Datorizētā projektēšana

2D CAD rasējuma piemērs

3D CAD modeļa piemērs

Datorizētā projektēšana (CAD) (angļu: Computer-aided design) pazīstama arī kā datorizētā rasēšana (CADD) (angļu: Computer-aided drafting), ir datorsistēmu izmantošana projektu izstrādē, analizēšanai vai optimizēšanai. Dartorizētā projektēšana apraksta tehniskā rasējuma izveidošanu, izmantojot datora programmatūru. CAD programmatūru izmanto, lai paaugstinātu projektētāja darba ražību, vienlaikus uzlabojot projekta kvalitāti, komunikāciju caur dokumentāciju un radītu ražošanas datubāzi. Bieži CAD produkcija veidota elektronisku failu formā drukāšanai vai mehāniskās apstrādes darbībām. CAD programmatūra lieto vai nu uz vektoriem balstītu grafiku, lai atainotu tradicionālās projektēšanas objektus, vai arī radītu rastra grafiku, kas ataino kopējos projektēto objektu apveidus.

CAD bieži vien izmanto ne tikai formas. Tāpat kā manuālajā tehnisko un inženiertehnisko rasējumu rasēšanā, arī CAD nodrošina informācijas pārvadīšanu materiālu, procesu, izmēru, pielaižu veidā atbilstoši lietošanas prasībām.

CAD var izmantot, lai projektētu līknes un figūras divdimensionālā (2D) vidē; vai līknes, virsmas un ķermeņus trīsdimensionālā (3D) vidē.

CAD ir svarīga rūpnieciskā māksla, kas plaši izmantota daudzās jomās, tostarp automobiļu, kuģubūves un kosmiskās aviācijas nozarēs, rūpnieciskajos un arhitektūras projektos, protezēšanā un daudz kur citur. CAD tiek plaši izmantots, lai veidotu datoranimācijas filmu specefektiem, reklāmām un tehniskajām rokasgrāmatām.

Mūsdienu datoru jauda un pieejamība jebkurā vietā nozīmē, ka pat smaržu pudeles un šampūnu dozatori tiek ražoti izmantojot tehnoloģijas, par kurām 20. gadsimta 60. gadu projektētāji pat nebija dzirdējuši. Milzīgās ekonomiskās nozīmības dēļ, CAD ir bijis galvenais dzinējspēks pētījumiem skaitļošanas ģeometrijā, datorgrafikā (datortehnikas un programmatūras) un diskrētajā diferenciālajā ģeometrijā.

Ģeometrisko modeļu dizains, it sevišķi objektu formām, laiku pa laikam tiek saukts par datorizētās projektēšanas ģeometrisko dizainu (CAGD).

Lai gan automātisko CAD sistēmu mērķis ir palielināt efektivitāti, tās ne vienmēr ir labākais veids, lai izprastu ķermeņu modelēšanas ģeometriskos principus. Šim mērķim daudz piemērotākas ir skriptu valodas, piemēram PLaSM (Ķermeņu modelēšanas programmēšanas valoda).

Pārskats

Sākot ar 20. gadsimta 80. gadiem datorizētās projektēšanas programmas ievērojami samazināja rasētāju nepieciešamību, īpaši mazajos un vidēja lieluma uzņēmumos. To pieejamība un iespēja izmantot personālajos datoros ļāva inženieriem pašiem veikt rasēšanas darbu, likvidējot veselas nodaļas. Mūsdienās daudzās universitātēs studentiem netiek prasīts mācīties rokas rasēšanas tehnikas. Ir pagājis periods, kad gala rasējumi tiek veikti ar roku. Universitātes vairs neprasa darbos izmantot transportieri un kompasu, tā vietā tagad ir nodarbības, kas koncentrējas uz CAD programmatūras apgūšanu.

Pašreiz pieejamas datorizētās projektēšanas programmatūras paketes diapazonā no 2D uz vektoriem balstītām rasēšanas sistēmām līdz 3D ķermeņu un virsmu modelētājiem. Modernās CAD paketes bieži vien nodrošina rotēšanu trīs dimensijās, ļaujot aplūkot uzprojektētos objektus no jebkura leņķa, pat no iekšas uz āru. Dažas CAD programmatūras nodroršina dinamisku matemātisku modelēšanu, šajā gadījumā to apzīmē ar CADD.

CAD izmanto ne vien rīku un iekārtu projektēšanā, bet arī projektējot jebkāda veida ēku, sākot no mazām dzīvojamām ēkām (mājām) un beidzot ar lielām komerciālām un ražošanas celtnēm (slimnīcām un rūpnīcām).

CAD galvenokārt izmanto, lai veidotu detalizētus inženiertehniskos 3D modeļus un/vai 2D rasējumus ķermeniskām sastāvdaļām, bet to izmanto arī projektēšanas procesā sākot ar konceptuālo projektu un projekta izvietojumu, cauri kompleksa spēku un kustību analīzei un beidzot ar sastāvdaļu ražošanas metožu noteikšanu. To izmanto arī sastāvdaļu projektēšanā. Turklāt daudzas CAD lietojumprogrammas tagad piedāvā arī uzlabotas renderēšnas un animācijas iespējas, lai inženieri varētu labāk parādīt savu produktu dizainu.

CAD kļuvis par īpaši svarīgu elementu datorizēto tehnoloģiju ietvaros, jo tam ir zemākas produkta izstrādes izmaksas un ievērojami saīsināts projekta izstrādes cikls. CAD ļauj projektētājiem izkārtot un izstrādāt darbu uz ekrāna, to izdrukāt un saglabāt vēlākai rediģēšanai, ietaupot laiku rasēšanai.

Izmantošana

Datorizētā projektēšana ir viens no rīkiem, ko izmanto inženieri un projektētāji, un tiek izmantota vairākos veidos atkarībā no lietotāja profesijas un attiecīgās programmatūras.

CAD ir viena daļa no visa Digitālā produkta attīstības (DPD) posma Produkta dzīves cikla pārvaldīšanas (PLM) procesos un kā tāda tiek izmantota kopā ar citiem rīkiem, kuri ir vai nu iebūvēti moduļi vai patstāvīgi produkti, kā piemēram:

• Datorizētā inženierija (CAE) un Galīgo elementu analīze (FEA)
• Datorizētā ražošana (CAM) ieskaitot instrukcijas Datora skaitļošanas kontroles (CNC) aparatūrai.
• Fotoreālistiskā renderēšana
• Dokumentu vadīšanas un pārskatīšanas kontrole, izmantojot Produkta datu vadīšanu (PDM).

CAD tiek lietots arī precīzas foto modelēšanas veikšanai, kas nepieciešama, lai sagatavotu vides ietekmes pārskatus, kuros paredzēto ēku datorizētie projekti tiek ievietoti esošās vides fotogrāfijās, lai parādītu, kā konkrētā vide izskatītos, ja tiktu atļauta projekta īstenošana. Bieži vien, izmantojot CAD, tiek analizēta Iespējamā skatu koridoru bloķēšana un ēnu studijas.

CAD pierādījis savu nozīmību arī inženieru darbā, izmantojot četrus elementus – vēsturi, pazīmes, parametrizēšanu un augstas pakāpes ierobežojumus. Būvniecības vēsture var tikt izmantota, lai aplūkotu modeļa personīgās iezīmes un strādātu ar vienu modeļa daļu, nevis visu modeli. Parametri un ierobežojumi tiek izmantoti, lai noteiktu izmēru, formu un dažādus modelēšanas elementus. CAD sistēmas iezīmes tiek izmantotas dažādos mērīšanas rīkos, lai noteiktu stiprības robežas un stiepes izturību, kā arī slodzes, piepūles un temperatūras ietekmi uz konkrētiem elementiem.

Tipi

Ir vairāki CAD tipi, katrs pieprasa lietotājam darboties savādāk, projektējot konkrētās virtuālās sastāvdaļas.

Ir vairāki lēto 2D sistēmu ražotāji, ieskaitot vairākas bezmaksas un brīvi pieejamas programmas. Tās nodrošina pieeju zīmēšanas procesam bez uztraukuma par mērogu un novietojumu uz rasējuma lapas, kas bija raksturīgs zīmēšanai ar roku, šie parametri var tikt mainīti līdz pat projekta izstrādes beigām.

3D karkasmodeļa pamatā ir 2D projektēšanas paplašināšana (mūsdienās neizmanto pārāk bieži). Katra līnijā zīmējumā tiek ievilkta manuāli. Gala produktam nav kopīgas īpašības un tam nevar tieši pievienot konkrētas iezīmes, piemēram, caurumus. Lietotājs darbojas līdzīgi kā 2D sistēmās, lai gan vairākas 3D sistēmas pieļauj karkasmodeļa izmantošanu, lai veidotu gala inženiertehnisko rasējumu skatus.

3D „mēmie” ķermeņi tiek veidoti analoģiski manipulācijām ar reālās pasaules objektiem (mūsdienās neizmanto pārāk bieži). Pamata trīsdimensionālajām ģeometriskajām formām (prizmām, cilindriem, sfērām utt.) ir pievienoti vai atņemti pamata apjomi, it kā samontējot vai sagriežot reālās pasaules objektus. No šiem modeļiem ir vienkārši veidot divdimensionālus projekciju skatus. Pamata 3D ķermeņiem ne vienmēr ir rīki vienkāršai sastāvdaļu pārvietošanai, sastāvdaļu pārvietošanas robežu noteikšanai un traucējumu noteikšanai starp sastāvdaļām.

3D parametriskā ķermeņu modelēšana prasa lietotājam izmantot to, kas attiecas uz „dizaina nodomu”. Radītie objekti un iezīmes ir koriģējami. Jebkuru nākotnes modifikāciju vieglums, sarežģītība vai neiespējamība ir atkarīga no tā, kā izstrādāta oriģinālā daļa. Lietotājam par to jādomā, kā par „perfektas pasaules” sastāvdaļas attēlojumu. Ja paredzēts iezīmi novietot attiecībā pret kādas daļas centru, lietotājam tā jānovieto attiecībā pret modeļa centru, nevis, piemēram, no ērtākas malas vai patvaļīga punkta, kā to varēja darīt izmantojot „mēmos” ķermeņus. Parametriskie ķermeņi prasa no lietotāja rūpīgi pārdomāt katras darbības sekas.

Dažas programmatūras paketes nodrošina iespēju rediģēt parametrisko un neparametrisko ģeometriju neizprotot un neatceļot projekta ģeometrijas nodoma vēsturi, izmantojot tiešās modelēšanas funkcionalitāti. Šī iespēja var iekļaut arī papildus iespējas nodrošināt pareizas attiecības starp izvēlēto ģeometriju (piem. pieskaršanos, koncentriskumu), kas padara rediģēšanas procesu ātrāku un mazāk darbietilpīgu, tajā pašā laikā atbrīvojot inženieri no modeļa izprašanas nastas. Šīs nevēsturiski balstītās sistēmas tiek sauktas par precīzi formulētiem modelētājiem vai tiešajiem CAD modelētājiem.

Dārgākas sistēmas piedāvā iespēju iekļaut projektos organiskākas, estētiskākas un ergonomiskākas iezīmes. Brīvformas virsmu un ķermeņu modelēšana bieži vien tiek apvienota, lai atļautu projektētājam radīt projektus, kas atbilstu cilvēka formas un vizuālajām prasībām, kā arī būtu iespējama aparatūras mijiedarbība.

Tehnoloģija

CAD datorpeles modelis

Sākotnēji datorizētās projektēšanas sistēmu programmatūra tika radīta, izmantojot tādas datoru valodas kā Fortran, bet līdz ar uz objektiem orientētu programmēšanas metožu progresu, tas strauji mainījās. Parastas modernas uz parametriskajām iezīmēm balstītas modelēšanas un brīvformas virsmas sistēmas tiek veidotas apkārt vairākiem galvenajiem C moduļiem ar savu APIs. CAD sistēmu var uzlūkot kā mijiedarbību starp grafisko lietotāja interfeisu (GUI) un NURBS ģeometriju un/vai robežu attēlošanas (B-rap) datu mijiedarbību ar ģeometriskās modelēšanas kodolu. Ģeometriju ierobežojošo sistēmu var izmantot arī ģeometrijas asociatīvo attiecību vadīšanai, kā piemēram karkasa ģeometriju uzmetumā vai sastāvdaļas kompleksā.

Šo asociatīvo īpašību negaidītās iespējas ir radījušas jaunu prototipu formu t.s. digitālo prototipu. Pretēju fizikālajiem prototipiem, kas prasa papildus laiku dizaina ražošanai. Ja fizikālais prototipu ieskenē, izmantojot rūpniecisko CT skenēšanas aparatūru, ar datoru iespējams izveidot tam atbilstošus CAD modeļus. Ņemot vērā biznesa formu, jau sākotnēji iespējams izvēlēties starp digitālo un fizikālo prototipu atbilstoši vajadzībām.

Mūsdienās CAD sistēmas iespējams izmantot ar vairākām galvenajām operētājsistēmām (Windows, Linux, UNIX un Mac OS X); dažas paketes atbalsta pat vairākas operētājsistēmas.

Šobrīd lielākajai daļai CAD programmatūras nav nepieciešama speciāla aparatūra. Tomēr dažas CAD sistēmas veic grafiski un skaitļošanas ziņā ļoti intensīvus uzdevumus, līdz ar to tām var būt nepieciešama moderna grafiskā karte, liela ātruma (un iespējams vairāki) CPUs un liels daudzums RAM.

Cilvēka-aparāta mijiedarbība visbiežāk notiek izmantojot datorpeli, bet iespējams izmantot arī gaismas zīmuli un ciparošanas grafisko planšeti.

Modeļa skata manipulācija uz ekrāna reizēm tiek veikta ar kursorbumbu. Dažas sistēmas atbalsta arī stereoskopiskās brilles modeļa aplūkošanai.