Системы автоматизированного проектирования

Высокая производительность процессора необходима по той причине, что графические операции (например, перемещения изображений, повороты, удаление скрытых линий и др.) часто выполняются по отношению ко всем элементам изображения. Такими элементами в трехмерной (3D) графике при аппроксимации поверхностей полигональными сетками являются многоугольники, их число может превышать 104. В то же время для удобства работы проектировщика в интерактивном режиме задержка при выполнении команд указанных выше операций не должна превышать нескольких секунд. Но поскольку каждая такая операция по отношению к каждому многоугольнику реализуется большим числом машинных команд, требуемое быстродействие составляет десятки миллионов машинных операций в секунду. Такое быстродействие при приемлемой цене достигается применением наряду с основным универсальным процессором также дополнительных специализированных (графических) процессоров, в которых определенные графические операции реализуются аппаратно.

В наиболее мощных рабочих станциях в качестве основных обычно используют высокопроизводительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой), работающие под управлением одной из разновидностей операционной системы Unix. В менее мощных все чаще используют технологию Wintel (т. е. микропроцессоры Intel и операционные системы Windows). Графические процессоры выполняют такие операции, как, например, растеризация -- представление изображения в растровой форме для его визуализации, перемещение, вращение, масштабирование, удаление скрытых линий и т. Типичные характеристики рабочих станций: несколько процессоров, сотни мегабайтов оперативной и десятки гигабайтов внешней памяти, наличие кэш-памяти, системная шина со скоростями от сотен мегабайтов в секунду до 1...2 Гбайт/с.

В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ руководителя проекта и т. п. Они могут различаться составом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ.

В АРМ конструктора (графических рабочих станциях) используются растровые мониторы с цветными трубками. Типичные значения характеристик мониторов находятся в следующих пределах: размер экрана по диагонали 17... 24 дюйма (фактически изображение занимает площадь на 5 ... 8 % меньше, чем указывается в паспортных данных). Разрешающая способность монитора, т. е. число различимых пикселей (отдельных точек, из которых состоит изображение), определяется шагом между отверстиями в маске, через которые проходит к экрану электронный луч в электронно-лучевой трубке. Этот шаг находится в пределах 0,21 ... 0,28 мм, что соответствует количеству пикселей изображения от 800х600 до 1920х1200 и более. Чем выше разрешающая способность, тем шире должна быть полоса пропускания электронных блоков видеосистемы при одинаковой частоте кадровой развертки. Полоса пропускания видеоусилителя находится в пределах 110 ... 150 МГц, и потому частота кадровой развертки обычно снижается с 135 Гц для разрешения 640х480 до 60 Гц для разрешения 1600х1200. Отметим, что чем ниже частота кадровой развертки, а это есть частота регенерации изображения, тем заметнее мерцание экрана. Желательно, чтобы эта частота была не ниже 75 Гц.

Специально выпускаемые ЭВМ как серверы высокой производительности обычно имеют структуру симметричной многопроцессорной вычислительной системы. В них системная память разделяется всеми процессорами, каждый процессор может иметь свою сверхоперативную память сравнительно небольшой емкости, число процессоров невелико (единицы, редко более десяти). Например, сервер Enterprise 250 (Sun Microsystems) имеет один-два процессора, его цена в зависимости от комплектации колеблется в диапазоне 24 ... 56 тыс. долл., а сервер Enterprise 450 с четырьмя процессорами стоит от 82 до 95 тыс. долл.

Периферийные устройства

Для ввода графической информации с имеющихся документов в САПР используют дигитайзеры и сканеры.

Дигитайзер применяют для ручного ввода. Он имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор, на котором расположены визир и кнопочная панель. Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом, может осуществляться ручная «сколка» чертежей.

Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа. Способ считывания оптический. В сканирующей головке размещаются оптоволоконные самофокусирующиеся линзы и фотоэлементы. Разрешающая способность в разных моделях составляет от 300 до 800 точек на дюйм (этот параметр часто обозначают dpi). Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет ее в одном из стандартных форматов, например TIFF, GIF, PCX, JPEG, и для дальнейшей обработки может выполнить векторизацию -- перевод графической информации в векторную форму, например в формат DXF.

Для вывода информации применяют принтеры и плоттеры. Первые из них ориентированы на получение документов малого формата (A3, А4), вторые--на вывод графической информации на широкоформатные носители.

В этих устройствах преимущественно используется растровый (т. е. построчный) способ вывода со струйной технологией печати. Печатающая система в струйных устройствах включает в себя картридж и головку. Картридж -- баллон, заполненный чернилами (в цветных устройствах имеется несколько картриджей, каждый с чернилами своего цвета). Головка -- матрица из сопел, из которых мельчайшие чернильные капли поступают на носитель. Физический принцип действия головки термический или пьезоэлектрический. При термопечати выбрасывание капель из сопла происходит под действием его нагревания, что вызывает образование пара и выбрасывание капель под давлением. При пьезоэлектрическом способе пропускание тока через пьезоэлемент приводит к изменению размера сопла и выбрасыванию капли чернил. Второй способ дороже, но позволяет получить более высококачественное изображение.

Типичная разрешающая способность принтеров и плоттеров 300 dpi, в настоящее время она повышена до 720 dpi. В современных устройствах управление осуществляется встроенными микропроцессорами. Типичное время вывода монохромного изображения формата А1 находится в пределах 2 ... 7 мин, цветного -- в 2 раза больше.

Дигитайзеры, сканеры, принтеры, плоттеры могут входить в состав АРМ или разделяться пользователями нескольких рабочих станций в составе локальной вычислительной сети.

Контрольные вопросы по материалу практического занятия №5

1. Назовите типичный состав устройств АРМ.

2. В чем особенности памяти ЭВМ используемых в АРМ?

3. Какова пропускная способность системной шины?

4. Что представляют собой рабочие станции?

5. Для чего нужна высокая производительность процессора?

6. Под управлением какой операционной системы работают рабочие станции?

7. Назовите типичные значения характеристик мониторов входящих в состав АРМ конструктора.

8. Какие периферийные устройства для ввода графической информации?

9. Какие устройства используются для вывода информации?

10. Какая типичная разрешающая способность принтеров и плоттеров?

11. Какие требования предъявляются к вычислительной аппаратуре, работающей в составе АСУТП в цеховых условиях.

Литература

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М., Издательство МГТУ им. Баумана, 2002 .

2. Ли Кунву Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб, Питер, 2004.

3. Грувер М., Зиммерс Э., САПР и автоматизация производства. М., Мир, 1987.

Практическое занятие №6

Тема: Функции и проектные процедуры, реализуемые в программном обеспечении САПР.

Цели и задачи: Изучить функции и проектные процедуры наиболее распространенных CAD, CAM и CAE-систем.

После занятия студент должен:

Знать: Основные функции и проектные процедура наиболее распространенных систем верхнего, среднего и нижнего уровней.

Уметь: Предложить и обосновать перечень программных средств для решения задачи проектирования и подготовки производства изделия средней сложности.

Для этой практической работы необходимо:

1. Проработать теоретический материал по теме: «Системы автоматизированного проектирования в машиностроении».

Понятия, которые необходимо рассмотреть на занятии:

В состав развитых машиностроительных САПР входят в качестве составляющих системы CAD, САМ и САЕ.

Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двумерного и трехмерного проектирования. К функциям 2D относят черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D -- получение трехмерных геометрических моделей, метрические расчеты, реалистичную визуализацию, взаимное преобразование 2D- и ЗD-моделей. В ряде систем предусмотрено также выполнение процедур, называемых процедурами позиционирования, к ним относят компоновку и размещение оборудования, проведение соединительных трасс.

Среди CAD-систем различают системы нижнего, среднего и верхнего уровней. Первые из них иногда называют «легкими» системами, они ориентированы преимущественно на 2D-графику, сравнительно дешевы, основной аппаратной платформой для их использования являются персональные ЭВМ. Системы верхнего уровня, называемые также «тяжелыми», дороги, более универсальны, ориентированы на геометрическое твердотельное и поверхностное 3D-моделирование, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей. Системы среднего уровня по своим возможностям занимают промежуточное положение между «легкими» и «тяжелыми» системами.

К важным характеристикам CAD-систем относятся параметризация и ассоциативность. Параметризация подразумевает использование геометрических моделей в параметрической форме, т. е. при представлении части или всех параметров объекта не константами, а переменными. Параметрическая модель, находящаяся в базе данных, легко адаптируется к разным конкретным реализациям и потому может использоваться во многих конкретных проектах. При этом появляется возможность включения параметрической модели детали в модель сборочного узла с автоматическим определением размеров детали, диктуемых пространственными ограничениями. Эти ограничения в виде математических зависимостей между частью параметров сборки отражают ассоциативность моделей.

Параметризация и ассоциативность играют важную роль при проектировании конструкций узлов и блоков, состоящих из большого числа деталей. Действительно, изменение размеров одних деталей оказывает влияние на размеры и расположение других. Благодаря параметризации и ассоциативности изменения, сделанные конструктором в одной части сборки, автоматически переносятся в другие части, вызывая изменения соответствующих геометрических параметров в этих частях.

Основные функции САМ-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ, моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ, расчет норм времени обработки.

Функции САЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных САЕ-систем прежде всего включают программы для выполнения следующих процедур:

моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ;

расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в них средствами макроуровня;

Основными частями программ анализа с помощью МКЭ являются библиотеки конечных элементов, препроцессор, решатель и постпроцессор.

Библиотеки конечных элементов содержат их модели -- матрицы жесткости. Очевидно, что модели конечных элементов будут различными для разных задач (анализ упругих или пластических деформаций, моделирование полей температур, электрических потенциалов и т. п.), разных форм конечных элементов (например, в двумерном случае -- треугольные или четырехугольные элементы), разных наборов координатных функций.

Исходные данные для препроцессора -- геометрическая модель объекта, чаще всего получаемая из подсистемы конструирования. Основная функция препроцессора -- представление исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т. е. в виде множества конечных элементов.

Решатель -- программа, которая ассемблирует (собирает) модели отдельных конечных элементов в общую систему алгебраических уравнений и решает эту систему одним из методов разреженных матриц.

Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это графическая форма. Пользователь может видеть исходную (до нагружения) и деформированную формы детали, поля напряжений, температур, потенциалов и т. п. в виде цветных изображений, в которых палитра цветов или интенсивность свечения характеризуют значения фазовой переменной.

Программно-методические комплексы одного уровня по своим функциональным возможностям приблизительно равноценны, новые достижения, появившиеся в одном из ПМК, в скором времени реализуются в новых версиях других комплексов. Поэтому для первого знакомства с возможностями ПО машиностроительных САПР достаточно рассмотреть характеристики одного из комплексов. Рассмотрим структуру ПО САПР и его функциональные возможности на примере комплекса программ Pro/Engineer.

Комплекс насчитывает несколько десятков программ (модулей), которые подразделены на группы программ конструкторского проектирования механических объектов, промышленного дизайна, функционального моделирования, технологического проектирования, обмена данными.

Базовые модули конструкторского проектирования предназначены для твердотельного и поверхностного моделирования, синтеза конструкций из базовых элементов формы, поддержки параметризации и ассоциативности, проекционного черчения и разработки чертежей с простановкой размеров и допусков. Пользователь может пополнять библиотеку БЭФ оригинальными моделями. Синтез трехмерных моделей сложной формы возможен вытягиванием плоского контура по нормали к его плоскости, его протягиванием вдоль произвольной пространственной кривой, вращением контура вокруг заданной оси, натягиванием между несколькими заданными сечениями. Синтез сборок выполняется вызовом или ссылкой на библиотечные элементы, их модификацией, разработкой новых деталей. Детали сборки можно нужным образом ориентировать в пространстве. Далее следует ввести ассоциативные (сопрягающие) связи.

Дополнительные модули конструкторского проектирования имеют более конкретную, но узкую специализацию. Примерами таких модулей могут служить модули конструирования панелей из композиционных материалов, разработки штампов и литейных пресс-форм, трубопроводных систем, сварных конструкций, разводки электрических кабелей и жгутов.

Модули функционального моделирования используют как препроцессоры и постпроцессоры в программах конечно-элементного анализа (нанесение сетки конечных элементов, визуализация результатов анализа), для анализа теплового состояния конструкций, оценки виброустойчивости и др.

Основные модули технологического проектирования служат для моделирования технологических процессов фрезерной, токарной, электроэрозионной обработки и для разработки постпроцессоров для систем управления оборудованием с ЧПУ.

Модули обмена данными (конверторы форматов данных) должны обеспечивать возможности импорта и экспорта данных в другие CAE/CAD/CAM-системы.

В САПР крупных предприятий обычно используют программы разных уровней. Связано это с тем, что более 80 % всех процедур конструирования можно выполнить на CAD-системах нижнего и среднего уровней, кроме того, «тяжелые» системы дороги. Поэтому предприятие приобретает лишь ограниченное число экземпляров (лицензий) программы верхнего уровня, а большинство клиентских рабочих мест обеспечивается экземплярами программ нижнего или среднего уровней. При этом возникает проблема обмена информацией между разнотипными CAD-системами. Она решается путем использования языков и форматов, принятых в CALS-технологиях, хотя для неискаженной передачи геометрических данных с помощью промежуточных унифицированных языков приходится преодолевать определенные трудности.

Примеры программ

К числу мировых лидеров в области CAD/CAM/CAE-систем верхнего уровня относятся системы Unigraphics (компания EDS), CATIA (Dessault Systemes), Pro/Engineer (PTC). Продолжают использоваться также системы I-DEAS (EDS), CADDS5 (РТС) и EUCLID3 (Matra Datavision).

Система Unigraphics -- универсальная система геометрического моделирования и конструкторско-технологического проектирования, в том числе разработки больших сборок, прочностных расчетов и подготовки конструкторской документации. Система многомодульная. В конструкторской части (подсистема CAD) имеются средства для твердотельного конструирования, геометрического моделирования на основе сплайновых моделей поверхностей, создания чертежей по ЗД-модели, проектирования сборок (в том числе с сотнями и тысячами компонентов) с учетом ассоциативности, анализа допусков и др. В технологической части (подсистема САМ) предусмотрены разработка управляющих программ для токарной и электро-эрозионной обработки, синтез и анализ траекторий инструмента при фрезерной трех- и пятикоординатной обработке, при проектировании пресс-форм, штампов и др. Для инженерного анализа (подсистема САЕ) в систему включены модули прочностного анализа с использованием МКЭ с соответствующими пре- и постпроцессорами, кинематического и динамического анализа механизмов с определением сил, скоростей и ускорений, анализа литьевых процессов пластических масс.

Другая система верхнего уровня САПА позволяет заказчику генерировать собственный вариант САПР сквозного проектирования -- от создания концепции изделия до технологической поддержки производства и планирования производственных ресурсов. В системе реализовано поверхностное и твердотельное 3.0-моделирование и оптимизация характеристик изделий. Возможны фотореалистичная визуализация, восстановление математической модели из материального макета. Система масштабируема. Предлагаются типовые конфигурации, в том числе варианты для полнофункционального сквозного проектирования сложных изделий и проектирования комплектующих на небольших и средних предприятиях.

Аналогичные возможности реализованы и в других «тяжелых» САПР. Значительно дешевле обходится приобретение САПР среднего уровня. В России получили распространение системы компаний Autodesk, Solid Works Corporation, Beantly, Топ Системы, Аскон, Интермех, Вее-Pitron и некоторых других. Все эти системы ориентированы в первую очередь на платформу Wintel, как правило, имеют подсистемы конструкторско-чертежную 2Д твердотельного 3Д-моделирования, технологического проектирования, управления проектными данными, ряд подсистем инженерного анализа и расчета отдельных видов машиностроительных изделий, а также библиотеки типовых конструктивных решений.

Широкое распространение в России и за рубежом получило ПО машиностроительных САПР компании Autodesk.

Линия современных программных систем конструкторского проектирования фирмы Autodesk включает ряд систем, среди которых наиболее развитыми следует считать системы AutoCAD Mechanical Desktop и Inventor.

Система Mechanical Desktop (MDT) предназначена для параметрического 3Д-моде-лирования, ассоциативного конструирования, распределенного проектирования в сети Internet, оформления 2D-документации. Построена на графическом ядре ACIS. Имеется управляющая программа CAD-менеджер со средствами настройки, конфигурирования и управления рабочими группами.

Система Inventor предназначена для твердотельного параметрического проектирования, ориентирована на разработку больших сборок с сотнями и тысячами деталей, имеет развитую библиотеку стандартных элементов. В основе системы также лежит графическое ядро ACIS. Построение 3.0-моделей возможно выдавливанием, вращением, по сечениям, по траекториям. Из 3Д-модели можно получить 2Д-чертежи и спецификации материалов. Поддерживается коллективная работа над проектом, в том числе в пределах одной и той же сборки. Предусмотрена автоматическая проверка кинематики, размеров детали с учетом положения соседних деталей в сборке. Значительные удобства работы конструкторов обусловлены тем, что ассоциативные связи задаются не путем описания операций с параметрами и уравнений, а непосредственно определением формы и положения компонентов.

В число продуктов Autodesk входит ряд других программ автоматизированного проектирования, в том числе Autodesk Data Exchange - набор конверторов для взаимного преобразования данных из форматов DXF и SAT (формат ядра ACIS) в такие форматы, как STEP, IGES, VDA-FS.

Ряд продуктов, интегрированных с программами проектирования компании Autodesk, создан компаниями, входящими в ассоциацию Mechanical Applications Initiative производителей прикладного ПО. Среди них следует отметить программу Dynamic Designer Motion (компания Mechanical Dynamics), предназначенную для расчетов динамики и кинематики механизмов (в том числе трехмерных). Элементами являются модели шарниров, пружин, сухого трения, ударных нагрузок.

Программа Dynamic Designer Motion имеет связи с группой программ конечно-элементного анализа Cosmos. Например, программу Cosmos/Design STAR можно использовать как автономно, так и в связке с программами Inventor и Solid Edge, а программу Cosmos/Works - с программой SolidWorks. С помощью этих программ проводят анализ деформированного состояния деталей, стационарных и нестационарных тепловых процессов, динамики жидкостей и газов, низкочастотных электромагнитных полей, определяют собственные частоты колебания конструкций.

Система твердотельного параметрического моделирования механических конструкций Solid Works (компания Solid Works Corporation) построена на графическом ядре Parasolid, разработанном в Unigraphics Solution. Синтез конструкции начинается с построения опорного тела с помощью операций типа выдавливания, протягивания или вращения контура с последующим добавлением и (или) вычитанием тех или иных тел. Используется технология граничного моделирования (B-representation) с аналитическим или сплайновым описанием поверхностей. При проектировании сборок на основе БЭФ можно задавать различные условия взаимного расположения деталей, автоматически контролировать зазоры и отсутствие взаимопересечения деталей. Предусмотрены IGES, DXF, D WG-интерфейсы с другими системами.

Среди САПР среднего уровня, наряду с продуктами зарубежных фирм, неплохо зарекомендовали себя системы отечественных разработчиков - это, прежде всего системы Компас (компания Аскон) и T-Flex CAD (Топ Системы).

В системе Компас для трехмерного твердотельного моделирования используется оригинальное графическое ядро. Синтез конструкций выполняется с помощью булевых операций над объемными примитивами, модели деталей формируются путем выдавливания или вращения контуров, построением по заданным сечениям. Возможно задание зависимостей между параметрами конструкции, расчет масс-инерционных характеристик. Разработка проектно-конструкторской документации, в том числе различных спецификаций, выполняется подсистемой Компас-График. Имеются библиотеки с данными о типовых деталях и графическими изображениями, а также программы специального назначения (проектирование тел вращения, пружин, металлоконструкций, трубопроводной арматуры, штамповой оснастки, выбора подшипников качения, раскроя листового материала и др.). Проектирование технологических процессов выполняется с помощью подсистемы Компас-Автопроект, программирование объемной обработки на станках с ЧПУ -- с помощью подсистемы ГЕММА-3Д. Ряд необходимых функций управления проектными данными возложено на подсистему Компас-Менеджер.

Подсистема трехмерного твердотельного моделирования T-Flex CAD 3D в САПР T-Flex CAD построена на базе ядра Parasolid. Реализована двунаправленная ассоциативность, т. е. изменение параметров чертежа автоматически вызывает изменение параметров модели и наоборот. При проектировании сборок изменение размеров или положения одной детали ведет к корректировке положения других. Модель 3D может быть получена непосредственно по имеющемуся чертежу, или с помощью булевых операций, или путем выталкивания, протягивания, вращения профиля, и т. п. Предусмотрен расчет массинерционных параметров. В то же время можно по видам и разрезам трехмерной модели получить чертеж, для чего используется подсистема T-Flex CAD 3D SE. Для параметрического проектирования и оформления конструкторско-технологической документации служит подсистема T-Flex CAD 2D, для управления проектами и документооборотом - подсистема T-Flex DOCs. В подсистеме технологического проектирования T-Flex/ТехноПро выполняются синтез технологических процессов, расчет технологических размеров, выбор режущего и вспомогательного инструмента, формирование технологической документации, в том числе операционных и маршрутных технологических карт, ведомостей оснастки и материалов, карт контроля. Подготовка программ для станков с ЧПУ осуществляется в подсистеме T-Flex ЧПУ. Кроме названных основных подсистем в состав T-Flex CAD включен ряд программ для инженерных расчетов деталей, проектирования штампов и пресс-форм. В САПР Cadmech 2000 белорусской компании Интермех входят программы AVS для выпуска конструкторской документации, Techcard для технологической подготовки производства, LCAD для планирования производственных цехов и участков и др. Для собственно конструкторского 3Д-проектирования Интермех использует программы компании Autodesk.

Разработкой продуктов для САПР литейного производства занимается компания Moldflow, ее программы Part Adviser и Mold Adviser предназначены для моделирования процессов литья пластмасс.

Важное место в конструкторско-технологических САПР занимают программы технологической подготовки производства.

Компания Consistent Software предлагает систему Technologies для технологической подготовки дискретного производства. Эта система выполняет функции составления спецификаций, ведения дерева проекта и библиотеки чертежей, синтеза технологических процессов, выбора инструмента, расчета режимов резания, нормирования расхода материалов, ведения технологической документации. Система SolidCAM (CADTech), построенная, как и Mechanical Desktop, на ядре ACIS, служит для получения управляющих программ для токарной, 2,5- и 3-осевой фрезерной обработки на станках с ЧПУ. Система ТЕХТРАН (НИП «Информатика») включает модули токарной, фрезерной, электроэрозионной обработки.

Мировые лидеры среди программ конечно-элементного анализа являются программно-методические комплексы Nastran и Patran (компания MSC Software Corporation) и Ansys (компания Ansys Inc.).

Как правило, эти комплексы включают в себя ряд программ, родственных по математическому обеспечению, интерфейсам, общности некоторых используемых модулей. Эти программы различаются ориентацией на разные приложения, степенью специализации, ценой или выполняемой обслуживающей функцией. Например, в комплексе Ansys основные решающие модули позволяют выполнять анализ механической прочности, теплопроводности, динамики жидкостей и газов, акустических и электромагнитных полей. Во все варианты программ входят пре- и постпроцессоры, а также интерфейс с базой данных. Предусмотрен экспорт (импорт) данных между Ansys и ведущими комплексами геометрического моделирования и машинной графики.

Мировой лидер среди средств моделирования механических процессов на макроуровне путем решения СОДУ - программа Adams, а примером отечественных систем подобного назначения следует назвать программы ПА7 и ПА9.

Контрольные вопросы по материалу практического занятия №6

1. Из каких систем состоят развитые машиностроительные САПР?

2. Назовите функции CAD-систем в машиностроении.

3. Что представляет собой параметризация в CAD-системах?

4. Назовите основные функции CAM-систем.

5. Назовите основные части программ анализа с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

6. Назовите основные функции и процедуры, выполняемые системой верхнего уровня Unigraphics.

7. Назовите основные функции и процедуры, выполняемые системой верхнего уровня CATIA.

8. Назовите известные Вам системы среднего уровня.

9. Какие функции выполняет система Mechanical Desktop фирмы Autodesk.

10. Какие функции выполняет система Inventor фирмы Autodesk.

11. На каком графическом ядре построена система Solid Works?

12. Назовите основные функции и процедуры, выполняемые системой Компас фирмы АСКОН.

13. Назовите основные функции и процедуры, выполняемые системой T-Flex фирмы Топ Системы.

14. Назовите все известные Вам системы для проектирования управляющих программ для оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ).

15. Назовите все известные Вам системы для проектирования технологических процессов.

Литература

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М., Издательство МГТУ им. Баумана, 2002 .

2. Ли Кунву Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб, Питер, 2004.

3. Грувер М., Зиммерс Э., САПР и автоматизация производства. М., Мир, 1987.

Практическое занятие №7

Тема: Информационное обеспечение САПР.

Цели и задачи: Изучить задачи, решаемые с помощь информационного обеспечением, требования к нему и состав.

После занятия студент должен:

Знать: Основные функции информационного обеспечения, предъявляемые к нему требования и состав.

Уметь: Разработать схему информационных потоков для проектируемой САПР и выбрать вид информационной системы.

Для этой практической работы необходимо:

1. Проработать теоретический материал по теме: «Информационное обеспечение САПР».

Понятия, которые необходимо рассмотреть на занятии:

СПЕЦИФИКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР

В комплекс средств автоматизированного проектирования входит информационное обеспечение, которое представляет собой совокупность документов, описывающих стандартные проектные процедуры, типовые проектные решения, типовые элементы и комплектующие изделия, материалы и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов. Главной целью создания информационного обеспечения САПР является разработка информационной системы, позволяющей правильно и быстро решать проектные задачи. Это может быть достигнуто своевременной выдачей источнику запроса полной и достоверной информации для выполнения определенной части проектно-конструкторского процесса.

Основные требования к информационному обеспечению САПР следующие:

1. Наличие необходимой информации для обеспечения как автоматизированных, так и ручных процессов проектирования.

2.Возможность хранения и поиска информации, представляющей результат ручных и автоматизированных процессов проектирования.

3. Достаточный объем хранилищ информации. Структура системы должна допускать возможность наращивания емкости памяти вместе с ростом объема информации, подлежащей хранению. Одновременно необходимо обеспечить компактность хранимой информации и минимальное изнашивание носителей информации.

4. Достаточное быстродействие системы информационного обеспечения.

5.Возможность быстрого внесения изменений и корректировки информации, доведения этих изменений до потребителя, а также получение твердой копии документа.

При создании информационного обеспечения САПР основная проблема заключается в преобразовании информации, необходимой для выполнения проектно-конструкторских работ над определенным классом объектов, в форму, приемлемую и наиболее рациональную для машинной обработки, и выводе информации на ЭВМ в виде, удобном для восприятия человеком.

Множество данных, которые потенциально могут использоваться при функционировании САПР или служить запоминаемым результатом ее работы, образуют информационную базу данных (БД) системы. Типовыми группами данных информационного обеспечения автоматизированного проектирования являются классификаторы и таблицы соответствия для них, научно-техническая и расчетно-проектная (оперативная) информация.

Информационная база

Информационная система

Интерфейс

Проектные модули

(программы)

Пользователи САПР

(конструкторы)

Рис. 1 Схема информационного обеспечения САПР

Информационное обеспечение САПР можно представить в виде схемы (рис.1), из которой видно, какое место занимает база данных, и каково взаимодействие информационной системы с проектными модулями. Это взаимодействие осуществляется через специально организуемый интерфейс, который защищает проектные программные модули от влияния специфики программной реализации информационной системы, поддерживая тем самым независимость проектных операций от вида представления информации в базе данных, В функции этого интерфейса входит также согласование и сопряжение информационной системы и проектных модулей по форматам записей (информационный аспект), по колам и обозначениям данных (содержательный аспект), и по программным средствам, языкам программирования и т. п. (программный аспект).

Сложность разработки базы данных обусловлена тем, что формирование ее структуры возможно только после разработки алгоритмов проектирования. Степень разработки алгоритмов должна быть доведена до машинной реализации, так как структура базы данных должна учитывать специфику процесса автоматизированного проектирования. Но для разработки пакета прикладных программ (ППП) необходимы сведения о структуре базы данных. Следовательно, информационное обеспечение и специальное программное обеспечение САПР должны создаваться параллельно.

Информация, используемая при проектировании, может быть разделена на статическую и динамическую (рис. 2).

Статическая информация характеризуется сравнительно редкими изменениями. К этой информации следует отнести данные ТЗ на проектирование и справочные данные, имеющие большой объем. Формирование, загрузка и корректировка справочных данных осуществляется исключительно администратором базы данных, т. е. системным программистом, формирующим базу данных. Администратор базы данных поддерживает непосредственный контакт со службой нормализации и стандартизации проектной организации. Объем данных ТЗ на проектируемый объект значительно меньше объема справочных данных, но круг лиц, имеющих право вносить изменения в ТЗ, должен быть еще более ограничен, чем круг лиц, имеющих право корректировать справочные данные.

Динамическая информация состоит из данных, накапливаемых для выполнения определенных операции проектирования (промежуточные данные), и данных, представляющих собой результат проектирования при выполнении данных операций (на рис. 2 проектные операции показаны в виде прямоугольников, обозначенных ППП1, ППП2, ... , ПППi, ... , ПППn,). Промежуточные данные постоянно меняются при функционировании САПР. Вносить изменения в варианты проектных решений имеет право только конструктор-исполнитель и его руководитель.

Информация, используемая при проектировании, по виду ее представления может быть подразделена на документальную, иконографическую и фактографическую. Документальная информация -- это метаинформация. Она представляет собой поисковый образ документа, находящегося в базе данных. При необходимости может быть выдана совокупность документов, удовлетворяющих поисковому образу. В САПР информация такого вида широко используется для нахождения сведений об аналогах объекта проектирования, о патентах и авторских свидетельствах, методике проектирования и расчетов, результатах испытания и т. п.

Информация, которая содержится в изображениях документов (чертежи, фотографии и т. д.), в идентичной форме представления называется иконографической. Для ее хранения используют специальные носители (микрофиши, рулонные микрофильмы, магнитные ленты видеозаписей и т. д.). В современных САПР этот вид информации служит для хранения больших объемов графической информации, поиск которой может осуществляться с помощью сопровождающей ее документальной информации.

Основу базы данных САПР составляет фактографическая информация. Она представляет собой числовые и буквенные справочные данные о материалах, ценах, комплектующих изделиях, о спроектированных в САПР объектах и т. п. Сюда же относятся данные, необходимые для выполнения расчетов: коэффициенты, таблицы, аппроксимированные графические зависимости и т. д.

В настоящее время различают два вида автоматизированных информационных систем САПР -- банки данных и информационно-поисковые системы (ИПС). Эти системы различаются видом хранимой и обрабатываемой информации и информационным языком, с помощью которого осуществляется описание данных и манипуляции с ними. Эти различия накладывают определенные ограничения на организацию информации в системе (структуры данных, форматы, связи, доступ и т. д.) и на программную реализацию.

Функционирование информационной системы обеспечивается программно-техническими средствами (машинная организация) и средствами внемашинной организации.

Программно-технические средства информационных систем -- это, как правило, специальные ППП, которые обеспечивают накопление (ввод, изменения, модификацию), хранение и поиск информации.

К средствам внемашинной организации данных в информационных системах относятся:

система классификации и кодирования информации;

система ведения информационных массивов (входные формы и таблицы, оперативные документы на изменение информации и т. д.);

методические инструментальные материалы для "системного персонала (службы администрации).

Проектирование, организацию функционирования и развитие информационной системы обеспечивает системный персонал.

В информационно-поисковых системах САПР хранится и обрабатывается, как правило, документальная информация. Информационный язык в ИПС -- это ограниченный (нормированный) естественный язык, с помощью которого описывают содержание документальных источников информации (статей, книг, стандартов и т. д.) в виде набора понятий, отражающих основное содержание документов.

В информационно-поисковых системах ППП не имеет специального названия, и говорят о ППП для ИПС.

Единицей хранения информации в ИПС является описание конкретного документа. Прообразами накапливаемых в системе описаний документов служат некоторые внешние первичные документы, содержащие информацию, используемую в процессе автоматизированного проектирования. Такими первичными документами могут быть отчеты по научным и конструкторским работам, патенты, справочники, статьи, каталоги и т. д.

С точки зрения пользователя, каждое описание документа представляет собой краткую библиографию источника информации (автор, заглавие, название источника, год выпуска, издательство, аннотация или реферат).

Для обеспечения взаимодействия пользователей и ИПС служит нормативный (фиксированный) словарь понятий, с помощью которого можно описывать содержание, как документов, так и запросов. Такой словарь называется тезаурусом. Тезаурус является моделью системы понятий предметной области. Поэтому документ, записанный в память ЭВМ, кроме библиографии, имеет поисковые признаки или поисковый образ, который составляется по определенным правилам с помощью понятий тезауруса. Запросы к системе формулируются также с помощью тезауруса по определенным правилам. Совокупность правил перевода с естественного языка на язык системы, и тезаурус образуют информационно-поисковый язык системы.

Совокупность документов в памяти ЭВМ образует последовательный массив (файл). Поиск информации в системе осуществляется путем сравнения понятий поискового образа документа и понятий запроса. При их полном или частичном совпадении (в зависимости от критерия выдачи) документ считается релевантным, т. е. соответствующим запросу.

Но при такой последовательной организации информации поиск и сравнение со всеми поисковыми образами заняли бы много времени. Для более эффективной организации информации в систему вводят инверсный (поисковый) массив, в котором каждому понятию тезауруса поставлен в соответствие набор номеров документов, в которых это понятие встречается.

К функциям ППП для ИПС относятся:

ведение и использование информационно-поискового языка;

ввод, накопление и изменение информации;

поддержка инверсного массива;

поиск и выдача информации по запросам.

ИПС описанного выше типа называются документальными ИПС.

Существует ИПС фактографического типа. Они отличаются тем, что в них хранение и поиск осуществляется не по набору понятий, а по набору признаков каких-либо объектов, т. е. кроме тезауруса в системе предусмотрен еще и специальный классификатор признаков объектов. ИПС фактографического типа более близки по своей организации к банкам данных.

Наиболее высокой формой организации информационного обеспечения больших САПР являются банки данных. Они представляют собой проблемно-ориентированные информационно-справочные системы, которые обеспечивают ввод необходимой информации, автономное от конкретных задач ведение и сохранение информационных массивов, и выдачу необходимой информации по запросу пользователя или программы.

В банках данных используется информация фактографического вида. Информационный язык -- совокупность двух языков: языка описания структуры данных и языка манипулирования данными. Пакетом прикладных программ этих информационных систем является система управления базами данных (СУБД), которая обеспечивает работу с информационной базой, организованной в виде структуры данных. По этой заранее сформированной структуре (модели) данных производится их описание, хранение и поиск.

В СУБД описание структуры информации принято называть схемой. В зависимости от уровня представления информации различают следующие типы схем:

концептуальный (общее представление об информационной базе предметной области);

внешний (представление информации со стороны пользователей или задач; при большом числе задач их представления могут пересекаться); внешних схем бывает несколько;

внутренний (представление информации в базе данных, т. е. на физических носителях -- магнитных дисках).

Среди всех перечисленных уровней представления информации концептуальный уровень занимает особое место. Он связывает внешний уровень с внутренним и обеспечивает их относительную независимость, т. е. возможность изменения внешней схемы при неизменной внутренней и наоборот. Роль концептуального уровня состоит, прежде всего, в том, что на нем отображается та часть общей информационной базы, которая должна быть представлена в виде базы данных. Концептуальный уровень обеспечивает независимость СУБД от конкретного вида ЭВМ. Формализованное описание информационной базы на концептуальном уровне, как правило, осуществляется в терминах конкретной СУБД.

Но на начальном этапе проектирования информационной базы еще неизвестно, какая СУБД удовлетворяет требованиям создаваемого банка данных. Поэтому вводится дополнительный уровень, на котором можно было бы задать описание предметной области, не касаясь вопросов реализации, т. е. использования конкретной СУБД. Его называют информационно-логическим (инфологическим). Общая схема отображения уровней информации представлена на рис. 3.

Информационно-логическая модель определяет информационные потребности проектируемой системы и характеристики информационной базы.

СУБД выполняет следующие основные функции:

определение баз данных (т. е. описание концептуального, внешнего и внутреннего уровней схем);

запись данных в базу;

организацию хранения данных (изменение, дополнение, реорганизация данных);

представление доступа к данным (поиск и выдача данных).

Дополнительные функции (диалог, многопользовательский режим и т. д.) могут быть реализованы в виде пакетов программ окружения СУБД.

Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства (специальные языки). Так, определение данных (описание концептуальной, внутренней и внешней структур) обеспечивается с помощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулирования данными и языка запросов.

По типу поддерживаемых структур различают следующие виды СУБД: иерархический, сетевой и реляционный.

Контрольные вопросы по материалу практического занятия №7

1. Что представляет собой информационное обеспечение САПР?

2. Что является целью создания информационного обеспечения САПР?

3. Перечислите основные требования к информационному обеспечению.

4. Что образует информационную базу данных?

5. Приведите схему информационного обеспечения САПР.

6. Как осуществляется взаимодействие в информационном обеспечении?

7. Какие данные относятся к статической информации?

8. Какие данные относятся к динамической информации?

9. Что представляет собой документальная информация?

10. Что представляет собой иконографическая информация?

11. Что представляет собой фактографическая информация?

12. Какие виды автоматизированных информационных систем Вы знаете?

13. Чем обеспечивается функционирование информационных систем?

14. Какая информация хранится и обрабатывается в информационно-поисковых системах (ИПС)?

15. Для чего служит нормативный словарь (тезаурс)?

16. Назовите функции пакета прикладных программ для ИПС?

17. Назовите типы схем в системах управления базами данных (СУБД).

18. Что представляет собой концептуальный уровень представления информации?

19. Приведите схему отображения уровней информации.

20. Приведите основные функции СУБД.

Литература

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М., Издательство МГТУ им. Баумана, 2002 .

2. Ли Кунву Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб, Питер, 2004.

3. Грувер М., Зиммерс Э., САПР и автоматизация производства. М., Мир, 1987.

4. Журналы САПР и графика.

Практическое занятие №8

Тема: Автоматизированные системы управления.

Цели и задачи: Изучить автоматизированные системы управления предприятием, технологическими процессами, делопроизводством.

После занятия студент должен:

Знать: Характерные особенности автоматизированных систем управления предприятием (АСУП), функции автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), автоматизированные системы делопроизводства (АСД).

Уметь: Определить перечень работ по включению системы автоматизированного проектирования в общее информационное пространство предприятия.

Для выполнения практической работы необходимо:

1. Проработать теоретический материал по теме: «Автоматизированные системы управления».

Понятия, которые необходимо рассмотреть на занятии:

Системы управления в промышленности, как и любые сложные системы, имеют иерархическую многомодульную структуру. Если предприятие является концерном (научно-производственным объединением) и его можно рассматривать как систему верхнего уровня, то следующими уровнями по нисходящей линии будут уровни завода, цеха, производственного участка, производственного оборудования. Автоматизация управления на различных уровнях реализуется с помощью АСУ.

Среди АСУ различают АСУП и АСУТП.

Функции АСУП в различных сочетаниях объединяются в несколько групп, соответственно появляются упомянутые выше разновидности АСУП с названиями ERP, MRP, MES, SCM и др. Иногда функции управления поставками и отношениями с заказчиками относят к функциям ERP, но часто эти функции реализуются в самостоятельных системах SCM и CRM соответственно.

В большинстве случаев АСУП охватывает уровни от предприятия до цеха, АСУТП -- от цеха и ниже. Однако на уровне цеха могут быть средства и АСУП, и АСУТП. В то же время в АСУТП могут быть и межцеховые связи, если управление единым производственным процессом выполняется в нескольких цехах.

Характерные особенности современных АСУП.

Открытость по отношению к ведущим платформам (UNIX, Windows, OS/2) и различным СУБД и прежде всего мощным СУБД типа Oracle, Ingres, Informix, Sybase; поддержка технологий типа ODBC (Open Data Base Connection),OLE (Object Linking and Embedding), DDE (Dynamic Data Exchange); поддержка архитектур клиент -- сервер. Важная характеристика -- возможность работы в среде распределенных вычислений.

Возможность сквозного выполнения всех допустимых бизнес-функций или их части, что обеспечивается модульным построением (процедуры, выполняющие эти функции, часто называют бизнес-функциями, а маршруты решения задач управления, состоящие из бизнес-функций, -- бизнес-процессами).

3. Адаптируемость к конкретным заказчикам и условиям рынка.

4. Наличие инструментальных средств, в том числе языка расширения или 4GL (языка четвертого поколения). Так, в R3 используется язык ABAP/L, в Elite Series -- язык Informix-4GL.

5.Техническое обеспечение АСУП -- компьютерная сеть, узлы которой рас положены как в административных отделах предприятия, так и в цехах.

В современных системах выделяют ряд подсистем. Ниже приведен список основных подсистем, встречающихся во многих АСУП, вместе с присущими им функциями.

Календарное планирование производства. Основные функции: сетевое планирование производства, расчет потребностей в мощностях и материалах, межцеховые спецификации и учет движения изделий, контроль выполнения планов.

Оперативное управление производством. Функции: сопровождение данных об изделиях, контроль выполненных работ, брака и отходов, расчет норм расхода ресурсов, управление обслуживающими подразделениями.

Управление проектами. Функции: сетевое планирование проектных работ и контроль их выполнения, расчет потребности в производственных ресурсах.

Финансово-экономическое управление, бухгалтерский учет. Функции: учет денежных средств и производственных затрат, маркетинговые исследования, ценообразование, составление смет расходов, ведение договоров и взаиморасчетов, финансовые отчеты, отчетность по налогам, анализ платежеспособности предприятия.

Логистика. Функции: сбыт и торговля, статистика и анализ реализации, складское обслуживание, управление снабжением, запасами и закупками, управление транспортировкой, оптимизация маршрутов транспортных средств.

Управление персоналом. Функции: кадровый учет, ведение штатного расписания, расчет зарплаты.

Управление информационными ресурсами. Функции: управление документами и документооборотом, инсталляция и сопровождение ПО, генерация моделей и интерфейсов приложений, имитационное моделирование производственных процессов.

Существуют разновидности АСУП со своими англоязычными названиями. Если наиболее общую систему с перечисленными выше функциями называют ERP, то системы, сконцентрированные на управлении производством, оперирующие информацией о материальных потоках и сопровождающих их в процессе производства информационных потоках, называют MRP-2 (Manufacturing Resource Planning или Material Requirement Planning).

В системах ERP важная роль отводится системам управления данными EDM, аналогичным системам PDM в САПР.

Системы MES по своей функциональности близки к системам ERP и имеют ряд подсистем следующего назначения: