Aufgrund meiner technischen Praxis habe ich mit sehr unterschiedlichen CAD-Produkten gearbeitet (ProE, UG, SolidW, Revit, Advance Steel, AutoCAD, MachCAD, SCAD). Ich benutze ständig einige Tools, andere von Zeit zu Zeit, wenn ich gebeten werde, eine Überprüfung oder Analyse durchzuführen. Die Kenntnis des Entwurfswerkzeugs ist in erster Linie ein Verständnis der logischen Sprache des Programms. Wenn Sie mehrere Programme besitzen, ist es nicht schwierig, den Rest zu studieren, da sich tatsächlich nur die Symbole und ihre Position ändern. Je mehr Programme Sie kennen, desto spezifischere Aufgaben können Sie lösen. Die zehnjährige Erfahrung mit CAD ermöglichte es mir, eine Vorstellung von ihrer Entwicklung zu bekommen, und ich wollte dies unbedingt teilen.
CAD-Systeme können entsprechend ihrer internen Logik und Funktionalität in drei Ebenen unterteilt werden:
- Low-Level-Systeme mit einem geschlossenen mathematischen Konstruktionsmodell. Dies sind Zeichenmaschinen. Ihre Logik ist sehr einfach: Sie nehmen tatsächlich einen Bleistift und zeichnen nicht nur auf Papier, sondern auch im Vektorraum. Die gesamte Logik der Konstruktion beruht ausschließlich auf Ihren Überlegungen. Um in diesen Programmen arbeiten zu können, müssen Sie bereits die Größe der Objekte, ihre Eigenschaften und ihre Geometrie festlegen. Das heißt, Alle Zeichnungen werden auf mehrere Iterationen (Anpassungen) der Zeichnung auf das beabsichtigte Bild reduziert. All dies führt natürlich zu einer Vielzahl von Fehlern. Die Verwendung verschiedener intelligenter Vorlagen für typische Aufgaben (Raumaufteilung, Metallstrukturen) vereinfacht diese Zeichenmethode jedoch erheblich.
Für die Einhaltung von GOST und SNiP ist beispielsweise die SPDS-Vorlage gut geeignet. Diese Entwurfssysteme (AutoCAD, Compass, Sketchup usw.) eignen sich besser für Gebäudezeichnungen, bei denen die meisten Normen und Regeln bereits geschrieben wurden und sich der gesamte Entwurfsraum um bereits erfundene Knoten, Verbindungen, Abschnitte usw. dreht. All dies führte zu einem neuen Designansatz - dies ist die BIM-Technologie, die über den Rahmen hinausgehen sollte, da sich ihre Logik stark von anderen Designsystemen unterscheidet. Etwas später über sie.
- Mid-Level-Systeme (das bekannteste ist SolidWorks, obwohl es in den letzten Jahren praktisch nach High-Level-Systemen sowie nach Invertor und anderen gegriffen hat.) Sie haben ein offenes mathematisches Modell (Modellbaum). Das heißt, In jeder Phase der Zeichnung können Sie die vorherigen Schritte der Konstruktion verfolgen. Diese Systeme unterscheiden sich mit ihrer Logik grundlegend von untergeordneten Systemen. Hier arbeitet man sozusagen mit Feststoffen. Das heißt, Die Mathematik des Modells berücksichtigt die Integrität der Geometrie der Konstruktionsobjekte, und Schnittpunkte oder Fehlanpassungen der "Härte" sind unmöglich. Daher der Begriff "Solid Modeling". Bei der Arbeit in diesen Programmen verarbeitet der Ingenieur elektronische Kopien dieser Modelle, sodass Sie die Baugruppenlogik auf das Design anwenden können. Da dies in der Produktion geschehen wird, sollte es im Modell implementiert werden. Dies beseitigt eine große Anzahl von Problemen und reduziert die Anzahl von Konstruktionsfehlern. Der Ingenieur selbst benötigt in diesem Fall jedoch ein breites Spektrum an Kenntnissen im Bereich der Anforderungen an das Konstruktionsobjekt. Diese Systeme haben einen bedeutenden Schritt unternommen, um die Komplexität der Entwurfsarbeit im Vergleich zu Systemen der ersten Ebene zu verringern, haben jedoch das Problem der Optimierung von Produkten anhand von Parametern nicht gelöst. Dies wurde durch Systeme der obersten Ebene erreicht.
- Top-Level-Systeme mit einem offenen mathematischen Konstruktionsmodell mit der Möglichkeit einer End-to-End-Analyse des Modells nach festgelegten Kriterien (Festigkeit, Herstellbarkeit, geometrische Einschränkungen usw.). Die vollen Funktionen dieser Systeme werden nur von sehr fortgeschrittenen Benutzern und in der Regel nur in Branchen mit hohen Einschränkungen und komplexen Aufgaben (Luftfahrt, Weltraum, Nuklearindustrie usw.) genutzt. Das heißt, Diese Systeme sind die Spitze der Entwurfssysteme. Sie sind die fortschrittlichsten und komplexesten. Ihre Komplexität liegt in der Tatsache, dass Sie beim Modellieren des Programms gezwungen sind, die Beziehung zwischen geometrischen Objekten klar zu bestimmen. Das heißt, Bevor Sie erkennen, was in einem 3D-Modell konzipiert wurde, sollten Sie die Element-für-Element-Natur des Produkts zumindest annähernd darstellen. Jedes Modell zeichnet sich durch mindestens drei definierende Dimensionen der Bindung (Skizzierebene, Skizzentiefe und die Größe der Skizze selbst), jede Positionierung (Baugruppe) aus - mindestens drei verbundene Flächen oder Generatoren. Für ein Produkt mit 10 Baugruppeneinheiten beträgt die Mindestanzahl definierender Beziehungen 90 (10 x 3 x 3). In der Praxis gibt es immer mehr. In dieser Hinsicht ist es sehr wichtig, die Verbindungen von Objekten unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern (Festigkeit, Betrieb, Sammelbarkeit, Herstellbarkeit) korrekt aufzubauen, damit alles richtig zusammengebaut werden kann. All dies lässt Sie nachdenken und nachdenken, aber ein gut gebautes Modell kann angepasst werden - es ist einfach, es zu ändern, je nachdem, welche neuen Anforderungen oder Einschränkungen auftauchen. Es sind diese Systeme, die einer korrekten Modellierung unterliegen und es ermöglichen, das Produkt so weit wie möglich anhand einer Vielzahl von Parametern zu optimieren. Zu diesem Produkttyp gehören drei Arten von Softwaresystemen: Unigraphics (NX), ProEngineer, Catia. Die Logik dieser drei Systeme ist sehr ähnlich, daher hängt die Auswahl des zu verwendenden Systems normalerweise vom persönlichen Komfort ab.
Und schließlich BIM-Systeme. Dies ist ein grundlegend anderer Ansatz für das Design. Tatsächlich sind BIM-Systeme strukturierte Bibliotheken möglicher Lösungen, die an Entwurfsobjekte gebunden sind. Das heißt, Jedes Entwurfsobjekt enthält einen bestimmten Satz von Parametern und Merkmalen, die bereits darin eingebettet sind, und der Benutzer kann diese Parameter nur aus den vorgeschlagenen Bibliotheken auswählen, abhängig vom Zweck des Elements oder den Kundenanforderungen. Solche Systeme umfassen Revit-, Advance-Stahl- und Tekla-Strukturen. Diese Systeme vereinfachen die Lebensdauer erheblich und reduzieren die Anforderungen an die Qualifikation eines Ingenieurs etwas, da sie selbst bereits die Lösung von Konstruktionsproblemen implizieren. Tatsächlich läuft die Arbeit in diesen Programmen auf die korrekte Bestimmung der Entwurfsparameter aus den vorgeschlagenen Bibliotheken hinaus. Diese Systeme eignen sich für Bauprojekte, da das Volumen der Bibliotheken mit Baulösungen nicht groß ist. Was diesen Systemen fehlt, ist eine normale Analyse der Festigkeits- und Stabilitätsanforderungen. Es ist weiterhin praktisch, andere Softwareprodukte (Lira, SCAD) zur Analyse von Entwurfsentscheidungen zu verwenden.
Dies ist die Gegenwart von Designsystemen, aber was erwartet uns in Zukunft? Das Hauptziel von CAD-Systemen ist die Reduzierung der Entwurfszeit. In dieser Hinsicht übertreffen alle modernen Systeme den Kuhlmann und den Rechenschieber hunderte Male. Hierfür werden drei Hauptwerkzeuge verwendet:
- Erstellung von Entscheidungsbibliotheken im Rahmen von Einschränkungen, Normen und Gestaltungsregeln.
- Erstellung adaptiver End-to-End-Modelle zur Anpassungsfähigkeit.
- Erstellung kommunikativer Designumgebungen (Windchill oder Teamcenter usw.).
All dies ermöglichte es, die Zeit für das Entwerfen und Aktualisieren von Produkten zu minimieren.
Diese Systeme sind jedoch gut, wenn sie im Unternehmen mit einer eigenen "Schule" angewendet werden, d. H. mit seiner Basis an Lösungen, Anforderungen an Geometrie, Technologie und anderen Einschränkungen. Wenn Sie sich dazu entschließen, innerhalb des bestehenden Konstruktions- und Produktionssystems etwas grundlegend Neues zu schaffen, werden Sie auf enorme Schwierigkeiten stoßen, Sie müssen die „Schule“ wechseln, und das ist sehr schwierig. Das heißt, Es muss sehr klar verstanden werden, dass es die Einschränkungen im Design sind, die die Möglichkeit schaffen, nachhaltige Prinzipien und Empfehlungen für das Design zu entwickeln. Was wiederum das Feld möglicher Lösungen einschränkt. Andernfalls wird das System auf ein hohes Maß an Unsicherheit reduziert, das der menschliche Verstand einfach nicht lösen kann, aber darin kann die effektivste technische Lösung gefunden werden.
Tatsächlich hat der menschliche Geist jetzt die Grenze der Anwendung als Hauptgenerator des Projektgedankens erreicht. Dies geschah, weil unser Denken durch die Anzahl der logischen Entscheidungen begrenzt ist, die wir analysieren können. Im Durchschnitt kann eine Person die Konsequenzen von Entscheidungen in drei Schritten berechnen, dann liegen Entscheidungen mit einem hohen Maß an Unsicherheit.
Um diese Grenzen zu erweitern, können mathematische Modelle lange Softwareverbindungen aufbauen. Das heißt, Aus Design wurde Programmierung. Anstelle von Code werden nur physikalische Parameter der Umgebung, des Entwurfsobjekts selbst und seiner betrieblichen Anforderungen verwendet. Auf diese Weise können Sie eine Vielzahl von Iterationen durchführen, um die optimale Lösung zu finden. Dieser Ansatz hat sich jedoch auf die gleiche Weise erschöpft, wie mathematische Modelle immer noch auf allgemeinen Vorstellungen einer Person darüber basieren, wie es wahr sein sollte.
Daher sind alle Entwurfsentscheidungen durch die Vorstellungen der Ingenieure begrenzt, was sie sein sollten, und unter den gegebenen Bedingungen nicht so optimal wie möglich. Das heißt, Designentscheidungen werden durch Technologie und träge Denkweise der Designteilnehmer begrenzt. Das Aufkommen des 3D-Drucks hat die Grenzen der Technologie dramatisch erweitert und die Möglichkeit geboten, einzigartige Produkte zu entwickeln. Sobald die Beschränkung der technologischen Form des Teils aufgehoben wurde, erschienen Systeme zum Finden optimaler Formen durch Last oder andere Parameter. Form und Material sind jedoch noch keine umfassende Lösung für das Designproblem, sondern nur eine lokale Optimierung.
Wohin sollten Design-Systeme also weiter streben? Da der Hauptkunde komplexer Entwurfsarbeiten große Unternehmen sind und große Unternehmen versuchen, die Kosten zu senken, lautet die Hauptaufgabe für Entwickler natürlich wie folgt:
- Tiefe Integration von Design und Produktion (um Designfehler bei technologischen Lösungen zu reduzieren).
