САПР ТО и СУ

Конспект лекций по дисциплине «САПР ТО и СУ» 1. Пояснительная записка Целью преподавания данной дисциплины являются: выработка у студентов навыков активного применения ЭВМ при проектировании современных изделий и технологий; овладение основными методами постановки задач проектирования; умение принимать решения и отображать результаты проектирования; усвоение основных сведений о составе, структуре САПР, о принципах и методах создания САПР. Для достижения поставленной цели предусматривается ознакомление студентов с современным состоянием проблемы автоматизации проектирования, с комплексом обязательных и взаимоувязанных приемов выполняемых над описанием объекта при автоматизации проектирования на любой стадии разработки проекта. В результате изучения дисциплины студенты должны знать: структуру комплексной САПР, виды и назначение основных компонентов САПР, классификацию и характеристику систем автоматизированного проектирования технических средств САПР, знать характеристики систем машинной графики, приемы постановки задач автоматизированного проектирования и методы принятия решений при работе с учебной САПР, методы составления математических моделей систем управления и их оптимизацию, проблемы создания и перспективы применения САПР. В результате изучения дисциплины студенты должны приобрести навыки и умение ставить задачи автоматизированного проектирования, использовать в курсовом и дипломном проектировании программно - методический комплекс функционального проектирования систем управления и машинной графики, оценивать результаты работы САПР и принимать решения при наличии альтернативных вариантов, работать с ЭВМ в режиме диалога. В процессе изложения курса особое внимание следует уделять совместимости дисциплины САПР с другими дисциплинами специальности в вопросах комплексного применения вычислительной техники и математики, использования ГОСТов и ЕСКД. Содержание дисциплины САПР базируется на знаниях, полученных студентами при изучении вычислительной математики, вычислительной техники, основ алгоритмизации и программирования, методов моделирования, а также используются принципы инженерного проектирования, сформулированные на основе знаний стандартов на конструкторскую документацию и практического опыта при проектировании конкретных технических объектов, систем и узлов. Дисциплину условно можно разделить на 3 части. Первая часть посвящена методическим вопросам процесса проектирования. В ней рассматривается общая схема процесса проектирования, типовые алгоритмы проектирования, проектные процедуры, независящие от специфики проектируемого объекта. Излагаются особенности проектирования с помощью ЭВМ. Во второй части изучаются вопросы математического моделирования проектируемого объекта, формулировка задач моделирования и анализа, методы получения математических моделей. В третьей части рассматриваются базовые подсистемы САПР, структура и состав САПР, техническое информационное, программное и др. обеспечение САПР. Излагаются вопросы связанные с выполнением работ в процессе создания САПР. В процессе изучения дисциплины САПР студенты выполняют ряд лабораторных работ на ПЭВМ. На лабораторных занятиях изучается работа подсистемы САПР систем управления для функционального проектирования, даются навыки автоматизированного проектирования в режиме диалога. 2. Перечень лекций по разделам дисциплины № Лекции (тема на 2 часа) п/п 1. Введение в САПР изделий и технологий. Основные цели и этапы развития автоматизации проектирования 2. Определение понятия САПР, классификация САПР. Определение процесса проектирования, блочноиерархический подход к проектированию. Типы проектных задач в САПР. 3. Логическая схема построения объекта. Проектное решение, проектная процедура, проектная операция. Базовые проектные процедуры 4. Основные этапы процесса проектирования. Составляющие при решении проектных задач с помощью ЭВМ 5. Классификация параметров объектов проектирования. Структура ТЗ при задании параметров проектируемого объекта. Математические зависимости, связывающие параметры с показателями работоспособности № Лекции (тема на 2 часа) п/п 6. Моделирование, как метод проектирования в САПР. Типы и классификация математических моделей 7. Описание объекта в зависимости от уровня иерархического представления. Структурные и функциональные модели 8. Формулировка задач моделирования и анализа. Фазовые переменные и базисные координаты. 9. Математическая постановка и формулировка задачи оптимизации решения. Методы нахождения оптимальных решений 10. Структура и состав САПР. Базовые подсистемы САПР. 11. Информационное обеспечение САПР. Типовые группы ИО. Назначение и состав банка данных, системы управления базами данных. 12. Комплексные (интегрированные) САПР, их состав Режимы проектирования в САПР. Охрана труда в САПР. 13. Основные принципы создания САПР. Стадии создания САПР. 14. Требования к КТС САПР Архитектура и конфигурация технического комплекса. 15. Основные виды АРМ. Сети ЭВМ. Перспективы развития КТС САПР. 16. Программное обеспечение (ПО) САПР; определение и назначение. Схема ПО САПР. Состав прикладного ПО. 17. Лингвистическое обеспечение САПР. Языки программирования и языки проектирования. 18. Перспективы развития САПР. 3. Краткое содержание курса лекций (конспект) 3.1. Введение в САПР изделий и технологий. Недостатки традиционного (неавтоматизированного) способа проектирования, сложности проектирования при значительном росте числа проектов, объеме научно - технической информации. Автоматизация проектирования как одно из основных направлений НТР. 3.2. Основные цели автоматизации проектирования: повышение качества проектируемых изделий, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация роста количества инженерно - технических работников, занятых проектированием. Аспекты, в которых проявляется автоматизация проектирования. 3.3. Формирование концепции автоматизированного проектирования, этапы применения ЭВМ в инженерном проектировании: решение расчетных задач, оптимизация, решение графических задач, создание информационного обеспечения, технических средств и системы автоматизированного проектирования. 3.4. Определение понятия САПР по ГОСТ 23501.001-97. Некоторые термины: автоматическое, автоматизированное, неавтоматизированное проектирование, виды обеспечений САПР. 3.5. Классификация САПР по характеру выполняемых операций: логическое проектирование, схемотехническое проектирование, конструкторское проектирование, проектирование технологии производства. Классификация САПР по используемым средствам ВТ: САПР на базе сетей ЭВМ. Классификация САПР по степени информационной обеспеченности: статистические и динамические САПР, уникальные САПР, универсальные САПР отраслевого характера, специализированных САПР предприятия, индивидуальные САПР. 3.6. Жизненный цикл изделия новой техники и его связь с развитием автоматизированных систем. Основные понятия об АСУП, АСНИ, АЭК и их связь с САПР, расшифровка понятий САD, САМ, САЕ, СIМ. 3.7. Методологические основы проектирования. Понятие о проектировании и конструировании. Базовые определения процесса проектирования. 3.8. Блочно-иерархический подход к проектированию сложных систем. Расчленение процесса проектирования и самого представления об объекте на иерархические уровни. Различная степень детализации в зависимости от уровня. Расчленение представления об объекте и процессе проектирования на блоки. Функциональная иерархия, конструкторская иерархия. Примеры блочноиерархического подхода. 3.9. Типы проектных задач в САПР: проектирование из готовых деталей; проектирование с использованием аналогов; проектирование при известных принципах построения объекта; использование физических эффектов для построения объекта проектирования. 3.10. Логическая схема построения объекта. Понятие о проектном решении, о проектной процедуре, проектной операции, алгоритме проектирования. Понятие о стратегии и технологии проектирования. Разновидности стратегий: линейная, циклическая, разветвленная, адаптивная, случайный поиск, их различие. Примеры. 3.11. Методология проектирования. Анализ, синтез и формальная проверка при проектировании. Требования к методологии проектирования. Базовые проектные процедуры ( схема процесса проектирования на одном из этапов нисходящего проектирования). 3.12. Основные этапы процесса проектирования: техническое задание, предварительное проектирование, техническое предложение, эскизное проектирование и эскизный проект, техническое проектирование и технический проект. Место САПР - решение задач эскизного и технического проектирования. Основные составляющие при решении проектных задач с помощью ЭВМ: постановка задачи, разбиение задачи на части, разработка стратегии проектирования, формализация задачи, выбор метода решения задачи, решение и оформление технической документации. 3.13. Классификация параметров объектов проектирования. Показатели эффективности работы объекта. Показатели качества работы объекта: выходные параметры, внутренние и внешние параметры. 3.14. Формулировка показателей, характеризующих работоспособность проектируемого объекта: выделение критериев и ограничений, в том числе предельных значений внутренних параметров. Математические зависимости, связывающие параметры с показателями работоспособности. 3.15. Структура ТЗ при задании параметров проектируемого объекта: технические требования, условия работоспособности. Понятия структурного и параметрического синтеза. Виды задач анализа: типовые и нетиповые задачи анализа, одновариантный и многовариантный анализ. 3.16. Моделирование, как метод проектирования в САПР. Типы моделей. Точность математических моделей (ММ). Требование экономичности моделей. Степень универсальности ММ. Требование адекватности. Противоречивость этих требований, необходимость компромисса при разработке ММ. 3.17. Классификация математических моделей: по характеру отображаемых свойств объекта (структурные и функциональные), по принадлежности к иерархическому уровню ( макроуровень, микроуровень, метауровень), по способу представления свойств объекта (аналитические, алгоритмические, имитационные); отличие алгоритмической модели от аналитической и от имитационной, по способу получения модели (теоретические и эмпирические ММ). 3.18. Описание объекта в зависимости от уровня иерархического представления. Составление моделей микро- и макроуровней на основе дифференциальных уравнений, вытекающих из основных физических законов в их “чистом” фундаментальном виде. Пример модели для расчета жесткости вала и САУ. Общность описания механических, электрических и гидравлических систем. Разновидности структурных моделей: технологические и геометрические. Особенности параметрических моделей, описывающих геометрию объекта. Понятие о каркасных геометрических моделях . Топологические модели, включающие модели трассировки, компоновки, размещения. Применение теории графов для описания топологической модели. 3.19. Формулировка задач моделирования и анализа. Фазовые переменные и базисные координаты для составления модели объекта. Понятия структурная и параметрическая оптимизация. Смысл критерия оптимальности для целевой функции. Параметры, которые необходимо оптимизировать - управляемые параметры. Примеры управляемых параметров на различных уровнях иерархии. Смысл ограничений. Функциональные и параметрические ограничения, их отличие. Математическая постановка и формулировка задачи нахождения оптимального решения. Основные понятия: локальный и глобальный минимум или максимум, оптимальное решение. Методы нахождения оптимальных решений. Аналитический способ нахождения экстремума функции. Алгоритмические или поисковые (численные) методы оптимизации. Общее и отличие таких методов, как полный перебор, покоординатный спуск, градиентных методов наискорейшего спуска или крутого восхождения, методов случайного поиска. Решение задач анализа машинными расчетными методами. 3.20. Структура и состав САПР. Базовые подсистемы САПР: проектирующие и обслуживающие. Назначение, содержание и примеры обслуживающих подсистем. Проектирующие подсистемы, их разновидности, примеры. Компоненты САПР: техническое обеспечение, информационное обеспечение, программное обеспечение, методическое обеспечение. Определение и краткая характеристика компонентов САПР. 3.21. Информационная подсистема САПР, подсистема поиска технических решений, подсистема инженерного анализа (моделирование и оптимизация), подсистема ведения и изготовления документации. 3.22. Информационное обеспечение САПР. Актуальность автоматизации информационно- справочного обслуживания проектных работ. Понятие об информационной базе. Основное назначение информационного обеспечения (ИО) интеграция информации, преимущества централизованного накопления и хранения информации. Типовые группы ИО: нормативно-справочная, научно-техническая, расчетно-проектная информация. Представление информации в виде оперативной, условно постоянной, постоянной; различие этих форм информации. Основные определения: элементарное данное, запись, поле, набор данных , файл, база данных. Отличие локальной и распределенной баз данных. Требования, предъявляемые к базам данных. 3.23. Назначение и состав банка данных, тип данных, хранящихся в банке данных. Система управления баз данных (СУБД). Функции СУБД. 3.24. Средства обеспечения САПР их назначение и разновидности. Понятие о программно-методической (ПМК) и программно-техническом (ПТК) комплексах САПР. Связи подсистем и средств обеспечения на примере одной из САПР. 3.25. Понятие о комплексных (интегрированных) САПР. Функциональные подсистемы комплексной САПР: автоматизированная система (АС) управления процессом проектирования, АС проектирования, АС конструирования, АС технологической подготовки производства, АС управления технологическими процессами изготовления опытных образцов, АС комплексных испытаний изделий. Характеристика задач, решаемых функциональными подсистемами комплексной САПР. 3.26. Режимы проектирования в САПР. Охрана труда проектировщиков при работе в системе автоматизированного проектирования. 3.27. Характеристика процесса проектирования как сложного интеллектуального процесса. Основные принципы создания САПР: комплексная автоматизация всех стадий проектирования и производства, организация на тесное диалоговое взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования, совместимость традиционного и автоматизированного проектирования, открытость САПР, информационная совместимость подсистем и программ проектирования, специализация подсистем с максимальной унификацией. 3.28. Стадии создания САПР. Выбор объектов автоматизированного проектирования, экономическое обоснование перехода на автоматизированное проектирование. Моделирование процессов автоматизации проектирования. Реализация проекта САПР, необходимость изготовления качественной документации, проблема обучения пользователей. Вычислительный эксперимент и опытное функционирование при вводе САПР в эксплуатацию. Характер ошибок в программном обеспечении при эксплуатации САПР. Корректировка и обновление информационного обеспечения САПР. Корректировка и обновление информационного обеспечения САПР. Взаимосвязь проблем автоматизации проектирования и автоматизации программирования. 3.29. Технические средства САПР. Требования к КТС САПР: удобство использования и взаимодействия с пользователем, открытость комплекса, высокая надежность и совместимость по ПО и ОС. Краткая характеристика , технические показатели и области применения: универсальных ЭВМ, автоматизированных рабочих мест на базе графических станций, ПЭВМ. 3.30. Средства диалогового взаимодействия человек - ЭВМ и периферийные устройства. Краткая характеристика запоминающих устройств оперативных (ОЗУ) и внешних (ВЗУ). Их сравнения по быстродействию и объему памяти. Разновидность ВЗУ: накопители на магнитных лентах (НМЛ), накопители на магнитных дисках (НМД). Диски гибкие и жесткие, их область применения и отличительные особенности. Устройства машинной графики. Назначение, основные разновидности устройств. Основные этапы воспроизведения и обработки графических изображений, представление графических изображений, Воспроизведение заранее подготовленных изображений. Взаимодействие конструктора с изображением в режиме диалога. Краткая характеристика и принцип действия графопостроителей и устройств ввода графической информации. Дисплеи. Основные функции дисплеев, назначение и разновидности: алфавитно-цифровые и графические дисплеи; основные параметры дисплеев, принцип работы и способы формирования изображений на экране. 3.31. Архитектура и конфигурация технического комплекса. Одноуровневые и многоуровневые КТС САПР. Пути повышения технических возможностей КТС для обработки информации: программный, аппаратный, использование совмещенной обработки. 3.32. Автоматизированные рабочие места (АРМ) в САПР. Понятие об АРМ инженера. Основной состав технических средств. Основные виды АРМ: АРМ конструктора, технолога, программиста. Основные отличия для различных отраслей производства. Построение АРМ на базе персональных ЭВМ. 3.33. Сети ЭВМ. Определение глобальной и локальной сетей ЭВМ. Отличительные признаки вычислительной сети. Перспективы развития КТС САПР. 3.34. Программное обеспечение (ПО) САПР. Определение ПО, назначение, его связь с математическим информационным, лингвистическим обеспечением. Схема ПО САПР. Общесистемное ПО САПР. Системное ПО (операционные системы (ОС), их разновидности. Основные компоненты ОС.. Прикладное ПО, его состав. Понятие о пакете прикладных программ. Надежность, тестирование и отладка программных средств САПР. 3.35. Лингвистическое обеспечение САПР: языки общения человека с ЭВМ, их назначение и разновидности. Языки программирования, их назначение. Машинные, машинно-ориентированные; проблемно-ориентированные: разновидности, области применения, преимущества и недостатки. Специализированные языки программирования, их отличие от проблемноориентированных. 3.36. Языки проектирования. Назначение и разновидности языков. Входные языки САПР: язык описания объекта, язык описания задания. Процедурные и автоматные языки для описания маршрута проектирования и структуры объекта. 3.37. Перспективы развития САПР. Состояние САПР в отраслях народного хозяйства. Трудности внедрения и разработки САПР. Основные задачи и направления развития САПР и их подсистем. Интеллектуальный интерфейс САПР: создание естественных профессиональных языков, обмен информацией в графической форме. Перспективы создания интегрированных автоматизированных систем исследования, проектирования и производства изделий и технологий. Направление развития всех видов обеспечения САПР.