САПР

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ


Различные возможности и границы применения вы­числительной техники для автоматизации проектирова­ния определяются уровнем формализации научно-тех­нических знаний в конкретной отрасли. Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем большие возможности объективно существуют для автоматизации процесса их проектирования.

Применение ЭВМ при проектно-конструкторских ра­ботах в своем развитии прошло несколько стадий и пре­терпело значительные изменения. С появлением вычисли­тельной техники был сделан акцент на автоматизацию проектных задач, имеющих четко выраженный расчетный характер, когда реализовывались методики, ориентиро­ванные на ручное проектирование. Затем, по мере накоп­ления опыта, стали создавать программы автоматизиро­ванных расчетов на основе методов вычислительной мате­матики (параметрическая оптимизация, метод конечных элементов и т. п.). С внедрением специализированных терминальных устройств появляются универсальные про­граммы для ЭВМ для решения как расчетных, так и не­которых рутинных проектных задач (изготовление чер­тежей, спецификаций, текстовых документов и т. п.). В последние годы большое внимание уделяется автома­тизации расчетно-конструкторских работ при проекти­ровании типовых узлов и агрегатов, когда синтез кон­струкции проводится эвристически, а основные пара­метры выбираются и оптимизируются в интерактивном режиме диалога проектировщика и ЭВМ.

Однако на всех этих стадиях автоматизации проекти­рования инженеру помимо изучения инструкций по экс­плуатации и написанию программ приходится познавать ряд по сути дела ненужных ему подробностей системных программ и языков программирования. Кроме того, при использовании в проектировании специализированных по объектам разрозненных пакетов прикладных программ (ППП) инженер вынужден каждый раз вновь кодировать и вводить информацию согласно инструкции ППП. Отмеченные недостатки приводят к тому, что частичная («позадачная») автоматизация не оказала существенного влияния на повышение качества и производитель­ности проектирования технических систем и средств в целом.

Решение проблем автоматизации проектирования с по­мощью ЭВМ основывается на системном подходе, т. е. на создании и внедрении САПР — систем автоматизиро­ванного проектирования технических объектов, которые решают весь комплекс задач от анализа задания до раз­работки полного объема конструкторской и технологиче­ской документации. Это достигается за счет объединения современных технических средств и математического обес­печения, параметры и характеристики которых выби­раются с максимальным учетом особенностей задач проектно-конструкторского процесса. САПР представляет собой крупные организационно-технические системы, со­стоящие из комплекса средств автоматизации проектиро­вания, взаимосвязанного с подразделениями конкретной проектной организации.

1. ЦЕЛЬ СОЗДАНИЯ САПР

Под автоматизацией проектирования понимают си­стематическое применение ЭВМ в процессе проектирова­ния при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и научно обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Цель автоматизации — повысить качество проектиро­вания, снизить материальные затраты на него, сократить сроки проектирования и ликвидировать рост числа ин­женерно-технических работников, занятых проектирова­нием и конструированием.

Научно обоснованное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи, носящие творческий характер, а ЭВМ — задачи, решение которых поддается алгоритмизации.

Существенным отличием автоматизированного проекти­рования от неавтоматизированного является возможность замены дорогостоящего и занимающего много времени физического моделирования — математическим моделиро­ванием. При этом следует иметь в виду одно важнейшее обстоятельство: при проектировании число вариантов необозримо. Поэтому нельзя ставить задачу создания универсальной САПР, а необходимо решать вопросы проектирования для конкретного семейства машин.

Для создания САПР необходимо:

  • совершенствовать проектирование на основе примене­ния математических методов и средств вычислительной техники;

  • автоматизировать процессы поиска, обработки и вы­дачи информации;

  • использовать методы оптимального и вариантного про­ектирования; применять эффективные, отражающие су­щественные особенности, математические модели проек­тируемых объектов, комплектующих изделий и мате­риалов;

  • создавать банки данных, содержащих систематизиро­ванные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов;

  • повышать качество оформления проектной докумен­тации;

  • повышать творческую долю труда проектировщиков за счет автоматизации нетворческих работ;

  • унифицировать и стандартизовать методы проекти­рования;

  • подготавливать и переподготавливать специалистов;

  • реализовывать взаимодействие с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

Комплекс средств автоматизации проектирования вклю­чает методическое, лингвистическое, математическое, про­граммное, техническое, информационное и организацион­ное обеспечение.


2. СОСТАВ САПР

САПР — система, объединяющая технические сред­ства, математическое и программное обеспечение, пара­метры и характеристики которых выбирают с максималь­ным учетом особенностей задач инженерного проектиро­вания и конструирования. В САПР обеспечивается удоб­ство использования программ за счет применения средств оперативной связи инженера с ЭВМ, специальных проб­лемно-ориентированных языков и наличия информаци­онно-справочной базы.

Структурными составными составляющими САПР яв­ляются подсистемы, обладающие всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы. Это выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечиваю­щие выполнение некоторых законченных проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов.

По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.

К проектирующим относятся подсистемы, выполняю­щие проектные процедуры и операции, например:

  • подсистема компоновки машины;

  • подсистема проектирования сборочных единиц;

  • подсистема проектирования деталей;

  • подсистема проектирования схемы управления;

  • подсистема технологического проектирования.

К обслуживающим относятся подсистемы, предназна­ченные для поддержания работоспособности проектирую­щих подсистем, например:

  • подсистема графического отображения объектов про­ектирования;

  • подсистема документирования;

  • подсистема информационного поиска и др.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида проектирующих подсистем:

  • объектно-ориентированные (объектные);

  • объектно-независимые (инвариантные).

К объектным подсистемам относят подсистемы, выпол­няющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования, например:

  • подсистема проектирования технологических систем;

  • подсистема моделирования динамики, проектируемой конструкции и др.

К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, например:

  • подсистема расчетов деталей машин;

  • подсистема расчетов режимов резания;

  • подсистема расчета технико-экономических показа­телей и др.

Процесс проектирования реализуется в подсистемах в виде определенной последовательности проектных про­цедур и операций. Проектная процедура соответствует части проектной подсистемы, в результате выполнения которой принимается некоторое проектное решение. Она состоит из элементарных проектных операции, имеет твердо установленный порядок их выполнения и направ­лена на достижение локальной цели в процессе проекти­рования. Под проектной операцией понимают условно Выделенную часть проектной процедуры или элементар­ное действие, совершаемое конструктором в процессе проектирования. Примерами проектных процедур могут служить процедуры разработки кинематической или ком­поновочной схемы станка, технологии обработки изделий и т. п., а примерами проектных операций — расчет при­пусков, решение какого-либо уравнения и т. п.

Структурное единство подсистем САПР обеспечивается строгой регламентацией связей между различными ви­дами обеспечения, объединенных общей для данной под­системы целевой функцией. Различают следующие виды обеспечения:

  • методическое обеспечение — документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования;

  • лингвистическое обеспечение — языки проектирова­ния, терминология;

  • математическое обеспечение — методы, математические модели, алгоритмы;

  • программное обеспечение — документы с текстами про­грамм, программы на машинных носителях и эксплуата­ционные документы;

  • техническое обеспечение — устройства вычислитель­ной и организационной техники, средства передачи дан­ных, измерительные и другие устройства и их сочетания;

  • информационное обеспечение — документы, содержа­щие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные;

  • организационное обеспечение — положения и инструк­ции, приказы, штатное расписание и другие документы, регламентирующие организационную структуру подраз­делений и их взаимодействие с комплексом средств авто­матизации проектирования.

3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР

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

1. САПР — человеко-машинная система. Все создан­ные и создаваемые системы проектирования с помощью ЭВМ являются автоматизированными, важную роль в них играет человек — инженер, разрабатывающий проект тех­нического средства.

В настоящее время и по крайней мере в ближайшие годы создание систем автоматического проектирования не предвидится, и ничто не угрожает монополии человека при принятии узловых решении в процессе проектирова­ния. Человек в САПР должен решать, во-первых, все задачи, которые не формализованы, во-вторых, задачи, решение которых человек осуществляет на основе своих эвристических способностей более эффективно, чем со­временная ЭВМ на основе своих вычислительных воз­можностей. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в про­цессе проектирования — один из принципов построения и эксплуатации САПР.

2. САПР — иерархическая система, реализующая ком­плексный подход к автоматизации всех уровней проекти­рования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения САПР в виде иерархии подсистем.

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

3. САПР — совокупность информационно-согласован­ных подсистем. Этот очень важный принцип должен отно­ситься не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач про­ектирования обслуживаются информационно согласован­ными программами. Две программы являются информа­ционно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих програм­мах, входят в числовые массивы, не требующие измене­ний при переходе от одной программы к другой. Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка общего массива с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изме­няет числовые значения отдельных параметров, то про­граммы информационно не согласованы. Ручная пере­компоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому уменьшает спрос на услуги САПР. Информационная несогласован­ность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.

