САПР — система автоматизированного проектирования

Введение в САПР

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Во первых, автоматизация проектирования — синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции.

Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows 95/NT, языках программирования. С, С++, Java и других, современных CASE технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Во вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из за невысокого качества проектов. Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 60 х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат.

Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.

К настоящему времени создано большое число программно методических комплексов для САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвященного основам САПР, более детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

Необходимость изучения автоматизированного проектирования в курсе инженерной и компьютерной графики.

На сегодняшний день весьма трудно представить наш мир без различного рода машин и технических устройств. Наш мир постоянно развивается, становится всё более автоматизированным. Человечество сталкивается с рядом проблем, решение которых отводится информационным технологиям. Главное место среди информационных технологий занимает автоматизация проектирования. Однако, в условиях постоянного развития науки и техники, оказывается, что традиционные неавтоматизированные методы проектирования не справляются с поставленными задачами. Отсюда возникает необходимость использования и изучения систем автоматизированного проектирования.

В курсе инженерной и компьютерной графики  автоматизация играет огромную роль. Знание основ автоматизированного проектирования и навыки работы со средствами САПР необходимы любому будущему инженеру. Практически все современные промышленные предприятия занимаются проектированием различных изделий с помощью САПР

Это доказывает важность изучения студентами автоматизированных систем

Использование систем автоматизированного проектирования моделей и чертежей значительно облегчает любую задачу. Освоение работы в среде CAD-систем позволяет студентам развить пространственное мышление. Любая геометрическая задача решается проще, нагляднее и точнее с помощью трёхмерной модели. Использование САПР позволяет значительно уменьшить затраты времени при выполнении расчётно-графических работ, что в очередной раз доказывает высокую эффективность данных средств.

Таким образом, изучение студентами автоматизированного проектирования с применением современных информационных технологий – это неотъемлемая часть всего процесса обучения в курсе инженерной и компьютерной графики. Это позволит подготовить высококлассных специалистов, владеющих навыками компьютерного моделирования.

Индивидуальные CAD системы

Перед тем, как выбрать программное обеспечение для 3D-моделирования, вы спросите себя, какие из них являются наиболее полезными инструментами? Вам нужно программное обеспечение, в области химии, производства ювелирных изделий или посвященное разработке игр? Специализация САПР сейчас важна для компаний, и теперь ее не остановить!

Программное обеспечение CAD может быть более гибким, и пользователи могут иметь облегченный доступ к инструментам и функциям, которые они используют больше всего, или что будет более интересным для их проектов.

Мы уже можем сказать, что эта тенденция будет усиливаться в ближайшие годы. Действительно, различным секторам и пользователям могут потребоваться разные функции. Растущее значение для персонализации. Теперь пользователи хотят расширить и настроить свою рабочую среду, и им необходимо оптимизировать ее, чтобы использовать лучшие инструменты. Основная цель — легко создавать и настраивать продукт, благодаря программному обеспечению, адаптированному к пользователю. Эти расширенные платформы необходимо еще раз персонализировать, чтобы улучшить повседневную работу пользователя.

Как вы можете видеть, мир программного обеспечения САПР быстро меняется, и основная цель всех этих тенденций — одна: улучшение работы пользователя. Мы уже знаем, что эти функциональные возможности будут быстро развиваться и станут довольно распространенными в предстоящие годы. Мы надеемся, что теперь у вас есть представление о том, как будут эволюционировать CAD системы и в каком направлении. Приготовьтесь к будущему 3D-моделирования!

Классификация

По ГОСТ

ГОСТ 23501.108-85 устанавливает следующие признаки классификации САПР:

• тип/разновидность и сложность объекта проектирования
• уровень и комплексность автоматизации проектирования
• характер и количество выпускаемых документов
• количество уровней в структуре технического обеспечения

Классификация с использованием английских терминов

В области классификации САПР используется ряд устоявшихся англоязычных терминов, применяемых для классификации программных приложений и средств автоматизации САПР по отраслевому и целевому назначению.

По отраслевому назначению

• MCAD (англ. mechanical computer-aided design) — автоматизированное проектирование механических устройств. Это машиностроительные САПР, применяются в автомобилестроении, судостроении, авиакосмической промышленности, производстве товаров народного потребления, включают в себя разработку деталей и сборок (механизмов) с использованием параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объемного моделирования (SolidWorks, Autodesk Inventor, КОМПАС, CATIA);
• EDA (англ. electronic design automation) или ECAD (англ. electronic computer-aided design) — САПР , радиоэлектронных средств, интегральных схем, печатных плат и т. п., (Altium Designer, OrCAD);
• AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) или CAAD (англ. computer-aided architectural design) — САПР в области архитектуры и строительства. Используются для проектирования зданий, промышленных объектов, дорог, мостов и проч. (Autodesk Architectural Desktop, AutoCAD Revit Architecture Suite, Bentley MicroStation, Bentley AECOsim Building Designer, Piranesi, ArchiCAD).

По целевому назначению

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, которые обеспечивают различные аспекты проектирования.

• CAD (англ. computer-aided design/drafting) — средства автоматизированного проектирования, в контексте указанной классификации термин обозначает средства САПР, предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторской и/или технологической документации, и САПР общего назначения.
  • CADD (англ. computer-aided design and drafting) — проектирование и создание чертежей.
  • CAGD (англ. computer-aided geometric design) — геометрическое моделирование.
• CAE (англ. computer-aided engineering

  CAA (англ. computer-aided analysis) — подкласс средств CAE, используемых для компьютерного анализа.

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  ) — средства автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий.

• CAM (англ. computer-aided manufacturing) — средства технологической подготовки производства изделий, обеспечивают автоматизацию программирования и управления оборудования с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем). Русским аналогом термина является АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства.
• CAPP (англ. computer-aided process planning) — средства автоматизации планирования технологических процессов, применяемые на стыке систем CAD и CAM.

Многие системы автоматизированного проектирования совмещают в себе решение задач, относящихся к различным аспектам проектирования CAD/CAM, CAD/CAE, CAD/CAE/CAM. Такие системы называют комплексными, или интегрированными.

С помощью CAD-средств создаётся геометрическая модель изделия, которая используется в качестве входных данных в системах CAM и на основе которой в системах CAE формируется требуемая для инженерного анализа модель исследуемого процесса.

Autodesk Inventor

Профессиональный комплекс для трехмерного проектирования промышленных изделий и выпуска документации. Разработчик – компания Autodesk.

Среди особенностей Inventor стоит отметить:

• Продвинутые инструменты трехмерного моделирования, включая работу со свободными формами и технологию прямого редактирования
• Поддержку прямого импорта геометрии из других САПР с сохранением ассоциативной связи (технология AnyCAD)
• Тесную интеграцию с программами Autodesk — AutoCAD, 3ds Max, Alias, Revit, Navisworks и другими, что позволяет использовать Inventor для решения задач в разных областях, включая дизайн, архитектурно-строительное проектирование и пр.
• Поддержку отечественных стандартов при проведении расчетов, моделировании и оформлении документации
• Обширные библиотеки стандартных и часто используемых элементов
• Обилие мастеров проектирования типовых узлов и конструкций (болтовые соединения, зубчатые и ременные передачи, проектирование валов и колес и многое другое)
• Широкие возможности параметризации деталей и сборок, в том числе управление составом изделия
• Встроенную среду создания правил проектирования iLogic.

Для эффективного управления процессом разработки изделий, управления инженерными данными и организации коллективной работы над проектами, Autodesk Inventor может быть интегрирован с PLM-системой Autodesk Vault и схожими системами других разработчиков.

Что собой представляет САПР

Используя техническую терминологию САПР – это комплекс автоматизированных систем с функцией проектирования, для реализации информационных технологий (чертежей, схем, сложных диаграмм и пр.). Ядро комплекса, представляет собой своеобразное программное обеспечение, заключающееся в разветвленной организационно-технической системе, автоматизирующей процессы проектных решений. Возможности ее, однако, ограничены, без использования всех средств для решения поставленных задач. А это – совокупность обслуживающего персонала, технических наработок проекта, и самой программы (запущенного процесса), для обработки и преобразования полученных данных в полноценный проектный план.

Сложности с расшифровкой аббревиатуры

Для лучшего понимания, что такое на самом деле САПР, в чем состоит назначение и каковы рабочие функции, следует сначала разобраться в толковании сокращенного названия. Может показаться странным, но существует несколько вариантов расшифровки, большинство из которых уводят по ложному пути:

1. Часто, в технической литературе ее называют – программным средством для создания автоматизированного проектирования. По смыслу такое толкование близко к истине, но слишком растянутое в контексте, и одновременно слишком узкое в определении вопроса. Другими словами – это прикладное специализированное ПО, а единственная роль его, заключается в проектной деятельности, осуществляющейся при помощи автоматизированных процессов. Это слишком сложное для понимания и не совсем верное определение, учитывая, что САПР это не обычная программа, а комплекс средств.
2. В других источниках расшифровка представляет его системой автоматического проектирования. Коротко, емко, но в корне неверно, с допущением грубейшей ошибки в толковании. Здесь путаются главные понятия, в словосочетании «автоматического», то есть, самостоятельного системного процесса, без всякого подключения человеческого фактора. В общей системе САПР за определенную часть ее работы отвечает именно персонал, без него она не может обойтись, что подчеркнуто понятием «автоматизированный». А автоматическими, является лишь отдельные операции в работе, ложащиеся непосредственно на систему.
3. Дословная расшифровка – система автоматизации проектных работ или система автоматизированного проектирования. Это наиболее правильное и точное определение, полностью соответствующее и аббревиатуре и смыслу в нее заложенному. Но оно считается излишне тяжеловесным, а потому, редко используется даже в технической литературе, разве только, в виде дословного толкования.
4. Для определения и расшифровки чаще всего используется словосочетание – система автоматического проектирования. Это не совсем соответствует аббревиатуре, но полностью отражает ее смысл и легко в употреблении, поэтому применимо и в технической, и в прикладной литературе. Используется такое толкование и в ГОСТ.
5. В англоязычном варианте, CAD — computer-aided design, имеет тот же смысл что и в русскоязычном, но в дословном переводе несколько отличается. Английский вариант подчеркивает применение компьютерных технологий, участвующих в процессе проектирования. Нельзя сказать что это неверно, все так, но тут как и с точным переводом на русском языке – излишняя словоформа, и без того понятно, что без этого не обойтись.

Краткий экскурс в историю

Самое интересное в том, что разработка САПР началась еще в 1945 г., задолго до наступления компьютерной эры, а разные этапы ее создания велись на протяжении 70-ти лет. Как в большинстве подобных случаев, это был исключительно военный проект научно-исследовательских организаций ВПК США. Целью было создание системы аппаратно-программного комплекса, способного в автоматизированном режиме управлять средствами противовоздушной обороны. Первый из таких комплексов поступил на вооружение уже в 1947 г., но как опытный образец, а работы продолжались и дальше.

Поначалу это были примитивные электронные радиотехнические средства, какими они оставались до конца 60-х гг. Примерно к этому времени к созданию собственного проекта приступили и в СССР, первые советские образцы тоже не впечатляли техническими возможностями, и постоянно совершенствовались. Первый прототип по-настоящему автоматизированной графической системы увидел свет в 1963 г., это был знаменитый Sketchpad – детище профессора Сазерленда. А первый полноценный САПР выпустила компания «Autodesk» в 1982 г. представившая свой продукт – AutoCAD, ставший «дедушкой» всех современных систем автоматизированного проектирования.

Достоинства систем автоматизированного проектирования

Использование САПР в первую очередь значительно упрощает труд инженера-проектировщика. Если раньше специалисты разрабатывали чертежи и документацию от руки, сегодня это выполняется в автоматизированном режиме. Другие преимущества:

• ускорение процесса проектирования и конструирования деталей в 1,5-2 раза;

• уменьшение затрат на изготовление изделий вплоть до 20%;

• удешевление процесса разработки и расходов на эксплуатацию;

• меньшие расходы на формирование моделей и проведение тестов;

• значительный рост качества и технического уровня результатов работы.

В совокупности перечисленные преимущества делают предприятие более конкурентоспособным за счет увеличения качества выпускаемой продукции вместе с уменьшением себестоимости.

Пример работы САПР программы SolidWorks

Ссылки [ править ]

1. ^ Нараян, К. Лалит (2008). Компьютерное проектирование и производство . Нью-Дели: Прентис Холл Индии. п. 3. ISBN 978-8120333420.
2. ^ Нараян, К. Лалит (2008). Компьютерное проектирование и производство . Нью-Дели: Прентис Холл Индии. п. 4. ISBN 978-8120333420.
3. ^ Дуггал, Виджай (2000). Cadd Primer: Общее руководство по автоматизированному проектированию и черчению – Cadd, CAD . Mailmax Pub. ISBN 978-0962916595.
4. ^ Мадсен, Дэвид А. (2012). Инженерное рисование и дизайн . Клифтон-Парк, штат Нью-Йорк: Делмар. п. 10. ISBN 978-1111309572.
5. ^ Фарин, Джеральд; Хошек, Йозеф; Ким, Мён-Су (2002). Справочник по компьютерному геометрическому дизайну . Эльзевир. ISBN 978-0-444-51104-1.
6. ^ Pottmann, H .; Brell-Cokcan, С. и Валлнер, J. (2007) «Discrete поверхностей для архитектурного проектирования» Архивированные 2009-08-12 в Wayback Machine , стр. 213-234 в кривой и поверхности дизайна , Патрик Chenin, Том Lyche и Ларри Л. Шумакер (ред.), Nashboro Press, ISBN 978-0-9728482-7-5 . 
7. ^ Фарин, Джеральд (2002) Кривые и поверхности для CAGD: Практическое руководство , Morgan-Kaufmann, ISBN 1-55860-737-4 . 
8. ^ Дженнифер Херрон (2010). «Дизайн на основе 3D-моделей: четкое определение определений» . MCADCafe.
9. ^ «Компьютерное проектирование (CAD) и автоматизированное производство (CAM)» . Inc.com . Проверено 30 апреля 2020 .
10. ^ «Параметрическое твердотельное моделирование на основе трехмерных объектов» . инженерыhandbook.com . Архивировано из оригинала на 2012-11-18 . Проверено 1 марта 2012 .
11. ^ «Что такое рабочая станция САПР? Определение, использование и многое другое» . Обзоры компьютерных технологий . 2019-11-21 . Проверено 30 апреля 2020 .
12. ^ Большой 6 в CAD / CAE / PLM индустрии программного обеспечения (2011) , CAEWatch, 12 сентября 2011
13. ^ Ван Кутен, Мишель (2011-08-23). «МИРОВОЙ ТОП 100 ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ – ИЗДАНИЕ 2011» . Программное обеспечение Top 100.
14. ^ Список механического программного обеспечения САПР , BeyondMech

Разновидности САПР

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:

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

Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь 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 рассмотренные выше 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. К этой группе систем относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер.

В настоящее время широко используют унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР (ядра Parasolid фирмы EDS Urographies 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 они имеются также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые ПМК, например имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по МКЭ, синтеза и анализа систем автоматического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. 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.

Структура САПР

Являясь разновидностью информационных систем, классифицируемых по сфере применения, САПР относятся к сложным многоуровневым структурам, образуемым совокупностью средств вычислительной техники, различными видами обеспечения, а также обслуживающим их персоналом.

Структура САПР регламентирована ГОСТ 23501.101-87 и включает в себя два класса подсистем: проектирующие и обслуживающие. Основным назначением проектирующих модулей выступает решение конкретных проектных задач, а функции информационного обмена между ними возложены на подсистемы обслуживания, к задачам которых можно отнести:

• Управление процессами проектирования.
• Документирование процессов проектирования.
• Реализация графического интерфейса.
• Организация и ведение банка данных.

https://youtube.com/watch?v=3SE84MrYArg

Согласно стандарту, компоненты САПР строятся на основе следующих видов обеспечения:

• Техническое обеспечение объединяет вычислительное, телекоммуникационное оборудование и линии связи.
• Программное обеспечение состоит из средств нижнего и верхнего уровней. Это операционная система с комплектом драйверов периферии и, собственно, сами компоненты САПР.
• Совокупность данных, необходимых для реализации процесса разработки включается в информационное обеспечение САПР. Это нормативная информация, данные о прототипах проектируемых объектов, готовые шаблоны.
• Математическое обеспечение объединяет в себе алгоритмы и математические модели, необходимые для реализаций проектных задач.
• Лингвистическое обеспечение включает набор интерфейсов для организации межмодульного взаимодействия, а также специальные языки проблемно-ориентированного программирования.
• К методическому обеспечению относится общая и внутренняя нормативная документация, регламентирующая процессы обслуживания и эксплуатации САПР.

Несмотря на разнообразие решений для автоматизации проектной деятельности, их архитектура также регламентирована. Разработка САПР должна вестись строго в соответствии с принципами создания информационных систем. Одним из них является принцип системного единства, согласно которому, разрабатываемая система должна иметь свойства целостности и взаимосвязанности отдельных компонентов и структуры, а сам процесс проектирования должен носить индуктивный характер, то есть вестись от частного к целому.

Функционирование подсистем и компонентов САПР должно быть подчинено принципу совместимости, в соответствии с которым составные части информационных систем должны решать свои задачи в строгом взаимодействии. Кроме того все элементы подлежат унификации, обеспечивая взаимозаменяемость и открытость.

САПР строится с учетом возможной интеграции с другими информационными системами, а также модификации и пополнения их компонентов.