Языки проектирования и программирования в САПР ТП

Лингвистическим обеспечением САПР ТП называют совокуп­ность средств и правил для формализации естественного языка, используемых пользователями и эксплуатационным персоналом САПР ТП при общении с комплексом средств автоматизации при эксплуатации системы. Лингвистическое обеспечение используют для представления и реализации информационного и программного обеспечения.

Основу лингвистического обеспечения САПР ТП составляют специальные языковые средства (языки проектирования и про­граммирования), предназначенные для общения человека с тех­ническими и программными средствами автоматизации в процес­се проектирования.

Язык проектирования – язык представления описаний объекта проектирования и их преобразований.

Язык проектирования, применяемый для представления задания на проектирование, называют входным языком проектирования. Выходной язык проектирования предназначен для представления проектного решения, включая результат проектирования, в фор­ме, удовлетворяющей требованиям его дальнейшего применения.

Языки программирования используют для представления опи­сания способа решения задачи в форме конечной последователь­ности действий для исполнения компьютером.

Машинным (машинным, или объектным, кодом) называют язык программирования, предназначенный для представления программ в форме, позволяющей выполнять их техническими сред­ствами.

Для упрощения и снижения трудоемкости составления компью­терных программ на машинных языках программирования были созданы алгоритмические языки программирования: низкого уровня (Assembler) с операторами, близкими к семантике машинного кода и ориентированными на команды конкретного процессора; и вы­сокого уровня (Fortran; PL/l и др.) – языки, которые не зависят от конкретных компьютерных архитектур и позволяют програм­мировать алгоритмы решения практически любых задач.

Важность выбора языков при разработке САПР ТП трудно пере­оценить. Все языковые проблемы не могут быть разрешены введени­ем одного универсального языка проектирования, как правило, мало известного проектировщику и создающего для него психоло­гический барьер при использовании системы. Эффективное исполь­зование языков программирования требует специальных знаний и владения современными технологиями программирования. Разра­ботка на их основе специализированных программных комплексов для САПР ТП весьма трудоемка.

Данные обстоятельства привели к необходимости создания спе­циальных, удобных для проектировщика, языков, превращающих систему в собеседника, «понимающего» профессиональный язык проектировщика и «беседующего» с ним на этом языке. В результа­те были разработаны алгоритмические языки – проблемно-ори­ентированные языки (ПОЯ), ориентированные на определенные объекты проектирования и проектные процедуры.

Известны два подхода к созданию ПОЯ. В первом из них ПОЯ строят таким образом, что описание любой задачи и задания на ее решение в основном включают оригинальные термины физиче­ского и функционального содержания. Переход от описания зада­чи к компьютерной программе ее решения и непосредственному выполнению на технических средствах осуществляется далее авто­матически с помощью соответствующих программных средств – трансляторов и интерпретаторов данного языка.

Транслятор –программный комплекс, автоматически перево­дящий описание алгоритма решения задачи с алгоритмического языка (исходного языка) в эквивалентную ей программу на ре­зультирующем (выходном) языке.

Компилятор –частный случай транслятора – осуществляет перевод исходной программы с алгоритмического языка на ма­шинный.

Интерпретаторотличается от транслятора тем, что он не гене­рирует результирующую, а сразу же выполняет исходную программу в соответствии с ее смыслом, заданным семантикой исходного языка.

Во втором случае, 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. В этом случае используют транслятор или интерпретатор алгоритмического языка высокого уровня, дополненный необходимыми специальными программами.

По сути ПОЯ, хотя и называются языками, на самом деле пред­ставляют собой комплекс лингвистических и программных средств. К ПОЯ предъявляются следующие требования:

· наличие набора средств, полностью обеспечивающих ре­шение задач, относящихся к проблемной области языка, в том числе программных модулей, реализующих все базовые функции языка. Этот набор модулей называют библиотекой базовых функ­ций ПОЯ;

· развитие ПОЯ по горизонтали и вертикали. Развитие по гори­зонтали означает расширение функциональных возможностей языка за счет введения новых базовых функций, описываемых термина­ми языка, развитие ПОЯ по вертикали связано с переходом к бо­лее высокому уровню его организации;

· гибкость ПОЯ, означающая, в частности, возможность ис­пользования аббревиатур терминальных символов и символов-сино­нимов;

· наличие средств автоматического выявления синтаксических ошибок, их отображения и контроля правильности выполнения директив;

· возможность работы с ПОЯ в пакетном и интерактивном (ди­алоговом) режимах с использованием принципа «умолчания», когда система выбирает дальнейший ход решения по типовой схе­ме, если пользователь не указывает иной путь (умалчивает свое решение);

· легкая осваиваемость, язык должен включать в себя подсисте­му обучения, которая информирует пользователя о его неправиль­ных действиях и рекомендует правильные.

Полноценный ПОЯ должен включать в себя набор терминов; интерпретатор с ПОЯ; средства синтаксического анализа; библиоте­ки базовых функций ПОЯ; средства интерпретирования директив; средства организации режимов макетного ввода-вывода и режима работы пользователя с меню; интерфейс для связи с СУБД; СУБД и база данных предметной области ПОЯ; средства расширения ПОЯ.

Взаимосвязи основных компонентов ПОЯ показаны на рисунке 5.1. В двойные рамки взяты компоненты, содержащие различного рода данные, а в простые – компоненты, выполняющие определен­ные операции с данными.

Набор терминов (терминальных символов) ПОЯ обеспечивает представление (или описание) алгоритма процесса проектиро­вания в символах данного языка, которые должны быть по возможности близки к символам традиционного языка проекти­ровщика.

Интерпретатор с ПОЯобеспечивает организацию ввода дирек­тив ПОЯ,их синтаксического разбора и контроля; выполняет об­ращения к библиотеке базовых функций языка; формирует и вы­водит диагностические сообщения в случае обнаружения синтак­сических или семантических ошибок; выводит сервисную (обуча­ющую) информацию по запросам пользователей; обеспечивает обращение к программным модулям организации режимов макетного ввода-вывода или меню и к другим возможным программ­ным средствам ПОЯ.

Средства организации режимов обеспечивают взаимодействие проектировщиков с системой в режиме меню или ввода информа­ции в соответствии с разработанными макетами ввода.

Средства синтаксического анализа выполняют лексический раз­бор текста в символах ПОЯна основании его синтаксиса; прове­ряют синтаксическую правильность директив (указаний, предпи­саний для выполнения); обеспечивают возврат в интерпретатор разобранного текста директивы, кода возврата и диагностических сообщений при обнаружении ошибок.

Библиотека базовых функций реализует семантику данного ПОЯ – обеспечивает преобразование терминов (терминальных сим­волов) в конкретные целенаправленные действия. Включает систем­ную и прикладную части. Системная часть объединяет программы, не зависящие от специфики конкретного ПОЯ (например, про­граммы доступа к базам данных). Прикладную часть определяет проблемная функция данного ПОЯ.Программы из библиотеки базовых функций ПОЯ формируют его предметную область, используя при этом интерфейс по связи с СУБД, СУБД и базу дан­ных о предметной области ПОЯ.

Рисунок 5.1 – Структура ПОЯ

Для решения задачи, записанной на ПОЯ, может быть сфор­мирован набор указаний (директив). Такой набор называют макро­сом. Макрос может быть представлен одним термином (терминаль­ным символом), воспринимаемым и раскрываемым интерпрета­тором как указанный набор (последовательность) директив.

Средства пакетирования директив обеспечивают создание и отладку новых директив ПОЯ и макросов с включением их в сис­тему. Средства добавления макросов обеспечивают возможность рас­ширения ПОЯ по вертикали.

Средства организации режимов, меню, а также средства фор­мирования макетов (экранных форм) обеспечивают интерфейс пользователя, через который он взаимодействует с системой. Поль­зователь формирует на экране терминала ввода-вывода запрос на соответствующем ПОЯ с указанием режима работы (пакетного или диалогового). Ввод необходимых данных в систему обеспечивают путем заполнения выдаваемого системой макета. Получив ответ на директиву, пользователь либо выбирает в представленном меню одно из предлагаемых ему дальнейших действий, либо дает воз­можность работать системе «по умолчанию». Все переходы из од­ного режима работы в другой предписывают директивы ПОЯ. При работе в любой момент может быть вызвана сервисная справочная информация (обучающая функция). Вывод справочной информа­ции не влияет на выполнение директив.

Пользователь, при наличии соответствующих полномочий (до­ступа), с помощью средств пакетирования директив может созда­вать новые директивы (макросы) и пополнять лексику ПОЯ, одно­временно расширяя его возможности.

Возможности ПОЯ имеют исключительно важное значение при автоматизированном проектировании. Они не только непосред­ственно влияют на производительность и уровень автоматизации проектирования, но и определяют сложность и характер работ пользователей со средствами САПР ТП, могут сделать эти работы более привлекательными и наоборот. Интерфейс пользователя САПР ТП должен быть «дружественным», что в значительной сте­пени определяют возможности ПОЯ. Вопросам разработки эффек­тивных и совершенных языков проектирования надлежит уделять самое серьезное внимание.

Существуют специальные методики и программные средства, облегчающие и значительно сокращающие трудоемкость создания ПОЯ. При разработке визуальных средств ПОЯ может использо­ваться, например, метасистема, позволяющая на основании за­данной формальной грамматики, составленной по определенным требованиям, получать соответствующий синтаксический интер­претатор. Для разработки же программных модулей библиотеки базовых функций могут в принципе применяться любые алгоритмические языки высокого уровня. Создание нового ПОЯ не представляет чрезмерно сложной задачи, а в будущем станет еще проще. Однако из этого не следует, что надо разрабатывать как можно больше ПОЯ. Излишнее разнообразие ПОЯ препятствует обмену средствами САПР ТП, их интеграции, требует обучения специалистов работе с несколькими языками. Силы специалистов распыляются и отвлекаются на несовершенные разработки вместо объединения их для создания более совершенных средств автоматизации, в том числе ПОЯ.

Использование различных ПОЯ в САПР К и САПР ТП также недостаточно правомерно. Должны использоваться, по крайней мере, одинаковые средства описания самих изделий на стадиях конструирования и проектирования технологии. Для решения за­дач, не связанных собственно с изделием, например, выбора ре­жущего инструмента и определения режимов обработки в прин­ципе может использоваться специальный ПОЯ.

Проблемы интеграции САПР ТП с другими системами автома­тизации поддержки ЖЦИ, а также развития и совершенствования средств автоматизации производственных систем требуют особенно тщательной проработки базового лингвистического обеспечения.

Становление и развитие ПОЯ, составляющих основу лингви­стического обеспечения САПР ТП, исторически связано с разре­шением проблемы автоматизации подготовки управляющих про­грамм для станков с ЧПУ.

Управляющая программа –совокупность перемещений рабочих органов, подготовительных, технологических и вспомогательных команд, обеспечивающих обработку заготовки на станке с ЧПУ. Существует несколько языков, позволяющих сделать информацию приемлемой для системы ЧПУ. В большинстве систем используют код ISO-7bit (ГОСТ 27463—87 «Система обработки информации. 7-битные кодированные наборы символов»).

Управляющая программа представляет собой последовательность предложений, называемых кадрами. Каждый кадр содержит одну или несколько команд по обработке заготовки на станке. Кадры отделяются друг от друга символом «перевод строки». Каждый кадр состоит из слов и начинается со слова, задающего его номер. Здесь под словом понимают соответствующую символьную конструкцию (последовательность символов). Каждое слово соответствует опре­деленной группе команд и параметров. Принят следующий формат кадра управляющей программы: номер кадра – подготовительные команды – геометрические параметры – технологические пара­метры – вспомогательные команды – «перевод строки».

Подготовка управляющей программы в неавтоматизированном режиме включает в себя собственно проектирование операции, выполняемой на станке с ЧПУ с определением последовательно­сти переходов, параметров применяемого инструмента и режимов обработки; подготовку входной геометрической и технологической информации к кодированию; кодирование информации и написа­ние текста управляющей программы; занесение управляющей про­граммы на программоноситель (перфолента, магнитный диск); от­ладку и корректировку программы на холостых ходах и при обра­ботке пробных деталей.

Значительность числа действий (этапов) подготовки управля­ющей программы, возможность внесения субъективных ошибок и неточностей на каждом из них и, как следствие, высокая трудоем­кость и стоимость подготовки управляющих программ в свое вре­мя сделали актуальной проблему автоматизации подготовки уп­равляющих программ для станков с ЧПУ. Данная проблема нашла успешное разрешение в создании соответствующего класса средств автоматизации – систем автоматизированного программирования (САП).

Основу любой САП составляет ПОЯ описания номинальных геометрических параметров заготовки в состоянии, соответствую­щем завершению ее обработки на станке с ЧПУ. Пользователь ука­зывает также модель устройства ЧПУ, параметры применяемого инструмента, режим обработки, желательное направление отно­сительного движения инструмента и заготовки.

На основании данных, введенных в программу, написанную на ПОЯ, САП обеспечит выполнение необходимых промежуточных расчетов траектории относительного движения инструмента и за­готовки, автоматическое кодирование геометрической и техноло­гической информации, нанесение управляющей программы на про­граммоноситель. Пользователь получает практически готовую для отладки управляющую программу достаточно высокого качества. Кроме того, он при необходимости имеет возможность вмешаться is процесс подготовки, который может протекать как в пакетном, так и диалоговом режимах. Средства визуализации траектории от­носительною движения инструмента и заготовки позволяют опти­мизировать ее параметры.

Первой проблемно-ориентированной САП была система APT, разработанная в 1955 году в Массачусетском технологическом ин­ституте (США) для программирования фрезерных станков. Она предназначалась для того, чтобы инженер мог без всяких вычис­лительных работ символически описать обрабатываемую заго­товку, траекторию движения инструмента относительно обраба­тываемой заготовки и все другие виды работ, которые следовало выполнить. Более развитая система АРТ-3 была введена в эксплуатацию в 1961 году на IBM-7090 и представляла собой ПОЯ программирования для описания 2 – 5-координатной обработки с запасом около 300 слов.

Программа на языке АРТ-3 состоит из последовательности опе­раторов, каждый из которых предписывает некоторое действие или фиксирует некоторые факторы, например:

· включить охлаждение;

· передвинуть инструмент в точку РТ1;

· через точки РТ1и РТ2провести прямую.

В свою очередь, операторы состоят из слов и специальных сим­волов. Слова выбираются таким образом, чтобы их смысловые зна­чения максимально отражали специфику описываемого процесса. Поэтому для обозначения основных понятий используют слова из области технологии, геометрии, топологии: TOOL (инструмент), DRILL (сверление), MILL (фрезерование), POINT (точка), CIRCLE (окружность), ATANGL (под углом к), CENTER (центр), GROOV (цилиндр), AXIS (ось), SIDE (сторона), INSIDE (внут­ренняя сторона), OUTSIDE (внешняя сторона), LEFT (левая сто­рона), RIGHT (правая сторона), LINE (прямая) и т.д.

Положение геометрических элементов относительно выбранной системы координат задают с помощью геометрических выраже­ний. Как правило, геометрическое выражение состоит из управля­ющего слова, списка параметров и модификатора. При описании геометрические элементы могут задавать в неявной форме относи­тельно некоторых других «базовых» элементов, описанных ранее. Управляющее слово определяет тип описываемого элемента (точ­ка, окружность и др.). Список параметров состоит из нескольких параметров, определяющих как размеры самого геометрического элемента (например, диаметр), так и положение этого элемента относительно описанных ранее элементов. Модификатор исполь­зуется для уточнения положения описываемого элемента или вы­бора одного из нескольких возможных вариантов.

В АРТ-3 содержится около 100 геометрических понятий, из них 10 – для определения точек, 11 – для задания прямых, 10 – для определения окружностей. Кроме того, могут быть заданы плоско­сти, векторы, эллипсы, гиперболоиды, цилиндры и другие по­верхности второго порядка.

Например, геометрически можно задать выражения: POINT/ 3, 5; 7, 9 – точка с координатами (3, 5; 7, 9); CIRCLE/CENTER, РТ, RADIUS, 7 – окружность с центром в точке РТ и радиусом 7 мм.

На рисунке 5.2 показан контур детали и его описание на ПОЯ АРТ-3. М0, ..., M7 – граничные точки контура; L1, ..., L6 – огра­ничивающие контур отрезки прямых; С1 – ограничивающая кон­тур дуга окружности.

Рисунок 5.2 – Контур детали и его описание на ПОЯ АРТ-3

Идеи, заложенные в ПОЯ системы APT, были применены и развиты в нескольких десятках АРТ-подобных систем: AUTOSPOT, AUTOMAP, AUTOPROMT, ADAPT, SYMAP, ЕХАРТ, СОМРАС и др.

Первой отечественной системой, использующей ПОЯ была САП-2. Первая версия этой системы была завершена в 1963 году. САП-2 разработана для автоматической подготовки управляющих программ к станкам с ЧПУ для двухкоординатной обработки де­талей и допускает переход к плоскостям и параллельным коор­динатам. Система позволяет программировать детали с контурами обработки, состоящими из отрезков прямых и дуг окружностей, выбрать точность их аппроксимации, определять скорости подач и радиус рабочего инструмента. Процессор системы САП-2 осуще­ствляет перекодировку языковой программы, производит преоб­разование геометрической информации в стандартную математи­ческую форму, осуществляет расчет параметров траектории дви­жения центра режущего инструмента с учетом технологических особенностей обработки детали и формирует кадры для интерпо­лятора.

Разработано значительное число отечественных систем различ­ного назначения, каждая из которых использует собственный ПОЯ (СПС-ТАУ, СППС, ТЕХТРАН и др.).

На рисунке 5.3 показан эскиз детали, подготовленный для программирования в системе ТЕХТРАН, текст программы на ПОЯ ТЕХТ­РАН приведен в таблице 5.1.

Рисунок 5.3 – Эскиз детали-ролика (а) и его профильной части (б), подготовленный для программирования в системе ТЕХТРАН

Таблица 5.1 – Текст программы обработки детали-ролика на ПОЯ ТЕХТРАН

В САПР технологических операций были использованы, в ос­новном, те же принципы построения ПОЯ, но с расширением их функций. Рассматриваемые системы обеспечивают на основании описания геометрическо-технологических параметров заготовки до и после обработки:

проектирование технологической операции, включая опреде­ление числа и последовательности переходов, выбор инструмен­та, определение стратегии съема припуска и режимов обработки;

автоматизированную подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ (функции САП).

Основной режим работы современных САПР технологических операций – диалоговый и ПОЯ обеспечивает описание геометрически-технологических параметров предмета производства и условий выполнения операций, а также поддержку режима диалога пользователя с системой.

Возможности современных ПОЯ позволяют создание объемных моделей предмета производства за счет использования описывае­мых в терминах языка процедур, например, контактно-плоско­стного и взаимопроникающего соединения элементарных тел.

С целью унификации ПОЯ, используемых в отечественных САПР ТП, в начале 80-х гг. XX в. был разработан стандарт «Входной язык для технологического проектирования. Язык описания детали». Он устанавливал общие правила построения языка описания инфор­мации о детали, как элемента входного языка САПР ТП. В соответ­ствии с этим стандартом полное формализованное описание дета­ли включало данные для ее идентификации, общие данные о ней, описание базовых структурных элементов детали и формообразу­ющих, размерных и точностных связей. К общим сведениям о детали относили ее габаритные размеры, обозначение материала и его физико-механических свойств, а также специальные указания. Информация о базовых структурных элементах детали включала совокупность параметров, однозначно определяющих форму, размеры, шероховатость и отклонение от правильной геометриче­ской формы каждой поверхности, а также ее физико-механиче­ские свойства. Описание формы производного элемента и детали как единого целого выполнялось с использованием отношений: «соединение», «отсечение» и «пересечение». Размерные связи между элементами задавались линейными, угловыми или смешанными размерными цепями в системе координат детали. Развитие методо­логии автоматизированного технологического проектирования, со­вершенствование технических и программных средств САПР ТП сделали малоактуальными методические подходы, регламентиро­ванные упомянутым стандартом.

В современных САПР ТП и интегрированных САПР применя­ют, как правило, ПОЯ оригинальной разработки, наиболее соот­ветствующие, по мнению разработчиков, общей концепции по­строения конкретной системы.

Частной разновидностью ПОЯ признаются языки программи­рования баз данных. Большинство современных СУБД, преиму­щественно реляционных, применяемых в САПР ТП, взаимодей­ствуют с базами данных на языке SQL.

SQL является языком программирования высокого уровня и характеризуется использованием при написании программ знако­вой системы, близкой к естественным человеческим языкам. Идея такого языка сводилась к набору из нескольких фраз-примитивов английского языка («выбрать», «обновить», «вставить», «удалить» и т.д.), через которые пользователь – не программист ставил бы вопросы к СУБД по своим информационным потребностям. В этом случае дополнительной функцией СУБД должна быть интерпрета­ция этих «вопросов» на низкоуровневый язык машинных кодов для непосредственной обработки данных и представления резуль­татов пользователю.

SQL изначально развивался как декларативный язык програм­мирования, используемый для выражения определений. Впослед­ствии стандарт SQL воспринял тенденцию описания формальных действий, процедур, а равно объектно-ориентированной парадиг­мы и был дополнен (последняя модификация стандарта SQL:2003) за счет новых типов данных, операторов и функций.

В профессиональных СУБД язык базы данных часто дополняет­ся элементами, заимствованными из универсальных алгоритми­ческих языков программирования, например, библиотеками функ­ций языка C++. Свои модификации языка SQL имеют практически все развитые профессиональные СУБД — Oracle, SyBase, Informix, Ingres, DB2, отечественная СУБД ЛИНТЕР. SQL-программы, под­готовленные для разных СУБД, как правило, несовместимы друг с другом.

Наметилась тенденция встраивания развитых языков програм­мирования высокого уровня и в СУБД для конечных пользовате­лей (настольные СУБД). В качестве примера можно привести СУБД Access фирмы Microsoft, имеющий один из наиболее развитых интерфейсов по созданию и работе с базами данных для конечных пользователей. При этом в системе наличествует встроенный язык VBA (Visual Basic for Application), являющийся диалектом языка Visual Basic.

При разработке САПР ТП используют как процедурный, так и декларативный подходы.

Декларативный подход применяют, например, при определе­нии основных понятий предметной области автоматизированной системы и установления связей между объектами, определяемыми этими понятиями, в экспертных компонентах САПР ТП.

Современные языки программирования высокого уровня (Object Pascal, C++ и др.) являются процедурно-декларативными. С их помощью можно решать любые задачи программирования, исполь­зуя как процедурный, так и декларативный подходы.

Распространенными средами программирования для созда­ния САПР ТП в настоящее время являются системы Visual C++, C++ Builder и т.д.