Геометрическое ядро САПР

Ядро служит для точного математического представления трёхмерной формы изделия и управления этой моделью. Ядро геометрического моделирования – это сердце любой системы 3D-моделирования.

Ядро – это библиотека математических функций CAD-системы, выполнение которых обеспечивает построение трёхмерных моделей. Ядро обрабатывает команды изменения модели, сохраняет результаты и осуществляет вывод на дисплей.

Ядро не самоценно, оно создаётся для использования в прикладных программах. Доступ к функциям ядра конечному пользователю открывает CAD-система через графический пользовательский интерфейс. Подобно тому, как двигатель автомобиля определяет «потолок» его скорости, математическое ядро определяет предел функциональных возможностей использующей его САПР. ------> 6,11 мин.

Сегодня в мире существует несколько десятков сравнительно известных математических ядер. Помимо тройки признанных лидеров-«тяжеловесов» (Parasolid от EDS, ACIS от Spatial Corp и Open CASCADE от Matra Datavision) успешно развиваются и менее известные или более молодые геометрические ядра, например такие, как Thinkdesign kernel (think3, Inc.), VX Overdrive (Varimetrix Corp), КОМПАС-3D kernel (АО АСКОН).

При использовании множеством продуктов одного и того же ядра в пределе все они имеют одинаковые возможности и ограничения, а различаются только интерфейсом.

При этом, с одной стороны, мощь математического ядра, используемого САПР, определяет потенциал системы, с другой – сам факт использования системой известного ядра вовсе не гарантирует её качества. Бывает, разработчик объявляет, что его САПР базируется, например, на ядре Parasolid, и на этом основании ставит её в один ряд с известными мощными системами. А на самом деле оказывается, что в этой САПР не открыты для пользователя многие базовые функции.

Существуют три типа ядер геометрического моделирования: лицензируемые, частные и доступные в исходном коде.

Лицензируемые ядра. Лицензируемые ядра геометрического моделирования разработаны и поддерживаются одной компанией, которая лицензирует их другим компаниям для их CAD-систем.Лицензированные ядра могут обеспечивать более прямую совместимость (через форматы обмена, такие как SAT и X_T) между CAD-системами, которые их лицензировали.

В настоящее время в САПР широко используются два типа твердотельного геометрического ядра (Parasolid от фирмы Unigraphics Solutions и ACIS от Spatial Technology).

Parasolid – один из "патриархов" индустрии САПР. Этот механизм твердотельного моделирования появился ещё в 70-х г., а в 1988-м его создателя, компанию Shape Data, купила фирма Unigraphics и начала продавать лицензии на использование этого продукта всем желающим. В результате к настоящему времени это ПО стало одним из наиболее распространённых механизмов трёхмерного твердотельного моделирования: число конечных пользователей уже перевалило за миллион. Parasolid обеспечивает технологию для твердотельного моделирования, обобщённого ячеистого моделирования, интегрированные поверхности свободной формы и листовое моделирование. Это ядро используется более чем в 230 программных продуктах, включая пакеты Unigraphics и Solid Edge фирмы Unigraphics, а также SolidWorks, CADKEY, ANSYS, Pro/DESKTOP и Mechanical Dynamics.

ACIS – это объектно-ориентированная геометрическая библиотека на языке С++, которая включает каркасные структуры, поверхности и твердотельное моделирование, причём поддерживается и гибридное моделирование. ACIS осуществляет вывод в формат файлов SAT, который любая поддерживающая ACIS программа может читать напрямую.

Это ядро было разработано компанией Dassault Systemes, а в 2000 году эту компанию купила другая – Spatial Corporation, и это дало новый толчок для улучшения ядра. После покупки ядра Spatial начала программу по продвижению его на рынке, основная идея которого заключается в том, что разработчики не платят за лицензирование до момента выпуска ими готового продукта на этом ядре.

Parasolid изначально создавался как ядро САПР, это ядро «обкатывалось» и «шлифовалось» на огромном количестве рабочих мест на конкретных задачах. Ядро ACIS создавалось как некая общая математическая модель — оно слишком универсальное, решает множество общих задач. ------> 5,94 мин.

Какое из них лучше? В общем-то, между ними нет большой разницы. Они конкурируют, а значит, что если даже сегодня впереди, например, Parasolid, то через год-другой ситуация вполне может измениться на противоположную. К тому же, у этой сфере довольно сложно найти цифры и факты, объективно отражающие «прогрессивность». Как известно, сравнивая два продукта приблизительно одного класса, всегда можно сформировать такой набор критериев и цифр, по которым заведомо «победит» один из них. Даже честная и беспристрастная сравнительная оценка ядер в любом случае будет субъективна.

Хотя эти два ядра доминируют на рынке механизмов моделирования, немало разработчиков САПР используют собственные геометрические ядра. Они предпочитают иметь полный контроль над своей технологией и не хотят зависеть от других компаний. Такие опасения не лишены оснований. Ведь ещё недавно ситуация в области механизмов моделирования была далеко не спокойной: между поставщиками Parasolid и ACIS бушевала настоящая война; они беспрерывно снижали цены и выпускали новые версии так быстро, что пользователи не успевали на них переходить. Но в 2001 г. воюющие стороны осознали бессмысленность такой изнурительной политики и пришли к соглашению. Договорившись о взаимном лицензировании, они с помощью трансляторов обеспечили возможность обмена моделями между САПР с разными ядрами.

Между прочим, политика лицензирования ядер ACIS и Parasolid ориентирована на производителей и потребителей ПО в странах с развитой экономикой и не способствует их широкому распространению в наших экономических условиях (разумеется, речь идёт о легальном использовании САПР на базе этих ядер).

При использовании покупного ядра его стоимость «закладывается» в цену продукта. Даже за написание модулей импорта-экспорта в форматы покупных ядер нужно платить немалые деньги.

Ядро собственной разработки более гибко и управляемо, изменения вносятся в него настолько оперативно, насколько это требуется самому разработчику САПР. При использовании собственного ядра доля его стоимости в цене готового продукта, как правило, минимальна. Она не зависит от изменений лицензионной политики стороннего разработчика.

К тому же, разработчики САПР, случается, сталкиваются с ошибками как в ACIS, так и в Parasolid. То есть, покупное ядро не означает абсолютную надёжность. А исправлять свои собственные ошибки и проще, и быстрее.

Частные ядра. Частные ядра геометрического моделирования разрабатываются и поддерживаются разработчиками CAD-систем для использования исключительно в своих приложениях. Преимуществом частных ядер является более глубокая интеграция с интерфейсом CAD-приложения. Как результат этого – большие возможности управления системой пользователем – к примеру, неограниченные undo и redo.

Пример частного ядра – Thinkdesign, являющийся основой CAD-системы Тhink3. Оно предоставляет возможность твердотельного, в том числе и параметрического, моделирования, расширенные средства моделирования поверхностей, каркасные структуры и 2D-черчение.

Второй пример – ядро VX Overdrive. Это высокопроизводительное ядро, обладающее возможностями гибридного моделирования. Оно поддерживает параллельное проектирование, проектирование сборки «сверху вниз», а также хранит версии создаваемых моделей. Частью ядра также является CAM-система для планирования производства и разработки программ для станков с ЧПУ. Благодаря этому изменения в спроектированной геометрии тут же отражаются в виде изменений в автоматических операциях производственного процесса. Кроме того, это ядро позволяет разработчикам создавать свои специализированные приложения.

Ядра, доступные в исходном коде. Ядра, доступные в исходном коде, подобны лицензируемым ядрам. Они также разрабатываются и поддерживаются одной компанией и затем лицензируются другим компаниям для использования в CAD-приложениях.

Отличие стоит в том, что разработчики обеспечивают исходный код ядра. Для компаний, которые имеют группы разработки, очень удобно иметь возможность самостоятельно настраивать ядро системы, когда исходный код доступен.

Механизмы этого типа появились позднее лицензируемых и частных ядер и представляют собой некое промежуточное звено.

Наиболее известны два ядра с открытым кодом: Open CASCADE и SMLib. Оба они представляют собой библиотеки функций геометрического моделирования и распространяются с открытым текстом, только между ними есть одно отличие: Open CASCADE можно использовать бесплатно, а за SMLib нужно платить.

Ядро SMLib принадлежит компании Solid Modeling Solutions. Это частная компания, принадлежащая сотрудникам и не имеющая партнёров. Её штат не так уж велик, но они имеют довольно большой опыт в области геометрического моделирования.

Ядро SMLib используют более 200 западных компаний и университетов. Оно имеет уникальную бизнес-модель, по которой продукт распространяется в форме библиотек исходного кода на С++, причём стоимость программного обеспечения не зависит от числа рабочих мест. Через два года покупатель ядра получает на него полное право и может больше не платить за лицензию. Правда, при этом он лишится новых версий и поддержки.

Ядро CASCADE разработала компания Matra Datavision. У этой компании ранее имелась своя довольно известная САПР – Euclid, ядром которой и был CASCADE. Затем компанию купил другой разработчик – Dassault Systemes; ядро стало основой тяжёлой САПР этой компании – CATIA; проект Euclid был закрыт, а ядро – опубликовано в Интернете под названием Open CASCADE. Сейчас оно принадлежит французской компании Principia Research & Development, развивающей ядро и предоставляющей платные услуги по созданию специализированных приложений на его основе.

Среди её заказчиков концерны BMW (система автоматического создания сеток) и DaimlerChrysler (система контроля деталей), французские компании BRGM (трёхмерное моделирование геологических данных) и EADS CCR (интерфейс между системами проектирования и расчётов изделий), японские компании Honda и Yazaki (дизайн мотоциклов), английские компании Flow Solutions (аэродинамические расчёты) и ESS (автоматизация контрольных измерений).

Само ядро создано на языке Visual C++. О начале работы над ним было заявлено ещё в 1993 году; цель, которую ставили перед собой разработчики, – сокращение трудоёмкости разработки новых САПР и систем подготовки производства, а также систем научных исследований. Опыт использования CASCADE показал, что сроки разработок САПР, а следовательно, их стоимость, сокращаются в разы.

С конца 1999 г. система CASCADE существует в двух вариантах: CASCADE и Open CASCADE. Средства CASCADE платные, более развитые и полностью отлаженные. А Open CASCADE доступна для скачивания через Интернет, и в неё допускается добавлять компоненты, разработанные всеми желающими и оттестированные только разработчиками, т.е. не прошедшие официального тестирования.

В одном только 2000 году Open CASCADE скачали с сайта 11 тысяч разработчиков для использования в 64 странах мира, в основном, в Северной Америке и Европе.

Однако всё же проектов на базе ядер с открытым кодом довольно мало. Бывает проще написать свой код, чем разобраться с чужим. Ведь ядро – это огромный программный комплекс, и может быть достаточно сложно в таком комплексе найти и исправить допущенные кем-то ошибки.

А какое ядро лучше: лицензируемое или ядро собственной разработки? История САПР насчитывает уже по меньшей мере сорок лет. За это время практически все известные фирмы неоднократно предпринимали попытки разработки собственных ядер. Так, когда-то Unigraphics работал на собственном ядре; первые версии продуктов Autodesk основывались на ядрах, отличных от ACIS. Кроме них, ядра поменяли SolidWorks – со своего на Parasolid, и CADKEY – со своего на ACIS. Есть и много других примеров. Однако «обратные замены» – отказ от готового ядра в пользу собственного, встречаются гораздо реже.

Всё дело здесь в том, что это экономически выгодно и в конечном счёте окупает все затраты по переходу. Геометрическое ядро – наукоёмкая продукция, для которой действительны те же правила, что и для машиностроительного производства. Заказать узел у завода, который на них специализируется, гораздо дешевле, чем производить всё на одном предприятии. Цена заказного агрегата, безусловно, входит в стоимость готовой продукции. Но она тем меньше, чем больше объёмы производства у поставщика, и в любом случае существенно меньше содержания целого завода с малыми сериями.

В случае геометрических ядер разница в затратах становится ещё больше; однако, помимо цены, надо учитывать и другие факторы, в частности, тестирование на сотнях тысяч рабочих мест. Когда инженер проектирует сложное и ответственное оборудование, будь то двигатель самолёта или система аварийной защиты реактора, он должен быть уверен, что ядро работает с нужной точностью при выполнении всех задач, и что до него уже многие пользователи это проверили, а изделия, полученные при помощи трёхмерного моделирования, изготовлены и работают в реальных условиях.

Все современные промышленные ядра — это 300-600 человеко-лет работы коллективов из десятков и сотен квалифицированных инженеров и математиков, собранных со всего мира в 4-5 центрах разработки. Например, основная группа разработки Parasolid превышает 60 человек, в Spatial Technologies (ядро ACIS) один только алгоритм построения линии пересечения разрабатывает команда из 15 математиков, а алгоритмы построения сопряжения поверхностей группа из 30 человек программирует уже второе десятилетие.

И всё же для разработчиков САПР вопрос о том, что лучше – использовать чужое ядро или сделать его самим, всегда останется открытым. В каждом конкретном случае решение будет приниматься индивидуально, с учётом имеющихся на данный момент факторов. Однозначного ответа нет, так как у каждого варианта есть и преимущества, и недостатки.

А на каком ядре лучше покупать САПР промышленным компаниям? В этом вопросе важны не только возможности ядра и то, насколько оно «отшлифовано», но и то, сколько стоит программный продукт. Многие сравнительно недорогие продукты не имеют каких-либо специальных функций и при этом покрывают 80-90% потребностей предприятия. Поэтому чаще всего предприятие покупает несколько рабочих мест САПР «тяжёлого» класса для выполнения наиболее сложных задач моделирования и десятки лицензий более «лёгкой» и дешёвой САПР для решения оставшихся 90% задач на рабочих местах всех конструкторов. А случаи, когда все рабочие места на предприятии оснащены исключительно «тяжёлой» САПР вроде Unigraphics, и в этой системе проектируются все изделия, вплоть до втулок и манжет, найти, по крайней мере, в России, невозможно. ------> 10,06 мин.