В основе деятельности проектировщика лежит процесс проектирования, то есть выбор некоторого способа действий.
Автоматизация процессов проектирования – это составление описания необходимого для создания в заданных условиях ещё несуществующего объекта или алгоритма его функционирования с возможной оптимизацией заданных характеристик объекта или алгоритма.
Конструирование –является частью процесса проектирования, и сводиться к определению свойств изделия. Автоматизация процесса конструирования, технологическая подготовка производства технологии промышленного производства (ТПП) на начальных этапах сводиться к созданию отдельных пакетов программ, а на заключительных и создание систем (САПР).
Термин САПР –является смысловым эквивалентом английского CAD(Computer Aided Design-Проектирование с помощью ЭВМ).
САПР – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с подразделениями проектной организации или коллективом специалистов выполняющих автоматизированное проектирование.
Автоматизированным называется проектирование при котором описание объекта и алгоритма его функционирования а так же описание на различных языках осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ.
Автоматическимявляется проектирование при котором все преобразования описаний объектов и алгоритма функционирования, а так же описание на различных языках осуществляется без участия человека.
-История развития САПР-
Разделяется на несколько этапов:
Этап I –формирование теоретических основ САПР начался в50-х годах XXв. В основу положены разнообразные математические модели (Теория В-сплайне И.Шаенберг 1946г), моделирование кривых и поверхностей любой формы 60г.
В этот период сформировалось структура и классификации САПР (Геометрические, аэродинамические, технологические, тепловые).
Для работы с САПР используются графические терминалы, подключаемые к main-фреймам (Первая графическая станция Sketchpad в1963г.) использовала дисплей и световое перо.
Параллельно развивались CAM – системы (Система автоматизации ТПП). В 1961г. Был создан язык программирования APT ставший основой для программирования оборудования с ЧПУ.
В СССР создали первые программы для расчёта режимов резания.
Этап II –связан с использованием графических рабочих станций под управлением ОС Unix. В середине 80-х появился ПК на основе процессора Intel 8086, и стало возможно выполнять сложные операции как твердотельных, так и поверхностного объёмного моделирования применительно к деталям, и сборочным узлам.
К 1982 году твердотельное моделирование начало применяться в своих продуктах компании IBM, Computer vision, Prime.
В 1986г. Компания Autodesk выпустила AutoCAD. Распространение получили Parasolid (разработчик Unigraphics Solution) и ACIS. Ядро Porosolid(88г.) стало ядром твердотельного моделирования CAD/CAM Unigraphics, а с 1996г-промышленным стандартом.
Этап III –начинается развитие микропроцессоров (МП), что привело к возможности использования CAD/CAM систем верхнего уровня на ПК ЭВМ.
В 1993г. в США создана компания Solidworks Corporations которая разработала пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе ядра Parasolid. В 1999г. вышла SolidEdge на русском языке. Ряд CAD/CAM систем среднего и низкого уровня был разработан в СССР и России: Compas, T-Flex CAD и др.
Этап IV –с конца 90-х характеризуются интеграции CAD/CAM систем, с системами управления проектными данными (ПДМ) и другими средствами информационной поддержки изделия.
В основу процессов проектирования и производства было положена геометрическая модель изделия, которая применялась на всех этапах производства.
В 90-х годах разрабатывались продукты PDM для САПР машиностроения. Одной из первых стала система Optegra компании Computer vision. Были созданы пакеты ENOVIA и Smarteam. Среди Российских систем PDM наиболее известными являются:
1) Лоцман:PLM компанией Аскон.
2) PDM STEP Suit (НПО “Прикладная логистика”).
3) Party Plus компанией Лоция- Софт и т.д.
Распространение функции PDM систем на все этапы ЖЦ продукции превращает в систему PLM (Product lifecycle Management). Развитие системы PLM обеспечивает максимальную интеграцию процессов проектирования производства, модернизации и сопровождения продукции предприятия.
№2 Классификация САПР (14.01.2013)
Классификацию САПР осуществляют по ряду принципов:
· По приложению.
· Целевому назначению.
· Масштабу (Комплектности решаемых задач).
· Характеру базовой подсистемы ядра САПР.
По приложению наиболее используемые являются следующие группы:
1. САПР для применения отрасля общего машиностроения (MCAD) M-mechanical.
2. САПР для радиоэлектроники (EDA или ECAD) E-electronic.
3. САПР в области архитектур и строительства.
Кроме того существует много специализированных САПР например: САПР летательных аппаратов, САПР электрических машин, САПР больших интегральных схем (БИС).
По целевому назначениюразличают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты проектирования, так в состав MCAD входят CAE/CAD/CAM системы:
2. Конструкторские САПР общего машиностроения (CAD) – решение конструкторских задач оформление конструкторской документации.
3. Технологические САПР общего машиностроения (CAM) Computer Aided Manufacturing.
По масштабам различают отдельные программно методические комплексы САПР, например:
1. Комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов.
2. Комплекс анализа электронных схем.
3. Система ПМК.
4. Системы с уникальными архитектурами, не только программного, но и технического оснащения.
По характеру базовой подсистемы:
1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования – ориентированный на приложения где основой является конструирование, то есть определение пространственных форм и взаимного расположения объекта. К этой группе относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения (Parasolid, ACIS).
2. САПР на базе СУБД ориентированный на приложения, которых при сравнительно не сложных расчётах перерабатывается большой объём данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях. Например, при проектирование бизнес планов, а так же имеют место при проектирование объектов подобных счетам управления систем автоматики.
3. САПР на базе конкретного прикладного пакета – фактически это автономно используемы комплексы (ПМК), например имитационного моделирования производственных процессов, расчёта прочности и анализа конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматизированного управления и т.д. (Часто такие САПР относятся к CAE). Например, математический пакет MathCAD.
4. Комплексные или интегрированные САПР – состоят из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM систем в машиностроении или САПР БИС.
№3 Принципы построения САПР (16.01.2013)
Основные принципы построения САПР
При создании САПР на различных стадиях, а так же её подсистем необходимо учитывать следующие принципы:
1. Человеко-машинная система (решение неформализованных задач) – коллектив разработчиков и пользователей системы является её основной частью, и взаимодействую с техническими средствами выполняет проектирование. При этом часть проектных процедур не может быть автоматизирована и решается при участии человека. Об автоматическом проектировании можно говорить лишь в отношении отдельных задач
2. САПР развивающаяся система – САПР должна создаваться и функционировать с учётом наполнения совершенствования и обновления её подсистем и компонентов, должна быть создана группа специалистов которая должна совершенствовать и развивать имеющуюся САПР.
3. Принцип системного единства САПР – состоит в том, что при создании, функционирований САПР связи между подсистемами должны обеспечивать целостность всей системы. Наибольший эффект от САПР достигается при сквозной автоматизации проектирования на всех уровнях, что позволяет исключить многократное описание информации об объектах проектирования, обеспечив её преемственность для различных подсистем.
4. Принцип совместимости компонентов САПР – состоит в том, что языки, символы, коды, информационные и технические характеристики структурных связей между подсистемами средствами САПР должны обеспечивать совместное функционирование подсистем. Особенно важным является информационная и программная совместимость, например информационная совместимость, обеспечивает работу отдельных подсистем с одной и той же БД.
5. Стандартизация САПР – заключается в проведении унификации, типизации, и стандартизации подсистем и компонентов, а так же в установлении правил с целю упорядочения. Что открывает широкие возможности внедрения САПР и её адаптации на различных предприятиях.
6. Принцип независимости отдельных подсистем САПР – этот принцип противоположный принципу совместимости. Определяет возможность для подсистем, введение в действие, и функционирование их независимо от других подсистем.
7. Принцип открытости САПР– определяет возможность внесения изменений в систему во время её разработки и эксплуатации. Изменения могут заключаться в добавлении новых или замене старых. Элементов программного, технического, или лингвистического обеспечения.
8. Принцип согласованности традиционного проектирования и САПР– должен учитывается при внедрении САПР на уже действующем предприятии, со сложившейся структурой, формами и способами использования проектной документации. При этом внедрение САПР недолжно нарушать нормального функционирования предприятия.
№4 Структура САПР (16.01.2013)
Как любая сложная система САПР состоит из подсистем:
Ø ОС и Сетевое ПО.
Ø Системная среда САПР: Пользовательский интерфейс, PDM, CASE, Управление проектированием.
Ø Проектирующая подсистема.
Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.
Проектирующая подсистема – непосредственно выполняют проектные процедуры, примерами могут служить подсистемы геометрического трёхмерного моделирования технических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа и т.д.
Обслуживающие подсистемы – обеспечивают функционирование проектируемых подсистем и их совместимость. Часто называют системной средой или оболочкой САПР.
Типичными обслуживающими подсистемами являются:
· Подсистемы управления проектными данными (PDM – Product Data Management).
· Подсистема управления процессом проектирования (DesPM – Design Process Management).
· Подсистема пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ.
· Подсистема CASE (Computer Aided Software Engineering) – для разработки и сопровождения ПО САПР.
· Обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий реализованных САПР.
№5 Средства обеспечения САПР (19.01.2013)
Существуют следующие виды обеспечения САПР:
1) Техническое (ТО). Включает, различны аппаратные средства (ЭВМ, Периферийное, Сетевое коммутационное оборудование, Линии связи, Измерительные средства).
2) Математическое (МО) – объединяет математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования.
4) Информационная (ИО). Состоит из БД, СУБД, а так же других данных используемых при других проектировании (Вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД – банком данных).
5) Лингвистическая (ЛО). Включают языки проектирования, между проектировщиками и ЭВМ, языки программирования, и языки обмена данными между техническими средствами САПР.
6) Методическое (МетО). Включает различные методики проектирования, иногда к МетО относят так же МО.
7) Организационное (ОО). Представлено штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами регламентирующими работу проектного предприятии.
-Техническое обеспечение САПР (ТОСАПР)-
Включает, различные технические средства, используемые для выполнения автоматизировано проектирования.
Используемые в САПРтехнические средства должны обеспечивать:
1. Выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых иметься соответствующее ПО.
2. Взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ. Поддержку интерактивного режима работы. Требования относятся к общему интерфейсу. И прежде всего устройств обмена графической информации.
3. Взаимодействие между членами коллектива выполняющую работу над этим проектом. Требование обусловливает объединение аппаратных средств в сеть.
В результате общая сесть САПР, представляет сеть узлов связанных между собой средой передачи данных.
Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков (АРМ), рабочие станции (Main-фреймы, отдельные периферийные и измерительные устройства). Именно в АРМ должны быть средства для связи проектировщика и ЭВМ. Вычислительная мощность может быть распределена между различными узлами сети.
Среда передачи данных – представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи коммутационного оборудования.
В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определённую работу по проектированию. И аппаратуру окончания канала данных (АКД) – предназначенную для связи ООД со средой передачи данных.
ООД может представлять ПК, а АКД вставляемая в компьютер сетевая карта.
Канал передачи данных – средство двустороннего обмена данными включающее в себя АКД и линию связи.
Линия связи – называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определённом направлении (Коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи и т.д.).
-ПО-
ПО САПР принято выделять: 1. Общее системное ПО. 2. Системные среды. 3. Прикладное ПО.
К обще системному ПО относят ОС и сетевое ПО.
К общему ПО относят ОС и сетевое ПО.
Различают ОС, со встроенными сетевыми функциями, и оболочками надо локальными ОС. Различают одноранговые сетевые ОС.
Основные функции сетевого ОС:
1. Управление каталогами файлов.
2. Управление ресурсами.
3. Обмен данными.
4. Защита от несокционированного доступа.
5. Управление сетью.
-Назначение и состав системных средств САПР-
САПРотноситься к числу наиболее сложных, наукоёмких, автоматизированных систем. Системная среда САПР предназначена, для выполнения собственно проектных процедур, и управления проектированием. А так же для интеграции САПР, с системами управления предприятия, и документа оборота.
В типичной структуре ПО системных сред, современных САПР можно выделить:
1. Ядро – отвечает за взаимодействие компонентов системной среды, доступ к ресурсам ОС и сети, настройку на конкретную САПР с помощью специальных языков расширения.
2. Подсистема управления проектом – называемая так же подсистемой сквозного, параллельного проектирования. Выполняет функции слежения за состоянием проекта, координацией и синхронизацией параллельно выполняемых процедур, разными исполнителями.
3. Подсистема управления методология проектирования – представлена в виде базы знаний. В этой базе содержаться такие сведения о предметной области, как информационная модель, иерархическая структура проектируемых объектов. Описание типовых проектных процедур. Типовые фрагменты маршрутов проектирования, соответствие между процедурами и имеющимися пакетами прикладных программ, ограничение на их применение и т.д. Такую БЗ дополняют обучающие подсистемы, используемые для подготовки специалистов, пользователей САПР.
4. Современные системы управления проектными данными (PDM)– предназначены для информационного обеспечения проектирования. Основной компонент PDM – банк данных. PDM- обеспечивает лёгкость доступа к иерархически организованным данным, обслуживание запросов, выдача ответов не только в текстовой но и в графической форме, привязанной к конструкции изделия.
5. Подсистема интеграции программного обеспечения– предназначена для организации взаимодействия программ, в маршрутах проектирования. Она состоит из ядра, отвечающего за интерфейс на уровне подсистемы, и оболочек процедур. Согласующих конкретные программные модули, или программно-методические комплексы, со средой проектирования.
6. Подсистема пользовательского интерфейса. Включает текстовые и графические редакторы.
7. Подсистема CASE– предназначена для адаптации САПР, к нуждам конкретных пользователей! Разработке и сопровождения прикладного ПО. Её можно рассматривать как специализированную САПР, в которой объектом проектирования, являются новые версии подсистемы САПР, адаптированные к требования конкретного заказчика. Наиболее известной CASE системой в настоящее время в составе САПР является: CAS.CADE с помощью которой разработана очередная версия EUCLID QUANTUM.
-Специальное или прикладное ПО-
ППО – реализует алгоритм для выполнения проектных операций и процедур. Программы в САПР формируются в ППП, каждый ППП ориентирован на обслуживание задач, отдельной подсистемы САПР и характеризуются определённой специализацией.
В ППО на ряду с ППП разрабатываемым человеком при создании САПР входят и рабочие программы, составляемые автоматически в ЭВМ, для каждого нового объекта, и маршрута его проектирования.
№6 Информационно обеспечение САПР (28.01.2013)
Под информацией подразумеваются некоторые сведения или совокупность, каких либо данных, являющихся объектом хранения, передачи и преобразования.
Применительно к САПР под данными понимают: информацию, представленную в формализованном виде, то есть в виде последовательности символов, букв, цифр, символов, графиков, таблиц, чертежей и тому подобное.
Информационное обеспечение САПР – это совокупность данных, представленных в определённом виде, и используемых при выполнении автоматизированного проектирования.
Проектирование реализуется комплексом задач, связанных с переработкой многочисленных массивов информации различного вида. Поэтому ИО является одной из важнейших составных частей САПР, а затраты на его разработку составляют более половины стоимости системы в целом.
Виды информации САПР:
1) Исходная– называется информация, существующая до выполнения машины. Она делиться на переменную и условно постоянную. К переменной относятся следующая информация: при проектировании детали – нагрузки на неё и внешние ограничения, в САПР ТП – геометрическая и технологическая информация о конкретной детали.
Кодируемая информация о детали состоит из 4 частей:
Ø Информация технологического, конструктивного и экономического характера о детали в целом (способ изготовления, условие производства, оборудовании, термообработка и т.д.)
Ø Технологическая и конструктивная информация об отдельных поверхностях детали (способ изготовления, термообработка, вид покрытия и т.д.)
Ø Геометрическая информация о всей детали в целом (габариты, точность изготовления, шероховатость поверхности и т.д.)
Ø Геометрическая информация о форме, размерах, точности и качестве отдельных поверхностей детали и их взаимное расположение.
Это информация вводиться каждый раз при проектировании нового ТП на конкретную деталь.
Условно постоянная информациявключает справочную и методическую информацию об имеющихся на производстве нормализованных узлах или деталях, оборудовании оснастке, режущем и мерительном инструменте, методах получения заготовка, их обработке и т.д. Эта информация является достаточно стабильной и постоянно храниться в памяти ЭВМ.
2) Производная информация – формируется на различных этапах процесса проектирования, и применительно к ТП содержит сведение о маршруте обработки заготовке, технологических операций и переходах, режимов резания.
№7 Лингвистическое обеспечение САПР
ЛО включает:
1) Языки программирования – для создания ПО, а не для эксплуатации САПР.
2) Языки проектирования – предназначен для представления и преобразования исходной информации при выполнении проектных процедур с помощью ПО. Эти языки применяются пользователями САПР в процессе их инженерной деятельности.
-Языки программирования-
В САПР применяются: машинно-ориентированные языки типа Ассемблер и алгоритмистические языки высокого уровня.
Алгоритмические языки высокого уровня в сравнении с машинно-ориентированными языками удобный для реализации алгоритмов. Численного анализа, легче осваиваются инженерами, позволяют повысить производительность труда программистов при разработке программ, и их адаптации к различным типам ЭВМ. Однако языки типа ассемблер, отличаются большей универсальностью, то есть обладают более широкими возможностями для описания кодов различных форматов, логических операций и процедур. При использовании этих языков требуется меньшие затраты машинного времени и памяти.
-Языки проектирования-
Для обеспечения процесса проектирования объектов в САПР используются входной базовый и выходной языки проектирования.
Входной язык предназначен для представления задания на проектирования. В этом языке для задания исходной информации должны быть предусмотрены средства описания объектов проектирования в форме удобной для отображения и ввода в ЭВМ.
Эти средства должны описывать не только математические объекты – числа, переменные, массивы, но и различные виды графический информации.
-Базовые языки-
Служат для представления дополнительных сведений к первичному описанию объекта проектирования: проектных решений, описание проектных процедур и их последовательности. Этот язык называемый языком описания заданий, создаётся близким по возможностям, символике и грамматике универсальным алгоритмическим языкам. При этом целесообразно не разрабатывать новый базовый язык, а использовать универсальный алгоритмический язык, дополнив его отдельными элементами, характерными для разрабатываемого процесса проектирования.
-Выходной язык-
Применяется для представление, какого либо проектного решения, включая результат проектирования, в форме удовлетворяющей требованиям его дальнейшего применения.
В состав этого языка входят различные средства, описание результатов проектирования в виде чертежей, технических карт, схем наладок, таблиц, текстовой документации, а так же средство представления промежуточных результатов проектирования. Используемых в различных подсистемах САПР.
Разрабатываемые при создании САПР языки проектирования, должны отвечать следующим требованиям:
1) Быть универсальными – то есть обладать возможность описания любых объектов проектирования.
2) Иметь проблемную ориентацию – быть удобными для описания проектных данных.
3) Однозначность истолкования.
4) Иметь возможности для развития.
5) Быть совместимыми с другими входными и выходными языками.
№8 Математическое обеспечение САПР (30.01.2013)
К МО САПР относят: математические модели, численные методы, алгоритмы выполнения проектных операций и процедур и т.д.
Проектная процедура – это формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.
Проектная операция– называют действие или формализованную совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры. Алгоритм, которых остается неизменным для ряда проектных процедур.
Унифицированная проектная процедура– процедура алгоритм которой остаётся неизменным для различных объектов проектирования, или различных стадий проектирования одного и того же объекта.
Основу МО САПР составляет математический аппарат для моделирования синтеза структуры, одновариантного и многовариантного анализа, структурной и параметрической оптимизации.
МО состоит из 2 частей:
1) Специальное МО – отражает специфику объекта проектирования, особенности его функционирования, и тесно привязана к конкретным задачам проектирования.
2) Инвариантное ПО – включает методы и алгоритмы, слабосвязанные с особенностями мат. Моделей, и используемые при решении различных задач проектирования.
Требования к МО:
1. Универсальность МО – определяет его применимость к широкому классу проектируемых объектов.
2. Алгоритмическая надёжность– свойство компонентов МО, давать при его применении, и за ранее определенных ограничений правильные результаты. Количественная оценка надёжности служит вероятность получения правильных результатов. Если эта вероятность равна 1 то этот метод надёжен.
3. Точность– является наиболее важным свойством всех компонентов МО.
4. Экономичность (вычислительная эффективность)– определяется затратами ресурсов требуемых для реализации моделей, и характеризуется затратами машинного времени и памяти.
Этапы подготовки задач:
1) Математическое формировка задачи (Постановка задачи).
2) Выбор численного методы решения задачи.
3) Разработка алгоритма.
4) Составление программы и отладка на примере.
5) Подготовка и запись данных.
6) Решение задач на ЭВМ и анализ результатов.
К МО САПР относятся первые три этапа.
Математическая формулировка задачи включает:
· Математическое описание её условий.
· Определение аналитических ворожений и формул которые называют математической моделью
Численные методы – позволяют свисти решение разнообразных задач к последовательному выполнению 4 арифметических действий. По полученным математическим зависимостям записывают последовательность выполнения математических операций в виде алгоритмов. Разработка алгоритмов предусматривает определение последовательности решения задачи на основе математической формулировки и выбора метода численного вида решения.
