Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Основы автоматизированного проектирования

Технический прогресс - это модель воспроизводства людьми технических устройств, являющихся для них, основными средствами повышения качества жизни и утоление их тяги к познаниям.

Ускорение – одна из главных особенностей технического прогресса, выражающаяся в постоянно нарастающем ускорении сменяемости форм, типов, групп и классов технических устройств. Сегодня это свойство технического прогресса проявляется в развитии средств связи и вычислительной техники. Философия этого явления и вытекающие из неё требования к стадиям создания машин наглядно представляется с помощью понятия «жизненный цикл изделия».

Проект – сведения, достаточные для производства изделия и представленные в виде комплекта проектной документации.

Проектирование – процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания ещё не существующего проекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского и конструкторского характера.

Техническое задание (ТЗ) – задание на проектирование, исходное описание проектируемого объекта, содержащее требования к характеристикам и параметрам предмета, условия применения и эксплуатации будущего товара.

Проектное решение – как правило, промежуточный результат проектирования.

Стадии и этапы проектирования

Жизненный цикл изделия – это промежуток времени (рис. 1), проходящий с начала его разработки до момента вывода данного типа изделий из эксплуатации. Жизненный цикл изделия может быть поделён на отдельные периоды времени.

Графическое представление жизненного цикла изделия

Рис. 1. Графическое представление жизненного цикла изделия

Стадия внешнего проектирования – промежуток времени, в течение которого происходит изучение появления спроса на изделие с предполагаемым назначением и характеристиками, формирование требований к изделию и разработка технического задания на его проектирование. На этой стадии проектирования выбираются принцип действия, техническое решение и лучшие значения параметров. Содержание стадии: выяснение назначения изделия, уточнение круга решаемых с его помощью задач, исследование финансовой целесообразности его разработки, исследование свойств внешней среды, в которой изделию предстоит функционировать, изучение допустимых характеристик процессов взаимодействия среды с изделием, формирование начальных представлений о виде и возможностях изделия. Выход стадии – тз, экономическое обоснование целесообразности разработки объекта и техническое задание на его проектирование, требования к его характеристикам, сведения о результатах проведенных исследований, условия испытаний, правила ввода в действие и эксплуатации.

Стадия внутреннего проектирования – период, в течение которого разрабатывается описание проектируемого товара, необходимое и достаточное для его изготовления, и уточняется экономическое обоснование целесообразности его выпуска.

Выход стадии – рабочий проект изделия, т.е. комплект проектно-конструкторской и технологической документации, необходимой и достаточной для серийного изготовления изделия, удовлетворяющего требованиям технического задания, и технико-экономическое обоснование целесообразности его производства.

Большой объём работ на этой стадии обуславливает её разделение на три этапа:

  • этап предварительного проектирования предусматривает формирование технической концепции и основных параметров, фиксирующих облик изделия, устранение неувязок в требованиях технического задания, согласование требований технического задания с возможностями внутреннего проектирования.

Выход этапа – техническое предложение на проектирование изделия (ТП);

  • этап эскизного проектирования предусматривает уточнение параметров и характеристик изделия, необходимое вследствие проектно-конструкторской проработки его основных агрегатов и узлов, формирования их облика, сопровождаемого комплексом экспериментальных исследований и расчётов.

Выход этапа – эскизный проект изделия (ЭП);

  • этап рабочего проектирования предусматривает проработку конструкций всех агрегатов, узлов и деталей изделия, а также технологии их изготовления и сборки.

Выход этапа – рабочий проект изделия (РП).

Технико-экономические расчёты ведутся параллельно рабочему проектированию на каждом из этапов и их результаты постоянно анализируются.

Стадия изготовления и испытаний опытного образца – период, в течение которого изготавливается и испытывается один или несколько образцов изделия.

Содержание стадии: изготовление опытного образца изделия с одновременной отладкой и корректировкой конструкторской и технологической частей рабочего проекта, испытания опытного образца (или партии изделий) в лабораторных и/или полевых условиях для выявления конструктивных недостатков и технологических недоработок, а также для уточнения значений параметров изделия и их соответствия техническому заданию.

Выход стадии – рабочий проект экономически эффективного изделия, скорректированный с учётом выявленных конструктивных и технологических ошибок, полностью приспособленный к условиям конкретного производства.

Стадия серийного выпуска и эксплуатации изделия – период, в течение которого ведётся серийное производство изделия с параллельной его эксплуатацией.

