Обзор современных систем автоматизированного проектирования (САПР)

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В промышленном производстве давно царит жесткая конкуренция. Чтобы выжить в этих нелегких условиях предприятиям приходится как можно быстрее выпускать новые изделия, снижать их себестоимость и повышать качество. В этом им помогают современные системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие облегчить весь цикл разработки изделий — от выработки концепции до создания опытного образца и запуска его в производство. Тем самым значительно ускоряется процесс создания новой продукции без ущерба качеству. Поэтому сейчас без САПР не обходится ни одно конструкторское или промышленное предприятие. И хотя на долю указанных систем приходится лишь около 3% рынка ПО, они играют очень важную роль, поскольку помогают создавать товары, без которых невозможно представить нашу повседневную жизнь: автомобили, самолеты, бытовые приборы, промышленное оборудование и, следовательно, являются одной из движущих сил современной промышленности и мировой экономики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Историческая справка

   Термин «САПР для  машиностроения» в нашей стране  обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ, которые в англоязычной терминологии называются CAD/CAM/CAE. Другими словами, это ПО для автоматизированного проектирования (CAD), подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (CAE). Существуют САПР и для других областей — разработки электронных приборов, строительного проектирования, но они имеют свою специфику. 
   Идея автоматизировать проектирование зародилась в конце 50-х годов прошлого века, почти одновременно с появлением коммерческих компьютеров. А уже в начале 60 системы подготовки производства.    

   Доктор Патрик Хэнретти (Patrick Hanratty) основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS) и разработал методики, которые составили основу большинства  современных САПР. Вскоре появились и другие CAD-пакеты. В то время они работали на мэйнфреймах и мини-компьютерах и стоили очень дорого — в среднем 90 тыс. долл. за одно рабочее место. Очевидно, что лишь крупные предприятия могли позволить себе идти в ногу со временем.

   Одновременно стали появляться и первые CAM-программы, позволяющие частично автоматизировать процесс производства с помощью программ для станков с ЧПУ, и CAE-продукты, предназначенные для анализа сложных конструкций. Так в 1971 г. компания MSC.Software выпустила систему структурного анализа MSC.Nastran, которая до сих пор занимает ведущее положение на рынке CAE.

   К середине 80-х годов  системы САПР для машиностроения  обрели форму, которая существует  и сейчас. Но впереди их ждало  много любопытных перемен. Появление микропроцессоров положило начало революционным преобразованиям в области аппаратного обеспечения — наступила эра персональных компьютеров. Но для трехмерного моделирования мощности первых ПК не хватало. Поэтому в 80-е годы поставщики «серьезных» средств автоматизации проектирования ориентировались на компьютеры на базе RISC-процессоров, работавшие под управлением ОС Unix, — они были намного дешевле мэйнфреймов и мини-машин. Параллельно снижалась стоимость ПО, и к началу 90-х средняя цена рабочего места снизилась до 20 тыс. долл. — САПР становились доступнее. Но в массовый продукт они превратились лишь тогда, когда компания Autodesk разработала свой знаменитый пакет AutoCAD стоимостью всего 1 тыс. долл. Правда, в те времена ПК были 16-разрядными, и их мощности хватало лишь для двумерных построений — черчения и создания эскизов. Однако это не помешало новинке иметь огромный успех у пользователей.

Наиболее бурное развитие САПР происходило в 90-х годах, когда Intel выпустила процессор Pentium Pro, а Microsoft — систему Windows NT. Тогда на поле вышли новые игроки «средней весовой категории», которые заполнили нишу между дорогими продуктами, обладающими множеством функций, и программами типа AutoCAD. В результате сложилось существующее и поныне деление САПР на три класса: тяжелый, средний и легкий.

1.2 Проектирование как  объект автоматизации.

   Для создания  любой системы автоматизации  необходимо знать свойства объекта  автоматизации. Для САПР таким  объектом является процесс проектирования  и ниже рассмотрены основные понятия, относящиеся к сфере проектирования. 
   В настоящее время ГОСТ 22487—77 установлены основные термины и определения в области автоматизированного проектирования. Рассмотрим те из них, которые наиболее часто будут использованы в данном курсе.

   Проектирование - процесс создания описаний нового или модернизируемого технического объекта (изделия, процесса), достаточных для изготовления или реализации этого объекта в заданных условиях

   Такие описания, называемые  окончательными, представляют собой комплект конструкторской и технологической документации в виде чертежей, пояснительных записок, спецификаций, программ для технологических автоматов и т. п. Процесс заключается в выполнении комплекса работ исследовательского, расчетного, конструкторского характера, имеющих целью преобразование исходного описания в окончательные описания. Исходное описание при этом есть техническое задание, отражающее назначение и основные требования к проектируемому объекту.

   Процесс проектирования  может быть неавтоматизированным и автоматизированным.

   Неавтоматизированное проектирование — это проектирование, при котором все преобразования описании объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках осуществляются человеком.

   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 при взаимодействии человека и ЭВМ.

   Степень автоматизации  проектирования оценивается долей d проектных работ, выполняемых на ЭВМ без участия человека, в общем объеме проектных работ. При d = 0 проектирование неавтоматизированное, а при d =1 — автоматическое. Для автоматизированного проектирования характерны рациональное распределение функций между человеком и ЭВМ и обоснованный выбор моделей и методов для автоматизированных процедур.    Рациональность и обоснованность в выборе средств и методов проектирования определяются уровнем развития вычислительной техники, вычислительной математики, теории автоматизированного проектирования и конкретных технических дисциплин.

   Под автоматизацией  проектирования мы будем понимать  широкий круг проблем, решаемых с использованием средств вычислительной техники при выполнении многочисленных этапов и процессов проектирования объекта (машины, комплекса машин, системы и др.).

1.3 Аспекты и иерархические уровни проектирования

В представлениях инженера о сложных технических объектах принято выделять аспекты и иерархические уровни.

Аспекты характеризуют  ту или иную группу родственных свойств  объекта. Типичные аспекты - функциональный, конструкторский, технологический

Функциональный аспект отражает физические и информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании, конструкторской структуры, расположение в пространстве и форму составных частей объекта, технологический - возможности и способы реализации или изготовления. В зависимости от разновидностей объектов могут быть и другие аспекты, например, при проектировании электромеханических систем - электрический (электронный) и механический.

   В соответствии  с указанными аспектами различают  функциональное, конструкторское, технологическое  проектирование.

Внутри каждого аспекта  представление о сложных объектах разделяют на иерархические уровни (уровни абстрагирования). На верхнем  иерархическом уровне рассматривается  весь сложный объект как совокупность взаимосвязанных подсистем, описание каждой подсистемы не должно быть слишком подробным.

   На следующем  иерархическом уровне подсистемы  рассматриваются отдельно как  системы, состоящие из некоторых  составных частей, и получают  более подробное описание. Данный  иерархический уровень является  уровнем подсистем. Такое разделение описания сложного объекта на части и раздельное исследование свойств по выделенным частям и есть декомпозиция.

   Процесс декомпозиции  описании и поблочного их рассмотрения  с возрастающей степенью детализации  продолжается вплоть до получения описаний блоков, состоящих из базовых элементов.

   Разделение описаний  проектируемого объекта на иерархические  уровни по степени подробности  отражения свойств объекта составляет  сущность блочно-иерархического  подхода к проектированию. Соответственно возможно разделение проектирования как процесса на группы проектных процедур, связанных с получением и преобразованием описаний выделенных уровней. Эти группы процедур называются иерархическими уровнями проектирования.

В машиностроении базовые  элементы представлены деталями: винт, шпонка, вал, зубчатое колесо и т.д. Это нижний уровень, на нем системами являются сборочные единицы: редуктор, двигатель, тормоз, соединительные муфты и т.п. Базовыми элементами могут быть не только детали, но и объекты. состоящие из многих деталей и получаемые как законченные комплектующие изделия (подшипники, реле и т.п.).

   Сборочные единицы  являются элементами агрегатов  (комплексов) - систем следующего  иерархического уровня (механизмы  подъема, передвижения, поворота, изменения вылета грузоподъемного крана, его металлоконструкция, системы управления и диагностики и т.п.)

На следующем иерархическом  уровне может рассматриваться машина в целом, на более высоких уровнях - комплексы машин, объединяемые в  производственные образования.

   При рассмотрении  технологических процессов в  машиностроении наиболее общее,  но и наименее детальное описание  представляется принципиальной  схемой технологического процесса. На следующем, более низком  иерархическом уровне описываются  маршруты обработки (маршрутная технология) как системы, состоящие из элементов - технологических операций. Далее выделяются уровни описаний операционной технологии и управляющих программ.

1.4 Стадии, этапы и процедуры  проектирования

   В проектировании принято  выделять стадии научно-исследовательских работ, опытно-конструкторских работ, технического проекта, технического предложения, технического проекта, рабочего проекта, испытаний опытного образца.

   На стадии научно - исследовательских  работ изучаются потребности  в получении новых изделий с заданным целевым назначением, исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения изделий и возможности реализации этих принципов, прогнозируются значения характеристик и параметров объектов. Результатом является формулировка технического задания на разработку объекта. Оно включает цель создания и назначение объекта, технические требования, режимы и условия работы, области применения, увязку параметров с типажом, информацию об экспериментальных работах, сравнительную оценку технического уровня и др. На основании технического задания разрабатывается техническое предложение - совокупность документов, отражающих технические решения, принятые в проекте. В него включаются результаты функционально-физического и стоимостного исследований, указания и обоснования по выполняемым функциям, физическим принципам действия, целесообразности использования тех или иных решений, сравнительная оценка этих решений по техническим, экономическим, технологическим, экологическим и другим показателям.

   На стадии опытно-конструкторских  работ создается эскизный проект  изделия, представляющий собой  совокупность графической и текстовой  документации, на основании которой  можно получить общее представление  об устройстве, принципе работы, назначении, основных параметрах и габаритных размерах проектируемого изделия, о компоновке как машины в целом, так и ее основных узлов. При разработке эскизного проекта проверяются, конкретизируются и корректируются принципы и положения, установленные на стадии научно - исследовательских работ.

   На стадии технического  проекта разрабатывается более  детализированная графическая и  текстовая документация, дающая  полное и окончательное представление  об устройстве, компоновке машины  и всех ее узлов, в технический проект включают все необходимые расчеты (динамические, прочностные и т.д.).

   На стадии рабочего проекта  создается полный комплект конструкторско-технологической  документации, достаточный для изготовления  объекта. 
   На стадии испытаний получают результаты, позволяющие выявить возможные ошибки и недоработки проекта, принимаются меры к их устранению.

   В ходе проектирования  вырабатываются проектные решения  - описания объекта или его  составной части, достаточные  для рассмотрения и принятия  заключения об окончании проектирования или путях его продолжения.

   Часть проектирования, заканчивающаяся  получением проектного решения,  называется проектной процедурой. Выполнение одной или нескольких  проектных процедур, объединенных  по признаку принадлежности получаемых проектных решений к одному иерархическому уровню и (или) аспекту описаний, составляет этап проектирования.

   На любой стадии или  этапе проектирования может быть  выявлена ошибочность или неоптимальность  ранее принятых решений и, следовательно, необходимость или целесообразность их пересмотра. Подобные возвраты типичны для проектирования и обусловливают его итерационный характер.

   В частности, может быть  выявлена необходимость корректировки  технического задания. В этом  случае чередуются процедуры внешнего и внутреннего проектирования. Под внешним проектированием понимаются процедуры формирования или корректировки технического задания, под внутренним проектированием - процедуры реализации сформированного технического задания.

   Различают нисходящее (сверху вниз) и восходящее (снизу вверх) проектирование. В первом задачи высоких иерархических уровней решаются прежде, чем задачи более низких иерархических уровней, во втором последовательность противоположная. Так, функциональное проектирование чаще является нисходящим, конструкторское - восходящим.