Šikmý pohled na čtyřválcový řadový klikový hřídel s písty.
Počítačem podporovaný návrh nebo počítačem podporované kreslení (CAD) je využití počítačové technologie na pomoc při návrhu produktu. Současné softwarové balíčky sahají od 2D vektorových základových kreslicích systémů až po 3D pevné a povrchové modeláře.
CAD původně znamenalo Computer-Aided Drafting (Počítačem podporované kreslení) nebo navrhování, protože se původně používalo jako náhrada za tradiční kreslení. Nyní CAD obvykle znamená Computer Aided Design, aby odráželo skutečnost, že moderní nástroje CAD umí víc než jen kreslení.
CAD se někdy překládá jako „počítačově podporované“, „počítačově podporované kreslení“ nebo podobná fráze. Související zkratky jsou CADD, což znamená „počítačově podporovaný design a kreslení“, CAID pro počítačově podporovaný průmyslový design a CAAD pro „počítačově podporovaný architektonický design“. Všechny tyto pojmy jsou v podstatě synonyma, ale existuje několik drobných rozdílů ve významu a použití.
CAM (Computer-aided manufacturing) je také často používán podobným způsobem, nebo jako kombinace (CAD/CAM). Termín CAD se obecně používá pro grafický design, zatímco non-grafický design podporovaný počítačem, i když tam může být zaměření na tvar a funkce související s tvarem, je obvykle nazýván Knowledge-based engineering (KBE).
CAD se používá k navrhování, vývoji a optimalizaci výrobků, což může být zboží používané konečnými spotřebiteli nebo meziprodukty používané v jiných výrobcích. CAD se také hojně používá při navrhování nástrojů a strojů používaných při výrobě součástek a při navrhování a projektování všech typů budov, od malých obytných typů (domů) až po největší obchodní a průmyslové stavby (nemocnice a továrny).
CAD se používá především pro detailní inženýring 3D modelů a/nebo 2D výkresů fyzikálních komponentů, ale používá se i v celém inženýrském procesu od koncepčního návrhu a rozvržení výrobků, přes pevnostní a dynamickou analýzu sestav až po definici výrobních metod komponentů.
CAD se stal obzvláště důležitou technologií v rámci technologií podporovaných počítačem s výhodami, jako jsou nižší náklady na vývoj produktu a výrazně zkrácený konstrukční cyklus. CAD umožňuje designérům rozvrhnout a vyvinout práci na obrazovce, vytisknout ji a uložit pro budoucí úpravy, což šetří čas na jejich výkresech.
Plně editovatelný digitální multi-CAD maketa
Konstruktéři již dlouho používají pro své výpočty počítače. Počáteční vývoj byl realizován v 60. letech v rámci leteckého a automobilového průmyslu v oblasti 3D povrchových konstrukcí a NC programování, většina z nich na sobě nezávislá a často veřejně publikovaná až mnohem později. Některé matematické popisné práce na křivkách byly vyvinuty počátkem 40. let 20. století Isaacem Jacobem Schoenbergem, Apalatequi (Douglas Aircraft) a Royem Limingem (North American Aircraft). Robert A. Heinlein ve svém románu z roku 1957 The Door into Summer naznačil možnost robotického Drafting Dana. Nicméně pravděpodobně nejdůležitější práce na polynomiálních křivkách a sochařském povrchu byly provedeny Pierrem Bezierem (Renault), Paulem de Casteljauem (Citroen), Stevenem Ansonem Coonsem (MIT, Ford), Jamesem Fergusonem (Boeing), Carlem de Boorem (GM), Birkhoffem (GM) a Garibedianem (GM) v 60. letech a W. Gordonem (GM) a R. Riesenfeldem v 70. letech.
Tvrdí se, že zlomovým bodem byl vývoj systému SKETCHPAD na MIT v roce 1963 Ivanem Sutherlandem (který později s Dr. Davidem Evansem vytvořil firmu na technologii grafiky). Charakteristickým rysem SKETCHPADu bylo, že umožňoval konstruktérovi graficky komunikovat se svým počítačem: design mohl být do počítače vložen kreslením na CRT monitor pomocí světelného pera. V podstatě šlo o prototyp grafického uživatelského rozhraní, nepostradatelného rysu moderního CADu.
Jednou z nejvlivnějších událostí ve vývoji CAD bylo založení MCS (Manufacturing and Consulting Services Inc.) v roce 1971 Dr. J. Hanrattym, který napsal systém ADAM (Automated Drafting And Machining), ale hlavně dodával kód firmám jako McDonnell Douglas (Unigraphics), Computervision (CADDS), Calma, Gerber, Autotrol a Control Data.
S rostoucí dostupností počítačů se postupně rozšiřovaly oblasti použití. Vývoj CAD softwaru pro osobní stolní počítače byl impulsem pro téměř univerzální použití ve všech oblastech konstrukce.
Dalšími klíčovými body v 60. a 70. letech byly základy CAD systémů United Computing, Intergraph, IBM, Intergraph IGDS v roce 1974 (což vedlo k Bentley MicroStation v roce 1984)
Implementace CAD se od té doby dramaticky vyvinuly. Zpočátku se 2D v 70. letech obvykle omezovalo na tvorbu výkresů podobných ručně vypracovaným výkresům. Pokrok v programování a počítačovém hardwaru, zejména solidní modelování v 80. letech, umožnil univerzálnější využití počítačů v návrhářských činnostech.
Klíčovými produkty pro rok 1981 byly solidní modelovací balíčky -Romulus (ShapeData) a Uni-Solid (Unigraphics) založené na PADL-2 a vydání modelu povrchu CATIA (Dassault Systemes). Autodesk byl založen v roce 1982 Johnem Walkerem, což vedlo k 2D systému AutoCAD. Dalším milníkem bylo vydání Pro/ENGINEER v roce 1988, které předznamenalo větší využití modelovacích metod založených na funkcích a parametrické propojení parametrů funkcí. Důležitý pro vývoj CAD byl také vývoj jádra B-rep pro solidní modelování (motory pro manipulaci s geometricky a topologicky konzistentními 3D objekty) Parasolid (ShapeData) a ACIS (Spatial Technology Inc.) na konci 80. a začátku 90. let, obě inspirované prací Iana Braida. To vedlo k vydání balíčků střední třídy jako SolidWorks v roce 1995, SolidEdge (Intergraph) v roce 1996 a IronCAD v roce 1998.
Dnes je CAD jedním z hlavních nástrojů používaných při navrhování produktů a architektů.
Příklad CAD inženýrského výkresu.
Opětovné použití komponenty z knihovny designu
Simulace proudění vzduchu nad motorem
Původně byl software pro CAD systémy vyvíjen s počítačovým jazykem, jako je Fortran, ale s rozvojem objektově orientovaných programovacích metod se to radikálně změnilo. Typické moderní parametrické funkce založené na modelování a volně tvarované povrchové systémy jsou postaveny kolem řady klíčových modulů programovacího jazyka C s vlastními API. CAD systém lze považovat za postavený na interakci grafického uživatelského rozhraní (GUI) s geometrií NURBS a/nebo reprezentací hranic (B-rep) daty přes jádro geometrického modelování. Geometry constraint engine může být také použit pro řízení asociativních vztahů mezi geometrií, jako je geometrie drátového rámu v náčrtu nebo komponenty v sestavě.
Pokročilé schopnosti těchto asociativních vztahů vedly k nové formě prototypování nazývané digitální prototypování. Na rozdíl od fyzických prototypů, které znamenají výrobní čas a materiálové náklady, digitální prototypy umožňují ověřování a testování návrhu na obrazovce, urychlují čas potřebný k uvedení na trh a snižují náklady. S tímto vývojem technologie se CAD posunul od dokumentačního nástroje (představujícího návrhy v grafickém formátu) k robustnějšímu konstrukčnímu nástroji, který pomáhá v procesu návrhu.
Hardwarové a OS technologie
Dnes je většina CAD počítačových stanic PC na bázi Windows. Některé CAD systémy běží také na jednom z unixových operačních systémů a několik málo s Linuxem. Některé CAD systémy jako QCad nebo NX poskytují podporu multiplatformních systémů včetně Windows, Linuxu, UNIXu a Mac OSX.
Obecně se nevyžaduje žádný speciální hardware s výjimkou špičkové grafické karty založené na OpenGL. Pro komplexní návrh produktů se však doporučují stroje s vysokorychlostními (a případně i vícenásobnými) procesory a velkým množstvím RAM. CAD byla aplikace, která těžila z instalace numerického koprocesoru zejména v raných osobních počítačích. Rozhraní člověk-stroj je zpravidla přes počítačovou myš, ale může být také přes pero a digitalizační grafický tablet. Manipulace s pohledem na model na obrazovce se také někdy provádí pomocí spacemouse/SpaceBall. Některé systémy také podporují stereoskopické brýle pro prohlížení 3D modelu.
CAD je jedním z mnoha nástrojů používaných inženýry a konstruktéry a je používán mnoha způsoby v závislosti na profesi uživatele a typu daného softwaru. Každý z různých typů CAD systémů vyžaduje, aby provozovatel přemýšlel o tom, jak je bude používat, jinak a musí pro každý z nich navrhnout své virtuální komponenty jiným způsobem.
3D wireframe je v podstatě rozšíření 2D kreslení. Každý řádek musí být ručně vložen do výkresu. Konečný produkt nemá žádné hmotnostní vlastnosti s ním spojené a nemohou k němu být přímo přidány funkce, jako jsou otvory. Obsluha k nim přistupuje podobným způsobem jako k 2D systémům, i když mnoho 3D systémů umožňuje použít model wireframe k vytvoření finálních inženýrských pohledů na výkres.
3D „hloupé“ pevné látky (programy zahrnující tuto technologii zahrnují AutoCAD a Cadkey 19) jsou vytvářeny způsobem analogickým k manipulaci s reálnými slovními objekty. Základní trojrozměrné geometrické formy (hranoly, válce, koule a tak dále) mají pevné objemy přidané nebo odečtené z nich, jako by se montovaly nebo řezaly objekty reálného světa. Z modelů lze snadno generovat dvojrozměrné promítané pohledy. Základní 3D pevné látky obvykle neobsahují nástroje, které by umožnily pohyb komponentů, nastavily limity jejich pohybu nebo identifikovaly interferenci mezi komponenty.
3D parametrické modelování pevných těles (programy zahrnující tuto technologii zahrnují Alibre Design, TopSolid, SolidWorks a Solid Edge) vyžadují, aby obsluha používala to, co se označuje jako „záměr návrhu“. Vytvořené objekty a funkce jsou nastavitelné. Jakékoli budoucí úpravy budou jednoduché, obtížné nebo téměř nemožné v závislosti na tom, jak byla původní část vytvořena. Je třeba o tom přemýšlet jako o „dokonalém světovém“ ztvárnění součásti. Pokud měl být prvek umístěn ze středu části, obsluha ho potřebuje lokalizovat ze středu modelu, ne snad z pohodlnějšího okraje nebo libovolného bodu, jak by to mohl udělat při použití „hloupých“ pevných těles. Parametrické pevné tělesa vyžadují, aby obsluha pečlivě zvažovala důsledky svého jednání. Co může být nejjednodušší dnes, může být nejhorším případem zítra.
Některé softwarové balíčky poskytují možnost editovat parametrickou a neparametrickou geometrii bez nutnosti porozumět historii záměru návrhu geometrie nebo ji vrátit zpět pomocí funkce přímého modelování. Tato schopnost může také zahrnovat dodatečnou schopnost odvodit správné vztahy mezi vybranou geometrií (např. tangenci, soustřednost), která činí editační proces méně časově a pracovně náročný a zároveň stále osvobozuje inženýra od břemene pochopení historie záměru návrhu modelu.
Pohledy na koncepty lze z modelů snadno vygenerovat. Sestavy obvykle obsahují nástroje pro znázornění pohybů komponentů, nastavení jejich limitů a identifikaci interferencí. Sad nástrojů dostupných pro tyto systémy stále přibývá, včetně 3D potrubí a vstřikovacích forem navrhujících balíčky.
Software středního rozsahu integroval parametrické tělesa snadněji pro koncového uživatele: integroval intuitivnější funkce (SketchUp), šel na to nejlepší z obou světů s 3D hloupými tělesy s parametrickými vlastnostmi (VectorWorks) nebo dělal velmi reálné scény v relativně málo krocích (Cinema4D).
Špičkové systémy nabízejí možnosti, jak do návrhů začlenit více organických, estetických a ergonomických prvků. Modelování volných ploch je často kombinováno s pevnými látkami, aby designér mohl vytvářet produkty, které vyhovují lidské podobě a vizuálním požadavkům, jakož i jejich propojení se strojem.
Jeho konečným cílem by mělo být, aby budoucí práce na současném projektu byla co nejjednodušší. To vyžaduje solidní znalost používaného systému. Trocha času navíc stráveného nyní by mohla znamenat velké úspory později.
Vývoj snadno dostupných CAD programů, které by mohly běžet na osobních počítačích, započal koncem 80. let trend masivního zmenšování redakčních oddělení v mnoha malých až středně velkých firmách. Obecně platilo, že jeden CAD operátor mohl snadno nahradit alespoň tři nebo pět redaktorů tradičními metodami. Navíc mnoho inženýrů začalo dělat vlastní redakční práci, čímž se dále eliminovala potřeba tradičních redakčních oddělení. Tento trend se zrcadlil v tom, že se eliminovalo mnoho kancelářských prací, které tradičně vykonávala sekretářka, protože se z textových procesorů, tabulek, databází atd. staly standardní softwarové balíčky, které se měl naučit „každý“.
Dalším důsledkem bylo, že vzhledem k tomu, že poslední pokroky byly často poměrně drahé, malé a dokonce i středně velké firmy často nemohly konkurovat velkým firmám, které mohly využít své výpočetní náskoky ke konkurenčním účelům.
Dnes se však náklady na hardware a software snížily. I špičkové balíčky fungují na levnějších platformách a některé dokonce podporují více platforem. Náklady spojené s implementací CAD jsou nyní více zatíženy náklady na školení v používání těchto nástrojů na vysoké úrovni, náklady na integraci CAD/CAM/CAE PLM s využitím podnikového prostředí napříč multiCAD a multiplatformním prostředím a náklady na úpravu návrhových pracovních postupů tak, aby se plně využila výhoda CAD nástrojů.
Dodavatelé CAD efektivně poskytovali nástroje ke snížení těchto nákladů na školení. Tyto nástroje fungovaly ve třech CAD arénách:
Přijetí CAD studia neboli „studia bez papíru“, jak se tomu někdy říká, na architektonických školách se však neobešlo bez odporu. Učitelé se obávali, že kreslení na obrazovce počítače nekopíruje dovednosti spojené s letitou praxí kreslení do skicáku. Mnozí učitelé se navíc obávali, že studenti budou najímáni spíše pro své počítačové dovednosti než pro své návrhářské dovednosti, jak bylo v 90. letech skutečně běžné. Dnes je však (v dobrém i ve zlém, v závislosti na citované autoritě) vzdělávání v CAD plošně akceptováno na architektonických školách. Je však třeba poznamenat, že ne všichni architekti se chtěli připojit k revoluci CAD.