Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Андреев Л.Н., Бортяков Д.Е., Мещеряков С.В. Системы автоматизированного проектирования - файл 1.doc


Андреев Л.Н., Бортяков Д.Е., Мещеряков С.В. Системы автоматизированного проектирования
скачать (1240 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1240kb.05.02.2012 08:00скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство образования Российской Федерации




САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


Л.Н. Андреев Д.Е. Бортяков С.В. Мещеряков
Системы автоматизированного проектирования.
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


Санкт-Петербург

Издательство СПбГТУ

2002
УДК 519.6 (075.8)
Андреев Л.Н., Бортяков Д.Е., Мещеряков С.В. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002. с.
Пособие соответствует государственному образовательному стандарту 653200 Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы, дисциплине СД.08 Основы автоматизированного проектирования.

Рассмотрены: понятие проектирования как процесса, методологические основы системы автоматизированного проектирования, моделирования и конструирования в САПР, автоматизации разработки и выполнения конструкторской документации в САПР, оптимизации проектных решений при автоматизированном проектировании в применении к подъемно-транспортным и строительно-дорожным машинам и оборудованию.

Предназначено для студентов механико-машиностроительного факультета, обучающихся по направлению 551800 "Технологические машины и оборудование", специальность 170900 "Подъемно-транспортные и строительные машины" и 220900 "Автоматизация технологических производств", изучающих дисциплину "Основы автоматизированного проектирования" в рамках инженерной и магистерской подготовки.
Ил.25 Табл. 3 Библиогр.: 35 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Санкт-Петербургский государственный

технический университет, 2002
^ Ч а с т ь 1. Основы САПР в машиностроении
Введение
Прогресс науки и техники, потребности в новых про­мышленных изделиях обусловливают необходимость вы­полнения проектных работ большого объема. Проектирование машин и систем машин является много­этапным динамическим процессом. Это процесс творческий, много­плановый и достаточно трудоемкий. Как правило, проектирование машин, в том числе подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин и оборудования, осуществляется большим кол­лективом различных специалистов с использованием многочислен­ных расчетных, экспериментальных, эвристических методов и приемов.

Современная практика проектирования машин и систем машин свидетельствует, что для достижения успеха инженер должен одинаково хорошо ориентироваться в шести областях:

- в самом объекте, процессе, системе проектирования;

- в аппарате обработки и анализа входной и выходной информа­ции об объекте, процессе, системе и внешней среде;

- в математическом моделировании, которое заключается в умении перевести техническое задание с языка проблемно-содержательного на язык математических схем и моделей и далее в специальное программное обеспечение;

- в методах поиска оптимального решения;

- в соответствующем программном обеспечении систем автоматизированного проектирования (диалоговых системах, банках данных, базах знаний и др.);

- в свободном владении средствами вычислительной техники.

Требования, предъявляемые к качеству проектов, срокам их выполне­ния, оказываются все более жесткими по мере увеличе­ния сложности проектируемых объектов и повышения важности выполняемых ими функций. Удовлетворить эти требования с помощью простого возрастания численности проектировщиков нельзя, так как возможность парал­лельного проведения проектных работ ограничена и чис­ленность инженерно-технических работников в проектных организациях страны не может быть заметно увеличена. Решить проблему можно на основе автоматизации про­ектирования - широкого применения вычислительной техники.

Цель автоматизации проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции роста числа инженерно-технических работников, занятых про­ектированием, повышение производительности их труда. Однако не всегда переход от традиционных неавтома­тизированных методов проектирования к автоматизиро­ванным обеспечивает достижение указанной цели. На­пример, часто удается ускорить процесс проектирования без улучшения качества изделий, в отдельных случаях не наблюдается непосредственного снижения материаль­ных затрат. Тем не менее, важен эффект ускорения на­учно-технического прогресса в данной области техники.

Применение компьютеров для решения отдельных проектных задач началось одновременно с их появлением. Однако оно было скорее эпизодическим, чем систематическим. Обычно в каждом конкретном случае инженер заново составлял программу решения, используя традиционные методы проектирования. Поскольку эти методы разраба­тывались для неавтоматизированного проектирования, их копирование при автоматизированном проектировании не могло дать ожидаемого эффекта.

Необходим обоснованный выбор методов машинного решения задач, подразумевающий правильный учет воз­можностей вычислительной математики и вычислитель­ной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности, степени универ­сальности, малых затрат машинного времени, памяти и труда инженеров-проектировщиков на сбор исходной информации.

Для автоматизированного проектирования характерно систематическое использование компьютера при рациональном распределении функций между ним и человеком. На компьютерах решаются задачи, поддающиеся формализации, при условии, что их машинное решение более эффективно, чем ручное. К таким задачам относится выполнение мно­гих процедур оформления технической документации, по­лучения планов размещения оборудования, решения си­стем уравнений, описывающих процессы в проектируемых объектах, и т. д. Как правило, на компьютере не только реша­ются, но и автоматически составляются системы уравне­ний на основе лаконичного исходного описания объекта и имеющихся в памяти компьютера сведений.

Программы разрабатываются единожды, а применяются многократно в различных ситуациях, воз­никающих при проектировании многих объектов.

Именно поэтому инженеру-пользователю необходимо знать методы и алгоритмы, реализованные в программах САПР, что поможет избежать ошибок в формулировке задач, выборе исходных данных, интерпретации результатов и получить их с наименьшими затратами общего и машин­ного времени.

Граница между автоматизированным и неавтомати­зированным проектированием не может быть четкой. Она зависит от конкретных условий и должна изменяться по мере развития математики, вычислительной техники и теории проектирования. То, что сегодня представля­ется наилучшим распределением функций между челове­ком и компьютером и оптимальным методом решения, завтра может перестать быть таковым в связи с расширением знаний и технических возможностей.

Универсальность многих положений автоматизации проектирования имеет ту же природу, что и общность приемов математического исследования различных физи­ческих объектов и явлений. Следует отметить, что раз­витие автоматизации проектирования выражается преж­де всего в совершенствовании и углублении именно ма­тематических приемов исследования, поэтому появление и развитие автоматизированного проектирования стиму­лирует создание общей теории инженерного проектиро­вания.
^ 1. Понятие проектирования как процесса


    1. Что такое проектирование


В большинстве промышленно развитых стран литература о методах про­ектирования начинает появляться в 50-60 годах XIX века. До этого време­ни было достаточно знать, что проек­тирования - это то, чем занимаются архитекторы, инженеры, художники-прикладники и другие, когда создают чертежи для своих клиентов и для целей производства.

Теперь положение изме­нилось. Имеется много профес­сиональных проектировщиков, подвер­гающих сомнению методы, которым их обучили, и появилось множество новых приемов, призванных сменить традиционные процедуры.

Чтобы найти более надежную основу для рассуждений, попытаемся дать определение проектирования, исходя не из течения самого процесса, а из его результатов. Для этого достаточно рассмотреть конец той цепочки событии, ко­торая начинается с пожеланий заказчи­ка, включает в себя проектирование, производство, сбыт, потребление и за­канчивается влиянием вновь спроекти­рованного объекта на мир в целом. Единственное, что можно утверждать с уверенностью, - это то, что общество (мир) стало после этого иным, чем оно было до появления данного объекта. Если проект был удачным, он вызвал именно такие изменения, на которые рассчитывал заказчик. Если проект ока­зался неудачным (что, вообще говоря, случается чаще), его конечное влияние может быть весьма далеким от расчетов заказчика и прогнозов проектировщика, и все же он и в этом случае вызовет из­менение того или иного характера.

В любом случае мы можем, следователь­но, заключить, что цель проектирова­ния - положить начало изменениям в ок­ружающей человека искусственной сре­де. Эту простую, но универсальную фор­мулировку можно принять хотя бы в качестве рабочего определения того рас­ширяющегося процесса, который ког­да-то протекал за чертежной доской, а сегодня включает в себя "научные ис­следования и опытно-конструкторские разработки", снабжение, разработку тех­нологии, подготовку производства, сбыт, системное проектирование и многое другое.

Из определения видно, что оно охватывает деятельность не только конструкторов, архитекторов и других "профессиональных" проектировщиков, но также плановиков и экономистов, законодателей, администраторов, пуб­лицистов, ученых, всех тех, кто стремится осуществить изменения в форме и содержании изделий, рынков сбыта, городов, систем бытового обслуживания, общественного мнения, законов и т.п.
^ 1.2. Задачи проектировщика
Цель проектировщика традиционного типа заключалась в том, чтобы разработать чертежи, ко­торые могли бы получить одобрение клиента и дать необходимые указания изготовителю. Из нашего определения проектирования как процесса, который вызывает изменения в искус­ственной среде, следует, что должны существовать какие-то другие цели, дос­тижимые до окончания и даже до на­чала разработки чертежей. Проектирование оказывается все мень­ше направленным на сам разрабатываемый объект и все больше - на те изменения, которые должны претерпеть производство, сбыт, потребитель и общество в целом в ходе освоения и ис­пользования нового объекта.

Процесс внесения изменений в искус­ственную среду представляется как ряд событий, который начинается с поступления материалов и комплектующих изделий на завод-изготовитель и за­канчивается эволюционными измене­ниями в обществе под воздействием системы, в которую входит новое из­делие.

Каждое из этих событий пред­ставляет собой особый этап в сущест­вовании изделия и зависит от предшест­вующего события. Ни заказчики, ни проектировщики не могут непосредственно влиять на всю последующую историю изделия, оно выходит из-под их контроля еще до поступления в производство.

Заказчик дает проекти­ровщику ориентировочные указания о том, какого будущего состояния внеш­него мира он хотел бы добиться. Если заказчику необходимо новое зда­ние, в его заказе будут указаны располо­жение и размеры помещений, необхо­димых для размещаемой системы, т.е. будут определены системные требования. В соответствии с полученными зада­ниями проектировщик должен подгото­вить свои предложения. От него тре­буется тем или иным способом пред­сказать свойства объекта и реакцию на них на каждом этапе его существования. Для этого он на каких-то моделях прово­дит экстраполяцию от известных харак­теристик аналогичных конструкций в прошлом к поведению объекта в буду­щем, в новой среде.

^ 1.3. Трудности проектирования
Обратимся теперь к различным организациям, куда в период своего существования попадает новое изделие, и рассмотрим межпрофессиональные и межличностные препятствия, возникающие при необходимости проведения проектных работ одновременно на уровне систем и на уровне изделий.

Заказчики. В основе всех затруднений лежит тот факт, что заказчики, финансирующие разработку новых систем, чаще всего имеют слишком узко направленную ма­териальную заинтересованность и обла­дают недостаточным влиянием на других операторов систем, с которыми им при­ходится сотрудничать. Чаще всего брига­да проектировщиков получает краткое техническое задание, отражающее инте­ресы заказчиков на данный момент. В ответ проектировщики могут выдви­нуть встречные предложения, которые, как они справедливо считают, позволят существенно, а не только поверхностно повысить эксплуатационные характери­стики системы.

Если в этих встречных предложениях будут обрисованы принци­пиально новые виды изделий, необхо­димые для осуществления этих предло­жений, то заказчики едва ли распознают в проекте важный элемент их собственного буду­щего. Такой холодный прием еще более вероятен, если возросшие размеры систе­мы потребуют в будущем дополнительного финансирования.

^ Бригада проектировщиков. Если бригада проектировщиков пред­ставляет собой работоспособную группу людей, объединенных об­щими интересами своего предприятия, то ее членам могут оказаться по плечу самые глубокие преобразования, какие только можно осуществить в пределах данной организации.

Если же для реше­ния задачи необходимо изменить грани­цы организации, группе придется учиты­вать новые интересы и включить представителей новых специальностей, которые до сих пор в ней не работали и не имели времени ознакомиться с пози­цией и способностями каждого члена группы.

Некоторые из них по своему опыту и знаниям будут слишком тесно связаны с теми компонентами существу­ющей системы, которые сдерживают прогресс, и может оказаться, что ни один из них не обнаружит достаточного пони­мания и опыта для того, чтобы быстро оценить возможности реализации всех или некоторых новых элементов, необхо­димых для совершенствования системы.

Кроме того, проектировщики будут часто не учитывать тот факт, что элементы существующей системы, ко­торые войдут в новую систему, будут работать в ней в изменившихся усло­виях, так что на сохранение их показа­телей и их надежность уже нельзя пола­гаться без новых, тщательно проведен­ных испытаний.

Так, например, раньше при разработке грузоподъемных кранов несущая металлоконструкция проектировалась без учета установки на ней аппаратуры управления, приборов безопасности, из-за чего возникали существенные сложности между инженерами-электриками и инженерами-механиками.

Поставщики. Поставщики материалов и комплекту­ющих изделий легко могут переоценить имеющиеся у них возможности удовле­творить требования, предъявляемые к ра­дикально новым изделием, и не заметить многочисленных препятствий, которые им придется преодолеть при детальном приспособлении своего производства к требованиям новой конструкции. Одна­ко им зачастую может быть безразлична форма существующего изделия, их мо­жет интересовать лишь объем и регуляр­ность заказов, которые они рассчиты­вают получить.

Поэтому контакты с потенциальными поставщиками на ран­них этапах разработки крупного проекта могут помочь преодолеть многие факторы, оказывающие сопротивление всякому изменению существующего положения.

Изготовители. Основная трудность здесь не в том, что изготовители (инженеры-технологи) про­тивятся изменениям, а в том, что им не удается точно прогнози­ровать стоимость предлагаемых измене­ний в проекте до того, как будет разра­ботана подробная технология, т. е. когда такие прогнозы в значительной мере уже потеряют свою ценность для бригады проектировщиков. Дело в том, что уже весьма незначительные изменения конст­рукции могут сильно повлиять на издержки производства изделия. Таким обра­зом, одним из следствий реорганизации системы является лишение проектиров­щиков точных стоимостных оценок, без которых не может быть уверенности в целесообразности предлагаемых круп­ных изменений.

^ Работники сбыта. Каналы сбыта, наверное, самый ста­бильный элемент во всей этой картине. Их создание и изменение требуют наи­больших затрат, поскольку они строятся на трудно приобретаемом опыте и до­верии тех людей, которым удалось со­гласовать существующую продукцию с широко варьирующимися взглядами оптовиков, работников рекламы, аген­тов по распространению и розничных торговцев, каждый из которых по-свое­му понимает интересы потребителя.

Сбы­товики не всегда материально заинтере­сованы в сохранении существующей конструкции изделия; нередко они вы­сказывают свое недовольство фирмой, которая не поспевает за происходящи­ми, по их мнению, изменениями спроса. Им, однако, свойствен тот недостаток, что они неизбежно смотрят на потенци­альный спрос глазами покупателя, с ко­торым они встречаются, а такой взгляд по самой своей природе направлен лишь на небольшие отклонения от существу­ющего, поскольку у покупателя ника­кого иного опыта нет. Таким образом, проекты радикального улучшения тех­нических характеристик изделия встре­тят поддержку сбытовиков лишь в той мере, в какой потребитель уже начал требовать таких изменений.

Покупатели. Иногда покупатель и потребитель соеди­нены в одном лице, иногда же это разные люди. В любом случае их, однако, надо рассматривать по отдельности из-за оче­видного различия между реакцией чело­века на изделие, которое он никогда ра­нее не видел, и его же реакцией на него после того, как он приобрел опыт поль­зования этим изделием и приспособился к нему. Больше всего препятствуют переменам, во-первых, неумение поку­пателя заранее определить свою или чу­жую способность приспособиться к но­вому изделию и, во-вторых - "выставоч­ный эффект", благодаря которому новое изделие обладает или не обладает непо­средственной силой воздействия на поку­пателя, позволяющей ему преодолеть его природную нерешительность. Здесь снова конечный результат будет не в поль­зу радикально новой конструкции, пото­му что заявления об ее эксплуатацион­ных преимуществах покупателю прихо­дится принимать на веру и потому что потенциальный покупатель обычно стре­мится приобрести такое новое изделие, которое придавало бы ему самому жела­тельные для него черты в глазах окружа­ющих.

Потребители. Потребитель очень чувствителен к небольшим, но имеющим значение раз­личиям в стиле, цвете или рисунке, но может быть совершенно равнодушен к подлинно новым формам, которые не приобрели еще широкого признания или социальной значимости. Эта особенность отношений — сильный аргу­мент против того, чтобы базировать но­вые конструкции на результатах опросов потребителей и выявлении их предпоч­тений. Потребители очень медленно приспосабливаются к измене­ниям в конструкции изделий и не могут заранее определить свою реакцию на них.

^ Операторы систем. Здесь идет речь о том, что при проектировании системы неизбежно разбиение ее на ряд подсистем, в каждой из которых руководитель (как правило, менеджер) выступает в роли оператора.

Когда речь идет об исключительном случае создания принципиально новой системы, ответственность за которую еще никто на себя не взял, интересы и взгляды операторов существующих систем лишь частично будут отражать преимущества и недостатки разрабатывае­мой системы.

Общество. На дальнем конце цепи событий, из ко­торых складывается история создания и существования изделия, лежит та единственная сфера, в которой отра­жаются все радикальные изменения, вне­сенные при разработке новой или реорга­низации старой системы. Политические действия и общественный протест зачастую - единственные каналы, через которые удается оказывать влияние на основные аспекты социально-технических изменений.

Глав­ная трудность заключается в том, что проектировщик должен на основании современных данных прогнозировать не­которое будущее состояние, которое возникнет только в том случае, если его прогнозы верны. Предположения о конечном результате проектирования приходится делать еще до того, как исследованы средства для его достиже­ния. Проектировщик вынужден просле­живать события в обратном порядке, от следствий к причинам, от ожидае­мого влияния данной разработки на мир - к началу той цепочки событий, в результате которой и возникнет это влияние.
^ 1.4. Проектирование: искусство или наука
Проектирование не следует путать ни с искусством, ни с естественными науками, ни с матема­тикой. Это сложный вид деятельности, в котором успех зависит от правиль­ного сочетания всех этих трех средств познания; очень мала вероятность до­биться успеха путем отождествления проектирования с одним из них. Ос­новное различие связано с временны­ми отношениями. Деятели искусства и науки имеют дело с физическим миром (реальным или символическим) в том виде, в каком он существует в настоя­щее время, а математики оперируют с абстрактными отношениями, не за­висящими от календарного времени.

Проектировщики же всегда вынуждены считать реальным то, что существует лишь в воображаемом будущем, и искать пути претворения в жизнь предполагаемых объектов.

Прежде чем предсказывать будущее, разработчик должен в достаточной мере знать настоящее, а для этого он должен обладать свойствами ученого - скептициз­мом, умением поставить эксперимент и проанализировать его результаты. Од­нако когда разработчик переходит от настоящего к будущему, позиция сом­невающегося ученого становится для не­го бесполезной, и ей на смену должно прийти нечто другое, похожее скорее на подсознательную веру.

Подход художника необходим разра­ботчику на том этапе, когда в лаби­ринте альтернатив приходится отыски­вать тропинку, ведущую к новому и непротиворечивому построению, которое могло бы стать основой решения. При этом нужно иметь какой-нибудь по­датливый материал или аналог, который позволял бы, поспевая за течением мысли, передавать форму решения. Обычно таким материалом служили эс­кизы, быстро набрасываемые "на обо­роте конверта", за которыми стояли точ­ные образы вариантов проекта в вооб­ражении.

Метод математика (выражающего ис­ходные предположения через абстракт­ные символы, а затем манипулирую­щего этими символами до принятия решению, годится для проектиров­щика лишь на том этапе, когда зада­ча стабилизировалась, когда для того, чтобы разрешить противоречия между целью и средствами, уже не требуется изменять исходные посылки.

Однако самая интересная и самая сложная часть разработки - это как раз поиск реше­ния путем изменения формулировки задачи, поэтому правильно будет счи­тать, что математика полезна только для оптимизации, т.е. для отыскания наи­лучшего решения после того, как зада­ча уже определилась. Если задачу проек­тирования можно сформулировать в ма­тематических символах, ее решение мо­жет быть получено на компьютерной технике без непос­редственного участия человека в рас­четах.


^ 2. САПР в машиностроении
2.1. Основные понятия и определения
2.1.1. Проектирование как объект автоматизации
Для создания любой системы автоматизации необходимо знать свойства объекта автоматизации. Для САПР таким объектом является процесс проекти­рования. Ниже рассмотрены основные понятия, относящиеся к сфере проектирования.

В настоящее время ГОСТ 22487—77 установлены основ­ные термины и определения в области автоматизированного проек­тирования. Рассмотрим те из них, которые наиболее часто будут использованы в данном курсе.

Проектирование - процесс создания описаний нового или модернизируемого технического объекта (изделия, процесса), достаточных для изготовления или реализа­ции этого объекта в заданных условиях.

Такие описания, называемые окончательными, представляют собой комплект конструкторской и технологической докумен­тации в виде чертежей, пояснительных записок, специфика­ций, программ для технологических автоматов и т. п. Процесс заключается в выполнении комплекса работ иссле­довательского, расчетного, конструкторского характера, име­ющих целью преобразование исходного описания в оконча­тельные описания. Исходное описание при этом есть техниче­ское задание, отражающее назначение и основные требования к проектируемому объекту.

Процесс проектирования может быть неавтоматизированным и автоматизированным.

^ Неавтоматизированное проектирование - это проектирова­ние, при котором все преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются человеком.

^ Автоматизированное проектирование - это проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются при взаимодействии человека и компьютера.

Степень автоматизации проектирования оценивается долей проектных работ, выполняемых на компьютере без участия человека, в общем объеме проектных работ. При =0 проектирование неавтоматизированное, а при =1 - автоматическое. Для ав­томатизированного проектирования характерны рациональное распределение функций между человеком и компьютером и обосно­ванный выбор моделей и методов для автоматизированных процедур. Рациональность и обоснованность в выборе средств и методов проектирования определяются уровнем развития вычислительной техники, вычислительной математики, теории автоматизированного проектирования и конкретных техниче­ских дисциплин.

Под автоматизацией проектирования будем понимать широ­кий круг проблем, решаемых с использованием средств вычисли­тельной техники при выполнении многочисленных этапов и процес­сов проектирования объекта (машины, комплекса машин, системы и др.).
2.1.2. Аспекты и иерархические уровни проектирования
В представлениях инженера о сложных технических объектах принято выделять аспекты и иерархические уровни. Аспекты характеризуют ту или иную группу родственных свойств объек­та. Типичные аспекты - функциональный, конструкторский, технологический.

Функциональный аспект отражает физические и информационные про­цессы, протекающие в объекте при его функционировании, конструкторский – структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта, технологический - возможности и способы реализации или изготовления. В за­висимости от разновидностей объектов могут быть и другие аспекты, например, при проектировании электромеханических систем – электрический (электронный) и механический.

В соответствии с указанными аспектами различают функциональное, конструкторское, технологическое проектирование.

Внутри каждого аспекта представление о сложных объектах разделяют на иерархические уровни (уровни абстрагирования). На верхнем иерархическом уровне рассматривается весь сложный объект как совокупность взаимосвязан­ных подсистем, описание каждой подсистемы не должно быть слишком под­робным.

На следующем иерархическом уровне подсистемы рассматриваются от­дельно как системы, состоящие из некоторых составных частей, и получают более подробное описание. Данный иерархический уровень является уровнем подсистем. Такое разделение описания сложного объекта на части и раздельное исследование свойств по выделенным частям есть декомпозиция. Процесс декомпозиции описаний и поблочного их рассмотрения с воз­растающей степенью детализации продолжается вплоть до получения описаний блоков, состоящих из базовых элементов.

Разделение описаний проектируемого объекта на иерархические уровни по степени подробности отражения свойств объекта составляет сущность блочно-иерархического подхода к проектированию. Соответственно возможно раз­деление проектирования как процесса на группы проектных процедур, связан­ных с получением и преобразованием описаний выделенных уровней. Эти группы процедур называются иерархическими уровнями проектирования.

