Одной из основных функций инженера является проектирование объектов того или иного назначения или технологических процессов их изготовления. Проектирование в самом общем виде может быть определено как процесс направленного действия проектировщика (группы проектировщиков), необходимый для выработки технических решений, достаточных для реализации создаваемого объекта, удовлетворяющего заданным требованиям. Завершающим этапом проектных работ является выпуск комплекта документации, отображающей принятые решения в форме, необходимой для производства объекта.
Проектирование, осуществляемое при помощи средств автоматизации, называют автоматизированным. В автоматизированном проектировании коллектив специалистов различного профиля и средства автоматизации объединяются в специализированную организационно-техническую систему САПР. Работу САПР обеспечивает ее персонал, а также комплекс средств автоматизации проектирования, который содержит в своем составе техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, методическое и организационное обеспечение. Взаимодействие этих видов обеспечения,осуществляемое персоналом системы в соответствии с целями и задачами проектирования, составляет существо функционирования САПР, которое приводит к необходимым конечным результатам.
Реализация основных требований к САПР связана с формированием ее типовой структуры, выполненной на уровне средств лингвистического, информационного и программного обеспечения.
Средства лингвистики САПР определяют состав языков, необходимых для ее функционирования и взаимодействия с пользователем. Лингвистическое обеспечение включает в себя три группы языков:
1. Языки пользователя, предназначенные для его взаимодействия с системой и служащие для описания объекта, базовых элементов и численных значений параметров этих элементов. Базовые элементы в зависимости от целевого назначения САПР описывают конструкцию элемента, алгоритм его функционирования, операции технологического процесса обработки элемента, формы документации выпускаемой САПР и т. д. Директивы управления формируют технологический процесс проектирования, т. е. последовательность операций при проектировании конкретного объекта.
2. Языки внутреннего представления данных (ЯВПД), предназначенные для описания информационной модели объекта в оперативной базе данных. ЯВПД задают форматы внутреннего представления данных и обеспечивают оперативное взаимодействие между проектными процедурами, инициируемое, как правило, программными модулями.
3. Язык машинного архива, предназначенный для хранения графической и текстовой информации по спроектированному объекту (ЯГТИ). Язык обеспечивает единую форму представления документации в архиве, необходимую для выпуска ее на различных технических средствах.
Средства информационного обеспечения. Типовыми структурными единицами информационного обеспечения САПР являются три группы хранилищ информации САПР. Каждое хранилище имеет свои программные средства управления и языки представления данных.
Первым постоянным хранилищем данных, составляющим основу базы данных САПР, является библиотека базовых элементов (БЭ) различного уровня, в которые входят:
− описание моделей, элементов различного целевого назначения и уровней интеграции;
− описание форматов документов;
− описание технологических данных;
− различная нормативно-справочная информация.
Вторым является временное (в пределах времени проектирования объекта) хранилище − рабочий массив, предназначенный для хранения описаний структуры (элементов и связей) объекта проектирования на различных этапах создания. Форма и состав описания соответствуют условиям работы с модулями проектирования. По своему содержанию рабочий массив является информационной моделью объекта.
Информационная модель (ИМ) объекта проектирования является ядром процесса автоматизированного проектирования конкретного объекта. По содержанию ИМ представляет собой структуру объекта, описанную в словаре библиотеки базовых элементов и необходимую для формирования математических моделей, используемых в различных проектных модулях САПР. Информационная модель создается в результате трансляции исходного описания объекта.
В процессе выполнения проектных операций ИМ служит средством информационного взаимодействия между отдельными модулями САПР. При выполнении проектных операций ИМ непрерывно обновляется и модифицируется. На завершающем этапе ИМ представляет собой законченное описание объекта проектирования в форматах языка внутреннего представления и служит для формирования документации по нему.
Третьим является временное или долговременное (на время разработки проекта) хранилище документации по объекту проектирования. Поскольку в САПР могут идти работы одновременно по нескольким объектам, хранилище должно сохранять документацию до момента выпуска ее в соответствующей форме. Дальнейшим развитием этого хранилища данных по спроектированному объекту является автоматизированная архивная служба, выполняющая все функции, свойственные архиву технической документации. К таким функциям относятся введение изменений, формирование сводных документов, учет рассылок и др.
Средства программного обеспечения. Программный комплекс типовойСАПР включает следующие программные компоненты:
1. Трансляцию исходного задания.
2. Формирование структуры информационной модели.
3. Управление базой данных САПР (СУБД САПР).
4. Управление вычислительным процессором − «Монитор−САПР».
5. Интерфейс базы данных.
6. Модели проектирования.
7. Формирование документации.
8. Ведение архива САПР.
9. Постпроцессоры выпуска документации
Программы трансляции осуществляют грамматический разбор и интерпретацию задания на выполнение проектных работ в САПР, включающего описание объекта проектирования, описание базовых элементов и директивы управления. По результатам трансляции формируются диагностические данные для пользователя о составе ошибок.
Программы формирования структуры развертывают оттранслированное описание объекта с использованием библиотеки базовых элементов в режимах интерактивного взаимодействия с пользователем САПР, обеспечивают оперативный автоматический обмен данными библиотеки БЭ с рабочим модулем (РМ) по запросам программы формирования исходного модуля (ИМ).
Программа «Монитор−САПР» обеспечивает управление последовательностью выполнения проектных работ в соответствии с управляющими директивами.
Программы интерфейса базы данных обеспечивают перевод семантически согласованного текста ИМ, представленного в РМ на ЯВПД, в форму, необходимую для программ, выполняющих проектные процедуры и обратное преобразование результатов проектирования в форматы ЯВПД рабочего массива.
Программные модули проектирования являются прикладным программным обеспечением, определяющим проблемную ориентацию САПР. Каждый модуль является системным компонентом программного обеспечения САПР и выполняет определенную законченную процедуру или группу процедур. Основу процедур составляют процедуры моделирования и синтеза проектных решений. Исходными данными являются ИМ. Выходные данные ПФД (графические и текстовые документы) хранятся в форматах единого ЯГТИ, принятого для данной системы САПР.
Программы ведения архива документации по спроектированному объекту обеспечивают хранение, поиск и выдачу документации, сформированной в САПР по группе объектов, находящихся в процессе проектирования.Постпроцессоры выпуска документации предназначены для преобразования графических и символьных текстов из стандартной архивной формы, принятой в САПР, в форму, необходимую для использования на конкретном
устройстве. Постпроцессоры делятся на три основных класса:
− постпроцессоры выпуска текстовой документации на автоматах печати;
− постпроцессоры формирования графической документации на графопостроителях;
− постпроцессоры формирования технологической документации автоматизированного производства.
3.3. Применение ЭВМ для автоматизации процесса проектирования
Для промышленного производства системы автоматизированного проектирования приобретают все большое значение. Применение ЭВМ оказывает воздействие на конструирование, технологию и неизбежно приводит к структурным изменениям и расширению поля деятельности конструкторов и технологов в этих сферах деятельности.
Рис.1 Модульная структура программного обеспечения
САПР − это системы, предназначенные для переработки различной буквенно-цифровой информации, необходимой в процессе конструирования и разработки технологии изготовления изделия. С помощью САПР возможно выполнение расчетов при проектировании, оформление и выпуск чертежей, геометрическое моделирование и моделирование функциональных и динамических характеристик, решение проблем, связанных с составлением спецификаций, технологических карт, а также изготовление программо-носителей длястанков с ЧПУ и сопроводительной документации к управляющим программам (рис.1).
Рис.2 Области использования ЭВМ в процессе проектирования
При современном развитии техники оптимальное решение всех перечисленных выше задач с помощью одной САПР невозможно. САПР специализируется по отраслям, например, существуют различные системы в станко-, самолето-, автомобиле-, приборостроении, электронике, строительстве и др.
Разнообразные задачи проектирования, решаемые в системе САПР, можно объединить в четыре группы функций, которые соответствуютчетырем заключительным фазам процесса проектирования по системе Шигли (рис.2).
Геометрическое моделирование в рамках САПР связано с получением понятного машине математического описания геометрических свойств объекта. При наличии такого описания образ проектируемого объекта можно воспроизвести на экране графического терминала, а с ним можно манипулировать посредством различных сигналов, идущих от центрального процессора САПР.
Для проведения геометрического моделирования разработчик конструирует графическое изображение объекта на экране терминала системы ИМГ, вводя в машину команды трех типов. Команды первого типа обеспечивают формирование базовых геометрических элементов, таких как, точки, линии и окружности. По командам второго типа осуществляется масштабирование, повороты изображения и прочие преобразования базовых элементов. С помощью команд третьего типа производится компоновка различных элементов в целостное изображение проектируемого объекта.
В ходе геометрического проектирования машина преобразует поступающие сигналы в компоненты математической модели, запоминает нужную информацию в файлах данных и отображает полученную модель проектируемого объекта на экране терминала. В последствии эта модель может извлекаться из машинных файлов в целях проведения обзора, анализа, изменения.
Существует несколько различных методов представления объекта при геометрическом моделировании. Основным является представление объекта в каркасной форме, когда он изображается совокупностью соединительных линий. Каркасное геометрическое моделирование существует в трех видах − в зависимости от конкретных возможностей системы ИМГ:
− 2-мерное (типа 2Д) – для плоских объектов;
− 2,5-мерное, позволяющее воспроизводить на экране трехмерные объекты, не имеющие деталей с боковыми стенками;
− 3-мерное (типа 3Д) – дающее возможность моделировать сложные геометрические объекты в трехмерном отображении.
Необходимо отметить, что в случае, когда достаточно трехмерного проектирования для отображения сложных форм проектируемого объекта, существуют различные методы расширения каркасного моделирования.
Наиболее совершенный метод геометрического моделирования − это объемное представление монолитных тел. При использовании этого метода проектируемый объект конструируется их монолитных геометрических тел, называемых графическими монолитами.
Еще одна возможность САПР – это цветная графика, что позволяет выделять отдельные компоненты сборочных узлов, подчеркивать объемность и достигать другие цели.
Инженерный анализ. При выполнении проекта требуется проведение процедуры анализа. Этот анализ может включать расчеты механических напряжений и усилий, тепловых процессов, дифференциальных уравнений, описывающих динамическое поведение проектируемого объекта, аппаратурный расчет и т. д. В целом в ряде случаев для этого удается использовать универсальные программы инженерного анализа, в других случаях требуется разработка специальных программ для решения конкретных задач.
В готовых к непосредственному применению САПР такие средства либо предусматриваются в составе системного программного обеспечения, либо могут включаться потом в библиотеку программ и вызываться для использования в процессе работы с каждой конкретной моделью проектируемого объекта. Если полученные результаты анализа свидетельствуют о нежелательных свойствах поведения проектируемого объекта, конструктор имеет возможность изменить его форму и повторить анализ, например, методом конечных элементов для пересмотренной конструкции.
Обзор и оценка проектных решений. Проверку точности проектирования можно легко выполнить с использованием графического терминала. Полуавтоматические стандартные программы определения размеров и допусков, привязывающие размерные характеристики к указываемым пользователем поверхностям, позволяют сократить число ошибок в определении размеров. Часто в процессе обзора используется процедура разбиения на слои. Например, возможно наложение геометрического образа контуров готовой детали после механической обработки на станке на изображение черновой заготовки. Указанная процедура может применяться поэтапно в целях контроля каждой отдельной стадии изготовления детали.
Еще одна процедура, реализуемая в анализе проектных решений, состоит в проверке взаимных наложений. Эта процедура связана с контролем местоположения элементов компоновочного узла, так как существует риск установки их на места, уже занятые другими компонентами. Подобный риск особенно реален при проектировании химических заводов, холодильных установок и разного рода трубопроводов сложной конфигурации.
Одно из наиболее интересных средств оценки проектных решений − это кинематические модели. Стандартные коммерческие пакеты кинематики обеспечивают возможность динамического воспроизведения движения простых проектируемых механизмов вроде шарниров и сочлененных звеньев. Наличие таких средств анализа расширяет возможности конструктора в части визуального наблюдения за работой механизма и помогает гарантировать отсутствие столкновений с другими объектами.