Содержание стадии: серийный выпуск изделий и передача их в эксплуатацию, сопровождающиеся выявлением дефектов конструкции изделия, недостатков в обеспечении его надёжности и долговечности, технологических просчётов.

Выход стадии – документация на модернизацию изделия и технологии его изготовления.

Сокращение продолжительности проектирования

Динамичность производства требует все ускоряющейся перемены существующих технических систем новейшими, сроки морального старения их постоянно сокращаются, но продолжительность стадии эксплуатации сокращаться не может, так как сохраняется необходимость получения от их эксплуатации прибыли, покрывающей прошлые расходы и обеспечивающей создание нового поколения систем и повышение жизненного уровня их производителей. Таким образом, возникает объективная необходимость сокращения продолжительности стадий, связанных с проектированием и наладкой процесса изготовления изделий.

Добиться этого позволяют следующие технические средства.

Автоматизированные Поисковые Системы (АИПС), предназначенные для хранения архива научно-технических и инженерных решений и автоматического поиска решений по поисковым признакам на стадиях внешнего и внутреннего проектирования изделия.

Автоматизированные Системы Научных Исследований (АСНИ), предназначенные для управления экспериментальным оборудованием, регистрации, хранения и обработки любых объемов экспериментальных данных, а также для визуализации и документирования обработанных результатов экспериментов на стадиях внешнего и внутреннего проектирования и опытного производства изделия.

Системы Автоматизированного Проектирования (САПР), предназначенные для выполнения многовариантных расчётов, подготовки и изготовления чертёжной документации, а также внесения изменений и дополнений в уже готовую документацию на стадиях внешнего и внутреннего проектирования изделия.

Автоматизированные Системы Технологической Подготовки Производства (АСТПП), предназначенные для хранения архива технологических решений, их поиска и составления из них технологических маршрутов, подбора и комплектации технологического оборудования, расчёта режимов обработки, выбора инструмента и оснастки на стадиях опытного и серийного производства изделия.

Гибкие Автоматизированные Производства (ГАП), предназначенные для изготовления деталей, а также сборки агрегатов и изделий в целом и обеспечивающие сокращение времени на перенастройку оборудования и подготовку производства к выпуску новых товаров на стадиях опытного и серийного производства изделия.

Задачи автоматизированного проектирования

Автоматизация конкретного процесса проектирования предполагает решение следующих задач:

  • разработка плана приспособления проектных задач к возможностям имеющейся САПР с помощью специальных средств разделения процесса проектирования на иерархические уровни и аспекты и с учётом сохранения за человеком проектных процедур, не поддающихся формализации или требующих неприемлемых затрат времени или средств;
  • разработка математического обеспечения, объединяющего математические модели, методы и алгоритмы, для выполнения необходимых проектных процедур;
  • разработка и комплектование технических средств и специализированной аппаратуры, отвечающих требованиям автоматизированного проектирования;
  • разработка операционных систем, пакетов прикладных программ, программно-информационного обеспечения банков данных.

Классификация проектных процедур

Проектирование объединяет такие процедуры, как синтез структуры, выбор параметров элементов, анализ и принятие решения, которые поэтому считают проектными.

Проектная процедура – это часть этапа проектирования, обязательно завершающаяся получением проектного решения.

Одни и те же проектные процедуры, используемые независимо от назначения проектируемого изделия, а также стадии и этапа его проектирования, называются типовыми (рис. 2).

Задачи синтеза и анализа.

Под синтезом понимаются проектные этапы, направленные на получение новых описаний проектируемого объекта в соответствии с заданными показателями его функционирования. Анализ – это проектные этапы, имеющие целью получение информации о свойствах проектируемого объекта по заданному его описанию. Задачи синтеза связаны с созданием проектных документов и самого проекта, а задачи анализа связаны с оценкой проектных документов.

Блок-схема классификации типовых проектных процедур

Рис. 2. Блок-схема классификации типовых проектных процедур

Процедуры синтеза делятся на процедуры структурного и параметрического синтеза.

Поиск рационального технического решения при выбранном физическом принципе действия осуществляется методами структурного синтеза. Определение оптимальных значений параметров элементов технической системы известной структуры представляет собой задачу параметрического синтеза, или параметрической оптимизации.

Целью структурного синтеза является определение структуры объекта – перечня типов элементов, составляющих объект, и способа связи элементов между собой в составе объекта.

Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности, влияющих на выходные параметры объекта, т.е. при параметрическом синтезе нужно найти точку или область в пространстве внутренних параметров, в которых выполняются те или иные условия.

