Ключові етапи створення та розвитку найбільш популярних САПР

Ключові етапи створення та розвитку найбільш популярних САПР В зв’язку з низькою продуктивністю інженерної праці при обробці та аналізі інформації, в середині ХХ століття виникла необхідність в автоматизації проєктних робіт, і почалися розробки, які були направлені на раціоналізацію та автоматизацію проєктних робіт. Але відомо, що перші спроби автоматизації процесу створення креслеників належать Леонардо да Вінчі (1452-1519) [6], який створив машину для «вирізання файлів» (рис. 1). Леонардо да Вінчі перш за все відомий своїми мистецькими творами, але він також був конструктором військових і провісником сучасних промислових машин. Проєктна робота Леонардо була художня за своєю суттю – це більше ілюстрації, ніж інженерні кресленики. Рисунок 1 – Машина для «вирізання файлів» Леонардо да Вінчі Важливим кроком в розвиту вже сучасних методів автоматизованого проєктування з застосуванням ЕОМ є розробка мови Фортран (Джоном Бекусом) в 1954-1957 рр. У 1955-1959 рр. в Массачусетському технологічному інституті під керівництвом Дугласа Т. Росса (Douglas T. Ross) була розроблена система програмування АРТ, в рамках якої і сформувалося поняття CAD – computer aided design або САПР. На противагу 13 сьогоднішньому розумінню САПР в ті часи під цей термін означав просто використання ЕОМ з метою проєктування. Коріння сучасних технологій САПР сягають 1950-х років, і проєкту SAGE ВПС США. Система SAGE, розроблена Лабораторією Lincoln Lab Массачусетського Технологічного інституту, стала основою для кількох важливих технологій, включаючи високопродуктивні комп'ютери, великі магнітні ядра та інтерактивну комп'ютерну графіку. SAGE передбачала використання дисплеїв CRT для відображення оброблених комп'ютером радіолокаційних даних та іншої інформації, наприклад розташування оборонної зброї. Основоположником сучасних САПР (рис. 2) називають Патріка Хенретті (Patrick Hanratty) (рис. 3). Хенретті майже випадково виявив свою пристрасть до обчислювальної техніки та програмування, відповідаючи на питання газетних оголошень про пошук програмістів в його рідному місті Сан-Дієго після повернення зі служби у ВПС під час корейської війни [7]. Незважаючи на відсутність навіть освіти в коледжі, Ханратті в 1954 році успішно почав кар'єру програміста в авіабудівній компанії Convair. Після того як Ханратті почав працювати в підрозділ Convair компанії General Dynamic, він швидко освоїв програмування, без будь-якої формальної підготовки. IBM 650 була першою машиною, на якій він працював. І паралельно з цим навчився програмувати Univac Scientific 1103-A від Сперрі Ренда. Потім він перейшов в компанію General Electric (GE), яка опублікувала в газеті оголошення про створення комп'ютерної компанії в Феніксі, де в 1957 р. Патрік Дж. Ханратті створив свій перший CAM-пакет PRONTO (Programme for Numerical Tooling Operations). Це була мова системи CAM 2½ осі, що дозволяла програмістам створювати траєкторію інструменту для обробки деталей. Для керування верстатом була виготовлена паперова перфокарта, яка отримала премію імені Джозефа Марі Жаккарда (в 1982 році від Товариства числового контролю). Рисунок 2 – Історія CAD Приблизно в той же час Ханратті почав працювати в області комп'ютерної графіки. У 1962 році Ханратті звільнився з GE, щоб приєднатися до General Motors Corp. (GM) (Детройт), де він став частиною команди в дослідницьких лабораторіях GM, які розташовувалися у Технічному центрі автовиробника (Уоррен, Мічиган). В 1963 р. Ханратті розробив графіку для проєкту GM DAC (Design Augmented by Computers), вирішуючи завдання, пов'язані з трьох-, чотирьох- і п’ятиосевою обробкою поверхонь. Програма отримала назву DAC-1 та була, в першу чергу, експериментальною роботою, а не системою для виробництва. Рисунок 3 – Патрік Хенретті (Patrick Hanratty) – піонер галузі CAD/CAM, засновник компанії Manufacturing and Consulting Services (MSC) В якості експериментальної системи, DAC-1 була надзвичайно успішною, але розробники добре розуміли про необхідність додаткового її удосконалення, щоб зробити цей продукт став корисним для