Реферат на тему структура и основные принципы построения системы акд

Обновлено: 30.06.2024

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру разработчику. САПР, являясь разновидностью информационных систем, классифицируемых по сфере применения, относятся к сложным многоуровневым структурам, образуемым совокупностью средств вычислительной техники, различными видами обеспечения и обслуживающим их персоналом. Системы автоматизированного проектирования дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук отрабатывать и совершенствовать методологию проектирования, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов. В настоящее время накоплен большой опыт создания САПР и систем автоматизации инженерного труда. Разрабатываются интегрированные САПР, которые включают в свой состав подсистемы: поддержки принятия решений, самоорганизации, адаптации, моделирования, обучения, экспертные системы. Пользователь современной САПР имеет в своем распоряжении богатый выбор стандартных элементов, избавляющий от необходимости многократно проделывать одну и ту же работу и унифицирующий стандартные проектные процедуры. В данное работе рассматривается структурирование систем автоматизированного проектирования и функциональное назначение каждой из подсистем, а также совокупность однотипных компонентов, т.е. средств обеспечения САПР, обеспечивающих функционирование подсистемы.

3. Лазарева Т.Я., Мартемьянов Ю.Ф., Схиртладзе А.Г. Л17 Интегрированные системы проектирования и управления. Структура и состав: Учеб. пособие. М.: "Издательство Машиностроение-1", 2006, С. 160-163.

8. А.П. Петров Основы САПР в машиностроении: Учебное пособие. – Курган: Издательство Курганского гос.университета, 2001, С. 21-25.

Автоматизация проектирования – неотъемлемая составляющая современного научно-технического прогресса. Проектирование технических объектов без систем автоматизированного проектирования требует достаточно больших временных и людских ресурсов вследствие чего на предприятиях идёт активное развитие конкурентоспособных систем автоматизированного проектирования. Также в сфере САПР постоянно вводятся новые технологии для увеличения возможностей настоящих и разработки новых систем и подсистем автоматизированного проектирования, что даёт существенный толчок к разработке качественно новых методов разработки САПР, анализируя уже существующие.

1. Подсистемы САПР

Система автоматизированного проектирования (САПР) — автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. Также для обозначения подобных систем широко используется аббревиатура САПР.

Иными словами, Система автоматизированного проектирования (САПР) - это совокупность средств и методов для осуществления автоматизированного проектирования.

Составными структурными частями САПР являются подсистемы, в которых при помощи различных комплексов средств выполняется решение функционально законченных задач в определенной последовательности. Подсистема САПР—это составная структурная часть САПР, обладающая всеми свойствами системы и являющаяся самостоятельной системой. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

1.1. Проектирующие подсистемы

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах. В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида функциональных подсистем: объектно-ориентированные (объектные); объектно-независимые (инвариантные).[1]

К объектным подсистемам относят подсистемы, выполняющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования. Например, подсистема проектирования технологических систем; подсистема моделирования динамики, проектируемой конструкции и др.

К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции. Например, подсистема расчетов деталей машин; подсистема расчетов режимов резания; подсистема расчета технико-экономических показателей и др.[2]

К проектирующим подсистемам относят:

· Подсистему функционально-логического проектирования. На выходе этой системы мы получаем функциональную схему, затем логическую схему и на выходе принципиальную электрическую схему.

· Подсистему конструкторского (технического) проектирования. На выходе этой системы получаем конструкцию устройства и конструкторскую документацию, включая схему расположения элементов на поверхности модуля и топологию печатных соединений межу элементами.

· Подсистемы технической подготовки производства. На выходе этой системы получаем маршрутную карту производственного (технологического) процесса и программы для управления станками с числовым программным управлением.

Другие примеры проектирующих подсистем:

подсистема компоновки машины;
подсистема проектирования сборочных единиц;
подсистема проектирования деталей;
подсистема проектирования схемы управления;
подсистема технологического проектирования.

1.2. Обслуживающие подсистемы

Обслуживающие подсистемы – объектно-независимые подсистемы, реализующие функции общие для подсистем или САПР в целом, обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, оформление, передачу и вывод данных, сопровождение программного обеспечения и т.п., их совокупность называют системной средой (или оболочкой) САПР. [3]

Типичными обслуживающими подсистемами являются:

подсистемы управления проектными данными (PDM — Product Data Management);
обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР;
подсистемы графического ввода-вывода;
система управления базами данных (СУБД);
подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering);
подсистемы управления процессом проектирования (DesPM — Design Process Management)
подсистема информационного поиска.

В состав как проектирующих, так и обслуживающих систем современных САПР могут входить:

Экспертные системы - это системы, в основе которых лежит база знаний, представленная либо в виде системы продукции, либо в виде фреймов (FRAME). Экспертная система позволяет формализовать знания эксперта в определенной предметной области с целью принятия рациональных проектных решений.

Системы принятия решений - это системы, позволяющие производить выбор эффективных проектных решений в условиях определенности и неопределенности исходной информации на основе формальных методов и процедур. Для оценки проектных решений могут также применяться нейросетевые технологии.

Системы поддержки принятия решений. Наряду с вышеперечисленными методами могут применяться различные методы информационной поддержки и аналитической обработки представленной информации для принятия более правильного решения пользователем.

Процесс проектирования реализуется в подсистемах в виде определенной последовательности проектных процедур и операций. Проектная процедура соответствует части проектной подсистемы, в результате выполнения которой принимается некоторое проектное решение. Она состоит из элементарных проектных операции, имеет твердо установленный порядок их выполнения и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования. Под проектной операцией понимают условно выделенную часть проектной процедуры или элементарное действие, совершаемое конструктором в процессе проектирования. Примерами проектных процедур могут служить процедуры разработки кинематической или компоновочной схемы станка, технологии обработки изделий и т. п., а примерами проектных операций — расчет припусков, решение какого-либо уравнения и т. п.

2. Состав и структура САПР

Системное единство САПР обеспечивается наличием комплекса взаимосвязанных моделей, определяющих объект проектирования в целом, а также комплексом системных интерфейсов, осуществляющих заданную взаимосвязь.

Формирование и использование моделей объекта проектирования в прикладных задачах осуществляется комплексом средств автоматизированного проектирования (КСАП). Структурными частями КСАП являются различные комплексы средств, а также компоненты организационного обеспечения.

Виды комплексов средств и компонентов САПР представлены на следующем рисунке

Виды комплексов и компонентов САПР

Комплексы средств подразделяются на комплексы средств одного вида обеспечения – технического, информационного, программного и комбинированные.

Программно-методический комплекс (ПМК) представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечения, необходимую для получения законченного проектного решения по объекту проектирования или выполнения унифицированных процедур. В зависимости от назначения ПМК подразделяются на общесистемные, базовые, проблемно-ориентированные.

Программно-технический комплекс (ПТК) представляет собой взаимосвязанную совокупность ПМК с комплексами и компонентами технического обеспечения. В зависимости от назначения ПТК различают: автоматизированные рабочие места (АРМ); центральные вычислительные комплексы (ЦВК).

Комплексы средств могут объединять свои вычислительные и информационные ресурсы, образуя локальные вычислительные сети подсистем или системы в целом.

Эффективное функционирование КСАП достигается за счет взаимосогласованной разработки компонентов, входящих в состав комплексов средств.

Общесистемные ПМК, включающие в себя программное, информационное, методическое и другие виды обеспечения, предназначены для выполнения унифицированных процедур по управлению, контролю, планированию вычислительного процесса. Они подразделяются на мониторные системы управления функционированием технических средств, информационно-поисковые системы, системы управления базами данных, программно-методические комплексы машинной графики. Базовые проблемно-методические комплексы подразделяются на проблемно-ориентированные, предназначенных для автоматизированного упорядочения исходных данных, требований и ограничений к объекту проектирования в целом или к сборочным единицам, выбора физического принципа действия объекта проектирования, выбора технических решений и выбора структуры объекта проектирования, и объектно-ориентированные, отражающие особенности объектов проектирования, как совокупной предметной области. [4]

3. Компоненты и обеспечение САПР

Каждая подсистема состоит из компонентов, обеспечивающих функционирование подсистемы. Компонент выполняет определенную функцию в подсистеме и представляет собой наименьший (неделимый) самостоятельно разрабатываемый или покупной элемент САПР (программа, файл модели транзистора, графический дисплей, инструкция и т. п.). Совокупность однотипных компонентов образует средство обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения САПР:

техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);[5]
математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
программное, представляемое компьютерными программами САПР;
информационное, состоящее из базы данных, СУБД, а также включающее другие данные, используемые при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а база данных вместе с СУБД носит название банка данных;
лингвистическое, выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;
методическое, включающее различные методики проектирования, иногда к нему относят также математическое обеспечение;
организационное, представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.

В САПР как проектируемой системе, выделяют также эргономическое и правовое обеспечения.

Эргономическое обеспечение объединяет взаимосвязанные требования, направленные на согласование психологических, психофизиологических, антропометрических характеристик и возможностей человека с техническими характеристиками средств автоматизации и параметрами рабочей среды на рабочем месте. Правовое обеспечение состоит из правовых норм, регламентирующих правоотношения при функционировании САПР, и юридический статус результатов ее функционирования.

Теперь кратко разберёмся с назначением каждого компонента средств САПР

Математическое обеспечение САПР.

Основа - это алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР. Среди разнообразных элементов математического обеспечения имеются инвариантные элементы-принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.[6]

Программное обеспечение САПР.

Программное обеспечение состоит из программ ЭВМ. Программное обеспечение (ПО) делится на общесистемное, базовое и прикладное (специальное). Общесистемное ПО предназначено для функционирования технических средств. Базовое ПО включает программы, обеспечивающие правильное функционирование прикладных программ.
Прикладное ПО реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур. Прикладное ПО имеет форму пакетов прикладных программ, каждый из которых обслуживает определенный этап процесса проектирования

Информационное обеспечение САПР.

Основу составляют данные, которыми пользуются проектировщики в процессе проектирования непосредственно для выработки проектных решений. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений.

Техническое обеспечение САПР.

Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.
Техническое обеспечение делится на группы средств программного обеспечения, подготовки и ввода данных, отображения и документирования, архива проектных решений, передачи данных от ЭВМ к терминалам (конечным пунктам вывода информации – плоттерам).
Основной показатель технического обеспечения – высокая надежность оборудования и удобство пользования (чтобы гарантировать проектировщику получение достоверных результатов с наименьшими затратами труда).[7]

Лингвистическое обеспечение САПР.

Лингвистическое обеспечение САПР представлено совокупностью языков, применяемых для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Среди алгоритмических языков наибольшее распространение получили Фортран, Паскаль, по которым составляют программное обеспечение существующих САПР.

Методическое обеспечение САПР.

