Cad, cam, cae-системы

Введение в САПР

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Во первых, автоматизация проектирования — синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции.

Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows 95/NT, языках программирования. С, С++, Java и других, современных CASE технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Во вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из за невысокого качества проектов. Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 60 х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат.

Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.

К настоящему времени создано большое число программно методических комплексов для САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвященного основам САПР, более детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

Каким образом данные системы могут быть использованы в стоматологии?

Самый популярный процесс, где они используются, – это изготовление заготовок зубных пломб и получение конечного продукта в виде самой пломбы. Из-за использования в стоматологии определенного количества материалов для выполнения имплантатов, не каждый раз есть возможность добиться желаемого результата, отличающегося высокой надежностью.

Однако благодаря CAD/CAM системам есть возможность расширить выбор используемых для изготовления пломбы материалов. Например, так можно создавать долговечные керамические пломбы высокого качества.

С помощью таких технологий можно изготавливать пломбы, коронки и протезы из различных материалов

Вот какими плюсами обладает использование автоматизированных систем в протезировании по сравнению с привычными методами.

1. Есть возможность изготовления основы для пломбы естественного цвета, не отличающегося от натурального цвета эмали.
2. Пломбы, изготовленные из керамики, отличаются повышенной стойкостью.
3. Такой материал, как керамика, отлично воспринимается организмом.
4. Есть возможность укрепления разрушенных зубов.

Autodesk Inventor

Профессиональный комплекс для трехмерного проектирования промышленных изделий и выпуска документации. Разработчик – компания Autodesk.

Среди особенностей Inventor стоит отметить:

• Продвинутые инструменты трехмерного моделирования, включая работу со свободными формами и технологию прямого редактирования
• Поддержку прямого импорта геометрии из других САПР с сохранением ассоциативной связи (технология AnyCAD)
• Тесную интеграцию с программами Autodesk — AutoCAD, 3ds Max, Alias, Revit, Navisworks и другими, что позволяет использовать Inventor для решения задач в разных областях, включая дизайн, архитектурно-строительное проектирование и пр.
• Поддержку отечественных стандартов при проведении расчетов, моделировании и оформлении документации
• Обширные библиотеки стандартных и часто используемых элементов
• Обилие мастеров проектирования типовых узлов и конструкций (болтовые соединения, зубчатые и ременные передачи, проектирование валов и колес и многое другое)
• Широкие возможности параметризации деталей и сборок, в том числе управление составом изделия
• Встроенную среду создания правил проектирования iLogic.

Для эффективного управления процессом разработки изделий, управления инженерными данными и организации коллективной работы над проектами, Autodesk Inventor может быть интегрирован с PLM-системой Autodesk Vault и схожими системами других разработчиков.

Классификация

По ГОСТ

ГОСТ 23501.108-85 устанавливает следующие признаки классификации САПР:

• тип/разновидность и сложность объекта проектирования
• уровень и комплексность автоматизации проектирования
• характер и количество выпускаемых документов
• количество уровней в структуре технического обеспечения

Классификация с использованием английских терминов

В области классификации САПР используется ряд устоявшихся англоязычных терминов, применяемых для классификации программных приложений и средств автоматизации САПР по отраслевому и целевому назначению.

По отраслевому назначению

• MCAD (англ. mechanical computer-aided design) — автоматизированное проектирование механических устройств. Это машиностроительные САПР, применяются в автомобилестроении, 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, КОМПАС, CATIA);
• EDA (англ. electronic design automation) или ECAD (англ. electronic computer-aided design) — САПР , радиоэлектронных средств, интегральных схем, печатных плат и т. п., (Altium Designer, OrCAD);
• 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, AutoCAD Revit Architecture Suite, Bentley MicroStation, Bentley AECOsim Building Designer, Piranesi, ArchiCAD).

По целевому назначению

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

• 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, и САПР общего назначения.
  • CADD (англ. computer-aided design and drafting) — проектирование и создание чертежей.
  • CAGD (англ. computer-aided geometric design) — геометрическое моделирование.
• CAE (англ. computer-aided engineering

  CAA (англ. computer-aided analysis) — подкласс средств CAE, используемых для компьютерного анализа.

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  ) — средства автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий.

• 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.
• 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.

Подробнее о том, что представляет собой CAD/CAM

Как можно понять из названия, данную систему можно подразделить на две:

• CAD – это способ организации автоматического создания 3D-модели с использованием специального компьютерного ПО;
• CAM – непосредственно производство указанного изделия при использовании заранее построенного трехмерного шаблона.

С помощью таких систем разрабатывают модели зубных протезов, а затем производят их

При использовании в работе данной системы используется следующее специализированное оборудование.

При изготовлении протезов с помощью таких систем используется специальное оборудование

При этом список изделий, которые можно выполнить с помощью данной системы моделирования, не ограничивается каркасом для коронок из оксида циркония.

Существуют стандарты размеров прилегания края имплантатов, установленные английской компанией Renishaw:

• 0-19 мкм – самый лучший уровень краевого прилегания;
• 20-39 мкм – хороший уровень;
• 49-79 мкм – прилегание удовлетворительное;
• 80-119 мкм – пограничный приемлемый уровень;
• более 120 мкм – максимально допустимый уровень, чтобы конструкция выполняла свои функции.

САМ (Изготовление с использованием компьютерной технологии)

Изготовление с использованием компьютерной технологии — это использование компьютерных систем для управления механизированными инструментами. Это позволяет придавать материалам определенную форму с тем, чтобы создавать из них конструкции и приспособления. Компьютеры, контролирующие механизированные инструменты, могут действовать в соответствии с инструкциями, полученными от системы проектирования с использованием компьютерной технологии. Таким образом, возникает полная интегрированная система. Объект, который необходимо изготовить, конструируется на экране компьютера, после чего проект воплощается в жизнь компьютером же, передающим свои инструкции непосредственно механизированным инструментам.

В отношении постановки пломб стоматология была всегда ограничена определенным ассортиментом доступных технологий изготовления. Пломбирование зубов в одно посещение всегда было ограничено использованием амальгамы для зубной пломбы, кислотно-основными смесями или же полимеризацией смол. Пломбы, изготовляемые в лабораторных условиях, ограничивались выплавляемым модельным литьем, агломерированием фарфоровых пломб и полимеризацией смол. Это очень жестко ограничивало диапазон материалов, которые могли быть использованы. Давая нам новую методику контроля формы объекта, CAD/CAM системы в стоматологии открывают доступ к целым системам новых материалов.

Технология CAD/CAM в стоматологии делает возможным использование керамических материалов с очень хорошими характеристиками и композитных материалов на основе стеклянного вяжущего вещества, которые были произведены в оптимальных фабричных условиях, при соблюдении необходимых технологических характеристик. Такие материалы имеют огромные преимущества перед теми, что используются здесь традиционно.

В сравнении с другими материалами для пломбирования керамические материалы отличаются целым рядом преимуществ. Они могут быть смешаны в такой пропорции, чтобы очень близко соответствовать цвету зуба. Они обладают очень высокой биосовместимостью и очень износостойки

Очень важно также и то, что посредством соответствующей обработки как самой керамики, так и поверхностей зуба, возможно, добиться создания прочной связи, так что пломба и сам зуб станут единым функциональным элементом. Данное преимущество означает то, что поврежденный зуб может быть укреплен, будучи связан с керамической пломбой

Хотя то же самое возможно осуществить также и с композитными материалами на полимерной основе, все-таки эти пломбы по их прочности не могут быть поставлены рядом с изготовленными механическим способом керамическими пломбами.

NX

NX – флагманская система САПР производства компании Siemens PLM Software, которая используется для разработки сложных изделий, включающих элементы со сложной формой и плотной компоновкой большого количества составных частей.

Ключевые особенности NX:

• Поддержка разных операционных систем, включая UNIX, Linux, Mac OS X и Windows
• Одновременная работа большого числа пользователей в рамках одного проекта
• Полнофункциональное решение для моделирования
• Продвинутые инструменты промышленного дизайна (свободные формы, параметрические поверхности, динамический рендеринг)
• Инструменты моделирования поведения мехатронных систем
• Глубокая интеграция с PLM-системой Teamcenter.

Какие ортопедические конструкции изготавливают с помощью системы CAD/CAM?

Уникальная компьютерная технология позволяет создавать:

• Коронки из циркония и цельной керамики.
• Виниры, вкладки.
• Телескопические коронки для бюгельных протезов.
• Индивидуальные абатменты.
• Мостовидные конструкции.
• Временные коронки, которые должны быть установлены в короткие сроки.
• Хирургические шаблоны для дентальной имплантации.

Диапазон использования данной технологии постоянно расширяется, делая этот раздел ортопедии наиболее перспективным.

Только с применением системы CAD/CAM возможна обработка таких высокопрочных материалов, как оксид и диоксид циркония, из которых изготавливаются красивые долговечные коронки.

Программы КАД в медицине

Отдельным семейством платформ являются CAD/CAM системы, ориентированные на анализ здоровья человека. Без них невозможно обойтись при создании искусственного органа или заполнения форм бланков регистрации пациента. Принцип работы такого софта следующий:

• Создание трехмерной модели в электронном виде.
• Проверка ошибок и общий анализ объекта.
• Изготовление протеза на фрезерном блоке.

Стоматологи пользуются программой чаще и продуктивнее. Неудовлетворительное состояние зубов может привести к инфекционным заболеваниям полости рта или всего организма, поэтому необходимо как можно скорее воздействовать на источник проблемы. Быстрая работа автоматизированного оборудования позволяет сократить сроки обслуживания клиента. Экономия времени больного является частью заботы о нем со стороны медицинского учреждения. Иногда результаты анализов и слепки появляются в день обращения в поликлинику, то есть он сразу идет с ними к своему врачу и проблема решается в течение нескольких часов.

Преимущества использования дантистами CAD следующие:

• Быстрое и безошибочное создание слепка. Поскольку работа механизирована, исключается человеческий фактор и ошибки по невнимательности персонала.
• Сохранение каркаса в базе данных в электронном виде. Функция позволяет в дальнейшем создать отчет по объекту.
• Возможность внесения доктором корректировок. При необходимости, зубной врач может поправить деталь слепка по желанию клиента. Например, если делается каркас для создания брекетов, а у пациента есть дополнительные пожелания.

Разработаны специальные станки, оборудованные числовым программным управлением, что реализует возможность создания слепков и коронок за считанные минуты. ЧПУ получает информацию от КАД и отливает объект по чертежу с учетом всех внесенных правок. Благодаря CAD была усовершенствован принцип создания коронок. Макет может быть изготовлен из оксида циркония. Этот материал не вызывает аллергических реакций и отличается высокой биосовместимостью. Импланты выглядят более естественными, ведь специалист может выбрать подходящий оттенок. Цвет будет учитываться при покрытии искусственного зуба керамической массой. Софт может предложить использование других материалов, например, хром, пластмассу, воск, титан. С медицинской и практической точек зрения наиболее подходящим по всем параметрам является оксид циркония.

Классификация САПР

Для более укрупненного описания систем автоматизированного проектирования принята классификация САПР по набору определенных отличительных особенностей. В отечественной практике применяется ГОСТ 23501.108-85, выделяющий среди таких особенностей тип, разновидность и сложность разрабатываемого объекта, уровень автоматизации и ее комплексность, номенклатура подготавливаемой документации, а также сложность структуры технического обеспечения.

Международные стандарты рассматривают такие комплексы в аспекте отраслевого и целевого назначения.

По отраслевому назначению

Признак классификации по отраслевому назначению отчасти перекликается с отечественным типом объекта проектирования и подразделяет все САПР на:

• Машиностроительные — позволяют выполнять разработку элементов механических систем, а также создавать из них сборки, получая сложные механизмы.
• Приборостроительные — используются для создания радиоэлектронного оборудования, интегральных микросхем и трассировки печатных плат.
• Архитектурные — применяются в промышленном и гражданском строительстве, позволяют моделировать конструкции зданий и сооружений.

Следует отметить, что приведенная классификация несколько условна и не охватывает весь перечень отраслей, в которых применяются САПР. Комплексы не попавшие в общепринятую классификацию, трактуются стандартом как «Прочие».

По целевому назначению

Согласно данному классификационному признаку различают CAD-, CAE- и CAM-системы.

• CAD-системы объединяют в себе инструментарий конструирования различных деталей, подготовки чертежей, спецификаций и сопутствующей документации. Большинство современных программ обладают функциями создания 3D-моделей, используемых в CAM и CAE-системах.
• CAM-системы позволяют выполнять технологическую поддержку производства изделия. Примером может служить генерация управляющей программы для станков и обрабатывающих центров с ЧПУ.
• CAE-системы обладают обширными средствами поддержки математического анализа. С помощью них моделируют и прогнозируют процессы в области теплотехники, гидравлики, механики; выполняют сложные расчеты с использованием расширенного математического аппарата. CAE системы позволяют оценить работоспособность проектируемого изделия до его производства.

Достоинства систем автоматизированного проектирования

Использование САПР в первую очередь значительно упрощает труд инженера-проектировщика. Если раньше специалисты разрабатывали чертежи и документацию от руки, сегодня это выполняется в автоматизированном режиме. Другие преимущества:

• ускорение процесса проектирования и конструирования деталей в 1,5-2 раза;

• уменьшение затрат на изготовление изделий вплоть до 20%;

• удешевление процесса разработки и расходов на эксплуатацию;

• меньшие расходы на формирование моделей и проведение тестов;

• значительный рост качества и технического уровня результатов работы.

В совокупности перечисленные преимущества делают предприятие более конкурентоспособным за счет увеличения качества выпускаемой продукции вместе с уменьшением себестоимости.

Преимущества CAD/CAM технологий в стоматологии

В зуботехнической отрасли большой популярностью пользоваться зуботехнические конструкции из циркония. Они не имеют металлического основания, выглядят натурально. Изготовить подобные изделия способны только CAD/CAM-системы. Это не единственное преимущество технологии, есть и другие важные, достойные внимания плюсы:

• высочайшая точность изготовления;
• короткие сроки производства;
• учет особенностей и потребностей пациента;
• автоматизированный процесс, исключающий ошибки человеческого фактора.

Разные CAD/CAM-системы, используемые в стоматологии, имеют свои преимущества. На данный момент выделяют закрытые и открытые типы. Последние работают только с конкретными материалами — диски, блоки и.т.д. Открытые ценятся за возможность обновлять программное обеспечение, например, для работы с другим оборудованием.

С технической стороны тоже можно выделить несколько преимуществ.

1. Материал не деформируется, что позволяет получать качественное изделие, соответствующее заданным параметрам.
2. Визуализация не только конечного, но и промежуточных результатов, возможность обсудить и согласовать все с пациентом.
3. Использование разных материалов для ортопедических конструкций.

Примечания

1. ↑
2. ↑
3. ↑
4. Пройдаков, Э. М. Теплицкий, Л. А. Англо-русский толковый словарь терминов и сокращений по ВТ, Интернету и программированию. — М.: Русская Редакция, 2004. — ISBN 5-750-20195-3. (Словарь поставляется в электронной версии с ABBYY Lingvo x3 для ПК)
5. Масловский, Е. К. Англо-русский словарь по вычислительной технике и программированию (The English-Russian Dictionary of Computer Science). — ABBYY Ltd, 2008.. (Словарь поставляется в электронной версии с ABBYY Lingvo x3 для ПК и доступен на сайте )
6. Воскобойников, Б. С., Митрович, В. Л. Англо-русский словарь по машиностроению и автоматизации производства. — М.: РУССО, 2003. — 1008 с. — ISBN 5-887-21228-4.. (Словарь поставляется в электронной версии с ABBYY Lingvo x3 для ПК)
7. Лисовский, Ф. В. Новый англо-русский словарь по радиоэлектронике. — М.: РУССО, 2005. — 1392 с. — ISBN 5-887-21289-6.. (Словарь поставляется в электронной версии с ABBYY Lingvo x3 для ПК)
8. Малюх В. Н. Введение в современные САПР: Курс лекций. — М.: ДМК Пресс, 2010. — 192 с. — ISBN 978-5-94074-551-8.
9. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. — 430 с. — ISBN 978-5-7038-3275-2.

Предыстория задачи

Возникла у заказчика задача, допустим, такая:

• Скинуть в 1С элементы модели здания.
• В 1С использовать эти части модели в договорах – ну, допустим, указать, что вот такие-то элементы уже построены, такие-то – только запланированы, и т.п..
• В Navisworks на чертеже как-то увидеть это – например, отобразив элементы модели разными цветами. Для этого сделали к Navisworks плагин, который умеет копировать в 1С данные из таблиц Quantification (Takeoff tables), а также забирать их из 1С обратно и запихивать в Takeoff tables. А в 1С предполагалось у используемых в договоре элементов модели (помещений) менять цвета.

Только вот оказалось, что после изменения этих табличных данных в 1С – Navisworks не понимает, что они изменились, и надо бы их обновить. Стало быть, мне, программисту, надо ему это подсказать.