Системи cad: цілі створення, склад і структура

Системи CAD це системи автоматизованого проектування, які використовуються для виконання різноманітних проектних процедур із залученням комп`ютерної техніки. Також за допомогою такого програмного забезпечення створюється технологічна і конструкторська документація на окремі будівлі, вироби або споруди. Сучасні системи CAD використовуються в найрізноманітніших сферах діяльності сучасної людини, і практично для кожної є свій унікальний тип таких утиліт.

Що це таке?

Найчастіше абревіатуру CAD прийнято вважати стандартним англомовним аналогом терміна САПР, але насправді це не зовсім так. Системи CAD можна розглядати як повноцінний аналог САПР як організаційно-технічної системи, так як ГОСТ призводить дане словосполучення у вигляді стандартизованого англомовного еквівалента терміна «автоматизоване проектування». Таким чином, на англійську мову термін САПР перекладається більше як CAE system, але в ряді зарубіжних джерел вказується, що термін САЕ є узагальнене поняття, до якого входить застосування будь-яких комп`ютерних технологій в інженерній роботі, включаючи також CAM і CAD.

Навіщо це потрібно?

Системи CAD використовуються в основному для того, щоб максимізувати ефективність і продуктивність роботи інженерів за рахунок повної автоматизації проектування і подальшої підготовки виробництва. Таким чином, за рахунок їх застосування досягаються наступні переваги:

• істотно скорочується термін проектування;
• скорочується кількість праці, необхідної для планування і проектування;
• істотно знижується загальна собівартість виготовлення і проектування, що безпосередньо позначається на експлуатаційних витратах;
• збільшення техніко-економічного рівня, а також якості результатів проведених проектних робіт;
• скорочення витрат, необхідних для випробування і натурного моделювання.

В якості вхідних даних сучасні CAD-системи використовують різні технічні знання експертів, які займаються уточненням результатів, введенням різних проектних вимог, перевіркою отриманої конструкції, її зміною і безліччю інших речей.

Реалізація системи автоматизованого проектування здійснюється в якості комплексу прикладних утиліт, за допомогою яких забезпечується проектування, а також подальше креслення і тривимірне моделювання конструкцій або ж об`ємних і плоских деталей.

У переважній більшості випадків CAD-системи включають в себе модулі моделювання тривимірних конструкцій, а також оформлення креслень і різної конструкторської текстової документації.

Класифікуються ж вони в основному за кількома параметрами:

• різновид і тип даного об`єкту;
• рівень автоматизації процедури проектування;
• складність створюваного об`єкта;
• комплексність процесу автоматизації;
• кількість використовуваних документів;
• характер використовуваних документів;
• загальна кількість рівнів, які будуть присутні в структурі технічного забезпечення.

Цільове призначення

Залежно від того, які реалізуються завдання CAD-систем, вони поділяються на кілька груп:

• Автоматизація тривимірного або двовимірного геометричного проектування, а також створення різної технологічної або конструкторської документації.
• Проектування і подальше створення креслень.
• Ведення геометричного моделювання.
• Автоматизація різних інженерних розрахунків, проведення динамічного моделювання, а також аналізу і симуляції фізичних процесів з подальшою перевіркою і оптимізацією виробів.
• Підклас засобів САЕ, що використовуються для комп`ютерного аналізу.
• Кошти, призначені для технологічної підготовки виробничого процесу різних виробів, що дозволяє забезпечити автоматизацію процедури програмування і подальшого управління обладнанням з ГАПС або ЧПУ.
• Кошти, призначені для автоматизації процесів планування різних технологічних процесів, які використовуються на стику систем CAM і CAD.

Більшість систем автоматизованого проектування можуть поєднати в собі рішення різних завдань, які відносяться до різних аспектів проектування - це комплексна або інтегрована система автоматизованого проектування (CAD).

Загальноприйнята міжнародна класифікація

Сучасна класифікація розподіляє їх на кілька категорій:

• креслярсько-орієнтовані системи, які вперше з`явилися в сімдесяті роки минулого століття, але до цих пір можуть використовуватися в деяких ситуаціях;
• системи, що створюють тривимірні електронні моделі об`єктів, за рахунок чого з`являється можливість вирішення різних завдань, пов`язаних з моделюванням аж до процедури виробництва;
• системи, за допомогою яких підтримується концепція повного електронного опису об`єкта.

Останній тип являє собою технологію, що забезпечує розробку та подальшу підтримку інформаційної електронної моделі протягом усього її життєвого циклу, включаючи концептуальне і робоче проектування, повноцінний маркетинг, виробництво, технологічну підготовку, експлуатацію, а також утилізацію і ремонт.

У сучасній технічній і навчальній літературі, а також різних державних стандартах абревіатура САПР трактується як «Система автоматизованого проектування», але при цьому найбільш точно тут відповідає поняття «Система автоматизації проектних робіт», але воно є більш важким для сприйняття, тому зустрічається на порядок рідше . Нерідко трапляється так, що, проводячи проектування в системах CAD, можна помітити некоректне тлумачення «Система автоматичного проектування», хоча насправді це за своєю суттю помилково. Не варто забувати про те, що поняття «автоматичний» передбачає повністю самостійну роботу системи без необхідності в будь-якому участю людини, в той час як САПР все-таки вимагає виконання деяких завдань самою людиною, а повна автоматика відноситься тільки до окремих процедур і операцій .

Не зовсім вірним є також таке поняття, як «Програмний засіб автоматизованого проектування», так як його можна назвати занадто вузько. Звичайно, на даний момент САПР розглядається виключно як прикладного програмного забезпечення, необхідного для проведення проектної діяльності, проте насправді у вітчизняній літературі і різних державних стандартах САПР розглядається як більш об`ємне поняття, в яке входять не тільки програмні інструменти.

САПР в стоматології

Переважна більшість сучасних стоматологічних клінік використовує CAD. CAD-системи в стоматології застосовуються для виробництва високоякісних зубних протезів, вже більш ніж десять років використовуються для виготовлення абатментів для імплантів, коронок і всіляких протезів, причому всі ці вироби відрізняються відмінною якістю і високою точністю. Суть даної технології полягає в тому, що спочатку проводиться тривимірне моделювання створюваної конструкції на комп`ютері, і тільки потім вже, використовуючи проектну модель, здійснюють виготовлення на фрезерному блоці.

Таким чином, стоматологи отримують масу переваг за рахунок застосування в своїй роботі технології CAD. CAD-системи в стоматології застосовуються найчастіше в такий спосіб:

• спочатку лікар проводить зняття зліпка, який потім відправляється в лабораторію;
• після доставки зліпок поміщають в спеціалізований сканер, який створює модель майбутнього виробу;
• в справу вступає CAD-система: 3D-модель перетворюється в спеціалізований файл, який буде служити джерелом даних для фрезерного блоку;
• використовуючи отриманий файл, на фрезерному блоці здійснюють виробництво каркаса зі спеціальної заготовки, зробленої з оксиду цирконію;
• в кінцевому підсумку вийшов каркас ретельно покривається керамічною масою і запікається.

CAD / CAM-системи в стоматології дозволяють виготовляти коронки з діоксиду цирконію, які відрізняються від металовмісних виробів масою переваг. Самі по собі ці вироби практично не мають ніяких відмінностей за кольором від природних зубів, так як вибір відтінку здійснюється ще в процесі виробництва каркаса. Далі каркас ретельно покривається особливою керамічною масою, що має напівпрозору і світлопроникний структуру, а також включає в свою палітру досить широкий спектр кольорів, завдяки чому виходить виготовляти коронки, схожі на природні зуби.

Сам по собі оксид цирконію відрізняється високою биосовместимостью, навіть якщо порівнювати його з дорогоцінними металами, і являє собою гіпоалергенних матеріал, що підтверджено в процесі проведення цілого ряду наукових клінічних досліджень. Однак насправді коронки, засновані на каркасі з оксиду цирконію, є далеко не єдиним видом виробів, для виготовлення яких використовуються CAD / CAM-системи. ЧПУ-верстат на основі таких технологій дозволяє виготовляти:

• різні мостовидні протези;
• тимчасові коронки;
• індивідуальні абатменти.

Крім вже зазначеного діоксиду цирконію, в процесі виготовлення можуть застосовуватися найрізноманітніші матеріали, включаючи пластмасу, віск, кобальт і титан, хром.

У чому переваги?

Дані технології забезпечують такі переваги, як:

• максимально можлива точність виготовлення з незначними відхиленнями;
• повна автоматизація процесів виробництва, яка практично повністю виключає ймовірність появи помилок;
• можливість використання цілого ряду матеріалів;
• можливість проведення процедур моделювання та виробництва виробів в різних місцях;
• гранична продуктивність будь-яких проводяться процесів.

САПР в машинобудуванні

CAD-система (T-FLEX CAD і інші) знайшла досить широке поширення в області машинобудування, яке різниться на три рівні - нижній, середній і верхній. Такий поділ з`явилося на рубежі вісімдесятих-дев`яностих років минулого століття.

Нижній рівень включає в себе CAD / CAM / CAE-системи з невеликою вартістю, які в основному орієнтуються на 2D-графіку, тобто спрямовані в основному на забезпечення автоматизації креслярських робіт. В якості технічного забезпечення легких САПР використовувалися персональні ЕОМ, які вже на той момент істотно поступалися по функціоналу повноцінним робочим станціям.

Системи верхнього рівня, або, як їх ще прийнято називати, важкі САПР, розроблялися для того, щоб використовуватися на всіляких основному комплекті чи робочих станціях. Такі системи виявилися набагато більш універсальними, але в той же час мали і досить високу вартість, орієнтуючись в основному на поверхневе і твердотельное моделювання. Оформлення різноманітної креслярської документації в них часто проводиться за допомогою попередньої розробки спеціальних геометричних тривимірних моделей. Після цього системи, в яких функція 3D-моделювання обмежувалася виключно твердотільними моделями, тобто займають проміжне положення між важкими і легкими, отримали власний, середній рівень.

На сьогоднішній день розвиток САПР вже призвело до того, що в більшості систем середнього рівня почали з`являтися спеціальні засоби поверхневого моделювання, а функції, доступні для використання в персональних ЕОМ, стали також прийнятними і для сучасних систем верхнього рівня. За рахунок цього змінилися навіть ті принципи, за якими раніше здійснювалося відмінність середніх і важких систем. Сучасні CAD-системи важкого рівня тепер прийнято називати CAE / CAD / CAM / PDM, тобто такими, які одночасно містять у собі такі можливості, як:

• технологічне і конструкторське проектування;
• інженерний аналіз;
• управління проектною інформацією;
• розширений склад спеціальних програмних модулів.

На відміну від них, сучасні системи середнього рівня прийнято називати mainstream, mid-range або просто серійними.

Системи одного рівня можна назвати по функціональним можливостям приблизно рівноцінними, так як якісь нові досягнення, що з`являються в певному програмно-методичному комплексі, вже найближчим часом будуть реалізовані в нових версіях інших. В САПР великих компаній досить часто прийнято комбінувати одночасно кілька систем різних рівнів. Найчастіше це пов`язано з тим, що практично всі процедури конструювання можуть проводитися на CAD-системах середнього та нижнього рівнів, а крім цього, важкі є занадто дорогими. Саме з цієї причини підприємства купують ліцензії програм верхнього рівня в досить обмеженій кількості, а переважна більшість сучасних клієнтських баз забезпечується за рахунок нижнього і середнього рівнів.

При цьому досить часто трапляється так, що CAD / CAE-системи можуть мати певні проблеми в плані обміну інформацією між собою, але подібні негаразди вирішуються за рахунок застосування спеціальних форматів і мов, прийнятих в CALS-технологіях, хоча для забезпечення неспотвореної передачі геометричних даних через проміжні уніфіковані мови доводиться долати якісь труднощі.

структура

Як і будь-які інші складні системи, CAD включають в себе декілька підсистем, які можуть бути проектують або обслуговуючими.

Перші займаються безпосереднім виконанням різноманітних проектних робіт. Як приклад таких можна навести підсистеми тривимірного геометричного моделювання всіляких механічних об`єктів, схемотехнического аналізу, створення конструкторської документації або ж трасування з`єднань друкованих плат.

Обслуговуючі підсистеми призначаються для того, щоб забезпечити нормальну працездатність проектують, а їх комбінацію досить часто серед фахівців прийнято називати системної середовищем САПР. Як типові обслуговуючих підсистем часто використовуються бази управління проектними даними, всілякі підсистеми розробки та подальшого супроводу програмного забезпечення CASE, а також навчальні, призначені для полегшення освоєння користувачами технологій, реалізованих в CAD.

Структурування по різним аспектам дозволило з`явитися видам забезпечення САПР, яких сьогодні виділяють всього сім:

• технічне, яке включає в себе різні апаратні засоби;
• математичне, що об`єднує різноманітні математичні методи, алгоритми і моделі;
• програмне, що представляє собою комп`ютерні програми САПР;
• інформаційне, до складу якого включені бази даних, системи управління цими базами, а також багато іншої інформації, що використовується в процесі проектування;
• лінгвістичне, що виражається у вигляді язиків спілкування між ЕОМ і проектувальниками, мовами обміну даними між технічними засобами CAD і мовами програмування;
• методичне, в яке входять всілякі технології проектування;
• організаційне, виконане у вигляді посадових інструкцій, штатних розкладів та іншої документації, за допомогою якої здійснюється регламентування роботи проектних підприємств.

Варто відзначити, що вся сукупність інформації, яка застосовується в процесі проектування, фахівцями називається інформаційним фондом CAD. База даних являє собою упорядковану сукупність інформації, в якій відображаються різні характеристики об`єктів і їх взаємозв`язок в певній предметної області. Доступ до бази даних для вивчення, записи і подальшого коректування даних проводиться через СУБД, а сукупність СУБД і БД прийнято називати БНД, тобто банк даних.

Класифікація

Системи проектування CAD / CAM класифікуються за цілою низкою ознак, таких як додаток, цільове призначення, масштаби (наскільки комплексно вирішуються поставлені завдання), а також характер базової підсистеми.

За додатків серед найбільш популярних і представницьких варто виділити наступні групи САПР:

• використовуються в сфері загального машинобудування (за рахунок чого їх прийнято називати машинобудівними);
• використовуються в сфері радіоелектроніки;
• використовуються в сфері будівництва та архітектури.

Крім цього, існує також досить велика кількість спеціалізованих систем або виділяються в перерахованих групах, або представляють собою цілком самостійне відгалуження класифікації. Як наочний приклад можна привести САПР великих інтегральних схем, електричних машин, літальних апаратів і ще цілий ряд інших.

За масштабами розрізняються окремі програмно-методичні комплекси, включаючи комплекс перевірки міцності різних механічних виробів відповідно до методу скінченних елементів або ж комплекс перевірки електронних схем, а також системи з унікальною архітектурою не тільки програмного, але ще і технічного забезпечення.

Базова підсистема

Тут існують такі різновиди CAD:

• На основі підсистеми геометричного моделювання та машинної графіки. Такі САПР в основному орієнтуються на різні додатки, в яких в якості основної процедури проектування виступає конструювання, тобто чітке визначення просторових форм, а також взаємного розташування об`єктів. Саме тому в цю групу входять багато САПР зі сфери машинобудування, засновані на базі графічних ядер. У наш час досить часто прийнято використовувати уніфіковані графічні ядра.
• На основі СУБД. Вони в основному орієнтуються на ті додатки, в яких є можливість, проводячи щодо нескладні математичні розрахунки, переробити досить великий обсяг інформації. Їх часто можна зустріти в техніко-економічних додатках, таких як проектування бізнес-планів, але при цьому нерідко їх використовують і в процесі проектування великих об`єктів на зразок щитів управління в автоматичних системах.

Крім цього, існують також комплексні САПР, в які входять підсистеми всіх попередніх видів. Як характерні приклади таких комплексних систем варто привести програмне забезпечення, яке активно використовується в сучасному машинобудуванні, або ж САПР БІС. Останній включає до свого складу СУБД і різні підсистеми проектування компонентів, функціональних і логічних схем, топології кристалів, а також тести для аналізу придатності виготовлених виробів. Для того щоб забезпечити нормальне управління такими складними програмами, прийнято використовувати спеціалізовані системні середовища.