В машиностроении базовые элементы представлены деталями: винт, шпонка, вал, зубчатое колесо и т.д. Это нижний уровень, на нем системами яв­ляются сборочные единицы: редуктор, двигатель, тормоз, соединительные муфты и т.п. Базовыми элементами могут быть не только детали, но и объекты, состоящие из многих деталей и получаемые как законченные комплектующие изделия (подшипники, реле и т.п.).

Сборочные единицы являются элементами агрегатов (комплексов) - си­стем следующего иерархического уровня (механизмы подъема, передвижения, поворота, изменения вылета грузоподъемного крана, его металлоконструкция, системы управления и диагностики и т.п.).

На следующем иерархическом уровне может рассматриваться машина в целом, на более высоких уровнях - комплексы машин, объединяемые в произ­водственные образования.

При рассмотрении технологических процессов в машиностроении наибо­лее общее, но и наименее детальное описание представляется принципиальной схемой технологического процесса. На следующем, более низком иерархи­ческом уровне описываются маршруты обработки (маршрутная технология) как системы, состоящие из элементов - технологических операций. Далее выделяют­ся уровни описаний операционной технологии и управляющих программ.
2.1.3. Стадии, этапы и процедуры проектирования
В проектировании принято выделять стадии научно-исследовательских работ, опытно-конструкторских работ, технического проекта (технического предложения), рабочего проек­та, испытаний опытного образца.

На стадии научно-исследовательских работ изучаются потребности в по­лучении новых изделий с заданным целевым назначением, исследуются физиче­ские, информационные, конструктивные и технологические принципы построе­ния изделий и возможности реализации этих принципов, прогнозируются зна­чения характеристик и параметров объектов. Результатом является формули­ровка технического задания на разработку объекта. Оно включает цель созда­ния и назначение объекта, технические требования, режимы и условия работы, области применения, увязку параметров с типажом, информацию об экспери­ментальных работах, сравнительную оценку технического уровня и др. На основании технического задания разрабатывается техническое предложение - совокупность документов, отражающих технические решения, принятые в про­екте. В него включаются результаты функционального, физического и стоимост­ного исследований, указания и обоснования по выполняемым функциям, физи­ческим принципам действия, целесообразности использования тех или иных решений, сравнительная оценка этих решений по техническим, экономическим. технологическим, экологическим и другим показателям.

На стадии опытно-конструкторских работ создается эскизный проект изделия, представляющий собой совокупность графической и текстовой доку­ментации, на основании которой можно получить общее представление об устройстве, принципе работы, назначении, основных параметрах и габаритных размерах проектируемого изделия, о компоновке как машины в целом, так и ее основных узлов. При разработке эскизного проекта проверяются, конкретизи­руются и корректируются принципы и положения, установленные на стадии на­учно-исследовательских работ.

На стадии технического проекта разрабатывается более детализирован­ная графическая и текстовая документация, дающая полное и окончательное представление об устройстве, компоновке машины и всех ее узлов; в техниче­ский проект включают все необходимые расчеты (динамические, прочностные и т.д.).

На стадии рабочего проекта создается полный комплект конструкторско-технологической документации, достаточный для изготовления объекта.

На стадии испытаний получают результаты, позволяющие выявить воз­можные ошибки и недоработки проекта, принимаются меры по их устранению.

В ходе проектирования вырабатываются проектные решения - описания объекта или его составной части, достаточные для рассмотрения и принятия за­ключения об окончании проектирования или путях его продолжения.

^ Часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения, называет­ся проектной процедурой. Выполнение одной или нескольких проектных про­цедур, объединенных по признаку принадлежности получаемых проектных ре­шений к одному иерархическому уровню и (или) аспекту описаний, составляет этап проектирования.

На любой стадии или этапе проектирования может быть выявлена оши­бочность или неоптимальность ранее принятых решений и, следовательно, не­обходимость или целесообразность их пересмотра. Подобные возвраты типич­ны для проектирования и обусловливают его итерационный характер.

В частности, может быть выявлена необходимость корректировки техни­ческого задания. В этом случае чередуются процедуры внешнего и внутреннего проектирования. Под внешним проектированием понимаются процедуры фор­мирования или корректировки технического задания, под внутренним проекти­рованием - процедуры реализации сформированного технического задания.

Различают нисходящее (сверху вниз) и восходящее (снизу вверх) проекти­рование. В первом задачи высоких иерархических уровней решаются прежде, чем задачи более низких иерархических уровней, во втором последовательность противоположная. Так, функциональное проектирование чаще является нисхо­дящим, конструкторское - восходящим.

На рис.1.1 представлена в качестве примера обобщенная схема процесса автоматизации проектирования.
^
Анализ существующих

аналогичных объектов,

процессов, систем
Формирование

технического задания

на проектирование
^
Топологическое описание,

формирование (синтез)

множества альтернативных

вариантов (структур)
^
Исходная информация,

патенты, авторские

свидетельства,

отчеты по НИР
Ограничения:

технические,

экономические,

экологические, …
Методы

математического

описания,

моделирования
^
Пакеты прикладных

программ (ППП),

библиотеки программ,

банки данных,

банки знаний,

экспертные системы...
^
Критериальные

требования
Окружающие
объекты, среда

функционирования
Системное

проектирование
Функциональное

проектирование

Нет
Методы

параметрической

и структурной

оптимизации
^
Структурная оптимизация
Анализ результатов
оптимизации
Оптимальное

проектирование

Нет

Да
^
Формирование конструкторской документации
Формирование технологической документации

Да
Нормативно-

техническая

информация,

ГОСТы, ОСТы, СТП,

ТУ, … (ППП)
Конструкторско-

технологическое

проектирование

Рис. 1.1. Обобщенная схема процесса автоматизации проектирования



^ 2.2. Принципы создания САПР
В ГОСТ 23501.101-87 изложены организационные основы создания САПР.

Для создания САПР необходимы условия:

  1. совершенствование проектирования на основе приме­нения математических методов и средств вычислитель­ной техники;

  2. автоматизация процесса поиска, обработки и выдачи информации;

  3. использование методов оптимизации и многовариант­ного проектирования;

  4. применение эффективных матема­тических моделей проектируемых объектов, комплекту­ющих изделий и материалов;

  5. создание банков данных, содержащих систематизиро­ванные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов;

  6. повышение качества оформления проектной докумен­тации;

  7. увеличение творческой доли труда проектировщиков за счет автоматизации нетворческих работ;

  8. унификация и стандартизация методов проектирова­ния;

  9. подготовка и переподготовка специалистов в области САПР;

  10. взаимодействие проектных подразделений с автома­тизированными системами различного уровня и назна­чения.

При создании САПР и их составных частей следует руководствоваться принципами системного единства, совме­стимости, типизации, развития (ГОСТ 23501.101-87).

Принцип системного единства обеспечивает целост­ность системы и системную "свежесть" проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования в целом (иерархичность проектирования).

^ Принцип совместимости обеспечивает совместное функционирование составных частей САПР и сохраняет открытую систему в целом.

Принцип типизации ориентирует на преимущественное создание и использование типовых и унифицированных элементов САПР. Типизации подлежат элементы, име­ющие перспективу многократного применения. Типовые и унифицированные элементы периодически проходят экс­пертизу на соответствие современным требованиям САПР и модифицируются по мере необходимости.

^ Принцип развития обеспечивает пополнение, совер­шенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с авто­матизированными системами различного уровня и функ­ционального назначения.

Разработка САПР представляет собой крупную науч­но-техническую проблему, а ее внедрение требует значи­тельных капиталовложений. Накопленный опыт позволя­ет выделить следующие основные особенности ее пос­троения.

САПР - человеко-машинная система. Все создаваемые с помощью компьютера системы проектирования являются автоматизированными. Важную роль в них игра­ет человек - инженер, разрабатывающий проект техни­ческого средства.

В настоящее время и, по крайней мере, в ближайшие годы создание САПР "не угрожает" монополии челове­ка при принятии узловых решений в процессе проек­тирования. Человек должен решать в САПР, во-первых, задачи, формализация которых не достигнута, и, во-вто­рых, задачи, которые решаются человеком на основе эвристических способностей более эффективно, чем на современном компьютере. Тесное взаимодействие человека и вычислительной техники в процессе проектирования – один из принципов пос­троения и эксплуатации САПР.

САПР - иерархическая система. Она реализует ком­плексный подход к автоматизации всех уровней проекти­рования. Блочно-иерархический подход к проектирова­нию должен быть сохранен при применении САПР. Иерар­хия уровней проектирования отражается в структуре специального ПО САПР в виде иерархии подсистем.

Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспе­чения комплексного характера САПР, так как автома­тизация проектирования на одном из уровней при сох­ранении старых форм проектирования на соседних уров­нях оказывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех уровней. Иерархическое пос­троение относится не только к специальному программно­му обеспечению, но и к техническим средствам САПР, разделяемым на центральный вычислительный комплекс и автоматизированные рабочие места проектировщиков.

САПР - совокупность информационно согласован­ных подсистем. Информационная согласованность озна­чает, что все или большинство последовательностей задач проектирования обслуживаются информационно согласованными программами.

Две программы явля­ются информационно согласованными, если все дан­ные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах, входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой.

Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут ис­ходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка об­щего массива данных с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изменяет значения отдельных пара­метров, то это значит, что программы информационно плохо согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту чис­ла ошибок и поэтому снижает эффективность работы САПР. Плохая информационная согласованность превра­щает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.

Близким по смыслу, но не полностью совпадающим с рассмотренными, является принцип оптимальности свя­зей между САПР и внешней средой. Если каждый раз при проектировании очередного объекта заново вво­дятся в систему не только действительно специфичес­кие новые исходные данные, но и сведения справочного характера (например, параметры унифицированных эле­ментов), то имеет место нерациональная организация связей САПР с окружающей средой.

Очевидно, что все данные, используемые многократно при проектировании разных объектов, должны храниться системой в базе данных.

САПР - открытая и развивающаяся система. Сущест­вуют по крайней мере две причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой.

Во-первых, разработка столь сложного объекта как САПР занимает продолжительное время, и экономически выгод­но вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется.

Во-вторых, постоян­ный прогресс вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совер­шенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги. Поэто­му САПР должна быть открытой системой, т. е. обладать свойством удобства включения новых методов и средств.

САПР - специализированная система с максималь­ным использованием унифицированных модулей. Чтобы снизить расхо­ды на разработку многих специализированных САПР, целесообразно строить их на основе максимального ис­пользования унифицированных составных частей. Необ­ходимое условие унификации — поиск общих положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных тех­нических объектов.
^ 2.3. Состав и структура САПР
Составными частями САПР, жестко связан­ными с организационной структурой проектной организа­ции, являются подсистемы, в которых при помощи спе­циализированных комплексов средств решается функцио­нально законченная последовательность задач САПР.

^ По назначению подсистемы разделяют на проектирую­щие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап (стадию) проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач.

Примеры проектирующих подсистем: эскизное проек­тирование изделий, проектирование корпусных деталей, проектирование технологических процессов механической обработки.

^ Обслуживающие подсистемы подсистемы име­ют общесистемное применение и обеспечивают под­держку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и вывод полученных в них результатов.

Примеры обслуживающих подсистем: автоматизиро­ванный банк данных, подсистемы документирования, под­система графического ввода-вывода.

Формирование и использование моделей объекта про­ектирования в прикладных задачах осуществляется комплексом средств автоматизированного проектирования (КСАП) системы (или подсистемы).

Структурными частями КСАП системы являются раз­личные комплексы средств, а также компоненты органи­зационного обеспечения.

Комплексы средств относят к промышленным издели­ям, подлежащим изготовлению, тиражированию и приме­нению в составе САПР, и документируют как специфицируемые изделия.

Виды комплексов средств и компонентов САПР представлены на рис.1.2.

Комплексы средств подразделяют на комплек­сы средств одного вида обеспечения (технического, про­граммного, информационного) и комбинированные.

Комплексы средств одного вида обеспечения содер­жат компоненты одного вида обеспе­чения; комплексы средств комбинированные — совокуп­ность компонентов разных видов обеспе­чения.

Комбинированные КСАП, относящиеся к продук­ции производственно-технического назначения, подразде­ляются на программно-методические (ПМК); програм­мно-технические (ПТК).


^
Виды продукции

в САПР
Программно-

методические

комплексы
Общесистемные

ПМК
Базовые

ПМК
Компоненты и

комплексы одного

вида обеспечения

Технического

обеспечения

Информационного

обеспечения

Программного

обеспечения
^
Программно-

технические

комплексы
Центральные

вычислительные

комплексы
Автоматизи-
рованные

рабочие места
Проблемно-

ориентиро-

ванные ПМК
^
Объектно-

ориентиро-

ванные ПМК
Проблемно-

ориентиро-

ванные ПТК
Объектно-

ориентиро-

ванные ПТК

Рис. 1.2. Виды комплексов и компонентов САПР


Программно-методический комплекс представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечения (включая компоненты математического и лингвистического обеспечения), необходимую для получения за­конченного проектного решения по объекту проектиро­вания (одной или нескольким его частям или объекту в целом) или выполнения унифицированных процедур. В зависимости от назначения ПМК подразделяют на общесистемные и базовые.

Общесистемные ПМК направлены на объекты проектирования и вместе с компьютерными операционными системами являются операционной средой, в которой функционируют базовые комплексы.

Базовые ПМК могут быть проблемно-ориен­тированными и объектно-ориентированными, в зависимости от того, реализуют они проектные процедуры унифицированные или специфические для определенного класса объектов.

^ Проблемно-ориентированные ПМК могут включать программные средства, предназначенные для автомати­зированного упорядочения исходных данных, требований и ограничений к объекту проектирования в целом или к сборочным единицам; выбор физического принципа действия объекта проектирования; выбор технических решений и структуры объекта проектирования; оценку показателей качества (технологичности) конструкций, проектирование маршрута обработки деталей.

^ Объектно-ориентированные ПМК отражают особен­ности объектов проектирования как совокупной предметной области. К таким ПМК, например, относят ПМК, поддерживающие автоматизированное проектирование сборочных единиц; проектирование деталей на основе стандартных или заимствованных решений; деталей на ос­нове синтеза их из элементов формы; технологических процессов по видам обработки деталей и т.п.

^ Программно-технический комплекс представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов технического обеспечения.

В зависимости от назначения ПТК различают ав­томатизированные рабочие места (АРМ) и центральные вычислительные комплексы (ЦВК). Комплексы средств могут объединять свои вычисли­тельные и информационные ресурсы, образуя локальные вычислительные сети подсистем или систем в целом.

Структурными частями комплексов средств являются компоненты следующих видов обеспечения: программно­го, информационного, методического, математического, лингвистического и технического.

Компоненты видов обеспечения выполняют заданную функцию и представляют наименьший (неделимый) само­стоятельно разрабатываемый (или покупной) элемент САПР (например, программа, инструкция, дисплей и т.п.).

КСАП обслуживающих подсистем, а также отдельные ПТК этих подсистем могут использоваться при функци­онировании всех подсистем.

Общесистемные ПМК включают в себя программное, информационное, методическое и другие виды обеспе­чения. Они предназначены для выполнения унифициро­ванных процедур управления, контроля, планирова­ния вычислительного процесса, распределения ресурсов САПР и реализации других функций, являющихся общи­ми для подсистем или САПР в целом.

Примеры общесистемных ПМК: мониторные системы, системы управления БД, информационно-поисковые сис­темы, средства машинной графики, подсистема обеспе­чения диалогового режима и др.

^ Мониторные системы управления функционированием технических средств в САПР. (Здесь монитор - это управляющая программа).

Основными функциями мониторных систем являются: формирование заданий с контролем пакета задач, требуемых и наличных ресур­сов, права доступа к базе данных с установлением при­оритета и номера очереди; обработка директив языков управления заданиями и задачами, а также реакция на прерывания с перехватом управления, анализом при­чин и их интерпретацией в терминах, понятных проек­тировщику; обслуживание потоков задач с организацией диалогового и интерактивно-графического сопровожде­ния в условиях параллельной работы подсистем; уп­равление проектированием в автоматических режимах с анализом качества исполнения проектных операций, про­веркой критериев повторения этапа или продолжения маршрута, выбором альтернативных вариантов маршру­та; ведение и оптимизация статистики эксплуатации системы; распределение ресурсов САПР с учетом прио­ритетов заданий, задач и подсистем, плановых заданий и текущих указаний и запросов; защита ресурсов и данных от несанкционированного доступа и непредус­мотренных воздействий.

^ Информационно-поисковые системы (ИПС) в САПР выполняют такие функции, как заполнение информаци­онного фонда (инфотеки) сведениями; арифметическая обработка цифровых данных и лексическая обработка текстов; обработка информационных запросов с целью поиска требуемых сведений; обработка выходных данных и формирование выходных документов. Особенности ИПС заключаются в том, что запросы к ним формиру­ются не программным путем, а непосредственно пользо­вателями и не на формальном языке, понятном монито­ру, а на естественном языке в виде последовательности ключевых слов - дескрипторов. Перечень дескрипторов, содержащихся во всех принятых на хранение описаниях, составляет словарь дескрипторов, или тезаурус, который пред­назначен для формирования поисковых предписаний.

Существуют и более сложные ИПС по сравнению с дескрипторными. Важную роль в них играет информа­ционно-поисковый язык, в котором учитываются семанти­ческие взаимоотношения между информационными объ­ектами. Это позволяет уменьшить число неправильно распознаваемых языковых конструкций, а обработку запросов производить на основе различных критериев смыслового соответствия.

^ Система управления базами данных (СУБД) - про­граммно-методический комплекс для обеспечения работы с информационной базой, организованной в виде струк­туры данных.

Базы данных являются наиболее высокой формой организации информации в больших САПР. Они пред­ставляют собой проблемно-ориентированные информационно-справочные системы, обеспечивающие ввод необхо­димой информации, не зависимые от конкретных задач ведения и сохранения информационных массивов и выда­чи необходимой информации по запросам пользователей или программ. В базах данных используется информа­ция фактографического вида.

СУБД выполняет следующие основные функции: оп­ределение баз данных, т.е. описание концептуального, внешнего и внутреннего уровней схем; запись данных в базу; организация хранения с выполнением изменения, дополнения, реорганизации данных; предоставление дос­тупа к данным (поиск и их выдача).

Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства. Так, определение данных, состоящее в описании их структур, обеспечивается с по­мощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулиро­вания данными и языка запросов. По типу поддержи­ваемых структур различают следующие виды СУБД: иерархическая, сетевая, реляционная, объектно-реляционная.

^ Программно-методические комплексы машинной гра­фики обеспечивают взаимодействие пользователя с компьютером при обмене графической информацией, решение геометри­ческих задач, формирование изображений и автоматичес­кое изготовление графической информации. Графическое взаимодействие пользователя с компьютером (так называемый графический метод доступа) базируется на подпрограм­мах ввода-вывода, которые обеспечивают прием и обра­ботку команд от устройства ввода-вывода и выдачу управляющих воздействий на эти устройства. Решение геометрических задач (геометрическое моделирование) сводится к преобразованию графической информации, ко­торое представляет собой выполнение в той или иной последовательности элементарных графических операций типа сдвиг, поворот, масштабирование и т. п. Для геомет­рического моделирования используется ПМК, в котором кроме отдельных элементарных графических операций могут быть реализованы графические преобразования трехмерных изображений, процедуры построения проек­ций, сечений и т. п. В ПМК графических преобразова­ний обычно предусматриваются средства для формирования некоторых часто используемых изображений, управ­ления графической базой данных, отладки графических подпрограмм.

^ Диалоговый режим обеспечивается программно-мето­дическими комплексами, осуществляющими ввод, кон­троль, редактирование, преобразование и вывод графи­ческой и/или символьной информации. Диалоговый уда­ленный ввод заданий обеспечивает ввод и редактирова­ние заданий через каналы связи, выполнение заданий в пакетном режиме и вывод результатов через линии связи на удаленные терминалы. В САПР могут исполь­зоваться диалоговые ПМК как общего назначения, так и специализированные. ПМК общего назначения целесо­образно применять на начальных стадиях создания и эксплуатации САПР для отработки и проверки методоло­гии проектирования, технологии обработки данных и при­кладных программ. В дальнейшем возможна модифика­ция ПМК с учетом специфических требований по орга­низации диалога в САПР. При этом необходимо учи­тывать наличие диалогового или пакетного режима обработки запросов; ориентацию системы на пользова­теля - непрограммиста; возможность расширения систе­мы путем включения диалоговых прикладных программ на языках высокого уровня; возможность управления диалогом с помощью "меню" и директив, общение на родном языке и т.п.
^ 2.4. Компоненты видов обеспечения САПР
Средства автоматизации проектирования можно сгруп­пировать по видам обеспечения автоматизированного проектирования (рис.1.3).

Математическое обеспечение. Основу матема­тического обеспечения (МО) САПР составляют алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспече­ние САПР. Элементы математического обеспечения в САПР чрезвычайно разнообразны.

Среди них 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.

По назначению и способам реализации МО САПР делится на две части:

  1. математические методы и по­строенные на их основе математические модели, описы­вающие объекты проектирования;

  2. формализованное описание технологии автоматизированного проектиро­вания.

Способы и средства реализации первой части матема­тического обеспечения наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей объектов проектирова­ния. Что касается второй части математического обес­печения, то формализация процессов автоматизирован­ного проектирования в комплексе оказалась более слож­ной задачей, чем алгоритмизация и программирование отдельных проектных задач.

При решении этой задачи должна быть формализована вся логика технологии про­ектирования, в том числе логика взаимодействия проекти­ровщиков друг с другом на основе использования средств автоматизации.

Математи­ческое обеспечение САПР должно описывать во взаимо­связи объект, процесс и средства автоматизации проек­тирования.

Важным результатом совершенствования и типизации технологии процессов автоматизированного проектирова­ния явилась разработка методических указаний Госстан­дарта "САПР. Типовые функциональные схемы проектиро­вания изделии в условиях функционирования систем". В них подчеркивается, что процесс автоматизированного проектирования по составу и последовательности про­цедур, содержанию и формам проектной документации качественно отличается от традиционного процесса проек­тирования.

Вместе с тем в процессе автоматизированного проектирования можно выделить определенное число про­цедур, инвариантных к объектам проектирования.

Перс­пективной для совершенствования и типизации технологии процессов автоматизированного проектирования является централизованная разработка математического аппарата моделирования типового процесса проектирования и вы­пуск базовых программно-методических комплексов, реа­лизующих такие модели.

^ Программное обеспечение (ПО) САПР представляет собой совокупность всех про­грамм и эксплуатационной документации к ним, необ­ходимых для выполнения автоматизированного проекти­рования. Программное обеспечение делится на общеси­стемное и специальное (прикладное).

Основы автоматизации проектирования машин










Рис. 1.3. Составные части автоматизации проектирования машин


Общесистемное ПО предназначено для органи­зации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов, и представлено опе­рационными системами вычислительных комплек­сов (ВК). Общесистемное ПО обычно создается для многих приложений и специфику САПР не отражает.

^ В специальном (прикладном) ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного вы­полнения проектных процедур. Прикладное ПО обычно имеет форму пакетов прикладных программ (ППП), каж­дый из которых обслуживает определенный этап процесса проектирования или группу однотипных задач внутри различных этапов.

Рассмотрим принципиальные особенности ПО, влияющие на организацию и эффективность создания и ис­пользования САПР. С развитием вычислительной техники все большее значение приобретает такой компонент общесистемного ПО как операционные системы (ОС). Возможности, предоставляемые пользователям современ­ными ВС, в большей степени определяются их операци­онными системами, чем техническими устройствами. ОС организует одновременное решение различных задач на компьютере, динамическое распределение каналов передачи дан­ных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательность их решения с учетом установленных критериев, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса. Однако ОС требует для своей работы определенных ресурсов: процессора, внешней и основной памяти. Чем большими возможно­стями обладает ОС, тем больше требуется для нее ресур­сов.

Операционные системы можно генерировать приме­нительно к определенным конфигурациям технических средств вычислительного комплекса и кругу решаемых задач. Но при этом параметры и состав технических средств ограничивают возможности ОС.

Важным компонентом общесистемного ПО является базовое ПО. Базовое ПО не является объектом раз­работки при создании программного обеспечения САПР. Примером может служить базовое ПО для обработки геометрической и графической информации, для формиро­вания и использования баз данных (БД).

Использование АРМ, в состав которых включено по­добное базовое ПО, реализующее стандартные проектные процедуры, существенно снизит трудоемкость создания программного обеспечения САПР. Однако во всех случаях за создателями САПР останется разработка прикладного ПО. С расширением области применения вычислительной техники и усложнением задач автоматизации процессов проектирования возрастают сложность и трудоемкость программирования.

В последнее время, особенно в связи с широким внедрением в инженерную практику персональных компьютеров, начинают исполь­зоваться функциональные и интегрированные пакеты программ.

^ Функциональные пакеты программ (ФПП) — это комплекс программных средств, ориентированных на выполнение опреде­ленной функции, более или менее безотносительно к конкрет­ному предметному содержанию (обработка текстов — текстовые редакторы, обработка таблиц, графики).

^ Интегрированные пакеты программ (ИПП) — это сочетание разных пакетов программ в единой технологической системе.

Интеграция может быть реализована соединением основных функциональных пакетов в целостную монолитную систему, представленную единым программным модулем, или путем созда­ния набора вспомогательных средств интерфейсного характера для обеспечения взаимодействия пакетов, представленных неза­висимыми модулями.

В последнее время общее признание получил модульный прин­цип построения программного обеспечения.

Программы целесообразно разбивать на модули, для того чтобы упростить их разработку и реализацию; облегчить восприя­тие программы; упростить их отладку и модификацию; облегчить работу с данными, имеющими сложную структуру; избежать чрезмерной детализации алгоритмов; обеспечить более выгодное размещение программ в памяти компьютера.

Каждый модуль обычно представляет собой самостоятельную программу, предназначенную для расчета отдельных компонен­тов, систем или реализующую один из методов расчета или отдель­ную его процедуру. Модуль должен быть, как правило, независимым от рассма­триваемых вариантов объекта, процесса, системы (структуры, режима функционирования и др.). Он должен быть тем элементом (компонентом), с помощью которого можно описать любой вариант объекта, процесса, системы.

Наличие таких модулей позволяет свести к минимуму процесс дополнительного программирования, сократить время по подго­товке пользователя к работе. В процессе реальной работы с таким программным обеспечением проводится постоянная замена самих модулей или отдельных компонент, соответствующих тому или иному варианту объекта, процесса, системы, с максимальной уни­фикацией ввода и вывода данных.

^ Информационное обеспечение САПР. Основу инфор­мационного обеспечения (ИО) САПР 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, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и оконча­тельных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов и т. п.

При этом данные, являющиеся результатом одного процесса преобразования, могут быть исходными для другого процесса. Совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР, составляет информационный фонд САПР. Основная функция ИО САПР — ведение ин­формационного фонда, т. е. обеспечение создания, под­держки и организации доступа к данным. Таким обра­зом, ИО САПР есть совокупность информационного фонда и средств его ведения.

^ В состав информационного фонда САПР входят:

  • программные модули, которые хранятся в виде симво­лических и объектных текстов; как правило, эти дан­ные мало изменяются в течение жизненного цикла САПР, имеют фиксированные размеры и появляются на этапе создания информационного фонда; потребителями этих данных являются мониторы различных подсистем САПР;

  • исходные и результирующие данные, которые необходимы при выполнении программных модулей в процессе преобразования; эти данные часто меняются в процес­се проектирования, однако их тип постоянен и полностью определяется соответствующим программным модулем; при организации промежуточных данных возможны конфликтные ситуации в процессе согласования между собой данных различных типов;

  • нормативно-справочная проектная документация (НСПД), включающая в себя справочные данные о материалах, элементах схем, унифицированных узлах и конструкциях; эти данные, как правило, хорошо структу­рированы и могут быть отнесены к фактографическим; к НСПД относятся также государственные и отрасле­вые стандарты, руководящие материалы и указания, ти­повые проектные решения, регламентирующие документы (слабо структурированные документальные данные);

  • текущая проектная информация, отражающая состоя­ние и ход выполнения проекта; как правило, эта ин­формация слабо структурирована, часто изменяется в процессе проектирования и представляется в форме текс­товых документов.

При выборе способов ведения информационного фон­да САПР важно сформулировать принципы и опреде­лить средства ведения информационного фонда, структу­рирования данных, выбрать способы управления масси­вами данных.

Различают следующие способы ведения информацион­ного фонда САПР: использование файловой системы; по­строение библиотек; использование банков данных; со­здание информационных программ адаптеров.

^ Использование файловой системы и по­строение библиотек широко распространено в организации ИО вычислительных систем, так как под­держивается средствами ОС. В приложениях к САПР эти способы применяют при хранении програмных модулей в символических и объектных кодах, диалоговых сцена­риев поддержки процесса проектирования, начального ввода крупных массивов исходных данных, тек­стовых документов. Однако они малопригодны при обес­печении быстрого доступа к справочным данным, хранении меняющихся данных, ведении текущей проектной до­кументации, поиске необходимых текстовых документов организации взаимодействия между разноязыковыми модулями.

^ Автоматизированные базы данных представляют собой сово­купность баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). База данных - это специальным образом организован­ная совокупность данных и их описаний. Система управления базами данных - это программный комплекс, реализующий функ­ции создания базы данных, ее обновления, хранения, защиты и выборки данных. В настоящее время выделяют четыре типа организации структуры базы данных: иерархическая, сетевая, реляционная и объектно-реляционная.

Иерархическая структура базы данных - это такая структура, в которой существует упорядоченная по уровням запись элемен­тов объекта. В каждой группе записей один элемент считается главным, а другие элементы носят подчиненный характер по отно­шению к главному. Группы записей упорядочиваются по уровням в определенной последовательности.

Сетевая структура базы данных - это такая структура, в которой элементарные данные и отношения между ними представ­ляются в виде ориентированной сети: вершины - данные, дуги - отношения, связи. Такая структура позволяет пользователю полу­чить доступ к нужному файлу без обращения ко всем другим файлам более высокого уровня интеграции.

^ Реляционная и объектно-реляционная базы данных это такие БД, в которых эле­ментарные данные (объекты) и отношения, взаимосвязи между ними пред­ставляются в виде таблиц. Столбцы таблицы — это атрибуты дан­ных, а строки — записи. Основными достоинствами реляционных баз данных являются простота, большая гибкость и доступность; недостатком - меньшая производительность по сравнению с иерар­хической и сетевой структурами базы данных.

Основные функции СУБД: создание схемы БД; орга­низация хранения данных; защита целостности БД; уп­равление доступом к БД путем разграничения доступа; предоставление пользователям доступа к БД; поддержа­ние загрузки БД и технологических процессов их функ­ционирования. Для осуществления этих функций СУБД должна иметь собственное ПО, включающее различные компо­ненты. Для хранения данных документального типа в САПР используют СУБД типа информационно-поисковых систем.

^ Создание информационных программ адаптеров было вызвано проблемой организации межмодульного ин­терфейса, которая привела к разработке специализиро­ванных систем и программной технологии.

К таким систе­мам относится, например, система, ориентиро­ванная на построение крупных программных комплексов из готовых модулей. В этой системе промежуточные дан­ные унифицируются с помощью единого процессора и построения специализированных межмодульных инфор­мационных программ-адаптеров, реализующих следую­щие функции:

  1. контроль наличия исходных данных для каждого отдельного модуля;

  2. задание недостаю­щих исходных данных;

  3. проверку соответствия типов, структур и последовательности данных аналогичным характеристикам данных, принятым в вызываемом моду­ле;

  4. преобразование данных при несоответствии типов;

  5. обеспечение передачи данных вызываемому модулю в соответствии с типом обмена;

  6. организацию среды, определяемой языком программирования модуля;

  7. проверку результатов;

  8. выполнение обратного пре­образования данных в вид, принятый для хранения про­межуточных результатов;

  9. сохранение результатов ра­боты модуля для дальнейшего использования.

В крупных САПР, программы которых оперируют с большим числом входных, промежуточных и результиру­ющих переменных, области обмена удобно организовы­вать в виде некоторого банка данных. Это позволяет возложить часть функций, выполняемых адаптером, на СУБД, что в конечном итоге сокращает время на разра­ботку информационного и программного обеспечения САПР.

Таким образом, адаптер выполняет совокупность опе­раций по организации информационного взаимодействия между программными модулями.

^ Техническое обеспечение САПР. Использо­вание компьютерной техники позволило значительно снизить трудоемкость и продолжительность вычислительных работ. Но в про­цессе проектирования изделий и технологических процес­сов доля собственно вычислительных работ не превыша­ет 15 %. Автоматизация проектирования потребовала выпуска специализированных средств САПР. Техниче­ское обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизиро­ванного проектирования.

Любые вычислительные комплексы САПР, в том числе и АРМ, должны включать необходимое число периферий­ных устройств для ввода и отображения информации: графические дисплеи с высокой разрешающей способностью, высокоточные рулонные и планшетные гра­фопостроители различного формата, кодировщики векторной графи­ческой информации (дигитайзеры), устройства снятия растровой копии с изображения (сканеры), накопители на переносных магнитных и оптических дисках, накопители на жестких дисках, функ­циональные клавиатуры, устройства связи с другими компьютерами по локальной сети, телефонной линии (модемы) и через Интернет.

В последнее время все большее применение в САПР находят персональные компьютеры, мощности которых могут наращиваться в зависимости от сложности решаемых задач.

В перспективе предусматривается переход к магистрально-модульной архитектуре АРМ, предполагающей, в частности, стандартизацию аппаратно-программных ин­терфейсов, в модификациях АРМ будет использована стандартная конструктивная база, построенная на меж­дународных стандартах. Программное обеспечение АРМ намечено проводить централизованно и поставлять по за­казам пользователей в составе ПТК через Интернет. Основу перспективного технического обеспечения САПР составят типовые ПТК, требования к которым установлены ГОСТами.

^ Лингвистическое обеспечение САПР. Основу лингвис­тического обеспечения САПР составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназ­наченные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения — языки общения челове­ка с компьютером.

Проблемно-ориентированные языки (ПОЯ) проектирования аналогичны универсальным алгоритмическим языкам программирования (ПАСКАЛЬ, СИ и др.), но отличаются функциональной терминологией операторов. В одних случаях ПОЯ строят таким образом, что описание любой задачи или задание на ее решение в основном содержит оригинальные термины физического и функционального содержания. Переход от физического и функциональ­ного описания задачи к компьютерным программам реализу­ется далее автоматически с помощью транслятора. В других случаях, например, при решении геометричес­ких задач инженерного типа, ПОЯ соединяет в себе средства алгоритмического языка высокого уровня для решения вычислительных математических задач и специальные языковые средства моделирования геометрических объектов. Транслятор алгоритмического языка высокого уровня дополнен необходимыми специальными программами.

Очевидно, что ПОЯ хотя и называются языками, на самом деле представляют комплексы лингвистических и программных средств, которые должны включать сле­дующее: набор терминальных символов ПОЯ; интерпретатор с ПОЯ; средства синтаксического анали­за; средства пакетирования директив; библиотеки ба­зовых функций ПОЯ; интерфейс для связи СУБД.

Возможности ПОЯ имеют исключительно важное зна­чение в автоматизированном проектировании. Они не только влияют на производительность и уровень автома­тизации проектирования, но и определяют сложность и ха­рактер работ проектировщиков со средствами САПР, мо­гут сделать эти работы более привлекательными или на­оборот. В последнем случае проектировщики будут явно и неявно противодействовать автоматизации. В настоя­щее время в мировой и отечественной практике сущест­вуют специальные методики и программные средства, значительно сокращающие трудоемкость создания ПОЯ. В частности, при разработке изобразительных средств ПОЯ может использоваться метасистема, позволяющая на основании заданной формальной грамматики получать соответствующий программный интерпретатор. При раз­работке программных модулей библиотеки базовых функ­ций могут применяться любые алгоритмические языки высокого уровня.

Однако чрезмерно большое разнообразие ПОЯ затруднит обмен средствами САПР между пред­приятиями и потребует обучения большого числа специ­алистов работе с несколькими языками.

Таким образом, развитие гибких производственных систем требует особенно определения состава лингвистического обеспечения САПР.

^ Методическое обеспечение САПР. Под методическим обеспечением САПР понимают входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Причем документы, относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Так как документы методического обеспечения носят в основном инструктивный характер и их разработка является процессом творческим, то о специальных спо­собах и средствах реализации данного компонента САПР говорить не приходится. В последнее время совершен­ствование организации работ в области автоматизации проектирования направлено на централизованное созда­ние типовых ПМК с целью широкого тиражирования. Такие ПМК должны включать, наряду с компьютерными программами и базами данных, комплекты документации. Таким образом, указанная документация станет частью методического обеспечения САПР.

^ Организационное обеспечение САПР. Стандарты по САПР требуют выделения в качестве самостоятельного компонента организационного обеспечения, которое вклю­чает в себя положения, инструкции, приказы, штатные рас­писания, квалификационные требования и другие докумен­ты, регламентирующие организационную структуру под­разделений проектной организации и взаимодействие под­разделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.

Функционирование САПР возможно только при на­личии и взаимодействии перечисленных средств автома­тизированного проектирования. На рис. 1.4 представлен вариант схематизации иерархической структуры некоторых компонентов обеспечения автоматизированного проектирования.
^ 2.5. Классификация САПР
В соответствии с ГОСТ 23501.108-85 формализован­ное описание САПР включает в себя коды классифика­ционных группировок САПР по установленным стан­дартом признакам классификации; наименования клас­сификационных группировок, соответствующие приведен­ным кодам; указания, в соответствии с какими клас­сификаторами, стандартами или методиками определены коды каждой классификационной группировки.

САПР характеризуют следующие признаки:

1 - тип,

2 - раз­новидность,

3 - сложность объекта проектирования;

4 - уровень автоматизации проектирования,

5 - комплексность автоматизации проектирования;

6 - характер выпускаемых проектных документов,

7 - число выпускаемых проектных документов;

8 - число уров­ней в структуре технического обеспечения САПР.

Три первых признака отражают особенности объек­тов проектирования, четыре следующих - возможности систем, восьмой признак - особенности технической базы САПР. Для получения даже общего представления о конкретной САПР она должна быть оценена по всем перечисленным признакам. Рассмотрим их подробнее.

СУБД:

MS Access,

FoxPro, Oracle,

Informix, SQL

Электронные таблицы:

MS Excel,

Quatro Pro



Графические редакторы:

Paint, Corel Draw,

Adobe PhotoShop




Средства коммуникации:

Remote Desktop, The Bat,

OutLook Express, ICQ,

NetMeeting, Skype












Ядро ОС:

DOS, Linux, OS/2,

MS Windows




Лингвистическое обеспечение:

Visual Basic, Delphi,

Visual C, XML/XSL,

Visual FoxPro, Java

Текстовые редакторы:

Lexicon, Word&Deed,

TeX, Блокнот,

VEdit, MS Word


Интегрированные среды:

Windows GUI, WinCom,

FAR Manager, WinCom






Узкоспециализированные

программные средства (УСПС):

FineReader, PROMT, LingVo,

Кодекс, 1С-бухгалтерия

Специализированные

программные средства (СПС):

AutoCAD, MathCAD, MathLab,

КОМПАС





  1   2   3   4   5   6



Скачать файл (1240 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru