Какие функции конструктора взяли на себя сапр

Обновлено: 06.01.2025

Чтобы понять, что такое САПР и для чего он нужен в работе, узнаем, как расшифровывается аббревиатура программы – это система автоматизированного проектирования. В этой статье мы узнаем, как появилось и развивалось это программное обеспечение, какие возможности оно открывает для конструирования, и чем отличаются его разновидности.

История создания САПР

Англоязычный вариант названия – CAD, то есть Computer Aided Design. Изначально разработчики добивались плотного взаимодействия человеческих ресурсов и возможностей электронно-вычислительных машин. Путь достижения этой цели короток – существование платформ не длится и полвека. Условно весь период развития можно разбить на три части:

1970-е годы. В это время появилась уверенность, что проектирование теоретически подвергается компьютеризации. Сфера деятельности машины была невелика, в основном упор делался на возможности автоматического черчения. Такие программы получили название САЧ.
1980-е годы ознаменовались появлением микрокомпьютеров, поэтому все силы уходили на создание систем для них. Также этот период положил начало объемному 3D-моделированию с возможностью передачи данных.
1990-е годы окончили формирование базовых понятий САПРа и устранения ошибок и погрешностей. В частности, было убрано препятствие при передаче файла в одном формате на другую компьютерную систему. Когда производители пришли к единому образцу, применение платформы стало доступнее и популярнее.

С тех пор создатели только совершенствуют модели, укомплектовывают новыми функциями и облегчают работу с ними.

Можно назвать следующие ступени эволюции программы:

работа с радиотехникой и электроникой на примитивном уровне в США, 50-е – начало 60-х годов;
схематическое конструирование радиоэлектроники и интегральных схем в СССР, 60-е годы;
первый шаг в развитии автоматизированного машиностроения – создание графической системы «Sketchpad» ученым Сазерлендом в 1963 г.;
появление кривых линий и моделей неправильной формы – 1970 г.;
в 1982 году увидел свет первый продукт компании «Autodesk» – AutoCAD, ставший первым и самым популярным САПРом для инженера.

С этого момента все производители программного обеспечения пытаются превзойти по качеству первоначальный вариант, нужно отметить, что качество некоторых аналогов Автокада уже завоевало почетное место на компьютерном рынке. Альтернативой распространенной платформе является продукт компании ZWSOFT – ZWCAD. Это новейшие технологии в сочетании с классикой систем автоматического проектирования: удобный дизайн, совместимость с форматами других программ, широкие возможности расчета, конструирования и проверки продукта в работе. Невысокая цена в сочетании с отличным качеством делает платформу востребованной во всем мире, тем более, что она переведена на многие языки. Компания предлагает возможность бесплатно протестировать пробный пакет, тем самым давая инженерам шанс «распробовать» аналог Автокада.
Мы много говорили о пользе автоматического проектирования, в чем именно она состоит?

Проектирование наружных инженерных сетей : водоснабжения, канализации, газоснабжения, теплоснабжения.

Возможности и области применения САПР

Основная цель разработки платформы – это повышение эффективности труда инженеров с помощью обеспечения взаимодействия с электронно-вычислительными машинами. Оно достигается следующими факторами:

облегчается процесс конструирования для сотрудников всех отраслей;
уменьшаются сроки завершения проектов в целом;
сокращается начальная стоимость работы проектирования за счет устранения издержек и оплаты многочасового труда работников;
улучшается качество готового продукта и каждого отдельного этапа;
практически убирается статья расходов на тестирование изделий и устранение погрешностей.
Такой результат достигается за счет ряда достоинств автоматизации:
обширная и доступная информационная база, заложенная в структуре программы;
автоматический сбор и классификация всех сопутствующих документов;
возможность системы параллельного конструирования и, соответственно, предоставления объема работ на текущий момент моделирования;
заложенная в программе библиотека готовых решений;
режим проверки и испытаний готового продукта путем математического моделирования;
подбор и предложение максимально выгодных методов моделирования при минимизации расходов;
сбор и классификация информации для наиболее выгодного управления предприятием.

Состав и структура САПР

Это обширная система, которая, не смотря на перевод, не полностью соответствует аббревиатуре CAD. В русскоязычный термин входят три базовых понятия:

CAE (Computer-aided engineering) – программа инженерного анализа, осуществляющая расчет данных.
CAD (Computer-Aided Design) – этап собственно проектирования и построения схем.
CAM (Computer-aided manufacturing) – модуль по управлению результатами деятельности двух предыдущих устройств.

На деле все три технологии взаимодействуют и дают возможности в одной программе осуществлять полный цикл конструирования объектов любой сложности.

Для создания САПРа были привлечены технологии из разных сфер:

основы телекоммуникаций;
методы вычислительных сетей;
широкое математическое обеспечение: от способов вычисления и статистики до элементов искусственного разума;
компьютерные технологии для обслуживания популярных операционных систем и основных языков программирования.

Система автоматизированного проектирования САПР – это программа, которая базируется на двух основных подсистемах: проектирование и обслуживание. С помощью первой осуществляется само построение схем, чертежей. Вторая служит для управления первой.

Вот основные составляющие модули:

Построение двумерных систем и геометрическое 3D-моделирование.
DesPM – Design Process Management – управление процессом конструирования.
PDM — Product Data Management – организация и оптимизация заложенных данных.
Диалоговый модуль – дает возможность эффективного общения пользователя с программой.
Совокупность технических средств – измерительные приборы и инвентарь для построения.
Математическая база, включающая в себя алгоритмы решения проблем и функции преображения данных.
Информационное обеспечение – энциклопедический набор знаний, к которому имеет доступ пользователь.
Языковая надстройка с возможностью перевода текста.
Базовая совокупность средств, необходимых при стандартных ситуациях проектирования.

Классификация САПР

Можно разделять все виды программ согласно следующим критериям:

по отраслевому назначению;
по цели использования;
по масштабам;
по форме основной подсистемы.

Разновидности ПО в зависимости от отрасли

MCAD – mechanical CAD – это сфера машиностроения любой сложности: от ракетных установок и автомобилей до примитивного тостера;
EDA или electronic CAD – это группа радиоэлектронных разработок, необходимая для разработки как целого проекта, так и его элементов: микросхем, плат и других деталей.
AEC СAD или CAAD – программное обеспечение для архитекторов и строителей. Используется для возведения зданий, строительства дорог и элементов инфраструктуры любой сложности.

Классификация по цели использования

Она повторяет три составляющих классического САПРа:

CAD – отвечает за проектирование и создание чертежей;
CAE – модуль для автоматических подсчетов и аналитических процессов;
CAM – подготовка производства и управление всей системой.

Они могут быть как воплощены в раздельных платформах, так и объединены в одной – это комбинированные программы. Также возможны надстройки с соответствующими функциями на базовой комплектации.

Отличия платформы по масштабу комплектации

Есть три типа, они характеризуются расположением от простого к сложному:

Нижний уровень отвечает за конструкторскую документацию. Используется в различных сферах деятельности, когда нужно подготовить отчетную смету.
Средний уровень отличается повышенным контролем за отчетность и возможностью построения 3D-моделей.
Высший уровень обеспечивает наиболее широкий спектр возможностей, сопровождая процесс создания изделия любой сложности от расчетных манипуляций до момента тестирования.

Виды программного обеспечения САПР по характеру базовой комплектации

На основе технической графической методики, двумерного и объемного моделирования. Они настроены на использование с целью проектирования объектов и взаимного расположения элементов схемы. Применяются в большинстве случаев в машиностроении.
На Системе Управления Базой Данных. Такие платформы ориентированы на математические расчеты, использование формул и алгоритмов, оперирование большим количеством информации. Чаще всего используются для создания бизнес-проектов и экономических выкладок.
На базе узкопрофильных модулей, необходимых для специализированных действий в той или иной сфере деятельности.
Интегрированные программные обеспечения, включающие в себя все предыдущие виды. Они сложнее в управлении, но обеспечивают широкий охват возможностей.

Примеры САПР-программ: системы автоматизированного проектирования в действии

Расскажем о наиболее популярных платформах, их плюсах и минусах.

Автокад

Еще недавно он занимал первую позицию на рынке систем конструирования. Софт был разработан еще в 1982 году американскими учеными, он сразу стал популярным, тем более, что на тот момент был уникальным средством компьютерного моделирования. AutoCAD предлагает возможности для инженеров всех сфер, в ее комплектации есть как широкий спектр инструментов, так и специальные модули для узкой профилизации, чтобы не загромождать интерфейс. Таким образом, можно купить наиболее удобную для работы версию. Другой вопрос – в какую сумму это обойдется.
Являясь самой популярной программой во всем мире, Автокад переведен на 18 языков, в частности, на русский. Нашим специалистам понятно все, кроме необходимой инструкции по применению. В своем арсенале продукт имеет десятки разновидностей и тысячи надстроек и модулей. Почему же сейчас все чаще ищут аналог этой системы САПР?

У платформы есть как верные защитники, так и противники. Для первых все приписываемые минусы – это лишь результат недостаточного освоения программы. Вторая группа видит следующие минусы:

Неудобная работа с таблицами. Привычные текстовые редакторы дают больше возможностей использовать этот примитивный способ передачи информации.
Трудность в освоении софта: большой функционал не всегда пригождается каждому пользователю, однако, загромождает интерфейс и приводит к путанице.
Невозможность корректного импортирования чертежей, выполненных в Автокаде, в другие ПО. Это не дает пользователем возможность продолжить работу с другого компьютера, на котором установлена другая система.
Производители уделяют много времени и сил на создание новых надстроек, однако, интерфейс побочных модулей зачастую не проработан.
Основным недостатком является завышенная ценовая политика. Для многих инженеров стоимость Автокада остается запредельной. Тем более редко его устанавливают студенты и начинающие проектировщики. Крупным компаниям тоже становится выгоднее покупать лицензии у производителей с хорошей системой корпоративных скидок.

Таким образом, появляется необходимость в поиске лучшего САПРа, который должен отвечать ряду требований:

оптимальный расширенный функционал, не уступающий возможностям популярного продукта;
приятный и удобный внешний вид, понятный интерфейс, удачное расположение инструментария;
нетрудная система обретения лицензии и последующего продления;
возможность обновлений и добавления профильных надстроек с расширенным специализированным комплектом функций;
легкое импортирование из одной программы в другую, совместимость форматов редактирования;
невысокая цена и система корпоративных скидок.

Какие платформы пришли на замену?

NanoCAD

Распространенный продукт российской компании NanoSoft. Большим плюсом является его родина, в связи с ней, Нанокад ориентирован на правила ГОСТа. Интерфейс остается полной имитацией работы в брендовом модуляторе. Соотносится с другими системами автоматического проектирования и легко импортируется за счет поддержания различных форматов. Имеет возможность доступа в библиотеку заготовленных схем и поддерживает обмен данными с системой NormaCS.

Из минусов выделяют нестабильную работу и частые сбои, долгую загрузку софта. И трудности при редактировании геометрии – затруднена работа со сплайнами и штриховками.

ZWCAD – лучший аналог Автокада

Компания ZWSOFT разработала программное обеспечение, которое обещает быть самым популярным на рынке систем автоматизированного проектирования. Продукт имеет следующие достоинства:

Привычный интерфейс и удобное меню с грамотным переводом на русский язык сделает работу в ЗВКАДе удобной.
Базовая комплектация имеет стандартный набор инструментов, необходимый для продуктивной деятельности инженера. Для узких специальностей компанией представлен ряд дополнительных модулей с расширенным функционалом.
Полная совместимость с другими ПО, в том числе, с Автокадом. Популярные форматы сохранения чертежей и, как правило, отсутствие проблем с результатами разработок в других софтах.
Поддержка как двумерных, так и трехмерных моделей.
Низкая цена и возможность покупки пакета лицензий для локального пользования.
Возможность протестировать демо-версию САПРа.
Консультация специалистов при покупке программы.

ZWCAD подойдет для работ разного уровня сложности как специалистами, так и новичками, студентами.

Выбор хорошей системы автоматического проектирования зависит от личных пожеланий инженера. Эта программа, с которой он будет проводить каждый свой рабочий день. Поэтому необходимо внимательно разобраться с возможностями, которые предлагает платформа.

Компас

Отечественный продукт компании АСКОН изначально планировался как программа для 3D-моделирования. Со временем появились дополнения, позволяющие вести в нем и всю сопутствующую документацию. Он также выигрывает в том, что запрограммирован на соблюдение стандартов ГОСТ. Но софт имеет ряд минусов. Формат чертежей, выполненных в Компасе, не поддерживается прочими схожими платформами. А также имеет скудные возможности в оформлении текста.

На этапах конструкторского и технологического проектирования обеспечивается подготовка основного объема проектной документации, необходимой для изготовления нового изделия (системы). Процесс проектирования реализуется в соответствии с определенным планом, представленным в виде логической схемы построения объекта. Такая схема отображает очередность выполнения основных проектных процедур и операций. С наличием этапов проектирования тесно связаны базовые проектные процедуры, которые можно представить в виде схемы типового процесса проектирования (рис. 6.12). Из схемы видно, что процесс проектирования носит явно выраженный итерационный характер с контурами обратных связей.

Типовой процесс проектирования открывается документом «исходные данные», в который входят: номенклатура и годовой объем выпуска продукции; состав и специализация производственных участков и цехов; маршрутная технология и необходимое оборудование; клас-

Рис. 6.12. Типовой процесс проектирования нового технического объекта (системы)

сификация и кодирование объектов производства и технологических процессов. Следующим этапом является разработка технического задания (ТЗ), которое включает: перечень задач сборочной системы, технико-экономические показатели (ТЭП), технические требования (ТТ) к подсистемам (техническому, организационному и программному обеспечению), состав, содержание и порядок проведения работ.

Разделы ТТ: технология и оборудование; организация производства и труда; АСУ; АСТПП; требования к производственным помещениям. На определенном этапе формирования ТЗ может возникать необходимость в документе под названием «техническое предложение», которое разрабатывается с целью выявления дополнительных или уточненных требований к системе (технических характеристик, показателей качества и др.), не указанных в ТЗ.

К основным этапам проектирования относится: разработка эскизного, технического и рабочего проектов.

Эскизный проект — это совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы системы. На этапе эскизного проекта проводится имитационное моделирование системы с целью уточнения компоновки ее составных частей и выбора оптимального варианта системы по показателям производительности, надежности и окупаемости проекта. По результатам имитационного моделирования выполняется корректировка проектных решений во всей совокупности конструкторских документов.

Технический проект разрабатывают с целью выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции системы и содержащих исходные данные для разработки рабочей документации.

На этапе рабочего проекта создается полный комплект технической документации (конструкторской и технологической) с литерой «О», по которому изготавливается опытный образец системы, проводятся пусконаладочные работы, опытная эксплуатация и внедрение системы. Состав работ в процессе опытной эксплуатации и внедрения системы включает: подбор и обучение обслуживающего персонала; отработку управляющих программ и технических средств; коррекцию эксплуатационной документации и ТЭП; сдачу системы в промышленную эксплуатацию. По результатам опытной и промышленной эксплуатации системы и необходимой коррекции чертежей появляется комплект технической документации с литерой «А», предназначенной для производства установочной серии систем.

Основная задача конструкторского проектирования — реализация функциональных схем, полученных на этапе функционального проектирования, конструирование отдельных деталей, узлов и системы в целом, компоновка узлов из деталей и конструктивных элементов, агрегатов из узлов. Классификация задач конструкторского проектирования показана на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Классификация задач конструкторского проектирования

В группу задач конструкторского проектирования входят:

1) задачи геометрического проектирования — определение геометрических параметров конструкции (например, параметров формы);
2) задачи топологического проектирования — синтез структуры (топологии) конструкции с учетом ее функциональных характеристик;
3) анализ (проверка) качества полученных конструкторских решений.

Геометрическое проектирование включает в себя вопросы геометрического моделирования и синтеза, которые обеспечивают решение позиционных и метрических задач на основе преобразования математических моделей.

Основу топологического проектирования составляют вопросы компоновки, размещения и трассировки, причем к наиболее трудоемкой части относится компоновка конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего. Типичной задачей размещения, например, для электронных узлов является определение оптимального пространственного расположения элементов на коммутационном поле. Критериями и ограничениями здесь оказываются размеры элементов, расстояния между ними, число допустимых пересечений соединений и межслойных переходов и др. Для анализа качества конструкций, кроме структурных моделей, используют модели и методы, характерные для функционального проектирования, что указывает на тесную взаимосвязь функционального и конструкторского проектирования в САПР.

В процессе разработки новой техники конструктор использует систему автоматизированного проектирования (САПР-К). В САПР-К на ЭВМ реализуются следующие основные функции (рис. 6.14):

1) геометрическое моделирование;
2) инженерный анализ и синтез;
3) обзор и оценка проектных решений;
4) автоматизированное изготовление конструкторской документации.

Рис. 6.14. Области использования ЭВМ при автоматизированном проектировании

На этапе синтеза проектных решений проект физического объекта принимает конкретную форму в системе интерактивной машинной графики (ИМГ). При геометрическом моделировании разработчик конструирует графическое изображение объекта проектирования на экране дисплея системы ИМГ, используя:

1) команды, обеспечивающие формирование базовых геометрических элементов, так называемых примитивов (точки, линии, окружности, плоскости, сферы, цилиндры и т. д.);
2) команды преобразования и редактирования геометрической модели, например масштабирование, копирование и удаление, повороты и перемещение изображения и другие преобразования базовых элементов;
3) команды компоновки различных элементов в целостное изображение объекта нужной формы.

Эту информацию (геометрическую модель) запоминает ЭВМ в файлах данных. Впоследствии модель может извлекаться из файлов для анализа и преобразования.

При построении геометрических форм используется геометрическая модель (ГМ) — совокупность сведений, однозначно определяющих геометрическую форму объекта на плоскости или в пространстве (20-, 2,5/)-, 3/)-мерные ГМ). Геометрические модели могут быть представлены совокупностью уравнений линий и поверхностей, алгебраическими соотношениями, графами, списками, таблицами, описаниями на специальных графических языках, например, на языке ЛИСП для АВТОКАДА. Назовем основные геометрические модели.

Аналитические, представляющиеся уравнениями, описывающими контуры или поверхности деталей в декартовой или полярной системе координат.

Алгебраические аналитические, обеспечивающие задание плоских фигур и трехмерных тел, в которых геометрический объект описывается логической функцией условий, выражающих принадлежность точки тем или иным пространственным областям. Например, двухмерная модель С получается из соотношения (рис. 6.15, а)

где А, В — аналитические уравнения соответственно прямоугольника и круга на плоскости.

Канонические, применяющиеся в случаях, когда в геометрическом объекте можно выделить параметры, однозначно определяющие его форму (например, координаты центра и радиус окружности).

Рецепторные, описывающие объект двух- или трехмерной матрицей из нулей и единиц. В плоскости или пространстве строится прямоугольная решетка (сеть), каждая клетка которой рассматривается как рецептор с состоянием 0 или 1. Если рецептор включается в контур, то он считается возбужденным (состояние 1).

Рис. 6.15. Основные виды геометрического моделирования: а — с использованием логических функций; б — каркасная трехмерная модель; в — объемная модель, полученная путем набора из базовых элементов форм (БЭФ)

Каркасные, в которых объект напоминает проволочный каркас с видимыми линиями-ребрами (рис. 6.15, б). Основное понятие в каркасной модели — определитель поверхности, который состоит из геометрической и алгоритмической частей. В геометрическую входит объект и параметры его формы, а в алгоритмическую — правила построения точек и линий.

Кинематические относятся к каркасным, но для получения каркаса используется перемещение в пространстве плоской линии, которая задается параметром. Примеры кинематических моделей — поверхности вращения и линейчатые поверхности.

Монолитные (твердотельные) представляются в виде объемного тела. По сравнению с каркасными они более удобны и перспективны, но требуют больших вычислительных мощностей (по быстродействию и объему памяти). Существует два основных принципа монолитного объемного моделирования:

1) принцип конструирования модели из базовых элементов форм (БЭФ): прямоугольные блоки, кубы, сферы, пирамиды и другие графические примитивы (рис. 6.15, в). Используется CSG модель или С — представление;
2) граничное представление (В — представление). Конструктор изображает на экране контуры или границы объекта (вид спереди, сбоку, сверху и др.), указывая линии связи между ними. Затем производится доводка модели до желаемой формы.

Существуют также и гибридные системы, которые сочетают в себе различные методы построения геометрических моделей. В настоящее время конструкторы располагают современными программными средствами компьютерного проектирования, например Unigraphics и Inventor.

Важнейшей задачей, стоящей перед САПР конструктора, является автоматизация графических работ, с тем чтобы завершить проектирование чертежей в кратчайшие сроки и с минимальными затратами. Первые САПР заменяли конструктору чертежную доску и карандаш. Они использовались для автоматизации чертежных работ, повышения их качества и скорости проектирования, позволяли избавить конструктора от утомительных рутинных операций типа стирания отдельных линий или фрагментов чертежа.

Создавая системы автоматизированного проектирования, разработчики стремятся создать не очередную версию чертежного автомата, а предлагают полностью переосмыслить сам процесс проектирования в машиностроении, выполнять проект на принципиально новом техническом уровне.

Современные САПР позволяют:

• больше времени уделять непосредственно конструированию, а не рутинным повторяющимся операциям;
• автоматизировать оформление значительной части конструк- торско -технологической документации;
• использовать элементы трехмерной графики и трехмерного моделирования;
• использовать Интернет для коллективной работы над проектом. Например, отдельные узлы автомобиля: двигатели, коробки передач, кузова могут проектироваться и изготавливаться в разных городах.

Уже на стадии конструирования изделия конструктору необходимо провести анализ конструкции, проверить взаимодействие деталей между собой, оптимизировать конфигурацию каждой детали, связать в единый процесс компоновку, деталировку и различные типы анализа конструкции.

Графический многооконный интерфейс. Современные САПР предлагают графический многооконный интерфейс, выполненный по стандартам Windows. Для выбора команд используются строка меню, кнопки панелей инструментов, контекстное меню. Пользователь может самостоятельно формировать дополнительные панели инструментов. Работу конструктора облегчают подсказки, настройка разрешения экрана и цветов.

Графический интерфейс современных САПР обеспечивает наглядность и эргономичность выполнения основных операций. Он реализует принцип WYSIWYG (What You See is What You Get — что вы видите, то и получите). В соответствии с этим принципом изображение на экране соответствует тому образу, который мы получаем при печати. При редактировании чертежей используются команды повторения и отмены последних выполненных операций. Можно просмотреть, как будет выглядеть готовый чертеж после печати. На листе можно скомпоновать несколько чертежей. Разработанные чертежи и их фрагменты можно распечатать на плоттерах или обычных принтерах.

Двухмерное проектирование. Для решения простейших задач черчения и конструирования в САПР используется двухмерное проектирование. Автоматизация ускоряет процесс проектирования и редактирования чертежа, позволяет больше времени уделять творческим задачам, а не рутинным повторяющимся операциям.

Задачи, решаемые автоматизацией графических работ, зависят от области применения. САПР, специализирующиеся на машиностроительном черчении (рис. 6.6), как правило, позволяют автоматизировать следующие построения:

• различных фигур на чертеже инструмента: прямоугольников, многогранников, окружностей и т.п.;
• кривых Безье и сплайнов;
• линейных размеров для отрезков (от базовой точки и цепочкой), вертикальных, горизонтальных, угловых, радиальных и диаметральных размеров;
• различных типов штриховки машиностроительных, строительных и других деталей;
• сплошных заливок, заливок по образцам, которые могут быть сформированы пользователем;
• масштабированного изображения в пределах экрана, фрагмента чертежа в произвольном масштабе;
• рамок чертежа, штампов и спецификаций.

При построении сложных чертежей выполняются операции копирования, симметрии, сдвига, поворота, масштабирования и деформации.

Рис. 6.6. Пример построения различных фигур на чертеже инструмента

Конструктор может использовать в чертеже линии различных типов, толщины и цветов, создавать свои пользовательские типы линий. Специальные команды облегчают точные геометрические построения различных фигур. Например, после выбора команды «Дуга» конструктору достаточно задать три точки, и они будут автоматически соединены дугой окружности. Построение чертежа облегчает возможность перемещения объектов, отображение на экране сетки с заданным шагом, которая не будет видна в окончательном чертеже. При работе со сложными чертежами могут использоваться локальные системы координат и разномасштабная сетка.

Для повышения производительности работы конструктора на экране могут высвечиваться точки «привязки». После ввода команды, требующей задания какой-либо точки, достаточно переместить курсор по экрану, чтобы средства «привязки» автоматически распознали характерные точки объектов и показали их, подсвечивая с помощью маленьких информационных символов-подсказок. В качестве стандартных объектных привязок распознаются конечная точка, середина, центр, нормаль, пересечение, касательная. Достаточно указать примерное расположение точки пересечения двух линий — и через нее будет проведена новая линия или кривая.

Ввод текстовой информации, как однострочной, так и многострочной, выполняется с использованием встроенного текстового редактора. Для любой части строки могут задаваться произвольные параметры: управлять цветом, размером и наклоном символов. Имеются средства создания и редактирования таблиц, написания формул и дробей.

Большинство фигур можно построить несколькими способами. Например, построение окружности можно выполнить следующими способами:

• по трем точкам;
• по центру и радиусу;
• по центру и диаметру;
• по двум точкам и радиусу;
• касательно к двум заданным окружностям;
• касательно к отрезку и окружности.

Значения шероховатостей можно выбрать из таблиц стандартных значений, а также задать любое нестандартное значение или определить с помощью переменных. Допуски формы и расположение поверхностей могут автоматически рассчитываться в зависимости от размера и точности, задаваться с помощью переменных или константами. Оформление чертежа облегчают библиотеки, содержащие линии выносок, обозначений базы и допусков формы, типы шероховатостей, линии разреза и сечений.

Буфер обмена, используя технологию OLE, позволяет передавать построенные графические изображения в документы других приложений, например, Word и Excel, которые входят в пакет Microsoft Office. Значительную популярность получили пакеты иллюстративной графики, предоставляющие развитые функции управления цветом, стилем, текстом и обработки изображений. При вставке изображения из внешнего объекта возможно задание положения базовой точки, масштаба, угла поворота, размещение на определенном слое. Экспорт чертежей в ряд форматов (VRML, DXF, IGES) позволяет размещать их на Web-сервере.

Устанавливаемые в России должны удовлетворять требованиям отечественных стандартов по выпуску чертежной документации (в первую очередь ЕСКД).

Управление слоями чертежа. При работе со сложными изображениями на чертеже создают несколько слоев для наиболее характерных элементов. Слой — это совокупность объектов, объединенных по какому-либо признаку, например, при проектировании станка один слой может отображать систему циркуляции смазки, второй — подачу смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания, третий — систему очистки СОЖ и т.д.

Слой представляет собой обособленную часть чертежа, облегчающую систематизацию его элементов. Каждому слою назначают определенный цвет, тип и толщину линии для изображения объектов, лежащих в этом слое. Отдельные слои можно сделать невидимыми для ускоренной прорисовки чертежа или неактивными, если требуется показать их без возможности изменений. Число слоев может измеряться сотнями.

Фактически активным слоем является текущий установленный слой, и надписи, штриховки, размеры и вспомогательные построения при их создании автоматически помещаются на специально предназначенные для них слои. Отдельным элементам слоя можно назначить собственные атрибуты. При выводе на плоттер можно связать его параметры со структурой слоев модели. Это позволяет унифицировать настройки оборудования и упростить его обслуживание.

Хей йо, Хабр! Меня зовут Королёв Николай. Я инженер-конструктор компании BIMeister и при этом успеваю доучиваться в Московском Политехническом Университете на факультете машиностроения. Наш отдел разрабатывает высокодетализированные 3D модели для крупнейших компаний на рынке, к примеру, Газпром, а также внедряет BIM технологии в объектные модели.

Технология САПР

Создание механизмов и машин в условиях прогрессивного роста современных технологий требуют от инженера владения современными методами расчёта и конструирования. При проектировании механизмов машин инженеры-конструкторы обращаются к цифровой модели. Но как её получить? Для разработки таких машин всё больше внедряется технология САПР.

САПР – это автоматизированная система, которая выполняет функции проектирования с упрощёнными способами по внедрению ряда информационных данных и технологий. Отсюда мы получаем главную функцию данной технологии — автоматизация.

Уже многие годы и всё чаще старые методы уходят на задний план. Лишь редкий представитель инженера, но опытный человек в своём деле, предпочитает бумажные чертежи электронным. Именно оптимизация процесса — великий “перестройщик” нашего времени.

Для выполнения разного вида оптимизации САПР делится на несколько типов системы:

CAD (Computer-aided design) - системные комплексы для проектирования,

CAE (Computer-aided engineering) - современные системы инженерного анализа,

CAM (Computer-aided manufacturing) – прописывания алгоритма действий станков с ЧПУ.

Рассмотрим простейшие примеры из жизни.

CAD – это процесс создания объекта с использованием методов его воспроизведения. Например, стул. Ножки, спинка, гвозди, сиденье — это его комплектующие. Молоток, отвёртка, шуруповёрт — способ сборки. Его материал: дерево, сталь — то, из чего делают комплектующие. Рабочий рубит дерево, а на заводе его обрабатывают, чтобы в магазине вы купили необходимые части для своего стула.

Казалось бы, что сложного может быть в создании стула?

Именно процесс создания и подготовки для дальнейшего воссоздания объекта в жизни заменяет нам технология CAD. В свою очередь, такие же жизненные процессы воплощают в себе CAE и CAM системы. Например, CAE сейчас может заменить привычный для любого инженера расчёт на сопротивление материала, а CAM – прописать последовательность выполнения процессов для создания стула. Именно технология САПР позволяет современным инженерам тратить меньше усилий и выдавать наилучший результат.

Пример использования САПР

Теперь, когда мы разобрались, что такое САПР и какие основные направления входят в него, внедрим немного конкретики, и подробно разберём все нюансы на примере.

В рамках проектной деятельности моего университета я разработал выскодетализированную модель «Коробка перемены передачи» по предложенному техническому заданию заказчика на основе патента. Начнём поэтапно.

Проектная деятельность – это отдельное направление, которое присутствует на каждом факультете вуза. Можно выбрать как тематику своего направления, так и вовсе изменить направление. Здесь важно понимать, что в 45% случаев при ведении успешной проектной работы эта тематика используется на защите диплома. Признаюсь, я не стал искать в себе что-то новое, а, наоборот, решил подкрепить уже полученные знания и выбрал своё направление.

На проектной деятельности я контролирую выполнение проектирования объектной модели «отдела моделирования», а также сам попутно принимаю участие в создании 3D визуализации изобретений.

Итак, вернёмся к модели.

По описанию патента и прилежащим эскизом (Рис. 1) была разработана модель (Рис. 2). Работа осуществлялась в программе Autodesk Inventor. При помощи CAD программы получилось не только воссоздать реалистичную модель изобретения, но также внедрить ряд полезных функций, а именно — модель полностью параметризированная. Это значит, что если изобретение пойдёт на эксплуатацию, то будет весьма просто автоматически подобрать просчитанные размеры.

Рисунок 1 - Эскиз изобретения Рисунок 2 - 3D модель "Коробка перемены передач"

Также в рамках данного изобретения была внедрена BIM технология. Давайте разберём, что это такое.

Технология BIM

BIM (Building Informational Modeling) — информационное моделирование зданий (термин 1992 года). Но причём здесь здания, когда мы говорим о механизмах и возможности визуализации их с применением САПР-систем?

Джон Месснер, профессор PennState говорил: «Через десять лет термин BIM исчезнет из употребления, поскольку информационное моделирование станет обычной работой со зданиями».

Важно выделить из цитаты профессора, что ключевое понятие в BIM — это информационное моделирование.

Моё видение такое: BIM — это информационная модель объекта с использованием цифровых данных. Какую ценную информацию мы можем внести в 3D модель. К примеру: вес, материал, стоимость изделия, расчёты, чертежи, визуализация работы механизма и многое другое.

Внедрение BIM

Отдельным вопросом стоит рассмотреть, как внедрить данную технологию в проект.

Внедрение в моём проекте происходило следующим образом: поскольку это должна быть атрибутивная информация, я задал параметры каждому элементу механизма, основные из которых: вес, материал, вычисления прочности, и вычисление стоимости конкретной детали по усреднённым значениям на рынке. Добавил чертежи и визуализацию принципа работы оборудования.

Итогом проекта стал полный пакет информационной модели. Теперь это не только твёрдое тело, но это и носитель информации — он позволяет изобретателю увидеть все параметры, чтобы воссоздать механизм вживую.

Проект получился весьма неплохим, поэтому мне предложили презентовать его на ежегодной студенческой научной конференции. Рассказывать сильно не о чем, примерная выдержка содержится выше, но а итогом стало почётное второе место с разрывом в 0.01 балла.

И конечно, я не мог оставить вас без интерактивной части. Давайте посмотрим на принцип работы механизма по предложенному описанию из патента.

Итоги

Я постарался наглядно показать и рассказать простым языком, что такое САПР, и BIM технологии, и для чего они нужны. Также на примере разработанной модели КПП мы посмотрели, какую актуальность играет CAD и BIM в сегодняшнее время.

Так нужно ли внедрять САПР и BIM технологии при проектировании механизмов? Однозначно, да. Это не просто технология визуализации параметров — это процесс контроля качества изобретения с использованием информационной цифровой модели, который позволяет устранить все ошибки на этапе разработке до начала эксплуатации изделия.

В заключении хотелось бы сказать, что время течёт словно река, а мы лишь следуем его течению.

С вами был Николай и компания BIMeister, оставляйте свои мысли по поводу статьи в комментариях. Пишите, на какие темы вам бы хотелось поговорить в уютном уголке Habr.

P.S. В следующем блоге, мы поговорим на тему актуальности IT образования и внедрения программирования при проектировании.

Моя инженерная практика заставила меня поработать с очень разными продуктами САПР (ProE, UG, SolidW, Revit, Advance steel, AutoCAD, MachCAD, SCAD). Одни инструменты я использую постоянно, другие время от времени, если просят провести проверку или анализ. Знание инструмента проектирования это в первую очередь понимание логического языка программы и если вы владеете несколькими программами, то изучить остальные не представляет сложности, так как по факту меняются только иконки и их расположение. Чем больше программ вы знаете, тем больше специфических задач вы можете решить. Десятилетняя практика использования САПР позволила мне сделать некоторое представление о их развитии, собственно этим и хотел поделиться.

Системы САПР можно разделить на 3 уровня по их внутренней логике и функционалу:

— Системы низкого уровня с закрытой математической моделью построений. Это рисовалки. Их логика очень проста — вы берете, по сути, карандаш и рисуете только не на бумаге, а в векторном пространстве. Вся логика построений исходит исключительно из ваших соображений. Чтобы работать в этих программах вы уже наперед должны определиться с размерами объектов, их характеристиками и геометрией. Т.е. все черчение сводится к многократным итерациям (подгонкам) чертежа под задуманный образ. Безусловно, все это приводит к огромному количеству ошибок. Однако применение различных умных шаблонов для типовых задач (планировка помещений, узлы металлоконструкций) значительно упрощают данный способ черчения.

Например, для соответствия ГОСТ и СНиП хорошо подходит шаблон СПДС. Данные системы проектирования (AutoCAD, Компас, Sketchup и др.) больше подходят для выполнения строительных чертежей, где большинство норм и правил уже прописано и, по сути, все пространство проектирования вертится вокруг уже придуманных узлов, связей, сечений и т.п. Все это породило новый подход к проектированию — это BIM технология, ее следует вынести за рамки, так как ее логика сильно отличается от остальных систем проектирования. О ней чуть позже.

— Системы среднего уровня (самая известная — SolidWorks, хотя в последние годы он практически дотянулся до систем высокого уровня, а так же Invertor и др.). Они имеют открытую математическую модель (дерево модели). Т.е. на любом этапе рисования вы можете отследить предыдущие шаги построения. Данные системы своей логикой принципиально отличаются от систем низшего уровня. Здесь вы работаете, как бы с твердыми телами. Т.е. в математику модели заложена целостность геометрии объектов построения и любые пересечения или не соответствия «твердости» невозможны. Отсюда и термин «твердотельное моделирование». По факту работая в этих программах, инженер обращается с электронными копиями настоящих моделей, что позволяет применять к проектированию сборочную логику. Как это будет происходить на производстве, так и должно быть реализовано в модели. Это убирает огромное количество проблем и уменьшает количество ошибок при проектировании. Однако от самого инженера в этом случае требуется широкий спектр знаний в области требований к объекту проектирования. Эти системы сделали существенный шаг к уменьшению трудоемкости проектных работ по сравнению с системами первого уровня, однако не решили вопроса оптимизации изделий по параметрам, это сделали системы высшего уровня.

— Системы высшего уровня с открытой математической моделью построений с возможностью сквозного анализа модели по установленным критериям (прочность, технологичность, геометрические ограничения и т.д.). Полные возможности данных систем используют только очень продвинутые пользователи и, как правило, только в отраслях с высокими ограничениями и сложными задачами (авиационная, космическая, атомная и т.д.). Т.е. эти системы это передовой край систем проектирования они самые совершенные и сложные. Сложность их заключается в том, что при моделировании программа «заставляет» вас четко определять связь геометрических объектов. Т.е. прежде чем реализовать задуманное в 3D модели вы должны хотя бы приближенно представлять поэлементный характер изделия. Каждая модель характеризуется не менее чем тремя определяющими размерами привязки (плоскость эскиза, глубина эскиза и сам определяющий размер эскиза), каждое позиционирование (сборка) — не менее трех связанных поверхностей или образующих. Для изделия в 10 сборочных единиц минимальное количество определяющих связей – 90 (10х3х3). На практике их всегда больше. В связи с этим, чтобы все собралось верно, очень важно правильно выстраивать связи объектов учитывая огромное количество параметров (прочность, эксплуатация, собираемость, технологичность). Все это заставляет думать и думать крепко, зато верно выстроенная модель способна к адаптации – ее легко менять в зависимости от появления новых требований или ограничений. Именно эти системы при условии верного моделирования позволяют максимально оптимизировать изделие по огромному количеству параметров. К этому типу продуктов относятся три программных комплекса: Unigraphics (NX), ProEngineer, Catia. Логика этих трех систем очень схожа, поэтому выбор, какой пользоваться обычно сводится к личному удобству.

И, наконец, BIM- системы. Это принципиально другой подход к проектированию. По факту BIM системы это структурированные библиотеки возможных решений, которые привязаны к объектам проектирования. Т.е. каждый объект проектирования обладает некоторым набором параметров и характеристик, которые уже в него заложены и пользователю остается только выбрать эти параметры из предлагаемых библиотек в зависимости от назначения элемента или требований заказчика. К таким системам относится Revit, Advance steel, Tekla structures. Эти системы очень упрощают жизнь и несколько снижают требования к квалификации инженера, так как сами уже подразумевают решения проектных задач. По факту работа в данных программах сводится к верному определению параметров конструкции из предлагаемых библиотек. Данные системы удобны именно для строительных объектов, так как объем библиотек строительных решений не велик. Чего этим системам не хватает, так это нормального анализа на требования прочности и устойчивости. Для анализа конструкторских решений по прежнему удобно использовать другие программные продукты (Lira, SCAD).

Это настоящее систем проектирования, а что же нас ждет в будущем? Основная задача систем САПР это сокращение времени проектирования. В этом плане все современные системы превосходят кульман и логарифмическую линейку в сотни раз. Для этого используется три основных инструмента:

— Создание библиотек решений в рамках ограничений, норм и правил проектирования.
— Создание адаптивных сквозных моделей, способных к адаптации.
— Создание коммуникативных сред проектирования (Windchill или Teamcenter и др.).

Все это позволило максимально сократить время проектирования и модернизации изделий.
Однако эти системы хороши, если они применяются на предприятии со своей «школой», т.е. со своей базой решений, требованиями к геометрии, технологии и прочими ограничениями. Если в рамках существующей системы проектирования и производства вы надумаете создать что-то принципиально новое, то столкнётесь с огромными трудностями, вам придется менять «школу», а это очень сложно. Т.е. нужно очень четко понимать, что именно ограничения в проектировании создают возможность выработки устойчивых принципов и рекомендаций к проектированию. Что в свою очередь ограничивает поле возможных решений. В противном случае система сводится к высокой степени неопределённости, которую человеческий разум разрешить просто не может, но именно в ней может находится наиболее эффективное техническое решение.

Фактически сейчас человеческий разум достиг предела применения в качестве главного генератора проектной мысли. Это случилось потому, что наше мышление ограничено количеством логических решений, к анализу которых мы способны. В среднем человек способен просчитать последствия решений на три шага, далее лежат решения с высокой степенью неопределённости.

Расширить эти пределы позволяют математические модели, позволяющие строить длинные программные связи. Т.е. проектирование превратилось в программирование, только вместо кода используются физические параметры среды, самого объекта проектирования и его эксплуатационных требований. Это позволяет проводить огромное количество итераций в поисках оптимального решения. Однако и данный подход себя исчерпал так, как математические модели все равно строятся на общих представлениях человека о том, как должно быть верно.

Таким образом, все проектные решения ограничены представлениями инженеров, о том какими они должны быть, а не максимально оптимальными в рамках данных условий. Т.е. проектные решения ограничены технологией и косностью мышления участников проектирования. Появление 3D печати резко расширило границы технологий и предоставило возможность создавать уникальные изделия. Как только было снято ограничение по технологической форме детали, появились системы поиска оптимальных форм по нагрузке или другим параметрам. Однако форма и материал это еще не комплексное решение проектной задачи, а лишь локальная оптимизация.
Так куда дальше должны стремиться системы проектирования? Так как основной заказчик сложных проектных работ это крупные компании, а крупные компании стремятся уменьшить издержки, то, безусловно, основной заказ к разработчикам следующий:

— Глубокая интеграция проектирования и производства (для уменьшения ошибок проектирования относительно технологических решений).
— Проектирование оборудования совместно с проектированием изделия. Фактически все сводится к тому, что новые качественные оптимальные решения возможны только если меняется их технология производства. Т.е. параллельно должны вестись два процесса проектирования, станочное и самого изделия.
— Применение ИИ для выхода за рамки «школы» проектирования. Т.е. системы ИИ должны быть использованы для:
— на первом этапе — выделения шаблонных проектных решений и их оптимизации в рамках сложившихся на предприятии решений.
— выход из шаблонных решений в сторону комбинирования шаблонов.
— Переход от комбинирования шаблонов к созданию новых гибких моделей проектирования.

По факту проектирование со временем лишится человеческого лица в плане инженерных задач, а начнет больше походить на программирование, т.е. физические и твердотельные модели вообще исчезнут, а будут сразу создаваться математический комплекс решений в рамках математической среды проектирования. Задача человека сведется к составлению наиболее полных и информативных технических заданий, все остальное программный комплекс должен делать сам.

Возможно, это кажется утопией. Но уже сейчас элементы этого не далекого будущего мне приходилось использовать. Например, у меня стояла задача в рамках технологических ограничений составить модель композиционного крыла. Я делал математическую модель в MachCAD, параметризированную модель в ProE, связывал эти файлы на прямую и через макросы и получал на выходе чертежи, которые работали в определенном диапазоне геометрических значений. Таким образом, данная модель для дальнейших пользователей – черный ящик.

Пользователь просто мог выбрать тип профиля, размах, требования к механизации, а на выходе получал чертежи крыла. При этом сам я в большей степени выступал программистом, чем инженером. Если бы в эту схему включить расширенную технологию и системы оптимизации мы бы и получили продукт будущего, но, безусловно, это не простая задача.

Развитие САПР должно быть направленно на исключение человеческого фактора ошибки из систем проектирования. Безусловно, ИИ справится с задачей проектирования эффективнее. Но данное развитие имеет огромное количество противоречий от этических до экономических. Представьте если все проектное бюро «Туполева» или «Сухого» можно будет заменить группой программистов и инженеров аналитиков – потеря рабочих мест, «а вдруг все сломается», «а вдруг ядерный взрыв, а мы кульманы из подвала достанем…». Данные противоречия имеют системный характер и практически не разрешимы. Думаю, мы еще не скоро увидим по-настоящему новые системы проектирования. Релизы всех названных выше программ содержат все меньше и меньше качественных изменений и больше сводятся к удобству пользования и модернизации имеющихся шаблонов.

И, напоследок, хотелось бы отметить одну очень сложную и очевидную проблему русской проектной школы – она так и не имеет своего программного комплекса высшего уровня. У Европы есть NX и Catia у США – ProE – это не просто программные продукты это воплощение школы проектирования и представлений о процессе автоматизации проектирования. И, безусловно от русских разработчиков, хотелось бы получить систему, которая сразу будет на шаг впереди, что-что а догонять у нас, как правило, получается.

Читайте также: