САПР как средство оптимизации проектирования

С течением времени становится всё сложнее представить процесс конструирования и разработки без использования специализированного программного обеспечения – систем автоматизированного проектирования (САПР). Если раньше конструкторскую документацию разрабатывали и производили исключительно на бумаге, то нынче практически все проектировщики задействуют компьютерные технологии. Даже первоначальные эскизы, которые ещё недавно делали в бумажном виде (после чего на их основе создавали электронные чертежи), стали делать в САПР. Это естественно и закономерно, поскольку системы автоматизированного проектирования обладают рядом функций, оптимизирующих и ускоряющих работу специалистов.

Изначально, когда САПР только внедрялись на предприятия, их воспринимали как вспомогательный инструмент для создания, в конечном счёте, привычных бумажных документов, но в настоящее время их всё больше используют именно как средство разработки электронной документации, которую удобнее проверять и утверждать внутри предприятия, а также отправлять и согласовывать с партнёрами и заказчиками.

Существует большое разнообразие САПР, они отличаются по функционалу, принципам работы и области применения. В данной статье мы рассмотрим историю их появления, их возможности, отличия, преимущества и недостатки. 

Что такое САПР

Системы автоматизированного проектирования представляют собой специализированные комплексы программных средств, предназначенные для процессов проектирования и ориентированные на обеспечение их наиболее полной автоматизации. Целями данной автоматизации являются: наращивание темпов производительности труда проектировщиков, а также сокращение уровня временных затрат на проведение процесса проектирования и уменьшение числа задействованных в работе проектировщиков при одновременном повышении общего качественного уровня этого процесса. По мере выхода более новых и многофункциональных САПР и их версий, автоматизируется всё большее число проектировочных процессов и функций.

В англоязычных источниках существует общепринятый вариант наименования подобных систем – это Computer-Aided design (CAD), буквальный перевод которого означает «проектирование с помощью компьютера». Строго говоря, русскоязычному этот термин не вполне соответствует, поэтому вместо него иногда используется формулировка CAD System.

САПР дают удобную возможность позволяют создавать как чертежи, так и различные ведомости и спецификации на изделия. С их помощью можно осуществлять трёхмерное моделирование как отдельных деталей, так и сборок. Они позволяют выполнять расчёты, и в том числе - прочностные, тепловые и проч. Использование перечисленных возможностей автоматизации проектирования способствует улучшению качественных характеристик производимых изделий одновременно со снижением сроков и сокращением затрат на их разработку, вследствие чего повышается конкурентоспособность предприятия. Такая результативность на практике полностью окупает расходы на программное обеспечение и на обучение сотрудников.

История возникновения и развития

Проектировщики использовали компьютеры для вычислений с момента их появления во второй половине 40-х годов. Осуществлялись специальные разработки в области ПО, благодаря которым были созданы серводвигатели, управляемые генерируемым импульсом (1949), вычислитель векторов, связанных с радаром (1951) и графический математический процесс создания формы на станке с ЧПУ (1952).

В 1953-м году учёный Массачусетского технологического института Дуглас Тейлор Росс увидел, как операторы радаров используют оборудование для интерактивного отображения, и решил, что подобная технология поможет ему в работе, связанной с системой наведения SAGE. На компьютерах института были специальные программы для отладки ПО, в которых был функционал вывода блок-схем на дисплей. Росс и его коллеги обнаружили, что могут создавать в этих программах геометрические фигуры и проектировать простые принципиальные схемы. В 1959-м году Росс ввёл термин CAD, хотя, впоследствии он признавался, что предпочитал формулировку Automated Engineering Design (аббревиатура AED, что созвучно с “aid”, т.е. «помощь»).

В том же году французский физик и математик Поль де Фаже де Кастельжо, работая в Citroen, создал алгоритм построения и деления кривой Безье, на основе которого через несколько лет в компании разработали программное решение SADUSCA с системой проектирования SPAC.

Параллельно французский инженер Пьер Этьен Безье, работая в компании Renault, основываясь на своих работах о кривых и поверхностях, в период 1966-1968 гг. разработал систему UNISURF для проектирования кузовов автомобилей. Он же и запатентовал тип кривой, дав ей своё имя. Поль де Кастельжо сделал своё открытие раньше, но его исследования были производственной тайной, нигде не публиковались и на протяжении 60-х годов компанией Citroen полностью скрывались.

Тем временем в 1963-м году Айвен Сазерленд, учёный все того же упомянутого Массачусетского института, создал программу SKETCHPAD. Ее ключевая особенность в том, что она стала первой в истории системой компьютерного проектирования, пользовательский интерфейс которой был сделан графическим.

Одновременно с динамичным развитием программ этого типа, всё более доступными становились и компьютеры, что послужило толчком к универсальному применению подобных продуктов в различных областях. В семидесятые годы открывались всё новые компании, предлагающие свои системы для проектирования, в числе которых - японские Seiko и Zuken. В 1978-м году компанием из Кембриджа под названием «Shape Data team» было выпущено первое коммерческое ядро, предназначенное для работ по геометрическому моделировании и созданное специально для интеграции в программы САПР.

В 1982-м году Джон Уокер основал компанию Autodesk, где была разработана двумерная (на тот момент) система AutoCAD. В 1987-м вышла САПР Pro/ENGINEER, предлагавшая большое множество методов пространственного моделирования и параметрического связывания атрибутов объектов. Таким образом возникло параметрическое моделирование.

Системы автоматизированного проектирования создавались и в нашей стране. В восьмидесятые годы на машиностроительных предприятиях Советского Союза уже активно применялись САПР собственной разработки. В них можно было осуществлять двумерное и трёхмерное моделирование, создавать кинематические поверхности и проч. Судя по всему, эти разработки были секретными, поэтому о них трудно найти информацию. В 1986-м году в коломенском Конструкторском бюро машиностроения начали разрабатывать САПР КАСКАД, работа над которым, в конечном счёте, переродилась в создание системы КОМПАС (первая версия датируется 1989-м годом).

Также, в конце восьмидесятых годов в Челябинском политехническом институте функционировала рабочая группа, руководил которой профессор Анатолий Кошин. Группа разработала собственную САПР, которая считается в Советском Союзе первой.

В девяностые годы минувшего столетия появились такие широко известные для пользователей нашего времени системы, как отечественная T-FLEX CAD (1992), китайская ZWCAD (1993), американские SolidWorks (1995), Solid Edge (1996) и Autodesk Inventor (1999), а также Windows-версия отечественного КОМПАСа (1997). 

Возможности современных САПР 

Разработанные и использующиеся на настоящий момент профессиональные системы автоматизированного проектирования предлагают проектировщикам обширный функционал, оптимизирующий и ускоряющий процессы разработки и упрощающий проверку документации на разрабатываемые изделия. Этот ряд регулярно пополняется по мере выхода новых версий САПР и/или обновлений к ним. Автоматизация проектирования позволяет сокращать или даже исключать рутинные действия, которые ещё недавно специалистам приходилось выполнять вручную.

Основные возможности и функционал большинства САПР:

• Создание документации: чертежей, спецификаций, отчётов, ведомостей, извещений, схемы и проч. в соответствии с ГОСТ;
• Трёхмерное моделирование: твердотельное (объект строится при помощи таких формообразующих и формоизменяющих операций, как выдавливание, вращение, булевых операций и др.), поверхностное (создание оболочек, описывающих геометрию объекта), листовое (создание объектов из листовых материалов);
• Анализ проектируемых изделий на прочность, теплопередачу, устойчивость и проч., а также на наличие ошибок;
• Использование стандартных изделий, материалов и сортамента как готовых, библиотечных элементов, доступных для применения в разрабатываемом изделии;
• Формирование и эксплуатацию шаблонов и прототипов для оптимизации работы с типовыми 2D-документами, а также с 3D-моделями;
• Визуализация разработанных изделий в различных видах: могут использоваться не только плоские проекции, но и аксонометрический или разнесённый вид, а в отдельных случаях – анимации, видеоролики;
• Поддержка различных файловых расширений, опции импорта и экспорта созданных файлов в другие форматы, например - в нейтральные IGES, STEP и т.п. для открытия в других САПР и универсальные форматы PDF, U3D.

Перечень функций зависит от того, для чего предназначается конкретная система проектирования – он вполне может быть гибким и способен расширяться путём установки дополнений и специальных утилит.

Ярким примером автоматизации проектирования является генерация спецификаций, ведомостей и отчётов по трёхмерной модели сборочной единицы: во многих современных CAD эти документы создаются без ручной работы, в один клик при помощи соответствующей команды, например, «Создать спецификацию по сборке». Такой подход увеличивает скорость выпуска документации и уменьшает вероятность возникновения ошибок, что снижает стоимость оплаты труда работников. 

Разработанные в САПР документы (подчеркнём, что документами являются и 3D-модели) можно в виде файлов передавать другим пользователям для совместной работы, проверки, согласования в рамках организации, а также отправлять изготовителям, партнёрам, заказчикам. Данные файлы могут храниться в общедоступном для сотрудников предприятия каталоге, в результате чего образовывается единое информационное пространство организации.

Приведённый выше функционал особенно эффективен, если применять его комплексно. Допустим, требуется разработать сборочную единицу на основе некогда созданной и выпустить на неё полный комплект конструкторской документации (КД). Инженеру-конструктору потребуется лишь сохранить в виде новых файлов модель «старой» сборки и тех её деталей и узлов, которые нужно изменить, после чего произвести в них изменения. Результатом будет полноценная модель сборки, отвечающая требованиям задания. Выполнив аналогичную работу над чертежами и прочими документами, проектировщик получит новый комплект КД.

В конечном счёте, САПР является главным инструментом в руках инженера.

Классификация и разновидности САПР

Все многообразие подобных систем может быть классифицировано по самым различным критериям.

Классификация по ГОСТ

Классификационную основу здесь задает ГОСТ 23501.108-85, в соответствии с которым весь спектр систем классифицируют на основании нескольких признаков. В число таких признаков включаются:

• типы и разновидности объектов, в отношении которых ведется проектирование;
• степень сложности этих объектов;
• доступный в рамках конкретной системы уровень автоматизации, на котором может быть проведен процесс проектирования, и степень ее комплексности;
• особенности выпускаемых документов – их количество и характер;
• число уровней, на которые разделяется общая структура всего технического обеспечения.

По каждому из приведённых выше признаков САПР делятся на подгруппы. Важно отметить, что данный государственный стандарт введён в 1986 году и с тех пор не обновлялся, поэтому сложно соотносить с ним современные системы проектирования.

Разновидности по назначению

Разделяя системы по их назначению, отметим, что русскоязычный термин САПР очень обобщённый и для него нет полноценного англоязычного аналога. Наиболее часто используемый вариант CAD представляет собой только подгруппу САПР определённого назначения.

Определим данные подгруппы:

• подгруппа CAD (Computer-Aided Design) – это системы, функционал которых предлагает возможности автоматизировать двумерное и/или трёхмерное проектирование, а вместе с ним - и создавать под изделия полноценную конструкторскую документацию;
• в состав подгруппы CAM (Computer-Aided Manufacturing) включается весь спектр автоматизированных систем, с использованием которых ведется технологическая подготовка производства (АСТПП) тех или иных изделий. Именно эти системы позволяют создавать необходимые для обрабатывающих центров и станков с ЧПУ управляющие программы;
• подгруппа CAE (Computer-Aided Engineering) объединяет системы, созданные для симуляции различных физических процессов, их аналитического изучения и осуществления необходимых инженерных расчётов.

Указанные подгруппы не существуют изолированно: в структуре многих современных систем проектирования перечисленный функционал совмещен частично или полностью. Так появились CAD/CAE, CAD/CAM, а также CAD /CAM/CAE системы, получившие название комплексных.

Разновидности по отрасли

В зависимости от тех отраслей, где нашли себе применение те или иные системы проектирования, их подразделяют на три глобальных группы. При рассмотрении подобного деления наиболее удобно упомянуть конкретные системы:

• группа MCAD (Mechanical CAD) – это системы, ориентированные на машиностроение применяемые для проектирования как отдельных деталей или составленных из них узлов, так и для работы непосредственно над машинами и механизмами. Помимо очевидного автопрома, подобные САПР востребованы в судостроении и активно используются в авиакосмической отрасли. К числу систем этой группы относят КОМПАС, T-FLEX CAD, а также SolidWorks и PTC Creo;
• в группу ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) объединены системы, в которых становится возможным проектирование различных электронных приборов, а также входящих в их конструкцию печатных плат, микросхем и т.п. Примером подобных систем может послужить Altium Designer (ранее – P-CAD) или OrCAD;
• к группе CAAD (Computer-Aided Architectural Design), которую в литературе иначе именуют AEC CAD (Architecture, engineering and construction CAD), относятся те САПР, которые применяются для работ в строительной или архитектурной областях. С их помощью ведется проектирование не только гражданских зданий или промышленных сооружений, но и мостов и проч., а также создается их BIM-представление (BIM – Building Information Model). Системы: AutoCAD Revit, ArchiCAD, Tekla.

Примеры САПР

Каждая система проектирования имеет свои особенности и возможности для автоматизации работы специалистов. Выбор платформы зависит от поставленных задач, инструментария ПО и предпочтений проектировщиков. Рассмотрим наиболее популярные САПР.

AutoCAD

Многие годы программа AutoCAD была популярнейшей системой автоматизированного проектирования. Помимо того, что она сочетала в себе обширный функционал для работы с документацией, который регулярно дорабатывался по мере выхода обновлений (за первые 10 лет существования системы вышло 12 версий), ей практически не было аналогов. Изначально, в программе можно было создавать и редактировать только двумерные документы, позже – и трёхмерные. Работать в ней можно как используя графический интерфейс, так и командную строку.

Система обладает гибкостью, содержит как множество инструментов общего назначения, так и отдельные, для конкретных профилей и работ. Она поддерживает установку плагинов, а также позволяет пользователям создавать свои настройки и команды. Переведена на 18 языков мира, к слову о популярности! 

Области применения AutoCAD:

• Архитектура и строительство;
• Судостроение;
• Электроника;
• Машиностроение и приборостроение;
• Ландшафтный дизайн.

Мы перечислили возможности и преимущества Автокада. Из недостатков следует отдельно выделить урезанность и неудобство функционала по трёхмерному моделированию: дело в том, что в изначально двумерную систему добавлены лишь некоторые инструменты по работе с 3D, а сама она, по своей логике, базово остаётся 2D платформой.

Прочие недостатки:

• Трудность в освоении. Оснащённость системы большим количеством функций, значительная часть которых пользователю не требуется, перегружает интерфейс, затрудняет поиск по панелям или же требует запоминать команды для командной строки;
• Неудобство работы с табличными формами;
• Крайне ограниченные возможности импорта и экспорта рабочих файлов в другие форматы;
• Отсутствие истории изменения документов.

nanoCAD

Платформа является разработкой российской компании «Нанософт» и ориентирована на наш ГОСТ. Интерфейс данного САПР в большой степени повторяет наличествующий в Автокад, поэтому считается отечественным аналогом последнего. Необходимо особо отметить клиентоориентированность компании-разработчика, которая выражается как в оперативной работе техподдержки, так и в реакции на пожелания пользователей о доработке или добавлению конкретных функций.

Принципы работы в nanoCAD практически те же, что и в AutoCAD, поэтому области применения платформ совпадают. К сожалению, у данных систем во многом совпадают и недостатки, но важно отметить, что в nanoCAD особое внимание уделяется развитию функционала по работе с механикой и 3D-моделями (модуль «nanoCAD Механика»). Также, у отечественной платформы больше возможностей по импорту и экспорту рабочих файлов в различные форматы. 

Одновременно преимуществом и недостатком является гибкая система лицензирования. Её плюсы очевидны, а минус в том, что порой в ней трудно разобраться даже опытным пользователям.

nanoCAD положительно выделяется возможностью более удобной, по сравнению с другими САПР, работы в российских операционных системах «Астра Линукс», «Альт Линукс» и «РЕД ОС».

КОМПАС

Программа Компас - это разработка отечественной компании «АСКОН». Программа представляет собой универсальную САПР, позволяющую осуществлять оформление как двумерных, так и трёхмерных документов по ГОСТ в полном соответствии с ЕСКД, ЕСТД и СПДС. Система нашла своё применение в таких отраслях, как машиностроение, автомобиле-, судо-, авиастроение, приборостроение, архитектура и строительство.

Помимо основного программного пакета, компанией АСКОН создано множество утилит и дополнений для самого Компас, а также отдельных программ, способных работать в режиме интеграции с образовfнием CAD/CAE/CAM-системы. Компанией разработана и собственная PLM Лоцман: применяемая комплексно вместе с остальным ПО, она формирует единую полифункциональную систему эффективной и полноценной конструкторско-технологической подготовки производства.

К числу возможностей САПР Компас относятся:

• трёхмерное моделирование: от твердотельного и листового до поверхностного и объектного;
• создание различных форм документации: чертежей, схем, таблиц, а также спецификаций, извещений, ведомостей, технических условий и прочих документов;
• выполнение инженерных расчётов;
• импорт и экспорт в различные типы файлов;
• интеграция с другими программами, программными пакетами системами, например - PDM/PLM «IPS Search». 

Недостатки:

• Ограниченный функционал по поверхностному моделированию;
• Импортированные из других САПР модели редактируются неполноценно;
• Отсутствует связь между геометрией модели и выставленными на чертеже размерами: после изменения модели приходится вручную обновлять соответствующие размеры;
• Не интуитивный, по мнению многих пользователей, интерфейс.

Для просмотра файлов Компас АСКОН предоставляет бесплатную программу «Компас–3D Viewer».

T-FLEX CAD

Данная САПР тоже является российской разработкой, создана компанией «Топ Системы». T-FLEX CAD используют на предприятиях машиностроения и приборостроении, в аэрокосмической, автомобиле- и судостроительной отраслях. Система эффективно работает в комплексе с «родной» PLM «T-FLEX DOCs».

Возможности и особенности платформы:

• Моделирование сборок без ограничений на количество деталей и сложность иерархии;
• Каркасное, поверхностное 3D и твердотельное моделирование;
• 2D и 3D проектирование с параметризацией;
• Автоматизированное создание документации в соответствии с ЕСКД;
• Единый формат *.grb для различной документации;
• Ассоциативная связь между чертежом и моделью. 

Для T-FLEX CAD доступны дополнительные модули, которые увеличивают возможности для проектировки. Среди них можно выделить приложение «Расширенный импорт» (прямое чтения форматов данных других САПР), «T-FLEX VR» (проектирование в виртуальном пространстве), «T-FLEX Анализ» и «T-FLEX ЧПУ».

Недостатки:

• Повышенные требования к определению геометрии и привязок при конструировании;
• Усложнённая система создания сопряжений в сборках;
• Для реализации многих функций необходимо вручную прописывать различные параметры.

Для просмотра и печати чертежей и 3D-моделей «Топ-Системы» предлагает бесплатную программу T-FLEX Viewer.

Итоги

Учитывая то, какие возможности автоматизации предлагают современные системы проектирования изделий, а также то, как благодаря им же оптимизировался труд современного специалиста, сам собой отпадает вопрос, нужны ли САПР как таковые. Они уменьшают сроки разработок, минимизируют количество возможных ошибок, многообразно визуализируют проекты и, как итог, повышают качество производимого продукта одновременно со снижением его стоимости. Вопрос остаётся лишь в том, какую систему выбрать.