Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по областям применения, по целевому назначению, по специализации программных средств, по способу организации внутренней структуры САПР, по возможности функционального расширения системы пользователем, по способу создания изменяемых прототипов [1, 3, 7, 13, 19, 26, 27, 44].
По областям применения различают следующие системы:
- проектирование машиностроительных изделий (детали, узлы, механизмы различного назначения);
- проектирование микроэлектроники (принципиальные и монтажные схемы, печатные платы, автоматическое размещение элементов изделий, автоматическая трассировка);
- проектирование электротехнических изделий (разработка принципиальных схем и схем подключения электротехнического оборудования, его пространственная компоновка, ведение баз данных готовых изделий);
- проектирование архитектуры (трехмерное проектирование архитектурно-строительных конструкций, расчет специальных конструкций типа крыш, типовые статические расчеты строительных конструкций, ведение баз данных стандартных элементов, планирование территорий под строительство);
- проектирование оборудования промышленных установок и сооружений (создание принципиальных схем установок, пространственная разводка трубопроводов и кабельных трасс, проектирование систем отопления, водоснабжения, канализации, электроснабжения, вентиляции и кондиционирования, ведение баз данных оборудования, трубопроводной арматуры, готовых электротехнических изделий);
- проектирование изделий специализированного назначения (мебель, одежда, обувь и т.д.).
По целевому назначению классифицируют следующие САПР.
1. CAD-системы (сomputer-aided design) – системы компьютерного проектирования. Предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации. Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали), оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.).
2. CAM-системы (computer-aided manufacturing) – автоматизированные системы технологической подготовки производства. Предназначены для планирования, управления и контроля операций производства. Включают в себя два типа систем:
- CAPP-системы (computer-aided process planning) – автоматизированные системы планирования процессов производства. Задача CAPP-системы составить план производства изделия, называемый операционной, или маршрутной, картой. Данный план содержит указания о последовательности технологических и сборочных операций, используемых станках и инструментах. Технологическая подготовка производства всегда осуществляется по имеющейся базе данных типовых техпроцессов, применяемых на конкретном предприятии;
- NC-системы (numerical control) – системы числового программного управления. Предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.
3. САЕ-системы (computer-aided engineering) – системы инженерного анализа. Представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную группу задач: расчеты на прочность, анализ и моделирование тепловых процессов, расчеты гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе.
4. PDM-системы (product data management)– системы управления производственной информацией. Представляют собой инструментальные средства, которые помогают администраторам, конструкторам, инженерам, технологам и другим специалистам управлять как данными, так и процессами разработки изделия на современном производственном предприятии или в группе предприятий-смежников. Системы PDM следят за большими, постоянно обновляющимися массивами данных, необходимыми на этапах проектирования, производства, поддержки эксплуатации, сопровождения и утилизации технических изделий. Системы PDM интегрируют информацию любых форматов и типов, поступающую от различных источников, предоставляя ее пользователям уже в структурированном виде, причем структуризация привязана к особенностям современного промышленного производства. Наряду с данными, PDM-системы управляют и проектом, контролируя информацию об изделии, об утверждении вносимых изменений, осуществляя авторизацию и другие операции, которые влияют на данные об изделии и режимы доступа к ним каждого конкретного пользователя.
По специализации программных средств различают следующие системы:
- узкоспециализированные утилиты – предназначены для выполнения локальной функции системы, например, быстрого просмотра файлов моделей и чертежей, преобразования файлов различных форматов;
- специализированные системы – позволяют автоматизировать комплекс задач, связанных с достаточно узкой областью проектирования или подготовки производства (системы гибки листовых деталей, проектирования оснастки для холодной штамповки, подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, контрольно-измерительных систем);
- универсальные системы – позволяют создавать изделия самого широкого профиля. Большинство машиностроительных САПР можно отнести именно к универсальным системам;
- комплексные системы – предназначены для решения проблем проектирования и подготовки производства высокосложных изделий (например, судостроительные системы).
По способу организации внутренней структуры САПР выделяют следующие системы:
- нерасширяемые системы – используют стандартный набор взаимосвязанных модулей, реализующий все основные функции системы. Изменение функциональных возможностей системы требует модификации исходного программного кода и перекомпиляции системы. Подобный подход использовался в ранних САПР;
- масштабируемые модульные системы, формируемые вокруг базового ядра. Ядро таких систем включает все требуемые базовые средства построения двухмерной и трехмерной графики, средства диалога с пользователем, базу данных графической информации и позволяют компоновать специализированные системы на базе свободно подключаемых модулей, учитывающих специфику работ пользователя. Большинство современных систем построено именно по этому принципу;
- горизонтально расширяемые модульные системы.
Интегрирующим ядром таких систем является диспетчер пользовательской среды, организующий доступ к внешним приложениям и обмен данными с внешними системами. Объектно-ориентированная структура данных и стандартизованный их обмен между приложениями позволяет максимально децентрализовать процесс проектирования и упростить подключение специализированных модулей. Такой подход, например, успешно реализован в системе Euclid Quantum фирмы MATRA Datavision. Эта технология в настоящее время считается наиболее перспективной.
По возможности функционального расширения пользователем различают следующие системы:
- закрытые системы не имеют средств индивидуальной настройки и возможности расширения системы пользователем;
- системы с настраиваемой системой интерфейса пользователем обладают возможностью подстройки системы меню, создания диалоговых окон для создания среды, удобной пользователю;
- системы с пакетной обработкой команд имеют возможность выполнения последовательности команд САПР, сформированных в текстовом пакетном файле. Примером могут служить скрипт-файлы системы AutoCAD, позволяющие задавать последовательность команд построения графических примитивов с соответствующими им числовыми параметрами;
- системы со встроенным макроязыком и библиотекой функций обладают средствами для записи макрокоманд или создания новых функций пользователя, позволяющих автоматизировать специфические конструкторские операции. Система AutoCAD, например, имеет встроенный язык AutoLISP;
- системы с возможностью подключения внешних модулей позволяют подключать модули пользователя, написанные на языках высокого уровня типа С++, что значительно увеличивает потенциальные возможности расширения системы. Большинство современных САПР высокого уровня обладают подобной возможностью.
- инструменты разработчика САПР дают возможность, используя набор стандартных библиотек функций, создавать свои собственные приложения для САПР. Инструменты могут включать как отдельные библиотеки функций типа OpenGL для работы с графическими объектами, так и целые интегрированные объектно-ориентированные инструменты.
Современные САПР обычно включают практически весь набор средств индивидуальной настройки и возможности расширения систем пользователем.
По способу создания изменяемых прототипов различают следующие системы:
- неизменяемые готовые блоки вставляются в модель или чертеж в виде элементов, предварительно сохраненных на жестком диске;
- элементы, программно формируемые во внешних модулях, создаются специальными программами в виде текстовых пакетных файлов с последовательностью команд построения объекта или стандартных файлов обмена информацией;
- параметрически задаваемые элементы представляют собой графические объекты, размеры которых связаны между собой в виде взаимозависимых цепочек параметров. Изменение какого-либо одного из них или зависимости, определяющей взаимосвязь нескольких параметров, приводит к соответствующему пересчету по всей зависимой цепочке размеров и соответствующему изменению геометрии модифицируемого объекта;
- адаптивно изменяемые элементы дают возможность достаточно простой корректировки объектов. Указанием курсора мыши на модифицируемые элементы геометрии объекта можно изменить форму контуров или задать в диалоговом окне новую величину определяющего параметра;
- комбинированные методы сочетают адаптивную технологию быстрой корректировки свободных размеров и параметрическую технологию изменения взаимозависимых размеров. В этом направлении развивается большинство САПР.
Структура САПР
Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие [27].
Проектирующие подсистемы выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.
Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.
Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения [23, 24, 25, 27, 32, 47, 49]:
- техническое обеспечение, включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
- математическое обеспечение, объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
- программное обеспечение, представляемое компьютерными программами САПР;
- информационное обеспечение, состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также включающее другую информацию, используемую при проектировании;
- лингвистическое обеспечение, выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;
- методическое обеспечение, включающее различные методики проектирования, иногда к МетО относят также математическое обеспечение;
- организационное обеспечение, представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.
Обычно машиностроительные САПР имеют многомодульную структуру. В составе развитых программных средств САПР имеются следующие подсистемы.
1. Геометрическое (графическое) ядро. Геометрическое ядро реализует основные операции и процедуры геометрического моделирования.
2. Подсистема двухмерной графики, применяемая для получения чертежной документации.
3. Подсистема трехмерного твердотельного (объемного) моделирования. В этой системе реализуются процедуры конструктивной геометрии с использованием базовых элементов формы.
4. Подсистема поверхностного моделирования, используемая для проектирования деталей со сложными поверхностями (лопатки турбин, корпуса самолетов, автомобилей, кораблей).
5. Специализированные модули, ориентированные на проектирование изделий определенного типа, например, штампов, деталей из листовых материалов, литых изделий и т.п.
6. Подсистема САМ для проектирования технологических процессов, синтеза программ для оборудования с ЧПУ, моделирования механической обработки и т.п.
7. База данных, включая архивные и справочные подсистемы.
8. Подсистема инженерного анализа (CAE).
9. Подсистема импорта и экспорта данных с поддержкой ряда используемых графических форматов.
10.Подсистема PDM управления данными и проектированием.