САПР ЯК ОБ’ЄКТ ПРОЕКТУВАННЯ

(реферат)

Содержание

Принципи створення САПР

Склад і структура САПР

Види комплексів засобів і компонентів САПР

Визначення CAD, САМ і САЕ

Технологічна операція проектування

Принципи створення САПР

Проектування - процес складання опису, необхідного для створення в заданих умовах ще не існуючого об'єкта, на основі первинного опису цього об'єкта і алгоритму його функціонування. Проектування містить у собі комплекс робіт з знаходження, дослідження, розрахунками і конструювання, що мають метою одержання опис предмета проектування, необхідного і достатнього для створення нового виробу чи виробу реалізації нового процесу, що задовольняє заданим вимогам.

Під автоматизацією проектування розуміється такий спосіб виконання процесу розробки проекту, коли проектні процедури й операції здійснюються розроблювачем виробу при тісній взаємодії з ЕОМ. Автоматизація проектування припускає систематичне використання засобів обчислювальної техніки при раціональному розподілі функцій між проектувальником і ЕОМ і обґрунтованому виборі методів машинного рішення задач.

Для створення САПР необхідні:

удосконалювання проектування на основі застосування математичних методів і засобів обчислювальної техніки;

автоматизація процесу пошуку, обробки і видачі інформації;

використання методів оптимізації і різноманітного проектування;

застосування ефективних математичних моделей проектованих об'єктів, що входять до складу комплектуючих виробів і матеріалів;

створення банків даних, що містять систематизовану інформацію довідкового характеру, необхідну для автоматизованого проектування об'єктів;

підвищення якості оформлення проектної документації;

збільшення творчої частки праці проектувальників за рахунок автоматизації нетворчих робіт;

уніфікація і стандартизація методів проектування;

підготовка і перепідготовка фахівців в області САПР;

взаємодія проектних підрозділів з автоматизованими системами різного рівня і призначення.

Система автоматизованого проектування (САПР) - комплекс засобів автоматизації проектування, взаємозалежних з необхідними підрозділами проектної організації або колективом фахівців (користувачем системи), що виконує автоматизоване проектування. САПР поєднує технічні засоби, математичне і програмне забезпечення, параметри і характеристики яких вибирають з максимальним врахуванням особливостей задач інженерного проектування і конструювання. У САПР забезпечується зручність використання програм за рахунок застосування засобів оперативного зв'язку інженера з ЕОМ, спеціальних проблемно-орієнтованих мов і інформаційно-довідкової бази.

Основна функція САПР - виконання автоматизованого проектування на всіх чи окремих стадіях проектування об'єктів і їхніх складових частин. При створенні САПР і їхніх складових частин варто керуватися принципами системної єдності, сумісності, типовості, розвитку.

Принцип системної єдності забезпечує цілісність системи і системну "свіжість" проектування окремих елементів і всього об'єкта проектування в цілому (ієрархічність проектування).

Принцип сумісності забезпечує спільне функціонування складових частин САПР і зберігає відкриту систему в цілому.

Принцип типовості орієнтує на переважне створення і використання типових і уніфікованих елементів САПР. Типізації підлягають елементи, що мають перспективу багаторазового застосування. Типові й уніфіковані елементи періодично проходять експертизу на відповідність сучасним вимогам САПР і модифікуються в міру необхідності.

Створення САПР з урахуванням принципу типізації повинне передбачати розробку базового варіанта комплексу засобів автоматизованого проектування (КСАП) і його компонентів, а також створення модифікації комплексу засобів автоматизованого проектування і його компонентів на основі базового варіанта.

Принцип розвитку забезпечує поповнення, удосконалювання і відновлення складових частин САПР, а також взаємодія і розширення взаємозв'язку з автоматизованими системами різного рівня і функціонального призначення.

Розробка САПР являє собою велику науково-технічну проблему, а її упровадження вимагає значних капіталовкладень.

Склад і структура САПР

Складовими структурними частинами САПР, жорстко зв'язаними з організаційною структурою проектної організації, є підсистеми, у яких за допомогою спеціалізованих комплексів засобів зважується функціонально закінчена послідовність задач САПР.

За призначенням підсистеми поділяють на проектуючи і обслуговуючи.

Проектуючі підсистеми. Вони мають об'єктну орієнтацію і реалізують визначений етап (стадію) проектування або групу безпосередньо пов'язаних проектних задач. Приклади проектуючих підсистем: ескізне проектування виробів, проектування корпусних деталей, проектування технологічних процесів механічної обробки.

Обслуговуючі підсистеми. Такі підсистеми мають загальносистемне застосування і забезпечують підтримку функціонування проектуючих підсистем, а також оформлення, передачу і вивід отриманих результатів. Приклади обслуговуючих підсистем: автоматизований банк даних, підсистеми документування, підсистема графічного введення-висновку.

Системна єдність САПР забезпечується наявністю комплексу взаємозалежних моделей, що визначають об'єкт проектування в цілому, а також комплексом системних інтерфейсів, що здійснюють зазначений взаємозв'язок. Системна єдність усередині підсистем, що проектують, забезпечується наявністю єдиної інформаційної моделі тієї частини об'єкта, проектне рішення по який повинно бути отримане в даній підсистемі.

Формування і використання моделей об'єкта проектування в прикладних задачах здійснюється КЗАП системи (чи підсистеми).

Структурними частинами КЗАП системи є різні комплекси засобів, а також компоненти організаційного забезпечення. Комплекс засобів - це сукупність компонентів і/або комплексів засобів, призначених для тиражування й орієнтованих на проектування об'єктів визначеного класу (виду, типу) і/чи виконання уніфікованих процедур, які використовують у відповідних проектуючих і/чи обслуговуючих підсистемах САПР.

Комплекси засобів відносять до промислових виробів, що підлягають виготовленню, тиражуванню і застосуванню в складі САПР, і документують як специфіковані вироби.

Види комплексів засобів і компонентів САПР

Комплекси засобів підрозділяють на комплекси засобів одного виду забезпечення (технічного, програмного, інформаційного) і комбіновані (рис.1.1).

Комплекси засобів одного виду забезпечення містять комплекси і/або компоненти одного виду забезпечення.

Комплекси засобів комбіновані містять сукупність комплексів і компонентів різних видів забезпечення. Комбіновані КЗАП, які відносяться до продукції виробничо-технічного призначення, підрозділяються на:

програмно-методичні (ПМК);

програмно-технічні (ПТК).

Рис.1.1 Види комплексів і компонентів САПР

Програмно-методичний комплекс являє собою взаємозалежну сукупність компонентів програмного, інформаційного і методичного забезпечення (включаючи компоненти математичного і лінгвістичного забезпечення), необхідного для одержання закінченого проектного рішення по об'єкту проектування (однієї чи декількох його частин чи об'єкту в цілому) або виконання уніфікованих процедур.

У залежності від призначення ПМК підрозділяють на:

загальносистемні;

базові, у тому числі проблемно-орієнтовані;

об’єктне-орієнтовані.

Програмно-технічний комплекс являє собою взаємозалежну сукупність ПМК із комплексами і (чи) компонентами технічного забезпечення.

У залежності від призначення ПТК розрізняють:

автоматизовані робочі місця (АРМ);

центральні обчислювальні комплекси (ЦОК).

Комплекси засобів можуть поєднувати свої обчислювальні й інформаційні ресурси, утворювати локальні обчислювальні мережі.

Структурними частинами комплексів засобів є компоненти наступних видів забезпечення:

програмного;

інформаційного;

методичного;

математичного;

лінгвістичного;

технічного.

Компоненти видів забезпечення виконують певну функцію і представляють найменший (неподільний) самостійно розроблений (чи куплений) елемент САПР (наприклад, програма, інструкція, дисплей і т.п.). Ефективне функціонування КЗАП і взаємодія структурних частин САПР усіх рівнів повинне досягатися за рахунок орієнтації на стандартні інтерфейси і протоколи зв'язку, що забезпечують взаємодію комплексів засобів.

Ефективне функціонування КЗАП повинне досягатися за рахунок взаємопогоджуваної розробки (узгодження з покупними) компонентів, що входять до складу комплексів засобів.

КЗАП обслуговуючих підсистем, а також окремі ПТК цих підсистем можуть використовуватися при функціонуванні всіх підсистем.

Загальносистемні ПМК містять у собі програмний, інформаційний, методичний і інший види забезпечення. Вони призначені для виконання уніфікованих процедур по керуванню, контролю, плануванню обчислювального процесу, розподілу ресурсів САПР і реалізації інших функцій, що є загальними для/чи підсистем САПР у цілому.

Приклади загальносистемних ПМК: моніторні системи, системи керування БД, інформаційно-пошукові системи засобу машинної графіки, підсистема забезпечення діалогового режиму й ін.

Визначення CAD, САМ і САЕ

Автоматизоване проектування (computer-aided design - CAD) представляє собою технологію, що полягає в використанні комп’ютерних систем для полегшення створення, зміни, аналізу і оптимізації проектів. Таким чином, будь-яка програма, що працює з комп’ютерною графікою, так само як і будь-який додаток, що використовується в інженерних розрахунках, відноситься до систем автоматизованого проектування. Іншими словами, більшість засобів CAD можуть представляти собою від геометричних програм для роботи з формами до спеціалізованих додатків для аналізу і оптимізації. Між цими крайностями містяться програми для аналізу допусків, розрахунків мас-інерційних властивостей, моделювання методом кінцевих елементів і візуалізація результатів аналізу. Основна функція CAD - це визначення геометрії конструкції (деталі механізму, архітектурні елементи, електроні схеми, плани будинків та ін), так як геометрія визначає всі наступні етапи життєвого циклу продукту. Для цієї мети використовуються системи розробки робочих креслень і геометричного моделювання. Крім того, геометрія, яка визначена в цих системах, може використовуватися в якості основи для подальших операцій в системах САЕ і САМ. Це одна з найбільш значних переваг CAD, що дозволяє економити час і скорочувати кількість помилок, що пов’язані з необхідністю визначати геометрію конструкції з нуля кожний раз, коли вона необхідна в розрахунках. Можна стверджувати, що системи автоматизованої розробки робочих креслень і системи геометричного моделювання являються найбільш важливими компонентами автоматизованого проектування.

Автоматизоване виробництво (computer-aided manufacturing - САМ) - це технологія, що полягає в використанні комп’ютерних систем для планування, управління і контролю операцій виробництва через прямий або непрямий інтерфейс з виробничими ресурсами підприємства. Одним з найбільш поширених підходів до автоматизації виробництва являється числове програмне управління (ЧПУ, numerical control - NC). ЧПУ полягає в використанні запрограмованих команд для управління станком, який може шліфувати, різати, фрезерувати, штампувати, згинати та іншими способами перетворювати заготовки в готові деталі. В наш час комп’ютер може генерувати більше програми для станків з ЧПУ на основі геометричних параметрів виробів з бази даних CAD і додаткових відомостей, що надаються оператором. В цьому випадку скорочується необхідність втручання оператора.

Ще одна важлива функція систем автоматизованого виробництва - програмування роботів, які можуть працювати на гнучких автоматизованих ділянках, вибираючи і встановлюючи інструменти і деталі, що обробляються на станках з ЧПУ. Роботи можуть також виконувати свої власні задачі, наприклад займатися зваркою, збіркою і переносом обладнання і деталей по цеху.

Планування процесів також поступово автоматизується. План процесів може визначати послідовність операцій по виготовленню пристроїв від початку і до кінця на всьому необхідному обладнанні. Хоча повністю автоматизувати планування процесів, як вже відмічалося, практично неможливо, план обробки конкретної деталі може бути сформульований автоматично, якщо вже є плани обробки аналогічних деталей. Для цього була розроблена технологія групування, що дозволяє об’єднувати схожі деталі в сімейства. Деталі вважаються подібними, якщо вони мають загальні виробничі особливості (гнізда, пази, фаски, отвори та ін). Для автоматичного знаходження подібності деталей необхідно, щоб база даних СAD містили відомості про такі особливості. Ця задача здійснюється за допомогою об’єктно-орієнтованого моделювання або розпізнавання елементів.

Ще комп’ютер може використовуватися для того, щоб виявляти необхідність замовлення вихідних матеріалів і деталей, що купляються, а також визначати їх кількість виходячи з графіка виробництва. Називається така діяльність плануванням технічних вимог до матеріалу (material requirements planning - MRP). Комп’ютер може також використовуватись для контролю стану станків в цеху і відправки їм відповідних завдань.

Автоматизоване конструювання (computer-aided engineering - САЕ) - це технологія, що полягає в використанні комп’ютерних систем для аналізу геометрії CAD, моделювання і вивчення поведінки продукту для удосконалення і оптимізації його конструкції. Засоби САЕ можуть здійснювати безліч різних варіантів аналізу. Програми динамічного аналізу з великими зміщеннями можуть використовуватися для визначення напруги і зміщень в складних складових пристроях типа автомобілів. Програми верифікації і аналізу логіки і синхронізації імітують роботу складних електронних кіл.

Найбільш широке застосування в конструюванні має метод кінцевих елементів (finite-element method - FEM). З його допомогою розраховуються потужність, деформації, теплообмін, розподілення магнітного поля, потоки рідини та інші задачі, рішати які будь-яким іншим методом непрактично. В методі кінцевих елементів аналітична модель структури представляє собою з’єднання елементів, завдяки чому вона розбивається на окремі частини, які вже можуть оброблятися комп’ютером.

Для використання методу кінцевих елементів потрібна абстрактна модель належного рівня, а не сама конструкція. Абстрактна модель відрізняється від конструкції тим, що вона формується шляхом виключення несуттєвих деталей. Наприклад, трьохмірний об’єкт невеликої товщини може бути представлений у вигляді двомірної оболонки. Модель створюється або в інтерактивному режимі, або автоматично. Готова абстрактна модель розбивається на кінцеві елементи, що утворюють аналітичну модель. Програмні засоби, що дозволяють конструювати абстрактну модель і розбивати її на кінцеві елементи, називаються препроцесорами (preprocessors). Проаналізувавши кожний елемент, комп’ютер збирає результати разом і представляє їх в візуальному форматі. Наприклад, області з високими напругами можуть бути виділені червоним кольором. Програмні засоби, що забезпечують візуалізацію, називаються постпроцесорами (postprocessors).

Перевагами методів аналізу і оптимізації конструкцій полягає в тому, що вони дозволяють конструктору побачити поведінку кінцевого продукту і виявити можливі помилки до створення і тестування реальних прототипів. Так як вартість конструювання на останніх стадіях розробки і виробництва продукту зростає, рання оптимізація і удосконалення, які можливі завдяки аналітичним засобам САЕ, окупаються значним зниженням термінів і вартості розробки.

Таким чином, технології CAD, САМ і САЕ полягають в автоматизації і підвищенні ефективності конкретних стадій життєвого циклу продукту. Розвиваючись незалежно, ці системи ще не до кінця реалізували потенціал інтеграції проектування і виробництва. Для рішення цієї проблеми була запропанована нова технологія, яка називається комп’ютеризованим інтегрованим виробництвом (computer-integrated manufacturing - CIM). CІM намагається з’єднати автоматизації разом і перетворити їх в безперебійно і ефективно працюючу систему. CIM має на увазі використання комп’ютерної бази даних для більш ефективного управління всім підприємством, в тому числі бухгалтерією, плануванням, доставкою та іншими задачами, а не тільки проектуванням і виробництвом, які охоплюються системами CAD, САМ і САЕ. CIM часто називають філософією бізнесу, а не комп’ютерною системою.

Технологічна операція проектування

Складність, високі витрати і трудоємність процеса проектування ЕІС на протязі всього життєвого цикла викликають необхідність, з одного боку, вибора адекватної економічному об'єкту технології проектування, з іншого боку, наявність ефективного інструмента управління процессом її використання. З однієї точки зору виникає потреба в побудові такої формалізованної моделі технології проектування, коли на її основі можно було б оцінити необхідність і можливість застосування технології проетування з обліком зформованих вимог до ЕІС і виділених ресурсів на економічному об'єкті, а в подальшому контролювати хід і результати проектування.

Технологічною операцією проектування системи обробки даних називається відносно самостійний фрагмент технологічного процесу, в якому визначені вхід, вихід, перетворювач, ресурси і засоби. Технологічна операція ТО описується векторною послідовністю:

ТО = (V, П, W, R, S),

де V - вектор входу по відношенню до даної ТО, який складається з множини компонентів входу {Vi}, i=1, I; П - перетворювач ТО; W - вектор виходу по відношенню до ТО, який складається з множини компонентів виходу { Wj}, j=1,J; R - ресурси, які необхідні для виконання ТО; S - засоби проектування, які використовуються при виконанні ТО.

В якості компонентів входу і виходу ТО проектування можуть бути множина документів D, універсальних множин (універсумів) U, параметрів P і програм G. Графічна інтерпретація технологічної операції представлена на рис.1.

Технологічні операції графічно представляються в вигляді блоків-прямокутників, всередині яких є найменування технологічних операцій, перелік засобів проектування, що використовується і посилання на ресурси, які використовуються. Входи і виходи ТО представляються ідентифікаторами всередині кружків, від яких і до яких йдуть стрілки, які вказують вхідні і вихідні потоки.

Документ D - це описувач множини взаємопов'язаних фактів. За допомогою документів описуються об'єкти матеріальних і інформаційних потоків, організаційної структури, технічних засобів, які необхідні для проектування і втілення ЕІС. Документи визначають або вихідні данні проектування, або кінцеві результати проектування для реалізації нової інформаційної системи, або проміжного результата, який використовується тимчасово для виконанння наступних ТО. Кінцеві документи одночасно можуть бути і проміжними. Кінцеві результати повинні бути оформленні у відповідності зі стандартами представлення проектної документації.

Параметр P - це характеристика, умова або деяке обмеження на систему, що проектується, які задані в явному вигляді, наприклад об'єм фінансування, строк розробки, форма представлення і т.д. Параметри можеть розглядатися як підклас документів

Програма G - це деяке проектне рішення по реалізації заданої функції управлінняобєктом або по обробці даних, які записані у вигляді функціональних специфікацій, програмних специфікацій, схеми алгоритму.

Універсум U - це повний перелік можливих значень деякого компоненту ТО або повний обєм знань про нього. За допомогою універсума описується множина альтернатив, вибір з якої конкретного екземпляра визначає характер наступних проектних рішень. Можно виділити 2 типи універсумів: проектні і інструментальні. В проектному універсумі зібрані компоненти, які орієнтовані на використання функціонуючої АІС, тобто ті компоненти, які являються результатом проектування. Інструментальні універсуми включають компоненти одного функціонального призначення, які використовуються в процесі проектування.

Перетворювач П - це деяка методика або формалізований алгоритм, або машиний алгоритм перетворення входа технологічної операції в її вихід. Відповідно використовується ручні, автоматизовані і автоматичні методи реалізації перетворювачів. Для формалізації перетворювачів використовуються математичні моделі, блок-схеми, псевдокоди.

Ресурси R - набір людських, комп'ютерних, часових і фінансових засобів, які дозволяють виконати технологічну операцію. При чому проектувальники можуть бути спеціалістами різної кваліфікації. Наявність тих або інших ресурсів впливають на характер і технології проектування, що використовується. Наприклад, виділення мережевих комп'ютерних ресурсів, які дозволяють здійснювати колективну розробку ЕІС різними групами проектувальників і розподіленням виконаних технологічних операцій. Можко виділити 3 типи перетворювачів: ручний, людинно-машинний і машинний. До ручних відносяться - методики проведення проектних робіт. На мал.2 зображена технологічна операція з ручним перетворювачем по створенню технічного завдання ТЗ, яке включає вимоги до функціональної частини, системні рішення, економічну ефективність, строки закінчення проекту. Прикладом людинно-машинного перетворювача може біти сценарій інтерактивної відладки програм за допомогою інструментальних засобів. Прикладом машиного перетворювача являється транслятор з алгоритмічної мови мал.3.

Засоби проектування S - це типове проектне рішення. Пакети прикладних програм, типові проекти АІС або інструментальні засоби проектування АІС, які використовуються при виконанні перетворювача П. Множину засобів проектування АІС можно поділити на 2 велики класи: інструментальні і обєктні. Інструментальні - це такі, які використовуються в процесі проектування для підвищення продуктивності праці проектувальників на будь-якому етапі створення проекту і орієнтовані на процес проектування. Обєктні засоби проектування також використовуються в процесі проектування, але результатом їх використання повинні бути проектні рішення АІС, яка створюється.