Основы САПР

Современные предприятия не смогут выжить во всемирной конкуренции, если не будут выпускать новые продукты лучшего качества (quality, Q), более низкой стоимости (cost, С) и за меньшее время (delivery, D). Поэтому они стремятся ис­пользовать огромные возможности памяти компьютеров, их высокое быстродей­ствие и возможности удобного графического интерфейса для того, чтобы авто­матизировать и связать друг с другом задачи проектирования и производства, которые раньше были весьма утомительными и совершенно не связанными друг с другом. Таким образом, сокращается время и стоимость разработки и выпуска продукта. Для этой цели используются технологии автоматизированного проек­тирования (computer-aided design — CAD), автоматизированного производства (computer-aided manufacturing — САМ) и автоматизированной разработки или конструирования (computer-aided engineering — CAE).

Автоматизированное проектирование (сотриter aided design — CAD) представляет собой технологию, состоящую в исполь­зовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение, используемое в инже­нерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических программ для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета массинерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция CAD — определение геометрии конструкции (детали механизма, архи­тектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т. п.), поскольку гео­метрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометриче­ского моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших опера­ций в системах CAE и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связан­ных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах. Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированно­го проектирования.

Автоматизированное производство (compute aided manufacturing — САМ) — это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для планиро­вания, управления и контроля операций производства через прямой или кос­венный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое программное управление (ЧПУ, numerical control — NC). ЧПУ заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать, резать, фрезеровать, штамповать, изгибать и иными способа­ми превращать заготовки в готовые детали. В наше время компьютеры способны генерировать большие программы для станков с ЧПУ на основании геометри­ческих параметров изделий из базы данных CAD и дополнительных сведений, предоставляемых оператором. Исследования в этой области концентрируются на сокращении необходимости вмешательства оператора.

Еще одна важная функция систем автоматизированного производства — програм­мирование роботов, которые могут работать на гибких автоматизированных уча­стках, выбирая и устанавливая инструменты и обрабатываемые детали на стан­ках с ЧПУ. Роботы могут также выполнять свои собственные задачи, например заниматься сваркой, сборкой и переносом оборудования и деталей по цеху.

Автоматизированное конструирование (computer aided engineering — CAE) — это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для анализа гео­метрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенст­вования и оптимизации его конструкции. Средства CAE могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических рас­четов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями мо­гут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Программы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко в конструировании используется метод конечных элементов {finite-element me­thod — FEAT). С его помощью рассчитываются напряжения, деформации, тепло­обмен, распределение магнитного поля, потоки жидкостей и другие задачи с не­прерывными средами, решать которые каким-либо иным методом оказывается просто непрактично. В методе конечных элементов аналитическая модель струк­туры представляет собой соединение элементов, благодаря чему она разбивается на отдельные части, которые уже могут обрабатываться компьютером.

Как отмечалось ранее, для использования метода конечных элементов нужна абстрактная модель подходящего уровня, а не сама конструкция. Абстрактная модель отличается от конструкции тем, что она формируется путем исключения несущественных деталей и редуцирования размерностей. Например, трехмер­ный объект небольшой толщины может быть представлен в виде двумерной обо­лочки. Модель создается либо в интерактивном режиме, либо автоматически. Готовая абстрактная модель разбивается на конечные элементы, образующие аналитическую модель. Программные средства, позволяющие конструировать абстрактную модель и разбивать ее на конечные элементы, называются препро­цессорами {preprocessors). Проанализировав каждый элемент, компьютер соби- рает результаты воедино и представляет их в визуальном формате. Например, области с высоким напряжением могут быть выделены красным цветом. Про­граммные средства, обеспечивающие визуализацию, называются постпроцессо­рами (postprocessors).

Существует множество программных средств для оптимизации конструкций. Хотя средства оптимизации могут быть отнесены к классу CAE, обычно их рас­сматривают отдельно. Ведутся исследования возможности автоматического оп­ределения формы конструкции путем объединения оптимизации и анализа. Замечательное достоинство методов анализа и оптимизации конструкций за­ключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания и тестирования реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирова­ния на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизация и усовершенствование (возможные только бла­годаря аналитическим средствам CAE) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

Таким образом, технологии CAD, САМ и CAE заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий проектирования. Развиваясь независимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал ин­теграции проектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризованного ин­тегрированного производства (computer-integrated manufacturing — CIM). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе и превратить их в беспе­ребойно и эффективно работающую систему. CIM подразумевает использование компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предпри­ятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, а не только проектированием и производством, которые охватывались система­ми CAD, САМ и CAE. CIM часто называют философией бизнеса, а не компью­терной системой.

САПР и ГИС: отличие, сходство, единство

В последние годы, в связи с бурным развитием геоинформационных систем (ГИС), рассматривается вопрос их применимости, наряду с САПР, в автоматизированном проектировании автомобильных дорог.

При значительном внешнем сходстве ГИС и САПР имеют принципиальные различия:

Различия по моделям данных

В ГИС выделяются несколько основных типов данных: точки, линии, полигоны, поверхности и растры. Смешение этих данных в пределах одного слоя, как правило, недопустимо. Исключение составляют модели данных типа "сеть" (состоит из узлов, которые соединены дугами) и "покрытие" (как и сеть, состоит из узлов, которые соединены дугами; кроме того, имеются регионы, границы которых задаются дугами).

Одной из причин небольшого числа графических примитивов в ГИС является также то, что исторически они развивались как мелкомасштабные картографические системы, в которых не требуется большого разнообразия графики.

Небольшое число типов данных позволяет строго определить различные пространственные операции: пространственный поиск (в заданном регионе, поиск смежных или пересекаемых объектов), построение оверлеев (объединения, пересечения и разности полигонов), построение буферных зон, зон близости (зон ближайшего обслуживания).

Из-за того, что реальные электронные карты могут содержать тысячи и миллионы графических объектов, в ГИС значительно развиты различные алгоритмические методы для хранения больших объемов данных, быстрого поиска объектов, упрощения данных для быстрого вывода на экран.

В САПР, в отличие от ГИС, используется большое число различных графических примитивов, так как одной из главных задач САПР является получение качественных чертежей. Сложность структуры чертежей САПР не позволяет хранить чертежи в базах данных (а если они и хранятся, то целиком, в виде единого большого поля), а поэтому они хранятся в виде отдельных файлов.

В дорожной отрасли ГИС используются для представления сети дорог на электронных мелкомасштабных картах, для анализа транспортного обеспечения районов, для получения оперативной информации по объектам дорожной сети.

При проектировании дорог ГИС применяются для выбора наилучшего из возможных коридоров варьирования проектируемой трассы с учетом существующей цифровой модели местности (ЦММ).

Различия по атрибутной поддержке

В ГИС, как правило, в одном слое графических данных представляются графические объекты одного типа (например, здания, дороги или реки), имеющие одинаковый набор атрибутов. Таким образом, слой графических данных совместно с наборами атрибутов можно представить как таблицу реляционной базы данных, а, следовательно, и адаптировать соответствующий аппарат баз данных для анализа атрибутов графических объектов. Например, в ГИС можно выделить все дорожные знаки, расположенные на консолях, или дорожные трубы, находящиеся в неудовлетворительном состоянии.

Идеологическая близость моделей данных ГИС и реляционных баз данных позволила создать соответствующие надстройки над различными СУБД для хранения и анализа графических (ГИС) данных.

Одним из принципиальных различий между ГИС и САПР является то, что графический примитив в ГИС является самостоятельным объектом, имеющим свои атрибуты, а в САПР – только изобразительным средством, т.е. частью объекта, а поэтому своих атрибутов, как правило, не имеет.

В САПР же объекты образуются обычно из нескольких графических примитивов, выстраиваясь в иерархии с помощью группировки. Глубокое отличие модели САПР от реляционной модели данных не позволяет полноценно сохранять чертежи САПР в современных базах данных и не позволяет анализировать атрибуты объектов.

В дорожной отрасли наличие атрибутивной поддержки является наиболее важным при решении задач диагностики, паспортизации, инвентаризации, кадастра дорог. В связи со скудностью возможностей атрибутного описания САПР представляется наиболее целесообразным создание информационных систем автомобильных дорог на основе ГИС.

Различия по методам визуализации

В САПР, как правило, графические объекты сразу создаются такими, как они выглядят на экране и печати. В ГИС же понятия модели объекта и его внешнего вида специально разнесены.

Одной из сильнейших функций ГИС является возможность "тематического картографирования", когда для имеющихся геоинформационных данных задаются "визуализаторы", отображающие данные в зависимости от их геометрических и атрибутивных характеристик.

Наиболее распространенными являются:

· отрисовка одинаковым условным знаком всех графических объектов;

· отрисовка разными знаками в зависимости от значений некоторого атрибута;

· отрисовка подписями из атрибутов (автоматическое подписывание объектов);

· отрисовка точками плотности (случайное размещение некоторого числа точек в полигоне, например, чтобы показать плотность населения страны);

· отрисовка диаграмм на объектах, показывающих распределение некоторых атрибутных характеристик объектов;

· отрисовка линий сплайнами, различная декоративная отрисовка.

В САПР внешний вид объекта обычно уже жестко зафиксирован. Иногда проектировщику предоставляется несколько предопределенных вариантов отрисовки.

Еще одной особенностью ГИС является возможность задания немасштабируемых условных знаков и надписей. Этот способ визуализации применяются в основном для отображения на экране компьютера, когда важно быстрое получение информации без изменения текущего масштаба изображения.

В связи с тем, что ГИС и САПР в чистом виде имеют свои сильные и слабые стороны, в последнее время всё большее распространение получают интегрированные графические системы, обладающие возможностями как ГИС, так и САПР. В дорожной отрасли такие комбинированные возможности необходимы, например, для представления комплексных проектов автомобильных дорог на плане местности, когда в мелком масштабе пользователь на экране компьютера видит общую схему сети дорог, а при постепенном увеличении появляются детальные чертежи автомобильных дорог.

В мире существует ряд фирм, которые разрабатывают только ГИС-продукты. Наиболее известными из них являются: ESRI (США) и MapInfo (Канада). Другие производители, такие, как AutoDesk (США) и Bentley Systems (США), разрабатывают на едином графическом ядре (AutoCAD в Autodesk и Microstation в Bentley) как САПР, так и ГИС.

Среди отечественных ГИС наиболее известными являются GeoGraph (ЦГИ ИГ РАН, Москва), КАРТА-2000 (КБ Панорама, Москва), GeoCAD (Геокад, Новосибирск).

Для дорожной отрасли комплексное решение САПР (IndorCAD) + ГИС (IndorGIS) разрабатывается фирмой "ИндорСофт. Инженерные сети и дороги" (Томск).