Проектирование с помощью компьютера

Проектирование с  помощью компьютера (Computer-Aided Design, CAD) - термин, используемый для обозначения широкого спектра компьютерных инструментов, которые помогают инженерам, архитекторам и другим профессионалам в осуществлении проектирования. Являясь ключевым инструментом в рамках концепции управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM ), системы CAD включают в себя множество программных и аппаратных средств - от систем двумерного черчения до трехмерного параметрического моделирования поверхностей и объемных тел.

По областям применения автоматизированное проектирование традиционно  подразделяется на:

- архитектурно-строительное (Architecture Engineering and Construction, AEC CAD);

- механическое (Mechanical, MCAD);

- проектирование электронных приборов и устройств (Electronic Design Automation, EDA);

- геоинформационные системы (Geographic Information System, GIS). 

Чертежные инструменты

В составе развитого 2D-пакета традиционно существуют инструменты построения типовых геометрических элементов:

- линий; 

- дуг; 

- окружностей; 

- эллипсов;

- сплайновых кривых;

- прямоугольников;

- многоугольников;

- заливка области  различными типами штриховок;

- и другие.  

Специализированные  инструменты обеспечивают создание текстовых элементом, выносок и  аннотаций. Автоматизированная простановка  размеров обеспечивает быстрое образмеривание чертежей в соответствии с национальными и отраслевыми стандартами.

Отдельной сущностью  являются так называемые блоки (blocks), представляющие собой отдельный чертеж, загруженный в отдельную область памяти, а их вставки (inserts) в основной чертеж представляют собой лишь ссылки на блоки, снабженные информацией о месте вставки, угле поворота и масштабе.

Этот механизм позволяет  существенно экономить ресурсы  компьютера и время на создание типовых  и часто встречающихся элементов. Блоки могут быть оформлены и  как внешние ссылки на непосредственно  файлы чертежей (external reference). В этом случае обеспечиваются базовые возможности коллективной работы, когда отдельные элементы чертежа создаются разными разработчиками. 

Достоинства 2D-систем:

- снижение трудоемкости  оформления качественной конструкторской  и технологической документации;

- упрощение и удешевление  архивирования чертежей;

- мощные возможности  модификации и переиспользования уже существующих чертежей;

- возможность более  быстрого обмена информацией  при коллективной работе над  проектами;

- благодаря очевидной  аналогии с работой на кульмане 2D-системы достаточно просто внедряются и легко осваиваются инженерами при минимуме затрат на обучение;

- чертежные системы  эффективно работают на недорогом  оборудовании, поэтому затраты на  их внедрение относительно невелики;

- внедрение 2D CAD-систем  не требует изменений в существующую  производственную структуру. 

Достоинства 2D-систем:

- снижение трудоемкости  оформления качественной конструкторской  и технологической документации;

- упрощение и удешевление  архивирования чертежей;

- мощные возможности  модификации и переиспользования уже существующих чертежей;

- возможность более  быстрого обмена информацией  при коллективной работе над  проектами;

- благодаря очевидной  аналогии с работой на кульмане 2D-системы достаточно просто внедряются и легко осваиваются инженерами при минимуме затрат на обучение;

- чертежные системы  эффективно работают на недорогом  оборудовании, поэтому затраты на  их внедрение относительно невелики;

- внедрение 2D CAD-систем  не требует изменений в существующую  производственную структуру. 

Возникновение 3D-систем

Чаще всего на машиностроительных предприятиях, и  не только, решается следующий круг конструкторских и производственных задач:

- проработка внешнего  вида и внутренней компоновки  узлов и агрегатов;

- анализ и оптимизация  напряжений, перемещений, колебаний,  тепловых и температурных режимов;

- подготовка управляющих  программ для станков с ЧПУ;

- подготовка анимации  сборок, реалистичных изображений  изделия для презентаций, технической  документации (инструкций по сборке) и т.п.;

- контроль качества  изделий при помощи лазерных  измерительных устройств или  координатно-измерительных машин;

- создание физических  образцов методами быстрого прототипирования. 

Все эти задачи требуют, чтобы проектировщик перенес  задуманный им в его воображении  образ будущего изделия не виде схематической  записи, а в виде виртуальной пространственной модели, описывающей не только геометрию, но и механические, физические, оптические и другие свойства материалов.

Так появились 3D CAD-системы.

Первой считается CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application, Автоматизированное Трехмерное Интерактивное При-

ложение), выпущенная французской компанией Dassault Systemes в 1981 году. За ней последовали такие системы, как поныне успешно используемые Unigraphics, Pro/Engineer и др., теперь уже по разным причинам сошедшие со сцены. Первые ЗВ-системы использовались в основном в аэрокосмической, автомобильной и других машиностроительных отраслях, поэтому для них стал использоваться термин MCAD (mechanical computer aided design).  

