript - Adobe Systems Language, GEM - GEM Draw File Format и др.