История САПР в машиностроении

Основными требованиями к промышленному производству являются сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение ее качества. Выполнить эти требования невозможно без широкого использования методов и систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAE/CAD/CAM-систем).

Историю САПР в машиностроении часто разделяют на несколько этапов.

На первом этапе (до конца 70-х годов) был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность автоматизированного проектирования сложных промышленных изделий. Так, теория B-сплайнов была представлена И. Шоенбергом (I.J.Schoenberg) в 1946 г., позднее приведшая к широкому использованию в геометрическом моделировании неравномерных рациональных B-сплайнов (NURBS), предложенных К. Весприллом (K.J.Versprille, 1975 г.). Моделированию кривых и поверхностей любой формы были посвящены работы П. Безье (P.E.Bezier), выполненные на рубеже 60−70-х годов прошлого века.

Проектирование механических изделий заключается прежде всего в конструировании, т. е. в определении геометрических форм тел и их взаимного расположения. Поэтому история автоматизация проектирования в машиностроении связана с историей компьютерной графики. В конце 50-х — начале 60-х появляются системы с выводом информации на электронно-лучевую трубку, это SAGE (Semi Automatic Ground Environment), которая использовалась в составе системы противовоздушной обороны в военновоздушных силах США, и электронная чертежная машина (The Electronic Drafting Machine) компании ITEK. Первой графической станцией часто называют станцию Sketchpad с использованием дисплея и светового пера, представленную в 1963 г. И.Сазерлендом. И. Сазерленд в дальнейшем работал в ARPA, возглавив в этом агентстве департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета. Растровые дисплеи стали применяться в 70-е годы.

В 70-е годы в Lockheed создается программа CADAM (Computer-Augmented Drafting and Manufacturing), а в компании Dassault начинается разработка программы трехмерного моделирования, впоследствии ставщей программой CATIA (Computer-Aided Three-Dimensional Interactive Application).

В 1979 г. разрабатывается графический формат IGES (Initial Graphic Exchange Standard).

На втором этапе (80-е годы) появились и начали использоваться графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun Microsystems с архитектурой SPARC или автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX от DEC под управлением ОС Unix. К 1982 г. твердотельное моделирование начинают применять в своих продуктах компании Computervision, IBM, Prime и др., однако методы получения моделей тел сложной формы еще не развиты, отсутствует поверхностное моделирование. В том же году повляется первая версия программы CATIA с возможностями 3D моделирования и разработки программ для ЧПУ и Джоном Уокером создается компания Autodesk. В следующем году разработана техника создания 3D моделей с показом или удалением скрытых линий. На рынок вышла система Unigraphics, а компания Autodesk выпускает свой первый CAD-продукт Autocad, пока однопользовательскую версию на языке C с поддержкой формата IGES. В 1988 г. создается аппаратура для прототипирования изделий с помощью лазерной стереолитографии по данным, получаемым в MCAD. Также в 1988 г. компания PTC впервые реализует параметризацию моделей. К концу 80-х годов стоимость CAD-лицензии существенно снизилась и тем самым были созданы предпосылки для создания CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения.

Развитие компьютерной графики определялось не только возможностями аппаратных средств, но и характеристиками программного обеспечения. Оно должно было быть инвариантным по отношению к используемым аппаратным средствам ввода и вывода графической информации. Поэтому значительное внимание с 70-х годов уделяется вопросам стандартизации графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.

Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы и в начале 90-х такое деление основывалось на значительном различии характеристик используемого для САПР вычислительного оборудования. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного геометрического моделирования применительно к сборочным узлам из многих деталей. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах. По мере улучшения характеристик персональных компьютеров удавалось создавать сравнительно недорогие системы с возможностями параметрического и ассоциативного 3D-моделирования. Такие системы стали относить к CAD/CAM-системам среднего уровня. Сегодня деление CAD/CAM-систем на САПР верхнего, среднего и нижнего уровней еще сохраняется, хотя и страдает очевидной нечеткостью.

На третьем этапе (начиная с 90-х годов) бурное развитие микропроцессоров привело к возможности использования рабочих станций на персональных ЭВМ, что заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. На этом этапе продолжается совершенствование систем и расширение их функциональности. Начиная с 1997 г., рабочие станции на платформе Wintel не уступают Unix-станциям по объемам продаж.

Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.

Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются CATIA (компания Dassault Systemes), Unigraphics (Unigraphics Solution, ныне развивается в компании Siemens), Pro/Engineer (PTC). Продукты этих фирм доступны с 1981, 1983 и 1987 г. соответственно. Современная версия CATIA v5 представлена в 1999 г. К числу САПР верхнего уровня в 90-е годы относились также EUCLID3 (Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision), но их развитие было прекращено в связи со слиянием компаний.

Так, в 2001 г. происходит слияние компании Unigraphics Solution с SDRC, что означало постепенное прекращение развития I-DEAS и использование удачных решений двух систем I-DEAS и Unigraphics (UG) в новых версиях системы Unigraphics NX.

Еще раньше система CADDS5 была приобретена компанией PTC (Parametric Technology Corp.). Эта компания, штаб-квартира которой расположена в США, основана в 1985 г. бывшим профессором Ленинградского университета Семеном Гейзбергом.

Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Cimatron (Cimatron Ltd.); ADEM (Omega Technology); Mastercam (CNC Software, Inc.); Powermill (DELCAM) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid принадлежат, в частности, Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); SolidWorks (SolidWorks Corp.); MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); Anvil Express (MCS Inc.) и др. Компания PTC в своих продуктах начинает применять разработанное ею в 2000 г. геометрическое ядро Granite One.

В 1992 году корпорация Intergraph, один из ведущих на тот момент производителей CAD-систем для машиностроения, приняла решение о разработке нового программного продукта, целиком построенного на базе платформы Wintel. В результате в конце 1995 года появилась система геометрического моделирования Solid Edge (такое имя получила новая система). В 1998 году к Unigraphics перешло все отделение Intergraph, занимающееся САПР для машиностроения. В это же время Solid Edge меняет геометрическое ядро ACIS на ядро Parasolid. В 1999 год появляется 6-я версия Solid Edge на русском языке.

В 1993 г. в США создается компания Solidworks Corporation и уже через два года она представила свой первый пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе геометрического ядра Parasolid. Система Solidworks вошла в число ведущих систем среднего уровня.

Ряд CAD/CAM систем среднего и нижнего уровней разработан в СССР и России. Наибольшее распространение среди них получили Кредо (НИЦ АСК), Компас (компания Аскон), T-Flex CAD (Топ Системы), и некоторые другие системы.

Система Кредо считается первой отечественной CAD/CAM системой в машиностроении. Она разработана в созданном в 1987 г. Научно-исследовательском центре автоматизированных систем конструирования (НИЦ АСК).

Компания Аскон основана в 1989 г. В нее вошел коллектив разработчиков, который до этого в Коломенском конструкторском бюро машиностроения проектировал систему Каскад. Первая версия Компас для 2D проектирования на персональных компьютерах появилась в том же 1989 г. В 2000 г. САПР Компас распространена на 3D проектирование. В 2003 г. выпущена 6-я версия Компас и PDM система Лоцман.PLM.

Выпуск первой коммерческой версии системы T-FLEX CAD 2. x (TopCAD) относится к 1992 г.

Системы инженерных расчетов и моделирования в машиностроении появились позже систем моделирования в радиоэлектронике. В 1971 г. П. Хэнретти (Patrick Hanratty) основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS), которой суждено на многие годы быть ведущей компанией в области машиностроительных CAE систем. В частности, компания MSC Software разработала или обладает правами распространения таких известных продуктов САПР, как MSC. Nastran, MSC. Patran, ADAMS и др.