Основные сведения о САПР.

Лекция 1 Основные сведения о САПР Система автоматизированного проектирования (САПР) – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователей системы), выполняющий автоматизированное проектирование (ГОСТ 22487). Объектами проектирования в САПР могут быть здания, сооружения, металлорежущие станки и т.д., в САПР ТП – технологические процессы. Автоматизация проектирования осуществляется при помощи САПР. В САПР машиностроительных отраслей промышленности принято выделять системы функционального, конструкторского и технологического проектирования. Первые из них называют системами расчетов и инженерного анализа или системами CAE (Computer Aided Engineering). Системы конструкторского проектирования называют системами CAD (Computer Aided Design). Проектирование технологических процессов выполняется в автоматизированных системах технологической подготовки производства (АСТПП), входящих как составная часть в системы CAM (Computer Aided Manufacturing). Универсальные CAD/САМ /САЕ системы – предназначены для комплексной автоматизации процессов проектирования и производства продукции машиностроения. Условно их можно разделить на три группы в зависимости от их функциональных возможностей (функциональной полноте), набора модулей и структурной организации системы: системы низкого уровня; системы среднего уровня; полномасштабные системы. Системы низкого уровня обычно имеют ограниченный набор модулей, включающий геометрический моделлер (графическое ядро) с 3D поверхностной графикой (иногда с 3D-твердотельной), модуль визуализации трехмерных тел и некоторые другие. Как правило, системы низкого уровня эксплуатируются на недорогих ПЭВМ или дешевых рабочих станциях (PC). Подобные системы обычно не имеют модулей управления данными проекта, функционального анализа проекта и управления. механосборками. К нижнему уровню относятся программы, реализующие 2D модели в виде чертежей и эскизов, например: па-кеты российских разработчиков БАЗИС-Конструктор 4.5 (Базис), Графика-81 (Институт проблем управления), SprutCAD (СПРУТ-Технологии), чертежно-графический редактор АРМ Graph (НИЦ АПМ), CADMECH и CADMECH LT на базе AutoCAD и AutoCAD LT2000 (Интермех), T-Flex CAD LT (Топ Систе-мы), КОМПАС-ГРАФИК (Аскон), АДЕМ (Omega Technologies) и др. Фирмы постоянно наращивают возможности систем низкого уровня, приближая их к системам среднего уровня и полномасштабным системам. Системы среднего уровня имеют более широкий набор модулей , разра-батываемых в значительной мере фирмой собственником системы. Системы этого класса обеспечивают более высокую функциональность при про-ектировании машиностроительных изделий, однако не имеют развитых модулей управления проектными данными и механическими сборками. На среднем уровне располагаются программные комплексы, которые позволяют создавать трехмерную геометрическую модель сравнительно несложного изделия в основном методом твердотельного моделирования. К числу этих программных комплексов можно отнести: AutoCAD и AMD (AutoDesk), Solid Works (Solid Works), Solid Edge (Unigraphics Solutions), PowerSHAPE (Delcam pic), Prelude Design (Matra Datavision), MicroStation (Bentley Systems ), ГеММа-ЗD, T-Flex CAD 3D (Топ Системы), bCAD (ПроПро Группа), CREDO (НИЦ АСК), OceanCAD, Cimatron и др. Системы среднего уровня непрерывно развиваются и по своим возмож-ностям приближаются к полномасштабным системам, а в ряде случаев и превосходят их. Необходимо отметить, что системы низкого и среднего уровня позволяют решить 90% всех конструкторских и технологических за-дач, особенно там, где стандартные ситуации процесса проектирования преобладают. Полномасштабные CAD/CAM/CAE системы обладают наибольшими возможностями. Обычно это сложные многофункциональные системы, в состав которых входит большой набор модулей (до 40...50) различного функционального назначения. Типовой набор модулей полномасштабных систем включает: − графическое ядро (геометрический моделлер); − широкий набор модулей для различных видов анализа с использова-нием МКЭ и моделирования кинематики и динамики механизмов; − набор модулей для генерации управляющих программ для различ-ных видов обработки; − модули обмена данными различных графических форматов (ICES, STEP, DXF, VDAFS и др.); − модули управления данными проекта в гетерогенной сети (РDМ); − собственная или коммерческая СУБД. Этот базовый набор модулей дополняется различными вспомогатель-ными модулями, расширяющими возможности систем. Системы этого клас-са, как, правило, эксплуатируются на достаточно мощных графических ра-бочих станциях в среде ОС UNIX. Среди наиболее мощных программных систем сквозного проектирова-ния и производства, расположенных на верхнем уровне, можно выделить: CATIA5 (Dassault Systemes, Франция), EUCLID3 (EADS Matra Datavision, Франция ), UNIGRAPHICS (Unigraphics Solutions, США), Pro/ENGINEER и CADDS5 (PTC, США). Основные термины и определения Система (греческое слово SYSTEMA – целое, составленное из частей, соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой. В технике – совокупность взаимосвязанных технических объектов (приборов, машин, процессов), объединенных единой целью и общим алгоритмом функционирования. Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему членению. Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов, свойствами целенаправленности, целостности, членимости, иерархичности, многоаспектности. Очевидно, что современные автоматизированные информационные системы и, в частности, системы автоматизированного проектирования, являются сложными в силу наличия у них перечисленных свойств и признаков. Подсистема — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы. Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой. Структура — отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей; понятие структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров. Параметр — величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы. Параметры подразделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие свойства элементов системы, самой системы, внешней среды соответственно. Векторы внутренних параметров, выходных параметров и внешних параметров обозначаются соответственно. Фазовая переменная — величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы. Состояние — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования. Поведение (динамика) системы — изменение состояния системы в процессе функционирования. Система без последействия — ее поведение при определяется заданием состояния в момент и вектором внешних воздействий . В системах с последействием, кроме того, нужно знать предысторию поведения, т.е. состояния системы в моменты, предшествующие . Вектор переменных , характеризующих состояние (вектор переменных состояния) — неизбыточное множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы в дальнейшем (в автономных системах без последействия). Пространство состояний — множество возможных значений вектора переменных состояния. Фазовая траектория — представление процесса (зависимости ) в виде последовательности точек в пространстве состояний. К характеристикам сложных систем часто относят следующие понятия: Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы. Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым повторением или суммой параметров элементов. Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т.е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения целое-часть. Составными частями системотехники являются следующие основные разделы: 1. иерархическая структура систем, организация их проектирования; 2. анализ и моделирование систем; 3. синтез и оптимизация систем. Моделирование имеет две четко различимые задачи: 1. создание моделей сложных систем (в англоязычном написании — modeling); 2. анализ свойств систем на основе исследования их моделей (simulation). Синтез также подразделяют на две задачи: 1. синтез структуры проектируемых систем (структурный синтез); 2. выбор численных значений параметров элементов систем (параметрический синтез). Распределённая реализация проектных процедур – одна из основных тенденций в развитии современных САПР. Данная тенденция связана со спецификой организации виртуальной команды проектировщиков, находящихся на расстоянии друг от друга, для решения общей задачи. Актуальным является вопрос о реализации связующего программного обеспечения (middleware level), которое позволяет организовать взаимодействие между проектировщиками, и использовании облачных технологий для размещений связующего ПО, как одного из способов реализации системы распределённого проектирования. При создании системы распределённого проектирования основными задачами являются следующие: 1) Декомпозиция задач проектирования. 2) Распределение проектных работ. 3) Управление изменениями в проекте (как завершённой части проекта, так и актуальной, находящейся в разработке). 4) Создание эффекта одной комнаты (механизмы взаимодействия между проектировщиками, которые находятся на расстоянии и зачастую не знакомы друг с другом). Этапы развития САПР Создание и разработка САПР – одно из главных направлений научно технического процесса. Это объясняется тем, что промышленный потенциал страны определяется не только возможностями массового производства новейших изделий техники, но и возможностями их быстрого проектирования. Так как количество вновь разрабатываемых отраслями промышленности изделий удваивается каждые 15 лет, а их сложность каждые 10 лет, то требования к сроку и качеству их проектирования непрерывно растут. До последнего времени возникающие при этом проблемы решались в основном за счет постоянного увеличения численности инженерно–технических работников и частично за счет роста производительности труда. Такой экстенсивный путьразвития производства сегодня признан не эффективным. И еще один факт в пользу САПР. В мире производительность труда в промышленности за последние 100 лет в среднем возросла на 100%, а рост производительности труда в проектировании только на 20%. Поэтому внедрение средств ВТ в практику проектирования на системной основе, создание систем автоматизированного проектирования позволит устранить это противоречие, т.к. САПР является своеобразным конвейером для проектирования соответствующих изделий. История создания и развития САПР еще короче, чем история эволюции ЭВМ. Трудно назвать область человеческой деятельности, которая развивалась бы так быстро. В развитии САПР условно можно выделить четыре временных периода: 1. 50–60 гг. 20 столетия. В этот период проводились теоретические исследования возможности решения конструкторских задач на ЭВМ; 2. 60–70 гг. 20 столетия. В этот период осуществлялась разработка методов, алгоритмов и программ решения отдельных задач для различных этапов проектирования; 3. С 70 гг. по 90-е годы 20-го века ведется разработка и совершенствования САПР, а также продолжена работа по совершенствованию методов проектирования и созданию, соответствующей уровню технологического процесса конструктивной базы ЭВТ. 4. Начало 21 века характеризуется разработкой гибких и универсальных систем проектирования, которые могут использоваться в любых отраслях промышленности. САПР первого поколения позволяла решать отдельные технологические задачи, построенные на базе математического моделирования технологических процессов, которые не были информационно взаимосвязаны. Это являлось большим недостатком, поскольку отсутствие информационной взаимосвязи между проектируемыми процессами не давало возможности осуществления автоматизированного проектирования. В САПР второго поколения интенсивно разрабатываются небольшие, но информационно связанные между собой системы проектирования, которые позволяли охватить производство в целом, исключая нюансы и подробности технологии. В этот период появился многоуровневый иерархический методпроектирования, позволяющий осуществлять поэтапное автоматизированное проектирование и введение системы в работу. Недостатком этих систем являлась их узкая специализация, жесткая связь между программным и информационным обеспечением. В связи с этим, программное обеспечение не являлось универсальным, не было возможности его использования для различных технологических процессов. Поэтому появилась необходимость разработки САПР для различных технологических процессов, но для данного периода времени это было очень дорого. Учитывая основные недостатки комплексных средств САПР второго поколения, при разработке САПР третьего поколения было четко разделено информационное и программное обеспечение. Это позволило унифицировать САПР и дало возможность применения стандартных комплексных средств (КС САПР) в различных отраслях промышленности. Несомненно, это был существенный рывок для развития науки и технологий. И, наконец, САПР четвертого поколения, разработанные на стыке смены тысячелетий, отличаются гибкостью программного обеспечения, интеграцией решаемых задач, универсальностью и большими возможностями технического обеспечения, что позволяет применять их практически в любых отраслях промышленности.