Введение в автоматизированное проектирование

Автоматизированное проектирование (АП) является процессом выполнения проектных операций и проектных процедур на основе методов математического моделирования и применения средств вычислительной техники.

Определение 2.1. Автоматизированное проектирование - это сис­те­мотехническое применение вычислительных машин в процессах проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиками и средствами вычислительной техники и научно обоснованном выборе методов машинного решения про­ект­ных задач.

Замечание 2.1. Цель применения автоматизированного проек­тирования:

l  сокращение затрат времени на разработку проектов, что позволяет чаще переходить на новые модели изделий, отличающиеся лучшими характеристиками;

l  увеличение числа проектов, выпускаемых проектной организа­цией или КБ прежней численностью сотрудников;

l  повышение качества проектной документации за счет умень­­шения числа ошибок из-за так называемого человеческого фактора;

l  возможность решения оптимизационных задач, что приводит к получению наиболее эффективных проектных решений; в результате при реализации проектов создаются объекты с лучшими характе­ристиками и свойствами (по стоимости, эксплуатационным расходам, скорости, весу, надежности, потреблению энергии и т.д.).

Автоматизированное проектирование осуществляется путем синтеза проектных решений (структурного синтеза, параметри­чес­кого синтеза), применения методов оптимизации, анализа проектных решений, применения методов и алгоритмов машинной графики.

Автоматизированное проектирование имеет три составляющих:

l  архитектура средств АП;

l  математические модели объекта проектирования;

l  процесс АП.

Архитектура АП представляет собой совокупность трех основ­ных составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, информационное обеспечение.

   Для некоторых задач процесс АП может быть представлен следующей схемой (рис.2.1):

Рис.2.1. Состав процесса АП

 

Замечание 2.2. Для автоматизированного проектирования характерны следующие основные положения:

1. Большинство задач АП относится к классу оптимиза­ци­он­ных задач, решаемых путем генерации множества допустимых вари­антов и их сравнительного анализа по целому ряду критериев, с выбором оптимального (наилучшего) варианта.

2. Наличие тесных информационных связей между задачами (ис­поль­зование выходных данных предыдущих задач в качестве вход­ных для последующих задач, единой справочно-нормативной базы и т.д.) делает целесообразным формирование единой базы данных для объектов определенного класса.

3. Включение в процесс АП средств машинной графики.

4. АП должно завершаться оформлением документации. Поэтому в процесс АП должны быть включены средства оформления доку­мен­тации, как графической (схемы, графики, чертежи), так и алфа­витно-цифровой (тексты, таблицы, формулы и расчеты).

5. При АП техническое решение считается найденным, если оно удовлетворяет заданным критериям, а весь проект удовлет­воряет требованиям ТЗ.

6. Центральным элементом АП является математическая модель объекта проектирования, которая служит средством синтеза и анализа принимаемых решений.

Автоматизированному проектированию сложных объектов дол­жна предшествовать процедура декомпозиции, т.е. расчленение про­цес­са проектирования на несколько частей, выполняемых в опре­де­ленной степени автономными проектными процедурами и различ­ными отделами КБ или проектного института.

Замечание 2.3. Для любого проектируемого объекта должна быть выполнена декомпозиция по этапам проектирования (любая проект­ная работа должна пройти последовательно во времени ряд этапов). В результате определяются виды работ, решаемые на каждом этапе.

Замечание 2.4. Для проектируемого объекта должна быть прове­дена декомпозиция для каждого временного этапа. При этом слож­ный объект должен быть разбит на ряд более или менее автономно проектируемых объектов и систем. Чаще всего эти части, узлы, блоки и подсистемы объекта проектируются в различных отделах КБ или проектного института.

Представим процесс проектирования в виде матрицы (рис. 2.2.).

Процесс АП сложного объекта может рассма­т­риваться в виде двуме­р­ной матрицы (рис.2.2), осями которой явля­ют­ся «Декомпозиция по этапам» и «Внутриэтапная декомпо­зиция». При АП электронной, вычислительной, радиоэлектронной аппаратуры временные этапы следующие:

1. Системное проектирование. Соответствует эскизной про­работ­- ке будущего объекта. Объект рассматривается как единое целое (струк­­­­­­тура объекта, критерии качества, системные алгоритмы, интер­фейсы и т.д.).

Рис.2.2. Представление процесса проектирования в виде матрицы

 

2. Функциональное проектирование. Разработка функцио­наль­ной схемы объекта при работе в реальной физической среде. Выбор эле­мент­ной базы.

3. Разработка принципиальных схем.

4. Разработка монтажных схем. Проектирование печатных плат.

5. Этап конструкторского проектирования.

 

Определение понятия САПР

Определение 2.2. Система автоматизации проектных работ (САПР) - это компьютерный организационно - программно - тех­ни­чес­­­кий комплекс, обеспечивающий выполнение проектных работ с использованием вычислительных методов, методов математи­чес­ко­го моделирования и автоматического поиска оптимальных решений.

Определение 2.3. САПР - это человеко-машинная система. При при­менении САПР некоторые проектные процедуры должны выпол­няться автоматически. По мере развития системы процент про­ектных процедур, выполняемых без участия проектировщиков, т.е. в авто­матическом режиме, должен возрастать.

Определение 2.4. САПР - иерархическая система. Иерархия САПР выражается в иерархической структуре ее математического, алге­браического, программного и технического обеспечения.

Определение 2.5. САПР - это взаимосвязанная совокупность ряда компонентов.

Компоненты САПР (состав САПР):

1. Техническое обеспечение (технические средства) - это сово­купность взаимодействующих технических средств, предназ­на­чен­ных для решения задач АП (системные блоки, серверы, мониторы, принтеры, плоттеры и т.д.). Современная САПР использует сеть ЭВМ и имеет выход в Internet.

2. Математическое обеспечение системы - это совокупность ма­те­­матических методов, математических моделей и алгоритмов об­ра­ботки данных, необходимых для АП, представленных в заданной фор­ме и используемых в рассматриваемой САПР.

3. Программное обеспечение - это совокупность всех программ, используемых в данной САПР.

4. Информационное обеспечение - это совокупность всей ин­фор­­мации, необходимой и достаточной для выполнения системой про­ект­ных процедур и решения проектных задач. Информационное обес­печение САПР способствует осуществлению автоматизи­ро­ван­ного проектирования. Данные, представляющие собой информа­ци­онное обеспечение САПР, хранятся в базе данных САПР, в которой осу­ществляется накопление информации, хранение её и коррек­ти­ровка.

5. Лингвистическое обеспечение - совокупность языков прог­рам­м­ирования, включая термины и определения, языки обращения к системе и языки ответов.

6. Методическое обеспечение - совокупность документов по пра­вилам эксплуатации всех компонентов системы.

7. Организационное обеспечение - совокупность документов, ус­танавливающих состав проектной организации и её подразделений, связи между ними, их функции, а также формы представления ре­зультатов проектирования, способы контроля за ходом выполнения проектной работы и контроля за результатами АП.

Замечание 2.5. САПР - развивающаяся система. Разработка САПР занимает продолжительное время и необходимо вводить в экс­плуатацию части системы по мере их готовности. К введенным в экс­плуатацию блокам системы в дальнейшем добавляются сле­дую­щие.

Развитие науки и техники приводит к появлению новых мето­дов, материалов, элементов. Повышаются требования к проек­ти­руе­мым и конструируемым объектам. Кроме того, опыт при­менения внедренной и используемой САПР позволит выявлять как её поло­жительные, так и отрицательные качества. САПР должна обла­дать свой­ством использования новых методов, новых матема­тических мо­делей, возможностями совершенствования и перехода на более сов­ременные технические средства.

Замечание 2.6. САПР - специализированная система, но с ис­пользованием унифицированных модулей. Высокой эффек­тив­ности САПР, выражаемой малыми затратами времени и мате­риальных зат­рат при решении проектных задач, достигают в результате соз­дания спе­циализированных САПР, т.е. путем создания систем, ориен­ти­ро­ванных на вполне конкретный класс проектируе­мых и констру­ируемых объектов.

Чтобы снизить расходы на разработку большого числа спе­циа­лизированных САПР, необходимо разрабатывать системы с макси­мальным использованием унифицированных блоков, которые могли бы использоваться в различных САПР.

Классификация САПР

Классификация САПР может быть проведена по различным признакам. Возможна следующая классификация САПР:

1) по уровню формализации решаемых задач: а) - системы, по­стро­енные на полностью формализуемых методах решения проект­ных задач; б) - ведущие проектные работы, не поддающиеся полной формали­зации; в) - организующие поиск решения неформализуемых задач;

2) по функциональному назначению – системы расчётно-орга­низационные; графические; автоматизированного проектирова­ния кон­­струкций; графоаналитические; подготовки технической до­ку­­мен­тации; обработки результатов экспериментальных исследова­ний; ин­фор­мационные; технологической подготовки программ для станков с ЧПУ;

3) по специализации – системы специализированные и инва­риантные;

4) по технической организации – системы с центральным про­цес­сорным управлением; комплектуемые автоматизированными рабочи­ми местами конструктора (АРМ) с собственными вычислительными ресурсами.

При обычном неавтоматизированном проектировании реализация каждого этапа осуществляется человеком, при этом для каждой конкретной задачи весь процесс выполняется заново.

Иначе выглядит этот процесс в САПР, построенных на пол­ностью формализуемых методах решения проектных задач. Результат решения задачи в таких системах – множество взаимосвязанных эле­ментов объекта, т.е. конструктивно-технологический граф. Сам про­цесс решения связан с формированием функциональных элементов объекта и может быть представлен в качестве структурно-функ­ционального графа. Синтез объекта состоит из решения идентичных задач, которые в САПР классифицируются как проектные операции.

При этом нельзя сказать заранее, сколько проектных операций и применительно к каким элементам объекта необходимо будет применить, однако можно указать перечень тех проектных операций, которые и определяют синтез объекта в формализованных САПР.

В системах можно выделить три части или подсистемы: формирования входной информации; проектирования–пакеты прик­лад­ных и управляющих программ; формирования выходной инфор­мации. Такие системы работают обычно в автоматическом режиме, имеют многовариантную основу, т.е. могут быть нацелены на процесс перепроектирования, если полученный результат по тем или иным причинам не устраивает проектировщика. Идентичные элементы систем САПР в зарубежной литературе имеют следующую аббревиатуру: подсистема формирования информации – PRE­PRO­CESSOR; подсистема проектирования – PROCESSOR; подсистема формирования выходной информации – POSTPROCESSOR.

Для придания этим системам большей универсальности в них предусмотрено несколько уровней ветвления хода решения задачи, в связи с чем программное обеспечение их имеет колоссальные разме­ры, обращение с ним не просто, а трудоёмкость разработки достигает иногда сотен тысяч человеко-лет.

Наиболее правильное название таких САПР – системы авто­ма­ти­ческого проектирования. Хотя они уязвимы с точки зрения эконо­мичности, однако, отдельные их подсистемы – желанные компоненты любой САПР.

Наибольшую известность у нас в стране и за рубежом получили системы автоматизированного проектирования, которые в отличие от автоматических способны осуществлять процесс проектирования при решении задач, не поддающихся полной формализации. Про­ектирование в таких системах осуществляется под непосредственным контролем человека-оператора, чаще всего на уровне человеко-машинного диалога. Человек сам принимает решения там, где про­цесс проектирования не поддаётся формали­зации, благодаря чему ак­тивно используется профессиональный уро­вень проектировщика в том случае, когда оценка проектных решений не имеет количе­ственного выражения. Системы, в которых организуется поиск решений неформализуемых задач, составляют группу эвристических САПР.

Представляется целесообразным объединить в рамках одной САПР приёмы эвристического и формального представления проект­ных процедур.

Следующая «ступенька» в иерархии – САПР функционального наз­начения, наиболее популярными представителями которых являются расчётно-оптимизационные САПР. Популярность их объ­ясняется тем, что первоначально на ЭВМ выполнялись различные расчёты, а затем на втором, более высоком уровне, с помощью этих расчётов начались поиски оптимальных характеристик конструкций. Основой таких САПР служат пакеты управляющих и прикладных прог­рамм. Чаще всего режим работы диалоговый, но встречается так­же и пакетный. Графический интерпретатор в таких системах обычно обеспечивает вывод конечных или промежуточных проектных реше­ний на устройства графического вывода.

Особый интерес в конструкторских бюро вызывает применение графоаналитических САПР. Первоначально конструктор на экране графического дисплея формирует изображение или расчётную схему проектируемого объекта, что эквивалентно введению информации в память ЭВМ. Затем с помощью расчётных модулей осуществляется решение задачи анализа конструкции. Полученные результаты тут же обрабатываются и выдаются на экране графического дисплея в виде эпюр, гистограмм, графиков и т.д. Далее, в зависимости от постав­ленной задачи, конструктор вносит изменения в первоначальный про­ект геометрии образа, и указанный процесс осуществляется заново. Таким образом, за определённое число графических итераций может быть получено оптимальное проектное решение.

Часто приходится слышать, в частности от математиков, что от­сутствие оптимизационной математической основы в таких системах делает их «слепыми» по сравнению с расчётно-оптимизационными. Однако не следует забывать о тех, кто будет работать у экранов графических дисплеев, - о конструкторах. В этом плане графо­ана­ли­тическая САПР служит как бы контроллером правильности действий конструктора-проектировщика, так как задача создания новой конструкции стоит перед ним, а не перед ЭВМ. Как показывает опыт эксплуатации таких систем, в большинстве случаев за 8-10 итераций, выполненных проектировщиком, становится ясным, какой должна быть та или иная конструкция. В заключение отметим, что графо­ана­литические САПР в основном ориентированы на проек­тирование небольших узлов и деталей.

Системы автоматизированного проектирования конструкций, представляющие третью группу САПР, создаются обычно только в круп­ных фирмах или на заводах и предназначаются для проекти­ро­ва­ния и конструирования всего изделия в целом, т.е. самолёта, корабля, трактора, строительного объекта и т.д. В основном они строятся на дифференциальной основе, когда проектирование крупных узлов из­де­­лия осуществляется подсистемами проектирования. Согласно ГОСТ 23501.0-89,  подсистемы – составные структурные части САПР, которые представляют элементы всех «обеспечений» автоматизированного проектирования, необходимые для выполнения подсистемой её функций, и по своим свойствам и функциям могут рассматриваться как отдельные системы.

Подсистемы на уровне формализации решаемых задач – это от­дельные единицы, основные функции которых – автоматизация от­дель­ных участков наиболее трудоёмких процессов проектирования, т.е. ввода и вывода информации, изготовления документации и т.д. Подсистемы на уровне системы автоматизированного проек­тиро­ва­ния, рассматриваемые на данном этапе, - это сложные комплексы проектирования, направленные на автоматизацию проектирования отдельных узлов сложных изделий. Например, если объектом проек­тирования является самолёт, то подсистемами САПР будут подсистема проектирования крыльев, подсистема проектирования фю­­зе­­ляжа, подсистема проектирования хвостовой части, подсистема проектирования системы жизнеобеспечения и другие; если объект проектирования - автомобиль, то подсистемами САПР могут быть подсистема проектирования передних и задних мостов, подсистема проектирования кабины и т.д.

Естественно, что каждая подсистема САПР может создаваться как отдельный элемент процесса проектирования. В дальнейшем, с уве­­личением количества подсистем и ростом их качества при нали­чии достаточной базы типовых структур, становится возможным объе­­­динение их в рамках систем автоматизированного проек­ти­ро­вания.

Такие САПР обладают программным обеспечением различного уровня, в том числе активными графическими системами, и обес­печивают глубину проработки проектируемого изделия до полных рабочих чертежей основных узлов.

Следующей разновидностью САПР являются графические систе­мы, предназначенные для непосредственного вычерчивания на экране различных узлов и деталей конструкции. Графические системы осо­бенно необходимы на стадии технического проектирования, когда вы­полняется значительный объём чертёжных работ и требуется боль­шое количество чертёжно-графической документации. Задачи графи­ческих систем состоят в том, чтобы облегчить и ускорить доработку конструкций, уменьшить вероятность появления технических оши­бок.

Системы подготовки технической документации обеспечивают автоматизированный выпуск рабочих чертежей деталей или кон­ст­рук­ций. Они позволяют воспроизвести формы деталей по одной её про­екции или разрезу на сборочном чертеже, определить все размеры с допусками на изготовление и техническими условиями. Однако количество таких систем в общей массе САПР пока незначительно, и проблема массового выпуска рабочих чертежей пока не решена.

Ещё одно бурно развивающееся направление САПР намечается в области обработки результатов экспериментальных исследований. Это обусловлено, с одной стороны, возросшим числом экспери­ментальных исследований новой техники, а с другой стороны, появ­лением программно-экспериментальных комплексов, позволяющих осуществлять автоматизацию экспериментальных исследований. В связи с этим на крупных предприятиях организовываются замкнутые системы получения, обработки и передачи экспериментальной ин­фор­мации на вход других подсистем САПР; при этом образуется эффективная система проектирования изделия, что в свою очередь позволяет производить оценку тех аналитических или численных методов, которые были заложены в основе других подсистем, и даёт толчок к совершенствованию последних.

Немалая роль отводится так называемым информационным сис­темам, которые призваны собирать, компактно хранить и в нужный момент избирательно передавать необходимый файл информации на вход следующей подсистемы или по требованию конструктора на указанное им устройство. К достоинствам этих САПР необходимо отнести их способность организации патентного поиска требуемого образца или детали.

Специфическую группу САПР составляют системы техноло­гической подготовки программ для станков с ЧПУ. Сегодня это направление во многом определяет эффект, который даёт автома­тизация проектирования. Вопрос зачастую ставится так: экономично ли использовать системы САПР-САD без систем ИАСУ-САМ или их элементов? Ответ на этот вопрос даёт практическое использование в системах САПР даже отдельных компонентов систем числового программного управления, каковыми являются САПР технологи­ческой подготовки программ для ЧПУ.

На следующей классификационной «ступеньке» расположены специализированные и инвариантные САПР.

Под специализированными САПР понимают такие системы про­ек­тирования, области применения которых ограничиваются опреде­лённым классом конструкций, например, САПР грузового автомо­биля, САПР строительных конструкций, САПР тракторов и т.д.

Специализированные САПР могут подразделяться на следующие классы:

· Машиностроительные - конструирование различных изде­лий машиностроительной промышленности (изделий сельхозтехники, автомобилей, танков, станков и т.д.).

· Электротехнические - конструирование электродвигателей, генераторов, трансформаторов, коммутационной аппаратуры и т.д.

· Микроэлектроники - проектирование серийных и заказных ИС, БИС, СБИС.

· Нефтяной промышленности.

· Газовой промышленности.

· Бытовой техники - конструирование стиральных машин, холодильников и т.д.

· Бытовой электронной техники - разработка новых моделей телевизоров, музыкальных центров, радиоприемников.

· Вычислительной и оргтехники.

· Строительной - проектирование жилых домов и различных сооружений.

В каждой отрасли САПР могут классифицироваться по виду кон­­­­­струируемых или проектируемых объектов. В качестве примера назовем некоторые системы нефтяной промышленности.

В нефтяной промышленности по виду объектов используются или будут применяться следующие САПР:

· для проектирования разработки нефтяных месторождений (число скважин и их координаты);

· для выполнения проектов сбора нефти (трубопроводы, замер­ные установки, электроснабжение, дороги и т.д.);

· для выполнения проектов бурения скважин и т.д.

Для газовой промышленности:

· объекты газового месторождения (скважины, трубопро­во­ды, го­лов­ные сооружения, электроснабжение и т.д.);

· проектирование магистрального газопровода (трасса, диаметр труб, компрессорные станции, ГРС, пункты измерения расхода газа).

 

Инвариантные САПР – это такие системы автоматизированного проектирования, область применения которых не ограничена опреде­лёнными сферами применения, например, система автоматизации прочностных расчётов методом конечных элементов может быть ин­ва­­риантна по отношению к автомобилю, строительной конструкции, трактору и т.д.

Специализированные САПР обеспечивают обычно полную про­ра­­ботку всех узлов изделия, в то время как инвариантные затрагива­ют только какую-то отдельную функциональную их особенность, на­пример, вопросы прочности. С другой стороны, инвариантная САПР в отличие от специализированной найдёт применение на многих пред­приятиях и в проектных институтах. Следовательно, чтобы спе­циализированные САПР были экономически эффективными, их сле­дует разрабатывать на крупных предприятиях, выпускающих слож­ную дорогостоящую продукцию, или на предприятиях, выпускающих продукцию большими сериями.

 

По возможности расширения САПР пользователем возможны следующие типы систем:

l закрытые системы — отсутствуют возможности расширения системы пользователем;

l системы, предоставляющие пользователю возможности по раз­ви­тию интерфейса (подстройка системы меню, создание допол­ни­тель­ных диалоговых окон для формирования среды, удобной поль­зователю);

l системы с возможностью подключения к ним новых модулей, т.е. системы с расширением.

 

И наконец, последняя «ступенька» нашей классификации, харак­теризующая, каким образом технические средства определяют раз­личия в системах автоматизированного проектирования.

По современным представлениям, существуют две тенденции развития САПР, связанные с наличием аппаратных средств и вычислительной техники. К первой относятся системы проек­тирования, в которых вся основная информация, связанная с проек­тированием, обрабатывается мощной ЭВМ, а корректировка и ввод графической информации на местах осуществляется с помощью ми­ни- или микроЭВМ, соединённых интерфейсом с большой машиной. Другую группу образуют системы САПР, в которых весь процесс про­ектирования осуществляется на автоматизированных рабочих местах конструкторов (АРМах) за счёт собственных вычислительных и графических средств, а более мощный компьютер (сервер) служит только передаточным звеном с общей базой знаний.

 

Термин САПР в англоязычном написании записывается как CAD System — Computer Aided Disign System.                

В ряде случаев проектные и конструкторские решения, полу­ченные в результате функционирования САПР, используются для дальнейших операций в системах CAE и CAM.

Определение 2.6. CAE - Computer Aided Engineering - автома­ти­зированные системы расчетов и инженерного анализа. Определение 2.7.  CAM - Computer Aided Manufacturing - авто­ма­ти­зированное проектирование технологических процессов (маши­но­строительных) и технологическая подготовка производства.

 

Заключение

В данной лекции определено понятие автоматизированного проектирования (АП) как выполнение проектных операций на основе методов математического моделиро­вания и средств вычислительной техники, обеспечивающее резкое увеличение производительности труда, повышение качества проектов с минимизацией ошибок при реализации оптимизационных решений. Архитектура АП пред­став­ляет собой совокупность трех основ­ных составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, информационное обеспечение. Дано определение САПР - это компьютерный организа­ционно – прог­раммно - тех­ни­чес­­­кий комплекс, обеспечивающий вы­пол­не­ние про­ект­ных работ с использованием вычислительных методов, методов математи­чес­ко­го моделирования и автоматичес­кого поиска оптимальных решений. Выполнена классификация САПР по раз­лич­ным признакам с определением областей их применения.

 

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение понятия «Автоматизированное проектирование».

2. С какой целью применяется автоматизированное проектирование?

3. Назовите составляющие автоматизированного проектирования.

4. Основные положения, характерные для автоматизированного проекти­ро­вания.

5. Представьте процесс проектирования в виде матрицы.

6. Дайте определение понятия «Система автоматизации про­ектных работ»?

7. Перечислите, из каких компонентов состоит САПР?

8. На какие группы подразделяются САПР по назначению?

9. Приведите классификацию САПР для некоторых отраслей промышлен­но­сти по виду конструируемых или проектируемых объ­ек­тов?

10. Поясните термины CAD, CAE и CAM?

 

 

Лекция 3.    Техническое и программное обеспечение САПР. Математическое обеспечение САПР

           

План лекции

Будут рассмотрены следующие вопросы:

- техническое обеспечение САПР и общая его структура;

- программное обеспечение САПР и его составные части;

- математическое обеспечение и его решающая роль в САПР.

Литература: Л.3, Л.8, Л.9.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: