1.1.jpg

   1.1. Общие сведения о САПР. Техническое обеспечение САПР. Общее программное обеспечение

 

   В результате изучения темы обучающийся должен

   иметь представление: о принципах и возможностях систем автоматизированного проектирования для обеспечения потребностей машиностроительных производств;

   знать: понятие: система автоматизированного проектирования; классификацию САПР и решаемые ими задачи; структуру и составные части программного обеспечения САПР; характеристику технических средств САПР.

 

История развития САПР

 

   Идея автоматизировать проектирование зародилась в конце 50-х годов прошлого века, почти одновременно с появлением коммерческих компьютеров.

   А уже в начале 60-х ее воплотила компания General Motors в виде первой интерактивной графической системы подготовки производства.

   Появление первых программ для САПР за рубежом и у нас относятся к началу 60-х годов. Отцом САПР по праву считается доктор Патрик Хэнретти. Работая в компании General Motors, он впервые разработал диалоговую (интерактивную) графическую систему подготовки производства. В 1971 году Патрик Хэнретти основал компанию MCS (Manufacturing and Consulting Services), деятельность которой оказала огромное влияние на все дальнейшее развитие САПР. Все современные САПР, по мнению многих авторитетных специалистов, на 60-70% реализуют идеи, разработанные MCS. В то же время появилась и аббревиатура CAD (САПР), которую ввел Айвен Сазерленд. 25-летний  Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland) — пионер компьютерной графики, в 1963 году создал первый интерактивный графический пакет «Sketchpad» (Планшет), прообраз будущих САПР. Лауреат премии Тьюринга.

С помощью светового пера и системы выпадающих меню пользователь Планшета мог рисовать различные несложные изображения на аналоговом дисплее, перемещать их и точно располагать в определенных позициях экрана, а также хранить.

   Вскоре появились и другие CAD-пакеты. В то время они работали на мэйнфреймах и мини-компьютерах и стоили очень дорого. Лишь крупные предприятия могли позволить себе идти в ногу со временем и использовать современное оборудование для выполнения сложных математических расчетов. 

   Параллельно с развитием CAD-систем бурное развитие получили CAM-системы автоматизации технологической подготовки производства.

   В 1961 г. был создан язык программирования APT (Automatic Programming Tools), впоследствии этот язык стал основой многих других языков программирования применительно к оборудованию с числовым программным управлением.

   К середине 80-х годов системы САПР для машиностроения обрели форму, которая существует и сейчас.

   Появление микропроцессоров положило начало революционным преобразованиям в области аппаратного обеспечения — наступила эра персональных компьютеров.

   Но для трехмерного моделирования мощности первых ПК не хватало.

К началу 90-х средняя цена рабочего места значительно снизилась — САПР становились доступнее.

   Но в массовый продукт они превратились лишь тогда, когда компания Autodesk разработала свой знаменитый пакет AutoCAD стоимостью на тот момент всего 1 тыс. долл., что было в десятки раз меньше существовавших до этого систем.

   Правда, в те времена мощности ПК хватало лишь для двумерных построений — черчения и создания эскизов.        Однако это не помешало новинке иметь огромный успех у пользователей. 

   В 80-е годы компьютеры  становятся доступными большому количеству крупных и даже мелких компаний. Появляется 3D-моделирование.

   В начале было только поверхностное моделирование, при котором конструктор определял изделие семейством поверхностей. Оно получило большое распространение в инструментальном производстве.

   Со временем появилось твердотельное моделирование широко распространенное в машиностроении, когда конструктор строит модель из твердотельных примитивов. Они определяются формой, размерами, ориентацией и точкой привязки. Современные системы позволяют работать  с телами и с отдельными поверхностями.

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: высшего уровня, среднего уровня и низшего уровня.

 

Основные понятия и определения

 

   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.).

 

Структурная схема и классификация САПР

 

   Структурная схема САПР. Укрупненно структурную схему САПР можно представить в виде функциональной и обеспечивающей частей (рис. 1.1).

   Функциональная часть САПР на схеме представлена в виде набора подсистем, удовлетворяющих поставленным целям проектирования: технологической подготовки производства, моделирования, информационного поиска, инженерных расчетов, управления САПР, испытаний, изготовления, машинной графики. Подсистемы являются основными структурными звеньями САПР и различаются по назначению и по отношению к объекту проектирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 – Структурная схема САПР

 

    Каждая из составляющих САПР подсистем может быть определена как комплекс программных средств, предназначенных для выполнения определенного этапа процесса проектирования.

    Подсистема информационного поиска – это комплекс языково-алгоритмических средств, предназначенный для хранения, поиска в каком-либо множестве элементов (документов, стандартов, нормалей, чертежей выполненных конструкций, патентов, характеристик материалов и т.п.) и представления информации, отвечающий на запрос, предъявленный этой подсистеме.

   Подсистема инженерных расчетов наряду с подсистемой машинной графики обычно встречаются уже на начальном этапе создания САПР и представляет собой совокупность программных средств, предназначенных для выполнения различных расчетов (геометрических, прочностных и т.п.) в режиме диалога «человек-машина».

  Работа развитой подсистемы инженерных расчетов тесно связана с использованием различного рода математических моделей проектируемых объектов или процессов, для автоматизированного получения которых предназначена подсистема моделирования.

   Подсистема испытаний представляет собой комплекс программных средств, предназначенных для создания программ управления испытательным оборудованием, обработки результатов испытаний, проведения «численного эксперимента» с использованием математических моделей объекта проектирования и процесса его нагружения.

  Подсистема изготовления может быть представлена, например, для подготовки программ для станков и автоматических линий с числовым программным управлением.

   Подсистема технологической подготовки производства, как правило, выходит из рамки САПР и представляет собой самостоятельную систему (АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства). Тем не менее её наличие в САПР весьма желательно, хотя бы в упрощенном виде.

   Подсистема управления предназначена для увязывания работ других подсистем на различных этапах процесса проектирования и выполнения функций координатора в коллективном процессе принятия решений.

  Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, включающих ЭВМ и работающие под управлением внешние устройства, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

   Математическое обеспечение САПР объединяет описание математических моделей проектируемых объектов и математических методов, реализованных в данной САПР.

   Программное обеспечение САПР представляет собой описание алгоритмов проектирования, использованных в данной САПР, а также документы с исходными текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы.

 Информационное обеспечение САПР объединяет различные данные, необходимые для выполнения автоматизированного проектирования, которые могут быть представлены в виде документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде проектных решений, параметров проектируемых объектов.

    Методическое обеспечение САПР составляют документы, содержащие правила проектирования в данной системе.

  Организационное обеспечение САПР включает в себя положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалифицированные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.

 

Классификация САПР

 

   Классифицировать САПР можно по следующим признакам:

   - степень формализации решаемых задач;

   - функциональное назначение;

   - специализация;

   - техническая организация.

   По степени формализации решаемых задач САПР могут быть построены на решении:

   - полностью формализуемых задач;

   - частично формализуемых задач;

   - неформализуемых задач.

  Системы, построенные на решении полностью формализуемых задач, для проектирования машиностроительных конструкции обычно не пригодны, поскольку математические модели объектов проектирования и процессов их функционирования настолько сложны, что полное и точное их математическое описание на сегодняшний день невозможно. Такие системы могут применяться только для решения простейших задач проектирования.

   Системы, построенные на решении неформализуемых задач, в настоящее время находятся в стадии исследований и разработки и в целях проектирования также не применяются.

Необходимо отметить, что в обоих случаях процесс проектирования происходит без вмешательства человека. Таким образом, речь здесь идет о системах не автоматизированного, а автоматизированного проектирования.

  Для решения задач в области машиностроения в настоящее время пригодны только системы, построенные на решении частично формализуемых задач.

   Безусловно, часть задач, связанных с проектированием некоторых простейших элементов конструкции машин, может быть решена с использованием автоматического проектирования, но для проектирования сложных агрегатов и систем этих машин сегодня полная автоматизация невозможна.

  По функциональному назначению САПР могут быть подразделены в зависимости от решаемых задач, определяемых составом функциональной части системы. Так , можно выделить следующие системы:

   - расчетно-оптимизационные;

   - графические;

   - графоаналитические;

   - информационные и т.п.

   По специализации САПР можно подразделить на специализированные и инвариантные.

 По технической организации САПР бывают одноуровневые, построенные на базе одной достаточно производительной ЭВМ с набором необходимых периферийных устройств, и многоуровневые, включающие в себя помимо базовой ЭВМ ряд подчиненных автоматизированных рабочих мест (АРМ) , построенных на основе ЭВМ более низкого уровня.  

 

Общие сведения о CAD/CAM/CAE системах

 

   CAD-системы (сomputer-aided design – компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

  CAM-системы (computer-aided manufacturing – компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

   САЕ-системы (computer-aided engineering – поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

  Product Data Management (PDM) – управления данными об изделии. PDM-системой принято считать организационно-техническую систему, которая обеспечивает управление всей информацией об изделии. В качестве изделий могут выступать самые разнообразные товары и объекты: от микрочипов до автомобилей и от мостов до компьютерных сетей. PDM-системы являются неотъемлимой частью PLM-систем.

     По функциональному характеру CAM-, CAD-системы принято делить на 3 уровня.

   Системы низкого уровня. Это первый в сложившемся историческом развитии класс систем. К этой категории можно отнести такие системы, как AutoCAD, CAD-KEY, Personal Designer, ADEM, КОМПАС. Они, как правило, используются на персональных компьютерах отдельными пользователями. Такие системы предназначены в основном для качественного выполнения чертежей. Также они могут использоваться для двухмерного (2D) моделирования и несложных трёхмерных построений.

   Системы среднего уровня. Сравнительно недавно появившийся класс относительно недорогих трёхмерных CAD систем. К нему относятся системы AMD, Solid Edge, Solid Works и т.д. Их появление связано с увеличением мощности персональных компьютеров и развитием операционной системы. С их помощью можно решать до 80% типичных машиностроительных задач, не привлекая мощные и дорогие CAD/CAM системы тяжёлого класса.

   Системы верхнего уровня. Такие системы предоставляют полный набор интегрированных средств проектирования, производства, анализа изделий. В эту категорию систем попадают CATIA, Unigraphics, Pro/ENGENEER, CADDS5, EUCLID, Cimatron. Они используют мощные аппаратные средства, как правило, рабочие станции с операционной системой UNIX.

 

Общее программное обеспечение

 

   Программное обеспечение САПР – это совокупность программ, представленных в заданной форме, вместе с необходимой программной документацией, предназначенный для использования в САПР.

     Программное обеспечение САПР делится на общесистемное (общее) и прикладное (специальное).

   Общее программное обеспечение инвариантно к объекту проектирования; его основу составляют операционные системы , используемые в САПР и ЭВМ.

  Специальное программное обеспечение САПР полностью определяется классом объектов, проектируемых с помощью САПР; его основу составляют программы, реализующие алгоритмы отдельных проектных процедур.

  Операционная система имеет модульную структуру, которая позволяет приспособить систему к конкретной конфигурации технических средств, так как отдельные программные компоненты могут быть включены в операционную систему по желанию пользователя.

   Наиболее распространенным является определение операционной системы как набора программ, предназначенных для управления ресурсами вычислительной техники. Иногда, под назначением операционной системы подразумевают распределение и планирование ресурсов (или динамическое и статическое распределение ресурсов).

 

Контрольные вопросы

 

   1. Чем автоматизированное проектирование отличается от неавтоматизированного?

   2. Дайте краткую характеристику подсистемам функциональной части САПР.

   3. Дайте общую характеристику обеспечивающей часть САПР.

   4. Приведите классификацию САПР по степени формализации решаемых задач.

   5. Дайте характеристику CAD, CAM, CAE системам.

   6. Что в себя включает общее программное обеспечение САПР?