САПР как объект проектирования

Проектированием называют процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания данного объекта и (или) алгоритма его функционирования. Проектирование включает в себя значительный комплекс исследовательских, расчетных и конструкторских работ, целью которых является получение описания предмета проектирования.
Автоматизированным называется проектирование, которое выполняется в процессе взаимодействия (обычно в режиме диалога) пользователя и ЭВМ. Автоматизация проектирования основана на систематическом использовании средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Система автоматизированного проектирования (САПР) — комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с подразделениями или коллективом специалистов (пользователем системы). САПР объединяет технические средства, математическое, программное, методическое, информационное, лингвистическое и организационное обеспечения, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач проектирования и конструирования.

Основной функцией САПР является выполнение автоматизированного проектирования на всех или отдельных этапах проектирования объектов и их составных элементов.

Объектами проектирования может быть продукция производственно-технического назначения (средства производства — технологическое оборудование и оснастка); технологические процессы, в результате реализации которых проекты объектов воплощаются в материально-вещественную форму; здания, инженерные сооружения; транспортные средства, средства связи, вычислительной техники; организационно-управленческие системы и т.д.

Проектом называется совокупность проектных документов, соответствующая заданному перечню. Проектирование по содержанию является процессом переработки определенного объема различной информации. Выход процесса представляет собой такое описание искомого объекта (его информационную модель в виде схем, чертежей, диаграмм, спецификаций, таблиц и другой документации), которое необходимо и достаточно для материально-вещественного воплощения идеи проектирования в конкретный физический объект.

Для создания САПР необходимы: совершенствование проектирования на основе применения математических методов и средств новейшей вычислительной техники; автоматизация поиска, обработки и выдачи информации; использование методов оптимизации и многовариантности проектирования; применение эффективных математических моделей проектируемых объектов; создание банков данных, содержащих систематизированные справочные сведения, обеспечивающие автоматизацию проектирования; повышение качества оформления проектной документации; унификация и стандартизация методов проектирования; подготовка специалистов в области САПР; взаимодействие проектных подразделений с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

Создание САПР является сложной научно-технической проблемой. Внедрение САПР требует значительных капитальных затрат.
Можно отметить ряд основных особенностей построения САПР.

САПР является человеко-машинной системой. Важная роль в ней принадлежит инженеру, разрабатывающего проект технического средства. Человек решает в САПР задачи, формализация которых еще не достигнута, а также задачи, решение которых на основе его эвристических способностей более эффективно, чем на современной ЭВМ. Одним из принципов построения и эксплуатации САПР является тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования.

САПР представляет собой иерархическую систему. Она реализует комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения (ПО) САПР в виде иерархии подсистемы.

Состав и структура САПР

Составными структурными частям САПР являются подсистемы. В подсистемах посредством специализированных комплексов средств решается функционально-законченная последовательность задач САПР.

Проектирующие подсистемы выполняют процедуры и операции получения новых данных. Они имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап проектирования или группу взаимосвязанных проектных задач. Примерами проектирующих подсистем являются: эскизное проектирование изделии, проектирование деталей (корпусных, валов, зубчатых колес и др.), проектирование технологических процессов сборки, механической обработки, других видов обработки.

Обслуживающие подсистемы имеют общесистемное применение и служат для обеспечения функционирования подсистем собственного проектирования, а также для оформления, передачи и вывода полученных в них результатов. Примеры обслуживающих подсистем: система управления базой данных; подсистемы документирования, графического ввода-вывода.

Комплексы средств относят к промышленным изделиям, подлежащим изготовлению, тиражированию и использованию в составе САПР. Их документируют как специфицируемые изделия. Комплексы средств подразделяют на комплексы одного вида обеспечения (технического, программного, информационного) и комбинированные (рис. 2.1). Первые включают в себя комплексы и (или) компоненты одного вида обеспечения. Вторые содержат совокупность комплексов и компонентов разных видов обеспечения. Комбинированные комплексы подразделяют на:
 программно-ме¬тодические (ПМК);
 программно-технические (ПТК).

Рис. 1. Виды комплексов и компонентов САПР
Классификация САПР
САПР классифицируют с целью решения ряда задач:
 составления укрупненного формализованного описания САПР согласно установленных признаков классификации;
 обозначения САПР, разрабатываемых в организациях различных отраслей промышленности;
 планирования повышения значений уровня автоматизации проектирования, эффективности САПР;
 задания условий для определения технически обоснованных норм обеспечения процесса создания, эксплуатации и развития САПР необходимыми ресурсами (специалистами, техническими средствами, информацией, энергией и т.д.).
К признакам, характеризующим САПР, относятся: тип, разновидность, сложность объекта проектирования: уровень, комплексность автоматизации проектирования; характер, число выпускаемых проектных документов; число уровней в структуре технического обеспечения САПР. Для получения представления о конкретной САПР она должна быть оценена по всем признакам.
Тип объекта проектирования. САПР подразделяются по этому признаку на девять групп:
 изделий машиностроения;
 изделий приборостроения;
 технологических процессов в машиностроении и приборостроении;
 объектов строительства;
 техно¬логических объектов в строительстве;
 программных изделий;
 организационных систем.
Разновидность объектов проектирования. Специальных обозначений объектов проектирования не установлено. Их указывают и кодируют согласно действующим в каждой отрасли промышленности системам обозначения документации на проектируемые системой объекты.
Сложность объекта проектирования. По этому признаку различают САПР:
 простых объектов с числом составных частей до 10;
 объектов средней сложности;
 сложных объектов;
 очень сложных объектов;
 супер сложных объектов.
Составной частью объекта проектирования, представляющего собой какое-либо изделие, является деталь. Если объектом проектирования является технологический процесс, то определить его составные части гораздо сложнее. В этом случае технологический процесс разделяют на элементарные технологические операции или разделяют объект проектирования на части условно согласно номенклатуре выпускаемой технологической документации.
Уровень автоматизации проектирования. По данному признаку различают САПР:
 низкоавтоматизированные (до 25%: проектных процедур);
 среднеавтоматизированные (25 -50%);
 высокоавтоматизированные (свыше 50%).
Комплексность проектирования. По этому признаку САПР подразделяют:
 одноэтапные;
 многоэтапные;
 комплексные.
Если автоматизирован какой-либо один этап проектирования определенного объекта, то САПР относят к первой группе. В случае, когда автоматизированы все этапы, САПР является комплексной.
Выпускаемые проектные документы. САПР подразделены на пять групп согласно выпускаемых ими проектных документов:
 на бумажной ленте и (или) листе;
 на машинных носителях;
 на фотоносителях;
 комбинированные (выдают документы на двух и более типах носителей).
Пятая группа оставлена резервной.
Число проектных документов. Число выпускаемых проектных документов характеризует производительность САПР. В соответствии с этим различают САПР малой, средней и высокой производительности.
Число уровней в структуре технологического обеспечения. По этому признаку САПР подразделяют на одно-, двух- и трехуровневые.
Основой одноуровневого комплекса технических средств (КТС) являются ЭВМ средней или высокой производительности и штатный набор периферийных устройств. В этих ЭВМ осуществляется программная обработка данных и их хранение. Одна или несколько ЭВМ образуют уровень, который называют центральным вычислительным комплексом (ЦБК). Если используются мини-ЭВМ, то КТС принято называть автоматизированным рабочим местом (АРМ).
Для эффективной связи пользователя с САПР и решения, помимо выполнения наиболее сложных программных процедур, большого количества простых задач в последней организуют второй уровень в компьютерно-интегрированном производстве.
Трехуровневые САПР, кроме технических средств двухуровневой системы имеют периферийное программно-управляемое оборудование: комплекс для контроля управляющих программ к станкам с ЧПУ; чертежные автоматы; установки для изготовления фотошаблонов.
Виды обеспечения САПР
Математическое обеспечение САПР
Наиболее сложным этапом создания САПР является разработка математического обеспечения (МО). Последнее во многом определяет производительность и эффективность работы САПР в целом. МО САПР базируется на алгоритмах, по которым разрабатывают программное обеспечение (ПО) САПР. МО САПР включает разнообразные элементы, среди которых имеются инвариантные — принципы разработки функциональных моделей, методы численного решения уравнений, поиски экстремума. По назначению и способом реализации МО САПР подразделяется на две части:
 математические методы и построение на их основе матема¬тические модели объектов проектирования;
 формализованное описание технологии автоматизирован¬ного проектирования.
Информационное обеспечение САПР (ИО САПР)
Основное назначение ИО САПР — уменьшение объемов информации, требуемой в процессе проектирования от разработчика, и исключение дублирования данных в прикладном, программном и техническом обеспечении САПР.
Основой информационного обеспечения (ИО) САПР являются данные, которые используют проектировщики для выработки проектных решений. Совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР, составляет ее информационный фонд. Данные могут быть представлены на различных носителях в виде тех или иных документов, содержащих справочные сведения о материалах, типовом оборудовании, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок.
ИО САПР состоит из описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий и их моделей, материалов, числовых значений параметров и других данных.
Кроме того, в ИО САПР входят правила и нормы проектирования, содержащиеся в соответствующей нормативно-технической документации, а также информация о правилах документирования результатов проектирования. Структура и содержание ИО САПР, а также характер его использования зависят от степени развития банка данных.
Данные ИО обычно группируются в отдельные массивы, каждый из которых относится к определенному объекту описания. Такие массивы называются файлами. Вся совокупность файлов образует базу данных, которую можно многократно использовать при проектировании для различных этапов и уровней.
Данные, которые являются результатом какого-либо одного процесса преобразования, могут являться исходными для другого процесса преобразования. Основным назначением ИО САПР является ведение информационного фонда, которое заключается в обеспечении создания, поддержки и организации доступа к данным. ИО САПР представляет собой, таким образом, совокупность информационного фонда и средств его ведения.
Вся разнообразная по содержанию информация, используемая в САПР, аккумулируется в базе данных (БД). Последняя создается на основе единой системы классификации, кодирования всей совокупности информации по форме, а также централизации БД для того, чтобы одними и теми же БД могли пользоваться и технологи конструкторы.
Информацию, используемую, в САПР можно подразделить на декларативную (например, описание типовых элементарных поверхностей, элементов формы и деталей; типовых технологических процессов обработки указанных элементов или заготовки в целом) и процедурную (например, процедуры формирования технологических маршрутов сборки, механической обработки).
Декларативная информация может быть статистической или динамической. Статическая характеризуется редкими изменениями. Динамическая информация состоит из промежуточных и результирующих данных процесса проектирования. Динамическая информация переходит в статическую в случае, когда САПР запрограммирована на постоянное пополнение своей БД, за счет вновь встречающихся случаев проектирования (создание прецедентов).
В БД в общем случае аккумулируются: директивная информация, представляющая собой задание на проектирование, стандарты, руководящие материалы и документы, стандарты предприятий; нормативная информация, представляющая собой классификаторы, правила кодирования и декодирования, методы расчета и конструирования, анализа и синтеза, моделирования, практические рекомендации эвристического характера, обобщающие опыт ручного проектирования и т.д.; фактографическая информация являющаяся неколичественными и количественными справочными, каталожными и паспортными данными, типовыми решениями, прототипами, аналогами и прецедентами.
Первоначальная форма информации может быть документальной (например, в виде "технологической карты обработки типовой детали"), иконографической (например, чертеж инструмента, приспособления) или фактографической (например, технологический диапазон параметров оборудования, взятый из его паспорта).
БД должна постоянно пополняться информацией на основе разработки систем классификации и кодирования. Это позволяет, например, эффективно использовать принципы групповой технологии сборки или обработки и избегать повторных разработок путем применения вместо них выполненных ранее разработок.

Программное обеспечение САПР
Программное обеспечение САПР (ПО САПР) представляет собой совокупность машинных программ и сопутствующих им эксплуатационных документов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Полнота, свойства и характеристики ПО - определяют функциональные возможности, область и эффективность использования САПР.
ПО САПР состоит из документов с текстами программ, программ на всех видах машинных носителей, а также эксплуатационных документов (инструкций по применению и т.д.).
Совокупность машинных программ, представленных в заданной форме, необходимых для выполнения какой-либо машинной процедуры называют пакетом прикладных программ (ППП).
Часть ПО, служащая для управления процессом переработки информации на ЭВМ, называется операционной системой (ОС).
Программное обеспечение подразделяют на общесистемное (общее) и прикладное (специальное).
Общесистемное ПО служит для организации функционирования технических средств.
Прикладное ПО ориентировано на конкретную предметную область автоматизированного проектирования.
Программы, входящие в ПО, должны:
 обеспечивать экономичность использования ресурсов ЭВМ (памяти и времени процессора), т.е. быть эффективными;
 обладать надежностью;
 обладать структурностью и модульностью, которые заключаются в том, что сложная задача может быть разделена на более простые, каждой из которых соответствует определенный программный модуль;
 допускать модифицируемость, т.е. вносимые в программы изменения не должны ухудшать их качества;
 допускать переносимость на новые виды вычислительной техники и технологических задач;
 быть согласованными, т.е. данные, которые используются в двух и более программах, должны входить в числовые массивы, не требующие коррекций при переходе от одной программы к другой;
 быть "дружественными", т.е. удобными для пользования.
Лингвистическое обеспечение САПР
Лингвистическое обеспечение САПР представляет собой совокупность представленных в заданной форме языков (включая термины и определения, правила формализации языка, а также методы сжатия и развертывания текстов), необходимых для автоматизированного проектирования. Языки, которые используются в вычислительной технике, являются алгоритмическими. Они служат для задания определенных алгоритмов переработки информации и построены посредством набора символов и системы правил соответствующего языка.
В САПР применяют языки программирования и языки общения человека с ЭВМ.
С помощью языков программирования составляются программы, входящие в состав общесистемного или прикладного ПО. Эти языки подразделяют на языки низкого и высокого уровней.
Языки низкого уровня — машинные языки, операторы которых состоят из машинных команд, и ассемблеры, т.е. языки символического кодирования, в которых использованы мнемонические обозначения машинных команд.
Языки высокого уровня не предполагают знания пользователем машинного языка. Они не связаны с определенным типом ЭВМ. Поэтому возможен перевод программ с одной ЭВМ на другую. Одна команда языка высокого уровня переводится на несколько команд машинного кода. Выражения языка соответствуют области его применения и имеют жесткую табличную форму. К языкам такого уровня относятся алгоритмические языки программирования ФОРТРАН, БЕЙСИК, КОБОЛ, АЛГОЛ, ПАСКАЛЬ, АПЛ, С++ и др.
Входной язык САПР ориентирован на проблему проектирования объектов определенной области, т.е. является проблемно-ориентированным языком (ПОЯ) и предназначен, как правило, для использования в диалоговом режиме. В ряде случаев ПОЯ строят так, что описание любой задачи или задание на ее решение включает в основном оригинальные термины физического и функционального содержания. Переход от физического и функционального описания какой-либо задачи к программам для ЭВМ выполняется затем автоматически посредством транслятора. В других случаях, например, при решении задач геометрического типа, ПОЯ объединяет средства алгоритмического языка высокого уровня, обеспечивающие решение вычислительных математических задач и специальное языковые средства моделирования геометрических объектов. Транслятор алгоритмического языка, при этом, дополняют специальными программами.
Таким образом, ПОЯ может подробно описать:
 задание на проектирование, т.е. описать совокупность констатирующих и ограничительных условий, образующих "модель выхода";
 объекты, рассматриваемые при проектировании (описать набор всех вариантов всех объектов, фигурирующих как "выбираемые факторы"), все промежуточные и результирующие решения;
 все те процедуры, которые необходимо выполнить, чтобы получить решение.
Первые два условия определяют ПОЯ как язык описания объекта, третье — как язык описания задания.
Входные языки САПР должны отвечать следующим основным требованием: полно описывать любые объекты, на проектирование которых ориентирована данная САПР; иметь удобный алфавит и синтаксис текста, а также привычность геометрических построений; обеспечивать лаконичность записи; обеспечивать однозначность интерпретирования и толкования всех текстовых и графических построений; допускать возможность развития и корректировки языка в соответствии с совершенствованием САПР.
Техническое обеспечение САПР
Технические обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств (компонентов), служащих для выполнения автоматизированного проектирования; при этом каждое средство выполняет определенную функцию проектирования.
Технические средства классифицируются следующим образом.
 Подготовки и ввода данных предназначены для автоматической подготовки, кодирования, визуального контроля и редактирования вводимой в ЭВМ буквенно-цифровой и графической информации, а также нанесения данных на различные машинные носители информации.
 Передачи данных обеспечивают дистанционную связь технических средств по различным каналам связи.
 Программной обработки данных осуществляют прием цифровых данных, их обработку, накапливание и вывод на машинные носители, устройства отображения и в каналы связи.
 Ведения архива проектных решений выполняют хранение, контроль, восстановление и размножение данных о проектных решениях и др.
Методическое обеспечение САПР
Под методическим обеспечением САПР понимают совокупность документов, устанавливающих состав и правила выбора и эксплуатации средств обеспечения автоматизированного проектирования, необходимых для его выполнения.
Организационное обеспечение САПР
Под организационным обеспечением САПР понимают совокупность документов, устанавливающих структуру и функции предприятия или организации, взаимодействующих с САПР, а также определяющих порядок ведения документации. Организационное обеспечение САПР как самостоятельная компонента содержит различные положения, инструкции, приказы, квалификационные требования, штатные расписания и ряд других документов, регламентирующих организационную структуру подразделений проектной организации, а также взаимодействие подразделений со средствами автоматизированного проектирования.
САПР в компьютерно-интегрированном производстве
Отражая сложившуюся практику последовательной реализации процессов конструирования и разработки технологии, САПР принято делить по крайней мере на два основных вида:


САПР конструирования изделий (САПР И);





САПР технологии их изготовления.

САПР конструирования изделий (CAD) выполняют объемное и плоское геометрическое моделирование, инженерный анализ, оценку проектных решений, получение чертежей. Исследовательский этап САПР изделий иногда выделяется в самостоятельную автоматизированную систему научных.
САПР технологии изготовления (CAM), которые в России принято называть автоматизированной системой технологической подготовки производства (АСТПП). Задачей САПР технологических процессов (САПР ТП) является разработка технологической документации (маршрутной, операционной), доводимой до рабочих мест и с разной степенью подробности регламентирующей будущий процесс изготовления детали.
Самостоятельное, не связанное между собой, функционирование систем САD и САМ дает экономический эффект, размер которого может быть существенно увеличен интеграцией этих систем (рис.2) посредством САРР. Такая интегрированная система САD/САМ на информационном уровне поддерживается единой БД, в которой хранится информация о структуре и геометрии изделия (как результат проектирования в системе САD), о технологии изготовления и УП для оборудования с ЧПУ (как исходная информация для обработки в системе САМ на оборудовании с ЧПУ).

Рис.2. Элементы интегрированной системы

В настоящее время основной тенденцией в достижении высокой конкурентной способности западных предприятий является переход от отдельных замкнутых САПР и их частичного объединения к полной интеграции технической и организационной сфер производства. Такая интеграция связывается с внедрением модели компьютерно-интегрированного производства (КИП), или по-английски СIM.
На рис. 3 представлены основные этапы построения и организационно-технические САПР, реализующие СIM.

Рис.3. Основные системы CIM

Практический опыт создания и эксплуатации СIM показывает, что стратегическая концепция создания СIM должна охватывать процессы проектирования, изготовления и сбыта продукции при компьютерно-интегрированном производстве. Проектирование должно начинаться с изучения конъюнктуры рынка и кончаться вопросами доставки продукции потребителю.
Построение СIM включает решение проблем:
 информационного обеспечения (отход от принципа централизации и переход к координированной децентрализации на каждом из рассмотрен¬ных уровней как путем сбора и накопления информации внутри отдельных подсистем, так и в центральной БД);
 обработки информации (стыковка и адаптация программного обеспечения различных подсистем) и физической связи подсистем (интерфейсы, т.е. стыковка, аппаратных средств ЭВМ, включая использование вычислительных сетей).
Внедрение СIM значительно сокращает общее время прохождения заказа за счет снижения времени передачи с одного участка на другой и снижения времени простоя при выполнении заказа, а также вследствие перехода от последовательной к одновременной обработке; повышает производительность путем устранения или существенного ограничения повторяемых ручных операций подготовки и передачи данных (например, машинное отображение геометрических данных можно использовать во всех отделах, связанных с конструированием изделий).

Литература

«ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАЧ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА». Учебное пособие Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого на сайте по адресуПрактическое руководство по HTML

ONE KO KO SOE,2010. E-mail:onekokosoe@mail.ru