30 лет Pro/ENGINEER: воспоминания о прошлом и размышления о будущем параметрического моделирования в САПР

• Три фактора победы про-инженерной революции
• Роль личности в истории построения
• Коммерческий успех Pro/ENGINEER
• Концептуальные проблемы Pro/ENGINEER
• Пиррова победа
• Технология на следующие 30 лет
• Литература

Три фактора победы про-инженерной революции

Типичная CAD-система 1980-х годов (в данном случае — CATIA)

В общем, это были настоящие ИТ-динозавры, которым в то время было пора отправляться на свалку истории — ведь на замену мейнфреймам и мини-компьютерам уже были готовы рабочие станции с операционной системой UNIX, которые можно было соединять в сети, и создавать для них ПО с использованием языка программирования Си, позволяющего комбинировать низкий уровень абстракции языка ассемблера с типичными конструкциями языков высокого уровня, что помогало существенно сократить время разработки и сопровождения программных продуктов.

Немаловажно и то, что пользовательский интерфейс рабочих станций UNIX впервые в отрасли стал «дружественным пользователю»: на основе X-Window System можно было реализовать выпадающие и контекстные меню, диалоги, иконки и другие графические пользовательские элементы, отсутствие которых сегодня в CAD-системе вызывает недоумение.

Пользовательский интерфейс Pro/ENGINEER выглядел революционно 30 лет назад

Итак, первым фактором будущей победы Pro/ENGINEER стал правильный выбор программно-аппаратной платформы — позднее конкурентам, чтобы повторить успех PTC, пришлось полностью переписать своё ПО, потеряв из-за этого в темпах развития несколько лет.

Вторым (частично вытекающим из первого) фактором успеха стала ценовая политика. Если конкуренты продавали программно-аппаратные комплексы «под ключ», в которых львиную долю стоимости съедало «железо», то PTC начала продажи исключительно ПО и первой из всех CAD-компаний в мире начала использовать принцип конфигурируемости продукта. Стоимость Pro/ENGINEER начиналась с достаточно низкой (для того времени) отметки в $9500 за рабочее место: за эту цену в поставку входили возможности создания трёхмерных параметрических моделей, моделирования сборок и генерации чертёжных видов. К такому базовому пакету можно было докупить дополнительные модули для генерации сеток для конечно-элементного анализа, детального черчения, обмена данными в формате IGES, разработки пользовательских приложений с доступом к базе данных Pro/ENGINEER и др., которые увеличивали стоимость одного рабочего места до $20-50 тысяч.

Но главным фактором революции — тем, что произвело подлинную смену эпох на рынке CAD, — стал абсолютно новый подход к созданию и редактированию твёрдотельной геометрической модели: проектирование на основе параметрических конструктивных элементов и регенерация геометрии по истории построения модели.

Роль личности в истории построения

Самуил Пейсахович Гейсберг

С 1960 г. С.П. Гейсберг работал в Ленинградском инженерно-экономическом институте, преподавал математику. В 1974 г. он эмигрировал из СССР в США вместе со своим 11-летним сыном. Семья при этом оказалась разделена, поскольку его жене Мире выезд из СССР был запрещён из-за доступа к секретной информации. С ней осталась и шестилетняя дочь. Им удалось воссоединиться в США только спустя несколько лет.

Первые годы после эмиграции Самуил Гейсберг работал в компаниях Computervision и Applicon, занимавшихся разработками инженерного ПО (первая компания разрабатывала CAD-систему CADDS, вторая — продукты семейства AGS для проектирования печатных плат). Познакомившись с CAD-индустрией изнутри, Самуил Гейсберг предложил радикально новый подход к твёрдотельному моделированию, состоящий в определении деталей и сборок посредством параметрических конструктивных элементов (features). И поскольку ни один из работодателей не согласился воплотить эту идею в жизнь, он решил в 1985 г. основать собственную компанию для разработки такого продукта.

Гейсберг не был ни первым, ни единственным, кто предлагал подобную технологию. Аналогичные подходы прорабатывались как в университетах, так и в промышленности — отдельные элементы параметрического подхода воплощали компании Matra Datavision, Intergraph и другие. Вообще, первое исследование на тему проектирования с помощью конструктивных элементов было осуществлено в рамках проекта CAM-I [5].

Причина такого интереса понятна. Когда только появилось твёрдотельное моделирование (концепция, позволяющая моделировать не просто каркасы трёхмерных тел, а точно описывать занимаемые этими телами объёмы — что позволяет строить сечения деталей и сборок, рассчитывать объёмно-массовые характеристики, проводить инженерные расчёты методом конечных элементов и проч.), пользователи САПР систем отказывались с ним работать из-за сложности использования: как вносить в модель согласованные изменения? Как можно использовать геометрию повторно в другой модели? Как добавить конструкторскую и технологическую информацию к модели? Параметрическое моделирование на основе конструктивных элементов давало ответы на эти вопросы. И Самуил Гейсберг стал первым, кто реализовал с нуля CAD-систему, полностью основанную на этом принципе.

Как он заявил в то время публично, «цель состоит в создании системы, которая будет достаточно гибкой, чтобы помочь инженеру легко рассматривать множество вариантов проекта, а стоимость внесения изменений в проект должна быть как можно ближе к нулю». Достигнуть эту цель предполагалось за счёт автоматической записи каждого шага пользователя по созданию и изменению трёхмерной модели в «дерево истории построения» (history tree). В этом дереве сохранялись геометрические и размерные параметры каждой применённой операции моделирования (например, создания трёхмерного тела путём вытягивания двумерного профиля или создания отверстия в существующем теле). Если после построения модели пользователь изменял значение какого-то из размеров, система автоматически перегенерировала (создавала заново) геометрическую модель на основе записанных в дереве истории операций.

Коммерческий успех Pro/ENGINEER

После закрытых и открытых демонстраций системы её коммерческие продажи стартовали в январе 1988 г. — до конца года удалось продать почти 900 рабочих мест 150 клиентам, а первый полный фискальный год продаж, окончившийся в сентябре 1989 г. , принёс рекордную для стартапа выручку — 11 миллионов долларов США.

В декабре 1989 г. PTC решила стать публичной компанией; стоимость её акций удвоилась спустя два месяца после первичного размещения. К середине 1991 года число проданных рабочих мест приблизилось к 4000, а число приложений для Pro/ENGINEER пополнилось библиотекой стандартных деталей и конструктивных элементов, модулями для создания пользовательских конструктивных элементов, моделирования сложных поверхностей, проектирования изделий из листового металла, генерации управляющих программ для станков с ЧПУ и организации проектного документооборота.

Разнесённый вид сборки в Pro/ENGINEER Release 10 (1992 г.)

Pro/ENGINEER быстро завоёвывал рынки благодаря двум обновлениям в год (конкуренты едва успевали сделать одно) и поддержке нескольких аппаратных платформ с одновременными релизами новых версий для всех платформ сразу (благодаря такой архитектуре PTC удалось быстрее всех CAD-вендоров портировать своё ПО на Windows NT). Представляя собой принципиально новое поколение CAD-систем, Pro/ENGINEER легко проникал в те компании, что ранее считались вотчинами других вендоров: Caterpillar, Cummins Engines, Ford Motor Company, Sharp Corporation, Whirlpool.

Рост компании потребовал изменений в управлении: в 1994 г. Самуил Гейсберг уступил место председателя совета директоров Стиву Уэлску, перейдя на должность ведущего учёного, а затем и вовсе покинул основанную им компанию. Десять лет спустя после старта продаж число проданных рабочих мест Pro/ENGINEER превысило 100 тысяч, а годовая выручка — миллиард долларов США. Ещё год спустя Parametric Technology Corporation поглотила компанию Computervision — бывшего работодателя Самуила Гейсберга, когда-то отказавшегося взять на вооружение его идею.

Ошеломительный коммерческий успех Pro/ENGINEER заставил конкурентов в срочном порядке переписывать своё ПО для рабочих станций UNIX, одновременно внедряя в него аналогичные технологии параметрического моделирования на основе истории построения.

Успех PTC вдохновил и Джона Хирштика (Jon Hirschtick)  — переманив из компании её директора по разработке Майка Пэйна, он вместе с ним в 1995 г. сделал реинкарнацию Pro/E для платформы Microsoft Windows — SolidWorks стала самой популярной машиностроительной CAD-системой в мире по числу проданных рабочих мест [6].

Концептуальные проблемы Pro/ENGINEER

Прежде всего, было обнаружено, что поскольку каждая операция моделирования записывается в дерево истории построения, размер этого дерева часто становится препятствием для дальнейшей эффективной работы — регенерация геометрии, состоящей из сотни конструктивных элементов на компьютерах того времени могла выполняться до 45 минут, что пользователей, конечно же, раздражало. С этим стали бороться, замораживая части модели, чтобы ограничить регенерацию.

Замораживание конструктивного элемента в Creo (наследнике Pro/E) как способ борьбы с долгим временем регенерации модели

Другая проблема была ещё серьёзней. Вот что написал Дэвид Вайсберг (David Weisberg) в своей статье, вышедшей в октябрьском выпуске 1992 г. журнала Engineering Automation Report: «Проблема с технологией чистого параметрического проектирования, основанной на регенерации модели по дереву её истории построения, состоит в том, что добавляемая геометрия зависит от геометрии, созданной ранее. Эта методология описывалась отношением родитель-ребёнок — за исключением того, что такая зависимость может занимать несколько уровней глубины. Если родительский элемент удаляется или изменяется, в определённых случаях это может неожиданным образом повлиять на дочерние элементы. В крайних случаях (а иногда и не только в крайних) пользователь был вынужден полностью пересоздать модель» [1].

Способ борьбы с этой проблемой состоял в том, что пользователи Pro/ENGINEER должны были аккуратно планировать процесс проектирования, заранее определяя зависимости между основными конструктивными элементами в модели. Таким образом, процесс проектирования становился больше похож на программирование [7].

Дерево построения обычного конструктора (слева) и дерево построения конструктора-программиста (справа) для одной и той же детали. В первом случае деталь обычно получается параметрически нередактируемой, во втором шансы на успех повышаются [7].

Пиррова победа

Не дремали и большие конкуренты в лице CATIA и Unigraphics NX, полностью переработавшие свои продукты, чтобы внедрить в них аналогичную технологию параметрического моделирования на основе истории построения модели. В результате годовая выручка PTC покатилась под откос — с миллиарда долларов в 1998 г. до менее полумиллиарда в 2003. Но рынок и пользователи в целом от этого выиграли.

В 279 г. до н.э. в битве при Аускуле эпирская армия царя Пирра в течение двух дней вела наступление на войска римлян и сломила их сопротивление, но потери были столь велики, что победа стала равносильна поражению

Сегодня конкуренция на рынке машиностроительных САПР высока, но все основные игроки предлагают пользователям одну и ту же технологию параметрического твёрдотельного моделирования на основе регенерации геометрии по дереву истории построения. И это создаёт серьёзные проблемы.

Согласно результатам опроса 230 профессиональных пользователей CAD, недавно опубликованным на портале Engineering.com [8], четыре основные волнующие пользователей проблемы это:

1. Высокая стоимость владения CAD-системой.
2. Сложности с импортом и экспортом файлов.
3. Сложности с использованием.
4. Сложности с поиском сотрудников, обладающих опытом работы с конкретной CAD-системой.

Стоимость владения высока не только из-за ценового барьера (постоянная лицензия стоит от $4000), но и из-за необходимости инвестиций в обучение сотрудников, т.к. правильная работа с параметрической CAD-системой на основе истории построения подразумевает, что инженер-проектировщик должен обладать навыками программиста и тщательно планировать процесс построения модели [7]. По этой же причине пользователи жалуются на сложности с использованием и с поиском специалистов.

Основная проблема работы с чужими файлами состоит в том, что при трансляции они теряют конструктивные элементы, а вместе с ними и параметры — модель, созданную в одной CAD-системе, невозможно изменить в другой.

Парадокс — все используют одну и ту же технологию, но эта технология не позволяет совместно работать с одной моделью в разных CAD-системах!

Технология на следующие 30 лет

Ещё с 1992 г. компания Hewlett-Packard разрабатывала систему твёрдотельного моделирования SolidDesigner, основанную на технологии динамического моделирования. Динамическое моделирование состоит в использовании локальных и булевых операций ядра геометрического моделирования ACIS, которые применяются либо интерактивно пользователем, либо автоматически при изменении параметров — в соответствии с заданными пользователем управляющими метками. Примером локальной операции редактирования тела служит перенос или вращение грани, изменение радиуса скругления, а примером булевой операции служит копирование набора граней, образующих конструктивный элемент (такой как выемка или ребро), с одной грани на другую (для такого переноса требуется сначала сформировать инструментальное тело, объём которого затем будет добавлен или вычтен для создания аналогичного конструктивного элемента в другом месте модели). Параметризация в SolidDesigner достигалась за счёт управляющих меток — размеров, изменение значений которых запускало последовательность локальных и булевых операций. Принципиальным преимуществом SolidDesigner перед конкурентами, использующими историю построения, была возможность редактировать любую геометрию, импортированную в эту систему.

Компания Hewlett-Packard выделила SolidDesigner в отдельный бизнес под именем CoCreate, который попал под контроль PTC в 2007 г. Это поглощение привело руководство PTC к мысли о необходимости унификации Pro/ENGINEER с CoCreate под единым брендом. Так родилась CAD-система Creo, в которой возможности параметрического моделирования на основе истории построения комбинируются с возможностями прямого (динамического) моделирования.

Ещё до этой сделки — в 2004 г. несколько ключевых сотрудников PTC во главе с Блэйком Куртером (Blake Courter) покинули компанию, чтобы сделать аналогичный SolidDesigner продукт с пользовательским интерфейсом, как у SolidWorks. Позвали всё того же неутомимого Майка Пэйна [10] и выпустили в 2007 г. SpaceClaim — современную реинкарнацию SolidDesigner. Семь лет спустя компания была продана ANSYS — лидеру мирового рынка средств инженерного анализа.

Неутомимый Майк Пэйн руководил разработкой трёх CAD-систем, каждая из которых оказала заметное влияние на индустрию САПР: Pro/ENGINEER, SolidWorks, SpaceClaim [10]

В 2008 г. Siemens PLM Software объявила о выпуске синхронной технологии, представлявшей собой попытку комбинирования в рамках одной CAD-системы конструктивных элементов, основанных на истории построения, с локальными элементами — которые можно менять независимо от истории построения.

В 2009 г. компания Autodesk обнародовала свои планы по созданию технологии Inventor Fusion, объединяющей силу параметрического моделирования на основе истории построения с лёгкостью и производительностью прямого моделирования. Когда продукт вышел в релиз, стал понятен принцип, который взяли на вооружение в Autodesk: каждая операция прямого редактирования геометрии записывается в дерево построения, образуя тем самым часть истории построения и замыкая круг технологий.

Хотя чистое прямое моделирование действительно позволяет редактировать геометрию, созданную в другой CAD-системе, это редактирование обычно нарушает намерения проектировщика (design intent), т.к. перенос/вращение/изменение одной грани легко может разрушить конструктивный элемент, которому эта грань принадлежит. Для решения этой проблемы российская компания ЛЕДАС в 2008 г. выступила с инициативой вариационного прямого моделирования, которая позволяет параметризовать существующую геометрию — без доступа к её истории построения [11]. Параметризация достигается за счёт задания геометрических (таких как параллельность, соосность, касание) и размерных (расстояние, угол, радиус) ограничений на граничные элементы твёрдотельной модели (грани, рёбра, вершины). Ручное создание ограничений во многих случаях можно заменить автоматическим, что существенно упрощает процесс параметризации. Одновременное решение всех заданных ограничений с помощью разработанного в компании ЛЕДАС вариационного геометрического решателя LGS 3D позволяет автоматически получить желаемую параметрическую конфигурацию детали и сборки.

Вариационное прямое моделирование основано на комбинации локальных операций геометрического ядра с вариационным геометрическим решателем [11]

Ключевым достоинством разработанного в ЛЕДАС подхода является возможность интеллектуальной модификации модели средствами прямого моделирования. Дело в том, что задаваемые на граничных элементах ограничения оставляют степени свободы (в отличие от подхода на основе истории построения, где степеней свободы нет — всё управляется параметрами), и эти степени свободы могут быть использованы для динамического переноса/вращения/изменения грани тела без нарушения намерений проектировщика и без разрушения конструктивных элементов. Впрочем, при желании всегда можно создавать полностью определённые модели, в которых положение каждого элемента контролируется параметрами размерных ограничений. В этом смысле технология универсальна, представляя в каждом из крайних случаев либо чистое прямое моделирование, либо чистое параметрическое, и тем самым являясь обобщением обоих подходов к редактированию твёрдотельной геометрии.

В 2011 г. технологию вариационного прямого моделирования и решатель LGS 3D (вместе с командой разработчиков под руководством автора этой статьи) приобрела бельгийская компания Bricsys и начала воплощать и развивать в своём продукте BricsCAD. В свежей версии BricsCAD V18 можно увидеть, как далеко эволюционировала эта технология [12]. Так, на её основе был реализован функционал для проектирования изделий из листового металла, который превосходит аналогичный функционал любой из известных систем на основе истории построения. Преимущества отказа от истории построения тут проявляются особенно наглядно — пользователь никак не ограничен в возможностях редактирования. Листовую деталь, созданную в любой CAD-системе, можно импортировать в BricsCAD и переработать сколь угодно глубоко — изменить толщину и габаритные размеры, поменять топологию соединений кромок (сгибы на стыки и наоборот), переработать типы и размеры снятий напряжений, разбить деталь на несколько или, наоборот, объединить несколько деталей в одну, и, конечно, построить развёртку детали для CAM-системы.

Параметризация с помощью размерных ограничений и параметрических компонент в BricsCAD V18: от листовой детали до сборки

Разработчики Bricsys работают также над развитием технологии вариационного прямого моделирования для поддержки произвольных (задаваемых набором граней) конструктивных элементов с возможностью их повторного применения (массивов, шаблонов) в деталях и сборках. В целом, это долгий и трудный путь — ведь для полноценной замены параметрического моделирования на основе истории построения нужно реализовать ещё много дополнительных инструментов вариационной параметризации. Но я уверен, что иного пути решить текущие отраслевые проблемы не существует.

30 лет спустя после потрясшего САПР-мир выпуска Pro/ENGINEER пользователям приходится иметь дело с его наследием в виде многих миллионов твёрдотельных моделей, созданных в разных CAD-системах. Дать им вторую жизнь, научиться их редактировать — вот задача на следующие 30 лет. Подключайтесь к её решению вместе с нами!

Литература

1. David E. Weisberg. The Engineering Design Revolution. The People, Companies and Computer Systems That Changed Forever the Practice of Engineering. CADHistory.net
2. Венера Галеева. Арифмометр — сводник и провокатор. Интервью с профессором Иосифом Владимировичем Романовским. Журнал «Санкт-Петербургский университет»
3. Ученые записки Тартуского государственного университета. Выпуск 150. Труды по математике и механике IV. Тарту 1964 г. University of Tartu
4. Гейсберг, Самуил Пейсахович. О включении методов суммирования : Автореферат дис. на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / М-во просвещения РСФСР. Ленингр. гос. пед. ин-т им. А. И. Герцена. — Ленинград, 1961. — 8 с.
5. Pratt, M. J., and Wilson, P. R., 1986, Requirements for support form features in a solid modeling system, final report, Technical Report R-86-ASPP-01, CAM-I, Inc, Arlington
6. Дэвид Вайсберг. История SolidWorks. isicad.ru
7. Дмитрий Ушаков. Как создавать редактируемые модели в параметрических CAD. isicad.ru
8. Andrew Wheeler. 4 Things Users Hate Most About Their CAD Systems. Engineering.com
9. Дилип Менезис. Длинная беседа с Майком Пейном. isicad.ru
10. Дмитрий Ушаков. Кому и зачем нужно прямое моделирование? Обзор конкурентных технологий. isicad.ru
11. Дмитрий Ушаков. Вариационное прямое моделирование, или как сохранить намерения проектировщика в САПР без истории построения. isicad.ru
12. Дмитрий Ушаков. Bricsys готовит великое будущее платформе .dwg. isicad.ru