Эволюция 3D-САПР проектирования

Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (или САПР) используется художниками-графиками, архитекторами, дизайнерами интерьеров, инженерами и многими другими при создании эскизов, технических чертежей, визуализаций для различных целей.

Генеральные подрядчики, строители, производители и смежные области используют эти возможности для представления готового проекта, а также для облегчения создания самого продукта. Термин «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ, которые в англоязычной терминологии называются CAD/CAM/CAE. Другими словами, это ПО для автоматизированного проектирования (CAD), подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (CAE). Существуют САПР и для других областей — разработки электронных приборов, строительного проектирования, но они имеют свою специфику.Идея автоматизировать проектирование зародилась в конце 50-х годов прошлого века, почти одновременно с появлением коммерческих компьютеров. А уже в начале 60 системы подготовки производства.

3D CAD дизайн позволяет манипулировать, извлекать и отображать надежные технические данные в реалистичную модель. В отличие от плоских чертежей и двумерных чертежей, опции 3D-рендеринга создают виртуальную среду, которая может быть представлена и даже изменена в режиме реального времени. Разумеется, не так уж сложно представить множество важных и разнообразных преимуществ таких рабочих моделей для ряда профессий.

Например, архитекторы-проектировщики и их клиенты могут видеть, как может выглядеть проект, когда он полностью завершен до того, как фундамент заложен. Производители могут создавать виртуальные прототипы нового продукта и видеть его использование и потенциальные проблемы, не создавая физическое устройство. Инженеры могут создавать рабочие трехмерные модели инфраструктуры, которые города используют, чтобы в конечном итоге влиять на основные процессы принятия решений по построению новых дорожных развязок с учетом загруженности магистралей.

Все это, как говорится, не всегда было так. Во времена, предшествовавшие программному обеспечению для автоматизированного проектирования, рисовальщику и женщинам приходилось вручную чертить каждый эскиз и рабочий чертеж, независимо от того, насколько он утомителен (и он всегда был утомительным). Это забирало невероятно много времени и труда.

По истечении этого времени, но еще до появления компьютерного трехмерного моделирования, программное обеспечение для автоматизированного проектирования позволяло выполнять только базовые, фундаментальные, двумерные работы по рисованию.

Хотя это, безусловно, было полезным и улучшением по сравнению с нарисованными от руки методами, оно не заменяло необходимость завершения некоторого физического создания в процессе производства.

Учитывая, как далеко продвинулся этот процесс, стоит взглянуть на то, с чего он начался и как он попал туда, где он сейчас находится. Попутно полезно рассмотреть различные методы и процедуры, благодаря которым 3D CAD спроектировал инструмент, которым он является. Это обеспечивает дополнительный контекст и взгляд на то, как художники, дизайнеры и инженеры теперь делают свою работу более ценной и более эффективной одновременно.

Начало программного обеспечения для автоматизированного проектирования и 3D CAD проектирования восходит к середине двадцатого века. На самом деле, не стоит преуменьшать, что большая часть этого восходит к одному человеку, инженеру по имени Патрик Ханратти, отцу всего этого. В самом начале, когда он вышел из службы, и понятия не имел, что собирается делать, так как до этого его учили быть певцом. Его голосовые связки и легкие были повреждены в результате крушения B-29, в котором он выжил. Он должен был найти другую профессию. Одним из уроков, которые он должен был пройти, будучи стрелком с дистанционным управлением, был компьютерный курс. Компьютеры в те времена означали аналоговые компьютеры. Почти случайно обнаружил свою страсть к вычислительной технике и программированию, отвечая на вопросы газетных объявлений о поиске программистов в его родном городе Сан-Диего после возвращения из службы в ВВС во время корейской войны. Несмотря на отсутствие даже образования в колледже, Ханратти в 1954 году успешно начал карьеру программиста в авистроительной компании Convair. После того как Ханратти был нанят в подразделение Convair компании General Dynamic, он быстро освоил программирование, без какой-либо формальной подготовки. IBM 650 была первой машиной, на которой он работал. И параллельно с этим научился программировать Univac Scientific 1103-A от Сперри Рэнда.

Затем он перешел в компанию General Electric, которая опубликовала в газете объявление о том, что они создают компьютерную компанию в Фениксе, в 1957 году Патрик Дж. Ханратти где создал свой первый CAM-пакет PRONTO (Programme for Numerical Tooling Operations) это был язык системы CAM 2½ оси, который позволял программистам создавать движения инструмента для обработки деталей. Для управления машиной была изготовлена бумажная перфокарта, и она получила премию имени Джозефа Мари Жаккарда [в 1982 году от Общества числового контроля]. Позже - Machine Tool Director (MTD). Примерно в то же время Ханратти также начал работать в области компьютерной графики, что до того момента делали очень немногие.

В 1962 году Ханратти покинул GE, чтобы присоединиться к General Motors Corp. (Детройт), где он был частью команды в исследовательских лабораториях GM, расположенных в Техническом центре автопроизводителя (Уоррен, Мичиган). В GM Ханратти разработал графику для проекта GM DAC (Design Augmented by Computers), работая над экспериментальной обработкой, решая задачи, связанные с трех-, четырех- и пятиосевой обработкой поверхности.

Эта оригинальная программа САПР могла включать в себя адаптивную визуальную графику для пользователя, беспрецедентную разработку в вычислительной технике, пусть даже и двумерную по своей природе.

Первоначально система использовалась главным образом в автомобильной промышленности, и в конечном итоге она устарела, и на ее место пришла другая система.

В 1967 работал в Astronautics Corporation. После того, как Astronautics Corporation была поглощена McDonnel Douglas, из-за этого Ханратти начал свое собственное предприятие в 1970-х годах, чтобы создать и продать новое решение для разработки САПР.

В 1970 Ханратти основал собственную компанию Integrated Computer Systems ICS (позже перименованную в MSC) , где он и его команда разработали систему CAD / CAM для миникомпьютеров Redcor с использованием TPL (язык программирования). Несмотря на высокую оценку, программное обеспечение ICS INTERAPT не стало коммерческим успехом из-за узкой динамики реализации программного обеспечения и того факта, что Ханратти написал код на языке программирования, который на самом деле мало кто знал (это был его собственный, на самом деле), компания не просуществовала долго. В конце концов, Ханратти наконец-то добился коммерческого успеха в новой компании под названием Manufacturing and Consulting Services. Среди продуктов MSC такие известные системы как INTERART, ADAM, ANVILL. Его новое программное обеспечение называлось ADAM (Automated Drafting and Machining). которое в то время считалось единственной коммерчески доступной системой черчения и обработки, и оно учитывало интегративную и адаптивную систему для графического представления, технического рисования и производства.

Он написал программу на широко понятном и используемом языке программирования и создал ее для работы практически с любым доступным в то время вычислительным устройством, что, безусловно, помогло добиться благоприятного результата. С 1980-х годов пришли компьютерные терминалы UNIX, и весь ландшафт изменился. MCS продолжила разработку более механического САПР и программного обеспечения для производства, сначала с пакетом AD-2000, а затем с ПК и системами ANVIL CAD / CAM на базе UNIX. ANVIL был невероятно захватывающим продуктом в то время, потому что он действительно работал хорошо и преодолел ограничения, типичные для продуктов на базе ПК того времени. Тогда Ханратти был уже легендой. Он был блестящим и самоуверенным гением, который был в состоянии, когда он мог делать практически все, что хотел.

Опираясь на новаторскую технологию, которая намного опережала остальную часть рынка, ANVIL-5000 реализовал согласованный пользовательский интерфейс для всех приложений, а также базу данных двойной точности для каркасных, поверхностных и твердотельных моделей и всех приложений, использующих эти данные. Одним из наиболее значительных дополнений стал новый дополнительный модуль моделирования твердых тел под названием OMNISOLIDS, в результате чего был получен один из первых пакетов CAD / CAM для плотной интеграции каркаса, поверхностей и твердых тел.

Многие наблюдатели говорят, 70% трехмерных механических CAD-систем восходят истоком к Ханратти и его программному коду ADAM.

Возможно, Ханратти начал целую область трехмерного графического интерфейса для дизайнеров и инженеров-механиков, но эта технология прошла долгий путь со времен расцвета 1970-х годов.

В результате начали появляться крупные коммерческие системы программного обеспечения для автоматизированного проектирования, такие как CATIA (сокращение от «автоматизированное трехмерное интерактивное приложение»), особенно в автомобильной и аэрокосмической областях.

Тем не менее, только после появления первоначального персонального компьютера IBM мир будет готов к широкому распространению программ САПР.

Возможно, однако, что ни один год не является более важным для программных решений для проектирования САПР, чем в 1982 году. В этом году группа программистов объединилась и создала компанию, известную как Autodesk. Год спустя они сделали свою флагманскую программу AutoCAD доступной всему миру, стоимостью всего 1 тыс. долл. Правда, в те времена ПК были 16-разрядными, и их мощности хватало лишь для двумерных построений — черчения и создания эскизов. Однако это не помешало новинке иметь огромный успех у пользователей.

Это был самый первый известный программный пакет для автоматизированного проектирования, созданный для компьютеров IBM, и снова поле изменилось навсегда.

Выпуск AutoCAD стал важным событием в развитии программного обеспечения для автоматизированного проектирования. У программистов в Autodesk была цель создать продукт, который бы делал почти все, что могли делать другие пакеты САПР в то время, при этом взимая небольшую часть расходов.

При этом Autodesk единолично изменила траекторию программирования САПР, а также коммерческой доступности и доступности в течение десятилетий. Тем не менее, почти все такие программы застряли в двух измерениях.

Программа, которая изменила ландшафт еще раз - и буквально дала миру дизайна другое измерение - была названа Pro / ENGINEER, созданной Parametric Technology Corporation.

Это было решение для автоматизированного проектирования, основанное на трехмерной геометрии и многофункциональных, основанных на значениях операциях для определения аспектов и узлов инженерных или конструкторских проектов. Программа на самом деле все еще используется на ПК Microsoft, хотя сейчас она называется Creo.

Pro / ENGINEER (Creo) также работал на компьютерных терминалах UNIX, поскольку персональные компьютеры не обладали достаточной вычислительной мощностью и скоростью, чтобы надежно использовать такое программное обеспечение, но это все еще было важным поворотным моментом. В конце концов, были выпущены две другие программы-единомышленники, ACIS и Parasolid, каждая из которых заложила основу для других программных пакетов для автоматизированного проектирования и графических решений.

Наиболее бурное развитие САПР происходило в 90-х годах, когда Intel выпустила процессор Pentium Pro, а Microsoft — систему Windows NT. Тогда на поле вышли новые игроки «средней весовой категории», которые заполнили нишу между дорогими продуктами, обладающими множеством функций, и программами типа AutoCAD. В результате сложилось существующее и поныне деление САПР на три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация возникла исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между классами постепенно стираются, они продолжают существовать, так как системы по-прежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям. Следует добавить, что кроме универсальных САПР также выпускаются и различные специализированные продукты, например, для инженерного анализа, расчета трубопроводов, анализа литья металлов, проектирования металлоконструкций и множества других конкретных задач.

Сегодня мир программного обеспечения для 3D-дизайна представляет собой виртуальную индустрию программ и графических пакетов, которые делают практически все, что может себе представить дизайнер или инженер. Вышеупомянутый Autodesk является лидером в области программ САПР, но есть и много других, некоторые из которых предназначены для более узких, более нишевых областей или интересов.

Вот несколько основных примеров современных решений для 3D CAD проектирования: Kompas 3D, 3ds Max, Blender, Cinema 4D, Rhino3D, SketchUp, Fusion 360 и SolidWorks. Хотите верьте, хотите нет, но на самом деле это все популярные решения в этой области, в зависимости от конкретных потребностей дизайнера или инженера.В настоящее время на рынке осталось лишь три САПР верхнего ценового класса — Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Раньше мощных системы было больше, но после череды слияний и поглощений компаний, число пакетов сократилось. Упомянутые компании — лидеры в области САПР, а их продукты занимают львиную долю рынка в денежном выражении. Главная особенность «тяжелых» САПР — обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы — все это результат длительного развития. Однако, эти системы немолоды — CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer — в 1988 г., а Unigraphics NX, хотя и вышла в 2002 г., является результатом слияния двух весьма почтенных по возрасту систем — Unigraphics и I-Deas, полученных фирмой EDS в результате приобретения компаний Unigraphics и SDRC. Несмотря на то, что тяжелые системы стоят значительно дороже своих более «легких» собратьев (десятки тысяч долларов за одно рабочее место), затраты на их приобретение окупаются, особенно когда речь идет о сложном производстве, например машиностроении, двигателестроении, авиационной и аэрокосмической промышленности. Однако крупных клиентов, способных платить за САПР миллионы долларов не так много.

Некоторые из них даже совершенно бесплатны: Blender, Google SketchUp, MeshLab, BRL-CAD, K-3D, MakeHuman, OpenSCAD, что является довольно замечательным показателем того, как далеко продвинулась эта конкретная отрасль с момента ее появления.

Сейчас рынок развивается эволюционно: расширяются функциональные возможности продуктов, повышается производительность, упрощается использование. Но, возможно, вскоре нас ждет очередная революция. Аналитики из Cambashi считают, что это произойдет, когда поставщики САПР начнут использовать для хранения инженерных данных (чертежей, трехмерных моделей, списков материалов и т. д.) не файловые структуры, а стандартные базы данных SQL-типа. В результате инженерная информация станет структурированной, и управлять ею будет гораздо проще, чем теперь.

Работа, которую эти программы способны обрабатывать и визуализировать, поистине замечательна, а в некоторых случаях просто захватывает дух. От архитектурных проектов и рабочих прототипов до интерактивной 3D-графики для развлекательных и медийных компаний, таких как стартап Kino-mo. Будь то дополнение к дому, новая линейка продуктов для производства или даже надежная и интерактивная видеоигра, программные решения для проектирования 3D CAD делают все это как никогда ранее.

Источник