Обзор популярных систем автоматизированного проектирования (CAD)
Система автоматизированного проектирования (САПР) – сложный комплекс средств, предназначенный для автоматизации проектирования.
Согласно принятым в 1980-х годах стандартам, САПР – это не просто некая программа, установленная на компьютере, это информационный комплекс, состоящий из аппаратного обеспечения (компьютера), программного обеспечения, описания способов и методов работы с системой, правил хранения данных и многого другого.
Однако, с приходом на отечественный рынок иностранных систем, широкое распространение получили аббревиатуры CAD (Computer Aided Design), которую можно перевести, как проектирование с применением компьютера, и CAD-system, которую можно перевести, как система для проектирования с помощью компьютера.
В настоящее время в среде специалистов по САПР многие термины утратили свой первоначальный смысл, а термин САПР теперь обозначает программу для автоматизированного проектирования. Другими словами, то, что раньше называлось ПО САПР или CAD-системой, теперь принято называть системой автоматизированного проектирования (САПР). Также можно встретить названия CAD-система, КАД-система, система САПР и многие другие, но все они обозначают одно – некую программу для автоматизированного проектирования.
На современном рынке существует большое количество САПР, которые решают разные задачи. В данном обзоре мы рассмотрим основные системы автоматизированного проектирования в области машиностроения.
Базовые и легкие САПР
Легкие системы САПР предназначены для 2D-проектирования и черчения, а также для создания отдельных трехмерных моделей без возможности работы со сборочными единицами.
Безусловный лидер среди базовых САПР – AutoCAD.
AutoCAD
AutoCAD — это базовая САПР, разрабатываемая и поставляемая компанией Autodesk. AutoCAD – самая распространенная CAD-система в мире, позволяющая проектировать как в двумерной, так и трехмерной среде. С помощью AutoCAD можно строить 3D-модели, создавать и оформлять чертежи и многое другое. AutoCAD является платформенной САПР, т.е. эта система не имеет четкой ориентации на определенную проектную область, в ней можно выполнять хоть строительные, хоть машиностроительные проекты, работать с изысканиями, электрикой и многим другим.
/autocad.png)
Система автоматизированного проектирования AutoCAD обладает следующими отличительными особенностями:
Bricscad
В настоящее время на рынке появился целый ряд систем, которые позиционируются, как альтернатива AutoCAD. Среди них можно отдельно отметить Bricscad от компании Bricsys, которая очень активно развивается, поддерживает напрямую формат DWG и имеет целый ряд отличий, включая инструменты прямого вариационного моделирования, поддержку BIM-технологий.
/bricscad.png)
САПР среднего уровня
Средние системы САПР — это программы для 3D-моделирования изделий, проведения расчетов, автоматизации проектирования электрических, гидравлических и прочих вспомогательных систем. Данные в таких системах могут храниться как в обычной файловой системе, так и в единой среде электронного документооборота и управления данными (PDM- и PLM-системах). Часто в системах среднего класса присутствуют программы для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ (CAM-системы) и другие программы для технологического проектирования.
САПР среднего уровня – самые популярные системы на рынке. Они удачно сочетают в себе соотношение “цена/функциональность”, способны решить подавляющее число проектных задач и удовлетворить потребности большей части клиентов.
Autodesk Inventor
Профессиональный комплекс для трехмерного проектирования промышленных изделий и выпуска документации. Разработчик – компания Autodesk.
/autodesk-inventor.png)
Среди особенностей Inventor стоит отметить:
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.
SolidWorks
Трехмерный программный комплекс для автоматизации конструкторских работ промышленного предприятия. Разработчик – компания Dassault Systemes.
/SolidWorks.png)
Черты системы, выгодно отличающие ее от других CAD-систем:
SolidEdge
Система трехмерного моделирования машиностроительных изделий, которую разрабатывает Siemens PLM Software.
/solid-edge.png)
Среди преимуществ системы можно выделить:
Компас-3D
Компас-3D – это система параметрического моделирования деталей и сборок, используемая в областях машиностроения, приборостроения и строительства. Разработчик – компания Аскон (Россия).