його виробничого використання. У 1967 р. проєкт DАС офіційно закритили. У 1967 р. Патрік Хенретті працював в Astronautics Corporation. Після того, як Astronautics Corporation була поглинена McDonnel Douglas, він організував своє власне підприємство в 1970-х роках, щоб створити і продати нові рішення в області САПР. У 1970 р. Ханратті заснував власну компанію Integrated Computer Systems ICS (пізніше періменованную в MSC), де він і його команда розробили систему CAD/CAM для міні-комп’ютерів Redcor з використанням TPL (мова програмування). Незважаючи на високу оцінку, програмне 16 забезпечення ICS INTERAPT не стало комерційно успішним через вузьку динаміку реалізації програмного забезпечення і внаслідок того, що Ханратті написав код на мові програмування, яку він створив, компанія не проіснувала довго. Зрештою, Ханратті домігся комерційного успіху в новій компанії під назвою Manufacturing and Consulting Services. Серед продуктів MSC такі відомі системи як INTERART, ADAM, ANVILL. Програмне забезпечення ADAM (Automated Drafting and Machining) на той час вважалося єдиною комерційно доступною системою креслення і обробки, враховувало інтегративну і адаптивну систему для графічного представлення, технічного креслення і виробництва. У 1973 р. ADAM придбала компанія United Computing (нині Siemens Industry Software Inc.). Ханратті написав програму на широко відомій та використовуваній мові програмування і створив її для роботи практично з будь-яким доступним обчислювальним пристроєм того часу, що, безумовно, допомогло досягти успіху. В 1980-х роках вийшли комп'ютерні термінали UNIX. MCS продовжила розробку здебільшого механічних САПР і програмного забезпечення для виробництва, спочатку з пакетом AD-2000, а потім з ПК і системами ANVIL CAD/CAM на базі UNIX. ANVIL став успішним програмним продуктом завдяки ефективному функціонуванні і подоланню обмежень у використанні, типових для продуктів на базі ПК того часу. В той час Ханратті став вже легендою, будучи блискучим і самовпевненим генієм. Спираючись на новаторську технологію, яка набагато випереджала решту ринку, в системі ANVIL-5000 було реалізовано узгоджений користувацький інтерфейс для всіх додатків, а також базу даних подвійної точності для каркасних, поверхневих і твердотільних моделей і всіх додатків, що використовують ці дані. Одним з найбільш значних доповнень до даної системи став новий додатковий модуль моделювання твердих тіл під назвою 17 OMNISOLIDS, в результаті чого отримано один з перших пакетів CAD/CAM для щільної інтеграції каркаса, поверхонь і твердих тіл. Багато фахівців стверджує, що 70% тривимірних механічних CADсистем сходяться своїми витоками до розробок Ханратті і його програмного коду ADAM [7]. Батьком же сучасної інтерактивної комп’ютерної графіки можна назвати Айвена Сазеренда (рис. 4). Саме А. Сазеренд створив у 1963 р. революційну комп'ютерну програму Sketchpad (рис. 5), за яку він отримав Премію Тюрінга 1988 р. і Кіотську премію 2012 р. Рисунок 4 – Айвен Сазеренд Програма Sketchpad стала першим програмним забезпеченням, яке започаткувало принцип взаємодії людини з комп'ютером (HCI) безпосередньо, інтерактивно – а не шляхом введення командних інструкцій. Sketchpad вважають родоначальником сучасних програм автоматизованої розробки (CAD), а також проривом у розвитку комп'ютерної графіки в цілому. Наприклад, графічний користувацький інтерфейс, відомий як GUI, бере свій початок зі Sketchpad – так само, як і найсучасніші програми, які побудовані на використанні об'єктно-орієнтованого програмування. Основною ідеєю програми стало: створення графічного об’єкту, з якого можна створити безліч дублікатів. Якщо користувач змінював оригінал, то відбувалася автоматична зміна і у всіх його дублікатах. Програма Sketchpad створена на комп'ютері TX-2, величезній машині, яка була однією з найшвидших тогочасних систем, в Lincoln Lab Массачусетського технологічного інституту, який мав 64 тисячі 36- 18 розрядних слів, використовувала графічний дисплей (монітор) зі світловим пером (рис. 6) та клавіатуру для керування. Засобами світлового пера та клавіатури створювали та редагували зображене креслеників на екрані. Рисунок 5 – Айван Сазерленд презентує Sketchpad Рисунок 6 – Світлове перо В 1960 р. на фірмі ITEK Corporation, що була оборонним підрядчиком США, розпочалося фінансування нового проєкту з розробки інтерактивної графічної системи проєктування. Базова система розроблена в 1962 р. та отримала назву EDM (Electronic Drafting Machine), яка пізніше отримала назву Digigraphics. Системи коштували майже $ 500 000 і її підтримали тільки кілька користувачів. Авіаційна промисловість була одним з перших користувачів комп'ютерних систем для інженерного проєктування та аналізу. Джеймс Сміт МакДоннелл та його авіабудівна компанія McDonnell Douglas були дуже активними у цьому напрямку починаючи з кінця 1950-х. Перша його виробнича частина NC виготовлена в 1958 р., а наступного року були використані комп'ютери для проєктування літаків. У 1960 р. МакДоннелл вирішив використати цей досвід і розпочав бізнес комп'ютерних послуг. Того року його дочірня компанія McAuto була створена з 258 працівниками 19 та 7 мільйонів доларів комп'ютерного обладнання. Через п’ятнадцять років компанія McAuto стала однією з найбільших організацій комп'ютерних служб у світі з понад 3500 співробітників та комп'ютерною інфраструктурою на суму понад 170 мільйонів доларів. Компанія продовжувала зростати протягом наступного десятиліття, досягнувши понад 1 мільярду доларів доходу та 14 000 співробітників до 1985 р. Найбільшим клієнтом за цей період була група військових літаків з власної материнської компанії. Важливим проєктом протягом 1960-х та 1970-х років була розробка внутрішньої системи CAD/CAM для підтримки техніки McDonnell відома як CADD (Computer Aided Design and Drawing), вона вперше була реалізована на комп'ютері IBM 360/40, оснащеному дисплеєм IBM 2250, починаючи з 1966 р. У 1997 р. McDonnell Douglas – американська авіабудівна компанія McDonnell Douglas і Boeing об'єдналися в компанію Boeing Company – найбільшу світову аерокосмічну корпорацію. Не залишалася осторонь і автомобільна промисловість. Так, в 1967 р. Ford випускає PDGS. Того ж року Lockheed (американська військовопромислова корпорація) презентує CADAM. Цей період можна назвати етапом зародження галузі з розробки програмних продуктів САПР. В 1965 р. NASA для підтримки проєктів, пов'язаних з космічними дослідженнями, починає виконувати завдання для розробки скінченноелементного програмного пакету. В 1970 р. такий пакет під назвою NASTRAN (NAsa STRuctural ANalisis) був створений та розпочалося йог експериментальне використання. Вартість розробки склала приблизно 4 мільйонів доларів. У 1969 р в Західно-Берлінському технічному університеті розпочато роботу з реалізації нової спеціальної програми «Техніка виробництва і автоматизації», в рамках якої розроблено тривимірну систему графічного моделювання. 20 Норвезька САПР AUTOKOM, створена для вирішення завдань суднобудування в 1971 р, була пристосована для зберігання великих обсягів даних по концепції побудови банку даних, розробленої в 1962 р Бахманом. В Японії створена система TIPS-1, GEOMAP. В Англії розробили систему BUILD і ін. Далі розпочалися розробки відомих та популярних сьогодні САПР. Так в 1973 р. виходить перший реліз CAD/CAM/CAE-системи Unigraphics, яка зараз має назву NX (рис.7) компанії Siemens PLM Software. Спочатку система, яка була розроблена американською компанією United Computing, мала назву "Unigraphics". У 1976 р. компанія McDonnell Douglas (сьогодні Boeing) придбала United Computing і згодом була утворена McDonnell Douglas Automation Unigraphics Group. Рисунок 7 – Логотип NX (Siemens NX) NX є результатом злиття в 2002 році систем Unigraphics і I-deas, які вже на той момент вважалися лідерами серед САПР у багатьох галузях промисловості. Біля витоків Unigraphics стояли підприємства аерокосмічної галузі, а пакет I-deas, випущений в 1982 році, розвивався під керівництвом компаній автомобільної індустрії. В даний час система NX впроваджена в більшості галузей промисловості і для багатьох компаній стала стандартизованим рішенням автоматизації процесів конструкторсько-технологічної підготовки виробництва. В 70-х роках зароджується компанія Dassault Systèmes як відділ САПР в компанії Dassault Aviation (французька літакобудівна компанія, заснована в 1929 році Марселем Дассо). Тут виконують розробки програмного забезпечення для літакобудування. В 1977 р. запускається розробка нового на 100% графічного програмного забезпечення, яке має бути інтуїтивним, відображати 3D моделі 21 і бути простим для використання, яке отримує назву CATIA (англ. Computer Aided Three-dimensional Interactive Application). У 1980 р. CATIA це лише одна із близько 100 програм, які на той час розроблялися в Dassault Systèmes. В 1981 р. анонсується CATIA V1, а вже в 1984 р. The Boeing Company вибрала CATIA V2 в якості основного інструменту 3D CAD, ставши його найбільшим клієнтом. CATIA стає першою повномасштабною 3d-системою проєктування на світовому ринку, масового використання, зокрема, в аерокосмічній (в тому числі в Airbus і Boeing) і автомобільній промисловості (Peugeot - Citroën, Toyota, Mercedes Benz, Renault, АВТОВАЗ). В 1979 р. Майкл Ріддл створює першу в світі САПР для мікрокомп’ютерів Interact, яка в 1980 р. отримала назву MicroCAD. Архітектура цієї системи та формат її файлів DWG (від англ. DraWinG - креслення) лягла в основу програми AutoCAD компанії Autodesk. Історія Autodesk почалася в 1982 р., в квітні, коли група програмістів виділила з особистих заощаджень $60 тисяч для стартапу та почала розробку декількох програм для персональних комп'ютерів. Створену компанію назвали Desktop Solutions (це була перша робоча назва компанії Autodesk). Спочатку група з 13 програмістів зосередила свої зусилля над декількома програмними продуктами, серед яких була програма MicroCAD – досить проста, але зручна система автоматизованого проєктування. Але, все-таки, основну ставку співзасновники зробили на Autodesk – офісну програму для ПК, що включає календар, електронну картотеку тощо. У той час комп'ютери почали активно проникати в офіси, і розробники Autodesk мали наметі позбавити офісних працівників від кіпи паперів, за рахунок автоматизації багатьох процесів. Що ж до програми MicroCAD, спочатку, ще до створення Desktop Solutions, вона розроблялася одним із співзасновників компанії Майком Ріддлом. 22 Майкл Ріддл представив робочій групі прототип креслярського редактора MicroCAD, який він розробляв. Програма викликала загальний інтерес, у зв'язку з чим електронна таблиця і текстовий редактор пішли на другий план, виконувалося доопрацювання креслярської програми. Перша демонстрація AutoCAD (рис. 8) відбулася в листопаді 1982 р. для платформ CP/M і IBM PC на виставці COMDEX та мала помітний успіх [8]. Рисунок 8 – Логотип Autodesk AutoCAD 2020 В 1987 р. компанія PTC, Inc (колишня назва Parametric Technology Corporation) – міжнародна компанія-розробник програмного забезпечення для двомірного і тривимірного проєктування (CAD САПР), управління життєвим циклом виробів (PLM), управління обслуговуванням (SLM) і управління життєвим циклом додатків (ALM) випускає першу Рисунок 9 – Революційний інтерфейс Pro/ENGINEER 1987 р. [9] версію програмного продукту Pro/ENGINEER (рис. 9), який зараз має назву PTC Creo. Заснував компанію PTC в 1985 р. Самуїл Гейзберг, професор Ленінградського університету, що емігрував до США в 1974 р. З тих пір кількість впроваджуваних систем безперервно зростає. За оцінкою фахівців, в 1985 р кількість використовуваних систем істотно перевищує 1000 [10]. 23 В нашій країні одна з перших САПР було розроблено в 80-х роках спеціалістами відділу математичного моделювання та оптимального проєктування Інституту проблем машинобудування АН України та Проєктно-конструкторського бюро автоматизованих систем керування текстильної та легкої промисловості в Москві для потреб легкої промисловості [11]. В 1989 р. засновано компанію АСКОН, де створено лінійку систем автоматизованого проєктування КОМПАС з можливостями оформлення проєктної та конструкторської документації згідно стандартів ЄСКД. Назва лінійки походить від фрази "комплекс автоматизованих систем". Перший випуск КОМПАС (версія 1.0) відбувся в 1989 р. Перша версія під Windows – КОМПАС 5.0 – вийшла в 1997 р.