Лекции по системам автоматизированного проектирования

САПР – система автоматизированного проектирования.

Дисциплина САПР является специальным курсом, в результате изучения которого Вы

должны знать:

1) Структуру и классификацию САПР.

2) Виды обеспечения САПР.

3) Взаимосвязь САПР с системами технологического проектирования и другими системами автоматизации, применяемыми на крупных строительных предприятиях.

4) Вопросы информационной поддержки жизненного цикла промышленных изделий.

5) Современные требования, предъявляемые и САПР.

На лабораторных занятиях студенты должны ознакомиться с реальным программным обеспечением для проектирования изделий машиностроения и получить новые навыки моделирования с деталей.

Принципы создания САПР.

Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще несуществующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритмы его функционирования. Проектирование включает в себе комплекс работ по изменению, исследованию, расчетам и конструированию, имеющих целью получение описания предмета проектирования, необходимого и достаточного для создания нового изделия.

Под автоматизацией проектирования понимается такой способ выполнения процесса разработки проекта, когда проектные процедуры и операции осуществляются разработчиком изделия при тесном взаимодействии с ЭВМ.

САПР – комплекс средств автоматизации, взаимосвязанный с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователей системы), выполняющих автоматизированное проектирование.

САПР объединяет технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования.

Основная функция САПР – выполнение автоматизированного проектирования на всех или на отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей. При создании САПР и их составных частей руководствуются принципами системного единства, совместимости, типизации и развития.

Принцип системного единства обеспечивает целостность системы и системную «свежесть» проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования в целом (иерархичность проектирования).

Принцип совместимости обеспечивает совместное функционирование составных частей САПР и сохраняет открытую систему в целом.

Принцип типизации ориентирует на преимущественное создание и использование типовых и унифицированных элементов САПР. Типизации подлежат элементы, имеющие перспективу многократного применения.

Принцип развития обеспечивает пополнение, совершенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с автоматизированными система различного уровня и функционального назначения.

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а ее внедрение требует значительных капиталовложений. Накопленный опыт позволяет выделить следующие основание особенностей их построения:

1.САПР – человеко-машинная система. Все созданные или создаваемые с помощью ЭВМ системы проектирования является автоматизированными. Главную роль в них играет человек – инженер, разрабатывающий конкретный технический проект. Человек решает в САПР, во-первых задачи, форматизация которых к настоящему времени не достигнута, и во-вторых, 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.

2.САПР – иерархическая система. Она реализует комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Блочно-иерархический подход к проектированию сохраняется при применении САПР.

3.САПР – совокупность информационно-согласованных подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство последовательностей задач проектирования обслуживаются информационно согласованными прогрессам. Две программы являются информационно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой.

4.САПР – открытая и развивающая система. Разработки такого сложного объекта, как САПР, занимает продолжительное время и экономически выгодно вводить в эксплуатацию части систем по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т.е. обладать свойством удобства включения новых программных модулей и технических средств.

5.САПР – специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей. Необходимое условие унификации - поиск общих положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов.

Структура и классификация САПР.

Структурными составными частями САПР являются подсистемы, в которых решается функционально законченная последовательность задач. Подсистемы САПР часто бывают жестко связаны с организационной структурной проектной организации. По назначению подсистемы разделяют на проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы. Они имеют объектную ориентацию и реализуют определенную стадию проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач. Примеры проектирующих подсистем: эскизное проектирование изделий, проектирование технологических процессов механической обработки. Обслуживающие подсистемы. Такие подсистемы имеют обще-системное применение и обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и вывод полученных в них результатов. Примеры обслуживающих подсистем: автоматизированный банк данных, подсистемы документирования, подсистемы графического ввода-вывода.

Системное единство САПР обеспечивается наличием комплекса взаимосвязанных моделей, которые определяют объект проектирования в целом, а также комплексом системных интерфейсов, которые осуществляют указанную взаимосвязь. Системное единство внутри проектирующих подсистем обеспечивается наличием единой информационной модели той части объекта, проектное решение по которой должно быть получено в данной подсистеме.

Виды комплексов средств.

Программно-методический комплекс (ПМК) представляет собой взаимосвязанную совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечений, необходимую для получения законченного проектного решения по объекту проектирования или выполнения унифицированных процедур.

В зависимости от ПМК подразделяют на общесистемные, базовые (в том числе проблемно-ориентированные) и объектно-ориентированные.

Программно-технический комплекс (ПТК) представляет собой взаимосвязанную совокупность ПМК с комплексами и (или) компонентами технического обеспечения.

В зависимости от назначения ПТК различают: автоматизированные рабочие места (АРМ), центральные вычислительные компоненты (ЦВК). Комплексы средств могут объединять свои вычислительные и информационные ресурсы, образуя локальные вычислительные сети подсистем или систем в целом.

Классификация систем.

САПР характеризуют следующие признаки тип, разновидность, сложность объекта проектирования; уровень, комплектность автоматизации проектирования; характер, число выпускаемых проектных документов, число уровней в структурах технического обеспечения САПР.

Первые три принципа отображают особенности объектов проектирования, следующие четыре возможности систем, восьмой принцип – особенности технической базы САПР.

Тип объекта проектирования.

Отечественный стандарт предусматривает девять групп САПР:

1. изделий машиностроения

2. изделий приборостроения

3. технологических процессов в машиностроении и приборостроении

4. объектов строительства

5. технологических процессов в строительстве

6. программных изделий

7. организационных систем.

Группы 8 и 9 являются резервными и предназначены для выделения и кодирования САПР, не относящихся к перечисленным группам.

Разновидности объектов проектирования.

Стандарт не устанавливает специальных обозначений на объект проектирования, а требует их указания и кодирования в соответствии с действующими в каждой отрасли промышленности системами обозначения документации на объекты, проектируемые системой.

Сложность объекта проектирования.

Выделяют САПР:

1. простых объектов с числом составных частей до 100

2. объектов средней сложности с числом составных частей от 100 до 1000

3. сложных объектов от1000 до 10000

4. очень сложных объектов от 10000 до 1000000

5. объектов высокой сложности более 1000000

Составной частью объекта проектирования представляющего собой технический комплекс, сооружение или изделие, является деталь. Если объектом проектирования является технологический процесс, то существуют два подхода при выделении составных частей объекта проектирования. Один подход основан на разделении технологического процесса на элементарные технологические операции, другой на разделение объекта на части условно в соответствии с номенклатурой выпускаемой технологической документации.

Уровень автоматизации проектирования.

Выделяют системы проектирования:

1. низкоавтоматизированные до 25% проектируемых процедур

2. среднеавтоматизированные – автоматизируются до25%-50% пректных процедур

3. высокоавтоматизированные – автоматизируются свыше 50% проектных процедур.

Комплексность автоматизации проектирования.

Различают САПР:

1. одноэтапные

2. многоэтапные

3. комплексные

Если система автоматизации охватывает один из этапов проектирования соответствующего объекта, то ее отдают к первой группе. Под комплексной САПР подразумевается система с автоматизацией всех этапов проектирования.

Характер выпускаемых проектных документов.

Отечественным стандартом установлено пять классификационных групп САПР, выпускающих документы:

1. на бумажной ленте и/или на листе

2. на магнитных носителях

3. на фото носителях

4. комбинированные выполняют документы на двух носителях данных в боксе

5. резервная группа

Число выпускаемых проектных документов.

1. САПР малой производительности: число проектных документов в год в пересчете на формат А4 равно меньше 100000

2. САПР средней производительности от 100000 до1000000

3. САПР высокой производительности более 1000000

Число уровней в структуре технического обеспечения.

Выделяют САПР одно-, двух-, трехуровневые. Основу одноуровнего комплекса технических средств (КТС) составляют ЭВМ среднего или высокого класса, в которой выполняется программная обработка данных и осуществляется их хранение и штатный набор периферийных устройств. При использовании машин мини ЭВМ такой КТС называют автоматизированным рабочим местом. В одноуровневых САПР используется единая система мониторная система, база данных и пакеты прикладных программ ориентированные на основные ЭВМ комплекса. В качестве основных ЭВМ в одноуровневых САПР персональные компьютеры и рабочие станции средней производительности. Терминальные персональные компьютеры, программно совместимые с высокопроизводительной рабочей станцией, служат либо для подготовки данных к решению на основной ЭВМ, либо для решения простых задач с помощью тех же программных и информационных средств. Возможности одноуровневых САПР ограничены. Поэтому в САПР крупных предприятий стремятся использовать рабочие станции предельной производительности. Один из уровней САПР образует одна или несколько ЭВМ. Этот уровень называется центральным вычислительным комплексом (ЦВК). В ЦВК САПР используются современные высокопроизводительные ЭВМ, а также массово-параллельные системы, построенные на базе стандартных серийно выпускаемых компонентов. Они эффективно выполняют функции программной обработки данных при выполнении наиболее сложных программных процедур, требующих огромных вычислительных ресурсов. Для эффективной связи пользователя с САПР и решения большого количества менее сложных задач целесообразно иметь в САПР второй уровень, называемый интерактивно-графическим комплексом (ИГК). На каждом уровне ЦВК и ИГК имеются свои пакеты прикладных программ для выполнения сходных по содержанию проектных процедур, но ориентированных на различные размерности задач.

Двухуровневая САПР может иметь радиальную и кольцевую структуру. Последняя соответствует объединению АРМ в кольцевую вычислительную сеть. В такой САПР мониторная система и база данных распределены по узлам Вычислительной сети.

Трехуровневый САПР помимо технических средств двухуровневой системы должна включать периферийное программно-управляемое оборудование, например, чертежные автоматы, установки для изготовления фотошаблонов, комплекс и для контроля программы к станкам с ЧПУ и тд.

Место САПР в интегрированных системах проектирования, производстве и эксплуатации.

Взаимодействие САПР с другими автоматизированными системами. Современная САПР включает в себя несколько тесно связанных друг с другом компонентов: собственные средства проектирования (САD), средства инженерного анализа (САЕ), средства автоматизированного производства (САМ), средства автоматизированных испытаний (САТ) и средства управления проектом (РDМ). В условиях реального производства все виды систем автоматизации (СА) в той или иной степени должны взаимодействовать друг с другом, а САПР непосредственно с автоматизированными системами научных исследований (АСНИ); автоматизированными системами технологической подготовки производства (АСТПП), автоматизированными системами управления производства (АСУП). Взаимодействия систем осуществляется путем обмена информацией, представленной в виде обычных документов и в машинных кодах.

Системная интеграция разработки производства изделий на основе единых математических моделей позволяет в рамках крупных предприятий объединить АСНИ, САПР, автоматизированные технологические комплексы и общий банк АСУП в интегрированную гибкую производственную систему (ГПС). Это дает в ряде случаев обходится без выпуска традиционной проектно-конструкторской документации, то есть результаты проектирования, получаемые в САПР, будут использоваться непосредственно при составлении управляющих программ для станков с ЧПУ и роботами для изготовления деталей и сборочных единиц.

Структура универсальных систем CAD/CAM/CAE

История развития систем автоматизации можно достаточно условно разбить на три десятилетия. В 70-х годах прошлого века были получены отдельные результаты, показывшие что область проектирования в принципе поддается компьютеризации; 80-х годах появились массовые системы и базовые программы продукты для них; 90-е годы можно охарактеризовать как период зрелости, когда были осознаны многие реальные задачи практики, исправлены некоторые из допущенных ошибок, и CAD-системы, наконец, реально стали демонстрировать свою эффективность в высокотехнологических производствах. Но эволюция CAD оказалась процессом гораздо более медленным, чем ожидалось. Следует признать, что трудности развития CAD-систем во многом объективны. Прежде всего-это «тяжелое приложение» успех которого зависит от наличия самой мощной и разнообразной компьютерной техники, программного обеспечения, правильной организации деятельности крупных коллективов, различных специалистов и их обучаемости. Реальным рычагом расслоения стала стоимость CAD-системы. В первый период затраты на программы этого типа доходили до 150000$ за рабочее место. С появлением персональных компьютеров и новых программ для них цена опустилась до 5000$ за рабочее место. Поставщики не могли смириться с уменьшением прибыли, расширяя функциональные возможности, они подняли цену CAD существенно выше 100000$, в то время как стоимость компьютеров, способных поддерживать такие системы, упали с 4000$ до 2000$, однако на рынок повело наступление большое количество легких систем isiCAD стоимостью 2000$, ставшей первой CAD-системой для Windows CAD Key(495$),VisualCADD(395$),AutoCADLT(459$) и ряд других. Реальное давление оказали и программы рисования, в которых появились многие средства, характерные для систем автоматизации проектирования. Так, в пакете Corel Draw появились понятия слоя, ассоциативные размеры и атрибуты. Сегодня для пользователей CAD начального уровня очень многие поставщики производят легкие системы, имеющие сокращенный набор функций.

В результате сложились три уровня CAD-системы:

1) начального уровня с ценой до 1000$, выполняемых на обычных ПК;

2) среднего уровня (цена до 8000$), требующих ПК старшего класса со специальным графическим оборудованием или младших моделей рабочих станций;

3) старшего уровня, которые обычно работают на рабочих станциях и графических серверах RISK/Unix/NT и Windows.

Исторически сложилось, что CAD создавались производителями полностью от начала до конца, включая управление памятью, драйверы устройств, интерфейс с пользователем, интерпретаторы для инструментальных языков. В результате ни один продукт до сих пор не имеет интерфейса полностью в стиле Windows, хотя все и стремятся приблизиться к этому. Строчный командный интерфейс сохранился, и все еще остается необходимым, во многих случаях быстрее использовать именно его.

Недостатки в организации современного программного обеспечения CAD:

- ограниченная открытость для расширений

- трудность настройки на национальные стандарты

- плохая модульность

Системы старшего класса.

Наиболее известные программные комплексы в классе систем старшего уровня:

- I/EMS(Intergraph)

- CATIA (IBM)

- Pro/ Engineer(Parametric Technology)

- EDS Uniqraphics

- CADDS5(Computervision)

- PE/Solid Designer(Hewlett-Puckard)

- Euclid (Matra Divizion)

Интеграция всех этапов создания изделия.

Так как интеграция всего цикла создания изделия (от проектирования к анализу и подготовке производства) постепенно получает реальное воплощения в программном обеспечении CAD-систем, то перечисленные программные продукты следует отнести к интегрированным системам CAD/CAM/CAE и PDM.

CAE-Computer Aided Engineering, PDM-Product Data Management управление данными об изделии или Project Data Management управление данными проекта. В русском языке приведенным терминам соответствует „управление составом изделия”. Задачу интеграции поставила на первое место компания Parametric Technology(PTC), изначально сделав в своем продукте Pro/Engineer (1988г) ставку на полную ассоциативность всех видов данных об изделии на основе единой структуры базы данных.

Типичный для сегодняшнего высокотехнологического производства проект чаще всего охватывает „расширенное предприятие”, в котором сотрудничает разработчики, поставщики, производители и заказчики. Предполагается замещение „компонентно-центрического” последовательного проектирования на „изделие-центрический” процесс, выполняемый проектно-произдственными бригадами, работающими совместно в параллельно-согласованной среде.

Поскольку многие из участников проекта и поставщики могут находиться в разных странах, становиться понятно, что для обеспечения такой деятельности кроме ПК и локальной сети требуются мощные сетевые серверы, высоко-производительные графические рабочие станции и глобальная компьютерная сеть Internet.

Интеграция всех этапов создания изделия, пожалуй, самый революционный прорыв в CAD –технологиях, который позволяют существенно сократить время на разработку, одновременно повысив качество. На чем же она основывается?

В основе лежит объектно-центрический подход на основе пространственной, как правило, твердотельный модели изделия. Такая модель наиболее прочно и наглядно представляет проектируемое изделие, и в нее может быть включена вся существенная информация.

Современные версии CAE-систем (GFEM, NASTRAN, ANSYS, Euclid Analyst) непосредственно воспринимают на входе геометрию твердого тела, автоматически генерируя конечно-элементарную сетку, производят на ней расчет и наносят результаты на 3D-модель. Анализ может заключаться в расчете простейших физических характеристик: веса детали, момента инерции или в выполнении более сложных видов исследований, включая прочностной, типовой, вибрационный, кинематический и динамический анализ. Кроме того производится имитация таких производственных процедур как литье и охлаждение. Для визуальной оценки динамики заполнения шаблонов и состояния пропускающих каналов строится мультипликация, которая помогает обнаружить некорректные участки на сварных швах и линии „сплавления” в полости детали. Моделирования механообработки позволяет оценить качество детали с точки зрения усадки и деформации (коробления, перекоса, искривления).

Несмотря безусловный прогресс, системы инженерного анализа все же не лишены недостатков. В частности основной применяемый в них метод конечных элементов требует наличие у пользователя специальной подготовки и квалификации расчетчика для гарантии достоверности результатов.

Недавно со стороны ANSYS были предприняты новые попытки улучшения ситуации в новом приложении Auto FEA 3D Validation. Нельзя не вспомнить об успехе советской науки: в Минском университете был разработан новый математический подход, обходящийся без сетки конечных элементов. Исследовательские работы были начаты в 1981 г. Результаты были переданы компании Rand Technologies, которая выпустила продукт Procisions для пакета Pro/Engineer.

Сегодня в качестве средства оценки изделия широкое распространение получило быстрое прототипирование-создание прототипа реальной детали или изделия на специальной литьевой машине из ABS пластика (Rapid Prototype). На вход системы подается STL-файлы, генерируемые по 3D-моделям.

Наконец, твердотельная модель открывает уникальные возможности для подготовки производства, достигнуто пятикратное улучшение в точности обработки поверхностей и в 4-6 раз сокращено время программирования для станков ЧПУ. Повышение качества изделия требует создания высокоточных траекторий инструментов, а для этого нужно генерировать гораздо большие объёмы данных, поскольку режущему инструменту при этом необходимо сделать как можно больше проходов по каждой траектории. Например, чтобы создать программу для ЧПУ при изготовлении типовой головки блока цилиндров, требуется работа 3-4 специалистов в течение, примерно, пяти месяцев, при этом генерируется около миллиона точек. Автоматическая генерация из твердотельной модели с помощью САМ - системы выполняется всего за полчаса, при этом учитывается два с половиной миллиона точек и достигается высота гребешков 0,0025 мм, при промышленном стандарте в 0,0127 мм.