Синтез – создание описания проектируемого изделия.

Параметрический синтез – определение номенклатуры параметров, характеризующих изделие и его элементы при заданной структуре и условиях работоспособности.

Структурный синтез – определение структуры объекта.

Анализ – определение свойств изделия и исследование его работоспособности на основании имеющегося описания.

Одновариантный анализ – однократное нахождение значений параметров, характеризующих изделие, при заданных структуре, условиях эксплуатации и работоспособности.

Многовариантный анализ – многократное выполнение процедуры одновариантного анализа.

Типичная последовательность проектных процедур

При проектировании типовые проектные процедуры обычно выполняются в традиционной последовательности, называемой типичной последовательностью проектных процедур (рис. 3). Такая последовательность не является строго обязательной во всех случаях, но использование её в качестве отправной значительно облегчает разработку нового или модификацию уже существующего процесса проектирования.

Блок-схема типичной последовательности проектных процедур

Рис. 3. Блок-схема типичной последовательности проектных процедур

Процедуры, включённые в блок-схему алгоритма на рис. 3, вместе образуют процедуру синтеза и предусматривают преобразование информации на одном из (в примере – уровень «n») иерархических уровней описания изделия. В их последовательности процедура «Составление ТЗ» является конечной и предполагает разработку тз для проектных процедур следующего, расположенного ниже порядкового уровня.

Синтез структуры – синтез первичного варианта структуры проектируемого образца, являющийся, результатом выполнения поисковых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (окр), обогащённых имеющимся опытом проектирования аналогичных изделий.

Создание модели – создание либо математического функционирования изделия, либо его масштабной физической модели, отражающей существенные с точки зрения проектировщика свойства. Возможно использование и комбинированных физико-математических моделей.

Выбор параметров – задание диапазонов или фиксированных значений параметров среды и изделия, знание которых необходимо для выполнения расчётов по математической модели или для организации экспериментальных исследований.

Анализ – выполнение любой процедуры, позволяющей получить результаты, пригодные для количественной оценки.

Оформление документации – освещение всех принятых решений в символьном и графическом виде на бумажных и магнитных носителях, например, чертежи, спецификации, схемы электрические, перечни элементов. Этой операцией заканчивается изготовление окончательного для данного иерархического уровня варианта описания.

Составление ТЗ – разработка технического задания на проектирование свойств объекта.

Комплекс средств автоматизации проектирования

САПР можно определить, как организационно-техническую систему, используемую в ходе автоматизированного проектирования и состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации. В свою очередь, комплекс средств автоматизации проектирования складывается из различных видов обеспечения автоматизированного проектирования.

Техническое обеспечение

Техническим обеспечением называется совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для ведения автоматизированного проектирования.

По назначению технические средства могут быть разделены на следующие группы:

  • средства программной обработки данных, с помощью которых реализуются преобразования информации и программное управление вычислениями;
  • средства ввода данных, с помощью которых информация, размещённая на носителях разного рода, заносится в средства программной обработки данных;
  • средства диалога, реализующие диалог человека со средствами программной обработки данных;
  • средства архивации проектных решений на машинных носителях информации, с помощью которых данные записываются на внешние запоминающие устройства, хранятся там и считываются оттуда;
  • средства документирования данных, с помощью которых информация выводится на бумажные носители в виде, привычном для человека;
  • средства передачи данных, с помощью которых организуется связь между территориально удалёнными устройствами САПР.

Комплекс технических средств (КТС) САПР – система технических устройств, обеспечивающих функционирование подсистем САПР. Требование к КТС САПР:

  • системные;
  • функциональные;
  • технические;
  • организационно- эксплуатационные.

Системные:

  • эффективность – КТС обязан обеспечивать эффективное выполнение всей совокупности функций АП с целью получения достаточно качественных решений и проектной документации в приемлемые сроки;
  • универсальность – обеспечение выполнения всего процесса проектирования без перестройки КТС;
  • совместимость – средства, входящие в КТС САПР, должны быть технически и информационно совместимы;
  • гибкость и открытость – т.е. допускать перестройку КТС в достаточно широких пределах и позволять замену устаревших средств, модернизацию и расширение состава;
  • надёжность – необходима для полноценного функционирования в течении всего цикла проектирования;
  • точность – зависит от порядка округления, разрядности, сбоев в оборудовании, защищённости от внешних воздействий;
  • защищённость – КТС САПР должен быть защищён от внешних воздействий (помех, сбоев в системе питания, некомпетентного и несанкционированного вмешательства); возможность одновременной работы достаточно широкого круга
  • пользователей – КТС реализовать САПР, являющуюся системой группового пользования для достаточно большого количества специалистов (разработчиков САПР, проектировщиков и т.д.);
  • приемлемая стоимость – стоимость КТС должна быть такая, чтобы созданная на его базе САПР обеспечила приемлемый экономический эффект.

Функциональные КТС САПР должен обеспечивать:

  • реализацию математических моделей;
  • задач принятия решений и проектных процедур;
  • архивов, библиотек проектных решений и типовых элементов;
  • системы поиска данных;
  • обеспечение наглядности информации;
  • работы с графическим изображением – возможность работы, как в пакетном, так и в диалоговом режиме;
  • документирование результатов проектирования;
  • выдача результатов на технологическое оборудование.

Технические

Закладываются на этапе разработки ТС. Выражаются в виде количественных, качественных и номенклатурных значений характеристик и параметров:

  • производительность;
  • быстродействие;
  • пропускная способность;
  • разрядность;
  • система кодирования информации;
  • ёмкость ОЗУ;
  • виды носителей данных.

Организационно-эксплуатационные

Предъявляются к КТС, вспомогательному оборудованию, рабочим местам, помещениям, персоналу с целью обеспечения нормальных условий эксплуатации и обслуживания САПР

  • эргономика и техническая эстетика;
  • безопасность персонала при эксплуатации;
  • подготовка персонала;
  • централизованное техническое обслуживание;
  • звукоизоляция.

Отдельный модуль комплекса технических средств, используемый для автоматизации проектирования, называют автоматизированным рабочим местом (АРМ) или рабочей станцией. Номенклатура технических устройств, входящих в АРМ (рис. 4), определяет его минимальную, промежуточную или максимальную конфигурацию

Структура минимальной и расширенной комплектации АРМ

Рис. 4. Структура минимальной и расширенной комплектации АРМ

Системный блок – шасси для размещения устройств:

  • материнской платы;
  • процессора, сопроцессора;
  • оперативной памяти;
  • контроллеров, шин;
  • устройств хранения данных;
  • вспомогательных устройств.

Клавиатура – средство диалога для ввода символов в ОЗУ;

Монитор – средство диалога для отображения текстовой и графической информации;

Дигитайзер (мышь, джойстик, шлем или иное) – средство диалога для оптимизации работы с редакторами;

Сканер – средство считывания, оцифровки и ввода в ОЗУ графической информации в растровом виде;

Принтер – средство вывода символьной и графической информации;

Плоттер – средство вывода большеразмерной графической информации.

По назначению технические средства делят на группы:

  • средства программной обработки данных, с помощью которых реализуются преобразования информации и программное управление вычислениями;
  • средства ввода данных, с помощью которых информация, размещённая на носителях разного рода, заносится в средства программной обработки данных;
  • средства диалога, реализующие диалог человека со средствами программной обработки данных;
  • средства архивации проектных решений на машинных носителях информации, с помощью которых данные записываются на внешние запоминающие устройства, хранятся там и считываются оттуда;
  • средства документирования данных, с помощью которых информация выводится на бумажные носители в виде, привычном для человека (принтеры матричные, лазерные, струйные, плоттеры струйные или лазерные, с рулонной подачей бумаги или перемещением пишущего устройства по планшету);
  • средства передачи данных, с помощью которых организуется связь между территориально удалёнными устройствами САПР (электрические и оптико-волоконные линии связи, аппаратные интерфейсы).

Алгоритм автоматизированного проектирования – это условная последовательность выполнения проектных процедур, предусматривающая все ситуации, вероятность возникновения которых в ходе проектирования отлична от нуля.

Наиболее значительные трудности при разработке программ автоматизированного проектирования представляет, как раз необходимость заранее предусмотреть все возможные варианты развития событий.

Интересные перспективы в этом плане представляют так называемые само программирующиеся вычислительные системы, способные модифицировать алгоритм своей работы при изменении расчётной ситуации.

В целом математическое обеспечение автоматизированного проектирования опирается на средства математического моделирования, доступные разработчику. Среди них можно выделить следующие методы.

Цифровое моделирование - это способ исследования реальных явлений, процессов, устройств, систем, основанный на изучении их математических моделей с помощью цифровых вычислительных машин (ЦВМ). Программа, выполняемая ЦВМ, также является своеобразной моделью исследуемого объекта. При цифровом моделировании используют специальные проблемно-ориентированные языки моделирования; одним из наиболее широко применяемых в моделировании языков является язык CSMP. Цифровое моделирование отличается наглядностью и характеризуется высокой степенью автоматизации процесса исследования реальных объектов.

Аналого-цифровое моделирование, т.е. способ исследования некоторых объектов в реальном масштабе времени, при котором используется как цифровое, так аналоговое представление величин. Таким образом исследуют управление движущимися объектами, оптимизируют и моделируют системы управления, разрабатывают комплексные тренажёры. Для аналого-цифрового моделирования необходимы гибридные вычислительные системы, представляющие собой комбинированный комплекс из нескольких электронных вычислительных машин, использующих аналоговое и цифровое представление величин и объединённых единой системой управления.

Статистическое моделирование, т.е. численный метод решения математических задач, при котором проведение каждого «эксперимента» распадается на две части: «розыгрыш» случайного исхода W и последующее вычисление функции f (W).

Последовательность действий может быть такой:

  • искомые величины представляют вероятностными характеристиками какого-либо случайного явления;
  • это явление моделируют;
  • нужные характеристики приближённо определяют путём статистической обработки «наблюдений» модели.

Когда пространство всех исходов и вероятностная мера Р слишком сложны, розыгрыш проводится последовательно в несколько этапов.

Статистическое моделирование широко применяется для решения на ЭВМ интегральных уравнений, например, при исследовании больших систем. Они удобны своей универсальностью, как правило, не требуют большого объёма памяти.

Структурное моделирование – составление структурной схемы подлинника с помощью средств вычислительной техники.

Лингвистическое обеспечение

Лингвистическое обеспечение – это совокупность языков (рис. 5), применяемых для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений.

Классификация языков САПР

Рис. 5. Классификация языков САПР

В зависимости от назначения языки САПР разделяются на группы. Языки программирования предназначены для написания программного обеспечения и являются средствами разработчика САПР.

Языки программирования должны:

  • быть удобными для использования, что оценивается затратами времени на освоение языка и написание с его помощью программы;
  • быть универсальными, что оценивается пригодностью языка для описания разнообразных алгоритмов, характерных для САПР;
  • являться пригодными для создания эффективных объектных программ, что оценивается затратами машинных времени и памяти на исполнение программ. С позиций универсальности и эффективности наилучшими являются машинно-ориентированные языки, а с позиций удобства – языки высокого уровня, в основной своей массе близкие по структуре к человеческим языкам романской группы.

Языки проектирования предназначены для описания информации об объектах и задачах проектирования и являются в основном средствами пользователя САПР.

Диалоговые языки являются лингвистическим обеспечением диалоговых режимов, без которых невозможно автоматизированное проектирование.

Диалоговый язык служит для оперативного обмена информацией между пользователем и системой и объединяет в себе средства языков: входного, выходного и сопровождения.

Выходные языки служат для представления результатов проектирования в форме, приемлемой для пользователя.

Входные языки служат для описания проектируемых объектов и для описания заданий на выполнение проектных операций и процедур.

Промежуточные языки служат для стандартизации формы представления данных, которые могут быть описаны на различных входных языках. Использование промежуточного языка позволяет сохранять без изменений основной языковой процессор при обработке исходных текстов, написанных на различных входных языках. Затем основной транслятор переводит описание задачи с промежуточного языка в объектную рабочую программу. При включении в систему нового входного языка достаточно разработать конвертор с этого языка на промежуточный, оставив основной языковой процессор без изменений.

Внутренние языки используются для унификации формы представления информации внутри ЭВМ, что облегчает решение проблем информационного согласования различных программ в САПР.

Языки сопровождения используют для корректировки и редактирования данных в ходе выполнения проектных процедур.

Языки описания заданий служат для описания заданий на выполнение проектных операций и процедур.

Языки описания объектов используют для описания свойств проектируемых объектов.

Схемные языки используют для описания исходной информации, представленной в виде структурных, функциональных и электрических принципиальных схем.

Графические языки используют для описания исходной информации, представленной в виде чертежей, рисунков или эскизов. Получить подробную консультацию или заказать качественное выполнение чертежей вы можете здесь.

Языки моделирования служат для описания алгоритмов функционирования объектов.

Автоматизация конструкторского проектирования

Конструкторское проектирование – это определение геометрических форм объекта проектирования и его элементов, а также их взаимного расположения в пространстве (рис. 6).

Классификация задач конструкторского проектирования

Рис. 6. Классификация задач конструкторского проектирования

Геометрическое проектирование

В число основных процедур геометрического проектирования включают моделирование и синтез, к которым иногда относят и документирование результатов проектирования.

Теоретическими основами геометрического моделирования являются аналитическая геометрия, теория множеств, теория графов и алгебра логики. Различают два метода геометрического моделирования:

Геометрическое моделирование и синтез форм деталей – совокупность операций и процедур, направленных на создание и/или изменение геометрической модели изделия, отражающей его геометрические свойства.

  • геометрическое моделирование объектов твёрдого тела, при котором поверхность объекта образована поверхностями базовых объектов;
  • геометрическое моделирование скульптурных поверхностей сложной формы, в том числе динамических поверхностей, т.е. поверхностей, взаимодействующих с внешней средой, и поверхностей, к которым предъявляются повышенные эстетические требования.

Геометрические модели используют в следующих целях:

  • описание геометрических свойств объекта конструирования (форма, расположение в пространстве);
  • решение геометрических задач (позиционных и метрических);
  • преобразование формы и положения объектов;
  • ввод графической информации.

В зависимости от назначения геометрической модели возможны различные способы её создания:

Аналитический способ создания геометрической модели – это система уравнений, описывающих контуры или поверхности объекта. Аналитические модели служат для описания элементарных геометрических объектов, с помощью которых составляются модели «твёрдого тела», наиболее часто употребляемые при конструировании сплошных деталей, получаемых штамповкой и резанием.

Алгебрологический способ создания геометрической модели – это совокупность уравнений ориентированных поверхностей, теоретико-множественной формулы и параметров системы координат изделия.

Объединение множеств А и В – это множество элементов, принадлежащих любому из множеств А или В (рис. 7). Формальная запись этого события: А U В.

Объединение множеств А и В

Рис. 7. Объединение множеств А и В

Пересечение множеств А и В – это множество элементов, принадлежащих одновременно и множеству А и множеству В (рис. 8). Формальная запись этого события: А ∩ В.

Пересечение множеств А и В

Рис. 8. Пересечение множеств А и В

Разность множеств А и В – это множество элементов, принадлежащих тому из множеств, из которого вычитается другое множество (рис. 9). Например, формальная запись события, при котором из множества А вычитается множество В, будет такова: А\В.

В качестве примера рассмотрим формирование плоской фигуры (рис. 10) из примитивов D1 (квадрат), D2 (квадрат), D3 (круг) и D4, объединенных логическим выражением:

((D1 U D2)\D4\D3

Разность множеств А и В

Рис. 9. Разность множеств А и В

Плоская фигура составленная из примитивов

Рис. 10. Плоская фигура, составленная из примитивов, находящихся в следующих логических отношениях: ((D1UD2)\D4)\D3

Канонический способ создания геометрической модели – это совокупность параметров, однозначно определяющих геометрическую форму моделируемого объекта. Эти модели целесообразно использовать в случаях, когда в геометрических объектах удаётся выделить такие параметры.

Рецепторный способ создания геометрической модели – это совокупность достаточно маленьких ячеек 3-D пространства или плоскости, которые могут находиться в двух состояниях: активированном – тогда эта ячейка пространства непрозрачна и видима, и нейтральном – тогда эта ячейка прозрачна и невидима. Контур изображения образуется возбуждёнными рецепторами. Рецепторные модели служат для моделирования внешнего облика изделий.

Каркасный способ создания геометрической модели – это совокупность поверхностей, каждая из которых определена своим дискретным каркасом.

Дискретный каркас поверхности – дискретное множество линий, заданных отдельными значениями параметров, определяющих положение линии в пространстве. Эти модели используются при воспроизведении объектов с помощью станков ЧПУ, 2-D и 3-D принтеров.

Кинематический способ создания геометрической модели – это комплекс поверхностей, каждая из которых определена непрерывным каркасом. Поверхность вращения – результат вращения плоской кривой вокруг оси. Непрерывный каркас поверхности может быть также получен при аппроксимации дискретного каркаса поверхностями третьего порядка сплайнами. Кинематические модели используются при проектировании архитектурных поверхностей. В ходе геометрического моделирования решаются позиционные и метрические задачи. К позиционным задачам относятся: определение атрибутов точки замкнутой площади, установление факта пересечения или касания плоских и объёмных тел в процессе их движения, оценка минимального и максимального расстояний. К метрическим задачам относится определение геометрических параметров изделия, таких, как площадь, масса, момент инерции, объём, координаты центра масс. Для этого анализируемый геометрический объект делится на составляющие его объекты элементарной формы и геометрические параметры устанавливаются сначала для элементарных объектов, а затем для всего целого.

Геометрический синтез – совокупность проектных операций и процедур, имеющих целью конструирование поверхности проектируемого изделия.

Задачи формирования сложных геометрических объектов решаются компоновкой сложных поверхностей из поверхностей элементарных. В принципе поверхность любой сложности можно задать как единый геометрический объект, но в большинстве случаев удобнее представить такую поверхность состоящей из нескольких более простых. Задачи синтеза формы проектируемого изделия сводятся к конструированию формы, обеспечивающей изделию оптимальное функционирование. Критерии оптимальности зависят от его назначения: аэродинамическое сопротивление – для корпусов транспортных средств, теплоотдача – для агрегатов, нуждающихся в определённом температурном режиме, рабочие сопротивления – для землеройных органов.

Документирование – совокупность проектных операций и процедур, предназначенных для представления результатов проектирования в виде комплекта документации. К видам такой документации могут быть отнесены техническое задание, техническое предложение, технический или рабочий проекты, а также части любого из этих документов. Задачи оформления текстовой и графической документации различаются типом технических и программных средств, привлекаемых для их решения.

Топологическое проектирование

Топологическое проектирование – конструирование структуры проектируемого изделия с учётом его функциональных характеристик.

Топологический синтез – совокупность проектных операций и процедур, имеющих целью создание структуры проектируемого изделия.

Задачи компоновки решаются в ходе преобразования функциональной схемы соединения логических элементов проектируемого объекта в схему соединения типовых конструктивных элементов. Например, задача компоновки механизма решается в ходе превращения его кинематической схемы в сборочный чертёж, определяющий номенклатуру, типы и типоразмеры узлов и крепёжных деталей, составляющих механизм, их взаимное расположение, способы соединения и функционирования.

Основными для компоновки критериями могут быть: минимум типов конструктивно законченных частей, плотность компоновки, минимум соединений между устройствами. Внешние соединения между частями схем являются одним из факторов, определяющих надёжность устройства в целом. По учёту различных объединений требований в процессе компоновки задачи конструирования можно разбить на два класса.

Первый класс задач – разбиение схем на модули с учётом таких ограничений, как количество элементов в модулях, число внешних выводов модулей, суммарная площадь, занимаемая элементами и соединениями в модулях и т.п.

Главные критерии – минимум числа образуемых связей, минимум числа внешних выводов.

Второй класс задач – компоновка модулей с учётом как конструктивных, так и функциональных характеристик. Такие задачи возникают при переходе от логических схем к принципиальным и сводятся к назначению элементов логической схемы в типовые модули из заданного набора. Набор типовых модулей должен обеспечивать реализацию логической схемы, т.е., содержать все её логические элементы. Основные критерии – минимум числа и типов модулей в компоновке, минимум числа межмодульных соединений.

Оптимизационные алгоритмы компоновки делятся на две группы: приближённые и точные. Приближённые методы не гарантируют нахождение экстремума, но позволяют получить удовлетворительный результат за маленькое время. Точные методы дают наилучшее значение критерия, но требуют значительных затрат времени, быстро возрастающих с увеличением количества критериев оптимизации.

Задачи размещения сводятся к оптимизации пространственного расположения конструктивных модулей в объёме проектируемого изделия. В качестве критериев оптимизации могут выступать такие характеристики, как свобода доступа к каждому из агрегатов, вероятность воздействия одного агрегата на другой, возможность совместной работы агрегатов.

Задачи трассировки сводятся к определению геометрии соединений элементов при условии обеспечения какого- либо требования. Необходимость решения задач трассировки возникает, как правило, при проектировании электрических, пневматических, гидравлических или аналогичных систем. Часто трассировка однозначно задаётся в ходе решения задачи размещения или в ходе функционального проектирования.

Топологический анализ – объединение проектных операций и процедур, имеющих целью оценку результатов конструкторского проектирования на основе функциональных моделей.

Задачи одновариантного анализа сводятся к расчёту значений выходных параметров проектируемого изделия. Такие расчёты на этапе проектирования могут быть выполнены только с помощью математических моделей, описывающих функционирование изделия.

Задачи многовариантного анализа сводятся к расчёту показателей, как правило, вероятностной природы, таких, как надёжность, наработка на отказ, эксплуатационная производительность машин и комплектов машин, график поставки запчастей. Эти расчёты выполняются по статистическим и имитационным моделям.

Системный подход к проектированию

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Как правило, разработчики технических систем используют системный подход ориентировочно, но опыт проектирования показывает, что без применения правил системного анализа этого, как правило, недостаточно для решения подавляющего большинства стоящих перед ними задач.

Основной принцип системного подхода – рассмотрение частей явления или сложного объекта с учётом их взаимодействия. Это позволяет выявить структуру объекта, а также внутренние и внешние связи, определяющие его облик и принципы работы.

Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем, поэтому их разработка и сопровождение невозможны вне методологии системного подхода.

Системный подход – совокупность методологических принципов, позволяющих рассматривать любой объект как систему.

Принципы системного подхода:

При описании изделия как системы каждый её элемент описывается с учётом его значения для работы системы в целом.

Исследование системы неотделимо от исследования свойств среды, с которой она взаимодействует.

Исследование процессов возникновения свойств целого из свойств составляющих его элементов и влияния свойств целого на формирование свойств отдельных элементов обуславливает развитие последних.

При системном подходе исследования причин функционирования и развития объекта, должны дополняться исследованиями их целесообразности.

Источник преобразований системы лежит обычно в ней самой, так как сложные системы характеризуются самоорганизацией и самонастройкой.

Системный анализ

Системный анализ – совокупность методов, позволяющих реализовать принципы системного подхода путём фрагментации системы на элементы, её составляющие.

Не всегда для определения системы нужен системный анализ, поэтому методы системного анализа имеют границы.

Выделяют 4 класса проблем по степени детерминированности связей между явлениями и процессами:

  • Стандартные проблемы. Связи здесь строго детерминированы, т.е. изменение фактора – причины ведёт к однозначному изменению результативного признака. Для решения таких проблем используются формализованные методы, в частности, методы исследования операций.
  • Структурированные проблемы. В таких проблемах связи носят корреляционный характер высокой степени тесноты. Изменения факторных признаков отражаются в результативном признаке, как правило, с некоторым интервалом «от» и «до», но нередко однозначно. В основе исследования подобных проблем также лежит применение формальных методов.
  • Слабо структурированные проблемы. Их характерной чертой является невысокий уровень тесноты связей. На результативный признак воздействуют многие факторные признаки – причины. Их воздействие отражается в изменениях результативного признака в очень большом интервале значений. Они и являются основным предметом системного анализа.
  • Неструктурированные проблемы. Связи в такой тип проблемах могут быть установлены только на основе логического анализа. Изменение результативного признака трудно предсказуемо. В неструктурированных проблемах традиционными являются экспертные и эвристические методы исследования. Их особенность состоит в том, что эксперт собирает максимум информации о решаемой проблеме и на основе интуиции выносит заключения и рекомендации.

Системный анализ предназначен для исследования в первую очередь слабоструктурированных проблем.

Особенностями типичных проблем такого рода являются:

  • стратегический и долгосрочный характер;
  • наличие широкого набора альтернатив;
  • неопределённость внешней и внутренней среды системы.

Области приложения системного анализа – это задачи, связанные с анализом целей и функций; задачи определения основных направлений и стратегии развития регионов, отраслей, предприятий и организаций; формирования прогнозов и перспективных планов, целевых комплексных программ; задачи разработки или совершенствования структур; исследование специфических особенностей управления и механизмов обратных связей; определение характера и степени влияния на организацию условий её функционирования; исследования процессов принятия управленческих решений во всех блоках и элементах системы; исследования эмерджентных свойств и их влияния на функционирование системы и другие сложные задачи.

Разновидности САПР

Классификацию осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, целевому назначению, уровню сложности решаемых задач, характеру базовой подсистемы – ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются САПР:

  • для применения в отраслях общего машиностроения или машиностроительные;
  • в области радиоэлектроники;
  • в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число специализированных, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем, летательных аппаратов, электрических машин и т.п.

По целевому назначению различают САПР, обеспечивающие разные аспекты проектирования.

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механических изделий методом конечных элементов (МКЭ), комплекс анализа электронных схем; системы с уникальной архитектурой как программного, так и технического обеспечения.

По характеру базовой подсистемы различают:

САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Они ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе систем относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер.

В настоящее время широко используют унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной.

На базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях.

САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые ПМК. Часто их относят к системам САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

Интегрированные САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления такими сложными системами применяют специализированные системные среды.