Методическое обеспечение определяет объект проектирования, процесс проектирования и взаимосвязь между машиной и человеком (т.е. что проектировать и как управлять процессом проектирования).

Разработка методического обеспечения требует знаний предметной области проектирования и технических средств, с тем, чтобы определить, какие задачи и этапы проектирования выполнять в автоматическом режиме, какие оставить за проектировщиком, а какие необходимо осуществлять в интерактивном режиме пользователя и системы.

Методическое обеспечение включает также пакет документов, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования. Кроме того, в методических документах каждой системы излагается технология проектирования, дается описание циклов проектирования, типовых сочетаний программ, рационального распределения функций между человеком и ЭВМ. [8]

Организационное обеспечение САПР.

Этот пункт предписывает комплектование подразделений САПР профессионально грамотными специалистами, имеющими навыки и знания для работы с перечисленными выше компонентами САПР. От их работы будет зависеть эффективность и качество работы всего комплекса САПР (может даже всего производства)

В заключение следует отметить, что благодаря системам автоматического проектирования существенно сокращаются сроки выполнения и подготовки конструкторской и технической документации. Такая экономия во времени достигается за счет автоматизации большинства действий, связанных с этим процессом.

Также, в результате использования машинного проектирования значительно улучшается качество, как технической документации, так и непосредственно самих конструкторских разработок. Конструктору, инженеру, проектировщику больше не приходится значительную часть своих усилий тратить на рутинные операции. Он может целиком сконцентрироваться на самом творческом процессе разработки.

Системы автоматизированного проектирования совершили революцию в промышленности, сократив объемы ручного труда, повысив точность работы проектировщиков, уменьшив большинство ошибок, допускаемых людьми, увеличив производительность проектировщиков и улучшив качество проектов.

Как следствие развития информационных систем на их базе появились системы электронного документооборота, которые включают в себя:

– системы управления документами – обеспечивают интеграцию с приложениями, хранение документов; осуществляют поиск документов по атрибутной или полнотекстовой индексации;

– системы массового ввода документов – осуществляют ввод с клавиатуры и сканирование; чистку, подготовку к распознаванию, выравнивание изображений и распознавание, которое может быть оптическим или интеллектуальным;

– системы автоматизации деловых процессов – моделируют деятельность каждого сотрудника, работающего с электронным документооборотом.

Наиболее популярными программами обработки информации являются программы ввода и распознавания текста. Так, программа FineReader – лидер среди подобных программ – позволяет с достаточной степенью вероятности определить очко (рисунок) буквы в графическом файле и передать распознанные буквы для дальнейшей обработки в текстовый редактор с минимальными искажениями.

Среди наиболее заметных групп АИС, участвующих в автоматизации документооборота, следует выделить:

– электронный офис – интегрированный пакет программ, включающий в себя текстовый редактор, электронные таблицы, системы управления базами данных, средства коммуникации, язык программирования, графический редактор и др.;

– систему групповой работы – объединяет средства коллективной работы прикладных приложений с электронной почтой, настольными и офисными приложениями, управление электронным документооборотом, планирование, управление заданиями (моделирование деловых процессов), календарное планирование;

– корпоративные информационные системы – АСУ крупными, рассредоточенными территориально предприятиями, имеющими несколько уровней управления, построенные посредством новейших информационных технологий.

Геоинформационные системы

Геоинформационная система – это ИС, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и расположение пространственно‑координатных данных. Представляет собой базу данных, организованную в виде набора слоев информации. Основной слой содержит географическую карту местности (топооснова), на него накладываются другие слои, несущие информацию об объектах, находящихся на данной территории. В процессе создания и наложения слоев друг на друга между ними устанавливаются необходимые связи, что позволяет выполнять пространственные операции с объектами посредством моделирования и интеллектуальной обработки данных.

Программное ядро геоинформационной системы содержит:

– инструментальные геоинформационные системы, обеспечивающие ввод пространственных данных, хранение информации в структурированных базах данных, реализацию сложных запросов, пространственный анализ, вывод твердых копий;

– векторизаторы картографических изображений, предназначенные для ввода пространственной информации со сканера;

– средства пространственного моделирования, осуществляющие операции с пространственной информацией, которая ориентирована на частные задачи;

– средства дистанционного зондирования, предназначенные для обработки и дешифрования цифровых изображений земной поверхности, полученных с борта самолета и искусственных спутников.

Основные сферы применения геоинформационных систем:

– геодезические, астрономо‑геодезические и гравиметрические работы;

– картографирование и издание карт;

– управление государством и его регионами.

Системы автоматизированного проектирования

Системы автоматизированного проектирования (САПР, CAD) – комплекс технических и программных средств, позволяющих создавать всю необходимую конструкторскую и технологическую документацию на отдельные изделия, здания, сооружения.

В настоящее время практически во всех направлениях дизайна используется большое количество таких систем. Все эти системы обрабатывают визуальную информацию как в плоскости, так и в пространстве.

С помощью САПР строят разнообразные графические примитивы (точки, отрезки, дуги, размерные и осевые линии, штриховки, текст), составляющие электронные чертежи и схемы, которые могут быть отредактированы или переработаны в любой момент. Примитивы на чертежах объединяют в блоки (например, в схематичные обозначения элементов интерьера или сада, резьбовых отверстий или соединений деталей, элементов схем), которые используют множество раз при создании других чертежей, комбинируют, модифицируют и применяют в других проектах.

Постоянно совершенствуются и разрабатываются новые системы автоматизированного проектирования, предназначенные для каждого конкретного вида деятельности. В последнее время все большее распространение получает подход к автоматизации конструкторской деятельности на основе создания трехмерных геометрических представлений проектируемых изделий. Сегодня можно создавать пространственные модели объектов практически неограниченной сложности. Решение геометрических и других задач для пространственной модели обеспечивает большую достоверность и позволяет перейти на качественно новый уровень проектирования. Кроме того, возможно использование пространственной модели для проектных расчетов и математического моделирования конструируемых изделий и процессов. Это также сокращает расходы на разработку объектов дизайна, значительно экономит ресурсы и повышает эффективность проектирования, особенно при конструировании промышленных объектов и дизайна, на базе параметрических управляемых унифицированных и типовых элементов конструкций, обеспечивающих их многовариантность.

В САПР входят подсистемы – специализированные части, ориентированные на решение задач определенного этапа проектирования: инженерных расчетов, конструирования, технологической подготовки производства, изготовления изделия и др. Задача конструирования – разработка конструкции объекта дизайна по предварительным расчетам, зачастую реализованная в конструкторскую документацию, – одна из важных и наиболее трудоемких в САПР. Ее решение осуществляется с помощью графической подсистемы автоматизации разработки и выполнения или в виде автономной (локальной) системы конструкторской документации (АКД) со структурой и принципами построения, аналогичными САПР. Локальные системы АКД часто используют в производственной практике на начальной стадии внедрения САПР, когда ее создание опережает разработку САПР или когда система АКД инвариантна, т. е. применима ко многим САПР.

Средства реализации систем АКД предоставляет компьютерная графика, обеспечивающая создание, хранение и обработку моделей геометрических объектов и их графических изображений с помощью компьютера.

Структура и основные принципы построения системы АКД. Система АКД выполняет ввод, хранение, обработку и вывод графической информации в виде конструкторских документов. Для реализации системы необходимы:

– документы, регламентирующие работу системы АКД;

– исходная информация для формирования информационной базы;

– информационная база, содержащая модели геометрических объектов, графических изображений, элементы оформления чертежа по ГОСТ ЕСКД;

– технические и программные средства создания моделей графических изображений и геометрических объектов и их вывода;

– интерфейс пользователя в виде графического диалога с компьютером.

Все перечисленные составляющие образуют методическое, информационное, техническое, программное и организационное обеспечение системы АКД. Эффективность применения АКД при разработке конструкторской документации (КД) обеспечивается следующими ее возможностями:

– наличием средств преобразований: поворота, переноса, симметрирования, масштабирования, построения зеркального изображения и др.;

– использованием готовых фрагментов чертежей: конструктивных и геометрических элементов, унифицированных конструкций, стандартных изделий;

– ведением диалога с компьютером в привычных для конструктора терминах и с привычными для него объектами (графическими изображениями);

– наличием языковых средств описания типовых моделей‑представителей чертежей объектов, когда процесс создания конкретного чертежа изделия сводится к заданию размеров;

– получением чертежей высокого качества, оформленных по стандартам ЕСКД.

Для реализации всего вышеперечисленного системы АКД выполняют в виде систем‑надстроек над базовой графической системой, которая содержит все необходимые возможности. При этом основными принципами являются:

– адаптируемость системы АКД к различным САПР, т. е. расширение возможностей ее использования;

– информационное единство всех частей АКД и САПР, которое предполагает единство базы данных для различных назначений (например, использование модели ГО и ГИ как для формирования чертежей, так и для расчетов);

– инвариантность – максимальная независимость составных частей и системы АКД в целом по отношению к ориентированным системам АКД и САПР;

– возможность расширения системы АКД путем дополнения новых составных частей и развития имеющихся.

Построение таких систем значительно упрощается, если они создаются на базе универсальной, открытой среды проектирования для реализации графических возможностей САПР. Примером такой среды является система AutoCAD – универсальная графическая система, в основу структуры которой положен принцип открытой архитектуры, позволяющий адаптировать и развивать многие функции AutoCAD применительно к конкретным задачам и требованиям.

Подходы к конструированию. Можно выделить два подхода к конструированию на основе компьютерных технологий. Оба они нашли применение в процессах компьютерного дизайна, но в основном предпочтение отдается второму.

Первый подход базируется на двухмерной геометрической модели графических изображений и использовании компьютера как электронного кульмана, позволяющего значительно ускорить процесс конструирования и улучшить качество оформления КД. Центральное место при этом подходе к конструированию занимает чертеж, который служит средством представления изделия и содержит информацию для решения графических задач, а также для изготовления изделия. При таком подходе получение графического изображения на компьютере будет рациональным и достаточно эффективным, если созданное графическое изображение используется многократно.

В основе второго подхода лежит пространственная геометрическая модель изделия, которая является более наглядным способом представления оригинала и более мощным и удобным инструментом для решения геометрических задач. Чертеж в этом случае играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на методах отображения пространственной модели.

При первом подходе (традиционный процесс конструирования) обмен информацией осуществляется на основе конструкторской, нормативно‑справочной и технологической документации; при втором – на основе внутримашинного представления геометрических объектов общей базы данных, что способствует эффективному функционированию программного обеспечения САПР конкретного изделия.

Геометрическое моделирование и организация графических данных. Под геометрическим моделированием понимают создание моделей геометрических объектов, содержащих информацию о геометрии объекта. Под моделью геометрического объекта понимают совокупность сведений, однозначно определяющих его форму. Например, точка может быть представлена двумя (двухмерная модель) или тремя (трехмерная модель) координатами, окружность – координатами центра и радиусом и т. д.

Двухмерные модели графических изображений позволяют формировать и изменять чертежи.

Трехмерные пространственные геометрические модели служат для представления изделия в трех измерениях. Трехмерные модели в зависимости от типа задаются по‑разному:

– каркасные (проволочные) – координатами вершин и соединяющими их ребрами. Эта модель проста, но позволяет представить в пространстве только ограниченный класс деталей, в которых аппроксимирующие поверхности преимущественно являются плоскостями. С помощью проволочных моделей не всегда возможно получить правильные изображения, а также автоматически анализировать процессы удаления невидимых линий и получения различных сечений;

– полигональные (поверхностные) – поверхностями (плоскостями, поверхностями вращения и др.). С помощью полигональной модели можно описать любую поверхность технического объекта. Это реализуется путем аппроксимации поверхностей многогранником. Чем больше число граней, тем меньше отклонение от действительной формы объекта. Если объект представлен полигональной моделью, то всегда можно определить область между контурными элементами этого объекта. Над полигональными моделями геометрических объектов можно выполнять логические операции объединения, вычитания, пересечения;

– объемные (твердотельные) – формируются из элементарных объектов (базисных тел) с использованием логических операций объединения, вычитания, пересечения. Объемные модели представляют объекты с обеспечением логической связности информации, в частности благодаря введению понятия о материале и его физических свойствах (плотности, теплопроводности и др.). По таким моделям можно не только построить графические изображения (виды, разрезы, сечения), необходимые для чертежа изделия, но и рассчитать такие его характеристики, как масса, объем, центр инерции, моменты инерции и др.

Объемные тела и графические изображения, образованные из более простых объектов с использованием логических операций объединения, пересечения, вычитания, называются составными геометрических объектов. Операция сборки составных геометрических объектов осуществляется с использованием их представления в виде иерархической структуры в форме дерева построения.

На первом этапе реальный объект (деталь) подвергается абстракции, в результате которой определяется информационная модель.

На втором этапе в информационной модели выделяют уровни структуризации данных и их взаимосвязи, чаще всего с учетом процессов обработки информации в задаче проектирования, т. е. осуществляется уточнение и структурирование информации с логической точки зрения. Существенным моментом в этом представлении является то, что оно должно отражать характеристики не одной детали, а целого класса деталей на различных стадиях проектирования, фиксируемых в технической документации. При формировании информационной модели предполагается использование множества конструктивных элементов для получения деталей произвольной формы, геометрических элементов (точек, контуров, поверхностей, элементарных и сложных объектов), которые обеспечивают обработку геометрической информации для всех процессов автоматизированного проектирования. Таким образом строится модель данных, которая отражает логическую структуру данных.

На третьем этапе осуществляется процесс отображения модели данных во внутримашинное представление – формирование модели доступа. Модель доступа (или размещения) ориентирована на физическое размещение данных в памяти ЭВМ, в модели хранения.

Таким образом, на четвертом этапе определяется модель хранения, которая задает отображение данных, заданных в модели доступа, на физическую память и управление ими. В AutoCAD, например, используется списковый способ хранения геометрических данных, что дает возможность пользователю хранить данные на физических носителях независимо от их логической последовательности.

Методы создания моделей геометрических объектов и графических изображений. Можно выделить два основных вида геометрических объектов:

– постоянный – с постоянными размерами и геометрической формой. Например, изображения стандартных условных графических обозначений или стандартное изделие с постоянными размерами;

– параметрически заданный – с переменными размерами и геометрической формой. Например, изделие, зависящее от типоразмера, типовые и унифицированные несущие конструкции объектов дизайна, а также конструктивные элементы типовых деталей и пр.

Постоянные геометрические объекты могут быть сформированы с использованием графического редактора, например AutoCAD.

Методы описания параметрически заданных геометрических объектов – создание моделей изделий или их методов – характеризуются большими затратами на формирование внутримашинного представления. Чтобы сократить эти затраты, при описании некоторых групп технических объектов можно пользоваться одним из двух принципиально различных методов: вариантным или генерирующим.

Принципиальное конструирование предполагает, что выбор геометрии для проектируемого изделия уже сделан. Области применения – проектирование отдельных деталей (например, ручек шкафа), комплексных функциональных узлов (например, узлов крепежа шкафа), готовых изделий (например, шкафов). Затраты на описание типовой модели велики по сравнению с затратами на получение вариантов, поэтому многие системы используют принцип вложенности моделей: один раз описанные типовые модели используются для описания других типовых моделей в качестве макрокоманд. Применительно к технологии обработки в этом случае можно говорить о типовом технологическом процессе. При необходимости обновления комплексной информации о типовом технологическом процессе или чертеже на группу изделий в систему вводят новые варианты сочетаний различных исходных параметров.

Генерирующий метод. В противоположность вариантному определяются различные сочетания конструктивных (конструкционных) и технологических элементов и выбирается наилучшее решение. Принцип работы системы, использующей генерирующий метод, основан на разделении геометрических объектов на элементы и создании новых геометрических объектов из имеющихся элементов. Различают следующие группы элементов:

– основные (функциональные) – служат для общего описания детали; с их помощью создают геометрические формы детали (наружные и внутренние поверхности) и проточки (внутренняя и наружная);

– вспомогательные (конструктивные геометрические и элементы формы) – с их помощью осуществляют более подробное описание детали, что позволяет полностью передать ее геометрическую форму;

– технологические (элементы, или характеристики) – относятся и к основным, и к вспомогательным элементам; они также влияют на простановку размеров.

САПР, работающие по генерирующему методу, обладают высокой гибкостью и пригодны для решения различных задач. Этот метод эффективен, так как опыт показывает, что большинство конструкторских разработок, называемых новыми конструкциями, создается путем ранее не использовавшегося сочетания элементов, давно известных как по принципу функционирования, так и по исполнению.

В основе деятельности проектировщика лежит процесс проектирования, то есть выбор некоторого способа действий.

Автоматизация процессов проектирования – это составление описания необходимого для создания в заданных условиях ещё несуществующего объекта или алгоритма его функционирования с возможной оптимизацией заданных характеристик объекта или алгоритма.

Конструирование – является частью процесса проектирования, и сводиться к определению свойств изделия. Автоматизация процесса конструирования, технологическая подготовка производства технологии промышленного производства (ТПП) на начальных этапах сводиться к созданию отдельных пакетов программ, а на заключительных и создание систем (САПР).

Термин САПР – является смысловым эквивалентом английского CAD ( Computer Aided Design -Проектирование с помощью ЭВМ).

САПР – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с подразделениями проектной организации или коллективом специалистов выполняющих автоматизированное проектирование.

Автоматизированным называется проектирование, при котором описание объекта и алгоритма его функционирования, а так же описание на различных языках осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ.

Автоматическим является проектирование, при котором все преобразования описаний объектов и алгоритма функционирования, а так же описание на различных языках осуществляется без участия человека.

Этап I – формирование теоретических основ САПР начался в50-х годах XX в. В основу положены разнообразные математические модели (Теория В-сплайне И. Шаенберг 1946г), моделирование кривых и поверхностей любой формы 60г.

В этот период сформировалось структура и классификации САПР (Геометрические, аэродинамические, технологические, тепловые).

Для работы с САПР используются графические терминалы, подключаемые к main -фреймам (Первая графическая станция Sketchpad в1963г.) использовала дисплей и световое перо.

Параллельно развивались CAM – системы (Система автоматизации ТПП). В 1961г. Был создан язык программирования APT ставший основой для программирования оборудования с ЧПУ.

Этап II – связан с использованием графических рабочих станций под управлением ОС Unix . В середине 80-х появился ПК на основе процессора Intel 8086, и стало возможно выполнять сложные операции как твердотельных, так и поверхностного объёмного моделирования применительно к деталям, и сборочным узлам.

К 1982 году твердотельное моделирование начало применяться в своих продуктах компании IBM , Computer vision , Prime .

В 1986г. Компания Autodesk выпустила AutoCAD . Распространение получили Parasolid (разработчик Unigraphics Solution ) и ACIS . Ядро Porosolid (88г.) стало ядром твердотельного моделирования CAD / CAM Unigraphics , а с 1996г-промышленным стандартом.

Этап III – начинается развитие микропроцессоров (МП), что привело к возможности использования CAD / CAM систем верхнего уровня на ПК ЭВМ.

В 1993г. в США создана компания Solidworks Corporations которая разработала пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе ядра Parasolid . В 1999г. вышла SolidEdge на русском языке. Ряд CAD / CAM систем среднего и низкого уровня был разработан в СССР и России: Compas , T - Flex CAD и др.

Этап IV – с конца 90-х характеризуются интеграции CAD / CAM систем, с системами управления проектными данными (ПДМ) и другими средствами информационной поддержки изделия.

В основу процессов проектирования и производства было положена геометрическая модель изделия, которая применялась на всех этапах производства.

В 90-х годах разрабатывались продукты PDM для САПР машиностроения. Одной из первых стала система Optegra компании Computer vision . Были созданы пакеты ENOVIA и Smarteam . Среди Российских систем PDM наиболее известными являются :

Распространение функции PDM систем на все этапы ЖЦ продукции превращает в систему PLM ( Product lifecycle Management ). Развитие системы PLM обеспечивает максимальную интеграцию процессов проектирования производства, модернизации и сопровождения продукции предприятия.

Кроме того существует много специализированных САПР например: САПР летательных аппаратов, САПР электрических машин, САПР больших интегральных схем (БИС).

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты проектирования, так в состав MCAD входят CAE / CAD / CAM системы:

1. САПР функционального проектирования ( CAE ) Computer Aided Engineering – предназначенный для инженерных расчётов.

2. Конструкторские САПР общего машиностроения ( CAD ) – решение конструкторских задач оформление конструкторской документации.

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования – ориентированный на приложения где основой является конструирование, то есть определение пространственных форм и взаимного расположения объекта. К этой группе относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения ( Parasolid , ACIS ).

2. САПР на базе СУБД ориентированный на приложения, которых при сравнительно не сложных расчётах перерабатывается большой объём данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях. Например, при проектирование бизнес планов, а так же имеют место при проектирование объектов подобных счетам управления систем автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета – фактически это автономно используемы комплексы (ПМК), например имитационного моделирования производственных процессов, расчёта прочности и анализа конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматизированного управления и т.д. (Часто такие САПР относятся к CAE ). Например, математический пакет MathCAD.

4. Комплексные или интегрированные САПР – состоят из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE / CAD / CAM систем в машиностроении или САПР БИС.

При создании САПР на различных стадиях, а так же её подсистем необходимо учитывать следующие принципы:

1. Человеко-машинная система (решение неформализованных задач) – коллектив разработчиков и пользователей системы является её основной частью, и взаимодействую с техническими средствами выполняет проектирование. При этом часть проектных процедур не может быть автоматизирована и решается при участии человека. Об автоматическом проектировании можно говорить лишь в отношении отдельных задач

2. САПР развивающаяся система – САПР должна создаваться и функционировать с учётом наполнения совершенствования и обновления её подсистем и компонентов, должна быть создана группа специалистов которая должна совершенствовать и развивать имеющуюся САПР.

3. Принцип системного единства САПР – состоит в том, что при создании, функционирований САПР связи между подсистемами должны обеспечивать целостность всей системы. Наибольший эффект от САПР достигается при сквозной автоматизации проектирования на всех уровнях, что позволяет исключить многократное описание информации об объектах проектирования, обеспечив её преемственность для различных подсистем.

4. Принцип совместимости компонентов САПР – состоит в том, что языки, символы, коды, информационные и технические характеристики структурных связей между подсистемами средствами САПР должны обеспечивать совместное функционирование подсистем. Особенно важным является информационная и программная совместимость, например информационная совместимость, обеспечивает работу отдельных подсистем с одной и той же БД.

5. Стандартизация САПР – заключается в проведении унификации, типизации, и стандартизации подсистем и компонентов, а так же в установлении правил с целю упорядочения. Что открывает широкие возможности внедрения САПР и её адаптации на различных предприятиях.

6. Принцип независимости отдельных подсистем САПР – этот принцип противоположный принципу совместимости. Определяет возможность для подсистем, введение в действие, и функционирование их независимо от других подсистем.

7. Принцип открытости САПР – определяет возможность внесения изменений в систему во время её разработки и эксплуатации. Изменения могут заключаться в добавлении новых или замене старых. Элементов программного, технического, или лингвистического обеспечения.

8. Принцип согласованности традиционного проектирования и САПР – должен учитывается при внедрении САПР на уже действующем предприятии, со сложившейся структурой, формами и способами использования проектной документации. При этом внедрение САПР недолжно нарушать нормального функционирования предприятия.

Проектирующая подсистема – непосредственно выполняют проектные процедуры, примерами могут служить подсистемы геометрического трёхмерного моделирования технических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа и т.д.

Обслуживающие подсистемы – обеспечивают функционирование проектируемых подсистем и их совместимость. Часто называют системной средой или оболочкой САПР.

1) Техническое (ТО). Включает, различны аппаратные средства (ЭВМ, Периферийное, Сетевое коммутационное оборудование, Линии связи, Измерительные средства).

2) Математическое (МО) – объединяет математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования.

4) Информационная (ИО). Состоит из БД, СУБД, а так же других данных используемых при других проектировании (Вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД – банком данных).

5) Лингвистическая (ЛО). Включают языки проектирования, между проектировщиками и ЭВМ, языки программирования, и языки обмена данными между техническими средствами САПР.

7) Организационное (ОО). Представлено штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами регламентирующими работу проектного предприятии.

Включает, различные технические средства, используемые для выполнения автоматизировано проектирования.

2. Взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ. Поддержку интерактивного режима работы. Требования относятся к общему интерфейсу. И прежде всего устройств обмена графической информации.

3. Взаимодействие между членами коллектива выполняющую работу над этим проектом. Требование обусловливает объединение аппаратных средств в сеть.

Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков (АРМ), рабочие станции ( Main -фреймы, отдельные периферийные и измерительные устройства). Именно в АРМ должны быть средства для связи проектировщика и ЭВМ. Вычислительная мощность может быть распределена между различными узлами сети.

Среда передачи данных – представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определённую работу по проектированию. И аппаратуру окончания канала данных (АКД) – предназначенную для связи ООД со средой передачи данных.

Линия связи – называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определённом направлении (Коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи и т.д.).

Различают ОС, со встроенными сетевыми функциями, и оболочками надо локальными ОС. Различают одноранговые сетевые ОС.

САПР относиться к числу наиболее сложных, наукоёмких, автоматизированных систем. Системная среда САПР предназначена, для выполнения собственно проектных процедур, и управления проектированием. А так же для интеграции САПР, с системами управления предприятия, и документа оборота.

1. Ядро – отвечает за взаимодействие компонентов системной среды, доступ к ресурсам ОС и сети, настройку на конкретную САПР с помощью специальных языков расширения.

2. Подсистема управления проектом – называемая так же подсистемой сквозного, параллельного проектирования. Выполняет функции слежения за состоянием проекта, координацией и синхронизацией параллельно выполняемых процедур, разными исполнителями.

3. Подсистема управления методология проектирования – представлена в виде базы знаний. В этой базе содержаться такие сведения о предметной области, как информационная модель, иерархическая структура проектируемых объектов. Описание типовых проектных процедур. Типовые фрагменты маршрутов проектирования, соответствие между процедурами и имеющимися пакетами прикладных программ, ограничение на их применение и т.д. Такую БЗ дополняют обучающие подсистемы, используемые для подготовки специалистов, пользователей САПР.

5. Подсистема интеграции программного обеспечения – предназначена для организации взаимодействия программ, в маршрутах проектирования. Она состоит из ядра, отвечающего за интерфейс на уровне подсистемы, и оболочек процедур. Согласующих конкретные программные модули, или программно-методические комплексы, со средой проектирования.

7. Подсистема CASE – предназначена для адаптации САПР, к нуждам конкретных пользователей! Разработке и сопровождения прикладного ПО. Её можно рассматривать как специализированную САПР, в которой объектом проектирования, являются новые версии подсистемы САПР, адаптированные к требования конкретного заказчика. Наиболее известной CASE системой в настоящее время в составе САПР является: CAS . CADE с помощью которой разработана очередная версия EUCLID QUANTUM .

ППО – реализует алгоритм для выполнения проектных операций и процедур. Программы в САПР формируются в ППП, каждый ППП ориентирован на обслуживание задач, отдельной подсистемы САПР и характеризуются определённой специализацией.

В ППО на ряду с ППП разрабатываемым человеком при создании САПР входят и рабочие программы, составляемые автоматически в ЭВМ, для каждого нового объекта, и маршрута его проектирования.

Под информацией подразумеваются некоторые сведения или совокупность, каких либо данных, являющихся объектом хранения, передачи и преобразования.

Применительно к САПР под данными понимают: информацию, представленную в формализованном виде, то есть в виде последовательности символов, букв, цифр, символов, графиков, таблиц, чертежей и тому подобное.

Информационное обеспечение САПР – это совокупность данных, представленных в определённом виде, и используемых при выполнении автоматизированного проектирования.

Проектирование реализуется комплексом задач, связанных с переработкой многочисленных массивов информации различного вида. Поэтому ИО является одной из важнейших составных частей САПР, а затраты на его разработку составляют более половины стоимости системы в целом.

1) Исходная – называется информация, существующая до выполнения машины. Она делиться на переменную и условно постоянную. К переменной относятся следующая информация: при проектировании детали – нагрузки на неё и внешние ограничения, в САПР ТП – геометрическая и технологическая информация о конкретной детали.

Ø Информация технологического, конструктивного и экономического характера о детали в целом (способ изготовления, условие производства, оборудовании, термообработка и т.д.)

Ø Технологическая и конструктивная информация об отдельных поверхностях детали (способ изготовления, термообработка, вид покрытия и т.д.)

Ø Геометрическая информация о всей детали в целом (габариты, точность изготовления, шероховатость поверхности и т.д.)

Ø Геометрическая информация о форме, размерах, точности и качестве отдельных поверхностей детали и их взаимное расположение.

Условно постоянная информация включает справочную и методическую информацию об имеющихся на производстве нормализованных узлах или деталях, оборудовании оснастке, режущем и мерительном инструменте, методах получения заготовка, их обработке и т.д. Эта информация является достаточно стабильной и постоянно храниться в памяти ЭВМ.

2) Производная информация – формируется на различных этапах процесса проектирования, и применительно к ТП содержит сведение о маршруте обработки заготовке, технологических операций и переходах, режимов резания.

2) Языки проектирования – предназначен для представления и преобразования исходной информации при выполнении проектных процедур с помощью ПО. Эти языки применяются пользователями САПР в процессе их инженерной деятельности.

В САПР применяются: машинно-ориентированные языки типа Ассемблер и алгоритмистические языки высокого уровня.

Алгоритмические языки высокого уровня в сравнении с машинно-ориентированными языками удобный для реализации алгоритмов. Численного анализа, легче осваиваются инженерами, позволяют повысить производительность труда программистов при разработке программ, и их адаптации к различным типам ЭВМ. Однако языки типа ассемблер, отличаются большей универсальностью, то есть обладают более широкими возможностями для описания кодов различных форматов, логических операций и процедур. При использовании этих языков требуется меньшие затраты машинного времени и памяти.

Для обеспечения процесса проектирования объектов в САПР используются входной базовый и выходной языки проектирования.

Эти средства должны описывать не только математические объекты – числа, переменные, массивы, но и различные виды графический информации.

Служат для представления дополнительных сведений к первичному описанию объекта проектирования: проектных решений, описание проектных процедур и их последовательности. Этот язык называемый языком описания заданий, создаётся близким по возможностям, символике и грамматике универсальным алгоритмическим языкам. При этом целесообразно не разрабатывать новый базовый язык, а использовать универсальный алгоритмический язык, дополнив его отдельными элементами, характерными для разрабатываемого процесса проектирования.

Применяется для представление, какого либо проектного решения, включая результат проектирования, в форме удовлетворяющей требованиям его дальнейшего применения.

В состав этого языка входят различные средства, описание результатов проектирования в виде чертежей, технических карт, схем наладок, таблиц, текстовой документации, а так же средство представления промежуточных результатов проектирования. Используемых в различных подсистемах САПР.

К МО САПР относят: математические модели, численные методы, алгоритмы выполнения проектных операций и процедур и т.д.

Проектная процедура – это формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.

Проектная операция – называют действие или формализованную совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры. Алгоритм, которых остается неизменным для ряда проектных процедур.

Унифицированная проектная процедура – процедура алгоритм которой остаётся неизменным для различных объектов проектирования, или различных стадий проектирования одного и того же объекта.

Основу МО САПР составляет математический аппарат для моделирования синтеза структуры, одновариантного и многовариантного анализа, структурной и параметрической оптимизации.

1) Специальное МО – отражает специфику объекта проектирования, особенности его функционирования, и тесно привязана к конкретным задачам проектирования.

2) Инвариантное ПО – включает методы и алгоритмы, слабосвязанные с особенностями мат. Моделей, и используемые при решении различных задач проектирования.

2. Алгоритмическая надёжность – свойство компонентов МО, давать при его применении, и за ранее определенных ограничений правильные результаты. Количественная оценка надёжности служит вероятность получения правильных результатов. Если эта вероятность равна 1 то этот метод надёжен.

4. Экономичность (вычислительная эффективность) – определяется затратами ресурсов требуемых для реализации моделей, и характеризуется затратами машинного времени и памяти.

Читайте также: