Лекция 5. Обзор современных САПРИстория развития мирового рынка CAD/CAM/CAE-систем Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа. Первый этап начался в 70-е гг. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (80-е гг.) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE-системы массового применения. Третий этап развития рынка (с 90-х гг. до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE-систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность). На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах, присоединенных к мэйнфреймам производства компаний IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ PDP/11 (от Digital Equipment Corporation) и Nova (производства Data General). Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мэйнфреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE-систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, т.к. микропроцессоры были еще весьма несовершенными. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000. Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоев микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 80-х гг. был осуществлен постепенный перевод CAD-систем с мэйнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до $20000. Следует сказать, что в начале 80-х гг. произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК: •часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86; •другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК ее производства работали под управлением ОС Unix от AT& T, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo). Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоемкие приложения. К середине 80-х гг. возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computing RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD-систем. С середины 90-х гг. развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 90-х гг., и их позиции все еще сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас ОС MS Windows NT и MS Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объемам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, $6000 у Pro/Engineer).
Классификация САПР Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы — ядра САПР. По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР: · САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или системами MCAD (Mechanical CAD); · САПР для радиоэлектроники: системы ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation); · САПР в области архитектуры и строительства. Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п. По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты проектирования. Так, в составе MCAD появляются рассмотренные выше CAE/CAD/CAM-системы. По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений. По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР: САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе систем относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например при проектировании бизнес-планов, но они имеются также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые ПМК, например имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по МКЭ, синтеза и анализа систем автоматического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.
Структура и виды обеспечения САПР
Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах. Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering), обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР. Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения САПР: · техническое, включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства); · математическое, объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования; · программное, представляемое компьютерными программами САПР; · информационное, состоящее из базы данных, СУБД, а также включающее другие данные, которые используются при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, база данных вместе с СУБД носит название банка данных; · лингвистическое, выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР; · методическое, включающее различные методики проектирования; иногда к нему относят также математическое обеспечение; · организационное, представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, которые регламентируют работу проектного предприятия.
Требования, предъявляемые к техническому обеспечению САПР
Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства, используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование. Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать: · выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее программное обеспечение; · взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы; · взаимодействие между членами коллектива, работающими над общим проектом. Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти. Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода/вывода данных и, прежде всего, устройств обмена графической информацией. Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть. В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных. Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ), или рабочими станциями (WS — Workstation); ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны существовать средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети. Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.
Какие CAD бывают? Из вышесказанного можно сделать простой вывод: выбирая тот или иной программный продукт, следует чётко представлять круг решаемых им задач: если производство не является, мягко говоря, наукоёмким, то вполне достаточным будет использование лишь 2D CAD систем (большинство мелких частных предприятий машиностроительного профиля, деревообработки, раскроя стройматериалов и т.п., довольствуются простыми эскизами, зачастую полученными от самих заказчиков); 3D CAD системы, хотя и могут иметь в своём составе инструментарий для оформления конструкторской документации, однако предназначены для интеграции всего комплекса инженерных пакетов. Если таковые на предприятии отсутствуют, то использование 3D CAD лишь для создания рабочих чертежей является неоправданным. Таким образом, в данной статье речь пойдёт, в основном, о последних системах, поскольку двухмерные «электронные кульманы» достаточно просты по своей сути и уже давно существует целый ряд AutoCAD-подобных: QCAD, Medusa4 (имеется свободно распространяемая версия), JCad, PythonCAD и др. Итак, определившись с классом систем, необходимо выяснить место, которое будет занимать инженер в процессе подготовки производства. Как правило, это: Технический дизайн; Сугубо конструирование (локальные задачи); Решение технологических задач (в данной статье этот вопрос не рассматривается); Участие в коллективной работе, используя САПР. Технический дизайн (работа с так называемыми free-form поверхностями) по своей идеологии стоит несколько в стороне от моделирования классических машиностроительных деталей и сборок. Это, скажем так, скорее удел художников, работающих в Blender 3D, AC3D, 3DVIA, Wings 3D... Системы, ориентированные на конструирование — это то, о чем далее пойдет речь в данной статье. Основная проблема тут в следующем. Идеология автоматизированного проектирования предполагает уход от бумажного документооборота и стремление к так называемым «безлюдным технологиям». Однако на тех предприятиях, где до сих пор работают станки с ручным управлением, в цехах должны присутствовать рабочие эскизы, маршрутные/операционные карты и т.п. То есть, от CAD систем требуется наличие как 3D, так и 2D-модулей, причём с поддержкой национальных стандартов, чего в идеальном варианте в мире Linux по сей день не существует. И, наконец, касательно САПР. На западных предприятиях практически не используются по отдельности только CAD или CAE, или CAM. Как показала практика, автоматизация лишь отдельных этапов производства не дает желаемого эффекта, а иногда даже тормозит прирост производительности труда. С другой стороны, использование большого количества программного обеспечения разных производителей (соответственно, с разными способами представления или форматами данных) создает множество проблем в части их взаимодействия. Таким образом, становится неизбежным использование какой-либо единой интегрированной системы, связывающей работу конструкторов, технологов, производственников их руководителей и пр. Практически все «тяжелые» САПР: CATIA, Pro/Engineer, Unigraphics и пр., придерживаются подобной идеологии. Естественно, разработка программ данного класса требует колоссальных интеллектуальных затрат и, следовательно, ожидать их увидеть в виде freeware не следует. Наиболее известные и сравнительно недорогие Linux-CAD системы: VariCAD; CollabCAD 2D/3D CAD/CAM; CADDA 2D/3D; VX CAD/CAM; CoCreate OneSpace 2D/3D (в последнее время компания PTC с выходом новых версий своих продуктов практически перестала выпускать их Linux-версии). Рабочее место инженера С сожалением следует констатировать, что в Linux сегодня практически отсутствуют свободно распространяемые CAD пакеты, развитые на таком же высоком уровне, как, скажем, офисные, медиа и пр. Поэтому в сложившейся ситуации видятся следующие пути решения проблемы. Использование свободно распространяемых 2D/3D CAD изначально создаваемых в Linux Парадокс состоит в том, что формирование систем трехмерной (да и вообще) графики началось на базе UNIX. Альтернативная ОС перехватила лидерство лишь в 90-х да и то по причине удешевления и повышения производительности аппаратного обеспечения Intel. Ранее каждое предприятие, учебное заведение или просто энтузиасты писали для своих локальных задач софт, который со временем становился публичным – в результате имеем порядка сотни проектов (см. обзор), которые так и не объединились «под единой идеологией». Среди достаточно развитых и поддерживаемых проектов сегодня лидирующие позиции занимают: GraphiteOne SALOME FreeCAD (by Jü rgen Riegel) K-3D BRL-CAD (не совсем " машиностроительная" CAD) Varkon parametric 2D/3D CAD (имеет достаточно необычный подход к моделированию) Некоторые из этих программ вошли в специализированный дистрибутив CAELinux. Однако тут могут возникнуть следующие трудности: · недостаточно развитая функциональность систем (в принципе это поправимо); · отсутствие поддержки национальных стандартов (наверное одна из основных проблем, т.к. нормоконтроль еще никто не отменял); · отсутствие библиотек; развитой сети обмена моделями; ограничение функций импорта/экспорта (из-за коммерциализации соответствующих форматов) и пр. · человеческий фактор: немолодого конструктора достаточно тяжело переучить не то чтобы перейти на другой CAD, а иногда даже при переходе с одной на другую ОС. По этим причинам давать какие-либо рекомендации не уместно, поскольку в каждом конкретном случае надо просто соизмерять потребности предприятия с возможностями софта. Запуск свободно распространяемых программ, написанных для альтернативной ОС, используя проект wine От специалистов достаточно часто можно слышать, что «графические и инженерные системы стоят очень больших денег, по крайней мере, стоимость ОС при их покупке можно в расчет не принимать» или же «экономически выгодней работать в альтернативной ОС, поскольку там есть весь необходимый софт, что очень важно для сокращения времени подготовки производства». Поэтому следует констатировать тот факт, что существует большое количество графических пакетов, с которыми многие хотели бы работать независимо от ОС. Среди свободно распространяемых CAD можно назвать следующие: DESI-III A9CAD CadStd (есть Free Version) CAD X11 APM Graph LV Это в основном простенькие заменители AutoCAD. Из более серьезных можно назвать: Delcam PowerSHAPE-e 3D Solid Edge 2D Есть еще одна ниша – учебные версии. Некоторые лидеры САПРостроения выпускают в свободный доступ несколько урезанные версии своих программ: T-Flex КОМПАС-3D SolidWorks MicroStation PowerDraft 2D(Bentley) ТехноПро Взять к примеру T-Flex. Учебная версия – это полнофункциональная и полностью соответствующая требованиям ЕСКД система 2D/3D моделирования, которая имеет всего пару ограничений касающихся в основном обмена данными. Если предприятие активно не обменивается с внешним миром конструкторской документацией, то для внутренних нужд этого более чем достаточно (к тому же, как выяснилось, все-таки имеется возможность экспорта 3D моделей через формат POV-RAY). Не будем философствовать о политике компаний и вдаваться в выяснения причин их перехода на Linux, а скажем лишь, то, что вопреки техническим трудностям, использование проекта wine это наиболее простой, быстрый и «безболезненный» способ для инженера начать полноценно работать в новой для него среде. Адаптация достаточно распространенных дизайнерских пакетов для создания технических моделей На сегодняшний день системы трехмерной графики, ориентированные на создание фотореалистичных изображений и анимации, достаточно продвинуты в плане их функциональности. Поэтому при написании новой системы можно было бы посмотреть в сторону адаптации к нуждам технической CAD уже существующих дизайнерских пакетов. В пользу данного предположения, можно привести аргумент, что практически все САПР позиционируются на рынке как гибридные, т.е., содержащие модули не только твердотельного, а и поверхностного моделирования. Яркий пример тому Blender 3D. Около 5 лет назад была предпринята попытка создания BlenderCAD, (которая, к сожалению, не увенчалась успехом). Однако в настоящий момент Blender 3D имеет весь набор команд по созданию технических моделей (функции создания конструктивных элементов, массивов, булевы операции и пр.), все API функции доступны через язык python и как для полноценной 3D CAD, разве что не хватает явной параметризации. К тому же активный интерес к подобным адаптациям проявляется и за рубежом. Так на сайте www.rab3d.com есть пример разработки моделей зубчатых колес, чертежа подшипника (с разрезами, размерами и пр.) по его 3D модели - автор написал достаточно объемное и подробное руководство по применению Blender 3D в техническом моделировании. Таким образом, если речь идет о создании достаточно серьезной 2D/3D CAD, то по нашему мнению это самый быстрый и простой способ.
|
