Разработка прикладной библиотеки автоматизированного проектирования сборочной модели переходника

Непросто представить себе использование компьютера и в процессе концептуализации проекта, потому что компьютер пока еще не стал мощным средством для интеллектуального творчества. На этом этапе компьютер может сделать свой вклад, обеспечивая эффективность создания различных концептуальных проектов. Полезными могут оказаться средства параметрического и геометрического моделирования, а также макропрограммы в системах автоматизированной разработки чертежей (computer– аidеd drafting). Все это типичные примеры систем САО. Система геометрического моделирования (geometric modeling system) это трёхмерный эквивалент системы автоматизированной разработки чертежей, то есть программный пакет, работающий с трехмерными, а не с плоскими объектами.

В аналитической фазе проектирования ценность компьютеров проявляется по-настоящему. Программных пакетов для анализа напряжений, контроля столкновений и кинематического анализа существует столько, что приводить какие-либо названия смысла не имеет. Эти программные пакеты относятся к средствам автоматизированного конструирования (САЕ). Главная проблема, связанная с их использованием, заключается в необходимости формирования аналитической модели. Проблемы не существовало бы вовсе, если бы аналитическая модель автоматически выводилась из концептуального проекта. Однако, как уже отмечалось, аналитическая модель не идентична концептуальному проекту она выводится из него путем исключения несущественных деталей и редукции размерностей. Необходимый уровень абстракции зависит от типа анализа и желаемой точности решения. Следовательно, автоматизировать процесс абстрагирования достаточно сложно, поэтому аналитическую модель часто создают отдельно.

Обычно абстрактная модель проекта создается в системе разработки рабочих

чертежей или в системе геометрического моделирования, а иногда с помощью встроенных средств аналитического пакета. Аналитические пакеты обычно тpeбуют, чтобы исследуемая структура была представлена в виде объединения связанных сеток, разделяющих объект на отдельные участки, удобные для компьютерной обработки. Если аналитический пакет может генерировать сетку автоматически, человеку остается задать только границы абстрактного объекта. В противном случае сетка также создается пользователем либо в интерактивном режиме, либо автоматически, но в другой программе. Процесс создания сетки называется моделированием методом конечных элементов (finite element modeling). Моделирование этим методом включает в себя также задание граничных условий и внешних нагрузок.

Подпроцесс анализа может выполняться в цикле оптимизации проекта по каким-либо параметрам. Разработано множество алгоритмов поиска оптимальных решений, а на их основе построены коммерчески доступные программы. Процедура оптимизации может считаться компонентом системы автоматизированного проектирования, но более естественно рассматривать эту процедуру отдельно.

Фаза оценки проекта также выигрывает от использования компьютера. Если для оценки проекта нужен прототип, мы можем быстро сконструировать eгo по заданному проекту при помощи программных пакетов, генерирующих код для машины быстрого прототипирования. Такие пакеты считаются программами для автоматизированной подготовки производства (САМ). Разумеется, форма прототипа должна быть определена заранее в наборе входных данных. Данные, определяющие форму, получаются в результате геометрического моделирования.

Быстрое прототипирование – удобный способ конструирования прототипа, однако еще удобнее пользоваться виртуальным прототипом, который часто называется «цифровой копией (digital mосk– uр) и позволяет получить столь же полезные сведения.

Когда аналитические средства для работы с цифровыми копиями станут достаточно мощными, чтобы давать столь же точные результаты, что и эквивалентные эксперименты на реальных прототипах, цифровые копии начнут вытеснение обычных прототипов. Эта тенденция будет усиливаться по мере совершенствования технологий виртуальной реальности, позволяющих нам ощущать цифровую копию так же, как реальный прототип. Построение цифровой копии называется виртуальным прототипированием. Виртуальный прототип может быть создан и в специализированной программе геометрического моделирования.

Последняя фаза процесса разработки – подготовка проектной документации. На этом этапе чрезвычайно полезным оказывается использование систем подготовки рабочих чертежей. Способность подобных систем работать с файлами позволяет систематизировать хранение и обеспечить удобство поиска документов.

Компьютерные технологии используются и на стадии производства. Процесс производства включает в себя планирование выпуска, проектирование и приобретение новых инструментов, заказ материалов, программирование машин с ЧПУ, контроль качества и упаковку. Компьютерные системы, используемые в этих операциях, могут быть классифицированы как системы автоматизированного производства. Например, программа автоматизированной технологической подготовки (computeraidedprocessplanning– САРР) используется на этапе подготовки производства и относится к системам автоматизированного производства (САМ). Как отмечалось выше, подготовка производства с трудом поддается автоматизации, поэтому полностью автоматических систем технологической подготовки в настоящий момент не существует. Однако существует множество хороших программных пакетов, генерирующих код для станков с числовым программным управлением. Станки этого класса позволяют получить деталь нужной формы по данным, хранящимся в компьютере. Они аналогичны машинам для быстрого прототипирования.

К системам автоматизированного производства относят также программные пакеты, управляющие движением роботов при сборке компонентов и перемещении их между операциями, а также пакеты, позволяющие программировать координатно – измерительную машину (coordinate mеasuring machine – СММ), используемую для про верки продукта.

Итак, вы получили представление о том, каким образом компьютерные технологии используются в операциях, составляющих жизненный цикл продукта, и какие задачи решаются при помощи систем автоматизированного проектирования.

1.2 Иерархия систем автоматизированного проектирования

Актуальной задачей является по возможности более полная автоматизация трудоемких процессов, встречающихся при проектировании конструкций. Отсюда большое разнообразие систем автоматизированного проектирования на каждой из стадий создания объекта. Существует следующая классификация САПР:

1) по уровню формализации  решаемых задач—системы, построенные  на полностью формализуемых методах  решения проектных задач; ведущие  проектные работы, не поддающиеся полной формализации; организующие поиск решения неформализуемых задач;

2) по функциональному  назначению — системы расчетно-оптимизационные; графические; автоматизированного  проектирования конструкций; графоаналитические; подготовки технической документации; обработки результатов экспериментальных исследований; информационные; технологической подготовки программ для станков с ЧПУ;

3) по специализации —  системы специализированные и  инвариантные;

4) по технической организации  — системы с центральным процессорным управлением; комплектуемые автоматизированными рабочими местами конструктора (АРМ) с собственными вычислительными ресурсами.

Формализованное описание расчетной задачи было рассмотрено в работах академика В. М. Глушкова на основе кибернетического подхода.

При обычном (неавтоматизированном) проектировании реализация каждого этапа осуществляется человеком, при этом для каждой конкретной задачи весь процесс выполняется заново.

Иначе выглядит этот процесс в САПР, построенных на полностью формализуемых методах решения проектных задач. Результат решения задачи в таких системах — множество взаимосвязанных элементов объекта, т. е. конструктивно-технологический граф. Сам процесс решения связан с формированием функциональных элементов объекта и может быть представлен в качестве структурно-функционального графа. Синтез объекта состоит из решения идентичных задач, которые в САПР классифицируются как проектные операции.

При этом нельзя сказать заранее, сколько проектных операций и применительно к каким элементам объекта необходимо будет применить, однако можно указать перечень тех проектных операций, которые и определяют синтез объекта в формализованных САПР.

В системах можно выделить три части, или подсистемы: формирования входной информации; проектирования—пакеты прикладных и управляющих программ; формирования выходной информации. Такие системы работают обычно в автоматическом режиме, имеют многовариантную основу, т. е. могут быть нацелены на процесс перепроектирования, если полученный результат по тем или иным причинам не устраивает проектировщика. Идентичные элементы систем САПР в зарубежной литературе имеют следующую аббревиатуру: подсистема формирования входной информации — PREPROCESSOR; подсистема проектирования —PROCESSOR; подсистема формирования выходной информации — POSTPROCESSOR.

Для придания этим системам большей универсальности в них предусмотрено несколько уровней ветвления хода решения задачи, в связи с чем программное обеспечение их имеет колоссальные размеры, обращение с ними непросто, а трудоемкость разработки достигает иногда сотен тысяч человеко-лет.

Наиболее правильное название таких САПР — системы автоматического проектирования. Хотя они уязвимы с точки зрения экономичности, однако отдельные их подсистемы — желанные компоненты любой САПР.

Наибольшую известность у нас в стране и за рубежом получили системы автоматизированного проектирования, которые в отличие от автоматических способны осуществлять процесс проектирования при решении задач, не поддающихся полной формализации. Проектирование в таких системах осуществляется под непосредственным контролем человека-оператора, чаще всего на уровне человеко-машинного диалога. Человек сам принимает решение там, где процесс проектирования не поддается формализации, благодаря чему активно используется профессиональный уровень проектировщика в том случае, когда оценка проектных решений не имеет количественного выражения. Системы, в которых организуется поиск решений неформализуемых задач, составляют группу эвристических САПР.

Представляется целесообразным объединять в рамках одной САПР приемы эвристического и формального представления проектных процедур.

Следующая “ступенька” в иерархии — САПР функционального назначения, наиболее популярными представителями которых являются расчетно-оптимизационные САПР. Популярность их объясняется тем, что первоначально на ЭВМ выполнялись различные расчеты, а затем на втором, более высоком уровне с помощью этих расчетов начались поиски оптимальных характеристик конструкций. Основой таких САПР служат пакеты управляющих и прикладных программ. Чаще всего режим работы диалоговый, но встречается также и пакетный. Графический интерпретатор в таких системах обычно обеспечивает вывод конечных или промежуточных проектных решений на устройства графического вывода.

Особый интерес в конструкторских бюро вызывает применение графоаналитических САПР. Первоначально конструктор на экране графического дисплея формирует изображение или расчетную схему проектируемого объекта, что эквивалентно введению информации в память ЭВМ. Затем с помощью расчетных модулей осуществляется решение задачи анализа конструкции. Полученные результаты тут же обрабатываются и выдаются на экране графического дисплея в виде эпюр, гистограмм, графиков и т. д. Далее, в зависимости от поставленной задачи, конструктор вносит изменения в первоначальный проект геометрии образа, и указанный процесс осуществляется заново. Таким образом, за определенное число графических итераций может быть получено оптимальное проектное решение.

Часто приходится слышать, в частности от математиков, что отсутствие оптимизационной математической основы в таких системах делает их “слепыми” но сравнению с расчетно-оптимизационными. Однако не следует забывать о тех, кто будет работать у экранов графических дисплеев,— о конструкторах. В этом плане графоаналитическая САПР служит как бы контролером правильности действий конструктора-проектировщика, так как задача создания новой конструкции стоит перед ним, а не перед ЭВМ. Как показывает опыт эксплуатации таких систем, в большинстве случаев за 8—10 итераций, выполненных проектировщиком, становится ясным, какой должна быть та или иная конструкция. В заключение отметим, что графоаналитические САПР в основном ориентированы на проектирование небольших узлов и деталей.

Системы автоматизированного проектирования конструкций, представляющие третью группу САПР, создаются обычно только в крупных фирмах или на заводах и предназначаются для проектирования и конструирования всего изделия в целом, т. е. самолета, корабля, автомобиля, трактора, строительного объекта и т. д. В основном они строятся на дифференциальной основе, когда проектирование крупных узлов изделия осуществляется подсистемами проектирования. Согласно ГОСТ 23501.0—89, подсистемы — составные структурные части САПР, которые представляют элементы всех “обеспечении” автоматизированного проектирования, необходимые для выполнения подсистемой ее функций, и по своим свойствам и функциям могут рассматриваться как отдельные системы.

Подсистемы на уровне формализации решаемых задач — это отдельные единицы, основные функции которых — автоматизация отдельных участков наиболее трудоемких процессов проектирования, т. е. ввода и вывода информации, изготовления документации и т. д. Подсистемы на уровне системы автоматизированного проектирования, рассматриваемой на данном этапе,— это сложные комплексы проектирования, направленные на автоматизацию проектирования отдельных узлов сложных изделий. Например, если объектом проектирования является самолет, то подсистемами САПР будут подсистема проектирования крыльев, подсистема проектирования фюзеляжа, подсистема проектирования хвостовой части, подсистема проектирования системы жизнеобеспечения и другие; если объект проектирования —автомобиль, то подсистемами САПР могут быть подсистема проектирования передних и задних мостов, подсистема проектирования кабины и т. д.