ПИТ / Лекция 2
.pdfЛЕКЦИЯ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
План
2.1. Структура и состав САПР проектного предприятия
2.2. Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования
2.3. Математическое обеспечение систем автоматизированного проектирования
2.4.Программное обеспечение систем автоматизированного проектирования
2.5.Информационное обеспечение САПР
2.6. Лингвистическое обеспечение САПР
2.7. Методическое и организационное обеспечение САПР
2.8. Понятие о CALS-технологиях
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
(САПР).
Принято выделять в САПР машиностроительных отраслей промышленности системы функционального, конструкторского и технологического проектирования. Первые из них называют системами расчетов и инженерного анализа или системами САЕ
(Computer Aided Engineering). Системы конструкторского проектирования называют системами CAD (Computer Aided Design). Проектирование технологических процессов составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в системах
САМ (Computer Aided Manufacturing). Функции координации работы систем CAD/CAM/CAE, управления проектными данными и
1
проектированием возложены на систему управления проектными данными PDM (Product Data Management).
2.1. Структура и состав САПР проектного предприятия
Основными структурными звеньями САПР являются подсистемы. Подсистемой САПР называется выделенная по некоторым признакам часть САПР, обеспечивающая получение законченных проектных решений и соответствующих проектных документов.
Различают объектно-ориентированные (объектные) или проектнотехнологические и объектно-независимые (инвариантные) подсистемы САПР.
Объектная подсистема осуществляет проектирование некоторого объекта (класса объектов) на определенной стадии проектирования. Сюда можно отнести подсистемы конструирования объектов, их деталей и сборочных единиц, поиска оптимальных проектных решений, анализа протекающих процессов в объектах, определения допусков на параметры и анализа рабочих показателей объектов с учетом технологических и эксплуатационных факторов, технологической подготовки производства и др. Любая из перечисленных объектных подсистем не даст возможности конструктору получить рациональные проектные решения, если не будут учитываться особенности математического и графического описания именно данного класса объектов, не будет обобщен опыт их проектирования и учтена специфика технологических приемов.
Инвариантная подсистема осуществляет функции управления и обработки информации, не зависящие от проектируемого объекта. Инвариантные подсистемы служат базой для разработки объектных подсистем – наполняются "объектным" содержанием и включаются в состав соответствующих объектных подсистем. Такие системы должны быть достаточно гибки и перестраиваемы под новые, еще не внедренные технологии.
По назначению подсистемы САПР можно разделить на проектирующие и обслуживающие.
2
Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации.
Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР и др.
Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять следующие виды обеспечения САПР:
техническое, включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
математическое, объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
программное, представляемое компьютерными программами САПР;
информационное, состоящее из базы данных, системы управления базами данных (СУБД), а также включающее другие данные, используемые при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а база данных вместе с СУБД носит название банка данных;
лингвистическое, выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;
методическое, включающее различные методики проектирования, иногда к нему относят также математическое обеспечение;
3
организационное, представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия;
кадровое – персонал, обеспечивающий нормальное функционирование систем автоматизированного проектирования, это специалисты по организации и координации разработок, изготовления, внедрения и функционирования системы; теории и методам автоматизации проектирования; информационному и программному обеспечению; техническому, организационноправовому и кадровому обеспечению, а также административнохозяйственному управлению и снабжению.
2.2. Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования
Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.
Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:
выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее программное обеспечение;
взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;
взаимодействие между членами коллектива, работающими над общим проектом.
Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти.
Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-
4
вывода данных и прежде всего устройств обмена графической информацией.
Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть.
В результате общая структура технического обеспечения САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис. 2.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станциями – (WS – Workstation). Типичный состав устройств АРМ: ЭВМ (системный блок); устройства ввода-вывода, включающие в себя, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей; дополнительно в состав АРМ могут входить принтер, сканер, плоттер и некоторые другие периферийный устройства, например дигитайзер.
Рис. 2.1. Структура технического обеспечения САПР
Для ввода графической информации с имеющихся документов в САПР используют дигитайзеры и сканеры.
Дигитайзер применяют для ручного ввода. Он имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор. Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом может осуществляться "сколка" чертежа.
Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры. Способ
5
считывания оптический. Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет ее в одном из стандартных форматов, например TIFF, GIF, PCX, JPEG, и для дальнейшей обработки можно выполнить векторизацию – перевод графической информации в векторную форму, например в формат
DXF.
Для вывода информации применяют принтеры и плоттеры. Первые из них ориентированы на получение документов малого формата (А3, А4), вторые – на вывод графической информации на широкоформатные носители. В этих устройствах преимущественно используются струйный или лазерный способы печати.
Дигитайзеры, сканеры, принтеры, плоттеры могут входить в состав АРМ или разделяться пользователями нескольких рабочих станций в составе локальной вычислительной сети.
2.3. Математическое обеспечение систем автоматизированного проектирования
Знание особенностей математических моделей, методов и алгоритмов решения проектных задач необходимо инженеру для постановки задач, для правильной формулировки исходных данных и интерпретации получаемых результатов, при принятии решений об использовании тех или иных компонентов математического обеспечения в процессе решения проектных задач.
При автоматизации проектирования специфика проектируемых объектов находит отражение прежде всего в их математических моделях. Однако, несмотря на то, что математические модели разных объектов также различны, имеется ряд общих положений, справедливых для многих областей техники и относящихся к принципам и методам моделирования.
К математическим моделям предъявляют требования точности, экономичности, универсальности.
6
Точность математической модели – ее свойство, отражающее степень совпадения предсказанных с помощью модели значений параметров объекта с истинными значениями этих параметров.
Экономичность математических моделей (в частности, и машинных расчетных методов) оценивается затратами машинного времени, а также числом внутренних параметров, используемых в ней.
Степень универсальности математических моделей определяется их применимостью к анализу более или менее многочисленной группы однотипных объектов, к их анализу в одном или многих режимах функционирования.
Математическая модель представляет собой приближенное описание какого-либо класса объектов (или явлений) при помощи символов математики и логики. Поэтому говорят еще о логикоматематических моделях. Математическая модель относится к классу знаковых моделей, в которых, в отличие от предметной модели, используются знаковые образования: схемы, графики, чертежи, формулы, слова и т.д. В математической модели символы математики и логики всегда рассматриваются вместе с определенными математическими и логическими операциями над ними, которые выполняют человек или машина. Совокупность математических приемов и операций, подчиненных решению конкретной задачи (или определенного класса задач), принято называть математическим методом.
Таким образом, при математическом моделировании имеется знаковая модель объекта и осуществляется целенаправленное воздействие на нее при помощи математических методов.
Переход от математической модели к машинной программе возможен через промежуточное звено – алгоритм.
В математике под алгоритмом понимают точно определенные правила действия, для которых даны указания, как и в какой последовательности эти правила необходимо применять к исходным данным задачи, чтобы получить конечный результат.
7
Применительно к задаче автоматизированного проектирования введено понятие алгоритм проектирования. Под алгоритмом проектирования понимается совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования. Алгоритм проектирования должен обладать всеми вышеперечисленными свойствами алгоритма.
Ф о р м и р о в а н и е м о д е л е й п р и п р о е к т и р о в а н и и . Формирование модели включает две процедуры: во-первых, разработку моделей отдельных компонентов, во-вторых, формирование модели системы из моделей компонентов.
Первая из этих процедур выполняется предварительно по отношению к типовым компонентам вне маршрута проектирования конкретных объектов. Как правило, модели компонентов разрабатываются специалистами в прикладных областях, причем знающими требования к моделям и формам их представления в САПР. Созданные модели включаются в библиотеки моделей прикладных программ.
На маршруте проектирования каждого нового объекта выполняется вторая процедура (рис. 2.2) – формирование модели системы с использованием библиотечных моделей компонентов. Как правило, эта процедура выполняется автоматически по алгоритмам, включенным в заранее разработанные программы. Примеры таких программ имеются в различных приложениях и прежде всего в отраслях общего машиностроения.
Рис. 2.2. Место процедур формирования моделей на маршрутах проектирования
8
При применении этих программ пользователь описывает исследуемый объект на входном языке программы не в виде системы уравнений, которая будет получена автоматически, а в виде списка элементов структуры эквивалентной схемы, эскиза или чертежа конструкции.
М о д е л и т е х н о л о г и и п р о е к т и р о в а н и я . В зависимости от последовательности решения задач (стиля проектирования) различают нисходящее (“сверху-вниз”), восходящее (“снизу-вверх”) и смешанное (гибридное) проектирование. Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним характеризует восходящее проектирование, обратная последовательность приводит к нисходящему проектированию, в смешанном стиле имеются элементы как восходящего, так и нисходящего проектирования. В большинстве случаев для сложных систем предпочитают нисходящее проектирование. Отметим, однако, что при наличии заранее спроектированных составных блоков (устройств) можно говорить о
смешанном проектировании. |
|
|
|
|
||
М а т е м а т и ч е с к о е |
|
о б е с п е ч е н и е |
п о д с и с т е м |
|||
м а ш и н н о й |
г р а ф и к и |
и |
г е о м е т р и ч е с к о г о |
|||
м о д е л и р о в а н и я . |
Подсистемы |
машинной |
графики |
и |
||
геометрического моделирования (МГиГМ) занимают центральное место в машиностроительных САПР (MCAD). Конструирование изделий в них, как правило, проводится в интерактивном режиме при оперировании геометрическими моделями, т.е. математическими объектами, отображающими форму деталей, состав сборочных узлов и дополнительные параметры (масса, момент инерции, цвета поверхности и т. п.).
Когда говорят о математическом обеспечении МГиГМ, имеют в виду прежде всего модели, методы и алгоритмы для геометрического моделирования и подготовки к визуализации.
Различают математическое обеспечение двухмерного (2D) и трехмерного (3D) моделирования. Основные применения 2D-графики
9
– подготовка чертежной документации в машиностроительных САПР. В 3D-моделировании различают каркасные или проволочные (wire-frame), поверхностные или полигональные (surface), объемные или твердотельные (solid) модели.
Каркасная модель представляет собой форму детали в виде конечного множества линий, лежащих на поверхности детали. Для каждой линии известны координаты концевых точек. Эти линии отражают лишь "скелет" объекта и никак не воздействуют друг на друга. С помощью каркасных моделей не всегда есть возможность получать правильные изображения, автоматически анализировать процессы удаления невидимых линий и получения различных сечений. Именно информативная бедность, свойственная таким моделям, ограничивает их применение.
Поверхностная модель отображает форму детали путем задания ограничивающих ее поверхностей. В отличие от каркасной модели поверхностная модель, кроме данных о кромках, содержит информацию о контурах и силуэтах поверхностей. Подобные модели можно использовать для представления сложных объектов произвольной формы.
Твердотельные модели отличаются тем, что в них в явной форме содержатся сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по отношению к детали пространству. Иначе, под твердым телом понимается заполненная "материалом" замкнутая область пространства.
2.4. Программное обеспечение систем автоматизированного проектирования
Принято выделять в программном обеспечении (ПО) АС общесистемное ПО, системные среды и прикладное ПО.
К общесистемному ПО относят операционные системы (ОС) используемых ЭВМ и вычислительных систем, а также сетевое ПО. Основой системной среды является система управления проектными данными, или система PDM. Кроме того, в состав системной среды
10