Содержание и задачи курса
Дисциплина СИстемА автоматизированного проектирования
ставит целью изложение современного подхода к высокопроизводительному и качественному проектированию на основе широкого использования средств вычислительной техники.
При изучении курса студенты знакомятся с идеологией машинного проектирования, включающей совокупность всех видов проектной, конструкторской и технологической деятельности. Дисциплина направлена на развитие следующих профессиональных компетенций:
• разрабатывать компоненты программных комплексов и баз данных, использовать современные инструментальные средства и технологии программирования (ПК-5);
• осваивать методики использования программных средств для решения практических задач (ПК-2);
При изучении курса студенты должны знать и уметь использовать:
- стандарты и правила построения и чтения чертежей и схем;
- способы графического представления пространственных образов;
- принципы и методы системного проектирования машин и аппаратов;
В результате изучения дисциплины студенты должны знать:
Ø правила построения и чтения чертежей и схем;
Ø характерные особенности автоматизации проектирования на базе средств вычислительной техники;
Ø требования, которым должна удовлетворять система автоматизированного проектирования (САПР);
Ø структуру программного обеспечения САПР;
Ø способы графического представления пространственных образов;
Ø результаты машинного проектирования.
После изучения курса студенты должны уметь:
Ø объяснять схему функционирования САПР;
Ø составлять этапы автоматизированного проектирования;
Ø работать в программе Компас 3Д.
Объем аудиторных занятий по курсу – 46 часов, из них лекций - 36 часов, лабораторных 10 часов.
Учебно-методические материалы
1. Мясников В.А., Игнатьев М.Б., Покровский А.М. Программное управление оборудованием Л.:Машиностроение, 1984.- 427с.
2. Четвериков В.Н., Ревунков Г.И. Базы и банки данных. - М.: Высш. шк., 1987.- 248с.
3. Жук К.Д и др. Построение современных систем автоматизированного проектирования Киев: Наук. думка, 1983.- 248с.
4. Кречко Ю.А., Полищук В.В. Автокад. Курс практической работы.- М.: Диалог-МИФИ, 1994.- 256с.
5. Бемер С. FoxPro 2.6 для Windows.-К.: BNV, 1995.-464с.
6. Поликарпов Ю.В., Акмаев И.И. AutoCad:Осваиваем графический редактор. - Уфа: УГАТУ, 1995-87с.
7. Николь Н., Альбрехт Р. Exel 5.0. Электронные таблицы.- М.: Эком, 1994.- 352с.
8. Зайцев А. Н. Курс лекций. САПР в сварочном производстве.
9. И. П. Норенков Автоматизированное проектирование. М:- 2000г.
10. Комягин В.Б. Компьютер для студентов. Самоучитель. – М.: ТРИУМФ, 2006 г.
11. Красильникова Г.А. Автоматизация инженерно – графических работ. – СПб: Питер, 2005 г.
12. Фирсов С.В. AutoCAD 2005. Шаблоны для черчения. – М.: АКВАРИУМ БУК, 2005 г.
Лекция 1. Введение в САПР
Любое промышленное изделие (например, автомобиль, подшипник, рельс и т.д.) имеет два вида существования: внутри предприятия (от проектирования до изготовления) и вне его (с момента реализации и до истечения срока эксплуатации в конкретных условиях). Очевидно, что прежде чем изготовить некий материальный объект (тот же автомобиль, подшипник, рельс т. д.), проектировщик (конструктор) должен наглядно изобразить этот объект, который предметно еще не существует, а является пока лишь продуктом его интеллектуальной деятельности. Другими словами, проектно-конструкторский процесс определяет будущее изделие, необходимость появления которого обусловлена объективными предпосылками. Техническое творчество тесно связано и с наукой, и с производством. Конструктор обязан знать и использовать данные основных физических, математических и других научных дисциплин, должен учитывать возможности современного производства. Кроме того, техническое творчество в функционально-эстетическом плане связано с искусством, так как конструктор обязан обеспечить своему изделию современный дизайн.
Проектно-конструкторскую деятельность в самом общем виде можно условно разделить:
Ø на проектирование — творческое предопределение будущего технического устройства или технологического метода, при котором расчетами, эскизами или экспериментально делается предварительная проработка;
Ø результат — обоснование для последующего конструирования устройства или разработки метода;
Ø конструирование — определение посредством изображения замысла технического устройства;
Ø результат - получение чертежей нового изделия или нового технологического процесса.
Конструирование, в свою очередь, разделяется на два вида деятельности: эскизное проектирование и оформление. При эскизном проектировании (как правило, с использованием прототипов) определяется принцип действия разрабатываемого изделия, а при оформлении выполняется полный комплект документации для его изготовления.
Аббревиатура — Системы Автоматизированного Проектирования - впервые была использована основоположником этого научного направления Айвеном Сазсрлендом (Массачусетский технологический институт). САПР охватывают весь спектр проблем, связанных с проектной деятельностью (графических, аналитических, экономических, эргономических, эстетических...).
Очевидно, что в условиях жесткой конкуренции коллектив любого предприятия заинтересован в сокращении сроков от идеи до запуска в производство новых изделий, в оптимизации производственных процессов, в потребительских качествах выпускаемых изделий (надежности, безопасности, эстетичности) и, наконец, в их реализации. Первый этап от идеи до запуска в производство» — самый трудоемкий, так как здесь, кроме воплощения идеи в доступную для всех форму информации, необходимо предусмотреть и технологичность, и надежность, и безопасность. Только использование САПР позволяет в значительной мере сократить продолжительность этого этапа, потому что к возможностям САПР относятся:
Ø более быстрое выполнение чертежей.
Конструктор, использующий САПР, может выполнять чертежи в среднем в три раза быстрее, чем работая за кульманом. Такая работа ускоряет процесс проектирования в целом, позволяет в более сжатые сроки выпускать продукцию и быстрее реагировать на рыночную конъюнктуру;
Ø повышение точности выполнения чертежей.
Точность чертежа, выполненного вручную, определяется остротой зрения конструктора и толщиной грифеля карандаша. На чертеже, построенном с помощью программных средств, место любой точки определено точно, а для более детального просмотра элементов чертежа имеется средство, позволяющее увеличить любую часть данного чертежа. Кроме этого САПР обеспечивает конструктора еще многими специальными средствами, недоступными при ручном черчении;
Ø повышение качества выполнения чертежей.
Качество изображения на обычном чертеже полностью зависит от мастерства конструктора, тогда как печатающие устройства вычерчивают высококачественные линии и тексты независимо от индивидуальных способностей человека. Кроме того, большинство сделанных вручную чертежей имеют неряшливый вид из-за частого стирания линии. Программные средства любой САПР позволяют быстро стереть лишние линии без каких-либо последствий для конечного чертежа;
Ø возможность многократного использования чертежа.
Построение изображения всего чертежа или его части можно сохранить для дальнейшей работы. Обычно это полезно тогда, когда в состав чертежа входят составляющие, имеющие одинаковую форму. Сохраненный чертеж может быть использован для последующего проектирования;
Ø ускорение расчетов и анализа при проектировании.
В настоящее время существует большое разнообразие программного обеспечения, которое позволяет выполнять практически все проектные расчеты;
Ø высокий уровень проектирования.
Мощные средства компьютерного моделирования (например, метод конечных элементов) позволяют проектировать нестандартные геометрические модели, которые можно быстро модифицировать и оптимизировать, что позволяет снизить общие затраты до такой степени, которая раньше была недостижима из-за больших затрат времени;
Ø сокращение затрат на усовершенствование.
Средства имитации и анализа, включенные в САПР, позволяют резко сократить затраты времени и средств на исследования и усовершенствование прототипов, которые являются дорогостоящими этапами процесса проектирования;
Ø интеграция проектирования с другими видами деятельности.
Интегрированная вычислительная сеть с высококачественными средствами
коммуникации обеспечивает САПР более тесное взаимодействие с другими
инженерными подразделениями.
Конструктор должен досконально знать правила оформления чертежно-графической документации (ГОСТы ЕСКД), свободно владеть программными средствами, необходимыми для работы, и иметь представление о составе и возможностях своего автоматизированного рабочего места (АРМ).
В настоящее время уже получили достаточно широкое распространение так называемые системы проектирования «высокого уровня», такие как Pro/ENGINEER (США), EUCLID QUANUM (Франция), к ним также следует отнести и T-FLEX CAD, СПРУТ (Россия). К системам «среднего уровня» можно отнести Mechanical Desktop (фирма Autodesk), SolidWorks 96 (фирма SolidWorks) и др. Наконец, системы «низкого уровня» — AutoCAD, MiniCAD (США), КОМПАС (фирма АСКОН, Россия). Необходимо отметить, что приведенная градация названных систем весьма условна.
Строго говоря, системы низкого уровня к САПР никакого отношения не имеют. Это графические редакторы, предназначенные для автоматизации инженерно-графических работ, совместно с компьютером и монитором представляют собой «электронный кульман», то есть хороший инструмент для выполнения конструкторской документации.
Процесс проектирования можно разделить на ряд этапов или видов деятельности, причем порядок их описания не имеет значения, поскольку на практике постоянно происходит переход от одного вида деятельности к другому без очевидных приоритетов. В основном можно выделить следующие виды деятельности:
Ø создание — возможность выполнять проекционные чертежи новых изделий, которые пока не существуют;
Ø редактирование — возможность вносить изменения в разрабатываемые чертежи изделия по мере их возникновения;
Ø расчеты — на уровне типовых расчетов деталей машин;
Ø выбор — принятие решения, по какому пути направить разработку проекта в ущерб другим вариантам на основе технических данных (например, чертежей прототипов изделий, расчетов и т.п.);
Ø поиск — работа с архивами (сюда входит поиск уже существующих решений, ознакомление с историей видоизменения изделия...), причем круг выбора и поиска, как правило, ограничен прототипами конкретной отрасли.
Издавна чертеж выполняется с использованием чертежных инструментов (линейки, треугольника, циркуля и т.п.) на планшете (столе, чертежной доске). Точность выполнения чертежа зависит от квалификации конструктора и остроты его зрения. Постепенно появляются всевозможные приспособления для облегчения труда конструктора. Одно из них — кульман: чертежная доска с регулировкой наклона, снабженная пантографом, позволяющим перемещать плоскопараллельно две взаимно перпендикулярные линейки. В этом случае точность чертежа зависит еще и от настройки кульмана. Методика же выполнения графического документа в том и другом случае одинакова. Эта же методика применима и при использовании компьютера, который обеспечивает кроме точности построений еще и трудно перечислимые производственные удобства. Недаром компьютер, снабженный каким-либо графическим редактором, называют «электронным кульманом».
Лекция 2-3 Автоматизация проектирования
Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Во-первых, автоматизация проектирования — синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции.
Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows 95/NT, языках программирования: С, С++, Java и других, современных CASE технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.
Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными, как из-за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из-за невысокого качества проектов.
Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 60х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат.
Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.
К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для САПР с различной степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.
Понятие инженерного проектирования
Проектирование технического объекта — создание, преобразование и представление в принятой форме образа еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.
Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект или точнее описание объекта. Более коротко, проектирование — процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.
Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач, используемых для обсуждения и принятия проектных решений для окончания или продолжения проектирования.
Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования (в англоязычном написании CAD System — Computer Aided Design System).
Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов. Превалирующим в настоящее время является автоматизированное проектирование.
Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики проектирования сложных систем.