4. САПР — открытая и развивающаяся система. Существует, по крайней мере, две веские причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта, как САПР, занимает продолжительное время, и экономи­чески выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс техники, проектируемых объектов, вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных мате­матических моделей и программ, которые должны заме­нять старые, менее удачные аналоги. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т. е. обладать свойством удобства использования новых методов и средств.

5. САПР — специализированная система с максималь­ным использованием унифицированных модулей. Требо­вания высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Применительно к САПР это положение сохраняет свою силу. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Очевидно, что при этом растет число различных САПР. Чтобы сни­зить расходы на разработку многих специализирован­ных САПР, целесообразно строить их на основе макси­мального использования унифицированных составных ча­стей. Необходимым условием унификации является поиск общих черт и положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов. Безусловно, может быть сформулирован и ряд других принципов, что подчеркивает многосторонность и слож­ность проблемы САПР.

4. СТАДИИ СОЗДАНИЯ САПР

Создание и развитие САПР осуществляется самой про­ектной организацией с привлечением (при необходимости) других организации-соисполнителей, в том числе научно-исследовательских институтов и высших учебных заведе­ний. Следует подчеркнуть, что создание САПР — слож­ная и трудоемкая работа, выполнение которой под силу только большому высококвалифицированному коллек­тиву разработчиков.

Процесс создания САПР включает в себя восемь ста­дий: предпроектные исследования, техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочий проект, изготовление, отладка и испыта­ние, ввод в действие.

Руководство разработкой, внедрением, эксплуатацией и модернизацией систем и компонентов САПР в проектной организации должно заниматься специализированное под­разделение, включающее группы специалистов соответ­ствующих направлений.

Предпроектные исследования проводятся для выявле­ния готовности конкретной проектной организации к вне­дрению автоматизированных методов. Основу этой ра­боты составляет системное обследование объекта проек­тирования и используемых в инженерной практике тра­диционных методов и приемов проектирования, а также объема технической документации, разрабатываемой в про­цессе проектирования. Процесс обследования осуще­ствляется главным образом опросом опытных проекти­ровщиков и конструкторов.

В результате обследования определяется необходимость и экономическая эффективность создания автоматизиро­ванной системы. При этом учитывается объем проектно-конструкторских работ, их периодичность, общие за­траты инженерного труда, возможность создания адекват­ного математического описания и оптимизационных про­цедур, необходимость повышения качественных показа­телей проектируемого изделия, сокращение сроков про­ектирования.

Существенным фактором при решении вопроса о це­лесообразности создания САПР является подготовленность соответствующего проектного подразделения к соз­данию и внедрению САПР. Подготовленность может быть оценена по следующим критериям:

  • возможность формализации проектно-конструкторских задач и реализации математических методов их решения;

  • наличие требуемых технических средств и необходи­мость приобретения и установки дополнительных агре­гатов;

  • подготовленность информационных фондов и техниче­ских средств хранения и обработки информации.

Кроме того, важно выявить факторы оценки подготов­ленности кадров для эксплуатации САПР, к которым можно отнести следующие:

  • соответствие внедряемой системы принятой организа­ции проектных работ;

  • наличие в проектно-конструкторской организации кад­ров для эксплуатации и поддержания работоспособности САПР;

  • отношение руководства организации к созданию си-темы и уровень организации этих работ;

  • психологическая подготовленность коллектива к вне­дрению САПР.

Техническое задание (ТЗ) является исходным доку­ментом для создания САПР и должно содержать наиболее полные исходные данные и требования. Этот документ разрабатывает головной разработчик системы. ТЗ на создание САПР должно содержать следующие основные разделы:

«.Наименование и область применения», где указы­вают полное наименование системы и краткую характе­ристику области ее применения;

«Основание для создания», где указывают наименование директивных документов, на основании которых создается САПР;

«Характеристика объектов проектирования», где при­водят сведения о назначении, составе, условиях примене­ния объектов проектирования;

«Цель и назначение», где перечисляют цель создания САПР, ее назначение и критерий эффективности ее функ­ционирования;

«Характеристика процесса проектирования», где при­водят общее описание процесса проектирования, требо­вания к входным и выходным данным, а также требования по разделению проектных процедур (операции), выполняемых с помощью неавтоматизированного и автоматизи­рованного проектирования;

«Требования к САПР», где перечисляют требования к САПР в целом и к составу ее подсистем, к применению в составе САПР ранее созданных подсистем и компонен­тов и т. п.;

«Технико-экономические показатели», где оценивают затраты на создание САПР, указывают источники полу­чения экономии и ожидаемую эффективность от приме­нения САПР.

На стадиях технического предложения, эскизного и рабочего проектирования выбираются и обосновываются варианты САПР, разрабатываются окончательные реше­ния. При этом выполняются следующие основные виды работ:

  • выявление процесса проектирования (его алгоритм), т. е. принятие основных технических решений;

  • разработка структуры САПР и ее взаимосвязи с дру­гими системами (определение состава проектных проце­дур и операции по подсистемам; уточнение состава под­систем и взаимосвязи между ними; разработка схемы функционирования САПР в целом);

  • определение состава методов, математических моделей для проектных операций и процедур; состава языков про­ектирования; состава информации (объем, способы ее организации и виды машинных носителей информации); состава общего, специализированного общего и специ­ального программного обеспечения;

  • формирование состава технических средств (ЭВМ пе­риферийные устройства и другие элементы);

  • принятие решений по математическому, информацион­ному, программному и техническому видам обеспечения по САПР в целом и отдельно по подсистемам;

  • расчет технико-экономических показателей САПР.

Оформление всей документации, необходимой для создания и функционирования САПР, выполняют на стадии рабочего проектирования.

На стадии изготовления, отладки и испытания произ­водят монтаж, наладку и испытание комплекса техниче­ских средств автоматизации проектирования, на тестовых примерах доводят программное обеспечение и подготавли­вают проектную организацию к вводу в действие САПР.

Ввод в действие системы осуществляют после опытного функционирования и приемочных испытаний у заказчика.


5. ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ В ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Важнейшим вопросом при создании САПР после фор­мализации процесса проектирования является вопрос отображения проектно-конструкторской деятельности ин­женера в программное обеспечение.

В общем, виде процесс проектирования в САПР можно упрощенно представить схемой, показанной на рис. 1. Эта схема отображает элементарную ячейку проектно-конструкторского процесса, из цепочки, которых состоит реальный автоматизированный процесс. Все системы про­ектирования, создаваемые с помощью современных средств вычислительной техники, являются автоматизирован­ными. Важнейшую роль в этих системах играет человек-инженер, разрабатывающий проект новых технических средств. Человек в САПР решает все неформализованные проектные задачи и задачи планирования работ. Совре­менная САПР является инструментом высококвалифици­рованного инженера-проектировщика, поэтому тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирова­ния — один из важнейших принципов построения и эксплуатации САПР.

Основным блоком в схеме процесса автоматизирован­ного проектирования (рис. 1) является блок проектных решений. В зависимости от полноты формализации наших знаний в конкретной предметной области проектное решение может быть выполнено автоматически или в интерак­тивном режиме. На основе входных данных и ограниче­ний (независимые параметры проектирования) блок изме­няет варьируемые параметры (факторы решения) до полу­чения приемле-



Ограничения



Получение проектных решений



Входные Варьируемые Проектные Проектные

данные параметры процедуры решения





Оценка результатов проектирования




Выходная документация


Рис. 1. Схема процесса автоматизированного проектирования


мых проектных решений (зависимых пере­менных).

Результаты проектирования должны быть представ­лены в виде, удобном для восприятия человеком, и содер­жать информацию, на основе которой инженер мог бы вынести суждение о результатах проектирования.

Если проектное решение утверждается, то оформляется требуемая выходная документация; если необходима кор­ректировка проекта, инженер, уточняя варьируемые пара­метры, в интерактивном режиме добивается нужных ре­зультатов; когда же проектно-конструкторский процесс не приводит к намеченной цели, необходимо уточнить входные данные и ограничения.

Рассмотрение даже такой упрощенной схемы процесса проектирования позволяет уточнить разделение функции между инженером и ЭВМ в САПР. Получение вариантов проектных решений и их представление в виде, удобном для восприятия человеком, может быть возложено на ЭВМ в той мере, в какой это позволит сделать математи­ческое обеспечение проектных процедур. Но даже при автоматическом получении вариантов проектных решений за инженером остаются важнейшие функции — ввод исход­ных данных для проектирования, окончательная оценка и утверждение проектных решении. В интерактивном же режиме проектирования инженер непосредственно уча­ствует в ходе решения задач, воздействуя на выбор фак­торов решения и уточняя независимые переменные. Полу­чение выходной документации в соответствии с существую­щими требованиями является операцией рутинной и должно выполняться автоматически.

На основании изложенного модель программного обес­печения автоматизированной проектной процедуры можно представить схемой, показанной на рис. 2.


Формирование Задание

входных данных варьируемых

параметров

Корректировка Список Список

входных данных входных варьируемых Распечатка

данных параметров варьируемых

Распечатка параметров

входных данных Расчетный

модуль Подготовка

Формирование Список Проектные данных для

ограничений ограничений решения оценки решений


К

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: