Понятие проектирования как процесса. Задачи проектировщика. Трудности проектирования. Проектирование: искусство или наука. Проектирование как объект автоматизации. Аспекты и иерархические уровни проектирования. Стадии, этапы и процедуры проектирования. Виды проектирования. Принципы создания САПР. Состав и структура САПР. Автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП) или (САМ). Интеграция средств САПР и АСТПП (САМ) в единый процесс. Тактическое значение применения интегрированных систем САПР/АСТТП (интегрированная система автоматизации — ИСА). Роль САПР АСТПП в производственном цикле. Компоненты видов обеспечения САПР. Способы задания параметризованной геометрической модели. Параметрическое конструирование с полным набором связей. Параметрическое конструирование с неполным набором связей. Ассоциативная геометрия. Объектно-ориентированное моделирование. Программное обеспечение САПР. Средства двумерного черчения. 3D моделирование. Поверхностное моделирование. Твердотельное моделирование (ТМ). Информационное обеспечение САПР. СУБД - Система Управления Базами ДанныхСистема управления производственной информацией (PDM). EPD – полное электронное описание изделия. Техническое обеспечение САПР. Лингвистическое обеспечение САПР. Методическое обеспечение САПР. Организационное обеспечение САПР. Классификация САПР. Взаимодействие САПР с другими автоматизированными системами. Эргономика и автоматизированные системы. Автоматизированное моделирование процесса взаимодействия человека и машины, применение эргономических пакетов.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение Высшего профессионально образования Сибирский государственный аэрокосмический университет Им. Академика М.Ф. Решетнева Лекции по предмету «САПР в сварке» Направление подготовки: 150200.«Машиностроительные технологии и оборудование» Специальность: 150202.65 - «Оборудование и технология сварочного производства» Специализация: 150202.01. Производство сварных конструкций Красноярск 2011 Введение Прогресс науки и техники, потребности в новых промышленных изделиях обусловливают необходимость выполнения проектных работ большого объема. Проектирование машин и систем машин является многоэтапным динамическим процессом. Это процесс творческий, многоплановый и достаточно трудоемкий. Как правило, проектирование машин, в том числе подъемно - транспортных, строительных и дорожных машин и оборудования, осуществляется большим коллективом различных специалистов с использованием многочисленных расчетных, экспериментальных, эвристических методов и приемов. Современная практика проектирования машин и систем машин свидетельствует о том, что для достижения успеха инженер должен одинаково хорошо ориентироваться в следующих шести областях: - в самом объекте, процессе, системе проектирования; - в аппарате обработки и анализа входной и выходной информации об объекте, процессе, системе и внешней среде; - в математическом моделировании, т. е. в искусстве постановки и формализации задачи, которое заключается в умении перевести техническое задание с языка проблемно-содержательного на язык математических схем и моделей и далее в специальное программное обеспечение; - в методах поиска оптимального решения; - в соответствующем программном обеспечении систем автоматизированного проектирования (диалоговых системах, банках данных, базах знаний и др.); - в свободном владении средствами вычислительной техники. Требования, предъявляемые к качеству проектов, срокам их выполнения, оказываются все более жесткими по мере увеличения сложности проектируемых объектов и повышения важности выполняемых ими функций. Удовлетворить эти требования с помощью простого возрастания численности проектировщиков нельзя, так как возможность параллельного проведения проектных работ ограничена и численность инженерно-технических работников в проектных организациях страны не может быть заметно увеличена. Решить проблему можно на основе автоматизации проектирования - широкого применения вычислительной техники. Цель автоматизации проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа инженернотехнических работников, занятых проектированием, повышение производительности их труда. Однако не всегда переход от традиционных неавтоматизированных методов проектирования к автоматизированным обеспечивает достижение указанной цели. Например, часто удается ускорить процесс проектирования без улучшения качества изделий, в отдельных случаях не наблюдается непосредственного снижения материальных затрат. Тем не менее важен эффект ускорения научно-технического прогресса в данной области техники. Применение ЭВМ для решения отдельных проектных задач началось одновременно с их появлением. Однако оно было скорее эпизодическим, чем систематическим. Обычно в каждом конкретном случае инженер заново составлял программу решения, используя традиционные методы проектирования. Поскольку эти методы разрабатывались для неавтоматизированного проектирования, их копирование при автоматизированном проектировании не могли дать ожидаемого эффекта. Необходим обоснованный выбор методов машинного решения задач, подразумевающий правильный учет возможностей вычислительной математики и вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности, степени универсальности, малых затрат машинного времени, памяти и труда инженеров-проектировщиков на сбор исходной информации. Для автоматизированного проектирования характерно систематическое использование ЭВМ при рациональном распределении функций между человеком и ЭВМ. На ЭВМ решаются задачи, поддающиеся формализации, при условии, что их машинное решение более эффективно, чем ручное. К таким задачам относится выполнение многих процедур оформления технической документации, получения планов размещения оборудования, решения систем уравнений, описывающих процессы в проектируемых объектах, и т. д. Как правило, на ЭВМ не только решаются, но и автоматически составляются системы уравнений на основе лаконичного исходного описания объекта и имеющихся в памяти ЭВМ сведений. Программы разрабатываются единожды, а применяются многократно в различных ситуациях, возникающих при проектировании многих объектов. Именно поэтому, инженеру-пользователю необходимо знать методы и алгоритмы, реализованные в программах САПР, что поможет избежать ошибок в формулировке задач, выборе исходных данных, интерпретации результатов и получить их с наименьшими затратами общего и машинного времени. Граница между автоматизированным и неавтоматизированным проектированием не может быть четкой. Она зависит от конкретных условий и должна изменяться по мере развития математики, вычислительной техники и теории проектирования. То, что сегодня представляется наилучшим распределением функций между человеком и ЭВМ и оптимальным методом решения, завтра может перестать быть наилучшим и оптимальным в связи с расширением знаний и технических возможностей. Универсальность многих положений автоматизации проектирования имеет ту же природу, что и общность приемов математического исследования различных физических объектов и явлений. Следует отметить, что развитие автоматизации проектирования выражается прежде всего в совершенствовании и углублении именно математических приемов исследования, поэтому появление и развитие автоматизированного проектирования стимулирует создание общей теории инженерного проектирования. Понятие проектирования как процесса. Что такое проектирование? В большинстве промышленно развитых стран литература о методах проектирования начинает появляться в 50-60 годах XIX в. До этого времени было достаточно знать, что проектирования - это то, чем занимаются архитекторы, инженеры, художники-прикладники и т.д., когда создают чертежи для своих клиентов и для целей производства. Теперь положение изменилось. Имеется множество профессиональных проектировщиков, подвергающих сомнению методы, которым их обучили, и появилось множество новых приемов, призванных сменить традиционные процедуры. Критике традиционных и пропаганде новых методов свойственна одна общая черта: и в том и в другом случае обнаруживается стремление выявить сущность проектирования и изложить ее в виде некоего стандартного метода, дать своего рода рецепт, на который можно было бы положиться во всех ситуациях, они говорят не о результатах проектирования, а о его составных частях. Чтобы найти более надежную основу для рассуждений, попытаемся дать определение проектирования, исходя не из течения самого процесса, а из его результатов. Для этого достаточно рассмотреть конец той цепочки событии, которая начинается с пожелании заказчика, включает в себя проектирование, производство, сбыт, потребление и заканчивается влиянием вновь спроектированного объекта на мир в целом. Единственное, что можно утверждать с уверенностью, - это то, что общество (мир) стало после этого иным, чем оно было до появления данного объекта. Если проект был удачным, он вызвал именно такие изменения, на которые рассчитывал заказчик. Если проект оказался неудачным (что, вообще говоря, случается чаще), его конечное влияние может быть весьма далеким от расчетов заказчика и прогнозов проектировщика, и все же он и в этом случае вызовет изменение того или иного характера. В любом случае мы можем, следовательно, заключить, что цель проектирования - положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде. Эту простую, но уни- версальную формулировку можно принять хотя бы в качестве рабочего определения того расширяющегося процесса, который когда-то протекал за чертежной доской, а сегодня включает в себя "научные исследования и опытно-конструкторские разработки", снабжение, разработку технологии, подготовку производства, сбыт, системное проектирование и многое другое (рис.1.1). Уже при беглом взгляде на это всеобъемлющее определение видно, что оно охватывает деятельность не только конструкторов, архитекторов и других "профессиональных" проектировщиков, но также плановиков и экономистов, законодателей, администраторов, публицистов, ученых - специалистов прикладных наук, участников движений протеста, политиков, членов "групп давления" - всех тех, кто стремится осуществить изменения в форме и содержании изделий, рынков сбыта, городов, систем бытового обслуживания, общественного мнения, законов и т.п. Задачи проектировщика. Как мы уже видели, цель проектировщика традиционного типа заключалась в том, чтобы разработать чертежи, которые могли бы получить одобрение клиента и дать необходимые указания изготовителю. Из нашего определения проектирования как процесса, который кладет начало изменениям в искусственной среде, следует, что должны существовать какие-то другие цели, достижимые до окончания и даже до начала разработки чертежей. Проектирование оказывается все меньше направленным на сам разрабатываемый объект и в все больше — на те изменения, которые должны претерпеть производство, сбыт, потребитель и общество в целом в ходе освоения и использования нового объекта. Такой взгляд на проектирование как на длинную цепь взаимосвязанных предположений и уточнений иллюстрируется рис. 1.2. Процесс внесения изменений в искусственную среду представляется как ряд событий, который начинается с поступления материалов и комплектующих изделий на завод-изготовитель и заканчивается эволюционными изменениями в обществе под воздействием системы, в которую входит новое изделие. Каждое из этих событий представляет собой особый этап в существовании изделия и зависит от предшествующего события. Ни заказчики, ни проектировщики не могут непосредственно влиять на всю последующую историю изделия, оно выходит из-под их контроля еще до поступления в производство. Заказчик дает проектировщику ориентировочные указания о том, какого будущего состояния внешнего мира он хотел бы добиться. Для владельца машиностроительной фирмы это может быть определенная доля участия в рынках сбыта, например заранее установленная сумма продаж (блок в середине верхнего ряда на рис.1.2). Если заказчику необходимо новое здание, в его заказе будут указаны расположение и размеры помещений, необходимых для размещаемой системы, т.е. будут определены системные требования (блок справа вверху на рис. 1.2). Нижняя половина рис. 1.2 показывает, что в соответствии с полученными заданиями проектировщик должен подготовить свои предложения. От него требуется тем или иным способом предсказать свойства объекта и реакцию на них на каждом этапе его существования. Для этого он на каких-то моделях проводит экстраполяцию от известных характеристик аналогичных конструкций в прошлом к поведению объекта в будущем, в новой среде. При этом в отношении каждого этапа существования объекта у проектировщика возникают вопросы, указанные в табл.1.1. Таблица 1.1. Вопросы, на которые должна ответить проектная группа Вопросы относительно проектируемого объекта Кто дает на них ответ Заказчик и финансирующие Понравится ли проект заказчику? организации В интересах ли заказчика вложить капитал в этот проект? Будет ли проект принят к осуществлению? Оптимальным ли образом в проекте используются доступные материалы и комплектующие изделия? Можно ли достаточно экономично реализовать проект в рамках имеющихся ресурсов? Можно ли распространить проект по существующим каналам? Каковы требования к внешнему виду, эксплуатационным характеристикам, надежности и пр.? В какой мере проект будет согласован с другими изделиями или конкурировать с ними? В какой мере он изменит существующую ситуацию, создаст ли новые потребности, новые возможности и новые трудности? В какой мере его прямые и побочные эффекты приемлемы для всех, кого они касаются? Поставщики Изготовители Работники сбыта Потребители и торгующие организации Другие заказчики Операторы больших систем Государственные учреждения и общественные группы Трудности проектирования Обратимся теперь к различным организациям, куда в период своего существования попадает новое изделие (см. рис.1.2), и рассмотрим межпрофессиональные и межличностные препятствия, возникающие при необходимости проведения проектных работ одновременно на уровне систем и на уровне изделий. Заказчики В основе всех затруднении лежит тот факт, что заказчики, финансирующие разработку новых систем, чаще всего имеют слишком узко направленную материальную заинтересованность и обладают недостаточным влиянием на других операторов систем, с которыми им приходится сотрудничать. Чаще всего бригада проектировщиков получает краткое техническое задание, отражающее интересы заказчиков на данный момент. В ответ проектировщики могут выдвинуть встречные предложения, которые, как они справедливо считают, позволят существенно, а не только поверхностно повысить эксплуатационные характеристики системы. Если в этих встречных предложениях будут обрисованы принципиально новые виды изделий, необходимые для осуществления этих предложении, то заказчики едва ли сразу воспылают любовью к этому незнакомому им младенцу и вряд ли распознают в нем важный элемент их собственного будущего. Такой холодный прием еще более вероятен, если возросшие размеры системы потребуют в будущем слияния финансирующей организации с другими фирмами. Бригада проектировщиков Если бригада проектировщиков представляет собой работоспособную группу "людей организации", объединенных общими интересами своего предприятия, то ее членам могут оказаться по плечу самые глубокие преобразования, какие только можно осуществить в пределах данной организации. Если же для решения задачи необходимо изменить границы организации, группе придется учитывать новые интересы и включить в себя представителей новых специальностей, которые до сих пор в ней не работали и не имели времени ознакомиться с позицией и способностями каждого члена группы. Некоторые из них по своему опыту и знаниям будут слишком тесно связаны с теми компонентами существующей системы, которые сдерживают прогресс, и может оказаться, что ни один из них не обнаружит достаточного понимания и опыта для того, чтобы быстро оценить возможности реализации всех или некоторых новых элементов, необходимых для совершенствования системы. Кроме того, проектировщики будут часто проходить мимо того факта, что элементы существующей системы, которые войдут в новую систему, будут работать в ней в изменившихся условиях, так что на сохранение их показателей и их надежность уже нельзя полагаться без новых, тщательно проведенных испытаний. (Так, например, раньше при разработке грузоподъемных кранов, несущая металлоконструкция проектировалась без учета установки на ней аппаратуры управления, приборов безопасности и т.д., из-за чего возникали существенные сложности между инженерами-электриками и инженерами-механиками). Поставщики Поставщики материалов и комплектующих изделий легко могут переоценить имеющиеся у них возможности удовлетворить требования, предъявляемые радикально новым изделием, и не заметить многочисленных препятствий, которые им придется преодолеть при детальном приспособлении своего производства к требованиям новой конструкции. Однако им зачастую может быть безразлична форма существующего изделия, их может интересовать лишь объем и регулярность заказов, которые они рассчитывают получить. Поэтому контакты с потенциальными поставщиками на ранних этапах разработки крупного проекта могут помочь преодолеть многие силы, оказывающие сопротивление всякому изменению существующего положения. Изготовители Основная трудность здесь не в том, что изготовители (инженеры-технологи) противятся изменениям, а в том, что им не удается сколько-нибудь точно прогнозировать стоимость предлагаемых изменений в проекте до того, как будет разработана подробная технология, т. е. когда такие прогнозы в значительной мере уже потеряют свою ценность для бригады проектировщиков. Дело в том, что уже весьма незначительные изменения конструкции могут сильно повлиять на издержки производства изделия. На вопрос об осуществимости и стоимости определенного конструктивного решения, еще не воплощенного в рабочие чертежи, конструктор чаще всего получает от технолога один из следующих двух одинаково бесполезных ответов: "совершенно нетехнологично" или "никаких проблем". Ни в том, ни в другом случае технолог не может убедительно аргументировать свое утверждение, и у конструктора создается впечатление, что это совершенно необоснованный ответ самоуверенного человека. Таким образом, одним из следствии реорганизации системы является лишение проектировщиков точных стоимостных оценок, без которых не может быть уверенности в целесообразности предлагаемых крупных изменений. Работники сбыта Каналы сбыта - наверное, самый стабильный элемент во всей этой картине. Их создание и изменение требуют наибольших затрат, поскольку они строятся на трудно приобретаемом опыте и доверии тех людей, которым удалось согласовать существующую продукцию с широко варьирующимися взглядами оптовиков, работников рекламы, агентов по распространению и розничных торговцев, каждый из которых по-своему понимает интересы потребителя. Сбытовики не всегда материально заинтересованы в сохранении существующей конструкции изделия; нередко они высказывают свое недовольство фирмой, которая не поспевает за происходящими, по их мнению, изменениями спроса. Им, однако, свойствен тот недостаток, что они неизбежно смотрят на потенциальный спрос глазами покупателя, с которым они встречаются, а такой взгляд по самой своей природе направлен лишь на небольшие отклонения от существующего, поскольку у покупателя никакого иного опыта нет. Таким образом, проекты радикального улучшения технических характеристик изделия встретят поддержку сбытовиков лишь в той мере, в какой потребитель уже начал требовать таких изменений. Покупатели Иногда покупатель и потребитель соединены в одном лице, иногда же это разные люди. В любом случае их, однако, надо рассматривать по отдельности из-за очевидного различия между реакцией человека на изделие, которое он никогда ранее не видел, и его же реакцией на него после того, как он приобрел опыт пользования этим изделием и приспособился к нему. Больше всего препятствуют переменам, во-первых, неумение покупателя заранее определить свою или чужую способность приспособиться к новому изделию и, во-вторых, "выставочный эффект", благодаря которому новое изделие обладает или не обладает непосредственной силой воздействия на покупателя, позволяющей ему преодолеть его природную нерешительность. Здесь снова конечный результат получается не в пользу радикально новой конструкции, потому что заявления об ее эксплуатационных преимуществах покупателю приходится принимать на веру и потому что потенциальный покупатель обычно стремится приобрести такое новое изделие, которое придавало бы ему самому желательные для него черты в глазах окружающих. Потребители Потребитель очень чувствителен к небольшим, но имеющим значение различиям в стиле, цвете или рисунке, но может быть совершенно равнодушен к подлинно новым формам, которые не приобрели еще широкого признания или социальной значимости. Эта особенность отношений — сильный аргумент против того, чтобы базировать новые конструкции на результатах опросов потребителей и выявлении их предпочтений. Потребители очень медленно приспосабливаются к изменениям в конструкции изделий и не могут заранее определить свою реакцию на них. Операторы систем Здесь идет речь о том, что при проектировании системы неизбежно разбиение ее на ряд подсистем, в каждой из которых руководитель (как правило - менеджер) выступает в роли оператора. Когда речь идет об исключительном случае создания принципиально новой системы, ответственность за которую еще никто на себя не взял, интересы и взгляды операторов существующих систем лишь частично будут отражать достоинства и недостатки разрабатываемой системы. Общество На дальнем конце цепи событий, из которых складывается история создания и существования изделия, лежит та единственная сфера, в которой отражаются все радикальные изменения, внесенные при разработке новой или реорганизации старой системы. Политические действия и общественный протест зачастую единственные каналы, по которым удается оказывать влияние на основные аспекты социально-технических изменений. Главная трудность заключается в том, что проектировщик должен на основании современных данных прогнозировать некоторое будущее состояние, которое возникнет только в том случае, если его прогнозы верны. Предположения о конечном результате проектирования приходится делать еще до того, как исследованы средства для его достижения. Проектировщик вынужден прослеживать события в обратном порядке, от следствий к причинам, от ожидаемого влияния данной разработки на мир - к началу той цепочки событий, в результате которой и возникнет это влияние. Часто случается, что в ходе такого прослеживания на одной из промежуточных ступеней обнаруживаются непредвиденные трудности или открываются новые, более благоприятные возможности. Именно эта нестабильность самой задачи и придает процессу проектирования гораздо более сложный и интересный характер, чем обычно думают те, кто никогда им не занимался. Бригада проектировщиков должна добиться, чтобы каждый из многочисленных и разнообразных показателей, интересующих заказчика ("требуемые результаты", рис.1.2), обладал двумя свойствами: а) не выходил за пределы возможностей поставщиков, изготовителей, системы сбыта и т.д. ни на одном из этапов существования изделия; б) был увязан с тем, что ему предшествует, и с тем, что за ним следует. Проектирование: искусство или наука Скажем сразу, что проектирование не следует путать ни с искусством, ни с естественными науками, ни с математикой. Это сложный вид деятельности, в котором успех зависит от правильного сочетания всех этих трех средств познания; очень мала вероятность добиться успеха путем отождествления проектирования с одним из них. Основное различие связано с временными отношениями. Деятели искусства и науки имеют дело с физическим миром (реальным или символическим) в том виде, в каком он существует в настоящее время, а математики оперируют с абстрактными отношениями, не зависящими от календарного времени. Проектировщики же всегда вынуждены считать реальным то, что существует лишь в воображаемом будущем, и искать пути претворения в жизнь предвидимых объектов. Интересно сопоставить подходы, методы и критерии, используемые в естественных науках, в искусстве и в математике. Цель ученого — точно описать и объяснить наблюдаемые явления. Для его подхода характерны профессиональный скептицизм и сомнения. Его главная методика — тщательно поставленный эксперимент, призванный опровергнуть гипотезу, доказав истинность обратного утверждения. Художник - скажем, живописец или скульптор — тоже не связан в своей деятельности с будущим, его больше всего интересует настоящее. Его цель состоит в обработке (с испытываемым при этом удовлетворением) материала, существующего одновременно с его деятельностью. Конечно, есть художники, которые пользуются эскизами, моделями, наборами мелодий и т.д., планируя тем самым свою работу, но при этом они прибегают к методу сознательного предвидения, типичному для проектировщика, отходя от свойственной художнику импульсивности и непосредственности. Художник культивирует в себе уверенность, готовность действовать при полном или почти полном отсутствии внешних свидетельств, на которые могло бы опереться его воображение. Он действует в "реальном времени", в полной мере используя высокоразвитую способность своей нервной системы остро реагировать на интуитивно схваченную картину реального мира. Математика рассматривает не физический мир, а мир отношений, точный и вневременной. Любая задача, существование которой постулировано и которую можно представить в символической форме, принимается как таковая, не требуя научных сомнений и пояснений. Для постановки задачи не приходится обрабатывать какой бы то ни было физический материал. Для математика задача существует с того момента, как он ее поставил, и нужно лишь логическим путем найти ее решение. Это решение, которое может быть выражено в абстрактных символах, обязано быть абсолютно верным, но может, помимо того, быть еще и "изящным". После краткого рассмотрения этих трех областей деятельности укажем, в чем их сходство и различие с проектированием, которое иногда с ними путают. Прежде чем предсказывать будущее, разработчик должен в достаточной мере знать настоящее, а для этого он должен обладать свойствами ученого: скептицизмом, умением поставить эксперимент и проанализировать его результаты. Однако, когда разработчик переходит от настоящего к будущему, позиция сомневающегося ученого становится для него бесполезной и ей на смену должно прийти нечто другое, похожее скорее на подсознательную веру. Подход художника необходим разработчику на том этапе, когда в лабиринте альтернатив приходится отыскивать тропинку, ведущую к новому и непротиворечивому построению, которое могло бы лечь в основу решения. При этом нужно иметь какой-нибудь податливый материал или аналог, который позволял бы, поспевая за течением мысли, передавать форму решения. Обычно таким материалом служили эскизы, быстро набрасываемые "на обороте конверта", за которыми стояли точные образы вариантов проекта в воображении. В будущем для быстрой проверки различных вариантов геометрии, видимо, будут применяться электронные вычислительные машины с индикацией на экране, активно взаимодействующие с разработчиком. Метод математика, выражающего исходные предположения через абстрактные символы, а затем манипулирующего этими символами, пока не придет к решению, годится для проектировщика лишь на том этапе, когда задача стабилизировалась, когда для того, чтобы разрешить противоречия между целью и средствами, уже не требуется изменять исходные посылки. Однако самая интересная и самая сложная часть разработки - это как раз поиск решения путем изменения формулировки задачи, поэтому правильно будет считать, что математика полезна только для оптимизации, т.е. для отыскания наилучшего решения после того, как задача уже определилась. Если задачу проектирования можно сформулировать в математических сим- волах, ее решение может быть получено на ЭВМ, без непосредственного участия человека в расчетах. САПР в машиностроении Основные понятия и определения Словарь терминов: CAD – Computer Aided Design (САПР) Общий термин для обозначения всех аспектов проектирования с использованием средств вычислительной техники. Обычно охватывает создание геометрических моделей изделия. А также генерацию чертежных изделий и их сопровождений. Следует отличать что этот термин САПР по отношению промышленным системам имеет более широкое толкование чем CAD. Он включает в себя как CAD так и CAM и CAE. CAM – Computer Aided Manufacturing. Общий термин для обозначения системы автоматизированной подготовки производства, общий термин для обозначения ПС подготовки информации для станков с ЧПУ. Традиционно исходными данными для таких систем были геометрические модели деталей, полученных из систем CAD. CAE – Computer Aided Engineering. Система автоматического анализа проекта. Общий термин для обозначения информационного обеспечения условий автоматизированного анализа проекта, имеет целью обнаружение ошибок(прочностные расчеты) или оптимизация производственных возможностей. PDM – Product Data Management. Система управления производственной информацией. Инструментальное средство, которое помогает администраторам, инженерам, конструкторам и так далее управлять как данными так и процессами разработки изделия на современных производственных предприятиях или группе смежных предприятий. Достоинства САПР: 1. Более быстрое выполнение чертежей (до 3 раз). Дисциплина работы с использованием САПР ускоряет процесс проектирования в целом, позволяет в сжатые сроки выпускать продукцию и быстрее реагировать на изменение рыночных конъектур. 2. Повышение точности выполнения. На чертежах, построенных с помощью системы САПР, место любой точки определено точно, а для увеличения достаточного просмотра элементов есть средство, называемое наезд, или zooming, позволяющее увеличивать или уменьшать любую часть данного чертежа в любое число раз. На изображение, над которым выполняется наезд, не накладывается практически никаких ограничений. 3. Повышение качества; 4. Возможность многократного использования чертежа. Запомненный чертеж может быть использован повторно для проектирования, когда в состав чертежа входит ряд компонентов, имеющих одинаковую форму. Память компьютера является также идеальным средством хранения библиотек, символов, стандартных компонентов и геометрических форм. 5. САПР обладает чертежными средствами (сплайны, сопряжения, слои). 6. Ускорение расчетов и анализа при проектировании. В настоящее время существует большое разнообразие ПО, которое позволяет выполнять на компьютерах часть проектных расчетов заранее. Мощные средства компьютерного моделирования, например, метод конечных элементов, освобождают конструктора от использования традиционных форм и позволяют проектировать нестандартные геометрические формы. 7. Понижение затрат на обновление. Средства анализа и имитации в САПР, позволяют резко сократить затраты времени и денег на тестирование и усовершенствование прототипов, которые являются дорогостоящими этапами процесса проектирования; 8. Большой уровень проектирования. Мощные средства, комплексного моделирования. Возможность проектирования нестандартных геометрических форм, которые быстро оптимизируются; 9. Интеграция проектирования с другими видами деятельности. Интегрируемые вычислительные средства обеспечивают САПР более тесное взаимодействия с инженерными подразделениями. Проектирование как объект автоматизации Для создания любой системы автоматизации необходимо знать свойства объекта автоматизации. Для САПР таким объектом является процесс проектирования и ниже рассмотрены основные понятия, относящиеся к сфере проектирования. В настоящее время ГОСТ 22487—77 установлены основные термины и определения в области автоматизированного проектирования. Рассмотрим те из них, которые наиболее часто будут использованы в данном курсе. Проектирование - процесс создания описаний нового или модернизируемого технического объекта (изделия, процесса), достаточных для изготовления или реализации этого объекта в заданных условиях. Такие описания, называемые окончательными, представляют собой комплект конструкторской и технологической документации в виде чертежей, пояснительных записок, спецификаций, программ для технологических автоматов и т. п. Процесс заключается в выполнении комплекса работ исследовательского, расчетного, конструкторского характера, имеющих целью преобразование исходного описания в окончательные описания. Исходное описание при этом есть техническое задание, отражающее назначение и основные требования к проектируемому объекту. Процесс проектирования может быть неавтоматизированным и автоматизированным. Неавтоматизированное проектирование — это проектирование, при котором все преобразования описании объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках осуществляются человеком. Автоматизированное проектирование — это проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются при взаимодействии человека и ЭВМ. Степень автоматизации проектирования оценивается долей δ проектных работ, выполняемых на ЭВМ без участия человека, в общем объеме проектных работ. При δ=0 проектирование неавтоматизированное, а при δ=1 — автоматическое. Для автоматизированного проектирования характерны рациональное распределение функций между человеком и ЭВМ и обоснованный выбор моделей и методов для автоматизированных процедур. Рациональность и обоснованность в выборе средств и методов проектирования определяются уровнем развития вычислительной техники, вычислительной математики, теории автоматизированного проектирования и конкретных технических дисциплин. Под автоматизацией проектирования мы будем понимать широкий круг проблем, решаемых с использованием средств вычислительной техники при выполнении многочисленных этапов и процессов проектирования объекта (машины, комплекса машин, системы и др.). Аспекты и иерархические уровни проектирования В представлениях инженера о сложных технических объектах принято выделять аспекты и иерархические уровни. Аспекты характеризуют ту или иную группу родственных свойств объекта. Типичные аспекты - функциональный, конструкторский, технологический. Функциональный аспект отражает физические и информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании, конструкторский -структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта, технологический возможности и способы реализации или изготовления. В зависимости от разновидностей объектов могут быть и другие аспекты, например, при проектировании электромеханических систем - электрический (электронный) и механический. В соответствии с указанными аспектами различают функциональное, конструкторское, технологическое проектирование. Внутри каждого аспекта представление о сложных объектах разделяют на иерархические уровни (уровни абстрагирования). На верхнем иерархическом уровне рассматривается весь сложный объект как совокупность взаимосвязанных подсистем, описание каждой подсистемы не должно быть слишком подробным. На следующем иерархическом уровне подсистемы рассматриваются отдельно как системы, состоящие из некоторых составных частей, и получают более подробное описание. Данный иерархический уровень является уровнем подсистем. Такое разделение описания сложного объекта на части и раздельное исследование свойств по выделенным частям и есть декомпозиция. Процесс декомпозиции описании и поблочного их рассмотрения с возрастающей степенью детализации продолжается вплоть до получения описаний блоков, состоящих из базовых элементов. Разделение описаний проектируемого объекта на иерархические уровни по степени подробности отражения свойств объекта составляет сущность блочно-иерархического подхода к проектированию. Соответственно возможно разделение проектирования как процесса на группы проектных процедур, связанных с получением и преобразованием описаний выделенных уровней. Эти группы процедур называются иерархическими уровнями проектирования. В машиностроении базовые элементы представлены деталями: винт, шпонка, вал, зубчатое колесо и т.д. Это нижний уровень, на нем системами являются сборочные единицы: редуктор, двигатель, тормоз, соединительные муфты и т.п. Базовыми элементами могут быть не только детали, но и объекты. состоящие из многих деталей и получаемые как законченные комплектующие изделия (подшипники, реле и т.п.). Сборочные единицы являются элементами агрегатов (комплексов) - систем следующего иерархического уровня (механизмы подъема, передвижения, поворота, изменения вылета грузоподъемного крана, его металлоконструкция, системы управления и диагностики и т.п.) На следующем иерархическом уровне может рассматриваться машина в целом, на более высоких уровнях - комплексы машин, объединяемые в производственные образования. При рассмотрении технологических процессов в машиностроении наиболее общее, но и наименее детальное описание представляется принципиальной схемой технологического процесса. На следующем, более низком иерархическом уровне описываются маршруты обработки (маршрутная технология) как системы, состоящие из элементов - технологических операций. Далее выделяются уровни описаний операционной технологии и управляющих программ. Стадии, этапы и процедуры проектирования В проектировании принято выделять стадии научно-исследовательских работ, опытно-конструкторских работ, технического проекта, технического предложения, технического проекта, рабочего проекта, испытаний опытного образца. На стадии научно-исследовательских работ изучаются потребности в получении новых изделий с заданным целевым назначением, исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения изделий и возможности реализации этих принципов, прогнозируются значения характеристик и параметров объектов. Результатом является формулировка технического задания на разработку объекта. Оно включает цель создания и назначение объекта, технические требования, режимы и условия работы, области применения, увязку параметров с типажом, информацию об экспериментальных работах, сравнительную оценку технического уровня и др. На основании технического задания разрабатывается техническое предложение -совокупность документов, отражающих технические решения, принятые в проекте. В него включаются результаты функционально-физического и стоимостного исследований, указания и обоснования по выполняемым функциям, физическим принципам действия, целесообразности использования тех или иных решений, сравнительная оценка этих решений по техническим, экономическим. технологическим, экологическим и другим показателям. На стадии опытно-конструкторских работ создается эскизный проект изделия, представляющий собой совокупность графической и текстовой документации, на основании которой можно получить общее представление об устройстве, принципе работы, назначении, основных параметрах и габаритных размерах проектируемого изделия, о компоновке как машины в целом, так и ее основных узлов. При разработке эскизного проекта проверяются, конкретизируются и корректируются принципы и положения, установленные на стадии научно - исследовательских работ. На стадии технического проекта разрабатывается более детализированная графическая и текстовая документация, дающая полное и окончательное представление об устройстве, компоновке машины и всех ее узлов, в технический проект включают все необходимые расчеты (динамические, прочностные и т.д.). На стадии рабочего проекта создается полный комплект конструкторско-технологической документации, достаточный для изготовления объекта. На стадии испытаний получают результаты, позволяющие выявить возможные ошибки и недоработки проекта, принимаются меры к их устранению. В ходе проектирования вырабатываются проектные решения - описания объекта или его составной части, достаточные для рассмотрения и принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения. Часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения, называется проектной процедурой. Выполнение одной или нескольких проектных процедур, объединенных по признаку принадлежности получаемых проектных решений к одному иерархическому уровню и (или) аспекту описаний, составляет этап проектирования. На любой стадии или этапе проектирования может быть выявлена ошибочность или неоптимальность ранее принятых решений и, следовательно, необходимость или целесообразность их пересмотра. Подобные возвраты типичны для проектирования и обусловливают его итерационный характер. В частности, может быть выявлена необходимость корректировки технического задания. В этом случае чередуются процедуры внешнего и внутреннего проектирования. Под внешним проектированием понимаются процедуры формирования или корректировки технического задания, под внутренним проектированием процедуры реализации сформированного технического задания. Различают нисходящее (сверху вниз) и восходящее (снизу вверх) проектирование. В первом задачи высоких иерархических уровней решаются прежде, чем задачи более низких иерархических уровней, во втором последовательность противоположная. Так, функциональное проектирование чаще является нисходящим, конструкторское - восходящим. На рис.2.1 представлена в качестве примера обобщенная схема процесса автоматизации проектирования. Виды проектирования Вариантное проектирование - Проектирование называется вариантным, когда при заданной функционально-зависимой структуре и неизменным расположении всех элементов, изменяется конфигурация и размеры самих элементов. Вариантное проектирование предполагает, как необходимое условие, описание комплексных деталей. Для этого из группы геометрически похожих деталей составляется искусственная комплексная деталь, которой присуще все геометрические признаки деталей группы. Дополнительно определяется, на базе каких параметров и в каком диапазоне изменения этих параметров можно создавать отдельные элементы группы. Отдельные вариантные группы образуются путем задания путем задания параметров. Благодаря этому при создании варианта не требуется описание их геометрических элементов. Последовательное проектирование - традиционный в разработке новых изделий, обычно включает последовательность работ по проектированию, сборке, испытанию, анализу, анализу с итеративным повторением цикла до получения нужного результата. Производственный цикл, охватывающий все стадии жизненного цикла изделия, начинается с выработки концепции нового изделия. На первом этапе разработаны специальные основные требования к изделию (внешний вид, технические характеристики). Затем прорабатываются различные варианты решения, производится анализ вариантов и выбор окончательного решения. Затем это решение в деталях уточняется, анализируется, совершенствуется и воплощается в план выпуска нового изделия и документации. Итеративное повторение этого цикла дорого и отнимает много времени. При последнем проектировании до того момента, пока начнётся промышленный выпуск, проблемы разработки достаточно резко координируют с проблемами подготовки производства. Параллельное проектирование - принципиально новый интегрированный подход к разработке изделия. В основе технологии лежит совмещение проектирования изделия, а также планирования его изготовления и сопровождения, координируемые специально предназначенной для этого распределённой информационной средой. Подобная технология позволяет использовать проектные данные с ранней стадии одновременно различными группами специалистов. Фактически, при использовании параллельного проектирования удаётся достичь перекрытия практически всех стадий жизненного цикла изделий. Развитие параллельного проектирования связано, прежде всего, с повышением для потребителя таких неценовых факторов конкуретноспособности, как качество, способность быстрого выполнения индивидуального заказа. Использование организации проектирования изделия, ориентировано на использование новых информационных технологий и интеграцию знаний из различных областей жизненного цикла изделия, позволяет экономить не только время, причём время сокращается на 20-25%, но и экономические средства за счёт повышения качества изделия, упрощение сервисного обслуживания, сокращения изменений, вносимых в конструкцию на стадии изготовления. Параллельное проектирование обеспечивает устранение известных недостатков последовательного проектирования, в частности, когда ошибки проектирования неожиданно обнаруживаются на последних его стадиях. Как отечественный показывает опыт, 50-70% имеющихся дефектов готовой продукции машиностроения возникают из-за ошибок в конструкционной работе, 2030% из-за недостаточной технологичности изделия, 5-15% - по вине рабочих. Устранение первой группы дефектов осуществляется в основном за счёт совмещения проектирования составляющих технологической системы «изделие – технология - оборудование» и раннего учёта возможных при этом ограничений. Принципы создания САПР В ГОСТ 23501.101—87 изложены организационные основы создания САПР. Для создания САПР необходимы (необходимые условия создания): 1. совершенствование проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники; 2. автоматизация процесса поиска, обработки и выдачи информации; 3. использование методов оптимизации и многовариантного проектирования; 4. применение эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов; 5. создание банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов; 6. повышение качества оформления проектной документации; 7. увеличение творческой доли труда проектировщиков за счет автоматизации нетворческих работ; 8. унификация и стандартизация методов проектирования; 9. подготовка и переподготовка специалистов в области САПР; 10. взаимодействие проектных подразделений с автоматизированными системами различного уровня и назначения. При создании САПР и их составных частей следует руководствоваться принципами системного единства, совместимости, типизации, развития (ГОСТ 23501.101—87). Принцип системного единства обеспечивает целостность системы и системную «свежесть» проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования в целом (иерархичность проектирования). Принцип совместимости обеспечивает совместное функционирование составных частей САПР и сохраняет открытую систему в целом. Принцип типизации ориентирует на преимущественное создание и использование типовых и унифицированных элементов САПР. Типизации подлежат элементы, имеющие перспективу многократного применения. Типовые и унифицированные элементы периодически проходят экспертизу на соответствие современным требованиям САПР и модифицируются по мере необходимости. Принцип развития обеспечивает пополнение, совершенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с автоматизированными системами различного уровня и функционального назначения. Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а ее внедрение требует значительных капиталовложений. Накопленный опыт позволяет выделить следующие основные особенности ее построения. САПР — человеко-машинная система. Все созданные и создаваемые с помощью ЭВМ системы проектирования являются автоматизированными. Важную роль в них играет человек — инженер, разрабатывающий проект технического средства. В настоящее время и, по крайней мере, в ближайшие годы создание САПР «не угрожает» монополии человека при принятии узловых решений в процессе проектирования. Человек должен решать в САПР, во-первых, задачи, формализация которых не достигнута, и, во-вторых, задачи, которые решаются человеком на основе эвристических способностей более эффективно, чем на современной ЭВМ. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования — один из принципов построения и эксплуатации САПР. САПР — иерархическая система. Она реализует комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Блочно-иерархический подход к проектированию должен быть сохранен при применении САПР. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального ПО САПР в виде иерархии подсистем. Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспечения комплексного характера САПР, так как автоматизация проектирования на одном из уровней при сохранении старых форм проектирования на соседних уровнях 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. САПР — совокупность информационно согласованных подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство 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 изменении 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 данных с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изменяет значения отдельных параметров, то это значит, что программы информационно плохо согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому снижает эффективность работы САПР. Плохая информационная согласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений. Близким по смыслу, но не полностью совпадающим с рассмотренными является принцип оптимальности связей между САПР и внешней средой. Если каждый раз при проектировании очередного объекта заново вводятся в систему не только действительно специфические новые исходные данные, но и сведения справочного характера (например, параметры унифицированных элементов), то имеет место нерациональная организация связей САПР с окружающей средой. Очевидно, что все данные, используемые многократно при проектировании разных объектов, должны храниться системой в банке данных. САПР - открытая и развивающаяся система. Существуют по крайней мере две 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 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 включения новых методов и средств. САПР - специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей. Чтобы снизить расходы на разработку многих специализированных САПР, целесообразно строить их на основе максимального использования унифицированных составных частей. Необходимое условие унификации — поиск общих положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов. Состав и структура САПР Составными структурными частями САПР, жестко связанными с организационной структурой проектной организации, являются подсистемы, в которых при помощи специализи- рованных комплексов средств решается функционально законченная последовательность задач САПР. По назначению подсистемы разделяют на проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы. Они имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап (стадию) проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач. Примеры проектирующих подсистем: эскизное проектирование изделий, проектирование корпусных деталей, проектирование технологических процессов механической обработки. Обслуживающие подсистемы. Такие подсистемы имеют общесистемное применение и обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и вывод полученных в них результатов. Примеры обслуживающих подсистем: автоматизированный банк данных, подсистемы документирования, подсистема графического ввода-вывода. Формирование и использование моделей объекта проектирования в прикладных задачах осуществляется комплексом средств автоматизированного проектирования (КСАП) системы (или подсистемы). Структурными частями КСАП системы являются различные комплексы средств, а также компоненты организационного обеспечения. Комплексы средств относят к промышленным изделиям, подлежащим изготовлению, тиражированию и применению в составе САПР, и документируют как специфицируемые изделия. Виды комплексов средств и компонентов САПР представлены на рис.2.2. Комплексы средств подразделяют на комплексы средств одного вида обеспечения (технического, программного, информационного) и комбинированные. Комплексы средств одного вида обеспечения содержат компоненты одного вида обеспечения; комплексы средств комбинированные — совокупность компонентов разных видов обеспечения. Комбинированные КСАП, относящиеся к продукции производственно-технического назначения, подразделяются на: программно-методические (ПМК); программно технические (ПТК). Программно-методический комплекс представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечения (включая компоненты математического и лингвистического обеспечении), необходимую для получения законченного проектного решения по объекту проектирования (одной или нескольким его частям или объекту в целом) или выполнения унифицированных процедур. В зависимости от назначения ПМК подразделяют на общесистемные и базовые. Общесистемные ПМК направлены на объекты проектирования и вместе с операционными системами ЭВМ являются операционной средой, в которой функционируют базовые комплексы. Базовые ПМК могут быть проблемно-ориентированными и объектно-ориентированными, в зависимости от того, реализуют ли они проектные процедуры унифицированные или специфические для определенного класса объектов. Проблемно-ориентированные ПМК могут включать программные средства, предназначенные для автоматизированного упорядочения исходных данных, требований и ограничений к объекту проектирования в целом или к сборочным единицам; выбор физического принципа действия объекта проектирования; выбор технических решений и структуры объекта проектирования; оценку показателей качества (технологичности) конструкций, проектирование маршрута обработки деталей. Объектно-ориентированные ПМК отражают особенности объектов проектирования как совокупной предметной области. К таким ПМК, например, относят ПМК, поддерживающие автоматизированное проектирование сборочных единиц; проектирование деталей на основе стандартных или заимствованных решении; деталей на основе синтеза их из элементов формы; технологических процессов по видам обработки деталей и т. п. Программно-технический комплекс представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов технического обеспечения. В зависимости от назначения ПТК различают: автоматизированные рабочие места (АРМ); центральные вычислительные комплексы (ЦВК). Комплексы средств могут объединять свои вычислительные и информационные ресурсы, образуя локальные вычислительные сети подсистем или систем в целом. Структурными частями комплексов средств являются компоненты следующих видов обеспечения: программного, информационного, методического, математического, лингвистического и технического. Компоненты видов обеспечения выполняют заданную функцию и представляют наименьший (неделимый) самостоятельно разрабатываемый (или покупной) элемент САПР (например, программа, инструкция, дисплей и т. п.). Эффективное функционирование КСАП и взаимодействие структурных частей САПР всех уровней должно достигаться за счет ориентации на стандартные интерфейсы и протоколы связи, обеспечивающие взаимодействие комплексов средств. Эффективное функционирование КСАП должно достигаться за счет взаимосогласованной разработки (согласование с покупными) компонентов, входящих в состав комплексов средств. КСАП обслуживающих подсистем, а также отдельные ПТК этих подсистем могут использоваться при функционировании всех подсистем. Общесистемные ПМК включают в себя программное, информационное, методическое и другие виды обеспечении. Они предназначены для выполнения унифицированных процедур по управлению, контролю, планированию вычислительного процесса, распределению ресурсов САПР и реализации других функций, являющихся общими для подсистем или САПР в целом. Примеры общесистемных ПМК: мониторные системы, системы управления БД, информационно-поисковые системы, средства машинной графики, подсистема обеспечения диалогового режима и др. Мониторные системы управления функционированием технических средств в САПР. (Монитор – управляющая программа). Основными функциями мониторных систем являются: формирование заданий с контролем пакета задач, требуемых и наличных ресурсов, права доступа к базе данных с установлением приоритета и номера очереди; обработка директив языков управления заданиями и задачами, а также реакция на прерывания с перехватом управления, анализом причин и их интерпретацией в терминах, понятных проектировщику; обслуживание потоков задач с организацией диалогового и интерактивно-графического сопровождения в условиях параллельной работы подсистем; управление проектированием в автоматических режимах с анализом качества исполнения проектных операций, проверкой критериев повторения этапа или продолжения маршрута, выбором альтернативных вариантов маршрута; ведение и оптимизация статистики эксплуатации системы; распределение ресурсов САПР с учетом приоритетов заданий, задач и подсистем, плановых заданий и текущих указаний и запросов; защита ресурсов и данных от несанкционированного доступа и непредусмотренных воздействий. Информационно-поисковые системы (ИПС) в САПР выполняют такие функции, как заполнение информационного фонда (инфотеки) сведениями; арифметическую обработку цифровых данных и лексическую обработку текстов; обработку информационных запросов с целью поиска требуемых сведений; обработку выходных данных и формирование выходных документов. Особенности ИПС заключаются в том, что запросы к ним формируются не программным путем, а непосредственно пользователями, и не на формальном языке, понятном монитору, а на естественном языке в виде последовательности ключевых слов — дескрипторов. Перечень дескрипторов, содержащихся во всех принятых на хранение описаниях, составляет словарь дескрипторов, или тезаурус, и предназначен для формирования поисковых предписаний. Существуют и более сложные ИПС по сравнению с дескрипторными. Важную роль в них играет информационно-поисковый язык, в котором учитываются семантические взаимоотношения между информационными объектами. Это позволяет уменьшить число неправильно распознаваемых языковых конструкций, а обработку запросов производить на основе различных критериев смыслового соответствия. Система управления базами данных (СУБД) — программно-методический комплекс для обеспечения работы с информационной базой, организованной в виде структуры данных. Банки данных являются наиболее высокой формой организации информации в больших САПР. Они представляют собой проблемно-ориентированные информационно-справочные системы, обеспечивающие ввод необходимой информации, не зависимые от конкретных задач ведения и сохранения информационных массивов и выдачи необходимой информации по запросам пользователей или программ. В банках данных используется информация фактографического вида. СУБД выполняет следующие основные функции: определение баз данных, т. е. описание концептуального, внешнего и внутреннего уровней схем; запись данных в базу; организацию хранения, выполняя изменение, дополнение, реорганизацию данных; предоставление доступа к данным (поиск и их выдача). Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства. Так, определение данных, состоящее в описании их структур, обеспечивается с помощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулирования данными и языка запросов. По типу поддерживаемых структур различают следующие виды СУБД: иерархический, сетевой, реляционный. Программно-методические комплексы машинной графики обеспечивают взаимодействие пользователя с компьютером при обмене графической информацией, решение геометрических задач, формирование изображений и автоматическое изготовление графической информации. Графическое взаимодействие пользователя с компьютером (так называемый графический метод доступа) базируется на подпрограммах ввода-вывода, которые обеспечивают прием и обработку команд от устройства ввода-вывода и выдачу управляющих воздействий на эти устройства. Решение геометрических задач (геометрическое моделирование) сводится к преобразованию графической информации, которое представляет собой выполнение в той или иной последовательности элементарных графических операций типа сдвиг, поворот, масштабирование и т. п. Для геометрического моделирования используется ПМК, в котором кроме отдельных элементарных графических операций могут быть реализованы графические преобразования трехмерных изображений, процедуры построения проекций, сечений и т. п. В ПМК графических преобразований обычно предусматриваются средства для формирования некоторых часто используемых изображений, управления графической базой данных, отладки графических подпрограмм. Диалоговый режим обеспечивается программно-методическими комплексами, осуществляющими ввод, контроль, редактирование, преобразование и вывод графической и/или символьной информации. Диалоговый удаленный ввод заданий обеспечивает ввод и редактирование заданий через каналы связи, выполнение заданий в пакетном режиме и вывод результатов через линии связи на удаленные терминалы. В САПР могут использоваться как диалоговые ПМК общего назначения, так и специализированные. ПМК общего назначения целесообразно применять на начальных стадиях создания и эксплуатации САПР для отработки и проверки методологии проектирования, технологии обработки данных и прикладных программ. В дальнейшее возможна модификация ПМК с учетом специфических требований по организации диалога в САПР. При этом необходимо учитывать наличие диалогового или пакетного режима обработки запросов; ориентацию системы на пользователя непрограммиста; возможность расширения системы путем включения диалоговых прикладных программ на языках высокого уровня; возможность управления диалогом с помощью «меню» и директив, желательность общения на родном языке и т. п. Примеры ПМК обеспечения диалоговых режимов: система диалогового управления вводом заданий, система режима разделения времени и др. Рекомендуемый набор общесистемных ПМК для семейства АРМ приведен в таблице 2.1. Таблица 2.1. Наименование программно-методическо- АРМ высокой произ- АРМ средней произго комплекса (ПМК). водительности водительности + Мониторная диалоговая система ± Обеспечение диалогового режима + + Система управления базами данных (СУБД) ± + Трансляторы и интерпретаторы языков про+ граммирования Средства машинной геометрии и графики: + Геометрический процессор ± + Графический процессор + Формирование текстовой документации ± + Формирование чертежно-графической до+ + кументации Общетехнические расчеты + ± Обеспечение связи АРМ-АРМ, ЦВК-АРМ + + Проектирование компоновки и топологии + + Оптимизация + ± Примечание: Знак «+» означает, что наличие технического средства обязательно, знак «-» означает, что наличие компонента в составе комплекса необязательно, знак «±» означает, что необходимость комплектации устройством данного типа должна устанавливаться в техническом задании на создание АРМ. Автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП) или (САМ) Цель: Достижение в процессе изготовления продукции оптимального соотношения между затратами и получаемыми результатами. Повышение доли мелкосерийного производства требует в создание АСТПП, т.к. именно при этом характере производства преимущества использования авт. систем проявляется в наибольшей степени. Большие вложения, затраченные на мелкосерийное производство, требуют качественного проведения технологической подготовки и документирования ее результатов. Высокие требования НТП предполагают высокую гибкость процесса подготовки в целях более быстрой адаптируемости в новых процессах производства. Под CAM понимают любой автоматизированный производственный процесс, которым управляет компьютер. Первые CAM появились в начале 50-х годов. Применение средств обработки данных в области ТПП дало возможность решения организационных проблем таких как: управление производство, планирования. Важный шаг в АСТПП: Разработка АСУ для организации работ станков с ЧПУ. Преимущества АСТПП: Выполнение рутинных процессов и подготовка информации с помощью средств электронной обработки данных, эффективность АСТПП может быть измерена не только сравнением затрат на традиционные и авт. способы решения, учитывается все влияние технологической подготовки на весь процесс. АСТПП - любой автоматизированный производственный процесс, которым управляет компьютер. Первые АСТПП появляются в 40-50 годах, в 60х получают названия ЧПУ. Средства влияния ЧПУ охватывает множества различных автоматизированных производственных процессов (фрезеровка, кислородная и лазерная резка, штамповка и контактная сварка). Т.о. термин АСТПП применяется как общее название для разработок, связанных с организацией технических процессов, которые уже существуют, которые только появляются в области программно-управляемой промышленности. Важнейшими элементами АСТПП являются: 1. Средства производственного испытания и программирования станков с ЧПУ. 2. Изготовление и сборка с помощью программно-управляемых роботов. 3. Гибкие производственные системы (мелкосерийное производство). 4. Средства автоматизированного производства. 5. Средства автоматизированного тестирования. 6. Достоинства АСТПП определяются тем, что за счет её проявления достигаются следующие результаты: 1. увеличивается производительность при меньшем кол-ве рабочей силы; 2. уменьшается вероятность возникновения ошибок по вине человека; 3. становится разнообразнее ассортимент изделий; 4. снижаются издержки благодаря увеличению эффективности производства; 5. повышение эффективности хранения и сборки продукции; 6. становится возможным использование повторяемости производственных процессов, обусловленное сокращением данных; 7. повышается качество продукции. Интеграция средств САПР и АСТПП (САМ) в единый процесс. САПР/АСТПП – интеграция средств САПР и АСТПП в единый процесс. Разговоры о полезности интеграции велись очень давно, но стали воплощаться в практику, когда в фундамент лег объектно-центрический подход на основе пространственной, как правило твердотельной, модели. Такая модель наиболее точно и наглядно определяет проектируемое изделие и в нее может быть включена вся существенная информация. Средства реалистичного рендеринга и виртуальной реальности позволяют представить заказчику концептуальный проект его изделия еще на самой ранней стадии проектирования. При необходимости по 3d модели могут быть построены чертежи. Современные версии программ технологического анализа воспринимают на входе геометрию твердого тела, автоматически генерируя конечно-элементную сетку, производит на ней расчет и наносит результат на 3D модель. Анализ может заключаться в расчете простейших физических величин или в выполнении более сложных видов, включая прочностной, термический, вибрационный, динамический, кинематический анализы. Кроме того, производится имитация таких производственных процедур, как заливка и охлаждение. Для визуальной оценки динамики заполнения шаблонов и состояния пропускающих каналов строится мультипликация, которая помогает обнаружить некорректные участки на сварных швах и линиях сплавления в полости детали. Тактическое значение применения интегрированных систем САПР/АСТТП (интегрированная система автоматизации — ИСА). Основные преимущества можно сгруппировать в следующие категории: ИСА – интегрированные системы автоматизации 1. Качество ИСА может оказаться мощным средством как для установления требований к продукции, так и для измерения того, на сколько хорошо эти требования удовлетворяются. Например, экспертные системы могут дать уверенность, что требования, установленные для каждой новой продукции соответствуют общим стандартам и совместимы с другой продукцией фирмы. Система просто не позволит инженеру-проектировщику забыть или нарушить спецификацию. Когда дело касается измерения качества продукции, ИССА может служить для того, чтобы: А) Обеспечить данные для статистики системы контроля производства; Б) Обеспечить данные для оборудования лабораторного тестирования; В) Проводить аппаратный контроль измерения с использованием станков с ЧПУ. 2. Потребительская стоимость. Получение максимума за ваши деньги. Чем ближе продукция была спроектирована к требованию клиента, тем охотнее он будет платить деньги. 3. Время разработки. Если проанализировать, где теряют время инженеры, то обнаружится, что много времени уходит на поиск и получение информации, необходимой для проектирования продукции. Очень часто не хватает достаточно точной информации для выполнения инженерной работы. Если недоступна хорошая возможность компьютерного моделирования, то много времени уходит в ожидание проверки прототипов и их передел. и проверки снова и снова. 4. Автоматизация – тип детального проектирования (в части чертежных работ) позволяет избежать многочисленных разнообразных ошибок (размеры, не согласующиеся между собой на проекциях, отсутствуют информации о детали). 5. Поддержка производственной технологии. Многие из современных, производственных технологий не могут быть эффективно реализованы без интегрированных САПР-АСТПП. Это касается роботов, гибких производственных систем. 6. Сокращение ошибок и удобство внесения инженерных изменений 7. Широкие вычислительные сети, связи предприятия. Современное предприятие в своей деятельности связано со многими другими предприятиями – смежниками, поставщиками комплектующих изделий, заказчиками и т.д. Время согла- сования производственных вопросов с ними влияет на общее время выполнения заказа, а его уменьшение требует в первую очередь автоматизации общих информатизационных потоков. Такая совокупность организационно самостоятельных организаций, но информационно связанных между собой для выполнения определенных заказов представляет собой виртуальное предприятие. Для создания нового особо сложного наукоемкого изделия нужна первоначальная разработка модели реализующего его виртуального предприятия. Она должна включать все необходимые ресурсы для его создания и состав производства и предприятий для их реализации. Программно-технической поддержкой такой организации является локальная сеть предприятия либо сеть Intranet виртуального предприятия с общим доступом к базам данных и знаний что не может СА: • Решить проблему некачественной инженерной работы. • Интегрированная система не может заставить производство работать только за счет того, что она обеспечивает автоматизацию. Введение системы СА не может резко увеличить доходы от производства, а наоборот является долгосрочным вложением. • Роль САПР АСТПП в производственном цикле. Авт. проектирование и авт. изготовление чертежей и документации с помощью ЭВМ имеет место на этапах выработки концепции нового изделия, конструирования изделия, разработки чертежей. Целью САПР является выдача конструкторской документации, которая может быть результатом поиска аналогов (прототипа) или результатом конструирования оригинального изделия. С использованием САПР проектируется 3D модель детали, получаются требуемые виды моделей, выполняется деталировка и деталировочные чертежи. с применением различных возможностей систем инженерного анализа, например, с применением анализа МКЭ и кинематики. Технологическая подготовка. Чрезвычайно разнообразные задачи АСТПП, к которым относится планирование и использование технологического оборудования, подготовка либо проектирование и изготовление инструмента. Подготовка программ для тех. оборудования с ЧПУ, программ для роботов. На этапах планирования произв. процесса и календарного выпуска изделия ЭВМ используется для обеспечения более эффективного выполнения этих функции. В ходе производства ВМ осуществляет текущий контроль и управление тех. операциями. В автоматических процедурах. Контроля качества обеспечивается инспектирование и эксплуатационные испытания как готовых изделий, так и их компонентов. Традиционные области применения САПР/АСТПП - Машиностроение – для этой отрасли ЭВМ используется для решения 2х задач – изготовление чертежей, проведение вычислений - Автомобилестроение Компоненты видов обеспечения САПР Средства автоматизации проектирования можно сгруппировать по видам обеспечения автоматизированного проектирования (рис.2.3). Математическое обеспечение. Основу математического обеспечения (МО) САПР составляют алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР. Элементы математического обеспечения в САПР чрезвычайно разнообразны. Среди них имеются инвариантные элементы — принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом. По назначению и способам реализации МО САПР делится на две части: 1) математические методы и построенные на их основе математические модели, описывающие объекты проектирования; 2) формализованное описание технологии автоматизированного проектирования. Способы и средства реализации первой части математического обеспечения наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей объектов проектирования. Способы и средства реализации первой части математического обеспечения наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей объектов проектирования. Что касается второй части математического обеспечения, то формализация процессов автоматизированного проектирования в комплексе оказалась более сложной задачей, чем алгоритмизация и программирование отдельных проектных задач. При решении этой задачи должна быть формализована вся логика технологии проектирования, в том числе логика взаимодействия проектировщиков друг с другом на основе использования средств автоматизации. Математическое обеспечение САПР должно описывать во взаимосвязи объект, процесс и средства автоматизации проектирования. Важным результатом совершенствования и типизации технологии процессов автоматизированного проектирования явилась разработка методических указаний Госстандарта «САПР. Типовые функциональные схемы проектирования изделии в условиях функционирования систем». В них подчеркивается, что процесс автоматизированного проектирования по составу и последовательности процедур, содержанию и формам проектной документации качественно отличается от традиционного процесса проектирования. Вместе с тем в процессе автоматизированного проектирования можно выделить определенное число процедур, инвариантных к объектам проектирования. Перспективной в совершенствовании и типизации технологии процессов автоматизированного проектирования является централизованная разработка математического аппарата моделирования типового процесса проектирования и выпуск базовых программно-методических комплексов, реализующих такие модели. Способы задания параметризованной геометрической модели. Параметризованная геометрическая модель является основой современной технологии выполнения проектно-конструкторских работ. Существует 3 подхода к созданию параметризованной геометрической модели изделия: ñ параметрическое конструирование (ПК); ñ ассоциативная геометрия (АГ); ñ объектно-ориентированное конструирование с использованием базовых операций добавления (удаление) материала. ñ Параметрическое конструирование бывает: ñ с жестким (полным) набором связей; ñ с неполным набором связей (мягкая). Объектно-ориентированное конструирование: ñ макрооперации; ñ ассоциативные базовые операции. Параметрическое конструирование Параметризация-это концепция, которая охватывает все методы для решения задач проектирования. Важной особенностью современной концепции параметрического конструирования является возможность создания геометрических моделей с использованием связей и правил, которые могут переопределяться и дополняться на любом этапе ее создания. Связи определяется в виде размерных, геометрических, алгебраических соотношений. Правила определяются как условия выполнения базовой операции. Параметрическое конструирование с полным набором связей Жесткая параметризация-режим параметрического конструирования, при котором конструктор полностью задает все необходимые связи, однозначно определяя форму геометрической модели изделия. В этом случае изменение параметра или переопределение связей влечет за собой автоматическое изменение геометрической модели и не требует от конструктора выполнение каких либо действий модификации геометрической модели. Для режима жесткой параметризации характерно наличие случаев, когда при изменении параметров геометрической модели решение вообще может быть не найдено, так как часть параметров и установленные связи вступают в противоречие друг с другом. Другим словами такая технология позволяет при необходимости управлять изменением формы конструкции в некоторых приделах, которые определяются интервалом взаимной непротиворечности всей совокупности параметров и накопленных связей. Существует много способов задания параметров и связей для одной и той же конструкции. Следовательно, при использовании этой технологии очень важным является порядок определения и характер наложенных связей, которые будут управлять изменением формы конструкции, так как для любого способа наложения связей интервалы непротиворечивости будут разными. Параметрическое конструирование с неполным набором связей. Мягкая параметризация – это режим ПК, который позволяет, конструктору работать не задумываясь о порядке, в котором определены или учтены связи, а также об их достаточности для полного описания геометрии конструкции. Такой подход позволяет пользователю решать проблемы следуя по интуитивному наиболее естественному пути. Ключевое преимущество использования мягкой параметризации при конструировании — возможность решения геометрически недоопределенных задач путем предоставления пользователю возможности выявления неизвестных факторов в виде связей и нахождения нужного решения. С точки зрения практической реализации мягкая параметризация – это метод для нахождения необходим размеров и уточнения ориентации элементов, определенных форм геометрических объектов. В основе метода лежит принцип решения нелинейных уравнений, которые описывают систему связей, подкрепленными формулами. Использование механизма решения, связывающих уравнений конструктор может оптимизировать такие параметры как масса, объем, и т.д., площадь, центр тяжести и т.д. Эти все процедуры позволяют либо оптимизировать потери материала, либо чтобы разрабатываемая деталь была легка в изготовлении, обеспечить поддержку требуемых эксплутационных показателей. Параметризация полезна не только для моделирования. Она также автоматизирует итерационную отладку конструкции. Работая в среде параметрического конструирования, пользователь указывает изменяемые параметры, задает связывающие условия, определяет целевую функцию и запускает процесс оптимизации. Особенно эффективна следующая задача: на вход задается приближенная геометрия, а в качестве целевой функции – условия размещения в заданном габарите. Ассоциативная геометрия Ассоциативная геометрия это обобщающее название технологии параметрического конструирования, обеспечивающая единую и двухстороннюю информационную взаимосвязь между геометрической моделью, расчетными моделями, программами для изготовления изделий на станках ЧПУ, конструкторской базы данных и так далее. Технология ассоциативной геометрии – это технология ассоциативного конструирования, которая базируется на непосредственной взаимосвязи между объектами, это параметризация бо- лее объективно и независимо от действий пользователей, которая создается на таких как параллельность, ортогональность и перпендикулярность. Положительные аспекты ассоциативной геометрии: ñ Скорость. ñ При использовании ассоциативной геометрии пользователь должен полностью определить размеры и ориентацию элемента, прежде чем приступить к созданию следующего. Объектно-ориентированное моделирование Этот подход реализован на основе определенного набора правил и атрибутов, задаваемых при выполнении базовой операции в дополнение к уже заданным связям и ассоциативной геометрии. ООМ представляет пользователю макрофункции, ранее определенные как последовательность действий, исполняющих булевы операции (пример: сквозное отверстие - вычитание, причем под сквозным отверстием понимается правило, которое определяет сквозной проход в заданном месте через тело модели независимо от того, изменялась форма модели, или нет). Этот подход реализован на основе определенного набора правил и атрибутов задаваемых при выполнении базовых операций в дополнение к уже заданным связям в АГ. К базовым операциям предъявляются требования: 1. Использующаяся базовая операция д.б. полностью определена. 2. После выполнения базовой операции ее топология должна сохранятся, и распознавать как базовая операция (отверстие, паз, округление), а также предоставлять возможность изменения определяющих ее геометрических параметров. 3. Определение базовой операции должно включать в себя правила, определяющие поведение геометрической формы, а также средства контроля за соблюдением этих правил после выполнения операции. 4. Для повышения эффективности процесса эффективной разработки приложения для инженерного анализа изготовления должен быть доступ к описанию объекта , не требуя от пользователя информации об объекте, использованной ранее при выполнении базовой операции. Фичерсы – интеллектуальное конструирование элементов, которые помнят о своем окружении независимо от внесенных изменений. Фичерсы – привычные пользователю конструкционно-технические элементы, такие как отверстия, фаски, скругления, ребра жесткости, центр. отверстия, канавки. Фичерсы – являются параметризованными объектами, определенным образом привязанные к определенному геометрическому контексту. При модификации модели привязка сохраняется, с соответствующей корректировкой фичерсов. Конструкционные элементы могут принимать любые очертания, приобретая будущую геометрию. Они содержат также знания о своем окружении, т.е. информацию о том, как они соотносятся друг с другом. Т.к. конструкционные формы помнят о своем окружении, при изменении любой из них могут изменятся геометрия и топология модели в целом. Это означает, что можно автоматически создавать любой объект и элемент (фаски, скругления), просто указывая их местоположение. После этого оно остается привязанным к грани при любом ее перемещении. Фичерсы – интеллектуальные конструкции, объектно-ориентированные операции, объекты, методы или категории. Программное обеспечение САПР Программное обеспечение (ПО) САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение делится на общесистемное и специальное (прикладное). Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств, т. е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов, и представлено операционными системами ЭВМ и вычислительных комплексов (ВК). Общесистемное ПО обычно создается для многих приложений и специфику САПР не отражает. В специальном (прикладном) ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур. Прикладное ПО обычно имеет форму пакетов прикладных программ (ППП), каждый из которых обслуживает определенный этап процесса проектирования или группу однотипных задач внутри различных этапов. Рассмотрим принципиальные особенности ПО, влияющие на организацию и эффективность создания и использования САПР. С развитием и совершенствованием ЭВМ все большее значение приобретает такой компонент общесистемного ПО, как операционные системы (ОС). Возможности, предоставляемые пользователям современными ВС, в большей степени определяются их операционными системами, чем техническими устройствами. ОС организует одновременное решение различных задач на ЭВМ, динамическое распределение каналов передачи данных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательность их решения с учетом установленных критериев, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса. Однако ОС требует для своей работы определенных ресурсов: процессора, внешней и основной памяти. Чем большими возможностями обладает ОС, тем больше требуется для нее ресурсов. Операционные системы можно генерировать применительно к определенным конфигурациям технических средств вычислительного комплекса и кругу решаемых задач. Но при этом параметры и состав технических средств ограничивают возможности ОС. Важным компонентом общесистемного ПО является базовое ПО. Базовое ПО не является объектом разработки при создании программного обеспечения САПР. Примером может служить базовое ПО для обработки геометрической и графической информации, для формирования и использования баз данных (БД). Использование АРМ, в состав которых включено подобное базовое ПО, реализующее стандартные проектные процедуры, существенно снизит трудоемкость создания программного обеспечения САПР. Однако во всех случаях за создателями САПР останется разработка прикладного ПО. С расширением области применения вычислительной техники и усложнением задач автоматизации процессов проектирования возрастают сложность и трудоемкость программирования. В последнее время, особенно в связи с широким внедрением в инженерную практику персональных компьютеров, начинают использоваться функциональные и интегрированные пакеты программ. Функциональные пакеты программ (ФПП) — это комплекс программных средств, ориентированных на выполнение определенной функции, более или менее безотносительно к конкретному предметному содержанию (обработка текстов — текстовые редакторы, обработка таблиц, графики). Интегрированные пакеты программ (ИПП) — это сочетание разных пакетов программ в единой технологической системе. Интеграция может быть реализована соединением основных функциональных пакетов в целостную монолитную систему, представленную единым программным модулем, или путем создания набора вспомогательных средств интерфейсного характера для обеспечения взаимодействия пакетов, представленных независимыми модулями. Прикладное программное обеспечение должно удовлетворять следующим основным требованиям: ñ Правильность — это функционирование в соответствии с моделируемым объектом и полным совпадением с выбранным алгоритмом решения. ñ Точность — результаты расчета имеют допустимые отклонения от реальных. ñ Совместимость — возможность работы не только в автономном режиме, но и в составе интегрированных систем, САПР и др. ñ Надежность — при всех условиях обеспечивает повторяемость результата. ñ Универсальность — работа при любых допустимых исходных данных. ñ Защищенность — сохранение работоспособности при возникновении сбоев. ñ Полезность — практическая ценность решаемых задач. ñ Эффективность — требуемые ресурсы (память, время) невелики. ñ Проверяемость — возможность демонстрации качества на практике. ñ Адаптируемость — возможность быстрой модификации с целью приспособления к изменяющимся условиям функционирования. В последнее время общее признание получил модульный принцип построения программного обеспечения, программ. Программы целесообразно разбивать на модули, для того чтобы упростить их разработку и реализацию; облегчить восприятие программы; упростить их отладку и модификацию; облегчить работу с данными, имеющими сложную структуру; избежать чрезмерной детализации алгоритмов; обеспечить более выгодное размещение программ в памяти компьютера. Каждый модуль обычно представляет собой самостоятельную программу, предназначенную для расчета отдельных компонентов, систем или реализующую один из методов расчета или отдельную его процедуру. Модуль должен быть, как правило, независимым от рассматриваемых вариантов объекта, процесса, системы (структуры, режима функционирования и др.). Он должен быть тем элементом (компонентом), с помощью которого можно описать любой вариант объекта, процесса, системы. Наличие таких модулей позволяет свести к минимуму процесс дополнительного программирования, сократить время по подготовке пользователя к работе. В процессе реальной работы с таким программным обеспечением проводится постоянная замена самих модулей или отдельных компонент, соответствующих тому или иному варианту объекта, процесса, системы, с максимальной унификацией ввода и вывода данных. Средства двумерного черчения С помощью 2D пакетов создается большинство конструкторских чертежей изделий в ортогональных проекциях и электрических схем. Распознавание геометрических форм, определённых точками, прямыми или кривыми только на плоскости. Иногда, чтобы подчеркнуть неразрывность процессов черчения и проектирования, употребляют термин САЧПР. Относительными ограничениями на 2d системы САПР являются: • системы 2d моделирования распознают геометрические формы, определенные точками, кривыми, или прямыми только на плоскости. • Не умея обрабатывать 3D формы, 2D инструменты не умеют автоматически генерировать дополнительные виды. Произвольный вид компонента м выполнить лишь как отдельную форму, которая рассматривается системой вне связи с другими изображениями видов. Основное назначение САПР, включающих обработку 2d информации – это изготовление чертежей с помощью ЭВМ. В зависимости от принципа обработки геометрических элементов разли- чают вариантные системы и генерирующие системы. Сегодня используются системы, построенные на базе комбинации обоих принципов. Предпосылкой создания и применения проекта логического проектирования, реализующего метод принципиального проектирования является наличие принципиального решения, включающего идентифицирующие, классифицирующие, текущие данные и пространственные описывающие конструкции (логическое сочетание формы и размеров). С решением проектно-логического проектирования принципиальное решенье, создающее общее представление об изделии, превращается в решение с конкретным значением данных о конкретном изделии. Применение метода предполагает, что уже сделан выбор геометрии для проектируемого изделия. Область применения - отдельные детали, комплектующие функциональные узлы, готовые изделия. Вариантный метод предполагает, как необходимое условие, описание комплексной детали. Для этого из группы геометрически похожих деталей составляется искусственная комплексная деталь, которой присущи геометрические признаки деталей группы. В простейшем случае изменяются только размеры, а конструкция отдельных вариантов деталей семейства остается не измененной. Такой вид проектирования называется принципиальным, т.е. сохраняется принцип конструкции. Использование этого метода предполагает, что уже сделан выбор геометрии для проектируемого изделия. Областями использования является проектирование отдельных деталей (пружины, гаечный ключ), проектирование комплексных функциональных узлов, проектирование готовых изделий. Далее определяется, на базе каких параметров можно создать отдельные элементы группы. Для этого вида проектирования создается ряд специальных систем (VABCOM) и неспециальных (PROPEN1, COMDRAW, COMVAR). COMVAR: автоматическое изготовление чертежей деталей с максимальным использованием стандартов. В основе метода генерирования лежит использование определенных геометрических элементов, введенных в систему проектирования и поддающихся переработке. Такими элементами могут быть отрезки, окружности, дуги, плоскости. Описание детали выполняется разложением реальных объектов на элементы, которые могут быть обработаны той или другой системой. Эти элементы по их названиям вызываются из БД, позиционируются и получают размеры. С помощью основных элементов описывается геометрическая форма (общее описание детали). С помощью вспомогательных элементов, которые связаны с основными элементами, осуществляется более подробное описание детали, что позволяет полностью передать геометрическую форму детали. Технологические элементы, относящиеся и к основным, и к вспомогательным - CODEM, RADIAN, T2000. Этот способ позволяет составить детали из отдельных элементов (конструкционная геометрия CSG). Наряду с 2D САПР для изготовления чертежей были созданы системы, элементарными объектами которых являются символические образы. Эти системы используются главным образом там, где требуется представлять функциональные узлы в символическом виде. (CADSYM - программная система для создания схем в режиме графического диалога. Система дает пользователю возможность формировать любые символы, манипулировать ими и связывать их по заданной логике. Система может использоваться при проектировании электрических и гидравлических схем, заводских установок и трубопроводных систем). • • Среди систем 2D моделирования можно выделить: Graphics CAD Professional 3.0 (возможно создание впечатления рельефности 2D объектов) Microsoft Design (для архитекторов, художников, иллюстрирующих технические документы). 3D моделирование 3D системы обеспечивают такую дисциплину работы с 3 координатами, при которой любой изменение одного вида автоматически приводит к соответствующим изменениям на всех остальных видах. Последовательность построений может быть следующей: сначала строится 3D вид, а затем автоматически генерируются 2D виды. Некоторые системы способны преобразовывать сборочные чертежи механизма ортогональной проекции в 3d вид этого изделия в разобранном состоянии. 3D особо успешно применяется для создания сложных чертежей при проектирование размещения заводского оборудования, трубопроводов, различных строительных сооружений. Неоценимо 3D там, где нужно обеспечить адекватные зазоры между компонентами. Возможность генерировать траектории движения инструмента и имитация функционирования роботов делает 3D моделирование неотъемлемой частью интеграции САПР/АСТПП. В некоторых системах 3D имеются средства автоматического анализа физических характеристик, таких как вес, моменты инерции и средства решения геометрических проблем сложных сопряжений и интерпретации. Поскольку в 3D системах существует автоматическая связь между данными различных геометрических видов изображения, 3D моделирование полезно в тех приложениях, где требуется многократное редактирование 3D образа на всех этапах процесса проектирования. Методы 3D моделирования делятся на три категории: ñ каркасные (проволочные) ñ поверхностные (полигональные) ñ твердотельные (сплошное, объемное моделирование) Каркасные модели Каркасная модель полностью описывается в терминах точек и линий. Это моделирование самого низкого уровня. Имеет ряд серьезных ограничений, большинство из которых возникает из-за недостатка информации о гранях, заключенных между линиями и невозможности выделить внутреннюю и внешнюю область изображения твердого объемного тела. Однако каркасная модель требует меньше памяти и вполне пригодна для решения задач, относящихся к простым. Каркасное представление часто используется не при моделировании, а при отображении моделей как один из методов визуализации. Широко используются для имитации траектории движения инструменты, выполняющие несложные операции обработки деталей по 2,5 или 3 осям. "2,5 оси" - более простые системы могут моделировать формы только с постоянным поперечным сечением. Такую форму можно построить следующим образом: сначала вводится вид (X,Y), а затем любой точке приписывается третья координата, характеризующая глубину изображения. Такие формы относятся к так называемым "2,5 геометрии". Ограничения каркасной модели: 1) Неоднозначность Это эффект может привести к непредсказуемым результатам. Нельзя отличить видимые грани от невидимых. Операцию по удалению невидимых линий можно выполнить только в ручную с применением команд редактирования каждой отдельной линии, но результат этой работы равносилен разрушению всей созданной каркасной конструкции, т.к. линии невидимы в одном виде и видимы в другом. 2) Невозможность распознания криволинейных граней Боковые поверхности цилиндрической формы реально не имеют ребер, хотя на изображении есть изображение некоторых мнимых ребер, которые ограничивают такие поверхности. Расположение этих мнимых ребер меняется в зависимости от направления вида, поэтому эти силуэты не распознаются как элементы каркасной модели и не отображаются на них. Чтобы пытаться представить криволинейные грани, проводят продольные … прибегают к ряду условностей (интерпретируя поверхность цилиндра плоскими гранями). Формируется условное изображение объекта. Наличие несущих линий может внести еще больше путаницы в чертеж, который и так уже полон неоднозначностей. 3) Невозможность обнаружить взаимное влияние компонентов. Каркасная модель не несет информации о поверхностях, ограничивающих форму, что обуславливает невозможность обнаружения нежелательных взаимодействий между гранями объекта и существенно ограничивает использование каркасной модели в пакетах, имитирующих траекторию движения инструмента или имитацию функционирования робота, так как при таком моделировании не могут быть выявлены на стадии проектирования многие коллизии, появляющиеся при механической сборке. 4) Трудности при вычислении физических характеристик. 5) Отсутствие средств выполнения тоновых изображений. Основным принципом техники выполнения тоновых изображений, т.е. обеспечение плавных переходов различных цветов и нанесение светотени, является то что затенению подвергаются грани, а не ребра. Поверхностное моделирование Поверхностная модель определяется с помощью точек, линий и поверхностей. При построении поверхностной модели предполагается, что технические объекты ограничены поверхностями, которые отделяют их от окружающей среды. Такая оболочка изображается графическими поверхностями. Поверхность технического объекта снова становится ограниченной контурами, но эти контуры уже являются результатом 2-х касающихся или пересекающихся поверхностей. Точки объектов - вершины, могут быть заданы пересечением 3 поверхностей. Поверхностное моделирование имеет следующие преимущества по сравнению с каркасным: ñ способность распознавания и изображения сложных криволинейных граней. ñ способность распознавания грани для получения тоновых изображений. ñ способность распознавания особые построения на поверхности (отверстия). ñ возможность получения качественного изображения. Обеспечение более эффективных средств для имитации функционирования роботов. В основу поверхности положены 2 следующих математических положения: • любую поверхность можно аппроксимировать многогранником, каждая грань которого является простейшим плоским многоугольником; • дополнительные поверхности второго порядка и аналитически не описываемые поверхности, форму которых можно определить с помощью интерпретации или аппроксимации. Типы поверхностей: Базовые геометрические поверхности: 1. Плоские поверхности, которые можно получить, начертив сначала отрезок прямой, а затем, введя команду, которая разворачивает в 3D пространстве образ этого отрезка на заданное расстояние (получается плоскость или двугранник). Подобным образом разверткой окружностей или дуг могут быть получены цилиндрические и канонические поверхности, области поверхностей также могут быть развернуты в 3D объект (область внутри граней остается пустой). 2. Поверхности вращения. Могут, получены по команде создающей поверхность вращения плоской грани вокруг определенной оси (круговая развертка). 3. Поверхность сопряжения и пересечений. Плавной сопряжение одной поверхности к другой (часто используется). Доступны средства определений пересечений поверхностей. Возможность построения плавного сопряжения двух поверхностей является наиболее мощным и часто используемым на практике средством поверхностного моделирования. Кроме этого может быть доступно средство определения пересечения поверхности. Например, можно построить плавное сопряжение боковых поверхностей параллелепипеда и цилиндра. Проблема порождения результирующей поверхности в данном случае сводится к задаче построения методом сплайн-интерполяции особых кривых в 3D пространстве, выходящих из квадрата и входящих в автоматически генерируемую кривую на поверхности цилиндра, по которой заданные кривые должны пересекаться. 4. Аналитические поверхности. Такие определяются одним математическим уравнение с неизвестными X,Y,Z. Эти неизвестные обозначают искомые координаты поверхностей, т.е. чтобы изобразить любую аналитическую поверхность, необходимо знать математическое уравнение, которым онон описывается. 5. Скульптурные поверхности (СП). Очень сложные. Поверхности свободных форм или произвольные поверхности. Методы ГМ скульптурной поверхности сложной формы применяют в областях, где проектируются динамические поверхности, т.е. поверхности, которым предъявляются повышенные эстетические требования. Используются при проектирование корпусов машин, самолетов. Динамические подразделяются на 2 класса: ñ Омываемые средой (внешне обод самолетов, судов и т.д.) ñ Трассирующие – направляющие среды (воздушные гидравлические каналы). СП используют в основном каркасно-кинематический метод, основанный на перемещении некоторых образующих каркасов по направляющим, или путем построения сплайнов продольных образующих кривых между 3D точками. Каркас задается либо множеством точек, либо ломанными через эти точки. При каркасном кинематическом методе каркас задается как множеством характерных точек, так и ломанными линиями, проходящими через эти точки. Существуют системы, в которых задача построения модели поверхности решается на множествах точек, координаты которых вычисляются в прикладной программе. При решении задач представление скульптурных поверхностей и гладких сплайновых кривых возникают задачи аппроксимации, интерполяции и сглаживания исходных данных. Задача аппроксимации, т.е. приближенного представления, возникают при замене кривой или поверхности, описываемых сложными функциями, другими объектами, описываемыми более простыми уравнениями без потери необходимой точности. Задача интерполяции, т.е. приближенного восстановления, связана с поиском гладких кривых – сплайнов, или поверхностей, проходящей через множество заданных точек. Задачи сглаживания возникают, когда необходимо, чтобы искомая кривая или поверхность описывались функцией обеспечивающей, например, необходимую степень дифференцирования. В системах автоматизации проектирования наибольший интерес представляют методы интерполяции, обеспечивающие необходимую точность задания проектируемых поверхностей. Для интерполяции кривых используют различные методы, среди которых наибольшее распространение получили методы интерполяции локальными сплайнами нечетных степеней и кубическими сплайнами , с помощью Всплайнов, аппроксимация кривых методом Безье: перечисленные способы основаны на предположении, что известен набор функций или точек, описывающих исходные данные об объекте проектирования. Эти данные могут быть сформированы эвристически на основе опыта проектировщика, получены в результате физических экспериментов, или вычислены в результате решения промежуточных задач. Методы отображения скульптурных поверхностей в значительной степени связаны с возможностями графических устройств. Следует отметить, что отображение самой поверхности не играет существенной роли, так как основное назначение этих методов – визуальная проверка корректности, гладкости, эстетичности полученной поверхности. В настоящее время модели скульптурных поверхностей широко используются при проектировании и производстве корпусов автомобилей, самолетов, предметов домашнего обихода. 6. Составные поверхности В развитых системах поверхностного моделирования составную поверхность можно полностью определить, покрыв ее сеткой четырехугольных кусков, т.е. участками ограниченной продольными и поперечными линиями на поверхности. Каждый кусок имеет геометрическую форму топологического прямоугольника, который отличается от обычного тем, что его стороны не обязательно прямые и попарно перпендикулярные. Границы кусков представляют собой непрерывные кривые, что обеспечивает гладкость поверхности натянутой на сетку. Внутренняя область каждого куска определяется методом интерполяции. Изображение составной поверхности, реализованное указанным способом, м.б. получено на экране дисплея, либо с помощью построения по точкам сплайновых кривых, либо путем создания многогранного каркаса, на который система будет автоматически аппроксимировать натяжение гладкой криволинейной поверхности. Твердотельное моделирование (ТМ) ТМ-единственное средство, которое обеспечивает полное однозначное описание 3D геометрической формы. + Т моделей: ñ Полное определение объемной формы с возможностью разграничивать внутренний и внешние области объекта, что необходимо для взаимовлияний компонент. ñ Обеспечение автоматического удаления скрытых линий. ñ Автоматическое построение 3D разрезов компонентов, что особенно важно при анализе сложных сборочных изделий. ñ Применение методов анализа с автоматическим получением изображения точных весовых характеристик методом конечных элементов. ñ Получение тоновых эффектов, манипуляции с источниками света. ñ Методы твердотельного моделирования, которые обычно используются в прикладных системах, делятся на 2 класса: 1.Метод конструктивного представления (C-Rep) 2.Метод граничного представления (B-Rep) Они близки, но отличаются способами хранения данных памяти машины. C-REP. Этот метод состоит в построении твердотельных моделей из базовых составляющих элементов, называемых твердотельными примитивами, и определяемыми формой, размерами, точкой привязки и ориентацией. Типичные примеры: параллелепипеды, сферы. Булевы операции являются существующим инструментарием для построения модели C-REP при определении взаимоотношений между соседними примитивами. Булевы операции базируются на понятиях алгебраической теории множеств, и имеют обычный смысл, когда применяются к твердотельным объектам. Наиболее часто следующие операции: пересечение, объединение и разность. Модель конструктивной геометрии представляет собой бинарный древовидный граф G=(V,U), где V – множество вершин – базовые элементы формы – примитивы, из которых конструируется объект, а U – множество ребер, которые обозначают теоретико-множественные операции, выполняемые над соответствующими базовыми элементами формы. Каждый примитив модели задан множеством атрибутов A=, где x,y,z – координаты точки привязки локальной системы координат примитива к системе координат синтезируемого объекта, ax, ay, az, - углы поворота примитива вокруг соответствующих осей координат, Sx, Sy, …, Sn - метрические параметры объекта. B-REP (метод граничного представления) Описание тела с помощью представления границ или точного аналитического задания граней, ограничивающих тело. Этот метод позволяет создавать точное, а не приближенное представление геометрического твердого тела. B-REP требует, чтобы пользователь задал контуры или границы объекта, а также эскизы разных видов объекта, указав линии связи между ними, чтобы можно было установить взаимооднозначное соответствие. Любой из двух названных методов имеет свои + и – по сравнению с другими. Системы в C-REP представлении имеют значительные процедурные преимущества при начальном формировании моделей. Так как построить точную объемную модель из объемных примитивов правильной формы с помощью булевых операций сравнительно не сложно. Этот метод обеспечивает также более компактное описание модели в БД. В то же время системы с B-REP представлением обладают своими достоинствами. Одно из них становится очевидным, когда встречаются необычные формы, которые не перекрываются имеющимся набором примитивов метода c-Rep. Примером ситуации такого рода может служить форма фюзеляжа и крыльев самолета. Второе отличие заключается в следующем: в C-REP методе модель хранится в виде комбинации данных и логических процедур. При этом требуется меньше памяти, но больше оказывается объем вычислений при воспроизведении модели и ее изображении. Система с B-REP представлением хранит точное описание границ модели. Здесь и больше памяти, но не требуется почти никаких вычислений для создания изображения. Относительным достоинством систем с B-REP является сравнительная простота преобразования граничного представления в соответствующую каркасную модель и обратно. Причина такой простоты заключается в том, что описание границ подобно описанию каркасной модели, а это облегчает преобразование модели из одной формы в другие, что делает системы в B-REP представлении совместимыми с уже имеющимися системами. Примерами пакетов 3d моделирования являются: Power Shape, Solid Edge. В виду относительного характера преимуществ и недостатков C-rep и B-rep были разработаны гибридные системы, которые сочетают в себе оба метода (CADDS5, UnitGraph/Solid Modeling, Euclid, CATIA). Эти системы позволяют сочетать каркасную, поверхностную и твердотельную геометрию и использовать комбинации жестко размерного моделирования, т.е. использовать гибридное моделирование. Лучше было бы искать стратегию моделирования для всех продуктов, но: 1. часто приходится использовать ранее наработанные данные, либо данные, введенные из других систем, а они могут иметь разное происхождение; 2. в какие-то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или 3d геометрией, описанной поверхностью; 3. часто проще иметь различные представления для разных компонентов. Информационное обеспечение САПР Основу информационного обеспечения (ИО) САПР составляют данные, которыми пользуются проектировщики в процессе проектирования непосредственно для выработки проектных решений. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов и т. п. При этом данные, являющиеся результатом одного процесса преобразования, могут быть исходными для другого процесса. Совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР, составляет информационный фонд САПР. Основная функция ИО САПР — ведение информационного фонда, т. е. обеспечение создания, поддержки и организации доступа к данным. Таким образом, ИО САПР есть совокупность информационного фонда и средств его ведения. В состав информационного фонда САПР входят: - программные модули, которые хранятся в виде символических и объектных текстов. Как правило, эти данные мало изменяются в течение жизненного цикла САПР, имеют фиксированные размеры и появляются на этапе создания информационного фонда. Потребителями этих данных являются мониторы различных подсистем САПР; - исходные и результирующие данные, которые необходимы при выполнении программных модулей в процессе преобразования. Эти данные часто меняются в процессе проектирования, однако их тип постоянен и полностью определяется соответствующим программным модулем. При организации промежуточных данных возможны конфликтные ситуации в процессе согласования между собой данных различных типов; - нормативно-справочная проектная документация (НСПД), включающая в себя справочные данные о материалах, элементах схем, унифицированных узлах и конструкциях. Эти данные, как правило, хорошо структурированы и могут быть отнесены к фактографическим. К НСПД относятся также государственные и отраслевые стандарты, руководящие материалы и указания, типовые проектные решения, регламентирующие документы (слабо структурированные документальные данные); - текущая проектная информация, отражающая состояние и ход выполнения проекта. Как правило, эта информация слабо структурирована, часто изменяется в процессе проектирования и представляется в форме текстовых документов. При выборе способов ведения информационного фонда САПР важно сформулировать принципы и определить средства ведения информационного фонда, структурирования данных, выбрать способы управления массивами данных. Различают следующие способы ведения информационного фонда САПР: использование файловой системы; построение библиотек; использование банков данных; создание информационных программ адаптеров. Использование файловой системы и построение библиотек широко распространено в организации ИО вычислительных систем, так как поддерживается средствами ОС. В приложениях к САПР эти способы применяют при хранении программных модулей в символических и объектных кодах, диалоговых сценариев поддержки процесса проектирования, начального ввода крупных массивов исходных данных, хранения текстовых документов. Однако они малопригодны при обеспечении быстрого доступа к справочным данным, хранении меняющихся данных, ведении текущей проектной документации, поиске необходимых текстовых документов организации взаимодействия между разноязыковыми модулями. Автоматизированные базы данных представляют собой совокупность баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). СУБД - Система Управления Базами Данных DBMS - Database Management System совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных. На вопрос «а нафига оно вообще надо» мне есть что сказать: Вопрос хранения данных в современном мире это так сказать Ахиллесова Пята нашей цивилизации, будь я всемогущим хакером, который может щелчком пальца отключить все системы СУБД в мире, мы получили бы через 2 секунды осознания – каменный век со всеми положительными аспектами в виде «природа очистилась настолько, что мы не можем ничего купить, продать, управлять производством, управлять бухгалтерией и даже выматериться в любимом чате в телеграмме или вконтактике». Т.е. нам нужна отказоустойчивая система, которая бы могла быстро накапливать, долго хранить, эффективно обрабатывать разнородные данные, и по запросу выводить эти данные или результаты анализа этих данных, иначе опять разговаривать голосом в одной комнате с этими мерзкими людишками) ну а если серьезно терять много много много денег (минута простоя одного средненького «дата центра» гугл несколько десятков миллиардов долларов). Мало того, вопрос СУБД в нынешнем мире, это, без гиперболизации – дело национальной безопасности (представим что я положил дата центр zakupki.gov.ru, положил намертво, с потерей данных, парализованная система гос и муниципального управления без регистрации и смс…, хотя нет, может все таки ломануть базы управления полетными зонами над красноярском? Борт Бройлер 747 подлетная зона Альфа-Браво 2, граница нижней облачности 450 метров, ветер северо-запад 7 м/с порывы до 18, давление красноярск 752 мм рт. ст. занимайте 5 эшелон… в самолете – што?!! Директ флайт контрол! Отказ курсо глиссадной системы. Оценка? Ну… Решение?, короче это весело…, не говоря уже управлении теплоотводов и поглотителей в АЭС). Если подытожить, без СУБД никуда, никак и нигде. В том числе и в такой чувствительной зоне как управление производством, проектирование (6 миллионов деталей в гражданском самолете) технологии, конструирование, управление производственным циклом изделия. Функции СУБД • управление данными во внешней памяти (hdd, ssd); • управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша (а нафига? – а что бы быстро… память быстрая как… сами придумайте)); • журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев; • поддержка языков БД Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты: • ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию; (Как правило пишется на обьекториентированном языке типа Visual Java или Visual C++) • процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода; (Это язык SQL, чуть ли не единственный язык в мире стандартизированный для использования как «язык запросов баз данных», работает везде и всегда, зная этот язык можно достать данные из любой базы данных) • подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД; • сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы. (оптимизация-шоптимизация, удаление пустых строк, сжатие данных, удаление старых индексов и т.д.) Классификация СУБД По модели данных • Поддержка индивидуальности объектов. Все объекты должны иметь уникальный идентификатор, который не зависит от значений их атрибутов. Поддержка инкапсуляции. Корректная инкапсуляция достигается за счёт того, что программисты обладают правом доступа только к спецификации интерфейса методов, а данные и реализация методов скрыты внутри объектов. Поддержка типов и классов. Требуется, чтобы в ООБД поддерживалась хотя бы одна концепция различия между типами и классами. (Термин «тип» более соответствует понятию абстрактного типа данных. В языках программирования переменная объявляется с указанием её типа. Компилятор может использовать эту информацию для проверки выполняемых с переменной операций на совместимость с её типом, что позволяет гарантировать корректность программного обеспечения. С другой стороны класс является неким шаблоном для создания объектов и предоставляет методы, которые могут применяться к этим объектам. Таким образом, понятие «класс» в большей степени относится ко времени исполнения, чем ко времени компиляции.) Поддержка наследования типов и классов от их предков. Подтип, или подкласс, должен наследовать атрибуты и методы от его супертипа, или суперкласса, соответственно. Перегрузка в сочетании с полным связыванием. Методы должны применяться к объектам разных типов. Реализация метода должна зависеть от типа объектов, к которым данный метод применяется. Для обеспечения этой функциональности связывание имен методов в системе не должно выполняться до времени выполнения программы. Вычислительная полнота. Язык манипулирования данными должен быть языком программирования общего назначения. Набор типов данных должен быть расширяемым. Пользователь должен иметь средства создания новых типов данных на основе набора предопределённых системных типов. Более того, между способами использования системных и пользовательских типов данных не должно быть никаких различий. Объектно-реляционные Сочетание принципов реляционной алгебры и обьектно ориентированного подхода к СУБД. Самый современный подход на данный момент. Объектно-реляционными СУБД являются, например, широко известные Oracle Database, Informix, DB2, PostgreSQL. По степени распределённости • Локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере) • Распределённые СУБД (части СУБД могут размещаться не только на одном, но на двух и более компьютерах, я вам говорил о кластерных системах в этом разрезе в том числе). По способу доступа к БД Файл-серверные В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок. Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на процессор файлового сервера. Недостатки: потенциально высокая загрузка локальной сети; затруднённость или невозможность централизованного управления; затруднённость или невозможность обеспечения таких важных характеристик, как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность. Применяются чаще всего в локальных приложениях, которые используют функции управления БД; в системах с низкой интенсивностью обработки данных и низкими пиковыми нагрузками на БД. На данный момент файл-серверная технология считается устаревшей, а её использование в крупных информационных системах — недостатком. Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro. Клиент-серверные Клиент-серверная СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно. Недостаток клиент-серверных СУБД состоит в повышенных требованиях к серверу. Достоинства: потенциально более низкая загрузка локальной сети; удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик, как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность. Примеры: Oracle Database, Firebird, Interbase, IBM DB2, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, PostgreSQL, MySQL, Caché, ЛИНТЕР. Встраиваемые Встраиваемая СУБД — СУБД, которая может поставляться как составная часть некоторого программного продукта, не требуя процедуры самостоятельной установки. Встраиваемая СУБД предназначена для локального хранения данных своего приложения и не рассчитана на коллективное использование в сети. Физически встраиваемая СУБД чаще всего реализована в виде подключаемой библиотеки. Доступ к данным со стороны приложения может происходить через SQL либо через специальные программные интерфейсы. Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, Firebird Embedded, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР. Стратегии работы с внешней памятью СУБД с непосредственной записью В таких СУБД все изменённые блоки данных незамедлительно записываются во внешнюю память при поступлении сигнала подтверждения любой транзакции. Такая стратегия используется только при высокой эффективности внешней памяти. СУБД с отложенной записью В таких СУБД изменения аккумулируются в буферах внешней памяти до наступления любого из следующих событий: • Контрольная точка. • Нехватка пространства во внешней памяти, отведенного под журнал. СУБД создаёт контрольную точку и начинает писать журнал сначала, затирая предыдущую информацию. • Останов. СУБД ждёт, когда всё содержимое всех буферов внешней памяти будет перенесено во внешнюю память, после чего делает отметки, что останов базы данных выполнен корректно. • Нехватка оперативной памяти для буферов внешней памяти. Такая стратегия позволяет избежать частого обмена с внешней памятью и значительно увеличить эффективность работы СУБД. Показатели уровня обслуживания СУБД: Задержка (время отклика системы после запроса в базу данных, обычно от 25 до 100 миллисекунд) Доступность (в % время СУБД когда она может обработать запрос без превышения Задержки, обычно не менее 99-99.9%, правильным считается если при возникновении какого либо технического инцидента, такого как выход из строя накопителя, отсутствие питания, выход из строя блока питания, такой инцидент не должен длиться более чем 10 минут) Пропускная способность (количество успешных запросов за единицу времени, чем быстрее, тем лучше, ограничено аппаратным обеспечением – процессор (важна не только частота, но и технологии процессора – кэш 1,2,3 уровня, система постановки задач в очередь и т.д.), память (обьем, частота), накопитель(hdd, ssd)) Надежность хранения (характеризует качественность сохранения информации, физически воплощается в «временном окне», например во время сбоя системы потеряны данные не более чем 2 последних секунды) Стоимость (все сильно зависит от задач которые ставятся перед СУБД, обычное дело переплата или недоплата) Факторы риска при обслуживании СУБД: Сложность (СУБД с большим количеством запросов требует высококвалифицированного персонала, который знает тонкости конкретной СУБД и сможет справиться с возрастающей нагрузкой как программными так и аппаратными методами) Наличие ресурсов (существуют ли у вас ресурсы которые позволят масштабировать систему СУБД при не линейной возрастающей нагрузке?) Человеческий фактор (ну вы знаете, мой любимый:)) – разделим на: синдром бездействия – чаще всего люди находящиеся под данным когнитивным искажением считают, что – «работает - не трогай!» или «риск от вмешательства выше, чем риск от бездействия» или «вот напарник придет он и займется». игнорирование известных опасностей – чаще всего специалисты не замечают обычные риски, такие как переполнение носителя данных, и сосредотачиваются на оптимизации базы данных в целом. Результат плачебен… страх – Страх парализует и сковывает. Я не должен бояться. Страх — убийца разума. Страх — это маленькая смерть, влекущая за собой полное уничтожение. Я встречусь лицом к лицу со своим страхом. Я позволю ему пройти сквозь меня. И, когда он уйдет, я обращу свой внутренний взор на его путь. Там, где был страх, не будет ничего. Останусь лишь я. (с) Френк Герберт – Дюна. Другими словами, специалист находящийся в стрессовой ситуации страха, не рассматривает возможные варианты развития событий останавливаясь на нескольких, чаще всего маловероятных. Излишний оптимизм – мы рассматривали это когнитивное искажение, которое не позволяет рационально рассмотреть текущую ситуацию и корректно предложить методы решения проблемы. Чаще всего это фраза «все будет хорошо, подумаешь один диск на рейде вышел из строя, завтра заменю», специалист уходит домой, скорость кластера накопителя падает, накопляется очередь запросов, происходит перегрузка кластера накопителей, в один момент все накрывается медным тазом с потерей данных без возможности восстановления. Как с этим бороться?! Системы объективного мониторинга систем, плановые проверки аппаратного обеспечения, плановое ознакомление с логами ошибок. Формулировка четких и ясных задач персоналу с временным ограничением. Рейтинг баз данных (основан, в основном, на частоте упоминаний СУБД и не учитывает количество установок и реальное использование в информационных системах) https://db-engines.com/en/ranking Система управления производственной информацией (PDM) Проектирование изделий – ускоренный процесс, требующий быстрого доступа к большим масштабам согласованной проектно–инженерной информации. Чтобы облегчить решение проблем, вызванных современными средствами проектирования и ускорить разработку изделий, появились системы PDM, обеспечивающие доступ к проектной информации, управляющие процессами проектирования. Система управлений производственной информацией – инструментальные средство, которое помогает администраторам, конструкторам и другим специалистам управлять как данными, так и производственными разработками изделия на современных производственных предприятиях или группе предприятий. Системы PDM следят за большими постоянными обновлениями машинных данных и инженерно-технологической информации, необходимых на этапах проекти- рования, производства или строительства, а так же поддержки эксплуатации, сопровождение и утилизации технических изделий. PDM – системы работают с файлами и записями БД по всем этапам цикла разработки, изготовления и поддержки изделия. Конфигурации изделия, описание деталей, спецификации, чертежи CAD, геометрические модели, изображения, модели инженерного анализа и результата расчетов, планы маршрута процесса изготовления, NC – программы изготовления деталей, хранимые в электронном виде документы, заметки, корреспонденция, аудио и видео ссылки на бумажные документы, проектные планы и др. Система PDM отличается от БД тем, что интегрирует информацию любых форматов и типов, поступающую от различных источников, предоставляет ее пользователям уже в структурированном виде, причем структуризация привязана к особенностям современного промышленного производства. Системы PDM отличаются от интегрированных систем офисного документооборота, т.к. тексты – далеко не самое нужное в производстве. Важнее геометрическая модель, данные для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и т.д. Системы PDM обобщают такие известные технологии как управление инженерными данными(EDM); управление документами ( информация об изделии) (PIM); управление техническими данными (TDM); управление технологической информацией (TIM); управление изображениями и др. системы, которые используются для манипулирования информацией, всесторонне определяющей конкретное изделие. Таким образом, любая информация используемая на том или ином этапе жизненного цикла изделия, может управляться системой PDM, которая предоставляет корректные данные всем пользователям и всем промышленным информационным системам по мере надобности. Наряду с данными, система PDM управляет и проектом, то есть процессом разработки изделия, контролируя собственно информацию об изделии, о состоянии объекта, от данных по этому объекту, об утверждениях вносимых изменений, осуществляя авторизацию и другие операции, которые влияют на данные об изделии и режим доступа к ним каждого конкретного пользователя. EPD – полное электронное описание изделия Концепцию EPD вызвала к жизни потребность современных крупных предприятий в средствах параллельного создания, управления, разделения и неоднократного использования всей электронной информации выпускаемых предприятием на протяжении всего жизненного цикла изделий с возможностью интеграции данных о всех участниках этого цикла( поставщиков и т.д.). Реализованное в серии программных продуктов и служб концепция EPD обеспечивает: • • • • • создание интерактивной среды совместной разработки, охватывает различные дисциплины; создание структуры электронного описания изделия, интегрирующего всю информацию, которая может быть использована в масштабах расширения предприятия в т.ч. поставщиками и сервисными организациями; электронное определение всех этапов ЖЦ, формулировка потребностей в материалах, концептуальное проектирование, производство, распространение и поддержка; защиту данных и гарантированый доступ к информации об изделии для каждого пользователя с соответствующими правами доступа; управление внесением изменений; EPD включает информацию от всех дисциплин, вовлеченных в процесс его создания и обеспечивает связь структуры проекта с прикладными системами и необходимой деловой информаци- ей. EPD позволяет превратить электронные данные об изделии в важнейший бизнес-ресурс корпорации, который обеспечивает разработку и сопровождение конкурентоспособной продукции, уменьшает время ее выхода на рынок, увеличивает качество и уменьшает затраты на проектирование, производство и поддержку. Разработка систем EPD явилась ответом на происходящий в индустрии переход от разрозненных приложений, способных повысить эффективность инженерного труда к интегрированной корпоративной среде совместной работы над изделием. В процессе разработки продукта возникает ряд проблем, влияющих на успешное введение корпоративного бизнеса: необходимость организации совместной работы коллектива специалистов с привлечением компаний, поставляющих основные компоненты для разрабатываемого изделия; длительность времени, а значит суммы, которые затрачены на реализацию сложной сборки, а так же трудности понимания таких сборок в целом. CALS(Continuous Acquisition and Life cycle Support) CALS – протокол цифровой передачи данных об изделии. Обеспечивает стандартные механизмы доставки цифровых данных. Использует как основу стандарты IGES и STEP в качестве форматов обмена графическими данными. Формат IGES – стандарт на передачу и обмен графических данных между различными CALS – системами. STEP – международный стандарт ISO 10303, призванный облегчить хранение и обмен всех типов информации, имеющей отношение к изделию. STEP определяет форму данных о конкретном типе изделия для всех типов информационных сред, а также для специфических секторов промышленности. Предусмотрена постепенная замена IGES на STEP. Разработаны STEP для авиа- и автостроения. EPD реализуется сегодня в системе управления проектными и производственными данными (CADDS5 Optegra, CATIA, Euclid). Euclid Design Manager - это ОО PDM, предназначенная для размещения на уровни подразделения и имеющая целью обеспечит информационную поддержку отдельных групп разработчиков в среде параллельного проектирования. Функциональные возможности PDM системы распадаются на функции пользователя и утилиты. Первые обеспечивают доступ пользователя к возможностям PDM и делятся на следующие категории: 1. Хранение данных и управление документами; 2. Управление потоком заданий или процессом; 3. Управление структурой изделия; 4. Классификация и поиск; В целях сохранности и непротиворечивости данных, когда над проектом работает группа пользователей, прикладные данные дублируются в виде метаданных, которые разграничены по местам размещения и по уровням доступа. Метаданные могут быть разбиты на иерархию папок, для навигации в которых используется специальный броузер. В отличие от прикладных данных, обрабатываемых приложениями, метаданные хранятся в отдельной БД. С метаданными оперирует приложение администратора. Права доступа к файлам и документам предоставляются отдельным лицам и группам, причем лицо может входить в несколько групп. Весь процесс разработки изделия идет под управлением PDM-системы, которая фиксирует и размещает в хранилище все инженерные и проектные данные. Поддерживается распределенное хранение и управление документацией по сети с прозрачным доступом пользователей. Существует три уровня хранения: 1. Высший (область хранения - репозиторий); 2. Средний (уровень рабочей группы); 3. Низший (уровень пользователя); Иерархия хранения определяет, какие документы могут видеть отдельные лица. Документы на уровне рабочей группы видят ее члены. Документы в области хранения видимы всем. Использование иерархии хранения и статус документа позволяют управлять видимостью. Например, пользователь заносит файл в область рабочей группы, и он становится видимым для группы. Это позволяет членам бригады разработчиков создавать альтернативные проекты, вводя данные из своих индивидуальных областей в промежуточную область рабочей группы, не дожидаясь окончательного утверждения данных. Всем членам бригады предоставлен параллельный доступ к информации из промежуточной области. Пользователь получает полную свободу для модификации деталей и сборок в пределах группы. Как только данные утверждены, они поступают в область хранилища, завершая цикл проверкой согласованности на всех рабочих уровнях. Утилиты включают связь и оповещение, перенос и трансляцию данных, средства визуализации, администрирование. Средства администрирования обеспечивают определение физического размещения данных, определение логическую иерархию данных, определение семейств данных, определение пользователей и групп пользователей, обеспечение прав и контроль доступа к данным, архивирование данных. Сердце всех PDM-приложений – структура изделия, которая обеспечивает полнофункциональную прикладную среду, позволяет управлять всеми ресурсами в контексте разрабатываемого изделия. Это не только организует данные в максимально удобном для пользователя виде, но и создает скелет, на который будут наращиваться документы с определенного изделия на протяжении всего его ЖЦ. Техническое обеспечение САПР Создание и использование ЭВМ позволило значительно снизить трудоемкость и продолжительность вычислительных работ. Но в процессе проектирования изделий и технологических процессов доля собственно вычислительных работ не превышает 15 %. Автоматизация проектирования потребовала выпуска специализированных средств САПР. Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Любые вычислительные комплекты САПР, в том числе и АРМ, должны включать необходимое число периферийных устройств для ввода и отображения информации, в том числе графические и алфавитно-цифровые дисплеи (ГД и АЦД) с графическими планшетами и электронными перьями, высокоточные рулонные и планшетные графопостроители различного формата, кодировщики графической информации (сколки), устройства снятия твердой копии с изображения на экране дисплея, интеллектуальные видеотерминалы с растровыми цветными дисплеями, накопители на переносных магнитных и оптических дисках емкостью до 630 Мбайт, накопители на дисках типа «Винчестер» емкостью 10—50 Гигабайт, функциональные клавиатуры, устройства вывода информации на микрофильмы и микрофиши, устройства связи с ЭВМ верхнего уровня и модемы. В последнее время все большее применение в САПР находят персональные ЭВМ (ПЭВМ), мощности которых могут наращиваться в зависимости от сложности решаемых задач. В перспективе предусматривается переход к магистрально-модульной архитектуре АРМ, предполагающей, в частности, стандартизацию аппаратно-программных интерфейсов, в модификациях АРМ будет использована стандартная конструктивная база, построенная на международных стандартах. Программное обеспечение АРМ намечено проводить централизованно и поставлять по заказам пользователей в составе ПТК через Интернет. Основу перспективного технического обеспечения САПР составят типовые ПТК, требования к которым установлены ГОСТами. Лингвистическое обеспечение САПР Основу лингвистического обеспечения САПР составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения — языки общения человека с ЭВМ. Проблемно-ориентированные языки (ПОЯ) проектирования аналогичны алгоритмическим языкам программирования (ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, СИ, АССЕМБЛЕР и др.). В одних случаях ПОЯ строят таким образом, что описание любой задачи или задание на ее решение в основном содержит оригинальные термины физического и функционального содержания. Переход от физического и функционального описания задачи к программам для ЭВМ реализуется далее автоматически с помощью транслятора. В других случаях, например при решении геометрических задач инженерного типа, ПОЯ соединяет в себе средства алгоритмического языка высокого уровня для решения вычислительных математических задач и специальные языковые средства моделирования геометрических объектов. Транслятор алгоритмического языка высокого уровня дополнен необходимыми специальными программами. Очевидно, что ПОЯ хотя и называются языками, на самом деле представляют комплексы лингвистических и программных средств, которые должны включать следующие средства: набор терминальных символов ПОЯ; интерпретатор с ПОЯ; средства синтаксического анализа; средства пакетирования директив; библиотеки базовых функций ПОЯ; интерфейс для связи СУБД. Возможности ПОЯ имеют исключительно важное значение в автоматизированном проектировании. Они не только влияют на производительность и уровень автоматизации проектирования, но и определяют сложность и характер работ проектировщиков со средствами САПР; могут сделать эти работы более привлекательными или наоборот. В последнем случае проектировщики будут явно и неявно противодействовать автоматизации. В настоящее время в мировой и отечественной практике существуют специальные методики и программные средства, значительно сокращающие трудоемкость создания ПОЯ. В частности, при разработке изобразительных средств ПОЯ может использоваться метасистема, позволяющая на основании заданной формальной грамматики получать соответствующий программный интерпретатор. При разработке программных модулей библиотеки базовых функций могут применяться любые алгоритмические языки высокого уровня. Однако создание чрезмерно большого разнообразия ПОЯ затруднит обмен средствами САПР между предприятиями и потребует обучения большого числа специалистов работе с несколькими языками. Таким образом, развитие гибких производственных систем требует особенно тщательного решения вопросов по составу лингвистического обеспечения САПР. Методическое обеспечение САПР Под методическим обеспечением САПР понимают входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Причем документы, относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Так как документы методического обеспечения носят в основном инструктивный характер и их разработка является процессом творческим, то о специальных способах и средствах реализации данного компонента САПР говорить не приходится. В последнее время совершенствование организации работ в области автоматизации проектирования направлено на централизованное создание типовых ПМК с целью широкого тиражирования. Такие ПМК должны включать наряду с программами для ЭВМ и базами данных комплекты документации. Таким образом, указанная документация станет частью методического обеспечения САПР. Организационное обеспечение САПР Стандарты по САПР требуют выделения в качестве самостоятельного компонента организационного обеспечения, которое включает в себя положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования. Функционирование САПР возможно только при наличии и взаимодействии перечисленных средств автоматизированного проектирования. На рисунке 2.4 представлен вариант схематизации иерархической структуры некоторых компонентов обеспечения автоматизированного проектирования. Графические редакторы: Paint, Corel Draw, Adobe PhotoShop Текстовые редакторы: Lexicon, Word&Deed, TeX, Блокнот, WordPad, MS Word Электронные таблицы: MS Excel, Quatro Pro СУБД: MS Access, FoxPro, Oracle, Informix, SQL Средства коммуникации: HyperTerminal, OutLook Express, ICQ, Ядро ОС: NetMeeting, VentaFax Лингвистическое DOS, Unix, OS/2, обеспечение: Windows 95/2000/NT Visual Basic, Delphi, Интегрированные среды: Visual C, Assembler Windows GUI, NC, DN, FAR Manager, WinCom Узкоспециализированные Специализированные программные средства (СПС): программные средства AutoCAD, MathCAD, MathLab, (УСПС): PageMaker, MS PowerPoint FineReader, PROMT, LingVo, Кодекс, 1С-бухгалтерия Рис. 2.4. Программное обеспечение автоматизированного проектирования Классификация САПР В соответствии с ГОСТ 23501.108—85 формализованное описание САПР включает в себя коды классификационных группировок САПР по установленным стандартом признакам классификации; наименования классификационных группировок, соответствующие приведенным кодам; указания, в соответствии с какими классификаторами, стандартами или методиками определены коды каждой классификационной группировки. САПР характеризуют следующие признаки: 1 - тип, 2 - разновидность, 3 - сложность объекта проектирования; 4 – уровень автоматизации проектирования, 5 - комплексность автоматизации проектирования; 6 – характер выпускаемых проектных документов, 7 - число выпускаемых проектных документов; 8 - число уровней в структуре технического обеспечения САПР. Три первых признака отражают особенности объектов проектирования, следующие четыре — возможности систем, восьмой признак — особенности технической базы САПР. Для получения даже общего представления о конкретной САПР она должна быть оценена по всем перечисленным признакам. Рассмотрим их подробнее. Тип объекта проектирования ГОСТ предусматривает деление САПР на девять групп: 1) САПР изделий машиностроения; 2) САПР изделий приборостроения; 3) САПР технологических процессов в машино- и приборостроении; 4) САПР объектов строительства; 5) САПР технологических процессов в строительстве; 6) САПР программных изделий; 7) САПР организационных систем. Остальные группы (8 и 9) являются резервными и предназначены для выделения и кодирования САПР, не относящихся к перечисленным группировкам. Разновидность объектов проектирования ГОСТ не устанавливает специальных обозначений на объекты проектирования, а требует их указания и кодирования в соответствии с действующими в каждой отрасли промышленности системами обозначения документации на объекты, проектируемые системой. Сложность объекта проектирования Можно выделить САПР: 1) простых объектов с числом составных частей до 102; 2) объектов средней сложности (102—103); 3) сложных объектов (103—104); 4) очень сложных объектов (104—106); 5) объектов очень высокой сложности (число составных частей свыше 106). Составной частью объекта проектирования, представляющего собой технический комплекс, сооружение или изделие, является деталь. Если объектом проектирования будет технологический процесс, то выделить его составные части сложнее. Существует два подхода, один из которых основан на разделении технологического процесса на элементарные техноло- (ЦВК). Они эффективно выполняют функции программной обработки данных при выполнении наиболее сложных программных процедур, требующих огромных вычислительных ресурсов. Но для эффективной связи пользователя с САПР и решения большого количества менее сложных задач целесообразно иметь в САПР второй уровень, называемый интерактивнографическим комплексом (ИГК). На каждом из уровней ЦВК и ИГК имеются свои ППП для выполнения сходных по содержанию проектных процедур, но ориентированных на различные размерности задач. Двухуровневые САПР могут иметь радиальную и кольцевую структуру. Последняя соответствует объединению АРМ в кольцевую вычислительную сеть. В такой САПР функции мониторной системы и СУБД распределены по узлам вычислительной сети. Трехуровневые САПР помимо технических средств двухуровневой системы должны включать периферийное программно-управляемое оборудование, например чертежные автоматы, установки для изготовления фотошаблонов, комплексы для контроля программ к станкам с ЧПУ. Взаимодействие САПР с другими автоматизированными системами В условиях реального производства все виды систем автоматизации (СА) в той или иной степени должны взаимодействовать друг с другом, а САПР — непосредственно с автоматизированными системами научных исследований (АСНИ), технологической подготовки производства (АСТПП), управления производством (АСУП). Взаимодействие указанных систем осуществляется путем обмена информацией, представленной в виде обычных документов и в машинных кодах или записанной на машинных носителях (доля такого обмена постепенно возрастает). От АСУ все системы автоматизации должны получать управляющую информацию планового характера, а также информацию о фактическом наличии ресурсов. В свою очередь, СА направляют в АСУ данные о выполнении плановых заданий, о потребности в различных ресурсах, в том числе в материалах, комплектующих изделиях, инструменте, энергии. Из АСНИ в САПР поступает информация о технических требованиях к проектируемому объекту, важных технических и конструкторских решениях, выработанных в результате математического моделирования объектов. Вообще в связи с развитием работ по комплексному моделированию проектируемых объектов границы между «чистыми» исследованиями и проектированием стираются. Сложные и трудоемкие расчеты, осуществляемые на стадии исследовательского проектирования, во многих случаях целесообразнее выполнять на основе исследовательской модели объекта и формировать данные о проектируемом объекте для последующих проектных работ на машинных носителях в виде матриц коэффициентов и математических зависимостей, или в виде численных значений соответствующих параметров, но более эффективно - осуществлять в виде полной математической модели объекта, которую можно детализировать, уточнять и развивать. С точки зрения эффективности автоматизации создание модели объекта и ее использование при проектировании должны быть объединены. В ходе проектирования могут появиться решения, которые следует вновь проверить на исходной модели и подтвердить дополнительными расчетами. В этом случае такие решения из САПР необходимо передать обратно в АСНИ. Таким образом, деление на САПР и АСНИ весьма условное: оно в большей степени отражает сложившуюся практику организации работ, а не существо выполняемых этими системами функций. Системная интеграция разработки и производства изделий на основе единых математических моделей позволит в рамках крупных предприятий объединить автоматизированные системы научных исследований, системы автоматизированного проектирования, автоматизиро- ванные технологические комплексы и общий банк данных АСУП в интегрированную гибкую производственную систему (ГПС). Это даст возможность в ряде случаев обходиться без выпуска традиционной проектно-конструкторской документации, так как результаты проектирования, полученные в САПР, будут использоваться непосредственно при составлении управляющих программ для станков с ЧПУ и роботами для изготовления деталей и сборочных единиц. Наибольший эффект дает автоматизация проектирования наиболее сложных объектов, включая начальные стадии проектирования. Принимаемые на этих стадиях проектные решения наиболее важны: качественное решение дает наибольший эффект, упрощая дальнейшую работу и улучшая характеристики будущего изделия; ошибочное решение, если оно не будет исправлено на следующих стадиях, повлечет за собой большие потери при эксплуатации объекта. Активность, проявляемая в последние годы зарубежными фирмами и отечественными предприятиями и организациями в области автоматизации проектирования узлов и деталей, вызвана тем, что это необходимо для обеспечения работы ГПС, число которые быстро увеличивается, и тем, что этому направлению ранее уделялось мало внимания и оно отстало от уровня автоматизации проектирования крупных и сложных объектов, так как связано с автоматизацией конструкторских работ. Следует отметить и другие важные направления развития автоматизации проектирования: развитие и совершенствование методов оптимизационного проектирования; развитие автоматизации собственно конструирования; совершенствование технологии автоматизированного проектирования. Интеграция СА потребует существенного расширения состава БД и объединения их в единую базу интегрированной системы; создания отраслевых и межотраслевых банков данных нормативно-технической, технико-экономической и научно-технической информации; создания многоуровневых вычислительных систем коллективного пользования с различными типами ЭВМ, унификации структур передаваемых массивов информации; развития операционных систем и дополнения прикладного программного, обеспечения (ППО) многочисленными интерфейсами для сопряжения с новыми подсистемами. Развитие и совершенствование методов оптимизационного проектирования потребует разработки новых математических методов, соответствующего ППО и увеличения производительности вычислительного комплекса САПР. Развитие автоматизации собственно конструирования приведет прежде всего к развитию в САПР средств обработки геометрической информации трехмерных объектах, позволяющих осуществлять сложные преобразования, получать проекции и пространственные отображения объектов на базе высокопроизводительных 32-разрядных ЭВМ (и ЭВМ с большей разрядностью), графических дисплеев, графопостроителей и соответствующего программного обеспечения. Совершенствование технологии автоматизированного проектирования повлечет за собой изменение деления проектирования на стадии и перераспределение проектных работ между стадиями. В частности, решение общих вопросов должно осуществляться на ранних стадиях, работы по оформлению проектных решений — на заключительной стадии. Режим работы проектировщиков с ЭВМ будет полностью интерактивным. Основным рабочим инструментом пользователей будут персональные ЭВМ, подключенные к общей вычислительной сети. Языки общения проектировщиков с системой должны быть максимально приближены к естественному языку, возможен переход к устному общению. Все промежуточные проектные решения будут храниться в памяти ЭВМ, окончательные решения — передаваться в производство на машинных носителях. Совершенствование технологии проектирования потребует существенного изменения состава технических средств САПР, программного и организационного обеспечения. . Развитие САПР отразится на содержании автоматизируемых проектных работ. Наиболее совершенные САПР будут автоматизировать все проектные операции, за исключением принятия решений, согласовании их с соисполнителем, составления пояснительных записок и т.п. работ. Более того, в ряде случаев система будет формировать решение и проектировщику останется только согласиться с ним или потребовать переработки части проекта. Эргономика и автоматизированные системы Среднестатистический человек, антропометрия. Эргономика – научная дисциплина, изучающая деятельность человека в условиях искусственной окружающей среды. В центре внимания эргономики оказываются вопросы оформления рабочего места и обеспечение внешних условий работы (температура, освещение, взаимоотношения с коллегами, использование механизмов и инструментов, методы организации труда и производства). Каждый раз, когда человек набирает номер телефона, работает на ЭВМ, обрабатывает деталь на станке, он объединяет свои ощущения, способность принимать решения и мускульную силу с технической системой. Когда он ошибается, или теряется при слежении за большим числом индикаторов, или испытывает неудобство на рабочем месте, это означает, что система работает неправильно. Ошибки человек могут приводить к выпуску бракованных изделий и несчастным случаям. Инженер-конструктор должен использовать информацию о человеческом факторе, чтобы обеспечить оптимальное взаимодействие между человеком и тем оборудованием, с которым человек входит в контакт при выполнении своих повседневных задач. Должны учитываться антропометрические данные. Антропометрия – одна из группы научных дисциплин, образующих эргономику, которую можно определить как набор сведений о строении человеческого тела. Люди отличаются друг от друга по росту, силе, весу, телосложению. Поэтому в качестве критерия эргономисты используют данные для особых статистических групп, называемых процентилями. Если сто человек расположить в порядке возрастания какого-либо параметра, то они распределятся от 1 до 100 процентиля. Системы, созданные на основе данных для 50-го процентиля, подойдут для 50% людей. Остальные либо не могут, либо будут испытывать неудобства. Например, при расчете дверной пружины надо брать женщину 2,5% процентиля. Вообще, при проектировании для учета максимально большой части населения берут границы 5 и 95 процентилей. В большинстве случаев нецелесообразно у3читывать запросы всего населения, так как в этом случае эффективность конструкции ухудшается при эксплуатации ее большинством людей. Данные о человеке удобно анализировать, если представить их в виде кривой нормального распределения, или кривой Гаусса, которые дают представление о процентном соотношении людей, обладающих определенными антропометрическими данными. С точки зрения антропометрии человек рассматривается как тело, имеющее размеры. Антропометрические данные можно составлять либо для всех, либо для отдельных групп населения. В каждом конкретном случае выбор зависит от назначения проектируемой конструкции. Взаимодействие человека и машины Любого человека, работающего с машиной, можно рассматривать как часть циклической системы управления, в которой оператор получает и обрабатывает информацию, а затем производит адекватные действия. Информация передается оператору с помощью устройства отображения информации через канал вывода. Дисплей – источник информации, призванный помочь оператору в управлении машиной. Обычно в качестве устройства отображения выступают датчики, индикаторы и др. Информация от дисплея через зрительные и нервные системы пересылается в мозг оператора, где она обрабатывается для принятия решения относительно требуемого воздействия. После этого решение в виде мускульных усилий человека передается элементу управления, образуя таким образом канал передачи решения. Устройство управления – это прибор, который контролирует поведение машины. Такими приборами могут быть рычаги, кнопки и т.д. Изменение в поведении машины фиксируется приборами, и снова передается по каналу вывода на устройство отображения информации. Цикл замкнулся. Эффективность цикла управления зависит от внутренних и внешних факторов. Внутренние: скорость устройства отображения информации, надежность канала передачи управления, удобство элемента управления в эксплуатации. Внешние: температура, освещение, … Автоматизированное моделирование процесса взаимодействия человека и машины, применение эргономических пакетов. Удовлетворительный анализ бесконечного числа различий в строении человеческого тела и учет всех возможных перемещений можно провести только при помощи автоматизации. В последнее время для этих целей используются средства виртуальной реальности. Одним из удачных пакетов является пакет Sammie, с помощью которого можно построить объемную модель рабочего места, разместить оператора внутри рабочего места, показать модель разными способами, модифицировать модель и получить оценку качества решения. Модель человека может быть основана на любых доступных данных о населении региона. Основные характеристики конструкций: обзор, досягаемость, доступность, рабочая поза. Кроме этого, можно путем наложения регулярной сетки на видимую область модели определить места появления световых бликов. При помощи пакета можно получить зеркальный вид отображения, который видит наблюдатель. Тесты на досягаемость могут потребоваться при проверке расположения точек на конструкции. Sammie позволяет определить доступность рабочего места. Этот пакет использовался в следующих областях: транспорт, управление роботами и определение их размещения, погрузка материалов, производство, оборудование помещений. Современные пакеты: ADAMS(MDI): Adams/driver, Adams/Android/ EDS Unigrafics: - Virtual Mocrup