BC/NW 2006, №2, (9):11

BC / NW 2006, №2, (9):11.1

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ ИНТЕГРАЦИИ CAD И CAE

Аникеев Г.Е., Василец А.Н.

(г.Москва, Московский Энергетический Институт (Технический Университет), Российская Федерация)

По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. Сейчас общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения современных систем автоматизации. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требования, принадлежат так называемые CAD/CAM/CAE-системы (системы автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа). Несмотря на широкое распространение систем CAD для проектирования и систем CAE для анализа, эти системы не так уж хорошо интегрируются. Дело в том, что модели CAD и CAE по сути используют разные типы геометрических моделей, и в настоящее время не существует общей унифицированной модели, которая бы содержала в себе как информацию для проектирования, так и для анализа.

В данной работе намечаются основные пути решения данной проблемы, рассматриваются их достоинства и недостатки.

Термины CAD , CAM , CAE обозначают следующее:

CAD-системы (сomputer-aided design) - компьютерная поддержка проектирования, предназначенная для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования - САПР).

CAM-системы (computer-aided manufacturing) - компьютерная поддержка изготовления, предназначенная для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков. CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства.

САЕ-системы (computer-aided engineering) - поддержка инженерных расчетов представляющая собой применение обширного класса систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

CAD системы, базирующиеся на трехмерной геометрии, сейчас широко применяются при проектировании широкого спектра изделий. В то же время, инженерный анализ с использованием CAE -систем необходим при проектировании изделия. Поэтому ключевым моментом для улучшения процесса проектирования является тесная «бесшовная» интеграция CAD и CAE . Возможность тесной интеграции зависит от следующих факторов: масштаба, границ и целей CAE -анализа; природы и качественных характеристик CAD -модели; степени детализации, требуемой для CAE .

Существуют четыре основных подхода к интеграции CAD и CAE :

1) CAD -ориентированый;

2) CAE -ориентированный;

3) CAD / CAE -ориентированный;

4) Использование технологии управления информацией об изделии на протяжении его жизненного цикла (Product Lifecycle Management, PLM).

Рассмотрим более подробно каждый из этих подходов.

CAD -ориентированый подход

В CAD -ориентированном подходе, рассматривается проектирование, основанное на CAD -системе и интерактивный анализ, который проводится с целью улучшения проектируемого изделия. Данная методика уже получила широкое распространение. Практически во всех современных CAD -системах предусмотрены дополнительные модули анализа и имитации, тесно интегрированные с системой моделирования. Эти модули позволяют решать задачи кинематического моделирования, анализа методом конечных элементов (МКЭ), генерации сетки и последующей обработки непосредственно в системе моделирования. Например, система Pro / Engineer фирмы PTC включает в себя модули Pro / Mechanica , выполняющие структурный, вибрационный, температурный и двигательный анализ. Pro / Mesh и Pro / FEMPOST – это пре- и постпроцессоры анализа по МКЭ соответственно . Таким образом МКЭ становится наиболее популярным методом для анализа. К сожалению, часто модели созданные в CAD непригодны для МКЭ. Как показано на рис. 1 для МКЭ в большинстве случаев требуется некая абстрактная модель, в то время как CAD -система обеспечивает создание детализированной твердотельной модели.

Рисунок 1 . Геометрические модели: (a ) детализированная CAD -модель; (b ) абстрактная модель CAE .

Следовательно, как показано на рис.2, для получения МКЭ-специфичной модели необходим процесс преобразования, который удаляет некоторые элементы, и даже изменяет размеры исходной модели. Удаление элементов заключается в том, что маленькие геометрические элементы, содержащиеся в модели, игнорируются или скрываются. Существуют специальные экспертные системы, в которые загружается CAD-модель и они селективно скрывают геометрические элементы и их свойства, чтобы затем получить модель для анализа. А при изменении размеров происходит некое упрощение твердотельной модели. В результате получается, например, каркасная модель или поверхностная.

Рисунок 2 . СAD-ориентированный подход к интеграции CAD и CAE.

Процесс преобразования моделей является значительным препятствием на пути интеграции CAD и CAE , а также довольно нетривиальной задачей, к тому же требующей значительных временных затрат. Для решения этой проблемы существует много разработок, в первую очередь связанных с автоматизацией процесса преобразования одной модели в другую. Однако, возможности всех существующих в данное время методов достаточно ограничены, и степень автоматизации процесса преобразования моделей требует совершенствования.

Преобразование моделей зависит также от наличия тех или иных свойств у CAD -модели. Если CAD -модель не содержит информацию о необходимых для CAE свойствах, производится определение этих свойств, путем анализа твердотельной модели. В противном случае необходимые свойства конвертируются в свойства CAE -модели. В случае если свойства CAD -модели полностью идентичны свойствам CAE -модели, никакой конвертации не производится. Технологии, используемые в процессе преобразования, включают в себя: проектирование на основе конструктивных элементов геометрической модели (фичеров),определение свойств модели, конвертация свойств, удаление некоторых элементов модели и изменение размеров. Также здесь используется твердотельное моделирование и самопересекающееся топологическое моделирование (NMT ). Число общих ребер вмоделях должно быть чуть меньше или равно двойному количеству ребер. Если это число более чем в два раза превосходит число ребер, тогда модель считается самопересекающейся, в которой одно или более ребер лежит на пересечении более чем двух граней, т.е. она имеет совпадающие ребра. Самопересекающиеся модели позволяют строить топологию, включающую точки, кривые, поверхности и трехмерные объекты, содержащие в себе точки, кривые или поверхности, присоединенные или нет к внешней границе.

CAE -ориентированый подход

В CAE -ориентированном подходе, прежде всего проводится инженерный анализ на основе абстрактной модели, с целью определения всех параметров CAE -модели. Как показано на рис.3 модель для проектирования получается путем добавления дополнительных элементов, а также необходимой информации о размерах.

Рисунок 3. CAE -ориентированный подход к интеграции CAD и CAE .

Этот подход, основанный на добавлении элементов модели и образмеривании прямо противоположен CAD -ориентированному подходу, который требует упрощения геометрии модели с целью приближения к модели МКЭ. В случае ориентации на CAE , требуются автоматизированные процедуры формирования твердотельных моделей на основе абстрактных предшественников. В противном случае, конструкторам потребуется вручную восстанавливать геометрию по проектной документации. В случае CAE -ориентированного подхода, аналогично CAD -подходу, существуют различные технологии преобразования в зависимости от наличия и содержания свойств в CAE модели. При данном подходе используются технологии проектирования на основе фичеров, определения свойств модели и конвертации свойств из NMT -модели, а также добавления элементов и размеров NMT -модели. Добавление размеров – это технология создания твердотельных моделей из абстрактных NMT -моделей, используемая в CAE -ориентированном подходе. Добавляется толщина для поверхностей и производится утолщение каркасов.

CAD / CAE -ориентированый подход

CAD - и CAE -ориентированные подходы требуют двойных усилий по созданию и непрерывному поддержанию двух различных моделей одного изделия. Отсутствие автоматизированных средств трансформации из одного типа модели в другой может привести к тому, что модель придется восстанавливать по документации. Это является узким местом в интеграции CAD - CAE . В дополнение, при инженерном анализе часто требуется менять степень детализации (LOD ) и/или уровень абстракции (LOA ) рассматриваемой модели. Как только меняются LOD и LOA , необходимо заново проводить процесс трансформации. В качестве решения данных проблем предлагаются варианты общего модельного пространства, а также двунаправленной интеграции CAD - CAE .В данном случае система позволяет CAD -системе автоматически генерировать модели для анализа, а CAE -системе автоматически модифицировать геометрию деталей и проводить новый анализ. Процесс преобразований повторяется, пока не будет достигнут заданный критерий.

Данный метод называется CAD / CAE -интегрированным подходом, который обеспечивает унифицированное моделирование для «бесшовной» интеграции CAD / CAE . На рис.4 показан поток данных при этом подходе. В основе его лежат следующие технологии: проектирование с использованием фичеров, NMT , многомасштабные представления.

Рисунок 4. Интегрированный подход CAD \ CAE .

При данном подходе, одновременно создаются различные типы геометрических моделей проектирования и анализа для каждой операции моделирования фичера. Все модели интегрируются в одну общую модель. Твердотельные модели с различными LOD легко получаются из интегрированной модели. Более того, для каждого LOD можно получить абстрактную NMT модель с различным LOA и передать её в CAE -систему.

В случае CAD / CAE -интегрированного подхода CAD и CAE модели создаются одновременно и объединяются в единую NMT модель. Из объединенной модели CAD и CAE модели получаются с помощью механизма выборки. В дополнение, этот подход поддерживает модели CAD , CAE на различных LOD и LOA . Поэтому используемые здесь технологии это проектирование на основе фичеров, алгоритмы выборки, удаления элементов и изменения размеров, многомасштабные представления.

Использование технологии PLM

В отличие от описанных выше принципов интеграции CAD и CAE , использование технологии управления информацией об изделии на протяжении его жизненного цикла затрагивает не отдельные вопросы улучшения совместной работы этих двух систем, а более глобальные задачи объединения в одно целое всех процессов проектирования, производства, модернизации и сопровождения технически сложных изделий.

Что же такое PLM? Точно ответить на этот вопрос непросто, так как четкое определение отсутствует, а формулировки главных идеологов хотя и подробны, но весьма расплывчаты. Например, компания CIMdata, которая специализируется на анализе рынка PLM, утверждает, что это стратегический подход к организации бизнеса, позволяющий предприятиям с помощью интегрированного набора корпоративных систем коллективно разрабатывать, распространять и использовать информацию обизделии, а также управлять ею на протяжении его жизненного цикла - от проекта до утилизации . Компания EDS определяет PLM как комплексную корпоративную информационную систему, обеспечивающую управление всеми аспектами жизненного цикла изделия, от выработки требований, анализа рынка и разработки до производства, поставки и сервисного обслуживания .

Все определения звучат настолько красиво и неконкретно, что на первый взгляд даже может показаться, что PLM - скорее маркетинговый лозунг, чем реальная технология. И хотя, некоторая маркетинговая составляющая в PLM присутствует, было бы преждевременно заявлять, что этим исчерпываются возможности данной концепции. Ведь если абстрагироваться от эффектных формулировок и разобраться в сути PLM, то становится ясно, что это такая же компьютерная технология, как и многие другие, со своими задачами, преимуществами и проблемами.

Итак, обобщая выше сказанное, основная задача PLM - это объединение отдельных участков автоматизации в едином информационном пространстве и реализация сквозного конструкторского, технологического и коммерческого цикла, от подготовки проекта до утилизации. Такой подход сулит предприятиям немалые выгоды, главные из которых:

- ускорение выпуска новых продуктов;

- усиление контроля за качеством;

- сокращение издержек заменой физических макетов виртуальными;

- экономия за счет многократного использования проектных данных;

- расширение возможностей оптимизации изделий;

- экономия благодаря сокращению отходов производства;

- снижение затрат с помощью полной интеграции инженерного документооборота.

Но, чтобы воспользоваться преимуществами данной концепции, необходимо преодолеть серьезные технические трудности. Основная проблема, стоящая перед пользователями и разработчиками заключается в необходимости объединения разнородных систем автоматизации на предприятии и обеспечении коллективной работы персонала.

Обычно каждое подразделение выдает свою информацию и по-своему ее обрабатывает. Так, отделы проектирования (использующие CAD ), и анализа продукции (CAE ) могут использовать совершенно разные спецификации и стандарты и принимать решения независимо друг от друга. Поэтому перед внедрением PLM должны прежде всего быть установлены корпоративные стандарты на форматы данных. Также многие предприятия для выполнения отдельных заданий производственного процесса используют программное обеспечение - ПО (чаще всего САПР) разных поставщиков. Для их интеграции в рамках PLM-среды приходится применять средства преобразования данных из одного формата в другой, что нередко вызывает ошибки и ухудшает качество информации. Наиболее очевидный способ избежать этого - внедрять PLM-продукты одного поставщика. Однако лишь немногие поставщики предлагают весь набор средств PLM, да и предприятия вряд ли захотят менять привычные САПР на новые. Единственный выход - создание открытого формата данных. Такие попытки предпринимаются, но, к сожалению, особого прогресса здесь не наблюдается. Организация ISO выпустила стандарт STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) для описания трехмерных CAD-моделей, но он не получил серьезной поддержки у поставщиков. Теперь идет разработка форматов на основе метаязыка XML. Например, компания EDS предлагает для визуализации и описания геометрии формат PLM XML . Эти разработки еще только начинают внедряться, и пока неясно, станут ли они основой для полноценного стандарта PLM.

В заключение следует отметить, что практически все аналитические компании, работающие на корпоративном рынке, высоко оценивают перспективы интеграции CAD и CAE , а также объединения в одно целое всех разнородных систем автоматизации на предприятии. Предприятия все более интересуются технологиями интеграции и изучают их возможности для своего бизнеса. Однако в условиях экономической нестабильности они проявляют осторожность, внимательно анализируя предложения разработчиков и тщательно оценивая коэффициент окупаемости инвестиций. Поэтому, по результатам проведенного выше анализа, поставщикам ПО рекомендуется учитывать особенности реальных производственных процессов и совершенствовать свои продукты, обеспечивая взаимодействие с системами других игроков этого рынка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глинских А. Мировой рынок CAD/CAM/CAE-систем. - Компьютер-Информ № 01 (117), 2002.

2. Гореткина Е. Что такое PLM? – PC Week , №34, 2003.

3. Зыков О. Промышленная автоматизация: движение от САПР к PLM. IT News, №05, 2005.

4. Ли К. Основы САПР (CAD / CAM / CAE ). – СПб.: Питер, 2004.

5. Середа С. CAD/CAM/CAE: от разрозненных аббревиатур к одной составной. - CNews Analytics, 2005.

Lee Sang Hun. A CAD-CAE integration approach using feature based multi-resolution and multi-abstraction modeling techniques. – Computer Aided Design №37, 2005 - с .941-955

CAD-программы (computer aided design) – системные комплексы для проектирования, с помощью которых автоматизируют задачи на разных стадиях изготовления промышленной продукции (проектной, предпроизводственной). В русскоязычной аббревиатуре – САПР (система автоматизированного проектирования).

Все CAD-системы, независимо от терминологии, предназначены для оптимизации работы инженерного состава предприятия. Если применять их правильно, уместно, они повышают производительность труда отдельных групп сотрудников. А это приводит к повышению общих показателей производительности персонала в целом.

CAD-комплексы, развернутые на предприятии, позволяют решить такие задачи:

• снизить трудоемкость отдельных операций и процессов, а значит уменьшить время и затраты на разработку, изготовление продукции;
• сократить время на подготовку проектов - с этими системами проектирование выводится на принципиально иной уровень;
• увеличить точность изготовления продукции без потерь в скорости (оперативность производства даже возрастает);
• снизить расходы, которые необходимы для содержания инженерного состава (что уменьшает себестоимость готового изделия);
• повысить качество проектирования - CAD-программы выводят его на новую технико-экономическую ступень;
• снизить расходы на моделирование образцов и проведение их испытаний.

CAD – комплексные решения. Они могут быть программными, техническими, иными. С помощью САПР автоматизируют составление проектно-конструкторских, других документов внутри предприятия, унифицируют проектирование, оптимизируют процесс принятия управленческих решений (за счет расширения информационной поддержки), решают другие задачи.

Универсальность и свободная интеграция с решениями SAP

Благодаря высокой отдаче, гибкости продуктов системы находят применение в разнообразных областях - от стоматологии и медицинского протезирования до машиностроения. Сегодня CAD-программы представляют собой ПО, которое свободно интегрируется в комплексы SAP, они совместимы с любыми их решениями. Используя специальные шины, можно совмещать САПР с PLM или CAM-системами (computer aided manufacturing). Последние, предназначенные для работы с ЧПУ-станками, создают алгоритмы числового программного управления, открывают возможности для изготовления качественной сложнопрофильной продукции за меньший срок.

Программные CAD-решения также поддерживают:

• системы верхнего уровня -CAD/CAM Unigraphics;
• комплексы на среднем уровне - Solid Edge;
• нижнеуровневые системы - AutoCAD и другие.

Программы интегрируются с Pro/Engineer, SolidWorks, TeamCenter, Inventor,другими продуктами. Они простые в освоении, у них «дружественный» пользователю интерфейс, широкая функциональность (можно настроить их так, чтобы они отвечали индивидуальным требованиям заказчика и особенностям бизнеса). САПР поддерживают технологии параллельного проектирования. С ними можно свободно использовать методики вариантной оптимизации, матмоделирования. Еще один важный плюс - цена продукта формируется гибко. Ее определяет функционал, который подбирается под конкретного заказчика, его потребности, задачи, возможности.

Компания ASAP Consulting предлагает услуги разработки оптимизированных решений для проектирования и производства, в которых задействуются прогрессивные инструменты автоматизации. Мы подберем CAM, CAD-решения под конкретную задачу, поможем развернуть продукты на предприятии, будем консультировать по всем возникающим вопросам.

Применение CAD/CAM систем в стоматологии позволяет осуществить проектирование и изготовление зубопротезных ортопедических конструкций с помощью компьютера.

CAD сокращенно от Computer-Aided Design,- проектирование с применением компьютера, используется вместо чертежной доски и позволяет создать 3D модель зубных протезов.

К преимуществам такого проектирования можно отнести следующее:

• модель, спроектированную на компьютере можно рассмотреть под различными углами и изучить ее проекцию в определенном освещении;
• могут быть заменены не только отдельные детали чертежа, но и спроектирована вся модель заново;
• готовый проект может быть превращен в инструкцию, которая будет передана дальше машинам для сознания ими этой детали.

Существуют ультрасовременные системы, которые создают 3D-модели, учитывая структурные свойства материалов.

CAM или Computer-Aided Manufacture обозначает изготовление ортопедической конструкции компьютером в соответствии с ранее спроектированной 3D-моделью.

Возможности и виды Кад/Кам систем

Изготовление дентального моста на станке

CAD CAM системы позволяют изготовить:

• и различной протяженности;
• для ;
• провизорные коронки.

Существует 2 разновидности CAD CAM систем:

• закрытые системы, работающие с конкретным расходным материалом, выпускаемым обычно одной фирмой;
• открытые системы, работающие с различными расходными материалами разных компаний-производителей.

Этапы протезирования с помощью CAD CAM систем

Протезирование с использованием CAD CAM систем происходит следующим образом:

1. Стоматолог подготавливает один или несколько зубов. Затем сканирует 3D камерой зубы и прикус, в результате чего получают оптическую модель. Также можно просканировать обычные слепки.
2. Далее полученное изображение обрабатывают специальной программой, которая рисует 3D модель восстанавливаемых зубов. Она сама подбирает форму будущей реставрации с учетом остальных зубов, но доктор может поправить предлагаемую конструкцию движением компьютерной мышки. Количество времени для создания 3D модели зависит от мастерства специалиста и от сложности клинического случая. На этого может уйти от нескольких минут до получаса и даже больше.
3. Когда моделирование будет завершено, файл с конструкцией изготавливаемой детали передается в блок управления фрезерной машины. И здесь из куска цельного материала выпиливается 3D-модель детали, которая ранее была смоделирована компьютером. По времени это занимает около 10 минут. Чтобы конструкция выглядела более естественной, ее могут покрыть полупрозрачной и светоотражающей керамикой.
4. Когда в качестве материала используют , то далее изготовленную конструкцию помещают в печь для спекания, в результате она приобретает окончательный оттенок, размер и прочность.
5. После обжига и затвердевания материала деталь шлифуют и полируют. Далее можно установить изделие на подготовленный зуб.

Преимущества и недостатки компьютерного протезирования

К плюсам использования CAD CAM можно отнести следующее:

К минусам можно отнести следующее:

• не любое протезирование можно выполнить с использованием CAD CAM систем, возможно ли ее применение в каждом конкретном случае должен решать стоматолог;
• некоторые реставрации могут выглядеть непрозрачными и неестественными;
• высокая стоимость.

CAD CAM система позволяет изготовить коронки и мосты в максимально короткие сроки. Поэтому, тем, кто мечтает иметь красивые и здоровые зубы, но не хочет посещать стоматолога раз за разом, стоит обратиться в клинику, где применяют такие технологии.

Представленная в данном материале таблица представляет собой упорядоченный список производителей готовых программных решений в области систем проектирования, разработки и промышленного дизайна.

Особенности

Наряду с использованием систем автоматизации инженерных расчетов и анализа CAE в данное время, как правило, используются системы автоматизированного проектирования CAD (Computer-Aided Design). Сведения из CAD -систем поступают в CAM (Computer-aided manufacturing). Следует заметить, что английский термин «CAD» по отношению к промышленным системам имеет более узкое толкование, чем русский термин «САПР», поскольку в понятие «САПР», входит и CAD , и CAM , и CAE . Среди всех информационных технологий автоматизация проектирования занимает особое место. Прежде всего, автоматизация проектирования - это дисциплина синтетическая, так как в ее состав входят различные современные информационные технологии. Так, например, техническое обеспечение САПР базируется на эксплуатации вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, также САПР практикует использование персональных компьютеров и рабочих станций. Говоря о математическом обеспечении САПР, следует отметить разнообразие используемых методов: вычислительной математики, математического программирования, статистики, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР можно сравнить с одними из самых сложных современных программных систем, в основе которых лежат такие операционные системы как Windows , Unix , и такие языки программирования как , С++ и Java , а также современные CASE -технологии. Практически каждый инженер-разработчик должен обладать знаниями основ автоматизации проектирования и уметь работать со средствами САПР. Поскольку все проектные подразделения, офисы и конструкторские бюро оснащены компьютерами, работа конструктора таким инструментом как обычный кульман или расчеты с помощью логарифмической линейки стали неактуальны. Следовательно, предприятия, работающие без САПР или использующие ее в малой степени, становятся неконкурентоспособными, поскольку тратят на проектирование значительно больше времени и финансовых средств.

Типы САПР

• Математическое обеспечение САПР (МО) - этот вид подразумевает объединение математических методов, моделей и алгоритмов с целью выполнения проектирования)
• Лингвистическое обеспечение САПР (ЛО) - это обеспечение представляет собой выражение языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками обмена данными и языками программирования между техническими средствами САПР;
• Техническое обеспечение САПР (ТО) - сюда относятся периферийные устройства, ЭВМ , линии связи, обработка и вывод данных и т. д.;
• Информационное обеспечение САПР (ИО) - состоит из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД) и других данных, которые используются при проектировании;
• Программное обеспечение САПР (ПО) - это, прежде всего компьютерные программы САПР;
• Методическое обеспечение (МетО) - включает в себя различного рода методики проектирования;
• Организационное обеспечение (ОО) - представляется штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, которые определяют работу проектного предприятия.

Структура САПР

Будучи одной из сложных систем, САПР состоит из двух подсистем: проектирующей и обслуживающей. Проектные процедуры выполняют проектирующие подсистемы. Подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов являются ярким примером проектирующих подсистем. С помощью обслуживающих подсистем осуществляется функционирование проектирующих подсистем, их единство, как правило, называют системной средой или оболочкой САПР. Характерными обслуживающими подсистемами считаются подсистемы управления процессом проектирования (DesPM - Design Process Management), управления проектными данными (PDM - Product Data Management). Диалоговая подсистема (ДП); СУБД ; инструментальная подсистема; монитор - обеспечивающий взаимодействие всех подсистем и управление их выполнением - это обслуживающие подсистемы ПО. Диалоговая подсистема ПО дает возможность интерактивного взаимодействия пользователя САПР с управляющей и проектирующими подсистемами ПО, а также подготовку и корректирование первоначальных данных, ознакомление с результатами проектирующих подсистем, функционирующих в пакетном режиме.

Структура ПО САПР определяется следующими факторами:

• аспектами и уровнем создаваемых с помощью ПО описаний, проектируемых объектов и предметной областью;
• степенью автоматизации конкретных проектных операций и процедур;
• ресурсами, предоставленными для разработки ПО;
• архитектурой и составом технических средств, режимом функционирования.

Классификация САПР

САПР классифицируют по следующим принципам: целевому назначению, по приложению, масштабам и характеру базовой подсистемы. По целевому назначению выделяют САПР или подсистемы САПР, которые предоставляют различные аспекты проектирования. Таким образом, CAE /CAD /CAM системы появляются в составе MCAD:

• САПР-Ф или CAE (Computer Aided Engineering) системы. Здесь имеются в виду САПР функционального проектирования
• САПР-К - конструкторские САПР общего машиностроения, чаще всего их называют просто CAD -системами;
• САПР-Т - технологические САПР общего машиностроения - АСТПП (автоматизированные системы технологической подготовки производства) или системы CAМ (Computer Aided Manufacturing).

По приложениям самыми важными и широко используемыми считаются такие группы САПР как:

• Машиностроительные САПР или MCAD (Mechanical CAD) системы - это САПР для применения в отраслях общего машиностроения.
• ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) системы - САПР для радиоэлектроники.
• САПР в области архитектуры и строительства.

Помимо этого, существует большое количество более специализированных САПР, или выделяемых в определенных группах, или являющихся самостоятельной ветвью в классификации. Это такие системы как: БИС -САПР (больших интегральных схем); САПР летательных аппаратов и САПР электрических машин. По масштабу определяют самостоятельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР:

• Комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ)
• Комплекс анализа электронных схем;
• Системы ПМК;
• Системы с уникальными архитектурами программного (software) и технического (hardware) обеспечений.

Классификация по характеру базовой подсистемы

• САПР, которые направлены на приложения, где главной процедурой проектирования является конструирование, то есть определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Это САПР на базе машинной графики и математического моделирования. К данной группе систем относится большая часть графических ядер САПР в сфере машиностроения.
• САПР, ориентированные на приложения, в которых при достаточно простых математических расчетах перерабатывается большое количество данных. Это САПР на базе СУБД . Данные САПР главным образом встречаются в технико-экономических приложениях, например, В процессе проектирования бизнес-планов, объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.
• Комплексные (интегрированные) САПР, которые включают в себя совокупность предыдущих видов подсистем. Типичными примерами комплексных САПР могут быть CAE /CAD /CAM -системы в машиностроении или САПР БИС. Таким образом, СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий является составной частью САПР БИС. Для того, чтобы управлять такими сложными системами используют специализированные системные среды.
• САПР на базе определенного прикладного пакета. По сути это свободно используемые программно-методические комплексы, такие как, комплекс имитационного моделирования производственных процессов, комплекс синтеза и анализа систем автоматического управления, комплекс расчета прочности по методу конечных элементов и т. п. Как правило, данные САПР относятся к системам CAE . Например, программы логического проектирования на базе языка VHDL , математические пакеты типа MathCAD .

Развитие САПР

Одна из ключевых тем развития САПР - "облачные " вычисления: удаленная работа с данными, размещенными на удаленных серверах, с различных устройств, имеющих выход в интернет. На сегодняшний день облака очень существенно продвинулись в сегменте легких приложений и сервисов - преимущественно в потребительском секторе. Возможны два варианта интеграции. В первом случае в облако переносится вся инфраструктура инженерных служб, и соответственно необходимость в инженерном ПО, установленном на рабочем месте, исчезает вовсе. Во втором случае у конструктора по-прежнему остается графическая рабочая станция с установленной САПР, но при этом он получает из нее доступ к различным облачным сервисам, благодаря которым можно решать задачи, требующие весьма существенных ресурсов (например, проводить прочностной анализ). Осуществлять облачное взаимодействие возможно двумя способами: публично, когда доступ к серверу, расположенному у провайдера, открыт через интернет, и в частном порядке, когда сервер находится на предприятии и обращения к нему происходят по закрытой локальной сети. В России развитие облаков в области САПР сдерживается необходимостью соблюдать в очень многих проектах излишнюю секретность. Поэтому скорее всего именно частные облака станут в ближайшее время основным драйвером рынка. Облака - это не только новые технологии, но еще и возможность экспериментировать с новыми бизнес-моделями.

Следующая важная тенденция - альтернативные ОС. Еще лет пять назад, когда заводились разговоры об альтернативе Microsoft Windows , речь, как правило, шла о Linux . Данная тема актуальна и сегодня: отечественная национальная программная платформа, по всей видимости, будет сделана на базе ядра Linux; к этой ОС растет интерес в области образования и в госструктурах (есть примеры успешного перехода). Однако теперь уже можно говорить о существенном потенциале операционной системы Google Chrome OS . И здесь упомянутый тренд смыкается с облачным трендом - ОС Google, как известно, не подразумевает установку приложений на локальном компьютере.

Немаловажную роль в продвижении этой ОС играет тенденция к уменьшению рыночной доли ПК. Очевидно, что если в облака перенести большинство громоздких и сложных вычислений, снижаются требования к аппаратному обеспечению и появляется возможность работать на любых устройствах. Например, на планшетах. В итоге разработчикам САПР-решений придется либо разрабатывать платформонезависимые решения (облачный вариант), либо делать их мультиплатформенными.

Следующая тема - `железо`. Здесь все опять же определяется неудовлетворенностью рынка решением монополиста - классической архитектурой Intel (темпами ее развития). В этой связи явно отмечается тренд на развитие архитектуры ARM . Ее сейчас поддерживает несколько производителей, среди которых одним из самых активных является компания Nvidia (Нвидиа) . Пока данная архитектура активно применяется только в мобильных устройствах, но в ближайшее время, судя по всему, она перейдет и на стационарные ПК. Косвенно об этом свидетельствует тот факт, что будущая ОС Microsoft Windows 8 сможет работать и на ARM-архитектуре тоже (впервые не только на Intel).

Вторая тенденция - перенос существенной части вычислений с центрального процессора на графическое ядро. Данная тема относится скорее к области параллельных вычислений.

Еще один тренд - это рост рынка мобильных устройств. Наибольшее ускорение он получил в прошлом году с появлением iPad . Вначале, правда, казалось, что это устройство сугубо потребительское и в корпоративном секторе оно не будет применимо. Однако выяснилось, что оно вполне подходит для решения многих задач.

В секторе САПР сегодня многие сотрудники являются мобильными - работают на выезде, на удаленных строительных объектах, перемещаются по стране, трудятся дома. (Все это требует удобного мобильного устройства.)

Так или иначе за рубежом о том, что планшет скоро будет у каждого сотрудника инженерной службы, сегодня говорят как о свершившемся факте. Уже появились привлекательные для разработчиков мобильные платформы IOS Apple и Android Google, а также существенное количество САПР-приложений под них.

Сейчас весьма сложно сказать, уйдут ли через десять лет из нашего арсенала клавиатура и мышь. Но факт в том, что интерфейсы, ориентированные на работу с мультитач-экранами (пальцеориентированные), явно набирают популярность. В мобильных устройствах они уже практически стали стандартом. На сегодняшний день вполне понятно, что этот интерфейс более чем подходит для потребления информации. Так же ли он хорош для ее создания, для работы с САПР, сказать пока сложно. Для массового перехода к подобным интерфейсам до сих пор не хватает технологической базы. Сейчас на рынке просто не существует достаточно больших мультитач-панелей с необходимым для САПР разрешением.

Рынок САПР весьма консервативен. Даже замена одной такой системы на другую в рамках работы над одним проектом - задача довольно сложная. Что уж говорить о серьезной смене парадигмы, интерфейсов, поколений САПР. Поэтому данный рынок явно не входит в число лидеров технологической гонки - развитие есть, но очевидно не такое быстрое, как хотелось бы. Впрочем, в ближайшее десятилетие на предприятия придут инженеры, выросшие уже в эпоху интернета, новых технологий и мобильных устройств, и так или иначе они станут активно привносить на рынок элементы своей культуры.

САПР в строительстве

Цифровизация бизнеса затронула все его отрасли. В последнее десятилетие бум переживают решения для проектирования, инжиниринга и конструирования промышленных объектов. От советских кульманов проектировщики пришли к 3D-моделированию. Что цифровизация означает для этого сегмента, как помочь команде работать в едином пространстве и почему пока не удается окончательно избавиться от бумажных носителей, помогал разбираться генеральный директор компании AVEVA Алексей Лебедев.

На многих современных предприятиях используются проектирования, или САПР. Существует большое количество поставщиков подобных решений. Функции и возможности данных систем проектирования, в частности представленных специализированным ПО соответствующего назначения, могут быть самыми разными. В чем заключается сущность САПР? Каковы нюансы разработки данных систем?

Что представляют собой системы автоматизированного проектирования?

САПР — это автоматизированные системы, которые призваны реализовывать ту или иную осуществления проектирования. На практике они представляют собой технические системы, позволяющие, таким образом, автоматизировать, обеспечить независимое от человека функционирование процессов, составляющих разработку проектов. В зависимости от контекста под САПР может пониматься:

Программное обеспечение, используемое в качестве основного элемента соответствующей инфраструктуры;

Совокупность кадровых и технических систем (включая те, что предполагают задействование САПР в виде ПО), применяемых предприятием в целях автоматизации разработки проектов.

Таким образом, можно выделить более широкую и узкую трактовку термина, о котором идет речь. Сложно сказать, какая из них применяется в бизнесе чаще, все зависит от конкретной сферы использования САПР, тех задач, которые призваны решать данные системы. К примеру, в контексте отдельно взятого производственного цеха под САПР, вероятно, будет пониматься конкретная программа для автоматизированного проектирования. Если речь идет о стратегическом планировании развития предприятия, данное понятие будет, вероятно, соответствовать более масштабной инфраструктуре, задействуемой в целях повышения эффективности разработки различных проектов.

Стоит отметить, что САПР — это аббревиатура, которая и расшифровываться может по-разному. В общем случае она соответствует словосочетанию «система автоматизированного проектирования». Вместе с тем есть и другие варианты расшифровки соответствующей аббревиатуры. Например, она может звучать как «система автоматизации проектных работ».

В английском языке российскому термину САПР по смыслу соответствует аббревиатура CAD, в некоторых случаях — CAX. Рассмотрим более подробно, в каких целях могут создаваться системы автоматизированного проектирования в машиностроении и иных сферах.

Цели создания САПР

Главная цель разработки САПР — повышение эффективности труда специалистов предприятия, решающих различные производственные задачи. В частности, связанные с инженерным проектированием. Повышение эффективности в данном случае может осуществляться за счет:

Снижения трудоемкости процесса проектирования на производстве;

Сокращения сроков реализации проектов;

Снижения себестоимости проектных работ, а также издержек, связанных с эксплуатацией;

Обеспечения повышения качества инфраструктуры проектирования;

Снижения издержек на моделирование, а также проведение испытаний.

САПР — это инструмент, позволяющий добиться отмеченных преимуществ за счет:

Автоматизации документации;

Рассмотрим теперь, в какой структуре может быть представлена САПР.

Структура САПР

Система автоматизированного проектирования технологических процессов, к примеру, может включать следующие компоненты:

Комплекс элементов автоматизации;

Программно-техническую инфраструктуру;

Методические инструменты;

Элементы поддержки функциональности САПР.

Распространен подход, в соответствии с которым в структуре САПР следует выделять различные подсистемы. Ключевыми принято считать:

Обслуживающие подсистемы, которые поддерживают функционирование основных проектирующих компонентов САПР, инфраструктуры, отвечающей за обработку данных, поддержание ПО;

Проектирующие подсистемы, которые в зависимости от соотнесения с объектом разработки могут быть представлены с объектными задачами или же инвариантными, то есть связанные с реализацией конкретных проектов или же с совокупностью нескольких.

САПР — это системы, которые включают в себя определенные функциональные компоненты. Рассмотрим их особенности.

Компоненты САПР

Автоматизированное проектирование систем управления и промышленной инфраструктуры, как мы уже знаем, состоит из различных подсистем. В свою очередь, их составляющими являются компоненты, которые обеспечивают функционирование соответствующих элементов САПР. Например, это может быть та или иная программа, файл, аппаратное обеспечение. Компоненты, обладающие общими признаками, формируют средства обеспечения систем проектирования. Таковые могут быть представлены следующими основными разновидностями:

Системы, применяемые в целях разработки различных чертежей;

САПР, созданные для геометрического моделирования;

Системы, предназначенные для автоматизации расчетов в рамках инженерных проектов, а также динамического моделирования;

САПР, предназначенные для осуществления компьютерного анализа различных параметров по проектам;

Средства автоматизации, используемые в целях технологической оптимизации проектов;

САПР, используемые в целях автоматизации планирования.

Стоит отметить, что данную классификацию следует считать условной.

Автоматизированная система технологического проектирования может включать в себя самый широкий спектр функций из числа тех, что перечислены выше, и не только. Конкретный перечень возможностей САПР определяет прежде всего разработчик соответствующей системы. Рассмотрим, какие в принципе задачи он может решать.

Разработка САПР

Проектирование автоматизированных систем обработки информации, управления, программирования и реализации иных функций, направленных на повышение эффективности разработки проектов в тех или иных отраслях, — процесс, который характеризуется высоким уровнем сложности и требует от его участников осуществления вложения значительных ресурсов — трудовых, финансовых. Эксперты выделяют несколько основных принципов, в соответствии с которыми может вестись разработка САПР. В числе таковых:

Унификация;

Комплексность;

Открытость;

Интерактивность.

Рассмотрим их подробнее.

Унификация как принцип разработки САПР

Работа с системами автоматизированного проектирования как на стадии их разработки, так и в период пользования соответствующей инфраструктурой предполагает следование принципу унификации, в соответствии с которым, те или иные решения могут одинаково эффективно и по схожим алгоритмам внедряться в различных отраслях производства. Данный принцип предполагает, что человек, использующий знакомый ему модуль САПР или, к примеру, методику автоматизированного проектирования в одной среде, без труда сможет адаптировать их к специфике применения в иных условиях.

Унификация САПР имеет значение и с точки зрения развития предприятия - разработчика соответствующей системы: чем более универсальными будут модули и подходы, которые данный хозяйствующий субъект предлагает рынку, тем более интенсивным может быть его рост, тем выше конкурентоспособность и готовность новых потребителей к сотрудничеству.

Комплексность как принцип разработки САПР

Следующий принцип, который характеризует процесс проектирования автоматизированных систем, — комплексность. Он предполагает, что производитель САПР сможет наделить свой продукт компонентами, которые позволят его пользователю решать поставленные задачи на самых разных уровнях реализации проекта. Данный аспект, возможно, является ключевым с точки зрения обеспечения конкурентоспособности продукта и освоения им новых рынков. Но при этом следует иметь в виду, что даже самые комплексные решения должны удовлетворять иным ключевым принципам разработки САПР. В числе таковых — открытость.

Открытость как принцип разработки САПР

Открытость в данном контексте может пониматься по-разному, но во всех случаях ее интерпретация будет уместной. Разработка системы автоматизированного проектирования — процесс, который должен прежде всего характеризоваться открытостью с точки зрения формирования обратной связи между производителем САПР и ее пользователями. Человек, задействующий соответствующую систему, должен иметь возможность информировать ее разработчика о выявленных проблемах, особенностях функционирования САПР в различных условиях, передавать бренду-производителю свои пожелания касательно улучшения продукта.

Открытость в разработке САПР также может выражаться в готовности производителя осуществлять активный мониторинг технологических разработок, в том числе от конкурирующих производителей, отслеживать различные тренды. В данном случае ведущую роль в бизнесе могут играть не только технологические подразделения, но, к примеру, маркетологи компании, специалисты по PR, менеджеры, отвечающие за переговоры фирмы с партнерами.

Открытость при разработке САПР — это также готовность разработчика соответствующей системы к прямому диалогу с другими поставщиками, которые опять же могут быть его прямыми конкурентами. Обмен технологиями, позволяющими создавать продукты, посредством которых может быть осуществлено эффективное автоматизированное проектирование систем управления, промышленной инфраструктуры, инженерных разработок, также является значимым фактором повышения конкурентоспособности бренда, поставляющего САПР в тех или иных сегментах рынка.

Интерактивность как принцип разработки САПР

Следующий важнейший принцип создания САПР — интерактивность. Он предполагает прежде всего создание разработчиком соответствующих систем интерфейсов, максимально облегчающих процедуру их задействования человеком, а также осуществления им необходимых коммуникаций с другими пользователями САПР.

Еще один аспект интерактивности — обеспечение в необходимых случаях взаимодействия между различными модулями систем автоматизированного проектирования в рамках формирования производственной инфраструктуры.

Можно отметить, что принцип интерактивности тесно связан с первым — унификацией. Дело в том, что обмен данными в рамках тех или иных интерактивных процедур наиболее эффективным будет при условии необходимой стандартизации взаимодействия между теми или иными субъктами. Это может выражаться в унификации файловых форматов, документов, процедур, языка, инженерных подходов при разработке тех или иных проектов.

Особенно большое значение рассматриваемый принцип играет в САПР, посредством которых осуществляется автоматизированное проектирование информационных систем. Данная сфера применения САПР характеризуется, в частности, высокой степенью потребности пользователей соответствующей инфраструктуры:

В регулярном, динамичном взаимодействии между собой;

Обеспечении связей между большим количеством модулей САПР;

Осуществлении оптимизации различных интерактивных процедур;

Оперативном формировании отчетности.

Только при условии достаточной интерактивности систем автоматизированного проектирования пользователи вправе рассчитывать на эффективное решение подобных производственных задач.