Сучасні підприємства не зможуть вижити у всесвітній конкуренції, якщо не будуть випускати нові продукти кращої якості (quality, Q), більш низької вартості (cost, С) і за менший час (delivery, D). Тому вони бажають використовувати великі можливості пам'яті комп'ютерів, їх високу швидкодію і можливості зручного графічного інтерфейсу для того, щоб автоматизувати і зв'язати одну з одною задачі проектування і виробництва, які раніше були стомлюючими і зовсім не пов'язані одна з одною. Таким чином зменшується час і вартість розробки і випуску продукту. Для цієї мети використовуються технології автоматизованого проектування (computer-aided design -- CAD), автоматизованого виробництва (computer-aided manufacturing -- САМ) і автоматизованої розробки або конструювання (computer-aided engineering -- САЕ). Щоб зрозуміти значення систем CAD/CAM/CAE (всі ці системи разом називаються системами автоматизованого проектування), необхідно вивчити різні задачі і операції, які приходиться вирішувати і виконувати в процесі розробки і виробництва продукту. Всі ці задачі, взяті разом, називаються життєвим циклом продукту (product cycle). Приклад життєвого циклу продукту, описаного Зейдом, з незначними вдосконаленнями приведено на рис. 1.

Рис. 1. Життєвий цикл продукту

Прямокутники, нарисовані суцільними лініями, представляють два головних процеси, які складають життєвий цикл продукту: процес розробки і процес виробництва.

Процес розробки починається з запитів споживачів, які обслуговуються відділом маркетингу, і закінчується повним описом продукту (виконується в формі рисунка). Процес виробництва починається з технічних вимог і закінчується поставкою готових виробів.

Операції, що відносяться до процесу розробки, можна поділити на аналітичні і синтетичні.

Як слідує з рис. 1; первинні операції розробки, такі як визначення необхідності розробки, формулювання технічних вимог, аналіз здійсненності і збір важливої інформації, а також концептуалізація розробки, відноситься до підпроцесу синтезу. Результатом підпроцесу синтезу являється концептуальний проект запропонованого продукту в формі ескізу або топологічного креслення, який відображає зв'язки різних компонентів продукту. В цій частині циклу виконуються основні фінансові вклади, що необхідні для реалізації ідеї продукту, а також визначається його функціональність. Велика частина інформації, яка породжується і обробляється в рамках підпроцесу синтезу, являється якісною, а відповідно, незручною для комп'ютерної обробки.

Готовий концептуальний проект аналізується і оптимізується -- це вже підпроцес аналізу. Перед усім створюється аналітична модель, так як аналізується модель, а не сам проект. Аналітична модель виходить, якщо з проекту знищити маловажливі деталі. Якість результатів, які можуть бути отримані в результаті аналізу, безпосередньо пов'язано з якістю вибраної аналітичної моделі, якою вона обмежується.

Після завершення проектування і вибору оптимальних параметрів починається етап оцінки проекту. Для цієї мети можуть виготовлюватися прототипи. В конструюванні прототипів все більшу популярність набуває нова технологія, яка називається швидким прототипіюванням (rapid prototyping). Ця технологія дозволяє конструювати прототип знизу вверх, тобто безпосередньо з проекту, так як фактично вимагає лише тільки дані про поперечний переріз конструкції. Якщо оцінка проекту на основі прототипу показує, що проект незадовольняє вимогам, тоді процес розробки повторюється спочатку.

Якщо результат оцінки проекту задовольняє вимогам, починається підготовка проектної документації. До неї відносяться креслення, звіти і списки матеріалів. Креслення копіюються, а копії передаються на виробництво.

Як видно з рис. 1, процес виробництва починається з планування, яке виконується на основі отриманих на етапі проектування креслень, а закінчується готовим продуктом. Технологічна підготовка виробництва -- це операція, яка встановлює список технологічних процесів по виготовленню продукту і така, що задає їх параметри. Одночасно вибирається обладнання, на якому будуть вироблятися технологічні операції, наприклад, такі як отримання деталі необхідної форми з заготовки. В результаті підготовки виробництва складається план випуску, списки матеріалів і програм для обладнання. На цьому ж етапі обробляються інші специфічні вимоги, наприклад, можуть розглядатися конструкції зажимів і кріплень. Підготовка займає в процесі виробництва приблизно таке ж місце, як підпроцес синтезу в процесі проектування, вимагаючи значного людського досвіду і прийняття якісних рішень. Така характеристика має складність комп'ютеризації даного етапу. Після завершення технологічної підготовки починається випуск готового продукту і його перевірка на відповідність вимог. Деталі, що успішно пройшли контроль якості, збираються разом, проходять тестування функціональності, упаковуються, маркіруються і відправляються замовникам.

В даному випадку був описаний типовий життєвий цикл продукту. Тепер розглянемо, яким чином на етапах цього циклу можуть бути застосовані технології CAD, САМ і САЕ. Комп'ютери не можуть широко застосовуватися в підпроцесі синтезу, так як вони не володіють здатністю добре обробляти якісну інформацію. Однак навіть на цьому етапі розробник може, наприклад, за допомогою комерційних баз даних успішно зібрати важливу для аналізу здійсненності інформацію, а також користуватися даними із каталогів.

На етапі інтелектуального вибору комп'ютер може зробити свій вклад, забезпечуючи ефективність створення різних концептуальних проектів. Корисними можуть бути засоби параметричного і геометричного моделювання, а також макропрограми в системах автоматизованої розробки креслень (computer-aided drafting). Все це типові приклади систем CAD. Система геометричного моделювання (geometric modeling system) -- це трьохмірний еквівалент системи автоматизованої розробки креслень, тобто програмний пакет, який працює з трьохмірними, а не з плоскими об'єктами.

Програмних пакетів для аналізу напружень, контролю зіткнень і кінематичного аналізу є дуже багато. Ці програмні пакети відносяться до засобів автоматизованого конструювання (САЕ). Головна проблема, яка пов'язана з їх використанням, полягає в необхідності формування аналітичної моделі. Проблеми не було б зовсім якщо б аналітична модель автоматично виводилась з концептуального проекту. Аналітична модель не ідентична концептуальному проекту -- вона виводиться з нього шляхом виключення несуттєвих деталей і редукції розмірностей. Необхідний рівень абстракції залежить від типу аналізу і бажаної точності рішення. Тому, автоматизувати процес абстрагування достатньо складно, тому аналітичну модель часто створюють окремо. Звичайно абстрактна модель проекту створюється в системі розробки робочих креслень або в системі геометричного моделювання, а іноді за допомогою вбудованих засобів аналітичного пакета. Аналітичні пакети вимагають, щоб структура була представлена у вигляді об'єднання зв'язаних сіток, що розділяють об'єкт на окремі ділянки, зручні для комп'ютерної обробки. Якщо аналітичний пакет може генерувати сітку автоматично, людині залишається задати лише границі абстрактного об'єкту. В противному випадку сітка також створюється користувачем або в інтерактивному режимі, або автоматично, але в іншій програмі. Процес створення сітки називається моделюванням методом кінцевих елементів (finite-element modeling). Моделювання цим методом включає в себе також завдання граничних умов і зовнішніх завантажень.

Підпроцес аналізу може виконуватися в циклі оптимізації проекту по будь-яким параметрам. Розроблено багато алгоритмів пошуку оптимальних рішень, а на їх основі побудовані комерційні доступні програми. Процедура оптимізації може вважатися компонентом системи автоматизованого проектування.

Фаза оцінки проекту також виграє від використання комп'ютера. Якщо для оцінки проекту потрібний прототип, можна швидко сконструювати його по заданому проекту за допомогою програмних пакетів, що генерують код для машини швидкого прототипіювання. Такі пакети вважаються програмами для автоматизованої підготовки виробництва (САМ). Форма прототипу повинна бути визначення заздалегідь в наборі вхідних даних. Дані, що визначають форму, отримуються в результаті геометричного моделювання.

Швидке прототипіювання -- зручний спосіб конструювання прототипу, але ще зручніше користуватися віртуальним прототипом, який часто називається «цифровою копією» (digital mock-up) і дозволяє отримати необхідні відомості.

Коли аналітичні засоби для роботи з цифровими копіями стануть достатньо потужними, щоб давати точні результати, що і еквівалентні експерименти на реальних прототипах, цифрові копії почнуть витісняти звичайні прототипи. Ця тенденція буде підсилюватися по мірі удосконалення технологій віртуальної реальності, що дозволяє відчути цифрову копію так само, як реальний прототип. Віртуальна реальність -- це технологія створення зображень, які виглядають як реальні об'єкти. Ця технологія дозволяє оператору відчути цифрові об'єкти і маніпулювати ними так само, як реальними. Побудова цифрової копії називається віртуальним прототипіюванням. Віртуальний прототип може бути створений і в спеціалізованій програмі геометричного моделювання.

Остання фаза процесу розробки -- підготовка проектної документації. На цьому етапі корисним стає використання систем підготовки робочих креслень. Здатність подібних систем працювати з файлами дозволяє систематизувати збереження і забезпечення зручності пошуку документів.

Комп'ютерні технології використовуються і на стадії виробництва. Процес виробництва включає в себе планування випуску, проектування і придбання нових інструментів, замовлення матеріалів, програмування машин с числовим програмним керуванням (ЧПК), контроль якості і упаковку. Комп'ютерні системи, що використовуються в цих операціях, можуть бути класифіковані як системи автоматизованого виробництва. Наприклад, програма автоматизованої технологічної підготовки (computer-aided process planning -- САРР) використовується на етапі підготовки виробництва і відноситься до систем автоматизованого виробництва (САМ). Існує багато програмних пакетів, які генерують код для станків з числовим програмним керуванням. Станки цього класу дозволяють отримати деталь необхідної форми по даним, що зберігаються в комп'ютері. До систем автоматизованого виробництва також відносяться програмні пакети, що керують рухами роботів при зборці компонентів і переміщені їх між операціями, а також пакети, що дозволяють програмувати координатно-вимірювальну машину (coordinate measuring machine -- СММ), яка використовується для перевірки продукту.

Для реалізації комп'ютерно-орієнтованого підходу до проектування і виробництва потрібно спеціальне апаратне і програмне забезпечення. Ключовим аспектом являється інтерактивне управління формою, тому апаратне і програмне забезпечення для інтерактивного маніпулювання формами відноситься до числу основних компонентів, що складають системи CAD/CAM/CAE. Графічні пристрої і периферійні пристрої вводу-виводу разом з звичайним обчислювальним модулем складають апаратне забезпечення систем CAD/CAM/CAE (рис. 1).

Рис. 1. Компоненти систем CAD/CAM/CAE

Ключовими програмними компонентами являються пакети, що маніпулюють формами або аналізують їх під управлінням користувача в двох або в трьох вимірах, одночасно оновлюючи базу даних.

2. Апаратне забезпечення

Графічний пристрій складається з дисплейного процесора, пристрою відображення, або дисплейного пристрою (монітор), і одного або декількох пристроїв вводу. Дисплей (монітор) представляє собою екран, на який виводиться графічне зображення, однак вивід конкретного зображення на екран виконується дисплейним процесором. Дисплейний процесор отримує сигнали, якими кодуються графічні команди, генеруючи електронні пучки і направляють їх в потрібне місце монітору, чим відтворює необхідне зображення.

