Система автоматизированного проектирования (САПР)

Система автоматизированного проектирования, САПР — автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.

Толкование первое — неверное
САПР — система автоматического проектирования. Понятие «автоматический» подразумевает функционирование системы самостоятельно, без участия человека. В системах автоматизированного проектирования часть функций выполняет человек, а автоматическими являются только отдельные проектные операции и процедуры. Термин «автоматизация» подчёркивает ограниченное участие человека в процессе проектирования.

Толкование второе — равноценное
САПР — система автоматизации проектных работ. Такая расшифровка аббревиатуры используется наряду с вынесенной в заголовочную часть статьи, однако является менее употребительной дуплетной формой. В современной технической, учебной литературе и государственных стандартах используется трактовка САПР, как системы автоматизированного проектирования.

Толкование третье — альтернативное
САПР — программное средство для автоматизации проектирования. В настоящее время, общеупотребительным является понимание САПР как, прикладного программного средства для осуществления проектной деятельности. Следует отметить, что в отечественной литературе и государственных стандартах САПР определяется как более ёмкое понятие охватывающее широкий круг вопросов, включающий не только программные средства.

Английский эквивалент
Для перевода САПР на английский язык используется термин CAD (англ. computer-aided design), подразумевающий использование компьютерных технологий в проектировании. В ГОСТ 15971-90 термин «Computer-aided design» приводится как стандартизированный англоязычный эквивалент термина «автоматизированное проектирование». Понятие CAD может обозначать как программные и аппаратные средства, так и аппаратно-программные комплексы автоматизации проектирования. Понятие CAD не является полным эквивалентом САПР, как организационно-технической системы. Термин САПР на английский язык может также переводится как CAD system, automated design system, CAE system.

Цели создания и задачи САПР
Визуализация результатов моделирования столкновения выполненная в NTNU с использованием метода конечно-элементного анализа.

Основная цель создания САПР — повышение эффективности труда инженеров, включая:

1. сокращения трудоёмкости проектирования и планирования;
2. сокращения сроков проектирования;
3. сокращения себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;
4. повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;
5. сокращения затрат на натурное моделирование и испытания.

Достижение целей создания САПР обеспечивается путем:

1. автоматизации оформления документации;
2. информационной поддержки и автоматизации принятия решений;
3. использования технологий параллельного проектирования;
4. унификации проектных решений и процессов проектирования;
5. повторного использования проектных решений, данных и наработок;
6. стратегического проектирования;
7. замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;
8. повышения качества управления проектированием;
9. применения методов вариантного проектирования и оптимизации.

Место САПР в жизненном цикле изделия
В рамках жизненного цикла промышленных изделий, САПР решает задачи автоматизации стадий проектирования и подготовки производства.

Состав и структура САПР
В структуре САПР выделяют следующие элементы: компоненты обеспечения, подсистемы, ПМК, ПТК и КСАП. Компоненты определенного типа образуют программно-методические (ПМК) и программно-технические комплексы (ПТК). Совокупность ПМК, ПТК и отдельных компонентов обеспечения САПР, не вошедших в программные комплексы, объединенная общей для подсистемы функцией образует комплекс средств автоматизации проектирования (КСАП) подсистемы. Совокупность КСАП различных подсистем формируют КСАП всей САПР в целом. Подсистемы как элемент структуры САПР возникают при эксплуатации КСАП подсистем пользователями. Подсистемы образуют САПР.

Подсистемы САПР
В соответствии с ГОСТ 23501.101-87 составными структурными частями САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы. Каждая подсистема — это выделенная по некоторым признакам часть САПР, обеспечивающая выполнение некоторых функционально-законченных последовательностей проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов. По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.
Проектирующие подсистемы — объектно-ориентированные подсистемы реализующие определенный этап проектирования или группу связанных проектных задач, в зависимости от отношения к объекту проектирования делятся на объектные и инвариантные.
Объектные — выполняющие проектные процедуры и операции, непосредственно связанные с конкретным типом объектов проектирования.
Инвариантные — выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, имеющие смысл для многих типов объектов проектирования.
Обслуживающие подсистемы — объектно-независимые подсистемы реализующие функции общие для подсистем или САПР в целом, обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, оформление, передачу и вывод данных, сопровождение программного обеспечения и т. п., их совокупность называют системной средой (или оболочкой) САПР.

Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР, подсистемы графического ввода-вывода, СУБД.

Компоненты и обеспечение САПР
Каждая подсистема, в свою очередь состоит из компонентов, обеспечивающих функционирование подсистемы. Компонент выполняет определенную функцию в подсистеме и представляет собой наименьший (неделимый) самостоятельно разрабатываемый или покупной элемент САПР (программа, файл модели транзистора, графический дисплей, инструкция и т. п.). Совокупность однотипных компонентов образует средство обеспечения САПР. Выделяют следующие виды обеспечения САПР:

1. Техническое обеспечение (ТО) — совокупность связанных и взаимодействующих технических средств, обеспечивающих работу САПР, включающая различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, линии связи, измерительные средства).
2. Математическое обеспечение (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы используемые для решения задач автоматизированного проектирования. МО по назначению и способам реализации делят на две части:

• математические методы и построенные на их основе математические модели объектов проектирования или их части;
• формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

3D-модель, созданная и визуализированная в программном пакете CATIA.
Программное обеспечение (ПО), представляемое компьютерными программами необходимыми для осуществления процесса проектирования. ПО САПР подразделяется на общесистемное и прикладное:

1. общесистемное ПО предназначено для управления компонентами технического обеспечения и обеспечения функционирования прикладных программ. Примером компонента общесистемного ПО является операционная система.
2. прикладное ПО реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур, включает программы пакеты прикладных программ, предназначенные для обслуживания определенных этапов проектирования или групп однотипных задач внутри различных этапов (модуль проектирования трубопроводов, пакет схемотехнического моделирования, геометрический решатель САПР).

Информационное обеспечение (ИО) — совокупность сведений, необходимых для выполнения проектирования, состоит из описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, комплектующих изделий и их моделей, правил и норм проектирования. Основная часть ИО САПР — базы данных и системы управления базами данных.
Лингвистическое обеспечение (ЛО) — совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования, а также для осуществления диалога проектировщик-ЭВМ и обмена данными между техническими средствами САПР, включает термины, определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания. В ЛО выделяют класс различного типа языков проектирования и моделирования (VHDL, VERILOG, UML, GPSS).
Методическое обеспечение (МетО) — описание технологии функционирования САПР, методов выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов, включающее в себя теорию процессов, происходящих в проектируемых объектах, методы анализа, синтеза систем и их составных частей, различные методики проектирования, иногда к МетО относят также МО и ЛО.
Организационное обеспечение(ОО) — совокупность документов, определяющих состав проектной организации, связь между подразделениями, организационную структуру объекта и системы автоматизации, деятельность в условиях функционирования системы, форму представления результатов проектирования. В ОО входят штатные расписания, должностные инструкции, правила эксплуатации, приказы, положения и т. п.

В САПР как проектируемой системе, выделяют также эргономическое и правовое обеспечения.
Эргономическое обеспечение объединяет взаимосвязанные требования, направленные на согласование психологических, психофизиологических, антропометрических характеристик и возможностей человека с техническими характеристиками средств автоматизации и параметрами рабочей среды на рабочем месте.
Правовое обеспечение состоит из правовых норм, регламентирующих правоотношения при функционировании САПР, и юридический статус результатов ее функционирования.

Классификация САПР по отраслевому назначению
В зависимости от отраслевого назначения выделяют:

1. MCAD (англ. mechanical computer-aided design) — автоматизированное проектирование механических устройств, машиностроительные САПР, применяются в автомобилестроение, судостроении, авиакосмической промышленности, производстве товаров народного потребления, включают в себя разработку деталей и сборок (механизмов) с использованием параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объемного моделирования (SolidWorks, Autodesk Inventor, CATIA);
2. EDA (англ. electronic design automation) или ECAD (англ. electronic computer-aided design) — САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств, ИС, печатных плат и т. п., (Altium Designer, OrCAD);
3. AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) или CAAD (англ. computer-aided architectural design) — САПР в области архитектуры и строительства, используются для проектирования зданий, промышленных объектов, дорог, мостов и проч. (Autodesk Architectural Desktop, Piranesi, ArchiCAD).

Классификация САПР по целевому назначению
По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, которые обеспечивают различные аспекты проектирования.

1. CAD (англ. computer-aided design/drafting) — средства автоматизированного проектирования, в контексте указанной классификации термин обозначает средства САПР предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторской и/или технологической документации, САПР общего назначения. Для обозначения данного класса средств САПР используется также термин CADD (англ. computer-aided design and drafting) — автоматизированное проектирование и создание чертежей. Системы геометрического моделирования обозначают как CAGD (англ. computer-aided geometric design).
2. CAE (англ. computer-aided engineering) — средства автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий. Подкласс средств CAE, используемых для компьютерного анализа, обозначается термином CAA (англ. computer-aided analysis).
3. CAM (англ. computer-aided manufacturing) — средства технологической подготовки производства изделий, обеспечивают автоматизацию программирования и управления оборудования с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем)). Русским аналогом термина является АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства.
4. CAPP (англ. computer-aided process planning) — средства автоматизации планирования технологических процессов применяемые на стыке систем CAD и CAM.

Многие системы автоматизированного проектирования совмещают в себе решение задач относящихся к различным аспектам проектирования CAD/CAM, CAD/CAE, CAD/CAE/CAM. Такие системы называют комплексными или интегрированными.

С помощью CAD-средств создаётся геометрическая модель изделия, которая используется в качестве входных данных в системах CAM, и на основе которой, в системах CAE формируется требуемая для инженерного анализа модель исследуемого процесса.