ТКП - Тема 1

1. Принципи побудови і структура САПР

1.1Введення

1.1.1 Об'єктивна необхідність створення і застосування інформаційних технологій в техніці

Науково-технічний прогрес сучасного людського суспільства і сучасний стан економіки і промисловості України ставлять зараз цілий ряд масштабних і невідкладних завдань, серед яких найбільш важливими є наступні:

-вихід країни на передові науково-технічні позиції і світовий рівень продуктивності праці

-перебудови управління, планування проектування в відповідності з вимогами інтенсифікації промислового виробництва і економіки в умовах нового суспільнополітичного устрою і реформування народного господарства.

Досвід світових високорозвинутих держав показує, що рішення цих проблем можливо тільки на основі новітніх напрямів – кібернетики, інформатики, інформаційних технологій на базі сучасної обчислювальної техніки.

Нова обчислювальна техніка і сучасне програмно-інформаційне забезпечення – могутні чинники підвищення ефективності виробництва у всіх сферах народного господарства, зростання добробуту всього суспільства, які створюють і нові проблеми.

Головна проблема – проблема органічного входження (вбудовування) автоматизованих комплексів в соціальне середовище, забезпечення ефективної взаємодії людей і машин.

Чим обумовлена необхідність швидкого рішення цієї проблеми? Створення кібернетичних пристроїв і машин (штучних систем із

зворотними зв'язками) відкрило еру технізації інтелектуальної і управлінської сфер діяльності людини – в цьому позитивний вплив нової кібернетичної техніки на життя суспільства.

Умовно продуктивну працю можна розділити на дві складові: речовинноенергетичну (фізичну) і таку, що інформаційно-управляє (інтелектуальну). Використання пари і електрики створило нову технологію фізичної праці, але мало торкнулися сфери виробництва, що інформаційно-управляє. Вона підсилила фізичні можливості виробництва, але не стала підсилювачем інтелекту.

Це створило суперечності між машинною озброєністю рук і слабкою озброєністю інтелекту. Тому інформаційно-управлінські можливості людей перестали відповідати речовинно-енергетичним можливостям виробництва, що і привело до інформаційно-організаційної кризи.

Прикладом тому є той факт, що результати індустріального зростання (зростання, наприклад, промисловості в СРСР) з'їдалися ентропією, що росте

(неврегульованістю із-за ускладнення і неорганізованості народного господарства). Тому три четвертих енергії, що виробляється на Землі, розтрачується марно.

Виникла і інша суперечність: продовжується накопичення знань і передового досвіду, але ще швидше за знання омертвляються, при надмірності знань з'являється дефіцит інформаційних ресурсів, тобто знань зафіксованих, переданих, прийнятих і використаних. Загострюється тому потреба в подоланні інформаційних бар'єрів і перш за все при створенні нової техніки.

Впроцесі проектування і виробництва це посилюється тим, що уточнюються і ускладнюються ММ (у зв'язку з глибшим проникненням в суть електромеханічних і інших фізичних процесів, з синтезом електромеханічних і електронних систем), ускладнюються технічні вимоги і критерії якості об'єктів, загострюється конкуренція між виробниками технічних пристроїв. В той же час необхідне одночасне проведення трудозбережної і матеріалозберігаючої політики в поєднанні з постійним вдосконаленням якості продукції і технології виробництва.

Вумовах сучасного НТП єдиний ефективний шлях до рішення даних проблем – перехід до нових, ресурсосберегаючих технологій на базі новітніх досягнень науки, переробки і використання величезних масивів інформації.

Тому зараз провідним показником зростання цивілізації країни є рівень засобів обчислювальної (електронної) техніки. Одним з головних кількісних виразників швидкості НТП цивілізації є зростання обчислювальних потужностей країни – її інформаційно-інтелектуальна потужність.

1.1.2Переваги, що створюються комп'ютерними системами в техніці

Тенденції розвитку сучасного промислового виробництва характеризуються

підвищенням складності, розширенням номенклатури, скороченням термінів змінюваності і посилюванням вимог до якості виробів.

Тому суспільство відчуває зростаючу потребу в новому вигляді сучасної техніки, яка повинна бути освоєна в стислі терміни, з іншого боку – процес розробки і освоєння сучасної промислової продукції стає все більш трудомістким.

Шлях до дозволу цієї суперечності – створення і постійний розвиток сучасних комп'ютерних технологій проектування і виробництва. Комп'ютеризація промислового виробництва повинна бути державною стратегією підвищення виробництва. Без САПР період освоєння промисловістю структурно-складних зразків техніки стає сумірним з періодом її морального старіння.

Основні переваги комп'ютерних виробничих систем:

-швидке освоєння нової високоекономічної техніки;

-заняття лідируючих позицій на ринках збуту;

-отримання додаткового прибутку;

-підвищення якості продукції, що випускається;

-зниження матеріальних і фінансових витрат;

-підвищення продуктивності праці;

САПР і САП (CAD/CAM/CAE) – зараз головна складова і наукоємка частина будь-якої виробничої діяльності і в їх створення і розвиток зарубіжні фірми направляють основну частину інвестицій.

Найбільші переваги дають крізні комплексні системи автоматизованого проектування і виробництва. При цьому виробництво стає гнучким, здібним до оперативного реагування на запити споживача, прискорюються темпи оновлення виробництва.

Конкурентоспроможність підприємств України на світовому ринку і можливість співпраці в розробці спільно із зарубіжними фірмами електричних машин і електроустаткування визначається вимогами по сертифікації продукції і виробництва на відповідність вимогам міжнародних стандартів.

Сертифікації піддається не тільки продукція, але і методи проектування, вибору і передачі інформації. Все це ув'язується з міжнародними стандартами на технічну документацію, для якої основним середовищем створення, зберігання, обміну і передачі є комп'ютерний простір. Тому багато підприємств, що використовують комп'ютерні технології проектування і виробництва, розробляють власні стандарти.

Розвиток САПР визначається міжнародними стандартами по всьому життєвому циклу: у проектуванні, виробництві, експлуатації, утилізації, уявленні і обміні даними (CALS-технології).

1.1.3Основні напрями і сфери використання САПР

1.Створення знарядь праці нового типа шляхом синтезу механізмів і електронних пристроїв, що управляють, – механотроніка.

2.Автоматизація виробничих технологій, їх регулювання без участі людини

– технотроніка.

3. Автоматизація (у допустимих межах) невиробничих соціально-комунікативних процесів і технологій – інформатика.

«Технологічна гонка» у всьому сучасному світі йде перш за все в цих областях, оскільки в них як би концентруються досягнення НТР.

Складність заходів щодо підвищення продуктивності праці в сучасних умовах темпів НТР, що все прискорюються, полягає в тому, що вони повинні бути комплексними (системними), тобто обов'язково повинні враховувати комплекс супутніх чинників – необхідність трудосбереження, енергозбереження, ресурсозберігання, фондосбереження і в теж час радикально підвищувати якість продукції.

Досвід найбільш розвинених країн показує, що це комплексне завдання може бути вирішене тільки на основі широкого використання сучасних інформаційних систем і САПР.

Таким чином, поєднання сучасних технологій з електронікою породжує нову якість створюваного устаткування, машин, перетворювачів.

Вершиною автоматизації в сучасних умовах вважається гнучке автоматизоване виробництво (ГАП) з двох або більшого числа взаємоз’єднаних гнучких комплексів. У ГАП реалізована повна автоматизація інженерної праці на всіх рівнях. Разом з гнучкістю таке виробництво набуває високої ефективності і економічності.

У найбільш розвинених країнах позначилося тенденція кібернетизації матеріального виробництва шляхом інтеграції механотроніки, технотроніки, інформатики в один комплексний напрям – телематику.

Сполучаючи повністю автоматизовані лінії і ділянки, телематика перетворить їх в абсолютно нову форму організації виробництва.

Термін «Телематика» – складеної з термінів «Телекомунікації» і «Інформатика». Позначає надскладні кібернетичні комплекси у виробництві, «ядром» яких виступають інформаційно-переробляючі і телекомунікаційні системи. (Програма «Телематик» - Франція).

Гігантські резерви пам'яті і швидкодії ЕОМ дозволяють переробляти величезні потоки інформації і використовувати інформацію, яка проявляє закономірності складних процесів в природі і суспільстві. Тим самим безмежно розширюється інформаційна сфера дослідження і проектування. І хоча в основі нових ідей і узагальнень в науці лежить талант дослідника, його розум і інтуїція, глибина мислення, все велику роль в народженні нових ідей грає об'єм матеріалів, масиви даних, глибина і швидкість їх обробки. Тому комп'ютеризація відкриває нові горизонти в якісному розвитку ідейного потенціалу науки і техніки.

Автоматизація досліджень, експериментів і проектування на базі впровадження комп'ютерної техніки – одна з основних тенденцій сучасного НТП. Інструментом, що забезпечує вищий технічний рівень і ефективність створюваних їм машин і іншого устаткування, служать САПР і САУПП.

Це підтверджується і досвідом електротехнічної промисловості, де функціонують високоефективні САПР ПЕКЛО, САПР ТОН, крупних електромашин, САПР ТТ і т.д.

При цьому підвищується і роль людини, як особи приймаючого і оцінюючого рішення.

1.2 Основні поняття в САПР

Системою називається взаємодіючий набір елементів, який забезпечує виконання цією системою заданих функцій. Або: під системою S розуміють цілеспрямовану безліч взаємозв'язаних предметів будь-якої природи.

Зовнішнє середовище E – безліч існуючих поза системою елементів будьякої природи, що роблять вплив на систему, що знаходиться під її дією.

Структура системи – сукупність зв'язків між її елементами, що відображає їх взаємодію.

Структура системи може вивчатися:

-ззовні, з позиції складу окремих підсистем і відносин між ними;

-зсередини, коли аналізуються окремі властивості, тобто коли вивчаються функції системи.

Системний підхід – реалізується на основі дедуктивного принципу від загального до приватного, коли в основі його лежить мета. Причому досліджуваний об'єкт виділяється з навколишнього середовища.

У САПР системний підхід застосовується як об'єкту проектування, так і до суб'єкта проектування.

Оскільки електромеханічні об'єкти є достатньо складними системами, то САПР електричних машин – система проектування систем.

Автоматизоване проектування (АП) – проектування за участю людини (по ГОСТ 22487-77): систематичне використання ЕОМ в процесі проектування при науково-обгрунтованому розподілі функцій між проектувальником і ЕОМ і при науково-обгрунтованому виборі методів машинного рішення задач. Проектування

–процес створення опису, необхідного і достатнього для реалізації (побудови, здійснення) в заданих умовах ще не існуючого об'єкту на основі первинного опису цього об'єкту – технічного завдання.

Процесу проектування властива суперечність, яка лежить в його основі і тому неспростовно: проектування системи вимагає інформації про поведінку, характеристики і властивості системи, яку ще треба створити, раніше, чим вона створена. Таку інформацію ніде одержати, а не маючи її, не можна створити систему.

Це викликає необхідність підходити до рішення задачі проектування обхідними шляхами: методами проб і помилок.

Тому основний алгоритм проектування (у тому числі і автоматизованого) повинен бути таким:

1. Придумати якийсь варіант технічної системи. Це виконують проектувальники з ЕОМ в ролі «підказчика».

2. Аналіз за допомогою ЕОМ запропонованої на першому кроці системи.

3. На основі порівняння даних, одержаних на другому кроці, з технічним завданням, прийняти розглянутий варіант системи або відкинути його і повернутися до кроку 1.

Вислів ідей, формування гіпотез, оцінка – все, що вимагає не формального, а творчого підходу – залишається за людиною. Рутинна, «менш творча» робота залишається за ЕОМ.

В той же час виникає питання, що ж є предметом праці проектувальника, над чим він безпосередньо працює? Об'єкт проектування? Він може його навіть ніколи не побачити у виготовленому вигляді.

1.3Основні принципи проектування

Проектування таких складних об'єктів як електромеханічні можливо тільки при використанні таких принципів як декомпозиція, ієрархічність описів об'єктів, багатоетапність, і ітераціонність процесу проектування.

Чим це викликано?

Опис технічних об'єктів (ММ) по складності повинен бути узгоджений з можливостями сприйняття людиною і можливостями операції цими описами в процесі їх перетворення за допомогою наявних засобів проектування.

Для складних об'єктів це можливо тільки при розчленовуванні ММ описів на ієрархічні рівні, аспекти і реалізації блоково-ієрархічного принципу проектування.

На кожному з ієрархічних рівнів реалізується певний ступінь абстрагування опису.

На верхньому (вищому) рівні проектований складний об'єкт розглядається як система S з n взаємозв'язаних і взаємодіючих елементів Si. Кожний з елементів цього рівня (i=1,2.n) також є складним об'єктом, який розглядається як система Si на рівні 2 з елементами Sij (j = i, mi). Аналогічно виконується розділення аж до отримання на деякому рівні базових елементів, які не підлягають подальшому діленню.

ОТЖЕ:

Принцип ієрархічності означає структуризацію опису об'єкту проектування (ОП) по ступеню деталізації опису.

Принцип декомпозиції (блоковості) – означає розбиття описів кожного рівня на ряд частин (блоків) і можливість роздільного (по блокового) проектування цих частин.

Аспекти описів утворюються на основі декомпозиції описів властивостей об'єктів, що по характеру відображаються .

Аспекти описів звичайно відносяться до функціонального, конструкторського і технологічного проектування.

Функціональний аспект – відображення основних принципів функціонування, характеру фізичних і інформаційних процесів в об'єкті виражається в принципових, функціональних, структурних кінематичних схемах і їх описах.

Конструктивний аспект – реалізація результатів функціонального проектування, тобто з визначенням геометричних форм об'єктів і їх взаємного розташування в просторі.

Технологічний аспект – реалізація результатів конструкторського проектування, тобто цей опис методів і засобів виготовлення об'єктів.

Сам процес проектування, як процес, що розвивається в часі, прийнято ділити на наступні компоненти:

1.Стадії

2.Етапи

Визначення складових елементів процесу проектування стандартизовані таким чином.

Проектна процедура (ПП) – формалізована сукупність дій, виконання яких закінчується проектним рішенням (розрахунок параметрів, вибір типової конструкції електричної машини, оформлення креслення і т.д.)

Проектне рішення (ПР) – проміжний або кінцевий опис об'єкту проектування, необхідний і достатній для розгляду і визначення подальшого напряму або закінчення проектування. Проектна процедура виконується за допомогою проектних операцій.

Проектна операція (ПО) – дія або формалізована сукупність дій, що становлять частину проектної процедури, алгоритм якої залишається незмінним для ряду проектних процедур. (Це рішення систем рівнянь, розрахунок значення критерію і т.д.)

Для проектування об'єктів електромеханіки, яке виконується відповідно до дедуктивного принципу, характерний 2 етапи проектування:

1.зовнішнього проектування

2.внутрішнього проектування.

Зовнішнє проектування – це розробка технічного завдання (ТЗ), в якому повинен бути облік сучасного стану техніки, матеріалів, технології, економічних чинників. Виконується звичайно групою експертів. Оцінка здійснимості розробленого ТЗ і коректування виконуються за допомогою проектних процедур внутрішнього проектування.

Внутрішнє проектування - проектування об'єкту по розробленому ТЗ. На початкових стадіях проектування складної системи використовується ітераційний процес почергового виконання процедур зовнішнього і внутрішнього проектування.

1.4 Опис проектованих об'єктів і види їх параметрів

Остаточний опис проектованого об'єкту – проект – є повним комплектом схемної, конструкторської і технологічної документації, оформленої відповідно до стандартів і призначеної для використання в процесі виготовлення і експлуатації об'єкту.

Проте, для проміжних вирішень, використовуваних власне при проектуванні (об'єкт праці проектувальника) найважливіше значення мають математичні моделі (ММ) об'єктів, оскільки при АП виконання проектних процедур засноване на операції Мм.

Математична модель (ММ) технічного об'єкту – система математичних об'єктів (чисел, змінних, матриць, множин) і відносин між ними, що відображає певні властивості цього об'єкту, звичайно це властивості, істотні з позицій проектувальника.