- Design von Geräten in Verbindung mit Produktdesign. Tatsächlich kommt es darauf an, dass neue qualitativ hochwertige optimale Lösungen nur möglich sind, wenn sich ihre Produktionstechnologie ändert. Das heißt, Parallel dazu müssen zwei Konstruktionsprozesse durchgeführt werden, die Werkzeugmaschine und das Produkt selbst.
- Der Einsatz von KI, um über die "Schule" des Designs hinauszugehen. Das heißt, KI-Systeme sollten verwendet werden für:
- in der ersten Phase - die Zuordnung von Template-Design-Lösungen und deren Optimierung im Rahmen der im Unternehmen vorhandenen Lösungen.
- Ausweg aus Vorlagenlösungen zum Kombinieren von Vorlagen.
- Der Übergang von der Kombination von Vorlagen zur Erstellung neuer flexibler Designmodelle.
Tatsächlich wird das Design in Bezug auf technische Aufgaben irgendwann sein menschliches Gesicht verlieren und eher wie Programmierung aussehen, d. H. Physikalische und Festkörpermodelle werden vollständig verschwinden und ein mathematischer Lösungskomplex wird sofort im Rahmen der mathematischen Entwurfsumgebung erstellt. Die menschliche Aufgabe wird auf die Zusammenstellung der vollständigsten und informativsten technischen Aufgaben reduziert, der Rest der Software sollte selbst erledigt werden.
Vielleicht scheint das utopisch. Aber schon jetzt musste ich Elemente dieser nicht fernen Zukunft verwenden. Zum Beispiel hatte ich die Aufgabe, im Rahmen technologischer Einschränkungen ein Modell eines Verbundflügels zu erstellen. Ich habe ein mathematisches Modell in MachCAD erstellt, ein parametrisiertes Modell in ProE, diese Dateien direkt und über Makros verknüpft und Zeichnungen erhalten, die in einem bestimmten Bereich geometrischer Werte funktionieren. Somit ist dieses Modell für weitere Benutzer eine Black Box.
Der Benutzer kann einfach die Art des Profils, den Umfang, die Anforderungen für die Mechanisierung auswählen und am Ausgang Zeichnungen des Flügels erhalten. Gleichzeitig war ich selbst eher Programmierer als Ingenieur. Wenn wir fortschrittliche Technologie und Optimierungssysteme in dieses Schema aufgenommen hätten, hätten wir das Produkt der Zukunft, aber das ist natürlich keine leichte Aufgabe.
Die Entwicklung von CAD sollte darauf abzielen, den menschlichen Fehlerfaktor aus Entwurfssystemen zu eliminieren. Natürlich wird AI die Entwurfsaufgabe effizienter bewältigen. Diese Entwicklung weist jedoch eine Vielzahl von Widersprüchen auf, von ethisch bis wirtschaftlich. Stellen Sie sich vor, das gesamte Designbüro von Tupolev oder Sukhoi könnte durch eine Gruppe von Programmierern und Analysten ersetzt werden - Verlust von Arbeitsplätzen, "wenn alles kaputt geht", "und dann eine nukleare Explosion, und wir holen die Taschen aus dem Keller ...". Diese Widersprüche sind systemischer Natur und praktisch unlösbar. Ich denke, wir werden nicht bald wirklich neue Designsysteme sehen. Die Releases aller oben genannten Programme enthalten immer weniger qualitative Änderungen und mehr werden auf die Benutzerfreundlichkeit und Modernisierung vorhandener Vorlagen reduziert.
Abschließend möchte ich auf ein sehr komplexes und offensichtliches Problem der russischen Designschule hinweisen: Sie verfügt immer noch nicht über ein eigenes Top-Level-Softwarepaket. Europa hat NX und Catia in den USA - ProE ist nicht nur Softwareprodukte, sondern die Verkörperung einer Designschule und Ideen zum Prozess der Designautomatisierung. Und natürlich möchte ich von russischen Entwicklern ein System erhalten, das dem, was wir normalerweise bekommen und aufholen, sofort einen Schritt voraus ist.