Основные сведения о системах автоматизированного проектирования

4.1.Основные термины и определения.

Приведем основные термины и определения, используемые в области автоматизированного проектирования, без которых дальнейшее изложение материала не представляется возможным.

Автоматизированное проектирование – это проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ .

Под описанием объекта понимают:

1) в случае, если объектом является материал, предмет или система, – описание заданных свойств и (или) характеристик объекта, включая описание взаимодействия между его частями и взаимодействие объекта с внешней средой и описание его функционирования;

2) в случае, если объектом является процесс, – описание результата процесса и заданных характеристик его выполнения во времени и пространстве.

В промежуточные описания объектов могут быть включены математические и физические модели.

В преобразование описаний могут быть включены эквивалентные преобразования и преобразования, связанные с вводом новых сведений (параметров, характеристик и т.п.).

Технические устройства, позволяющие осуществлять автоматизированное проектирование, это – ЭВМ, их периферийные устройства и другие технические средства. Автоматизированное проектирование осуществляют в режиме диалога человека с машиной на основе применения специальных языков общения человека с машиной.

Система автоматизированного проектирования- это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователями системы).

Комплекс средств автоматизации проектирования – это совокупность различных видов обеспечения, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Операционная система автоматизированного проектирования – это часть программного обеспечения, предназначенная для управления проектированием.

Интегрированная система автоматизированного проектирования – это система автоматизированного проектирования, имеющая альтернативное программное обеспечение и операционную систему, позволяющую выбирать совокупность машинных программ применительно к заданному объекту проектирования или классу объектов проектирования.

Техническое обеспечение САПР – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

Математическое обеспечение – это совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования, представленных в заданной форме.

Информационное обеспечение – это совокупность сведений, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования, представленных в заданной форме.

Программное обеспечение – это совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования, представленных в заданной форме.

Лингвистическое обеспечение – это совокупность языков, предназначенных для представления и преобразования описаний объекта, включающая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, представленных в заданной форме.

Методическое обеспечение – это совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения автоматизированного проектирования. Под отбором средств обеспечения понимают выбор разработчиком необходимой совокупности средств для проектирования заданного объекта или класса объектов.

Организационное обеспечение - это совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и её подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.

В последнее время выделяют также интеллектуальное обеспечение – совокупность средств искусственного интеллекта, позволяющих решать трудно формализуемые задачи проектирования.

4. 2. Состав и структура САПР.

САПР является сложной организационно-технической системой, которая состоит из основных структурных звеньев - подсистем.

Каждая подсистема САПР объединяет ряд компонентов – видов обеспечения в соответствии с её предназначением. Различают объектно-ориентированные (объектные) и объектно-независимые (инвариантные) подсистемы САПР. Инвариантные подсистемы служат базой для разработки объектных подсистем: необходимые компоненты видов обеспечения инвариантных подсистем наполняются «объектным» содержанием и включаются в состав соответствующих объектных подсистем. Таким образом, создаются отраслевые САПР. Отраслевые САПР ориентированы на специфику своего производства, учитывают все нюансы производственных процессов. Такие системы должны быть достаточно гибки и перестраиваемы под новые, еще не внедренные технологии. К объектным подсистемам следует относить 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 приёмов.

Таким образом, объектная и инвариантная подсистемы САПР состоят из следующих видов обеспечения: технического, математического, программного, информационного, лингвистического, методического, организационного, интеллектуального.

Структурная схема САПР, включающая все представленные выше компоненты и изображенная на рис. 4.1, имеет вид:

Система автоматизированного проектирования

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №1 - открытая онлайн библиотека

Объектные подсистемы Инвариантные подсистемы
Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №2 - открытая онлайн библиотека
Инвариантные подсистемы

           
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №3 - открытая онлайн библиотека
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №4 - открытая онлайн библиотека
 
   
Спец. анализ и моделирование
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №5 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №6 - открытая онлайн библиотека

       
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №7 - открытая онлайн библиотека
 
Конструирование
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №8 - открытая онлайн библиотека

Конструирование систем управления

Поиск проектных решений
Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №9 - открытая онлайн библиотека

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №8 - открытая онлайн библиотека

Обмен данными

       
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №11 - открытая онлайн библиотека
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №12 - открытая онлайн библиотека
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №13 - открытая онлайн библиотека

Интеграция с СУБД

Спец. операции – фичерсы*)
Подготовка и выпуск документации

       
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №4 - открытая онлайн библиотека
 
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №15 - открытая онлайн библиотека

Управление проектированием

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №16 - открытая онлайн библиотека

Виды обеспечения САПР    

 
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №17 - открытая онлайн библиотека

Информационное обеспечение

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №18 - открытая онлайн библиотека

Техническое обеспечение

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №19 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №20 - открытая онлайн библиотека

С У Б Д

               
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №21 - открытая онлайн библиотека
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №22 - открытая онлайн библиотека
 
   
Системный блок
     
Исходные и результирующие данные
 
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №23 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №24 - открытая онлайн библиотека

       
 
Периферийные устройства
   
Нормативно-справочная информация
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №13 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №26 - открытая онлайн библиотека

       
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №27 - открытая онлайн библиотека
 
Вспомогательное обо- рудование
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №28 - открытая онлайн библиотека

Лингвистическое обеспечение

       
 
Сетевое оборудование
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №29 - открытая онлайн библиотека
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №30 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №31 - открытая онлайн библиотека

Языки ввода - вывода информации

Математическое обеспечение
Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №32 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №33 - открытая онлайн библиотека

           
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №34 - открытая онлайн библиотека
 
   
Проблемно-ориентированные языки
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №35 - открытая онлайн библиотека
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №36 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №37 - открытая онлайн библиотека

Мат. методы и модели

Языки связи с СУБД

       
 
Формализованная технология автоматизированного проектирования
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №13 - открытая онлайн библиотека
 

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №21 - открытая онлайн библиотека

Методическое обеспечение

       
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №40 - открытая онлайн библиотека
 
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №41 - открытая онлайн библиотека

Программное обеспечение
Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №42 - открытая онлайн библиотека
Регламент эксплуатации САПР

       
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №43 - открытая онлайн библиотека
 
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №44 - открытая онлайн библиотека

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №45 - открытая онлайн библиотека

Общесистемное
Организационное обеспечение

Прикладное
Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №46 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №47 - открытая онлайн библиотека

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №48 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №12 - открытая онлайн библиотека

Должностные обязанности

 
 
Регламент организац. структур


Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №50 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №51 - открытая онлайн библиотека
Регламент взаимодействия
Интеллектуальное обеспечение

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №23 - открытая онлайн библиотека

Рис. 4.1

______________________

*) Фичерсы – объектно-ориентированные конструкторские операции, изменяющие объект проектирования

(например, добавление отверстия, снятие фаски и т.д.).

4. 3. Техническое обеспечение САПР.

В комплекс технических средств САПР входят устройства, которые обеспечивают преобразование и хранение различной информации, ввод и вывод данных в ходе процесса проектирования, диалог конструктора с системой.

К числу этих устройств относятся:

- системный блок компьютера, включающий системную плату, один или несколько процессоров, оперативную память и видеопамять;

- внутренние и внешние запоминающие устройства – накопители на магнитных дисках, лентах, магнитооптических и оптических дисках, гибких магнитных дисках;

- устройства ввода-вывода информации, принтеры, плоттеры, сканеры, видеокамеры;

- устройства оперативной связи с компьютером - мониторы, устройства аудио и видео ввода-вывода;

- устройства связи с техническим оборудованием (периферией);

- устройства компьютерной графики;

- сетевое оборудование – для связи компьютеров и обеспечения коллективной работы.

Для САПР характерно широкое использование и разнообразие устройств компьютерной графики:

- графические мониторы;

- устройства управления курсором;

- устройства оцифровки графической информации;

- устройства вывода графической информации;

- графические ускорители.

Графические мониторы, клавиатура и устройства управления курсором принципиально не отличаются от аналогичных устройств, используемых в других вычислительных системах.

Ниже рассмотрим устройства, применяемые, как правило, в САПР.

Наряду с алфавитно-цифровой клавиатурой широко применяется функциональная клавиатура, каждая клавиша которой запрограммирована для выполнения одной или нескольких конструкторских операций.

К устройствам оцифровки графической информации относятся оцифрователи и планшеты. Оцифрователь позволяет вводить графическую информацию в оцифрованном виде, то есть в виде набора координат соответствующих точек изображения. Это некий аналог чертежной доски, координаты точек которой определяются компьютером по положению специального устройства указания. Аналогичен по принципу действия и графический планшет. При перемещении указателя планшета точки его поверхности полностью отслеживаются на экране монитора. Как правило, на планшетах располагают функциональные клавиши.

Для вывода графической информации и получения «твердых копий» изображений проектируемого объекта используются плоттеры.

В основе функционирования плоттера лежит одна из шести применяемых технологий:

- перьевая (Pen Plotter);

- струйная (Ink - Jet Plotter);

- электростатическая (Electrostatic Plotter);

- термотехнология (Thermal Transfer Plotter);

- лазерная (Laser / LED Plotter);

- технология прямого вывода изображения (Direct Imaging Plotter).

Перьевые плоттеры представляют собой электромеханические устройства векторного типа, которые создают изображения с помощью пишущих элементов – перьев. Перо крепится в держателе пишущего узла, который имеет одну или две степени свободы. Применяются самые разнообразные перья: одноразовые и многоразовые, шариковые, фибровые, пластиковые, с цветными чернилами на водной и масляной основе, карандашно-грифельные. Существует два типа перьевых плоттеров: рулонные и планшетные. В рулонных плоттерах перо перемещается вдоль одной из осей координат, а бумага – вдоль другой; в планшетных - бумага неподвижна, а перо перемещается по всей плоскости изображения. Перемещения выполняются с помощью пошаговых или линейных электродвигателей.

Струйная печать – процесс получения изображения, при котором элементы изображения создаются капельками чернил, вылетающими из сопла. Технология «пузырьковой» струйной печати предусматривает направленное распыление капелек чернил на бумагу с помощью мельчайших сопел печатающей головки. В стенку сопла встроен нагревательный элемент. При подаче электрического импульса температура резко возрастает за 7-10 мкс. Практически все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом, мгновенно испаряются. Под действием избыточного давления капелька чернил "выстреливается" из сопла. После "выстрела" чернильный пар конденсируется, пузырек лопается и в сопле образуется зона пониженного давления, благодаря чему в сопло всасывается новая порция чернил.

В электростатических плоттерах используют жидкие красители. В качестве носителя изображения используется специальная электростатическая бумага, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика, а основа пропитана гидрофильными солями. Записывающие головки создают рельеф изображения путем осаждения на поверхность диэлектрика свободных зарядов. Когда бумага проходит через проявляющий узел с гладким намагниченным тонером, его частички осаждаются на заряженных участках бумаги.
В плоттерах прямого вывода изображение создается массивом миниатюрных нагревателей. Когда термобумага движется вдоль массива, она меняет цвет в местах нагрева. При термотехнологии, помимо термобумаги (или прозрачной пленки), в плоттере размещается донорский цветоноситель с красящим слоем на восковой основе. Воск в местах нагрева расплавляется, и пигмент остается на листе. За один проход наносится один цвет.

В лазерных плоттерах при помощи точечных полупроводниковых светодиодов создаются заряженные области, которые притягивают сухой тонер. После этого бумага с нанесенным тонером проходит через нагреватель, в результате чего частички тонера запекаются, создавая изображение.

Для работы с очень сложными графическими изображениями, крупными сборками, а также при моделировании динамических процессов используются графические ускорители. К таковым относится, например, графический ускоритель Realizm корпорации Intergraph, обеспечивающий производительность в режиме реального времени без ущерба для качества текстур, разрешения и передачи цвета. Он обеспечивает создание более миллиона освещенных, закрашенных по методу Гуро трехмерных пятидесятипиксельных треугольников в секунду; включает в себя 64 Мб текстурной памяти и буфер кадра до 32 Мб с 24-битным RGB – представлением при разрешении 1824 х 1368.

Наиболее популярные универсальные САПР способны функционировать на одной или нескольких технических платформах. К таковым следует отнести:

- рабочие станции HP Series 700 Workstations (HP –UX);

- Intergraph Clipper (CLIX);

- Sparc (Solaris);

- DEC Alpha AXP PC ( Windows NT);

- SGI Indigo (IRIX);

- IBM RS/6000 (AIX);

- Apple Power Macintosh (System 7).

Наряду с перечисленными графическими рабочими станциями, в области САПР все активнее используются персональные компьютеры на базе процессоров Intel.

Последние по мощности уже приблизились, а в ряде случаев и опередили станции на RISC процессорах, представленные выше, существенно уступая им в цене. По прогнозам, к 2010 году частота процессоров Intel достигнет 1000 МГц. В связи с этим, следует ожидать, что вновь разрабатываемые САПР будут поддерживать платформу персональных компьютеров с процессорами Intel либо обладать свойством переносимости с одной платформы на другую.

Изложенные выше технические средства САПР относятся к классу персональных рабочих станций конструктора. Второй класс технических средств составляют так называемые распределенные (сетевые) комплексы.

Только в сетевых комплексах проявляется главное преимущество современных САПР - возможность совмещения во времени большинства стадий автоматизированного проектирования (так называемое параллельное проектирование – concurrent engineering).

При этом обеспечивается одновременная работа коллектива разных специалистов – конструкторов, расчетчиков, технологов и др. над одним проектом.

Разработка и организация сетей опирается на общие принципы, мало зависящие от специфики проектируемых объектов. Они изложены в специальной литературе по сетевым технологиям.

Приведем лишь три основных концепции создания автоматизированных информационных систем, которые применимы, в частности, и при эксплуатации САПР.

В первом случае, САПР можно представить в виде централизованной структуры, ядром которой является некая служба, ответственная за сбор, обработку и хранение информации, за предоставление доступа к информационным ресурсам.

Пользователи сетевого комплекса (конструкторы, технологи и т. д.), административно состоящие в различных службах или даже организациях, получают доступ к информационным ресурсам по проекту, подчиняясь строго определенному регламенту. При таком подходе все персональные рабочие станции подключаются к выделенному мощному компьютеру (серверу), выполняющему функцию центрального хранилища информации по проекту.

Второй вариант предполагает эксплуатацию децентрализованной САПР. При этой схеме центральный сервер отсутствует, а для хранения информации по проекту применяются несколько связанных серверов локального уровня, территориально располагающихся в различных службах.

Третий подход – гибридная схема САПР. При этом подходе САПР становится двухуровневой, где нижний уровень представлен рабочими группами конструкторов на уровне самостоятельных служб, имеющих свои серверы и отвечающих за наполнение, эксплуатацию и сохранность информации, формируемой данной службой.

Верхний уровень составляет мощный корпоративный сервер, содержащий всю информацию.

Актуальность информации поддерживается посредством механизма репликаций (обновления содержимого базы данных) между серверами верхнего и нижнего уровня.

4. 4. Математическое обеспечение.

Математическое обеспечение состоит из двух частей:

- математические методы и построенные на их основе математические модели объектов проектирования;

- методы и алгоритмы проектных операций и процедур, составляющих формализованное описание технологии автоматизированного проектирования. Этот вид обеспечения САПР наиболее специфичен и полностью зависит от особенностей объекта проектирования.

Математические модели проектируемых объектов включают в себя морфологическое и функциональное описания (см., например, [35]). В свою очередь, морфологическое описание состоит из топологических и геометрических моделей. Топологическая модель отражает взаимное расположение элементов объекта проектирования в пространстве и их взаимодействие. Топология объекта определяет его свойства, не изменяющиеся при любых деформациях, производимых без разрывов и склеиваний (при взаимно однозначных и непрерывных отображениях). Примерами топологических свойств являются размерность и число кривых, ограничивающих данную область. Так, окружность, эллипс, контур квадрата имеют одни и те же топологические свойства, так как эти линии могут быть деформированы одна в другую описанным выше образом; в то же время кольцо и круг обладают различными топологическими свойствами: круг ограничен одним контуром, а кольцо - двумя.

Для моделирования топологических свойств проектируемых объектов используются направленные графы, схемы, матрицы, векторы. Эти модели не учитывают особенности физических процессов в объекте проектирования.

Математическое описание объекта проектирования при помощи геометрической модели состоит из модели ограничивающих поверхностей и структуры геометрического объекта. Структура геометрии объекта характеризуется тем, что она составляется из множества элементарных базовых геометрических фигур. К таким фигурам применяются различные геометрические операции: объединения (склеивания), пересечения и вычитания, которые позволяют оперировать формированием и изменением сложных геометрических моделей.

Геометрические модели могут быть поверхностными и твердотельными. Поверхностная модель состоит только из множества замкнутых граничных элементов (каркас моделируемого объекта). Твердотельная модель помимо поверхности включает и внутренние точки объекта – его тело. Принципиальное отличие поверхностных и твердотельных моделей друг от друга заключается в способе задания параметров модели, которые характеризуют проектируемый объект количественно. Поверхностные модели включают параметры двух типов: формы и положения. Параметры формы характеризуют только форму и размеры геометрической фигуры. Они не изменяют своих значений при изменении положения фигуры в пространстве. Параметры положения не затрагивают форму и размеры фигуры и характеризуют только её положение в заданной системе координат. В твердотельной модели используется глобальная координатная система и так называемый объектно-ориентированный подход. Тело как геометрическая модель представлено как объект, который включает в себя помимо параметров формы и положения ассоциативные параметры, связывающие функционально параметры всех объектов проекта через объектно-ориентированную базу данных. Изменение параметра одного из объектов проекта автоматически приводит к изменению всех других ассоциативно связанных параметров.

Геометрические модели ограничивающих поверхностей используют ряд способов их образования.

К наиболее встречаемым в САПР способам относятся кинематический и каркасный .

При кинематическом способе используют набор геометрических элементов и алгоритм, определяющий перемещения этих элементов в пространстве. Перемещаемый геометрический элемент называется образующей. В зависимости от формы образующей создаются различные сложные нелинейные поверхности, имеющие криволинейную образующую (поверхности двойной кривизны, закрученные поверхности, сложные переходные поверхности между агрегатами). В каркасной модели описываются только ребра и вершины проектируемого объекта, а описание граней отсутствует. Последние вычисляются математическими методами интерполяции или аппроксимации при помощи алгебраических полиномов или сплайнов.

Функциональные модели устанавливают зависимости между входными и выходными характеристиками, управляющими и внешними параметрами. Эти модели отражают свойства, признаки и характеристики объекта проектирования.

Перед тем как построить функциональную модель, необходимо выполнить морфологическое описание – состав его элементов и их взаимосвязь. В зависимости от свойств моделируемого объекта осуществляется выбор методов моделирования и применяемый математический аппарат. На рис. 4.2 представлена классификация объектов моделирования. В зависимости от класса объекта моделирования используются соответственно следующие виды функциональных математических моделей:

- модели в форме дифференциальных уравнений в частных производных (распределенные модели);

- модели в форме обыкновенных дифференциальных уравнений (сосредоточенные модели);

- модели в форме трансцендентных и алгебраических уравнений;

- модели в форме логических уравнений;

- модели стохастических процессов, при получении которых учитываются случайные факторы реального процесса, а переменные или параметры модели носят случайный характер.

Модели технологии проектирования (стратегии проектирования) восходящая (“снизу-вверх”), нисходящая (“сверху-вниз”), “от границ к середине” и “от середины к границам” достаточно подробно описаны в литературе. Так, в модели “сверху-вниз” объект моделирования должен выполнять определенный набор функций, который рассматривается как одна сложная функция. Затем эта функция раскладывается на более простые подфункции, которые в свою очередь тоже разбиваются на подфункции и т. д. В модели “снизу-вверх”, наоборот, исходные функции группируются в функции все более высокого уровня, пока не будет достигнута вершина системы, которую рассматривают как одну сложную функцию.

В некоторых случаях легче выделить функции среднего уровня, и тогда имеет место модель “от середины к границам”, т. е. с одной стороны функции разбиваются на подфункции, с другой – группируются в более сложные функции. В других случаях задается множество факторов, потоков информации, воздействующих на объект моделирования. Исходя из этих факторов, формулируется весь набор функций объекта, а также определяются его свойства. Таким образом реализуется модель технологии проектирования “от границ к середине”.

Технология модели процесса проектирования будет изложена в разделе 4.

5. 5. Программное обеспечение.

Традиционное описание программного обеспечения САПР заключается в том, что оно представляет собой совокупность программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для автоматизированного проектирования. При этом этот вид обеспечения состоит из системного и прикладного. Первое включает в себя операционные системы, программное обеспечение вычислительных сетей, системы программирования и т.п. Прикладное программное обеспечение реализует алгоритмы решения конкретных проектных задач, относящихся к определенному этапу процесса проектирования.

Однако в 90-х годах ХХ века произошли серьезные изменения в подходе к программному обеспечению современных САПР. Традиционные САПР "подобны островку автоматизации - они полностью функциональны, у них все свое: свое графическое ядро, управляющее взаимодействием создаваемых элементов, свой интерфейс пользователя, свои средства вывода на печать, доступ к базам данных, даже свои языки программирования". В результате конечный пользователь на приобретение такой системы затрачивал до 30% больше средств, чем необходимо, в силу того, что часть возможностей системы никогда не будет востребована или некоторые функции уже реализованы в имеющихся у него программах.

Таким образом, принципиальное отличие традиционных САПР от современных заключается в формулировке и решении основной задачи системы:

- для традиционных САПР – максимизация функциональных возможностей в своей автономной программной среде;

- для современных САПР – интеграция программных приложений различного назначения и создание единой среды, в которой эти приложения могли бы корректно взаимодействовать друг с другом.

Наиболее значимые результаты в решении задачи второго типа получены в технологиях Jupiter (корпорация Intergraph) и Pelorus (фирма ComputerVision).

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №53 - открытая онлайн библиотека

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №54 - открытая онлайн библиотека

Классы объектов моделирования

       
 
Непрерывные
 
   
Дискретные

 
 
Стационарные

 
 
Нестационарные

С сосредоточенными параметрами

 
 
С распределенными параметрами

 
 
Одномерные

Многомерные

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №55 - открытая онлайн библиотека

В зависимости от внутренних свойств объекта и задачи

Детерминированные

 
 
Стохастические

Динамические

Статические

 
 
Линейные

       
   
Нелинейные
 
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №56 - открытая онлайн библиотека

Аналитические *

Идентифицируемые **

Смешанные

Рис. 4. 2. Классификация объектов моделирования

__________________________

* Аналитические объекты моделирования основаны на ранее изученных и описанных в математической форме закономерностях объекта.

** Идентифицируемые объекты строятся на основе экспериментального исследования, их закономерности (в т. ч. структуры, поведения и т. д.) определяются экспериментальным путем.

Структурная схема математического обеспечения, включающая все представленные выше модели, изображена на рис. 4. 3.

Математическое обеспечение САПР

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №57 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №58 - открытая онлайн библиотека

Математические модели и методы

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №59 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №60 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №61 - открытая онлайн библиотека

 
 
Морфологическая модель

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №15 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №63 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №64 - открытая онлайн библиотека

Топологическая модель

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №65 - открытая онлайн библиотека Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №66 - открытая онлайн библиотека

Направленные графы

 
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №67 - открытая онлайн библиотека

Матрицы

 
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №68 - открытая онлайн библиотека

Векторы

       
    Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №68 - открытая онлайн библиотека
 
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №70 - открытая онлайн библиотека

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №71 - открытая онлайн библиотека

Твердотельная модель

 
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №72 - открытая онлайн библиотека

Структурная модель

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №73 - открытая онлайн библиотека

 
 
Модели ограничивающих поверхностей

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №74 - открытая онлайн библиотека

 
  Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №75 - открытая онлайн библиотека

Дифференциальные уравнения в частных производных (распределенные модели)

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №76 - открытая онлайн библиотека

Обыкновенные дифференциальные уравнения (сосредоточенные модели)

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №77 - открытая онлайн библиотека

Транцендентные и алгебраические уравнения

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №78 - открытая онлайн библиотека

Логические модели

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №79 - открытая онлайн библиотека

Модели стохастических процессов

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №79 - открытая онлайн библиотека

Модели технологии проектирования

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №81 - открытая онлайн библиотека

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №82 - открытая онлайн библиотека

Восходящая и нисходящая технология

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №83 - открытая онлайн библиотека

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №84 - открытая онлайн библиотека

"От границ к середине" и "от середины к границам"

Основные сведения о системах автоматизированного проектирования - №85 - открытая онлайн библиотека

Технология модели процесса проектирования (МПП)

Рис. 4.3. Структурная схема математического обеспечения

Технология Jupiter реализована в среде Microsoft Windows и ее основном стандарте OLE (Object Linking and Embedding – связь и внедрение объектов). Этот стандарт представляет собой набор протоколов обмена данными между отдельными программными модулями.

В Jupiter используется расширение стандарта OLE для дизайна и моделирования (OLE Design and Modeling Application Extensions – OLE for DM). Это расширение является открытой средой, в которой пространственные объекты (и отношения между ними) различных форматов и различных программных модулей объединяются в единую модель проектируемого изделия.

Ниже приведем структуру программных приложений технологии Jupiter.

Она включает в себя три составляющих. К первой относится исполнительная составляющая, на основе которой строятся все программные приложения и поддерживаются функции:

- управление отношениями объектов;

- управление массивами данных;

- создание и управление группами объектов;

- отображение;

- управление видовыми окнами;

- отмена/повтор действий.

Вторая составляющая – это набор функций, которые по желанию разработчика могут быть включены в новые программные приложения или заменены на собственный модуль.

Третья составляющая – дополнительные компоненты, которые могут быть включены без изменений или изменены разработчиками:

- управление документами;

- каталоги и библиотеки;

- трансляторы графических форматов;

- ODBC (открытый доступ к базе данных);

- язык Visual Basic для создания макрокоманд;

- интерфейс к расширениям различных фирм в области инженерных расчетов;

- единая модель данных.

Таким образом, описанная технология является композиционным программныим обеспечением САПР нового поколения. По данной технологии создан ряд САПР (например, Solid Edge; Imagineer Technical).

Pelorus является реализацией объектно-ориентированной управляемой по событиям технологии. По сути Pelorus – это автоматизированная система проектирования САПР для конкретных прикладных областей. Ядро этой системы состоит из большого числа объектно-ориентированных инструментальных средств, которые динамически компонуются, генерируя

программы. Поддерживаются новейшие стандарты STEP*, OLE, OLE for DM и многооконные системы Microsoft Windows, Motif и X Windows. Наличие средств динамической компоновки позволяют создавать «смесь» функциональных возможностей, наиболее адекватных стоящим перед конструктором задачам. Pelorus применяется фирмой СomputerVision в ряде программных продуктов, в частности, в системе автоматизации процессов проектирования и технологической подготовки производства СADDS 5.

В настоящее время пользователю при выборе САПР металлургического оборудования имеет смысл ориентироваться на системы современного уровня, позволяющие интегрировать программные средства различного назначения, различных фирм-производителей в единую среду разработки проекта.

При таком подходе можно использовать и ранее разработанные (и уже используемые) программные средства, а также компоновать из имеющихся программных модулей целостную систему для проектирования какой-либо разновидности металлургического оборудования (например, прокатного, волочильного и т. д.).

4. 6. Информационное обеспечение.

Основу информационного обеспечения составляют данные, которыми пользуются конструкторы в процессе автоматизированного проектирования.

К данным САПР относят нормативно-справочную документацию (каталоги, ГОСТы, описания изобретений, справочники материалов, комплектующих и т. п.), графические данные и их параметры, программные модули для проектных расчетов и моделирования, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и законченных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов и т. д. Данные могут быть представлены в разной форме: например, каталоги, ГОСТы и т. д. – как в виде твердой копии (на бумажном носителе), так и в файловом виде (на том или ином магнитном носителе – жестком диске, компакт-диске и т. п.). С другой стороны, программные модули, графические данные и т. п. представляются только в файловом виде. Основное назначение информационного обеспечения – «реализация информационных потребностей всех компонент САПР по ведению информационного фонда посредством создания, поддержки и организации доступа к данным» .

В современных САПР, как правило, используется единственное средство ведения информационного фонда, представленного в файловом виде – системы управления базами данных (СУБД), использование которых позволяет :

- централизовать информационный фонд САПР;

- произвести структурирование данных в виде, удобном для проектирования;

- обеспечить поиск нормативно-справочной и проектной документации;

- упростить организацию межпрограммного взаимодействия за счет унификации промежуточных данных.

Такие САПР имеют программные средства по работе с внешними базами данных. Так, интерактивное средство Query Builder помогает формулировать запросы к базе данных и находить связанные с записями графические данные. Язык запросов SQL позволяет находить, отображать и редактировать записи в таблицах базы данных, связанные с теми или иными графическими элементами. Средства подключения баз данных, включая новую систему поддержки ODBC, позволяют устанавливать связи между графическими и неграфическими данными, хранящимися в различных СУБД, в том числе Microsoft Access, Oracle, Informix, DB/2, Sybase, Ingres, SQL Server и др.

Разнообразие и специфика информации в САПР предъявляют ряд требований к СУБД.

Для разработки и функционирования отраслевой САПР должна быть использована реляционная СУБД требуемой производительности.

СУБД должна обеспечивать следующие возможности:

- эффективную обработку и надежное хранение большого объема информации (для металлургических агрегатов – не менее 25 Гбайт);

- переносимость, что должно гарантировать работу программных приложений в разных операционных средах;

- поддержку архитектуры клиент-сервер;

- многоуровневую систему доступа и высокий уровень защиты информации от несанкционированного доступа;

- возможность хранения информации на серверах с различными операционными системами;

- поддержку различных транспортных протоколов и обязательно ТСР / IP*;

- открытость системы;

- полное соответствие стандартам ISO/ANSI на язык запросов SQL (соответствие стандарту SQL 89 Level 2);

- развитые средства управления пользователями и ресурсами;

- отсутствие ограничений для дальнейшего развития;

- способность выполнять распределенные транзакции, т. е. разрешать запрос пользователя, требующий обеспечить доступ к данным, расположенным на разных серверах СУБД.

Безусловно, пользователю САПР необходимо ориентироваться на единое средство ведения всего информационного фонда - СУБД, полностью поддерживающую изложенные выше функции. В то же время, из спектра существующих СУБД довольно сложно выделить какую-либо одну в качестве единственно возможной в САПР металлургического оборудования. Выбор той или иной СУБД, в конечном счете, обуславливается рядом факторов, таких как вычислительные ресурсы, вид представления данных, доступность в изучении конечными пользователями – конструкторами и т. д.

4. 7. Лингвистическое обеспечение.

Как уже отмечалось, лингвистическое обеспечение представляет собой совокупность языков.

Для традиционных САПР характерно наличие различных языков: входных, внутренних, промежуточных, выходных, сопровождения и управления.

В современных системах такое разделение языков не актуально, поскольку в них больше нет необходимости перекодировать данные.

Такие системы, поддерживающие многооконные системы типа Microsoft WINDOWS Motif или X Windows, позволяют осуществлять обмен геометрической информацией между программными приложениями с помощью обычных команд копирования и вставки.

Можно работать с документом в текстовом редакторе, затем поместить этот текст прямо в поле чертежа или геометрическую модель, созданную в любой САПР, поместить непосредственно в текстовый документ в качестве иллюстрации.

Для разработки собственных программных приложений используются стандартные средства визуального программирования Visual Basic или Visual С++. В таких системах обеспечивается возможность просмотра, чтения и записи графических моделей, представленных в самых различных форматах, а также совместного использования в сборочных узлах. Преобразование форматов одной системы в форматы другой (экспорт – импорт) осуществляется с помощью команд открытия и сохранения файла. В таких системах размеры, текстовые и другие пояснения автоматически реализуются в соответствии с выбранным стандартом, включая ISO, ANSI, BSI, DIN, JIS, ЕСКД.

Таким образом, пользователь современных систем САПР (например, конструктор) не обязательно должен иметь навыки программирования и вопрос выбора лингвистического обеспечения САПР перед ним не стоит. Однако при выборе САПР следует отдавать предпочтение системам, позволяющим в случае необходимости использовать для разработки программных приложений, специально предназначенных для конкретного производства, оборудования и т. д., стандартные средства визуального программирования.

4. 8. Методическое и организационное обеспечение САПР.

Методическое обеспечение составляют входящие в САПР документы, регламентирующие порядок её эксплуатации.

В состав таких документов входят:

- спецификация;

- общее описание САПР;

- инструкции по эксплуатации комплекса технических средств;

- описание проектных процедур;

- формы экранных и выходных документов.

В состав организационного обеспечения входит вся совокупность нормативных документов, определяющих место и функции САПР в составе подразделения, эксплуатирующего эту систему:

- приказы;

- штатное расписание;

- должностные инструкции;

- программы курсов обучения;

- собственно автоматизированные учебные курсы различного назначения.

Форма представления методического и организационного обеспечения – документ (в основном текстовый), который может существовать как в виде бумажной (твердой) копии, так и в виде файла. Исключение составляют автоматизированные учебные курсы – это, безусловно, программные модули, хотя инструкции к ним могут быть и на бумажном носителе.

Методическое обеспечение выполняется в основном разработчиками САПР. В то же время организационное обеспечение (за исключением программ курсов обучения и автоматизированных учебных курсов, где необходимы совместные усилия разработчиков и эксплуатационников – пользователей САПР) создается теми предприятиями, их структурными подразделениями, где осуществляется эксплуатация конкретной САПР.

Наполнение этих видов обеспечения во многом индивидуальное и зависит от конкретных условий разработки и эксплуатации САПР в тех или иных подразделениях предприятий, учреждений, вузов и т. д.

4. 9. Эволюция развития универсальных САПР.

Принято выделять три этапа развития и совершенствования САПР, т. е. эти системы совершили три полных цикла своего обновления и начат, но не завершен четвертый цикл.

Э т а п 1. На этом этапе ставилась цель: создать систему, в которой возможно осуществить перенос на компьютеры чертежных работ, ранее проводимых вручную за кульманом и провести несложные расчеты по технологической подготовке производства.

Средством достижения этой цели (объектом проектирования) были определены графические редакторы с общепринятым определением: САD-системы (Computer Aided Design). Процесс проектирования CAD-системы представлял собой логически сложную, трудоемкую и длительную по времени работу, требующую высокой квалификации участвующих в ней специалистов. Проектирование осуществлялось на интуитивном уровне с применением неформализованных методов, основанных на искусстве, практическом опыте, экспертных оценках и дорогостоящих экспериментальных проверках качества функционирования системы.

При производстве CAD-системы (программировании) каждая из фирм-разработчиков использовала по своему разумению и пристрастию различные языки программирования, разнотипные операционные системы и технические платформы, а для представления в CAD-системе геометрической модели проектируемого изделия – самые различные форматы. Эксплуатация CAD-систем первого поколения показала, что в них исключительно ограничены возможности параметрического проектирования и ассоциативных связей, отсутствуют модули управления данными проекта и процессом проектирования. Эти и множество других недостатков CAD-систем инициировали цели обновления и начало систем второго поколения.

Э т а п 2. К основной цели, стоящей перед разработчиком САПР второго поколения, следует отнести: усовершенствовать и развить свои CAD-системы наращиванием их функциональных возможностей до автоматизации практически всех процессов, связанных с проектированием. Развитие таких возможностей осуществлялось созданием новых модулей систем по следующим направлениям :

- графическое ядро для создания геометрических моделей отдельных деталей, узлов и изделия в целом;

- модули для инженерного анализа, моделирования кинематики и динамики механизмов;

- модули конструирования систем управления (гидравлических, пневматических, электрических и др.) и систем жизнеобеспечения (вентиляция, кондиционирование, теплоснабжение, энергопитание и т.п.);

- набор модулей для технологической подготовки производства, в основном модули генерации управляющих программ для различных видов механообработки, литья, штамповки и других технологических процессов;

- модули обмена данными в различных графических форматах;

- модули интеграции САПР с системой управления базами данных;

- модули подготовки и выпуска проектной и конструкторской документации (разработки чертежей по геометрическим моделям, подготовки спецификаций).

В результате достижения указанной выше цели наряду с CAD сектором возникли еще два: CAE (Computer Aided Engineering) – для инженерных расчетов и анализа и проверки проектных решений и CAM (Computer Aided Manufacturing) – для технологической подготовки производства. Для САПР второго поколения (CAD/ CAM/ CAE - систем) объектами проектирования стали семь основных вышеперечисленных комплексов модулей. Графическое ядро системы существенно изменилось. В его основу были положены трехмерные геометрические модели проектируемых изделий – так называемые каркасные (проволочные) и поверхностные. Для инженерного анализа, моделирования кинематики и динамики проектируемых механизмов реализован метод конечных элементов (МКЭ или Finite Element Method – FEM). По созданной геометрической модели (каркасной, поверхностной или скульптурной) модули анализа автоматически генерируют сетку из треугольных или четырехугольных тонкостенных элементов.

Изменения в геометрической модели, осуществляемые конструктором, приводят к автоматическому пересчету по методу МКЭ и визуализируются анимацией деформируемых участков в виде изменения цвета в зонах напряжений.

Наряду с МКЭ используются и другие методы инженерного анализа, реализованные в таких известных системах, как ANSYS, NASTRAN, PATRAN, SABER и др., позволяющих анализировать деформации, напряжения, градиенты давления, распределение температур, отвердение металлических отливок и пр.

В основе конструирования систем управления и систем жизнеобеспечения лежат функциональные математические модели, основанные на схемотехническом (структурном) описании разрабатываемой системы. Для таких систем характерен высокий уровень формализации. Такой уровень обусловлен очень высокой степенью стандартизации используемых компонентов на основе применения трех основных законов управления – пропорционального, пропорционально-дифференциального, пропорционально-интегрально-дифференциального и их модификаций.

Модули технологической подготовки производства способны генерировать программы управления (траекторию обработки) для сверлильных, фрезерных, расточных и других станков, выполняющих операции обработки поверхностей. В качестве исходной информации для генерации траекторий движения инструмента используется геометрическая модель обрабатываемого изделия. Сгенерированные программы для станков с числовым программным управлением, обеспечивают процессы фрезерования, сверления, токарной обработки, электроэрозионной обработки, создания литейных форм, пресс-форм и штампов.