/kompas.gif)
Преимущества системы Компас-3D:
T-FLEX
Отечественная САПР среднего уровня, построенная на основе лицензионного трехмерного ядра Parasolid. Разработчик системы – компания ТопСистемы (Россия).
/t-flex.jpg)
Отличительные черты системы:
“Тяжелые” САПР
Тяжелые САПР предназначены для работы со сложными изделиями (большие сборки в авиастроении, кораблестроении и пр.) Функционально они делают все тоже самое, что и средние системы, но в них заложена совершенно другая архитектура и алгоритмы работы.
PTC Creo
Система 2D и 3D параметрического проектирования сложных изделий от компании PTC. САПР PTC Creo широко используется в самых разных областях проектирования.
/PTC_Creo.png)
Выгодные отличия системы от конкурирующих решений:
NX – флагманская система САПР производства компании Siemens PLM Software, которая используется для разработки сложных изделий, включающих элементы со сложной формой и плотной компоновкой большого количества составных частей.
Ключевые особенности NX:
CATIA
Система автоматизированного проектирования от компании Dassault Systemes, ориентированная на проектирование сложных комплексных изделий, в первую очередь, в области авиастроения и кораблестроения.
/CATIA.png)
Облачные САПР
В последнее время активно начали развиваться “облачные“ САПР, которые работают в виртуальной вычислительной среде, а не на локальном компьютере. Доступ к этим САПР осуществляется либо через специальное приложение, либо через обычный браузер. Неоспоримое преимущество таких систем – возможность их использования на слабых компьютерах, так как вся работа происходит в “облаке”.
Облачные САПР активно развиваются, и если несколько лет назад их можно было отнести к легким САПР, то теперь они прочно обосновались в категории средних САПР.
Fusion 360
САПР Fusion 360 ориентирована на решение широкого круга задач, начиная от простого моделирования и заканчивая проведением сложных расчетов. Разработчик системы – компания Autodesk.
/fusion.png)
Особенности Fusion 360:
Onshape
Полностью “облачная” САПР Onshape разрабатывается компанией Onshape.
/onshape.png)
На что стоит обратить внимание при выборе Onshape:
Заключение
В настоящее время на рынке присутствуют самые разные современные CAD системы, которые отличаются между собой как по функциональности, так и по стоимости. Выбрать подходящую систему автоматизированного проектирования среди многих CAD – непростая задача. При принятии решения необходимо ориентироваться на потребности предприятия, задачи, которые стоят перед пользователями, стоимость приобретения и содержания системы и многие другие факторы.
Будущее параметрического CAD’a
Сегодня невозможно представить проектирование зданий, сооружений или деталей механизмов без использования CAD-систем. 90-е годы принесли революцию в CAD-индустрию, когда компания PTC продемонстрировала параметрический подход, значительно упростивший работу инженера, избавив его от части рутинных процедур, которые возникали при минимальной модификации чертежа. Параметрический элементно-ориентированный (feature-based) подход стал стандартом де-факто, но многие вопросы остались нерешенными, в первую очередь, из-за сложности расчетов, возникающих при параметризации чертежа. Прошло почти 20 лет, но CAD-технологии, кажется, не продвинулись ни на шаг. Сейчас у нас есть мощные компьютеры, многократно превосходящие любые системы, доступные в начале 90-х, повсеместно применяются гетерогенные вычисления, последние видеокарты содержат тысячи потоковых ядер. Застывшим во времени CAD пришла пора меняться.
В этой статье я хотел бы познакомить вас с тем что такое параметрический CAD и какие проблемы он испытывает в настоящем, рассказать о наших исследованиях, и о тех решениях, которые способны в ближайшие годы кардинально изменить всю индустрию.
Для начала, хотелось бы вкратце описать что такое CAD вообще и что такое параметрический CAD в частности. Если вы знакомы с этими понятиями, то можете смело пропустить следующие два параграфа и перейти непосредственно к сути.
Что такое CAD?
Независимо от того, что вы собираетесь сделать – разработать сложный механизм, построить дом или просто переставить мебель в комнате – вам понадобится чертеж. При помощи чертежа можно визуализировать проект, чтобы найти его сильные и слабые стороны, противоречия. Ведь не всегда возможно все детально продумать «в голове». Кроме того, чертеж позволяет передать ваше видение какой-либо конструкции другим людям, и обмениваясь идеями постепенно ее совершенствовать.
Процесс создания чертежа называется черчением. Это целая наука, которая совершенствовалась многие столетия вместе с инженерным прогрессом, и к началу 20-го века она обросла большим количеством четких методологий и полезных инструментов, сделав создание чертежа более формализованным, отдалив его от изобразительного искусства и приблизив к чистой инженерии.
Традиционно процесс черчения начинается с того, что вы берете лист бумаги и закрепляете его на ровной поверхности или на специальном чертежном столе. Затем начинаете рисовать что-нибудь карандашом при помощи набора специальных приборов (рейсшина, линейки, лекала и т.д.).
Лично мне трудно провести прямую линию даже по линейке, поэтому в школе я имел определенные проблемы с черчением — любая ошибка и нужно все перерисовывать.
Еще в 60-х годах начались попытки использовать компьютеры для технического проектирования, но только в конце 70-х — начале 80-х годов вместе с лавинообразным распространением персональных компьютеров появились удобные для пользователей программы, позволившие перенести процесс черчения с кульманов на мониторы.
Такие системы (сначала программно-аппаратная связка, затем и просто программа) стали обозначать аббревиатурой CAD от английского Computer-Aided Design, что можно приблизительно перевести как проектирование при помощи компьютера. В России для таких систем утвердилась аббревиатура САПР (системы автоматизированного проектирования), что, однако, подразумевает не только CAD, но и CAE (Computer-Aided Engineering – инженерия, расчеты при помощи компьютера) и CAM (Computer-Aided Manufacturing – подготовка производства при помощи компьютера).
Параметрический CAD
Первоначально 2D CAD-системы были основаны на координатном подходе. Это значит, что, когда оператор создавал линии в 2D-чертеже, программа записывала координаты концевых точек каждой линии. Проблемы такого подхода проявляются тогда, когда вам нужно изменить чертеж (например, увеличить длину какой-нибудь линии) – даже маленькое изменение обычно требует обновления вручную многочисленных линий, на которых сказалось изменение в чертеже.
Параметрический подход позволяет инженеру мыслить в терминах размеров (линейных и угловых) и геометрических ограничений вместо того, чтобы привязываться к координатам. При этом подходе, вы рисуете геометрические примитивы (точки, линии, окружности, дуги и т.д.) и выставляете для них размерности и геометрические ограничения (например, параллельность, перпендикулярность, равенство длин и т. п.). Программное обеспечение самостоятельно строит систему уравнений, в которой координаты точек будут неизвестными, а размеры и геометрические ограничения будут уравнениями, которые определяют решение. При параметрическом подходе, если вы делаете какие-либо изменения, вам не нужно ничего «поправлять» в рисунке самостоятельно, система автоматически пересчитает координаты всех точек на основе заданных размеров и геометрических ограничений, после чего перерисует модель.
Проблемы параметрического подхода
Идея параметрического подхода очень простая, понятная и привлекательная. Представьте, что вы потратили несколько месяцев на чертеж большого здания (да еще и в нескольких разрезах с планами каждого этажа), принесли чертеж заказчику, а он попросил расширить оконные проемы на несколько сантиметров. Без параметризации это будет означать серьезную переделку, которая может потребовать много времени. Если же правильно выставить размеры и геометрические ограничения, то задача решается автоматически изменением всего лишь одного параметра.
К сожалению, не все так просто. В случае реальных чертежей — результирующая система уравнений может получиться очень большой и сложной. Она может содержать многие тысячи уравнений и миллионы переменных. Ни одна современная параметрическая CAD-система не в состоянии обрабатывать параметризованные модели такой сложности. Очень часто их поведение нестабильно уже для моделей, содержащих небольшое количество геометрических примитивов. Более того, даже если они будут способны обработать относительно большую модель, для получения результата может потребоваться много времени, что делает работу с такой моделью некомфортной.
Cheetah solver
В основе современных параметрических CAD-систем лежат алгоритмы, разработанные десятилетия назад и мало изменившиеся с тех пор. Они используют медленные архаичные математические методы и работают в одном потоке, не используя всю мощь современных многоядерных процессоров. Например, если в вашем компьютере стоит процессор Core i7, который содержит четыре настоящих ядра и восемь виртуальных (за счет hyper-threading), то любая современная CAD-система будет использовать процессор где-то на 15%.
Мы разработали алгоритм, который позволяет комфортно работать со значительно более сложными параметризованными моделями в тысячи раз быстрее, чем любая современная CAD-система. Наш алгоритм хорошо параллелится, поэтому его производительность может бесконечно масштабироваться под требуемый масштаб геометрической модели, посредствам увеличения числа вычислительных ядер в системе. Он может работать не только на многоядерных процессорах общего назначения, но также на видеокартах (NVIDIA CUDA), имеющих сотни и даже тысячи ядер, и картах Xeon Phi, имеющих 60 физических ядер и 240 виртуальных.
Наш плагин встраивается в AutoCAD и перехватывает все обращения к стандартному решателю. Таким образом, использование нашей технологии нисколько не меняет привычный пользовательский опыт. Более того, подключение нашего плагина не означает полный отказ от использования встроенного решателя, пользователь может легко переключаться между нашим и стандартным решателем. Переключение происходит мгновенно.
От слов к делу
Первый пример
Второй пример
Третий пример
Четвертый пример
Только с использованием Cheetah Solver удается адекватно трансформировать данные геометрические модели. Все остальные тестируемые CAD-программы демонстрируют очень нестабильное поведение – даже маленький сдвиг какой-нибудь точки часто приводит к непредсказуемым большим изменениям в чертеже.
Заключение
Сейчас мы находимся на стадии альфа-версии, стабильная бета ожидается в первом квартале 2015 года.
В первом квартале также планируется, что Cheetah Solver заработает на GPU NVIDIA с использованием CUDA (compute capability 3.5+). Мы ожидаем, что на наших тестовых машинах бета при использовании GPU должна работать на 2 порядка быстрее нынешней альфы.
Кроме того, в бете будут внесены некоторые изменения в алгоритм (тестируемые сейчас), которые должны сделать расчет еще стабильнее и, при прочих равных, быстрее в 2-3 раза.
Наша конечная цель – возможность свободно оперировать сотнями тысяч примитивов с сотнями тысяч ограничений.
Наши QA-специалисты усердно работают, но, тем не менее, любой отзыв от вас – наших будущих пользователей — будет чрезвычайно полезен. Речь идет не только о багах и проблемах, но и о возможных улучшениях функциональности. Мы создаем свою систему ограничений, соответственно, никак не связаны списком представленном в AutoCAD, Inventor, SolidWorks и т.д. Если вы часто сталкиваетесь с какими-то специфическими задачами для которых не хватает встроенных ограничений – расскажите нам и мы попробуем добавить их в следующей версии.
Мы заинтересованы в тесном общение с вами, так как мы хотим сделать параметрический CAD наиболее удобным и наиболее интуитивным для сегодняшнего пользователя.
Если у вас есть схемы и модели, которые вы хотели бы параметризовать (такие, с которыми не справляются стандартные CAD программы), и которыми вам не жалко поделиться – мы с радостью возьмем их в качестве тестового примера и будем использовать для отладки.
Кроме того, нам интересно было бы знать, какие CAD программы вы используете. Oт этого будет зависеть для какой программы мы разработаем наш следующий плагин. Сейчас мы выбираем между Autodesk Inventor и SolidWorks. К сожалению, наша команда слишком маленькая. Пока у нас не будет дополнительных ресурсов, нам придется выбирать что-то одно, и выбор зависит от вас.
На нашем сайте много полезной информации. Там также есть блог, где вы можете написать все свои мнения, предложения и замечания.