Так как работа с  ЗD-данными требует существенных вычислительных мощностей, исходно все эти системы работали на мощных специализированных рабочих станциях под управлением ОС Unix. Подобные решения имели высокую стоимость как закупки лицензии ПО и самого оборудования, так и сопровождения в процессе использования. Так продолжалось до конца 1995 года, когда вышла первая версия системы SolidWorks, изначально созданная одноименной компанией для работы на относительно недорогих ПК под управлением ОС Windows, кроме того, система имела чрезвычайно дружественный пользовательский интерфейс. За SolidWorks появились и другие продукты для ПК - Autodesk Inventor, SolidEdge, отечественные КОМПАС 3D, T-FLEX CAD, а существующие на рынке игроки начали спешно переносить свои системы из среды рабочих станций Unix на ПК с Windows. К концу 90-х годов практически не осталось реально используемых MCAD-систем для других платформ. Тем временем SolidWorks, пользуясь позицией технологического лидера, постоянно совершенствуется, новые версии выпускаются ежегодно, и система по сей день остается лидирующей массовой 3D MCAD в мире.  

Практически все  современные 3D MCAD состоят из трех основных модулей:

- редактора геометрии  деталей;

- редактора сборок;

- ассоциативного  генератора чертежей и спецификаций.

На практике эти  модули дополняются всевозможными  встроенными сервисными компонентами: системами экспресс-расчетов, верификации данных, доступа к библиотекам внешних компонент, мастерами построения типовых и стандартных моментов геометрии, подсистемами реалистичной визуализации, сопряжения с системами документооборота (Product Data Management, PDM), обмена данными с другими системами и т. д.

Практически все  современные 3D MCAD состоят из трех основных модулей:

- редактора геометрии  деталей;

- редактора сборок;

- ассоциативного  генератора чертежей и спецификаций.

На практике эти  модули дополняются всевозможными  встроенными сервисными компонентами: системами экспресс-расчетов, верификации данных, доступа к библиотекам внешних компонент, мастерами построения типовых и стандартных моментов геометрии, подсистемами реалистичной визуализации, сопряжения с системами документооборота (Product Data Management, PDM), обмена данными с другими системами и т. д.  

Редактор эскизов  служит для построения параметризованных 2D-контуров, используемых затем в качестве исходных и вспомогательных каркасов.

Затем по созданному эскизу строится собственно объемная геометрия - твердое тело или поверхность, одним из типовых способов:

•   выдавливание контура с различными конечными  условиями, в том числе на заданную длину или вдоль другого контура;

•   вращение контура  вокруг заданной оси;

•   по заданным контурам с использованием нескольких образующих. 

Прямое  моделирование

Последовательность  операций по созданию геометрии, их контекст и параметры хранятся в дереве построений, которое отображается также  в виде древовидной структуры  в пользовательском интерфейсе.

Таким образом, чтобы  отредактировать какой-либо элемент, нужно выбрать его в дереве построений, модифицировать, и эти  изменения автоматически распространятся  вниз по дереву построений. Это общепринятая во всех современных 3D MCAD технология редактирования.

Однако в 2007 году компания Siemens PLM Software в своих продуктах NX6 и SolidEdge ST в дополнение к такому подходу реализовала так называемую синхронную технологию редактирования, позволяющую вносить изменения не только от корня дерева, но и от его конца, что существенно расширило возможности систем. 

Редактор  сборок

Мощным средством  моделирования изделий является создание сборок. С точки фения  сборки, детали представляют собой  уже готовые конструктивные элементы, для которых необходимо лишь задать положение в пространстве и добавить ограничения подвижности согласно выполняемым ими в изделии  функциям. Поэтому сборочная модель в понятиях 3D CAD - это файл, содержащий несколько отдельных моделей  деталей, с описанием того, как  они расположены относительно друг друга.  

Генератор чертежей

Каков бы ни был уровень  развития трехмерного моделирования, конструкторская документация в  виде чертежей, спецификаций и технических  условий еще долгое время будет  оставаться основным документом на производстве. По этой причине модули для ее создания присутствуют в любой CAD-системе. В  большинстве 3D CAD предусмотрены два  способа получения чертежей: автоматическое генерирование и интерактивный  режим.

К информации, обрабатываемой подобным образом, относятся:

- изображения конструкции  (виды, разрезы, сечения);

- размерная информация;

- текстовая информация.

Процесс получения  всего этого и представляет собой  полный цикл разработки конструкторской  документации. 

Простановка размеров является самым важным шагом в  построении чертежа. Положение каждого  геометрического объекта необходимо однозначно задать в пространстве. Делать это в абсолютной системе  координат для инженера неудобно как с точки зрения изготовления, так и с точки зрения контроля пространственного положения поверхностей, поэтому используется относительная  система координат (например, задание  расстояния между двумя отверстиями). Численные значения подобных расстояний и называются размерами.

Поскольку современный 3D CAD - это параметрическая система, то возможно создавать чертежи, связанные  двунаправленной ассоциативной  связью с 3D-моделью. 

AEC CAD - архитектурно-строительные  САПР

Так как в архитектурном  проектировании особое значение имеет  визуальное представление будущих  сооружений, наряду с чертежными редакторами  широко использовались и используются трехмерные дизайнерские пакеты, такие  как 3D Max и др. Визуализация обеспечивает самоконтроль со стороны архитектора и значительно более простое восприятие проекта заказчиком. Однако такой симбиоз недостаточно эффективен, так как практически отсутствует ассоциативная автоматическая связь между проектной документацией и виртуальным макетом здания для визуализации. Каждое изменение, вносимое в чертежи либо в макет, требует его ручного воспроизведения в параллельной системе.

Поэтому на рубеже 80-90-х  годов XX века появилась концепция  виртуального здания, которая набирает все большую популярность. Наиболее типичными образцами продуктов, реализующих эту концепцию, можно  назвать пакет ArchiCAD компании Graphisoft, семейство программ Revit компании Autodesk, комплекс Аll Plan компании Nemetchek.

Концепция виртуального здания (virtual building) позволяет управлять информацией обо всем жизненном цикле здания. В отличие от простой трехмерной модели, виртуальное здание содержит комплексную информацию, это трехмерная цифровая база данных, которая отслеживает все элементы, составляющие проект: площади и объемы, описания комнат, цену материалов и готовых элементов и изделий: окон, дверей, коммуникаций и т. д.

Информационное моделирование  зданий (англ. Building Information Modeling, BIM) - процесс генерации и управления данными о здании (или иной строительной конструкции) на протяжении его (ее) жизненного цикла. BIM состоит в использовании средств архитектурно-строительного проектирования для создания единой информационной модели здания, над которой могут работать все команды, участвующие в разработке строительного проекта. Информационная модель здания содержит информацию о его геометрии, пространственных отношениях, географическом расположении, свойствах материалов и т.п.

Спецификацией стандарта BIM и созданием программных средств  для доступа к разрабатываемому формату занимается некоммерческий альянс buildingSMART.  

Информационное моделирование  зданий (англ. Building Information Modeling, BIM) - процесс генерации и управления данными о здании (или иной строительной конструкции) на протяжении его (ее) жизненного цикла. BIM состоит в использовании средств архитектурно-строительного проектирования для создания единой информационной модели здания, над которой могут работать все команды, участвующие в разработке строительного проекта. Информационная модель здания содержит информацию о его геометрии, пространственных отношениях, географическом расположении, свойствах материалов и т.п.

Спецификацией стандарта BIM и созданием программных средств  для доступа к разрабатываемому формату занимается некоммерческий альянс buildingSMART.  

Типичный состав EDA-комплекса:

- редактор принципиальных  электрических схем;

- библиотека стандартных  электронных компонент;

- редактор печатных  плат;

- встроенные модули  симуляции принципиальных схем  и печатных плат;

- трансляторы данных;

- вспомогательные  утилиты.

Важнейшим элементом  EDА-системы являю трансляторы данных, обеспечивающих обмен проектной информацией с другими электронными САПР либо с MCAD-системами для окончательной конструктивной компоновки электронных блоков в составе машиностроительных конструкций. Возможно и решение обратной задачи - сохранение модели MCAD в формате EDA CAD.  

Развитием технологии трансляторов между EDA- и MCAD-системами  является мехатроника - система средств совместного проектирования и моделирования узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.

Геоинформационные системы

Геоинформационные системы (ГИС) предназначены для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных географических данных и связанной с ними информации. Инструменты ГИС обеспечивают систематизированное хранение, поиск, анализ и редактирование цифровых карт, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов, расположение транспортных коммуникаций и т. п.

ГИС широко меняются в различных отраслях, в том  числе напрямую не связанных с  проектированием: картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, управлении транспортом и т. п.

В практике проектирования ГИС получили широкое распространение  в строительстве, проектировании дорожных сетей, магистральных трубопроводов  и линий электропередач. 

1   Какие преимущества  дает использование электронных  чертежей перед бумажной технологией?

2 Какой механизм  используется в 2D САПР для управления  видимостью групп изобразительных  элементов?

3 Для чего используются  механизмы блоков и внешних  ссылок?

4 В чем заключаются  ограничения использования 2D-систем и чертежной документации?

5 В чем заключается  отличие электронной модели от  чертежа?

6 Какие дополнительные  возможности дает 3D-проектирование  в сравнении с2D-черчением?

7 Назовите основные  инструментальные компоненты современной  3D MCAD-системы.

8 В чем выгоды  использования ассоциативного построения  чертежей по 3D-мoдели?

9 И чем заключается  преимущество концепции виртуального  здания перед использованием  традиционных 2D- и ЗD-пакетов?

10 Какие основные  программные компоненты входят  в EDA-систему? 

11 Для чего нужна  ассоциативная связь между принципиальной  электрической схемой и редактором  печатных плат?

12 Что такое мехатроника?

13 В чем состоит  преимущество использования ГИС?