В склад графічних пристроїв входять одно або декілька пристроїв вводу. Крім клавіатури до них відносяться миша, спейсбол (відрізняється від трекболу ступенем вільності, у трекболу їх всього два, а у спейсболу - шість) і цифровий планшет з пером і роликом. Ці пристрої вводу необхідні для інтерактивного маніпулювання формами.

Будь-який графічний пристрій підключається до пристроїв виводу, наприклад, до плоттеру або принтеру. Ці пристрої можуть вивести будь-яке зображення на папір.

2.1 Векторні графічні пристрої

Векторні графічні пристрої, які з'явилися в середині 60-х рр. XX ст., складаються з дисплейного процесора, дисплейного буфера пам'яті і електроно-лучевою трубкою (рис. 2.).

Рис. 2. Компоненти векторного графічного пристрою

Основні принципи їх функціонування можна описати наступним чином.

Дисплейний процесор зчитує дисплейний файл (display list), який представляє собою послідовність кодів, що передаються додатком, які відповідають графічним командам. Дисплейний файл зберігається в розділі пам'яті, який називається дисплейним буфером (display buffer). Дисплейний процесор здійснює також завантаження дисплейного файлу в дисплейний буфер. Після цього дисплейний процесор формує необхідні напруги на вертикальних і горизонтальних парах пластин, що відхиляються таким чином, що електрон, який вилітає з катоду, потрапляє в необхідне місце внутрішньої поверхні передньої стінки електронно-променевої трубки (рис. 3).

Рис. 3. Поперечний розріз електронно-променевої трубки

Недоліком векторного графічного пристрою є те, що виникає ефект мерехтіння картинки, при його постійному перемальовуванні на екранні (обновлення картинки). Також недоліком є висока вартість пристроїв векторної графіки. Перевагою є те, що зображення можна відтворити з заданою точністю, що забезпечує будь-яке бажане розширення.

2.2 Растрові графічні пристрої

Принцип функціонування растрових графічних пристроїв можна описати наступним чином.

Дисплейний процесор приймає графічні команди від додатку, перетворює їх в точкове зображення, або растр, після чого зберігає растр в розділі пам'яті, який називається буфером кадру (frame buffet) (рис. 4).

Рис. 4. Компоненти растрового графічного пристрою

Растрові графічні пристрої повинні зберігати в своїй пам'яті зображення у вигляді растру, на відміну від векторних, які зберігають лише дисплейні файли. Тому вимоги до пам'яті в цих двох видів пристроїв відрізняються як і методи оновлювання зображення на екрані. Час оновлення залишається постійним незалежно від складності зображення. Буфер кадру в растрових пристроях вимагає більшої пам'яті, ніж дисплейний буфер в векторних графічних пристроях. Растрове зображення в буфері кадру може містити відомості про колір, якщо кожній точці (пікселю) будуть відповідати не один біт, а декілька.

2.3 Конфігурація апаратних засобів

Графічні пристрої рідко використовуються поодинці. Частіше всього вони об'єднуються в кластер того або іншого роду, який розрахований на обслуговування множини користувачів. Існують три типи основних варіантів конфігурації такого кластера.

Перша конфігурація складається з мейнфрейму (mainframe) і множини графічних пристроїв (рис.5).

Рис. 5. Мейнфрейм с графічними приладами

Графічні пристрої підключаються до мейнфрейму. До нього також підключаються і пристрої виводу, такі як принтери і плоттери. Так як така конфігурація може розглядатися як натуральне розширення існуючих обчислювальних середовищ, вона з готовністю приймається більшістю крупних компаній, у яких вже були метафрейми. Цей підхід до цих пір використовується виробниками автомобілів і кораблів, у яких є великі бази даних, які обробляються централізовано. Хоча є деякі недоліки. Він потребує великих початкових вкладень в апаратне і програмне забезпечення, а також обслуговування системи, що експлуатується коштує недешево. Обслуговування мейнфрейму завжди включає в себе розширення системної пам'яті і жорсткого диску, що для мейнфрейму обходиться значно дорожче, ніж для невеликих комп'ютерів. Крім того, оновлення операційної системи також є непростою задачею. Програми CAD/CAM/CAE потребують частої заміни в зв'язку з виходом нових, більш потужних версій і альтернатив, а також із-за помилок при первинному виборі програмного забезпечення. Програми CAD/CAM/CAE для мейнфреймів набагато дорожче, ніж аналогічні програми для менших комп'ютерів. Ще одним суттєвим недостатком централізованих обчислень є нестабільність часу відгуку (отклика) системи. В конфігурації з мейнфреймом додатки користувачів, які відносяться до різних графічних пристроїв, конкурують один з одним за обчислювальні ресурси мейнфрейму. Тому час відгуку (отклика) для любого конкретного графічного пристрою залежить від того, які задачі були запущені з іншого пристрою. Іноді час відгуку може бути досить великим для інтерактивної роботи з графікою, особливо коли інші користувачі вирішують складні обчислювальні задачі.

Друга конфігурація складається з автоматизованих робочих місць проектувальника (робочих станцій -- workstations), об'єднаних в мережу (рис. 6).

Рис. 6. Робочі станції, об'єднані в мережу

До тієї ж мережі підключаються пристрої виводу -- плоттери і принтери. Робоча станція -- це графічний пристрій з власними обчислювальними ресурсами. Продуктивність робочих станцій збільшується вдвічі кожен рік при збереженні їх ціни. Даний підхід володіє ще й іншими перевагами. Користувач може працювати з будь-якої станції мережі, вибираючи її у відповідності зі своєю задачею, причому системні ресурси не будуть залежати від задач інших користувачів. Ще одна перевага -- це відсутність необхідності в крупних первинних вкладеннях. Кількість робочих станцій і програмних пакетів може збільшуватися поступово, по мірі зростання потреб в ресурсах CAD/CAM/CAE. Це дуже вигідно, тому що вартість обладнання постійно падає.

Третя конфігурація аналогічна другій за винятком того, що замість робочих станцій використовуються персональні комп'ютери з операційними системами Windows 98 та ХР. Конфігурації на базі персональних комп'ютерів популярні в невеликих компаніях, особливо якщо продукти, що випускаються складаються з невеликої кількості деталей обмеженої складності, а також в компаніях, що використовують системи CAD/CAM/CAE головним чином для побудови креслень.

2.4 Програмні компоненти

Будь-яка програма, що використовується життєвому циклі продукту для скорочення часу і вартості розробки продукту, а також для підвищення його якості, може бути віднесена до класу CAD/САМ/САЕ.

Програми CAD дозволяють конструктору створювати форми і маніпулювати ними на моніторі в інтерактивному режимі, зберігаючи результати в базі даних. Однак в принципі будь-яка програма, що полегшує процес розробки, може бути названа програмою CAD. Наприклад спеціалізований додаток, що призначений для автоматизації проектування конкретної деталі або механізму, також вважається додатком CAD.

Будь-яка програма, що використовується в процесі виробництва продукту, вважається засобом САМ. Таким чином, до САМ відносяться програми для планування, управління і контролю виробничих операцій через прямий або непрямий комп'ютерний інтерфейс з виробничими ресурсами заводу. Прикладом може бути програма, яка формує план процесу виробництва деталі, або програма, яка пише програму для ЧПУ (числового програмного управління), моделює рух і контролює роботу станка в процесі обробки зовнішніх поверхонь деталі.

Програми САЕ використовуються для аналізу геометрії конструкції і дозволяють розробнику моделювати і вивчати поведінку продукту для покращення і оптимізації проекту. Типовим прикладом являється програма для розрахунку напруг, деформації або теплопередачі в деталі методом кінцевих елементів.

2.5 САПР на базі Windows

До недавніх пір промислові додатки домінували на ринку традиційних засобів CAD вищого класу. Персональні комп'ютери з часом стали неймовірно швидкими і потужними, а розробники програмного забезпечення почали випускати програмні продукти, які використовують переваги графічного середовища Windows. Перші програмні продукти цієї категорії були випущені в 1995 р., а перші версії більшості продуктів датовані 1996 р. Всі нові продукти володіли наступними загальними особливостями.

1. Вони розроблялися з максимальним використанням функцій Windows, .і тому їх інтерфейси виходили схожими з інтерфейсами інших програм Microsoft. Крім того, нові програми підтримували функції упровадження і зв'язування об'єктів (Object Linking and Embedding -- OLE), характерні для офісних пакетів Microsoft. Таким чином, будь-які зображення трьохмірної деталі або пристрою, яке створено в пакеті геометричного моделювання, може використовуватися іншими програмами Microsoft. Функція OLE розширюється з метою включення підтримки трьохмірних даних, що значно полегшує передачу даних між різними системами CAD. Нова можливість називається OLE for Design & Manufacturing -- OLE для проектування і виробництва.

2. В нових системах використовувався компонентний підхід, згідно якому важливі компоненти програмного забезпечення вибираються з доступних програм, після чого розробник системи об'єднує перевірені технології, зосереджуючи свою увагу на деталях, які відносяться безпосередньо до проектування.

3. Нові системи основані на об'єктно-орієнтованій технології. З точки зору програмування об'єктно-орієнтовані технологія означає написання модульних програм таким чином, щоб забезпечити незалежне повторне використання модулів. Типовою об'єктно-орієнтованою мовою програмування являється C++. Об'єктно-орієнтована технологія визначає також інтерфейс між системою і користувачем. Об'єктна орієнтованість інтерфейсу користувача означає, що кожен елемент інтерфейсу самостійно реагує на зміни в ситуації і на дії користувача. Об'єктно-орієнтована технологія використовується і для ефективного збереження даних. В звичайних системах CAD дані про деталі зберігаються в декількох файлах: один файл використовується для геометричної форми, другий -- для сітки кінцевих елементів, третій -- для траєкторії руху фрези станка з ЧПУ та ін. В об'єктно-орієнтованих системах всі дані, що відносяться до однієї деталі, зберігаються в одному файлі (нема ефекту дублювання інформації).

4. Системи підтримують або параметричне, або варіаційне моделювання. Обидва підходи дозволяють користувачу визначати форму, задаючи обмеження, а не характеристики окремих елементів цієї форми. Єдина різниця в тому, що в одному випадку обмеження враховуються одночасно, а в другому -- послідовно. Прикладом безпосередньої роботи з елементами форми є визначення прямокутника як два набори паралельних відрізків, які знаходяться на конкретній відстані один від одного. Однак той же прямокутник може бути визначений за допомогою обмежень, наприклад завданням умови перпендикулярності суміжних відрізків на відстані між паралельними відрізками. Багато систем, які підтримують можливості параметричних або варіаційних моделювань, сприймають явні обмеження, такі як перпендикулярність і паралельність, безпосередньо з початкового ескізу користувача, дозволяючи зменшити об'єм даних, що вводиться. В тому випадку від користувача вимагається тільки ввести розміри, після чого він зможе змінювати форму, варуючи ці розміри. Така функція системи називається моделюванням по розмірам (dimension-driven modeling). Задати всі обмеження, які визначають геометрію, досить важко, особливо для складних деталей. В таких ситуаціях системам, які підтримують параметричне і варіаційне моделювання, необхідні додаткові відомості для проектування.

5. В системі вбудовується підтримка сумісного проектування через Internet. Ця підтримка дозволяє віддаленим користувачам працювати над однією і тією ж деталлю, маючи її перед очима на своїх екранах. Розробники можуть також перевіряти проект в цілому, порівнюючи свої деталі з деталями інших розробників. Для того щоб використати таку можливість необхідно описати деталь в форматі VRML (мова опису віртуальної реальності - Virtual Reality Modeling Language).