今日、CADシステムを使用せずに建物、構造、または機構の一部の設計を想像することは不可能です。 90年代はCAD業界に革命をもたらしました。PTCは、エンジニアの作業を大幅に簡素化するパラメトリックアプローチを示し、図面の変更を最小限に抑えることで発生するルーチン手順の一部を排除しました。 パラメトリックフィーチャベースのアプローチは事実上の標準になりましたが、主に図面をパラメーター化するときに生じる計算の複雑さのために、多くの問題が未解決のままです。 ほぼ20年が経過しましたが、CADテクノロジーは単一のステップを進んでいないようです。 現在、90年代前半に利用可能なシステムよりも何倍も優れた強力なコンピューターがあり、あらゆる場所で異種コンピューティングが使用され、最新のビデオカードには何千ものストリーミングコアが含まれています。 凍結されたCAD時間は変化し始めました。



この記事では、パラメトリックCADとは何か、現在どのような問題が発生しているかを紹介し、当社の研究について、そして今後数年間で業界全体を根本的に変えることができるソリューションについてお話したいと思います。







まず、一般的なCADと、特にパラメトリックCADとは何かを簡単に説明したいと思います。 これらの概念に精通している場合は、次の2つのパラグラフを安全にスキップして、ポイントに直接移動できます。

CADとは

複雑なメカニズムを開発したり、家を建てたり、部屋の家具を並べ替えたりするために、何をしようとしても、図面が必要になります。 図面を使用して、プロジェクトを視覚化して、長所と短所、矛盾を見つけることができます。 「頭の中で」すべてを詳細に考えることは常に可能ではありません。 さらに、図面を使用すると、デザインのビジョンを他の人に伝えることができ、アイデアを交換することで徐々にデザインを改善できます。



図面を作成するプロセスは、図面と呼ばれます。 これは、工学の進歩とともに何世紀にもわたって改善されてきた科学全体であり、20世紀の初めまでに、多数の明確な方法論と有用なツールで大きくなりすぎて、図面の作成をより形式化し、視覚芸術から遠ざけ、純粋な工学に近づけました。



伝統的に、描画のプロセスは、1枚の紙を取り、それを平らな表面または特別な描画テーブルに固定するという事実から始まります。 次に、一連の特別な道具（羽根、定規、パターンなど）を使用して鉛筆で何かを描き始めます。







個人的には、定規に沿って直線を描くことは難しいので、学校では描画に問題がありました。間違いやすべてを再描画する必要があります。



60年代に技術設計にコンピューターを使用する試みが開始されましたが、70年代後半から80年代初期にかけて、雪崩のようなパーソナルコンピューターの配布とともに、描画プロセスをculminsからモニターに移行できるユーザーフレンドリーなプログラムが登場しました。







このようなシステム（最初はハードウェアとソフトウェアのバンドル、次にプログラムのみ）は、英語のComputer-Aided Designの頭字語CADで示されていました。 ロシアでは、そのようなシステムに対して略語CAD（コンピューター支援設計システム）が確立されましたが、これはCADだけでなく、 CAE （ コンピューター支援工学 -エンジニアリング、コンピューター計算）およびCAM （ コンピューター支援製造 -での生産準備も意味しますコンピューターのヘルプ）。

パラメトリックCAD

当初、2D CADシステムは座標アプローチに基づいていました。 これは、オペレーターが2D図面に線を作成したときに、プログラムが各線の終点の座標を記録したことを意味します。 このアプローチの問題は、図面を変更する必要がある場合（たとえば、線の長さを長くする場合）に明らかになります。小さな変更でも、通常、図面の変更の影響を受ける多くの線を手動で更新する必要があります。



パラメトリックアプローチにより、エンジニアは、座標に縛られるのではなく、寸法（線形および角度）および幾何学的制約の観点から考えることができます。 このアプローチでは、幾何プリミティブ（点、線、円、円弧など）を描画し、それらの寸法と幾何拘束（たとえば、平行度、垂直度、等しい長さなど）を設定します。 ソフトウェアは、点の座標が不明である方程式系を独立して構築し、寸法と幾何学的制約が解を決定する方程式になります。 パラメトリックアプローチを使用すると、変更を加えた場合、自分で写真を「修正」する必要はありません。システムは指定されたサイズと幾何学的制約に基づいてすべてのポイントの座標を自動的に再計算し、その後モデルを再描画します。

パラメトリックアプローチの問題

パラメトリックアプローチのアイデアは、非常にシンプルで理解しやすく、魅力的です。 大きな建物を（そして各階の計画があるいくつかのセクションでさえ）数ヶ月かけて図面を顧客に持ち込み、彼が窓の開口部を数センチ広げることを要求したと想像してください。 パラメータ化がなければ、これは重大な変更を意味し、時間がかかる場合があります。 寸法と幾何拘束を正しく設定すると、1つのパラメーターのみを変更することで問題が自動的に解決されます。



残念ながら、すべてがそれほど単純ではありません。 実際の図面の場合、結果の方程式系は非常に大きく複雑になることがあります。 数千の方程式と数百万の変数を含めることができます。 このような複雑さのパラメータ化されたモデルを処理できる最新のパラメトリックCADシステムはありません。 非常に多くの場合、それらの動作は、少数の幾何学的プリミティブを含むモデルでも不安定です。 さらに、たとえ比較的大きなモデルを処理できたとしても、結果を得るのに多くの時間がかかり、そのようなモデルでの作業は不快になります。

チーターソルバー

最新のパラメトリックCADシステムは、数十年前に開発されたアルゴリズムに基づいており、それ以来ほとんど変更されていません。 彼らは遅い古風な数学的手法を使用し、最新のマルチコアプロセッサのフルパワーを使用せずに、単一のスレッドで動作します。 たとえば、コンピューターに4つの実コアと8つの仮想コア（ハイパースレッディングによる）を含むCore i7プロセッサーがある場合、最新のCADシステムはプロセッサーを15％使用します。



最新のCADシステムよりも何千倍も高速な、より複雑なパラメーター化モデルを快適に操作できるアルゴリズムを開発しました。 アルゴリズムは非常によく似ているため、システム内のコンピューティングコアの数を増やすことで、そのパフォーマンスを幾何モデルの必要なスケールに無限に拡張できます。 汎用マルチコアプロセッサだけでなく、数百または数千のコアを持つビデオカード（NVIDIA CUDA）、および60の物理コアと240の仮想コアを持つXeon Phiカードでも動作します。



アルゴリズムの最初の実装として、AutoCAD 2015のプラグインを作成しました。AutoCADは、最も一般的なCADシステムの1つであり、パラメトリック機能の実装があまり成功していないため、開始プラットフォームとして選択しました。 さらに、便利で使いやすい.NET APIを使用して、AutoCADのプラグインを作成できます。



プラグインはAutoCADに組み込まれており、標準ソルバーへのすべての呼び出しをインターセプトします。 したがって、当社のテクノロジーを使用しても、使い慣れたユーザーエクスペリエンスはほとんど変わりません。 さらに、プラグインを接続しても、ビルトインソルバーの使用が完全に拒否されるわけではなく、ユーザーは簡単にソルバーと標準ソルバーを切り替えることができます。 切り替えは即座に行われます。

言葉から行為へ

危機にwhatしているものをよりよく理解するために、 チーターソルバーの動作を一般的なパラメトリックCADシステムと比較するビデオをいくつか紹介します。 比較して参加します：

• AutoCAD 2015
• Autodesk Inventor Professional 2015
• Solid Edge ST7
• SolidWorks 2013
• PTC Creo Parametric 3.0

記録が行われたマシンには、次の特性があります。

• コアi7-4770
• 16G RAM
• NVIDIA GeForce GTX 750

最初の例

最初のデモンストレーションモデルは、建築図面の特徴です。 大規模で、490個のプリミティブと1596個の制限が含まれていますが、主に水平線と垂直線で構成されています。つまり、方程式系はほぼ線形です。



指定された制限を維持しながら、オブジェクトのサイズを拡大または縮小しようとします。 テストしたプログラムの動作を見てみましょう。

• AutoCADは、図面を適切に変換できません。 拡大/縮小する代わりにオブジェクトの角を引っ張ろうとすると、完全なシフトが発生します。つまり、結果の連立方程式は正しく解決できません。 引っ張るポイントの選択、つまり初期状態に応じて、図面が動かなくなるか、まったく動かないことがあります。 AutoCADを使用しているとき、期待した結果を見ることができませんでした。 計算の時点で、プロセッサの負荷は19％以下（画面を記録する実行中のプログラムを考慮に入れている）であり、実際には1つのコアのみが機能し、物理（4つのうち）ではなく、論理（8つのうち）のコアが機能することに注意してください。
• Autodesk Inventorは大きな遅延（約12秒）を伴いましたが、左上隅を引き上げようとしても予想どおりに図面を変換できました。 ポイントをさらにドラッグすると、興味深い効果が示されます-図面が変換される場合と、AutoCADの場合のように、図面全体がシフトされる場合があります（ドラッグすると、これが常に発生します）。 開始位置に戻ることはできません。 12秒の遅延に注意を払わなくても、Autodesk Inventorの動作により、このモデルのパフォーマンスについて話すことはできません。 AutoCADの場合のように、プロセッサの負荷は約19％であり、作業は1つのコアで行われます。
• Solid Edge ST7は異なる振る舞いを示します。最初の変換は、長い遅延はありますが適切に行われますが、その後、描画が「スタック」し、マウスの動きは効果がありません。 時には完全なシフトも発生します。 このモデルでSolid Edge ST7の動作を予測することはできません。 CPU使用率は20％をわずかに超えています。
• SolidWorks 2013は、6つのオブジェクトの完全なデモモデルを作成することさえできませんでした。 私が達成できた最大値は2つのオブジェクトであり、デモンストレーションタスクの1/3です。 しかし、このような小さなスキームであっても、作業は正しいとは言えません。大きな遅延、変換の代わりにシフト、予測不可能な動作-以前のプログラムのようにすべて。 CPU使用率は約20％です。
• 上記でテストしたすべてのプログラムの中で、PTC Creo Parametric 3.0は、特定の初期条件（左上隅を引く）で最も正確に動作します。プログラムはわずかな遅延を示し、元の位置に戻ることさえできるように図面をスムーズに変換します。 他の初期条件の場合、エラーが発生し始め、回線がフリーズしたり、障害が発生したりして、結果が確立された制限を満たさなくなることがあります。 CPU使用率21％。
• AutoCAD 2015に接続されているCheetah Solverを使用すると、デモモデルを迅速かつ適切に変換できます。 オブジェクトのサイズを変更すると、直接変換される図面の部分のみが変更され、図面の残りの部分はそのまま残ります。これは予想される動作です。 いつでも、ポイントを元の位置に戻し、元の図面を取得できます。 この問題の解決策により、プロセッサに45％の負荷がかかり、すべてのコア間で負荷が均等に分散されます（プロセッサの負荷を少なくとも90％に増やすよう取り組んでいます）。

2番目の例

次のモデルには、機械製図に特徴的な機能があります。 さまざまな丸めの組み合わせがここにあります。 より正確には、オブジェクトは、接線で接続された円弧とセグメントで構成されます。 図面には、512個のプリミティブ（256個の円弧と256個のセグメント）と1736個の制限があります。 正接制約は、前の例よりも複雑な非線形方程式を作成します。



前回同様、ポイントを引っ張ってオブジェクトを変換してみましょう。

• AutoCADはタスクに対処できません。 どのポイントを引いても、「けいれん」だけが発生しますが、シフトも、適切な変換も発生しません。 プロセッサの負荷は19％以下で、1つのコアのみが機能します。
• Autodesk Inventorは大幅な遅延の後、スキーム全体に変化をもたらしましたが、変換についての話はありません。 CPU使用率は約19％です。
• Solid Edge ST7では、すべてのオブジェクトを単一の図面に結合することはできませんでした。実際、8つのオブジェクトの2つのブロックで作業が進行していますが、プログラムでさえ半次元のタスクを実行できません。 少しシフトした後、回路が動かなくなります。 変換に失敗しました。 CPU使用率21％。
• 前の例のように、SolidWorks 2013は本格的な例を描くことに対処できませんでした。 彼は半分の次元の例に対処できませんでした。 元の4分の1（4つのオブジェクト）の例を考えると、以前のプログラムのように、最良の場合、変換の代わりにシフトのみがあります。
• PTC Creo Parametric 3.0は回路の変換を管理しますが、その効果は予測可能なものとはほど遠いもので、アクションが適用されるオブジェクトに関連付けられたオブジェクトは、協調してではなく異なる方法で変換されます。 CPU使用率21％。
• AutoCAD 2015に接続されているCheetah Solverは、このタスクに簡単に対処できます。 変数に隣接するオブジェクトは、PTC Creo Parametricで発生するような形状を大幅に変更することなく、制限に従って最小限に変換されます。 この問題の解決策により、プロセッサに40〜50％の負荷がかかり、すべてのコア間で負荷が均等に分散されます。

3番目の例

大きな次元の別の例を考えてみましょう。 その次元は前の2つの例よりも約2倍大きいという事実にもかかわらず、使用される方程式（長方形を形成する垂直セグメント）に関しては非常に単純です。 この例には、1536個のセグメントと3072個の制限が含まれています。



今回は、長方形の1つのコーナーポイントを特別な制限で修正し、この長方形を固定点を中心に回転させようとします。

• この例では、AutoCADは安定してハングしますが、タスクマネージャーは計算が進行中であることを示しています。 無駄に数分待った後、プロセスをリセットする必要があります。
• Autodesk Inventorはタスクの次元に対処しますが、回転プロセス中に奇妙な「ひきつり」が発生し、多くの線が無限になります。 CPU使用率は19％で、すべての作業は1つのコアで行われます。
• Solid Edge ST7はAutodesk Inventorよりも優れた動作をし、1つの長方形の辺が無限になり、ひきつりも発生します。 CPU使用率17％。
• SolidWorks 2013は前の2つの例を処理できませんでしたが、処理しました。 この動作は、Autodesk Inventorの動作とほぼ同じです-同じ「ぴくぴく」し、同じ無限の線です。 CPU使用率20％。
• PTC Creo Parametric 3.0は、前の2つの例で最高の結果を示しましたが、今回は元の4分の1のタスクに対処できませんでした-わずかなシフトの後にハングします。
• AutoCAD 2015に接続されているCheetah Solverは、けいれんやアーチファクトを発生させることなくすばやく動作します。 この問題の解決策により、プロセッサに75〜80％の負荷がかかり、すべてのコア間で負荷が均等に分散されます。

4番目の例

パラメトリックCADプログラムを比較する場合、大規模な問題だけが対象ではありません。 複雑な構成の詳細についても話している場合（数ダースのプリミティブしか含めることができない場合）、不快な影響を引き起こす可能性があります。

この最後の例では、機械部品に特有の状況で4つの小さなモデルが考慮されます。



Cheetah Solverを使用した場合にのみ、これらの幾何モデルを適切に変換できます。 テスト中の他のすべてのCADプログラムは、非常に不安定な動作を示します。点のわずかな変化でさえ、図面の予測できない大きな変更につながることがよくあります。

おわりに

現在、アルファ段階にあり、2015年の第1四半期に安定したベータが期待されています。



第1四半期には、Cheetah SolverがCUDAを使用してNVIDIA GPUで収益を上げることも計画されています（計算能力3.5以上）。 テストマシンでは、GPUを使用するベータ版は、現在のアルファ版よりも2桁速く動作するはずです。



さらに、ベータ版では、アルゴリズムにいくつかの変更が加えられ（現在テスト済み）、計算がさらに安定し、他の条件が同じであれば、2〜3倍速くなります。



私たちの最終的な目標は、 数十万の制限のある数十万のプリミティブで自由に動作する能力です。



私たちのQAスペシャリストは一生懸命働いていますが、それでも、将来のユーザーであるあなたからのフィードバックは非常に役立ちます。 これは、バグや問題だけでなく、機能の改善の可能性についての問題でもあります。 AutoCAD、Inventor、SolidWorksなどに表示されているリストとは一切関係なく、それぞれ独自の制限システムを作成しています。 組み込みの制限が十分ではない特定のタスクに頻繁に遭遇する場合はお知らせください。次のバージョンでそれらを追加しようとします。



パラメトリックCADを今日のユーザーにとって最も便利で直感的なものにしたいので、私たちはあなたとの密接なコミュニケーションに興味があります。



パラメーター化したい回路やモデル（標準のCADプログラムでは処理できないもの）があり、それらを共有することを残念に思わない場合は、喜んでテスト例として使用し、デバッグに使用します。



さらに、どのCADプログラムを使用しているかを知りたいと思います。 次のプラグインを開発するプログラムによって異なります。 現在、Autodesk InventorとSolidWorksを選択しています。 残念ながら、私たちのチームは小さすぎます。 追加のリソースがあるまで、1つ選択する必要がありますが、選択はユーザー次第です。



私たちのサイトには多くの有用な情報があります。 あなたの意見、提案、コメントをすべて書くことができるブログもあります。



YouTube チャンネルでは 、Cheetah Solverの動作を示す新しいビデオが定期的に表示されます。 そこにコメントを残すこともできます（ロシア語でできます）。



AutoCAD 2015用のプラグインのアルファ版をダウンロードして、このリンクの例を使用して、すべてを自分で試すこともできます。



次の記事では、私たちの研究とパラメトリックCADの機能について詳しく説明します。出版物に従ってください。

---

* CADの歴史の本、特に第2 章から取られたイラスト。