На нашем YouTube-канале периодически появляются новые видео, демонстрирующие работу Cheetah Solver. Там тоже можно оставлять комментарии (можно по-русски).
Еще по этой ссылке можно скачать альфа-версию плагина для AutoCAD 2015 с примерами, чтобы попробовать все самостоятельно.
В следующих статьях я постараюсь более подробно рассказать о наших исследованиях и о функционировании параметрических CAD, следите за нашими публикациями.
*Иллюстрации взяты из книги CAD History, а конкретно из второй главы.
CAD, CAM, CAE-системы
Практически во всех сферах деятельности человека сегодня наблюдается жесткая конкуренция. Преимущества имеют те участники рынка, кто быстрее и точнее сумеет спроектировать продукт, точно спрогнозировать его качества и определить оптимальную технологию производства. Добиваться успешной реализации идей любой сложности призвана система автоматизированного проектирования (САПР). Под этим понятием подразумевают программное обеспечение, позволяющее создавать модель объекта с максимальной точностью и предоставить производителю полный пакет конструкторской документации по международным стандартам.
Практически решают эту задачу, используя комплекс эффективных технологий по анализу, разработке, подготовке производственного процесса с помощью CAD/CAM/CAE систем. Только так можно добиться необходимого качества, снижения себестоимости продукции. Основную часть работы по созданию проекта делают компьютерные программы, скорость и точность которых многократно превышает возможности традиционных технологий, таких как создание чертежей, расчет предполагаемых нагрузок, прогнозирование поведения материалов.
Возможности и области применения
Автоматизировать производство человечество стремилось всегда. Но до середины 20-го века это были попытки усовершенствования механизмов и технологий. Первые опыты использования систем автоматизации начались после Второй Мировой Войны. Назвать прорывом применение электронных устройств для нужд ВПК в США в конце 40-х, начале 50-х нельзя. Мощности вычислительных машин было тогда недостаточно. Серьезные успехи пришли только в 70-е годы, когда появились электронные устройства, способные работать с большим массивом информации. Этот период принято называть первым этапом развития автоматизированных систем проектирования. Была доказана эффективность использования ЭВМ в решении производственных задач.
В 80-е начался второй этап электронной революции. К этому времени размер вычислительных устройств заметно уменьшился, а скорость работы существенно возросла. Серьезной причиной взрывного роста стал выпуск персональных компьютеров, с помощью которых увеличился круг пользователей.
Среди множества путей развития и нескольких крупных производителей стал вырисовываться лидер — компания IBM. Архитектура устройств с микропроцессором Intel х86 оказалась наиболее удачной для использования в автоматизации проектирования. Тогда же начали зарождаться CAD и CAM системы в машиностроении, наукоемких производствах.
Методы пространственного моделирования позволили просчитывать сложные процессы, создавать основу технологии программирования для станков с ЧПУ. К середине 80-х наметился спад в развитии популярности продуктов Apple, Motorola. Однако графические станции под управлением ОС Unix удерживали лидерские позиции. Но уже в начале 90-х программы на платформе Windows обогнали конкурентов. Предлагаемые системы для станков, оборудования были удобнее, производительнее и главное дешевле. Методы пространственного проектирования оказались востребованы в энергетике, производстве бытовой техники, автомобилестроении, космонавтике.
Активнее стала использоваться технология в машиностроении. Программы для токарных станков, обрабатывающих центров повысили качество продукции, сократили время производства. Возникла необходимость образования отдельных направлений в цифровые графике. Окончательно оформились термины CAD, CAM, CAE, их назначение и особенности.
Классификация САПР
Принятое в отечественной инженерной практике понятие САПР носит общий характер. Оно включает в себя все возможности программного проектирования. Однако удобнее пользоваться англоязычными версиями, описывающими виды и технологии выполняемых работ более детально. Наиболее популярные термины означают:
Автоматизированная система проектирования в процессе эволюции разделилась на отдельные направления, в рамках которых решались узкоспециализированные задачи. Расширялся и арсенал инструментов для достижения цели. Можно на каждом этапе производства выбрать систему, наиболее подходящую в конкретном случае. Технология создания модели 3d в САПР значительно ускорило запуск новых изделий, которые проектируется с заданными характеристиками. Твердотельный прообраз проверяется и испытывается с достаточной точностью виртуально, минимизируя расходы на реальном тестировании.
Методы электронного проектирования проникают в отдельные сферы деятельности, учитывая характер производства. Подчиняясь общим правилам и нормам создаются новые направления развития. Так в 2012 госкорпорация «Росатом» перешла на Единую отраслевую систему документооборота (ЕОСДО). Программа позволила систематизировать проектную документацию. Проще стал доступ к электронному архиву. В результате повысилась производительность труда, сохранность информации, надежность ее защиты.
Примеры программ системы автоматизированного проектирования
Профессия современного разработчика требует серьезного обучения. Преподают САПР в профильных ВУЗах. Однако базовое образование не является гарантией успеха. Сектор активно развивается. Регулярно появляются новые продукты на рынке, требующие изучения и навыков работы. Становится нормой прохождение курсов повышения квалификации для инженера. Разработчики ПО идут на встречу пользователям их продуктов. Платные программы включают в себя важную опцию — возможность пользоваться поддержкой и обучаться приемам работы.
Для того, чтобы узнать все графические возможности ПО необходимо время. Многие разработчики предлагают воспользоваться бонусом для обучающихся. Так лидер рынка компания Autodesk дает лицензию для студентов на три года при пользовании 3ds Max. По функционалу программа конструирования почти такая же, как дорогостоящая профессиональная версия. Стоимость базового пакета Autodesk 3ds Max на текущий период времени составляет более 60 000 рублей для одного пользователя. Сумма большая даже для действующего инженера. Обычно такую продукцию закупает предприятие.
Потребности в 3d моделировании испытывают не только крупные предприятия. Сегодня востребовано трехмерное проектирование у индивидуальных предпринимателей и просто любителей. Для осуществление задуманных идей им нет необходимости приобретать продукцию с набором функций, необходимых в высокотехнологичных отраслях. Можно найти программы для проектирования за более умеренные деньги, либо воспользоваться бесплатными версиями с ограниченными возможностями.
Проектировщикам, работающим в системе САПР хорошо известен пакет AutoCAD. Уже много лет он пользуется заслуженным уважением за возможность реализовывать идеи достаточно простыми, интуитивно понятными инструментами. Поддерживается возможность работать как в двухмерном, так и в трехмерном пространстве. Сохраняются проекты в стандартной форме САПР. Стоимость продукта позволяет приобретать его средним и малым компаниям. В качестве опробования производитель дает возможность 30 дней пользоваться программой бесплатно. За это время специалист с базовым образованием научится пользоваться основными функциями и решить, стоит ли ее покупать или нет.
К профессиональным продуктам относят и Pro/ENGINEER от американского разработчика Parametric Technology Corp. Оригинальный движок программы отличается высокой производительностью и качеством. Есть возможность вывести проект в фотореалистичном изображении в хорошем разрешении. Известен специалистам в области инноваций французский бренд CATIA. Продукт полностью интегрирован с системами CAD/CAM/CAE и может использоваться в различных областях производственной деятельности, от машиностроения до строительства.
Активно продвигается на рынке отечественная разработка компании «Аскон» программа трехмерного проектирования «Компас». Классический вариант опций для создания CAD проектов. Интерфейс, описание, помощь на русском языке, что становится причиной растущей популярности. Поддерживается функция создания текстовых и графических документов по стандарту ЕСКД. Программа проста в обучении и пользовании.
Нельзя не упомянуть ПО SolidWorks. Программа адаптирована для широкого использования на средних по мощности компьютерах. Не самый богатый функционал, но имеющихся возможностей вполне хватает для реализации достаточно сложных проектов. Программой пользуются и крупные предприятия. Производитель предлагает линейку продуктов разного назначения для решения всех задач в системах CAD, CAM, CAE. Ядром графического проектирования является собственная разработка Parasolid, которая имеет как плюсы, так и минусы.
