З 38
Рецензенты:
Кафедра систем обработки и защиты информации
Института сервиса (г. Москва) (филиала)
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Зам. начальника управления АСУ ТП
ОАО «Выксунский металлургический завод» (г. Выкса),
кандидат технических наук
Кошелев Сергей Владимирович
Работа выполнена при поддержке гранта
Президента РФ МК–8838.2010.9
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Муромского института (филиала)
Владимирского государственного университета
З 38 Захаров А.А. Программные средства САПР: учебно-методическое пособие/
А.А. Захаров – Муром: изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010.– 116 с.
ISBN 978-5-8439-0273-5
В пособии рассмотрены вопросы разработки программных средств САПР. Приведены основные виды программных средств, рассмотрены их функциональные возможности, структура программных модулей. Описаны математические модели и методы, используемые в приложениях САПР. Представлены технологии геометрического моделирования, технологической подготовки производства, инженерного анализа. Охарактеризованы основные форматы обмена данными. Пособие содержит курс лабораторных работ по изучению системы AutoCAD.
Для специалистов в области САПР.
ББК 30.2-5-05
ISBN 978-5-8439-0273-5 © Муромский институт (филиал)
Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет», 2010
| Предисловие……………………………………………………… | ||||
| 1. | ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ……………………………………………. | |||
| 1.1. | Основные понятия и определения САПР………………… | |||
| 1.2. | Цели и средства автоматизации процессов проектирования | |||
| 1.3. | История развития САПР…………………………………... | |||
| 1.4. | Классификация программных средств САПР……………. | |||
| 1.5. | Структура САПР…………………………………………… | |||
| 1.6. | Принципы разработки САПР……………………………… | |||
| Контрольные вопросы …………………………………………… | ||||
| 2. | CAD-СИСТЕМЫ………………………………………………… | |||
| 2.1. | Функции CAD-систем……………………………………… | |||
| 2.2. | Системы автоматизированной разработки чертежей…… | |||
| 2.3. | Системы геометрического моделирования……………….. | |||
| Контрольные вопросы …………………………………………… | ||||
| 3. | CAPP-системы……………………………………………………. | |||
| 3.1. | Функции CAPP-систем...…………………………………... | |||
| 3.2. | Групповая технология в CAPP-системах ………………… | |||
| Контрольные вопросы …………………………………………… | ||||
| 4. | СИСТЕМЫЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ…………………………………………………... | |||
| 4.1. | Введение в числовое программное управление………….. | |||
| 4.2. | Структура систем ЧПУ…………………………………….. | |||
| 4.3. | Классы устройств ЧПУ…………………………………….. | |||
| 4.4. | Типы систем ЧПУ…………………………………...……... | |||
| 4.5. | Основы составления управляющих программ…………… | |||
| Контрольные вопросы …………………………………………… | ||||
| 5. | CAE-СИСТЕМЫ…………………………………………………. | |||
| 5.1. | Функции CAE-систем……………………………………… | |||
| 5.2. | Метод конечных элементов……………………………….. | |||
| 5.3. | Структура CAE-систем…………………………………….. | |||
| Контрольные вопросы …………………………………………… | ||||
| 6. | ||||
| 6.1. | Основные понятия CALS-технологий…………………….. | |||
| 6.2. | Стандарты обмена данными между системами………….. | |||
| 6.3. | Электронная модель изделия……………………………… | |||
| 6.4. | PDM-системы………………………………………………. | |||
| Контрольные вопросы …………………………………………… | ||||
| 7. | ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫПО КУРСУ «Программные средства САПР»………………………………………………….. | |||
| Лабораторная работа № 1. Разработка чертежа детали в системе AutoCAD………………………………………………… | ||||
| Лабораторная работа № 2. Разработка трехмерной модели детали в системе AutoCAD……………………………………... | ||||
| Лабораторная работа № 3. Генерация чертежа по трехмерной модели в системе AutoCAD……………………………………... | ||||
| Лабораторная работа № 4. Разработка параметрической модели детали средствами языка AutoLISP……………………. | ||||
| Варианты заданий к лабораторным работам…………………... | ||||
| Библиографический список…………………………………....... |
Работа выполнена при поддержке
ПРЕДИСЛОВИЕ
Повсеместное внедрение цифровой техники обеспечивает рост производительности труда в различных областях общественного производства. Это области, связанные управлением производством, проектированием и исследованием объектов и процессов. Если производительность труда в сфере производства с начала XX века возросла в сотни раз, то в области проектирования только в 1.5-2 раза. Это обусловлено большими сроками и не всегда удовлетворительным качеством проектирования новых объектов, что не отвечает потребностям развития экономики.
Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие программных средств систем автоматизированного проектирования (САПР). Если первоначально возможности САПР сдерживались малой скоростью обработки информации и небольшими доступными объемами памяти, то возможности современных компьютеров позволяют решать самые сложные задачи проектирования в кратчайшее время. Поэтому огромное значение необходимо уделять новым технологиям в программной реализации САПР.
В пособии рассмотрены вопросы разработки программных средств САПР. Приведены основные виды программных средств, рассмотрены их функциональные возможности, структура программных модулей. Описаны математические модели и методы, используемые в приложениях САПР. Представлены технологии геометрического моделирования, технологической подготовки производства, инженерного анализа, создания прототипов изделий. Охарактеризованы основные форматы обмена данными. Пособие содержит курс лабораторных работ по изучению системы AutoCAD.
1. ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Основные понятия и определения САПР
Проектирование технического объекта – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания данного объекта и (или) алгоритма его функционирования [5,17, 27]. Проектирование является сложным творческим процессом целенаправленной деятельности человека, основанным на глубоких научных знаниях, использовании накопленного практического опыта и навыков в определенной сфере. Проектирование включает в себя значительный комплекс исследовательских, расчетных и конструкторских работ, целью которых является получение описания предмета проектирования, необходимого и достаточного для создания нового изделия или реализации нового процесса, удовлетворяющих заданным требованиям.
Автоматизированное проектирование – проектирование, которое выполняется в процессе взаимодействия пользователя и ЭВМ. Автоматизация проектирования основана на систематическом использовании средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов машинного решения задач.
Рациональность распределения функций между проектировщиком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать в основном задачи творческого характера, а ЭВМ — задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма.
Автоматическое проектирование – проектирование, которое осуществляется без участия пользователя. Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов. Основным в настоящее время является автоматизированное проектирование.
Система автоматизированного проектирования (САПР) – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с подразделениями или коллективом специалистов (пользователем системы), выполняющий автоматизированное проектирование. САПР объединяет технические средства, математическое, программное, методическое, информационное, лингвистическое и организационное обеспечения, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач проектирования и конструирования.
Объектами проектирования являются продукция производственно-технического назначения (технологическое оборудование и оснастка), технологические процессы, здания, инженерные сооружения, транспортные средства, средства связи, вычислительная техника, организационно-управленческие системы и т.д.
В процессе проектирования получают решения. Под решением понимают результат, который может носить форму промежуточного или окончательного описания объекта проектирования. Все решения должны соответсвовать содержанию и форме. Требования, касающиеся содержания, определяются замыслом проектировщика. Представление проектного решения в виде, выполненном по заданной форме, является проектным документом.
Проектом называется совокупность проектных документов, соответствующая заданному перечню. Проектирование по содержанию является процессом переработки определенного объема различной информации. Входы такого процесса – это, во-первых, замысел (цель) проектирования, который выражается в виде определенной совокупности условий и требований. Во-вторых, средства, т.е. факторы, которыми можно варьировать при проектировании. Выход процесса представляет собой такое описание искомого объекта (его информационную модель в виде схем, чертежей, диаграмм, спецификаций, таблиц и другой документации), которое необходимо и достаточно для материально-вещественного воплощения идеи проектирования в конкретный физический объект.
В процессе проектирования с помощью САПР в качестве промежуточных или окончательных решений используют модели:
- формы и геометрических параметров;
- структуры;
- временных пространственно-временных отношений;
- функционирования;
- изменения состояний или значений свойств предмета;
- имитационные.
Модели формы и геометрических параметров представляют собой плоские и объемные изображения объектов проектирования, выполненные в соответствии с правилами ЕСКД, ЕСТД и ЕСТПП. К ним относятся также упрощенные схемы, схемы размещения каких-либо предметов на плоскости или в пространстве.
Модели структуры представляют собой кинематические, гидравлические, электронные, релейно-контактные и другие схемы.
Модели временных и пространственно-временных отношений, существующих между составными частями процесса функционирования изделия или процесса его изготовления, представляют собой циклограммы, сетевые графики и т.д.
Модели функционирования являются движущимися схемами (например, кинематические схемы).
Модели изменения состояний или значений свойств предмета используются для получения решений проектно-конструкторских задач, носящих расчетный характер, для анализа полученных решений или для выполнения числового эксперимента. Будучи математическими, эти модели представляют собой формальное описание некоторого упрощенного процесса, в котором представлены лишь те явления, входящие в реальный процесс, которые существенны с точки зрения поставленной задачи. Такие модели могут иметь табличный или аналитический вид. Эти модели применяют для анализа проектируемых систем, например, системы массового обслуживания.
Принято выделять следующие этапы проектирования.
1. Стадия научно-исследовательских работ (НИР). Изучаются потребности, анализируются ресурсы, основные принципы построения. В обязательном порядке проводится обследование всех литературных источников на данную тему, проводится полное патентное исследование, и анализируются все подобные системы. 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.
2. Стадия опытно-конструкторских работ (ОКР). 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.
3. Стадия технического проекта. Выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта и детализируются все технические решения. В технический проект включают все необходимые расчеты (динамические, прочностные и т.д.).
4. Стадия рабочего проекта. На стадии рабочего проекта создается полный комплект конструкторско-технологической документации, достаточный для изготовления объекта.
5. Стадии испытаний и опытной эксплуатации. Получают результаты, позволяющие выявить возможные ошибки и недоработки проекта, принимаются меры к их устранению.
6. Стадия внедрения. На завод изготовитель передается вся необходимая для выпуска готового изделия документация.
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 определяют 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.
Цели и средства автоматизации процессов проектирования
Научно-техническая революция, развивавшаяся в ХХ веке, привела к изменению в геометрической прогрессии следующих показателей развития техники [10]:
- число различных классов технических систем удваивалось в среднем через каждые 10 лет;
- сложность изделий по числу деталей и узлов возрастала в два раза через 15 лет;
- объем научно-технической информации удваивался через 8 лет;
- время создания новых изделий уменьшалось в два раза через 25 лет, одновременно сокращалось время морального старения изделий.
- в технически развитых странах с 1900 по 1960 годы производительность труда в производстве возросла в среднем на 1000%, а в сфере проектирования на 20%. В 70-х годах эти показатели составили соответственно 80% и 4%.
По этой причине были начаты работы по автоматизации проектирования. Принято выделять следующие основные цели и средства автоматизации процессов проектирования (таблица 1.1) [10].
Таблица 1.1