АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Проектирование технического объекта — создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого 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, и оно являет­ся исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирова­ния, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее окончательное 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 и используемых для обсуждения и принятия проектных решений для оконча­ния или продолжения проектирования.

Цель создания САПР

Основные факторы эффективности интегрированной САПР следующие:

при проектировании — снижение затрат на проектирование в связи сокращением сроков, повышение качества расчетных и конструкторских) работ, уменьшение числа макетов и опытных образцов, а также повышение качества проекта вследствие, снижения ошибок в проектной документации;

при изготовлении объектов проектирования — сокращение длительности цикла производства, снижение материалоемкости, энергоемкости и потерь от брака изделий вследствие повышения уровня проектной документации;

при эксплуатации — повышение их ремонтопригодности, сокращение числа отказов и численности работников, занятых обслуживанием заменой оборудования.

Необходимо учитывать и такие социальные факторы, как культура проектирования, демографические факторы, рынок сбыта.

Принципы создания САПР

САПР — человеко-машинная система. В САПР человек должен решать задачи, формализация которых не достигнута, а также 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. Человек должен решать в основном задачи творческого характера, а СВТ — задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с традицион­ным ручным способом. Инструменты САПР интеллектуальны, поскольку они решают задачи, традиционно выполнявшиеся проектировщиками — работниками интеллектуального труда (построение математических моделей объектов проектирования, анализ, синтез, моделирование, трассировка соединений, экспертные подсистемы), чтобы исключить посредника между проектировщиком и СВТ в виде математиков-программистов.

САПР — иерархическая система. Принцип иерархичности САПР предусматривает построение многоуровневой структуры не только к специальному программному обеспечению, но и к техническим сред­ствам. Модульность и иерархичность позволяют разрабатывать САПР для самого высокого организационного структурного уровня.

САПР—совокупность информационно согласованных подсистем. Информационная совместимость подсистем САПР обеспечивает их оптимальное взаимодействие при выполнении заданных функций. Для ее достижения вводятся в действие стандартные блоки связи с ЭВМ, выдержи­вается строгая регламентация входных и выходных параметров модулей на всех иерархических уровнях системы, входных и выходных сигналов для управляющих воздействий. Поэтому каждый инструмент САПР своим соответствующим компонентом «подсоединяется» к информационному обеспечению для получения от него необходимых для выполнения проектной процедуры данных (типовых проектных решений, данных ГОСТ, ОСТ и нормалей, результатов испытаний) и для помещения в этот «банк» проектных решений и других данных, полученных в результате выполнения какой-либо проектной процедуры.

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, поэтому экономически выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, с развитием СВТ и вычислительной математики появляются новые, более совершенные математические модели и программы. Вот почему САПР должна быть открытой системой, удобной применения новых методов и средств.

САПР — система с максимальным использованием унифицированных модулей. Принцип модульности САПР строится на базе типовых модулей, обеспечивающих получение законченных проектных решений и соответствующих проектных документов для деталей, печатных плат РЭА и ЭВА. Модульность позволяет: обеспечить взаимозаменяемость одноименных модулей; упростить их наладку и модернизацию, упростить интерфейс и возможность расширения номенклатуры подключаемых вновь модулей.

Совместимость существующих технических и программных средств САПР. Совместимость — «дружественность» технических и программных средств САПР связана с интеллектуализацией технических сред» и программного обеспечения.

Выделяют два направления создания интеллектуальных САПР:

· создание специализированных ЭВМ, архитектура которых ориентирована на работу с языками и программами искусственного интеллект для чего необходимо проводить дорогостоящие исследовательские проектные работы;

· использование универсальных ЭВМ с традиционной архитектурой.

Среди инструментов САПР РЭА и ЭВА важное место занимают инструменты разработчика программ— инструментальные системы программирования для создания программ, реализуемых для проектирования РЭА и ЭВА и программного обеспечения САПР.

Быстрое изменение номенклатуры и условий функционирования объектов проектирования приводит к необходимости приспосабливав (адаптировать) инструменты САПР к возникающим вновь процедура» проектирования. Это свойство адаптации должно быть сразу же заложено в САПР и во все компоненты, особенно в математические методы алгоритмы и системную часть программного обеспечения.

Для выполнения сложных проектных процедур используют набор простых инструментов САПР. Например, составной инструмент «по строение математических моделей» плюс «моделирование» позволяет проектировщику проигрывать интересующие его ситуации на модели так же, как он это делает на макете.

Структура САПР

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем (рис.3).Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (РDМ — Product Data Management), управления процессом проектирования (DesРМ — Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, САSЕ (Computer Aided Software Engineering) для разра­ботки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

 

Рис 3. Структура программного обеспечения САПР

 

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает по­явление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспе­чения:

• техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное обору­дование, линии связи, измерительные средства);

• математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;

• программное (ПО), представляемое компьютерными программами САПР;

• информационное (ИО), состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также других данных, ис­пользуемых при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД носит название бан­ка данных (БнД);

• лингвистическое (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;

• методическое (МетО), включающее различные методики проек­тирования, иногда к МетО относят также математическое обеспе­чение;

• организационное (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламен­тирующими работу проектного предприятия.

Состав САПР

САПР строится из подсистем, т. е. отдельных инструментов проек­тировщика, соответствующих конкретным процедурам. В свою очередь подсистема САПР состоит из компонентов. Компоненты — части и подсистемы (элементы) САПР. С точки зрения разработчика САПР каждый инструмент САПР — сложная многокомпонентная конструкция, функционирование которой он обязан досконально знать. С точки зрения пользователя это удобный инструмент для выполнения проектных процедур.

По назначению подсистемы САПР делят на проектирующие и обслуживающие, по связи с объектом — на объектно-зависимые и объектно-независимые.

К проектирующим относятся подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции: компоновку изделия, проектирование деталей, сборочных единиц, схем управления.

К обслуживающим относятся подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем: графического отображения объектов проектирования, документирования, информа­ционного поиска и т. д.

К объектно-зависимым относятся подсистемы, проектные процедуры и операции которых зависят от объекта проектирования: проектирова­ние технологических процессов, моделирование динамики, проектиро­вание конструкции и т. п.

К объектно-независимым относятся подсистемы, проектные процедуры и операции которых не зависят от объекта проектирования: расчеты деталей машин, режимов резания и т. п.

Приведем определения видов обеспечения САПР, из компонентов которых формируются инструменты проектировщика.

Техническое обеспечение САПР — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих аппаратных средств ЭВМ — ЦВМ, АВМ—устройств ввода-вывода, в том числе алфавитно-цифровых и графических дисплеев, графопостроителей и печатающих автоматов, интеллектуальных терминалов, динамических моделирующих стендов, посредством которых происходит автоматизированное проектирование.

Математическое обеспечение САПР — совокупность математических моделей, математических методов и алгоритмов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Программное обеспечение — совокупность программ, описаний и инструкций, в том числе пакетов программ, составленных на основе мате­матического обеспечения и предназначенных для реализации проектных процедур на ЭВМ.

Лингвистическое обеспечение — совокупность языков программирования, языков проектирования и правила формализации этих языков, предназначенных в форме, удобной для применения в составе САПР.

Информационное обеспечение — совокупность сведений, представленных на машинных носителях информации, в том числе баз данных и баз знаний, содержащих нормативы, справочные данные, типовые проектные решения, закономерности и правила проектного процесса, которые необходимы для выполнения автоматизированного проектирования.

Методическое обеспечение — совокупность документов, устанавливающих правила и инструкции по эксплуатации инструментов (подсистем) САПР.

Организационное обеспечение — совокупность документов, устанавливающих организационную структуру САПР, формы и порядок прохождения проектных документов, изготавливаемых средствами САПР порядок взаимодействия должностных лиц, подразделений САПР и отделов проектной организации.

Из элементов (компонентов) этих обеспечений и строятся инструменты САПР. Каждый инструмент включает компоненты всех семи видов обеспечений.

Разновидности САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы — ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используе­мыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или МСАD (Mechanical С АD) системами.

2. САПР для радиоэлектроники. Их названия — ЕСАD (Е1есtronic САD) или EDA (ELECTRONIC Design Automation) системы.

3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих само­стоятельную ветвь в классификаций. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе МСАD появляются САЕ/САD/САМ-системы:

1) САПР функционального проектирования, иначе САПР-Ф или САЕ (Computer Aided Engineering) системы;

2) конструкторские САПР общего машиностроения — САПР-К, часто называемые просто САD-системами;

3) технологические САПР общего машиностроения — САПР-Т, ина­че называемые автоматизированными системами технологической подго­товки производства АСТПП или системами САМ (Computer Aided Manufacturing).

По масштабам различают отдельные программно-методические ком­плексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механиче­ских изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникаль­ными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновид­ности САПР.

1. САПР па базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в об­ласти машиностроения.

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в тех­нико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнесc-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных
щитам управления систем автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это ав­тономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем авто­матического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам
САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупно­сти подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплекс­ных САПР являются САЕ/САD/САМ-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проек­тирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

 

Основные понятия САПР

Проектирование — процесс создания технической документации, опытных образцов и моделей объекта для его изготовления на заводе.

Процесс автоматизированного проектирования РЭА и ЭВА делится на следующие этапы:

· системотехническое,

· схемотехническое,

· конструкторское

· технологическое.

При системотехническом проектировании разработка ведется до уровня структурных (функциональных) схем, элементами которых служат блоки, узлы.

Схемотехническое проектирование устройств предусматривает разработку блоков, узлов системы до уровня принципиальных схем.

Конструкторское проектирование устройств предусматривает разработку конструкции устройства.

Технологическое проектирование заключается в разработке технологической подготовки производства с изготовлением документации для изготовителя. Процесс проектирования делится на этапы, которые, в свою очередь, делятся на процедуры и операции.

Проектная процедура — совокупность проектных операций над исходными данными, выполнение которых заканчивается проектным решением.

Проектная операция — действие или совокупность действий проектировщика, составляющих часть проектной процедуры и заканчивающихся получением фрагмента проектного решения.

Проектное решение — промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое для завершения проектной процедуры.

Проект — совокупность проектных документов (техническо-конструкторской, технологической документации) в соответствии с ЕСКД, ЕСТД, ЕСПД, а также опытный образец, в которых представлен резуль­тат проектирования.

Средства проектирования — это инструменты, орудия труда проектировщика: карандаш, бумага, макеты, чертежные столы, ЭВМ и внедряемые в настоящее время средства САПР.

Под автоматизацией проектирования понимается процесс разработки проекта, когда проектные процедуры и операции осуществляют» разработчиком изделия при тесном взаимодействии с СВТ, рациональном распределении функций между проектировщиком и СВТ и обоснованном выборе методов машинного решения задач.

САПР — это инструментарий проектировщика, комплекс автоматизации проектирования, взаимосвязанный с необходимыми подразделениями проектной организации или пользователем системы, выполняю щей автоматизированное проектирование.

САПР объединяет технические средства, лингвистическое, информационное, методическое, организационное, математическое и программное обеспечения, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования о выдачи ТЗ до передачи проекта изготовителю.

Различают два способа проектирования — восходящее и нисходящее. При восходящем проектировании (проектирование снизу вверх) осуществление процедур в низких иерархических уровнях предшествует выполнению процедур, относящихся к более высоким иерархическим уровням. Для нисходящего проектирования (проектирование сверху вниз) характерна противоположная последовательность осуществления процедур и этапов.

Основная функция САПР — выполнение автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей.