Учебное пособие

С.Л. Новокщенов А.Ю. Бойко Г. Л. Дегтярёв
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ: КУРС ЛЕКЦИЙ
Учебное пособие
Воронеж 2006
ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет»
С.Л. Новокщенов А.Ю. Бойко Г. Л. Дегтярёв
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ: КУРС ЛЕКЦИЙ
Утверждено редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2006
1
УДК 621.77.06
Новокщенов С.Л. Основы автоматизированного проектирования: курс лекций: учеб. пособие / С.Л. Новокщенов,
А.Ю. Бойко, Г.Л. Дегтярёв. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский
государственный технический университет», 2006. 124 с.
В курсе лекций «Основы автоматизированного проектирования» изложены основы современных систем автоматизированного проектирования (САПР), описаны базовые компоненты этих систем, рассмотрены модели проектирования технологических процессов и кузнечного оборудования.
Издание соответствует требованиям Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 150200 “Машиностроительные
технологии и оборудование”, специальности 150201 “Машины
и технология обработки металлов давлением”, дисциплине
«Основы автоматизированного проектирования».
Курс лекций подготовлен в электронном виде в текстовом редакторе Ms Word 2003 и содержится в файле «ОСНОВЫ
АП 2006».
Табл. 4. Ил 30. Библиогр.: 6 назв.
Научный редактор профессор В.М. Пачевский
Рецензенты: кафедра начертательной геометрии и графики
Воронежского государственного архитектурностроительного университета (зав. кафедрой
д-р техн. наук проф. Ю.А. Цеханов);
д-р техн. наук, проф. А.Н. Осинцев.
© Новокщенов С.Л., Бойко А.Ю.,
Дегтярёв Г. Л, 2006
© Оформление. ГОУВПО
«Воронежский государственный
технический университет», 2006
2
ВВЕДЕНИЕ
В данном конспекте лекций изложены основные этапы
развития и роль в производственном процессе современных
систем автоматизированного проектирования (САПР), базовые
компоненты этих систем, рассмотрены модели проектирования технологических процессов, штампов и кузнечноштамповочного оборудования. Одними из основных задач инженерной деятельности является решение задач анализа и синтеза конструкций, в связи с чем, в данном конспекте рассматриваются следующие вопросы: виды анализа, подготовка расчетной схем и математических моделей, представление результатов, специализированные интегрированные системы
анализа, многовариантный анализ и оптимизация. Рассмотрены интегрированные комплексы САПР. Приведена характеристика специализированных систем инженерного анализа.
Знаний, полученных студентами специальности 150201
«Машины и технология обработки металлов давлением» при
изучении данного курса лекций помогут в освоении дисциплин
САПР ТО, САПР ТП, а также при выполнении курсовых и
дипломных проектов.
ЧАСТЬ 1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
Лекция №1
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ И ВЫПОЛНЕНИЯ КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ПРИ ПОМОЩИ САПР
Теоретические вопросы:
1.1 Предмет, цель и задачи дисциплины
1.2 Структура и основные принципы построения САПР
3
1.3 Построение систем автоматизированного проектирования
1.1 Предмет, цель и задачи дисциплины
Рост доли автоматизированных производств в мировой
промышленности, поставил также проблему централизованного автоматизированного управления этими производствами.
Сложность реализации такой системы управления привела к
тому, что специалисты в области АСУ занялись в первую очередь автоматизацией собственного рабочего места, а не автоматизацией производства в целом. Поэтому целью изучения
дисциплины “Основы автоматизированного проектирования”
является изучение основных принципов автоматизации проектирования
технологии
и
оборудования
кузнечноштамповочного производства (КШП), а также методов создания моделей и оптимизации конструкций применительно к
принятию решений в системах автоматизированной разработки и проектирования (САПР).
Сам же термин САПР является смысловым эквивалентом
английского CAD (Computer Aided Design) и означает проектирование с помощью ЭВМ. Этап появления вычислительных
машин и массовое их внедрение в человеческую деятельность
принято считать началом второй промышленной революции.
Результатом этого стало повсеместное применение ЭВМ, как в
инженерной деятельности, так и в повседневной жизни, что
объясняется теми огромными возможностями, которые заложили создатели ЭВМ первого поколения. С самого начала развития вычислительной техники образовались два основных
направления ее использования. Первое направление - применение вычислительной техники для выполнения численных
расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно
производить вручную и автоматизации чертежно-графических
4
работ. Становление этого направления способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, развитию класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур
ЭВМ.
Второе направление - это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных
информационных системах. В самом широком смысле информационная система представляет собой программный комплекс, функции которого состоят в поддержке надежного хранения информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сама информация имеет достаточно
сложную структуру. Современные системы автоматизированного проектирования, в силу сложности решаемых задач, объединили в себе оба эти направления и стали основным инструментом современного конструктора, и представляют собой
организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющее автоматизированное проектирование.
Ускорение выпуска изделий, необходимость сокращения
материальных затрат на их изготовление обуславливают жесткие требования к качеству и гибкости производства. Осуществление этих требований стало возможным благодаря широкому применению вычислительной техники на всех этапах
производства: конструкторского проектирования, изготовления изделия, оценки качества производства на основе требуемых и реальных характеристик. Одними из основных компо-
5
нентов автоматизированного производства являются системы
автоматизированного проектирования (САПР) - структуры,
наиболее организованные методически и информационно.
Средства реализации систем САПР предоставляет машинная
графика, обеспечивающая создание, хранение и обработку моделей геометрических объектов (ГО) и их графических изображений (ГИ) с помощью ЭВМ, в частности персонального
компьютера (ПК). Использование ПК в конструкторской деятельности как электронного кульмана значительно облегчает
подготовку конструкторской документации и других графических документов, связанных с изготовлением изделий(например спецификация узлов машины), сокращает сроки
их разработки с улучшением качества. Необходимым условием
реализации алгоритмизированных проектных процедур является наличие соответствующих средств вычислительной техники. В результате процесс автоматизированного проектирования сводится к необходимости решения конечной последовательности задач приемлемой сложности в режиме взаимодействия человека и ЭВМ. Таким образом, автоматизация проектирования (АП) как научно-техническая дисциплина включает в себя:
1) методологию АП;
2) математическое обеспечение, объединяющее математические модели, методы и алгоритмы для выполнения различных проектных процедур;
3) вопросы комплексирования технических средств;
4) вопросы разработки, внедрения и использования программно-информационного обеспечения банков данных, пакетов прикладных программ, операционных систем ЭВМ.
1.2 Структура и основные принципы построения САПР
Системы САПР предназначены для: ввода, хранения, обработки и вывода графической информации в виде конструк-
6
торских документов. Человеку в этом процессе отводится активная роль. На данный момент системы автоматизированного
проектирования классифицируют по так называемой схеме
“трехуровневой классификации систем”, смысл которой состоит в общей оценке ожидаемых результатов от внедрения
конкретной САПР:
 системы нижнего уровня сокращают сроки выпуска
документации, но не гарантируют конструктора от ошибок;
 системы среднего уровня (CAD или CAD/CAM) позволяют создать объемную модель изделия, по которой определяются инерционно-массовые, прочностные и прочие характеристики, а в ряде систем выполняется и подготовка управляющих программ. Экономический эффект - в многократном
повышении производительности труда при резком сокращении
ошибок и, соответственно, затрат на доводку изделия;
 системы высшего уровня (CAD/CAM/CAE/PDM),
кроме перечисленных функций, дают возможность проектировать изделия с контролем технологичности. То есть позволяют
полностью отрабатывать изделия на электронных макетах,
что исключает ошибки в конструкции без изготовления натурных макетов, а также имитировать технологические процессы
на электронных макетах оснастки, что значительно уменьшает
затраты и время на подготовку производства изделия.
Кроме этого, САПР можно классифицировать и по приведенным ниже признакам: Эффективность САПР в значительной мере определяется возможностями прикладного программного обеспечения. Удобство САПР в значительной мере
определяется видом связи с человеком. Наиболее эффективным видом связи является графический диалог, который обеспечивает большую наглядность в передаче информации и позволяет оптимально разграничить функции между человеком и
ЭВМ при одновременном улучшении качества принимаемых
человеком решений. Гибкость САПР с точки зрения расшире-
7
ния возможностей ее использования может быть увеличена,
если программное обеспечение САПР является универсальным
и открытым. Проблемы создания гибкого и универсального
программного обеспечения для систем автоматизированного
проектирования сложных объектов в значительной мере являются проблемами информационного согласования различных
частей программного обеспечения при реализации множества
возможных маршрутов проектирования. Примером такой
наиболее удачной реализации САПР на сегодняшний день является система AutoCAD - универсальная графическая система, в основу структуры которой положен принцип открытой
архитектуры, позволяющей адаптировать и развивать многие
функции AutoCAD применительно к конкретным задачам и
требованиям, что обеспечивается при помощи неотъемлемой
части модуля ADE-3 - языка программирования АВТОЛИСП.
Это в свою очередь позволяет пользователям и прикладным
программистам писать макросы и функции на данном языке
высокого уровня, хорошо сочетающегося с машинной графикой.
Анализ применения САПР показывает, что в них преобладают задачи изготовления рабочей документации (чертежи и
спецификации узлов), инженерных расчетов и технологической подготовки производства. Средства автоматизации проектирования можно сгруппировать по видам обеспечения автоматизированного проектирования следующим образом:
Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Техническое обеспечение делится
на: группы средств программной обработки данных, подготовки и вывода данных, отображения и документирования, архива
проектных решений, передачи данных. Средства программной
обработки данных представлены процессорами и запоминаю-
8
щими устройствами, т.е. ЭВМ, в которых реализуются преобразования данных и программное управление вычислениями.
Средства подготовки, ввода, отображения и документирования
данных служат для общения человека с ЭВМ. Средства архива
проектных решений представлены внешними или внутренними запоминающими устройствами; средства передачи данных
используются для организации связей между территориально
разнесенными ЭВМ и терминалами.
Математическое обеспечение САПР объединяет в себе
математические модели проектируемых объектов, методы и
алгоритмы выполнения проектных процедур, используемые
при автоматизированном проектировании.
Программное обеспечение САПР объединяет собственно
программы для систем обработки данных на машинных носителях и программную документацию, необходимую для эксплуатации программы. Программное обеспечение (ПО) делится на общесистемное, базовое и прикладное. Общесистемное
ПО предназначено для организации функционирования ЭВМ
(операционные системы). Базовое и прикладное ПО создаются
для нужд САПР. В базовое ПО входят программы, обеспечивающие правильное функционирование прикладных программ. В прикладном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.
Информационное обеспечение САПР объединяет всевозможные данные, необходимые для выполнения автоматизированного проектирования. Основная часть информационного обеспечения САПР - банк данных (БНД), представляющий собой совокупность средств для централизованного
накопления и коллективного использования данных в САПР.
База данных (БД) - сами данные, находящиеся на запоминающих устройствах ЭВМ и структурированные в соответствии с принятым в данном БНД правилами. Система управле-
9
ния базой данных (СУБД) - совокупность программных
средств, обеспечивающих функционирование БНД.
Лингвистическое обеспечение САПР представлено совокупностью языков, применяемых для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений.
Методическое обеспечение САПР составляют документы, характеризующие состав, правила отбора и эксплуатации
средств автоматизированного проектирования.
Техническую производительность САПР определяет:
производительность ЭВМ, ее архитектура, связь с другими
ЭВМ, количество и номенклатура внешних устройств.
Функционирование САПР возможно только при наличии
и взаимодействии всех вышеперечисленных средств автоматизированного проектирования. Средства автоматизированного
проектирования объединяются в подсистемы САПР, ориентированные на выполнение определенных совокупностей проектных процедур - проектирующие подсистемы. Кроме проектирующих подсистем в САПР входят также обслуживающие
подсистемы, предназначенные для обеспечения нормального
функционирования проектных подсистем.
Если раньше автоматизированные процессы проектирования создавались для решения проблем, ориентированных на
изделие или учитывающих специфику производства, то последние разработки свидетельствуют о все увеличивающейся
переориентации на создание универсальных методик и решение задач, выходящих за пределы отдельных отраслей производства. Цель такой переориентации - пригодность отдельных
систем для различных отраслей. Универсализация базовых
систем обуславливает снижение расходов пользователя. В связи с вышесказанным стали различать САПР в зависимости от
отношения к объекту проектирования: ориентированные на
него - объектные и объектно-независимые (инвариантные) си-
10
стемы. Появление таких инвариантных систем как AutoCAD,
способствовало этому.
Сердцевиной, центральной частью современных САПР
является ее ядро. Ядро – это библиотека основных математических функций CAD-системы, которая определяет и хранит
внутримашинное представление объекта проектирования,
ожидая команды пользователя, и выполняет управление графикой в реальном масштабе времени. Ядро САПР, предназначенной для автоматизации проектирования конструкций и выпуска конструкторской документации должно обеспечивать
функции:
1) управление работой всех прикладных программ, пользователей и операторов, включая настройку программного
обеспечения на конкретные условия функционирования;
2) разделение работ по выпуску конструкторской документации (КД) на отдельные этапы (расчет, обработка и выпуск КД);
3) формирование заданий на подготовку и накопление их
в очереди к соответствующим компонентам САПР для выполнения;
4) использование графических баз данных и баз данных
спецификаций для подготовки КД;
5) передача заданий на подготовку и выпуск КД по сети в
случае специализации автоматизированных рабочих мест;
6) получение твердых копий КД на соответствующих
устройствах;
7) ведение графических баз данных и баз данных спецификаций;
8) накопление статистики о работе прикладных программ, работе пользователей и операторов, а также об объемах
выпущенной документации.
11
1.3 Построение систем автоматизированного проектирования
Проектирование - связанная совокупность процессов
преобразования одних данных в другие. Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованием и
представлением в принятой форме образа этого объекта. Образ
объекта или его составных частей может создаваться в результате творческого процесса или генерироваться по некоторым
алгоритмам в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. Целью автоматизированного проектирования является синтез
конструктивного варианта объекта в наибольшей степени удовлетворяющего требованиям технического задания. Из-за
сложности автоматизации такого процесса системы автоматизированного проектирования являются сложными и многокомпонентными системами, процессы преобразования данных
в которых весьма разнообразны. Основными этапами автоматизации проектирования являются: 1) поиск принципиальных
проектных решений; 2) разработка эскизного варианта конструкции и его оптимизации; 3) уточнение и доработка выбранного варианта, выполнение полных расчетов; 4) разработка полного комплекта конструкторской документации.
Совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР при выполнении вышеперечисленных операций,
составляет информационный фонд САПР. Проблему организации и ведения информационного фонда САПР рассматривают как в содержательном, так и в организационном аспектах.
Содержательный аспект информации полностью определяется методикой проектирования того или иного технического объекта. Методика процесса проектирования и подготовки
производства машиностроительного изделия обычно включает
в себя: компоновку, кинематические и прочностные расчеты,
разработку технологических процессов изготовления деталей,
производство деталей и т.д. Часто перечисленные виды расче-
12
тов, реализующие типовые инженерные методики, выполняют
в виде машинных процедур, под которыми понимают функционально законченные программы, выполняемые ЭВМ без
вмешательства конструктора.
С организационной точки зрения важно сформулировать
принципы и определить средства ведения информационного
фонда, структурирования данных, выбрать способы управления массивами данных. При этом различают следующие способы ведения информационного фонда САПР: 1) использование файловой системы; 2) построение библиотек; 3) использование банков данных; 4) создание информационных программ адаптеров.
САПР, как система, включает в себя: технические средства, системное программное обеспечение, прикладное программное обеспечение и самого проектировщика. Сложность и
многообразие задач, решаемых САПР, приводит к необходимости дробления программного обеспечения САПР на отдельные программные модули. Первые опыты промышленного
использования САПР показали наиболее рациональные области их первоочередного внедрения. Наибольший успех был
достигнут там, где САПР ограничено связана с существующим
производством и где исполнители благодаря внедрению САПР
освобождались от необходимости решения сложных и рутинных задач.
Технология САПР объединяет проектирование, подготовку производства и контроль качества продукции. Основная
роль при этом принадлежит проектировщику, использующему
соответствующие технические и программные средства. Он
выполняет работу, находясь на автоматизированном рабочем
месте (АРМ) и используя по своему усмотрению те или иные
программные модули САПР.
Здесь следует отметить, что организация автоматизированных рабочих мест является традиционной формой исполь-
13
зования технологий автоматизированного проектирования.
Состав АРМ зависит от характера задач решаемых в проектном подразделении. В большей мере такие задачи связываются
с обработкой информации, представленной в виде рабочих
чертежей изделий, для чего необходимо наличие развитых
средств машинной графики. Для АРМ характерно то, что оно
может работать в двух основных режимах: автономно и в режиме взаимодействия с другими АРМ. В автономном режиме
АРМ функционирует как обособленный (локальный) комплекс, управляющий и решающий проектные задачи. В режиме взаимодействия осуществляется перераспределение вычислительной работы и обмен информацией между ЭВМ различных АРМ посредством компьютерной сети.
Функционирование САПР возможно только при наличии
и взаимодействии всех перечисленных средств автоматизированного проектирования. Процесс автоматизированного проектирования заключается в выполнении маршрутов проектирования с помощью большого количества взаимодействующих
программных модулей. С этой целью средства автоматизированного проектирования объединяют в подсистемы САПР,
ориентированные на выполнение определенных совокупностей проектных процедур. При этом под маршрутом проектирования будем понимать последовательность этапов и (или)
проектных процедур, используемая для проектирования того
или иного технического объекта.
Вопросы для самоподготовки
1. Какие цели и задачи стоят перед конструкторами и
технологами в современных условиях?
2. Что такое САПР?
3. Что собой представляет технология САПР?
4. Какое обеспечение необходимо для функционирования САПР?
14
5. Чем обеспечивается возможность функционирования
САПР?
Лекция №2
ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР
Теоретические вопросы:
2.1 Инструментальная база САПР
2.2 Основные функции и состав операционных систем
2.3 Классификация устройств, обеспечивающих получение
твердых копий конструкторской документации
2.1 Инструментальная база САПР
Материальной основой любой САПР является программно-технический комплекс (инструментальная база), состоящий
из комплекса программных средств и программнометодического комплекса.
Инструментальную базу САПР составляют технические
средства (ТС) и общее программное обеспечение (ПО). Они
образуют физическую среду, в которой реализуются другие
виды обеспечения САПР.
ТС и ПО в процессе проектирования выполняют разные,
но взаимосвязанные функции по обеспечению преобразования
информации и передаче ее в пространстве и времени. Технические средства САПР решают следующие задачи:
1) ввода
исходных данных описания объекта проектирования; 2) отображения введенной информации с целью ее контроля и редактирования; 3) преобразования информации; 4) хранения различной информации; 5) отображения промежуточных и итого-
15
вых результатов решения; 6) оперативного общения конструктора с системой в процессе решения задачи.
Основу технических средств современных САПР составляют электронно-вычислительные машины (ЭВМ). На сегодняшний день наиболее часто применяются IBM-PC или совместимые компьютеры на базе процессоров фирмы Intel. Современный ПК (рис. 1) является и простым и сложным, что
характеризуется списком компонентов, необходимых для
сборки современного ПК: 1) системная плата; 2) процессор; 3)
память (оперативная память); 4) корпус; 5) блок питания; 6)
дисковод для гибких дисков; 7)жесткий диск;
8) накопитель CD-ROM,
CD-R, CD-RW или DVDROM;
9) клавиатура (рис. 5);
10) мышь (рис. 5);
11) видеоадаптер;
12) монитор (дисплей);
13) звуковая плата;
14) акустические систе- Рис. 1. Основные части ПК
мы.
Системная плата - ядро системы. Системная плата обычно содержит следующие компоненты: 1) гнездо процессора; 2)
преобразователи напряжения питания процессора; 3) набор
микросхем системной логики системной платы; 4) кэш-память
второго уровня (кэш L2); 5) гнезда памяти SIMM или DIMM;
6) разъемы(слоты) шины; 7) ROM BIOS; 8) батарею для питания часов и CMOS; 9) микросхема ввода-вывода.
Процессор считывает данные, поступающие через внешнюю соединительную шину данных процессора. Шина данных
непосредственно соединена с главной шиной процессора на
системной плате. Шина данных процессора также иногда
называется локальной шиной, поскольку она локальна для
16
процессора. Принцип устройства и схема работы ПК наглядно
изображена на рис. 3.
Корпус. Корпус
(рис. 4) - это кожух, внутри которого
размещается системная плата, источник питания, дисководы,
платы адаптеров и другие компоненты системы.
Блок питания. Главное назначение блока питания (рис. 5)
- преобразование электрической энергии, поступающей из сети
переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов
компьютера. Блок питания преобразует переменное напряжение +5 и + 12 В, а в некоторых системах (ATX) и в 3,3 В.
Рис. 2. Принцип работы ПК
Рис. 3. Устройства ввода информации
Рис. 4. Общий вид корпуса
Рис. 5. Блок питания
17
Типы микропроцессоров. Классифицировать PC можно
по нескольким различным категориям. Один из примеров
классификации можно проиллюстрировать двумя способами по типу программного обеспечения, которое они могут выполнять, по типу главной шины системной платы компьютера, т.е.
по типу шины процессора и ее разрядности.
В нашей лекции остановимся на втором подходе. Процессор считывает данные, поступающие через внешнюю соединительную шину данных процессора. Шина данных непосредственно соединена с главной шиной процессора на системной плате.
Шина данных процессора также иногда называется локальной шиной, поскольку она локальна для процессора. Если
процессор имеет 32-разрядную шину данных, то главная шина
процессора на системной плате также должна быть 32разрядной. Это означает, что система может пересылать в процессор или из процессора за один цикл 32 разряда (бита) данных. У процессоров различных типов разрядность шины данных различна, причем разрядность главной шины процессора
на системной плате должна совпадать с разрядностью устанавливаемых процессоров. В таблице 1 перечислены все процессоры, выпускаемые фирмой Intel, указана разрядность их шины данных.
Табл. 1
Процессор
Разрядность шины данных
8088
8
8086
16
80286
16
80386SX
16
80386DX
32
80486
32
Pentium
64
Pentium MMX
64
18
Окончание табл. 1
Разрядность шины данных
64
64
64
64
Процессор
Pentium Pro
Pentium Celeron/II/III
Pentium II/III Xeon
Pentium IV
На основе классификации аппаратных средств можно
выделить следующие категории систем: 1) 8-разрядные;
2)
16-разрядные; 3) 32-разрядные; 4) 64-разрядные.
Исходя из этого можно выделить два основных типа систем, или два класса аппаратных средств: 1) 8-разрядные системы (класс PC/XT (XT - eXTended (расширенный);
2)
16/32/64-разрядные системы (класс AT (AT - advanced technology (усовершенствованная технология).
Информационную связь между пользователем и компьютером обеспечивает монитор (дисплей). Можно обойтись и без
принтера, дисководов и плат расширения, но работа без монитора невозможна. Система отображения информации компьютера состоит из двух главных компонентов: 1) монитора (рис.
6); 2) видеоадаптера.
Главным параметром монитора является разрешающая
способность, или разрешение, который представляет собой
размер минимальной детали изображения, которую можно
различить на экране. Данный параметр характеризуется количеством элементов разложения - пикселей. Сигналы управления монитором формирует видеоадаптер. С появлением в 1987
году компьютеров семейства PS2/2 фирма IBM ввела новые
стандарты. Большинство видеоадаптеров, разработанных на
сегодняшний момент, поддерживают по крайней мере один из
следующих стандартов: MDA (Monochrome Display Adapter);
CGA (Color Graphics Adapter); EGA (Enhanced Graphics
19
Adapter); VGA (Video Graphics Array); SVGA (Super VGA);
XGA (eXtended Graphics Array).
Рис. 6. Монитор ПК
Видеоадаптеры современных персональных компьютеров поддерживают несколько нижеследующих стандартных
разрешений, приведенных в табл. 2.
Табл. 2
Размеры
Разрешение,
Наименование
монитопиксели
режима
ра, дюймы
640x480
VGA (Video Graphics Array)
13
800x600
SVGA (Super VGA)
15
1 024x768
XGA (eXTended Graphic Array)
17
1 280x1 024
UVGA (Ultra VGA)
21
2.2 Основные функции и состав операционных систем
Операционная система (ОС) - комплекс системных
управляющих и обрабатывающих программ, предназначенных
для наиболее эффективного использования всех ресурсов ПК и
удобства работы с ним. В программном обеспечении ПК операционная система занимает основное положение, поскольку
осуществляет планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любая из компонент программного обеспечения
обязательно работает под управлением ОС.
20
Кроме рационального распределения всех ресурсов и
увеличения пропускной способности ПК операционная система предоставляет пользователю различные сервисные услуги:
стандартные методы доступа, утилиты, средства отладки, теледоступа и подробной диагностики всех этапов прохождения
задачи, возможности получения аварийных дампов и пр.
Классифицировать операционные системы можно следующим образом: по назначению различают ОС общего и специального назначения; по режиму обработки различают ОС,
обеспечивающие однопрограммный режим обработки задач, и
ОС, обеспечивающие мультипрограммный режим обработки;
по способу взаимодействия с пользователем можно выделить
ОС, взаимодействующие в режиме пакетной обработки задач и
в режиме диалога. Основной функцией САПР является обработка информации, ввод и вывод которой осуществляется с
помощью стандартных процедур, встроенных в операционные
системы.
Ввод и вывод - это процессы, осуществляющие пересылку входных и выходных данных. Операционные системы
обеспечены достаточно сложным математическим обеспечением для управления этими процессами по желанию пользователя. Управление данными осуществляется с помощью
процедур, называемых направленными вводом и выводом,
фильтрами и коммуникациями.
Используя эти процедуры, пользователь может организовать свою линию передачи информации. Кроме этого,
они позволяют ориентировать поток информации на любое
устройство, или в любое место памяти, упорядочить информацию, пропустив ее через фильтр, направляя затем выходной поток, например, на вход системной программы или
обработчика команды. Фильтр - это системная программа
или команда, которая считывает данные с устройства ввода,
некоторым образом упорядочивает их и затем пересылает на
21
заданное устройство вывода. Коммуникация - это соединение двух системных программ или команд, команды с программой или наоборот. Такое соединение обеспечивает
возможность пересылки выходных данных одной программы
или команды на вход другой программы или команды. Одна
из основных обязанностей современных операционных систем- обслуживание (хранение, создание, уничтожение и т.п.)
файлов. Файл в операционной системе это набор взаимосвязанных данных, находящихся в специально отведенном
месте. При обработке файла он загружается в оперативную
память машины. И загрузка в память, и хранение файлов
входят в функции операционной системы. Система управления
файлами в современных операционных системах построена на
использовании данных директория (или каталога) диска.
Директорий - это область памяти на диске, выделяемая в
процессе его форматирования. Директорий представляет собой
таблицу, куда заносятся данные о хранящихся на диске
файлах. Каждому файлу в директории соответствует одна запись. Запись директория включает следующую информацию:
полное имя файла (имя и расширение), дату и время его
создания или последней корректировки, объем занимаемой
памяти в байтах, а также некоторую дополнительную информацию, используемую при обслуживании файла операционной системой.
Стандартом операционных систем для персональных
компьютеров стала операционная система фирмы Microsoft Microsoft Windows. Первая версия операционной системы
Windows была выпущена фирмой Microsoft в 1985 году.
Microsoft Windows - это операционная система с графическим интерфейсом, использующая изображения, значки,
меню и прочие визуальные элементы, призванные помочь
пользователю в управлении компьютером. Операционная система Windows получила свое название от графических окон, в
22
которых она отображает информацию. Любая задача в Windows выполняется в прямоугольной области экрана, которая
называется окном. Размер окон можно менять, а сами окна
перемещать на экране. Окна, которые появляются на заднем
плане, называются оформлением или экраном. При открытии
окна в Windows 9x на панели задач появляется соответствующая ему кнопка, которая остается там до тех пор, пока окно не
будет закрыто. Окно, в котором работает пользователь в данный момент, называется активным.
Окно можно увеличить до максимально возможного размера, щелкнув по кнопке Развернуть (Maximize), расположенной в строке заголовка окна. При этом окно займет весь экран,
а кнопка Развернуть превратиться в кнопку Восстановить (Restore). С помощью кнопки Свернуть (Minimize) можно вообще
убрать окно с экрана, хотя открывшая его программа продолжает работать. Для того, чтобы закрыть окно, следует щелкнуть по кнопке Закрыть (Close).
Концепция Windows изначальна была построена на применении компьютерной мыши при работе в операционной системе. Подавляющее большинство действий в Windows осуществляется с ее помощью. Обычно мышь имеет две кнопки:
основную и вспомогательную.
Роль основной кнопки чаще всего выполняет левая кнопка, которая используется для быстрого выполнения конкретных действий. Правая кнопка используется для программирования и быстрого вывода на экран контекстных меню. Существует пять основных операций, которые можно произвести с
помощью мыши: 1) указать; 2) щелкнуть кнопкой; 3) выполнить двойной щелчок; 4) щелкнуть правой кнопкой; 5) перетащить объект.
Наиболее распространенные в середине 90-х годов XX
века версии Windows 3.0, Windows 3.1, Windows 3.11 и Windows for Workgroups рассматриваемой операционной системы
23
нельзя назвать полноценными операционными системами.
Они были созданы в виде графических надстроек над операционной системой DOS. Существенного различия между 16разрядными вышеперечисленными версиями Windows нет.
Однако основным недостатком Windows 3.1 и 3.11 - отсутствие поддержки сети. Главное отличие операционных систем
Windows 9x и выше состоит в появлении рабочего стола и панели задач, как основных инструментов, предназначенных для
облегчения управления системой.
Операционные системы Microsoft Windows 9x являются
уже полноценными операционными системами и запускаются
сразу же после выполнения процедур начальной загрузки (boot
cycle), в процессе которой производится системная проверка
правильности подключения и нормального функционирования
оборудования. Прикладные программы, с которыми работает
пользователь, представлены в Windows маленькими графическими символами, которые называются значками. С их помощью можно быстро открывать нужные файлы или папки и запускать программы.
2.3 Классификация устройств, обеспечивающих получение
твердых копий конструкторской документации
Далее рассмотрим более подробно назначение и особенности работы вышеперечисленных технических средств
САПР.
Сканеры
Сканер (рис. 7) – устройство, передающее оцифрованные
данные в компьютер. Сканеры можно разделить на несколько
групп: по типу интерфейса, способу формирования сигнала и
типу сканируемых документов.
После сканирования документа с помощью специальных
программ данные передаются в компьютер для обработки, т.е.
сканированное изображение можно сохранить в виде файла.
24
Рис. 7. Различные модели сканеров
Самый старый тип сканера – ручные сканеры, разработанные еще в конце 80-х годов XX века фирмами Logitech и
Genius. В основу работы ручных сканеров положен процесс
регистрации отраженных лучей светодиодов от поверхности
сканируемого документа. Пользователь медленно перемещает
сканер по поверхности документа, а отраженный луч принимается с помощью линз и преобразуется в цифровую форму [8].
Постепенно ручные сканеры вытесняются сканерами, которые
используют иную технологию сканирования, но сохраняют ту
же относительно невысокую цену. Речь идет о сканерах, использующих устройство подачи оригинала относительно неподвижного блока сканирования. В отличие от ручных и листопротяжных сканеров настольные модели имеют более точный механизм рег0истрации отраженного луча. В этих моделях луч проходит более длинный путь после и даже до сканирования, поскольку для сканирования цветных изображений
он проходит через светофильтры для разложения на красную,
зеленую и голубую составляющие.
Луч света при этом падает на оригинал, отражается от
него и через систему зеркал попадает на светочувствительные
диоды, где преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал
поступает на аналогово-цифровой преобразователь, где конвертируется в сигнал, представляющий собой пиксели оригинала. Эта цифровая информация передается в компьютер для
дальнейшей обработки.
25
Получение твердых копий
Отображение результатов в графической форме является
наиболее эффективным способом представления информации
при автоматизированном проектировании и технической подготовке производства. Важным вопросом при внедрении
САПР является рациональный выбор технических средств.
Основными факторами при осуществлении этого выбора
является производительность ЭВМ, возможность связи с другими ЭВМ, количество и номенклатура внешних устройств,
что определяет техническую производительность САПР. При
определении состава технических средств САПР исходят из
требований экономичности системы и соображений удобства
пользователя. В современных САПР преобладают задачи автоматизированного выполнения конструкторской документации. Понятие “автоматизация“ означает замену действий человека в процессе проектирования энергией неживой природы.
Следовательно, объектом автоматизации в проектировании
являются работы, действия человека, которые он выполняет в
процессе проектирования, а то, что проектирует, называют
объектом проектирования.
Технология печати
На сегодняшний день существует три основные технологии печати: 1) лазерная; 2) струйно-чернильная; 3) матрица
точек. Для описания контрастности и качества напечатанного
образца используется термин разрешение (resolution). Во всех
рассматриваемых технологиях печати изображение создается
посредством ряда точек на бумаге. Разрешение принтера, а,
следовательно, и качество печати зависит от размера и количества этих точек. Разрешение принтера обычно измеряют в точках на дюйм (dots per inch – dpi) или другими словами это количество отдельных точек, которые может напечатать принтер
на линии длиной в один дюйм. Существуют принтеры, у кото-
26
рых разрешения в двух направлениях различаются. Улучшить
качество изображения можно путем изменения размера точки,
не увеличивая при этом разрешения.
Этот метод впервые был предложен фирмой Hewlett
Packard и получил название технология улучшенного разрешения (Resolution Enhancement Technology – RET). При этой технологии точки меньшего размера помещаются в “углы”, образованные большими точками. Существует еще один способ
увеличения разрешения изображения, называемый интерполяцией (interpolation). На качество изображение влияет так же и
качество бумаги.
Струйные принтеры
Основное различие между струйными (рис. 8) и лазерными принтерами связано с процессом формирования изображения на листе бумаги. В струйных принтерах ионизированные капельки чернил через сопла распыляются на бумагу. Распыление происходит в тех местах, где необходимо сформировать буквы или изображения.
Рис. 8. Различные модели струйных принтеров
На сегодняшний день существует два основных типа
струйной печати: термическая и пьезоэлектрическая. Эти термины описывают технологию разбрызгивания чернил из картриджа через сопла. Картридж состоит из резервуара с жидкими
чернилами и небольшими отверстиями, сквозь которые чернила выталкиваются на бумагу. В цветных принтерах используются четыре резервуара с различными цветными чернилами.
27
При смешивании этих четырех цветов можно воспроизвести
практически любой цвет.
Лазерные принтеры
Лазерный принтер (рис. 9) работает следующим образом:
на фоточувствительном барабане с помощью луча лазера создается электростатическое изображение страницы. Помещенный на барабан специально окрашенный порошок, называемый тонером, “прилипает” только к той области, которая
представляет собой буквы или изображения и прижимается к
листу бумаги, перенося на нее тонер. После закрепления тонера на бумаге получается готовое изображение. Подобная технология используется в копировальных аппаратах.
Процесс печати документа на лазерном принтере состоит
из следующих этапов: 1) подключение; 2) обработка данных;
3) форматирование; 4) растеризация; 5) лазерное сканирование; 6) наложение тонера; 7) закрепление тонера.
Рис. 9. Различные модели лазерных принтеров
Для того чтобы напечатать документ, вначале необходимо отправить задание печати с компьютера на принтер. Чтобы
хранить задания печати используется память принтера. Процесс временного хранения заданий перед их печатью называется спулингом печати (print spooling).
28
Плоттеры
Устройство, позволяющее представлять выводимые из
компьютера данные в форме рисунка или графика на бумаге,
называют обычно графопостроителем, или плоттером (Plotter).
Из этого определения, в частности, следует, что в качестве
плоттера с успехом может использоваться соответствующий
принтер. Первыми появились и традиционно широко используются перьевые плоттеры. Основной конкурент для них —
струйные плоттеры, использующие более современную технологию печати. Существующие на сегодня перьевые плоттеры
условно можно разделить на три группы:
1) плоттеры, использующие фрикционный прижим для перемещения бумаги в направлении одной оси и движения пера по
другой; 2) барабанные (или рулонные плоттеры), работающие
примерно так же, как и фрикционные, но использующие для
перемещения непрерывной перфорированной ленты бумаги
специальный трактор (Tractor Feed); 3) планшетные плоттеры,
в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по обеим
осям.
Наиболее часто с персональными компьютерами используются первый и третий типы графопостроителей, которые
рассчитаны на форматы бумаги A3 или A4. Тем не менее, существуют планшетные графопостроители даже для формата
A0 (рис. 10). Барабанные плоттеры обычно применяются для
вывода длинных непрерывных графиков, диаграмм и больших
чертежей, что характерно обычно для задач, связанных,
например, с САПР. Различные модели плоттеров (рис. 10) могут иметь как одно, так и несколько перьев различного цвета
(обычно 4-8). Перья бывают трех различных типов: 1) фитильные (заправляемые чернилами); 2) шариковые (аналог шариковой ручки); 3) трубчатым пишущим узлом (инкографы).
Для заправки последнего типа перьев применяется специальная тушь. Связь с компьютером плоттеры, как правило,
29
осуществляют через последовательный, параллельный или
SCSI-интерфейс. Некоторые модели графопостроителей оснащаются встроенным буфером (1 Мбайт и более).
Дальнейшим развитием технического обеспечения САПР
является появление так называемых инженерных машин фирмы OCÉ (рис. 11), которые объединяют все вышеперечисленные машины. В январе 2001 компания Océ Technologics объявила о выпуске новой серии систем для технического документооборота Technical Document Solution (TDS). Это серия
решений для печати, тиражирования и сканирования широформатных документов.
Рис. 10. Различные модели плоттеров
Эти системы спроектированы для пользователей с большими объемами работ в областях, где высоки требования к
производительности и качеству, а наличие цвета не требуется:
проекты САПР, сложный технический дизайн, архитектура,
документооборот, картография. Система формирования изображений LED (Light Emitted Diod) с разрешением 300 dpi. Система тонера закрытая, что дает возможность без особых
сложностей произвести заправку даже между двумя последовательными заданиями. Скорость печати составляет порядка 3
погонных метра в минуту или 50 мм в секунду, что обеспечивает вывод формата А0 в режиме многократного вывода менее
чем за 40 секунд.
30
Система имеет модульную архитектуру, центральное место в которой занимает контроллер Power Logic. В зависимости от характера задач, для решения которых вы приобретаете
подобную систему можно выбрать следующие варианты:
1) TDS Scanning solution - решение для сканирования.
Служит для сканирования широформатных документов по сети и в Web, реализуется с помощью сканера, контроллера Power Logic и программного обеспечения (ПО) Scan Logic;
Рис. 11. Инженерная машина
Архитектура системы
2) TDS Printing solution - решение для печати. Обеспечивает печать документов с рабочих станций, расположенных в
локальной вычислительной сети и Internet. Необходимые модули- плоттер, контроллер Power Logic и ПО Print Exec LT;
3) TDS Printing, Copying, Scanning Solution - многофункциональная система для печати, сканирования и тиражирования широкоформатных документов. Состоит из плоттера, сканера, контроллера, ПО Print Exec LT и Scan Logic.
К достоинствам инженерных машин можно отнести:
1) высокую производительность; 2) небольшие эксплуатационные расходы; 3) возможность использования бумаги вторичной переработки; 4) высокую точность при отсутствии
ограничений по длине выводимых изображений.
31
Технология печати, применяемая в системах - электрографическая с использованием селенового барабана с органическим фоточувствительным покрытием. В основе электрографической изображений печати лежат процессы формирования изображений, отличные от струйной технологии. Для создания на бумаге копии цифрового изображения документа
используется следующая последовательность действий: 1) Зарядка барабана. Селеновый барабан представляет собой
устройство со светочувствительным покрытием. Для того, чтобы притягивать тонер, он получает отрицательный электрический заряд; 2) Экспозиция. Поверхность барабана выборочно
засвечивается посредством направленного сигнала, поступающего из массива точечных полупроводниковых светодиодов
(Light-Emitted Diod array); 3) Проявка. При вращении барабана
на него равномерно поступает мелкий магнитный порошок тонер, который удерживается на разряженных участках барабана. Изображение становится видимым как распределенный
слой тонера на нейтральных участках барабана; 4) Перенос.
Для переноса изображения на бумагу применяется положительный заряд, который устанавливается под носителем в месте его соприкосновения с барабаном. Таким образом, тонер
оказывается на бумаге; 5) Нагрев и фиксация. Бумага с нанесенным тонером проходит через печь, в которой тонер нагревается и фиксируется; 6) Очистка и восстановление барабана.
Перед следующим циклом печати барабан подвергается очистке. С него удаляются остатки тонера, а затем на барабане вновь
формируется отрицательный заряд.
Для обеспечения САПР методической базой служат специализированные базы данных.
Вопросы для самоподготовки
1. Что собой представляет АРМ конструктора?
32
2. Какие устройства включает в себя инструментальная
база САПР?
3. Как работает сканер?
4. На чем основаны технологии получения твердых копий конструкторско-технологической документации в настоящее время?
5. Для чего предназначены инженерные машины?
Лекция №3
ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ В САПР
Теоретические вопросы:
3.1 Общие положения
3.2 Внутримашинное представление объектов проектирования
3.3 Организация обмена данными. Компьютерные сети
3.1 Общие положения
Важнейшая задача компьютерных систем - хранение и
обработка данных. Для эффективного функционирования
программного обеспечения САПР необходима соответствующая организация данных, которая основана на модели объекта
проектирования и может быть реализована средствами банка
данных.
Проблематика моделирования данных предполагает такое представление данных, которое наиболее адекватно отражает реальный мир, причем отображаются только те характерные признаки и состояние объекта, которые существенны для
процесса проектирования. Это позволяет выбрать формальные
объекты, характеризующие организацию данных и их обра-
33
ботку. Под моделью данных понимают логическую связь собственно данных, структур данных и алгоритмов их обработки.
Под организацией данных в САПР в широком смысле
понимают управление данными в процессе проектирования, а
в узком смысле - моделирование структур данных и организацию их хранения. Традиционно выделяют следующие уровни
организации данных: бит, знак, поле, сегмент, запись, файл,
база данных. Поле - это упорядоченная последовательность
знаков. Поле имеет имя и значение определенной длины, причем имя может косвенно указывать на тип содержащегося в
поле значения. Сегмент состоит из нескольких полей, связанных логической зависимостью и имеет уникальное имя. Запись
состоит из нескольких полей или сегментов, число которых
определяет размер записи, а состав - тип записи. Файл или совокупность данных есть множество записей, упорядоченных
по определенному признаку. Признак упорядочивания служит
для индетификации и структуризации записей массива. Каждый массив имеет уникальное имя.
Как правило, организация данных может быть сведена к
какой-либо структуре хранения данных. Однако на организацию данных большое влияние оказывают процессы их обработки, реализованные в виде прикладных программах. Такая
тесная взаимосвязь между данными и прикладными программами приводит к большим изменениям прикладных программ
при попытке реструктуризации данных. Этот недостаток может быть преодолен путем организации банка данных, который позволяет реализовывать независимость прикладных программ от данных.
Историческим шагом в развитии принципов хранения
информации явился переход к использованию централизованных систем управления файлами. С точки зрения прикладной
программы файл - это именованная область внешней памяти, в
которую можно записывать и из которой можно считывать
34
данные. Правила именования файлов, способ доступа к данным, хранящимся в файле, и структура этих данных зависят от
конкретной системы управления файлами и, возможно, от типа
файла. Система управления файлами берет на себя распределение внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующие адреса во внешней памяти и обеспечение доступа к
данным. Все современные файловые системы поддерживают
многоуровневое именование файлов за счет поддержания во
внешней памяти дополнительных файлов со специальной
структурой - каталогов. Каждый каталог содержит имена каталогов и/или файлов, содержащихся в данном каталоге. Таким
образом, полное имя файла состоит из списка имен каталогов
плюс имя файла в каталоге, непосредственно содержащем
данный файл. Разница между способами именования файлов в
разных файловых системах состоит в том, с чего начинается
эта цепочка имен.
Поскольку файловые системы являются общим хранилищем файлов, принадлежащих, вообще говоря, разным пользователям, системы управления файлами должны обеспечивать
авторизацию доступа к файлам. В общем виде подход состоит
в том, что по отношению к каждому зарегистрированному
пользователю данной вычислительной системы для каждого
существующего файла указываются действия, которые разрешены или запрещены данному пользователю.
Последнее, на чем мы остановимся в связи с файлами, это способы их использования в многопользовательской среде.
Если операционная система поддерживает многопользовательский режим, вполне реальна ситуация, когда два или более
пользователей одновременно пытаются работать с одним и тем
же файлом. Если все эти пользователи собираются только читать файл, ничего страшного не произойдет.
35
Но если хотя бы один из них будет изменять файл, для
корректной работы этой группы требуется взаимная синхронизация.
Для хранения структурированных данных и использования их при решении широкого спектра задач предназначены и
используются банки данных (БД), под которыми с программной точки зрения, понимают совокупность баз данных и систем управления базами данных (СУБД).
Существенной предпосылкой для использования банка
данных как компонента САПР является разработка обобщенных информационных моделей для различных технических
объектов. СУБД образует единство методов управления базами данных и описания ее логической структуры.
Эти методы реализуются с помощью алгоритмов доступа, обработки и управления. Отображение логической структуры данных на физическую среду хранения достигается сопоставлением имен записей и полей данных, используемых в
схеме базы данных с именами, описывающими физическую
базу данных. Как правило, описание логической и физической
баз данных выполняет администратор базы данных.
Сердцевиной, центральным компонентом любой СУБД
является сервер базы данных. Его техническое качество в решающей степени определяет главные характеристики системы, такие как производительность, надежность, безопасность
и т.д. Сервер БД является неотъемлемым компонентом модели
взаимодействия “клиент-сервер”, которая стала физическим
стандартом архитектуры современных СУБД.
К числу функций СУБД принято относить следующее:
1) Непосредственное управление данными во внешней
памяти. Эта функция включает обеспечение необходимых
структур внешней памяти как для хранения непосредственных
данных, входящих в БД, так и для служебных целей, например
для ускорения доступа к данным в некоторых случаях;
36
2) Управление буферами оперативной памяти. СУБД
обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере этот размер обычно существенно превышает доступный
объем оперативной памяти. Единственным же способом реального увеличения скорости обращения к любому элементу
данных является буферизация данных в оперативной памяти.
Поэтому в развитых СУБД поддерживается собственный
набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены буферов;
3) Управление транзакциями. Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как
единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, либо ни
одно из этих изменений никак не отражается в состоянии БД.
Понятие транзакции необходимо для поддержания логической
целостности БД.
4) Журнализация. Одно из основных требований к СУБД
- надежное хранение данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД
после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно
рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так
называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера, и жестские сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней
памяти.
Языки БД
Для работы с БД используют специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В современных СУБД
обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время является язык SQL
37
(Structured Query Language). Язык SQL содержит специальные
средства определения ограничений целостности БД.
Типовая организация современной СУБД
Естественно, организация типичной СУБД и состав ее
компонентов соответствует рассмотренному нами набору
функций. Логически в современной СУБД можно выделить
наиболее внутреннюю часть - ядро СУБД (часто его называют
(Data Base Engine), компилятор языка БД, подсистему поддержки времени выполнения, набор утилит. Ядро СУБД отвечает за управление данными во внешней памяти, управление
буферами оперативной памяти, управление транзакциями и
журнализацию.
Соответственно можно выделить такие компоненты ядра,
как менеджер данных, менеджер буферов, менеджер транзакций и менеджер журнала. Ядро обладает собственным интерфейсом, не доступным пользователям напрямую. Ядро СУБД
является основной резидентной частью СУБД.
При использовании архитектуры “клиент-сервер” ядро
является основным составляющим серверной части системы.
Основная функция компилятора языка БД - компиляция операторов языка БД в некоторую выполняемую программу. Компилятор должен решать, каким образом выполнять оператор
языка, прежде чем произвести программу.
Наконец, в отдельные утилиты БД обычно выделяют такие процедуры, которые слишком накладно выполнять с использованием языка БД, например, загрузка и разгрузка БД,
сбор статистики, глобальная проверка целостности Б.Д. и т.д.
Утилиты программируются с использованием интерфейсного
ядра СУБД, а иногда и с проникновением внутрь ядра. Кроме
этого, к организации баз данных банков данных предъявляются следующие требования:
38
1) база данных называется непротиворечивой, если в ней
одновременно не присутствуют элемент и его отрицание;
2) база данных называется полной, если, по крайней мере, одно из двух - или элемент, или его отрицание - выводимо
из нее;
3) под коррекцией базы данных понимают операции
включения, замещения, удаления.
Организация систем автоматизированного проектирования на базе БД
В системах автоматизированного проектирования необходимо иметь по крайней мере четыре типа баз данных: административная база данных; технологическая база данных; база
данных описания объекта проектирования; рабочая база данных. Административная база данных - это архив, в котором
хранятся различные документы, такие, как описание чертежей,
технологические карты, спецификации. Она заменяет обычный архив и реализует функции накопления, хранения, поиска
и репродуцирования документов. Технологическая база данных содержит данные, относящиеся к описанию технологических процессов и их поддержке. База данных описания объекта проектирования содержит все данные, необходимые для его
полного отражения в памяти ЭВМ. Рабочая база данных содержит временные промежуточные данные, которые вырабатываются в процессе работы программных модулей САПР.
Особенностью внедрения банка данных в САПР является
управление много аспектными представлениями технического
объекта, реализованными в виде специализированных баз данных. Наиболее крупными для технических объектов являются
функциональный, конструкторский и технологический аспекты. Решение задач, связанных с преобразованием или получением описаний, относящихся к этим аспектам, называют соответственно функциональным, конструкторским и технологи-
39
ческим проектированием. Функциональный аспект связан с
отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объекте, и находит выражение в принципиальных,
структурных, кинематических схемах и сопровождающих их
документах. Конструкторский аспект связан с реализацией
результатов функционального проектирования, т.е. с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве. Технологический аспект относится
к реализации результатов конструкторского проектирования,
т.е. связан с описанием методов и средств изготовления объекта. Для создания баз данных многие разработчики используют
большие возможности программы Microsoft Access, предназначенной для создания и организации управления базами
данных в среде операционной системы Microsoft Windows. В
терминах этого приложения база данных — это набор сведений, относящихся к определенной теме или задаче, такой как
отслеживание заказов клиентов или сопровождение музыкальной коллекции. Если база данных хранится не на компьютере,
или на компьютере хранятся только ее части, отслеживать сведения можно из целого ряда других источников, которые
пользователь должен скоординировать и организовать самостоятельно.
Microsoft Access (рис. 12) позволяет управлять всеми сведениями из одного файла базы данных. В рамках этого файла
данные можно разделить на отдельные контейнеры, называемые Табл.ми; просматривать, добавлять и обновлять данные в
Табл.х с помощью электронных форм; находить и извлекать
только нужные данные с помощью запросов; а также анализировать или печатать данные в заданном макете с помощью
отчетов. Создание страниц доступа к данным позволяет пользователям просматривать, обновлять или анализировать данные из базы данных через Интернет или интрасеть.
40
Рис. 12. Интерфейс приложения Microsoft Access
3.2 Внутримашинное представление объектов проектирования
Решение задач проектирования и технологической подготовки производства с применением ЭВМ предполагает переход от реального технического объекта к его кодированному
описанию в памяти ЭВМ. Такой переход осуществляется, как
правило, в несколько этапов. На первом этапе реальный пространственный объект подвергается абстракции, в результате
которой определяется вербальная модель. Вербальная модель
может полностью или частично отражать реальный объект. На
втором этапе информационную модель получают путем формализации вербальной модели, выделяя уровни структуризации данных и их взаимосвязь. На этом этапе определяют также полноту информационной модели с учетом процессов обработки информации в задачах проектирования. Таким образом, информационная модель уточняет и структурирует эту
информацию с логической точки зрения и, с одной стороны,
является проблемно-ориентированной, а с другой стороны,
обеспечивает эффективное управление информацией в САПР.
Отображение информационной модели в памяти ЭВМ
называется внутримашинной моделью или внутримашинным
представлением технического объекта. Внутримашинное
представление объекта (ВПО) в интегрированной САПР явля-
41
ется ядром данных, на котором реализуется планирование и
внедрение задач проектирования.
Существенным моментом в этом представлении является
то, что оно должно отражать характеристики не одной детали,
а целого класса деталей на различных стадиях проектирования, фиксируемых в технической документации. Внутримашинное представление детали характеризуется данными, описывающими геометрию детали, в то время как технологическое оборудование может характеризоваться также данными
по технологической обработки и др.
На третьем этапе осуществляется процесс отображения
информационной модели во внутримашинное представление с
использованием операций над ВПО или средств манипулирования в банке данных. Под операциями понимают алгоритмы,
реализующие процесс моделирования и обеспечивающих
управление данными. Операции над моделью вытекают, как
правило, из семантики информационной модели, в то время
как СУБД принимает во внимание только синтаксические аспекты обработки данных. Программно-техническая реализация обработки осуществляется проблемно-ориентированно
или проблемно-независимо. Стандартизация так называемого
системного интерфейса с внутримашинным представлением
обеспечивает эффективность взаимодействия между прикладными программами и предполагает определенные соглашения
о способе обращения к ВПО, о структуре данных, об операциях обработки. При соблюдении этих соглашений ВПО может
быть реализовано на различных структурах хранения без изменения самого интерфейса. Внутримашинное представление
объекта в процессе обработки полностью находится в рабочей
области памяти, в то время как рабочая область в банке данных является виртуальной памятью, в которую могут быть
отображены любые объекты. Более того, банк данных обеспе-
42
чивает связь между различными ВПО, что приводит к уменьшению избыточности данных и интеграции данных в целом.
3.3 Организация обмена данными. Компьютерные сети
Неотъемлемой частью современных САПР являются
компьютерные сети. Сетью называют группу соединенных
компьютеров и других устройств. Самая простая сеть (network)
состоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг
с другом кабелем, что позволяет им совместно использовать
ресурсы. Все сети (независимо от сложности) основываются
именно на этом простом принципе. Принцип работы более
сложной компьютерной сети можно описать так. Сетевые
адаптеры передают и получают сообщения, которыми обычно
обмениваются компьютеры сети, а распространяются эти сообщения по кабелям. Однако набор этих устройств - это еще
не сеть. Набор этих устройств становится сетью лишь в том
случае, когда оговорены протоколы обмена сообщениями различных уровней. На нижнем уровне компьютеры связываются
посредством пакетов (кадров). Подобный тип сети называется
сетью с пакетной передачей.
Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью в совместном использовании данных. Когда не было сетей, приходилось распечатывать каждый документ, чтобы другие пользователи могли работать с ним, или в
лучшем случае - копировать информацию на дискеты. При
редактировании копий документа несколькими пользователями было очень трудно собрать все изменения в одном документе. Подобная схема работы называется работой в автономной среде.
Концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров носит название сетевого взаимодействия.
Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать:
1) данные; 2) сообщения; 3) принтеры; 4) факсимильные аппа-
43
раты; 5) модемы; 6) другие устройства. 7) Сети разделяются на
два типа: 8) одноранговые (peer-to-peer); 9) на основе сервера
(server based).
Различия между одноранговыми сетями и сетями на основе сервера принципиальны, поскольку предопределяют разные возможности этих сетей. Выбор типа сети зависит от многих факторов: 1) размера предприятия; 2) необходимой степени безопасности; 3) вида бизнеса; 4) доступности административной поддержки; 5) объема сетевого графика; 6) потребностей сетевых пользователей; 7) уровня финансирования.
В сети клиент/сервер каждый компьютер играет определенную роль: он может выступать как сервер или как клиент.
Сервер предназначен для предоставления своих ресурсов всем
клиентским компьютерам сети. В компьютер, который предполагается использовать в качестве сервера обычно устанавливают большее количество оперативной памяти, более быстрые
жесткие диски, более быстрый процессор, чем в клиентском
компьютере. Компьютер-клиент - это обычный ПК, который
соединяется с сервером, а не с другим компьютером локальной
сети. В сети клиент/сервер обеспечивается надлежащий уровень безопасности, более высокая производительность, резервное копирование данных, но стоимость создания и поддержки сети этого типа достаточно высока.
В одноранговой сети каждый компьютер может соединяться с любым другим компьютером, к которому он подключен. К такой сети может подключаться от двух компьютеров
до нескольких сотен. Для построения сети необходимы следующие элементы: 1) физическое соединение компьютеров; 2)
общий набор правил соединения, называемый протоколом; 3)
программное обеспечение, с помощью которого можно разделить ресурсы между другими компьютерами, называемое сетевой операционной системой; 4) совместно используемые
ресурсы; 5) программное обеспечение, с помощью которого
44
можно получить доступ к совместно используемым ресурсам,
называемое клиентским.
Информационное обеспечение многих современных
САПР обеспечивает Интернет (Internet) - это всемирное объединение сетей, шлюзов, серверов и компьютеров, использующееся для связи единый набор протоколов. Интернет предоставляет глобальный доступ к информации и ресурсам. Интернет возник из проекта Министерства обороны США, который
назывался ARPANET (Advanced Research Project Agency Network). Этот проект был разработан как тест для сети с коммутацией пакетов. В ARPANET использовался протокол TCP/IP,
который продолжает применяться в Интернете и сегодня.
Сегодня темпы развития Интернета весьма впечатляющи,
однако пользователи судят об этом в основном по набору
услуг, которые он предоставляет. К наиболее популярным
услугам Интернета относятся: 1) World Wide Web (WWW); 2)
серверы File Transfer Protocol (FTP); 3) электронная почта; 4)
новости; 5) Gopher; 6) Telnet. Первые необходимые условия
доступа к Internet - модем и телефонная линия. Однако, это не
означает, что вы не можете получить прямой доступ к Internet
через локальную сеть вашей компании. Помимо модема и телефонной линии, для работы в Internet необходимо соответствующее программное обеспечение. Прежде всего, это программа набора номера, которая “звонит” провайдеру и подключает ваш ПК к его системе. Кроме того, необходимы программы для собственно работы в Internet. Речь идет о Webбраузере (Internet Explorer) и программе электронной почты
(Outlook Express). Обе эти программы входят в состав Microsoft Windows, начиная с Microsoft Windows 2000.
Вообще говоря, в Internet существует два типа программ:
те, что предоставляют обслуживание (услуги), и те, что запрашивают обслуживание (услуги). Программа, которая
предоставляет обслуживание, называется СЕРВЕРОМ, а про-
45
грамма, которая запрашивает обслуживание – КЛИЕНТОМ.
Для передачи данных другому компьютеру их делят на электронные ПАКЕТЫ. При этом пакеты нумеруются и помечаются адресом компьютера-получателя. Чтобы система, подобная
Internet, действовала, различные компьютерные программы,
которые обеспечивают работу в Internet, должны быть в состоянии посылать и принимать данные в соответствии со стандартными техническими характеристиками. Такие руководящие принципы называются ПРОТОКОЛАМИ.
Для создания, модификации и поддержки Web-страниц
применяют РЕДАКТОР WEB-СТРАНИЦ (WEB PAGE
EDITOR). Существует два основных типа редакторов Webстраниц. Первый тип называется WYSIWYG-РЕДАКТОР.
Второй тип программ - РЕДАКТОР HTML (HTML
EDITOR). HTTP – (Hypertext transfer protocol – Протокол передачи гипертекста) – это протокол, который используется для
передачи данных между серверами и клиентами Web. Обозначение http сообщает браузеру, что запрашиваемый ресурс содержит гипертекст и доступ к нему должен осуществляться
посредством протокола http. Подборка связанных Webстраниц, хранящихся на Web-сервере образуют Web-сайт.
Каждый Web-сайт включает в себя домашнюю страницу, т.е.
страницу, которая появляется, если ввести адрес сайта в Webбраузере. С домашней страницы ссылки ведут к другим страницам, ссылки с которых ведут к еще другим страницам.
После создания Web-страницы ее достаточно скопировать на Web-сервер и она станет доступной в Internet. Копирование Web-страницы называется публикацией.
Сам язык HTML довольно прост. Конструкции HTML
называются тэгами. Для того чтобы браузер мог отличить их
от обычного текста, они заключаются в угловые скобки. Тэг
обозначает начало действия какой-либо инструкции отображения. Большинство тэгов парные, и второй тэг прекращает дей-
46
ствие первого. Наименование тэгов и их параметров могут
быть написаны в любом регистре как заглавными символами,
так и строчными. В HTML, как и в любом языке программирования, нельзя обойтись без комментариев, содержимое которых не обрабатывается браузером и не отображается. Они
служат лишь для удобства разработчика, для внутреннего документирования структуры текста. Комментарии располагаются между фрагментами  и .
Любая Web-страница структурно разбивается на две части: заголовок и тело. В заголовке указывается служебная информация обо всей Web-странице, а в теле Web-страницы мы
описываем ее содержимое вместе с правилами его отображения. При этом заголовок Web-страницы ограничивается тэгами
<head> и </head>, а тело документа обозначается тэгами
<body> и </body>. Таким образом, структура любой Webстраницы выглядит следующим образом:
<!DOCTYPE HTML PUBLIC “-//W3C//DTD HTML 4.01//EN”
http://www.w3.org/TR/HTML4/strict.dtd>
<html>
<head>
Заголовок документа
</head>
<body>
Тело документа
</body>
</html>
Первый тэг <!DOCTYPE> со всеми его параметрами –
это индетификатор, который сообщает браузеру, какая именно
версия HTML была использована для создания данной Webстраницы.
Начальный блок Web-страницы с обозначением заголовка может выглядеть следующим образом:
47
<head>
<title> Заголовок Web-страницы </title>
</head>
Заголовком Web-страницы никогда не следует пренебрегать, т.к. это самое первое, что видит посетитель Web-сайта.
Заголовок отображается еще до того, как произойдет окончательная загрузка содержимого страницы, поэтому выбирать
его следует тщательно.
Следует отметить, что тэг <body> может содержать дополнительные параметры.
Чаще всего параметр представляет собой пару “наименование-значение”. Все текстовые значения параметров обычно
заключаются в кавычки: 1) background дает возможность использовать в качестве фона какое-либо графическое изображение; 2) - text задает цвет шрифта, которым будет отображаться
текстовое содержимое Web-страницы; 3) link позволяет устанавливать цвет, которым будут отображаться в окне просмотра
браузера текстовые гиперссылки; 4) vlink задает цвет гиперссылок, которые пользователь уже просматривал в текущем
сеансе работы; 5) alink определяет, какой цвет будет использоваться для отображения гиперссылок, выделенных пользователем; 6) lang указывает, на каком языке написано текстовое
содержимое Web-страницы.
Вопросы для самоподготовки
1. В чем заключается важнейшая задача компьютерных
систем ?
2. Что понимается под организацией данных в САПР ?
3. Для чего предназначены банки данных ?
4. Что такое СУБД ?
5. Как появились компьютерные сети ?
48
ЧАСТЬ 2 ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ И
МАШИН В МАШИНОСТРОЕНИИ
Лекция №4
ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ. РАБОТА С ИНФОРМАЦИЕЙ, ВЫРАБАТЫВАЕМОЙ ВО ВРЕМЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Теоретические вопросы:
4.1 Автоматизация конструкторско-технологического проектирования
4.2 Автоматизация инженерных расчетов при проектировании
4.3 Автоматизация проектирования технологических процессов
4.1 Автоматизация конструкторско-технологического проектирования
На этапах конструкторско-технологического проектирования обеспечивается подготовка основного объема проектной
документации, необходимой для изготовления изделия. В связи с этим САПР принято делить, по крайней мере, на два основных вида:
1) САПР изделий (САПР И);
2) САПР технологических процессов (САПР ТП) их изготовления.
В основном задачи проектирования машин, в частности
механических прессов, сводятся к задачам структурного синтеза. Кривошипной машиной (прессом) обычно называют куз-
49
нечно-прессовую машину (КПМ), в которой в качестве входного звена исполнительного механизма, преобразующего
вращательное движение привода в заданное (чаще всего в
прямолинейное возвратно-поступательное) движение рабочего
органа (ползуна), используется кривошипный, коленчатый или
эксцентриковый валы, имеющие с ползуном жесткую кинематическую связь через рычажные механизмы.
Главной особенностью кривошипных машин является
применение в них маховичного привода. К основным параметрам кривошипной машины относятся: номинальное усилие,
номинальный недоход, полный ход ползуна, число ходов ползуна в минуту, размеры в плане ползуна и стола пресса, величины регулировок хода ползуна, размеры штампового пространства, ход и усилие выталкивателей. Основой для расчета
привода КПМ служат типовые обобщенные графики рабочих
нагрузок.
В современном кузнечно-прессовом машиностроении
конструкторы все больше стреляться создавать гаммы машин,
состоящих из узлов типовых конструкций. Конструктивными
модулями такой машины являются: силовые узлы; привод;
главный вал; ползун; система включения; средства механизации. Компоновка проектируемых изделий на каждом из перечисленных уровней осуществляется с помощью соответствующего набора программных модулей. Процесс компоновки
конструкции машины или механизма в основном заключается
в выборе унифицированных или функциональных блоков и
деталей и сборки их в соответствии с заданной функциональной схемой.
Критериями выбора компоновки будут точность, жесткость, металлоемкость, виброустойчивость. В результате процесса компоновки выбираются структура компоновки, геометрические размеры узлов, форма направляющих и их расположение. Таким образом, задача компоновки любой машины -
50
многокритериальная задача, включающая конструктивные,
технологические и экономические ограничения.
Разбиение схем устройств механического пресса на конструктивные элементы (узлы) при компоновке машин в основном однозначно определяется по функциональному признаку.
Такая задача разбиения схемы устройства в общем виде формулируется как задача нелинейного целочисленного программирования.
Следующей задачей, возникающей при проектировании
машин, является задача размещения модулей при конструировании машин и формулируется такая задача следующим образом: в ограниченном объеме необходимо разместить заданное
множество элементов, связанных между собой некоторым образом, так чтобы обеспечить оптимизацию условий связи и
удовлетворить заданной совокупности ограничений. Основной
целевой функцией в этом случае является длина гидро- и
пневмопроводов. Ограничения могут быть заданы из условия
обеспечения удобства монтажа обслуживания, ремонта и эксплуатации, температурного режима и т.д. Электроаппаратура
размещается в электрошкафе, гидроаппаратура - в фундаментной яме.
После решения задачи размещения выполняется задача
трассировки. Необходимость решения задач трассировки при
проектировании кузнечно-прессовых машин в основном возникает при конструировании электрических и гидравлических
схем, а также при проектировании схем обслуживания, проведении транспортных трасс и т.п.
Окончательным результатом конструкторского проектирования являются рабочие чертежи деталей. Детали и узлы
конструкции машины имеют самые разнообразные геометрические характеристики. Например, поверхность детали может
характеризоваться микрогеометрией (шероховатостью поверхности, отклонением формы, размеров) и макрогеометрией
51
(параметрами, определяющими форму и положение в пространстве).
Исходя из вышеописанных подходов к проектированию
технических объектов, постепенно для решения задач рассматриваемого класса, стали разрабатываться и широко применяться следующие виды САПР:
САПР изделий. На Западе эти системы называют CAD
(Computer Aided Design). Эти системы выполняют объемное и
плоское геометрическое моделирование, инженерные расчеты
и анализ, оценку проектных решений, изготовление чертежей.
САПР технологии изготовления. В России эти системы
принято называть САПР ТП или АС ТППП (автоматизированные системы технологической подготовки производства). На
Западе их называют CAPP (Computer Automated Process Planning). Здесь Automated – автоматический, Process – процесс,
Planning – планировать, планирование, составление плана. С
помощью этих систем разрабатывают технологические процессы и оформляют их в виде маршрутных, операционных,
маршрутно–операционных карт, проектируют технологическую оснастку, разрабатывают управляющие программы (УП)
для станков с ЧПУ. Более конкретное описание технологии
обработки на оборудовании с ЧЧПУ (в виде кадров управляющей программы) вводится в автоматизированную систему
управления производственным оборудованием (АСУПР), которую на Западе принято называть CAM (Computer Aided
Manufacturing). Здесь Manufacturing – производство, изготовление. Техническими средствами, реализующими данную систему, могут быть системы ЧПУ станков, компьютеры, управляющие автоматизированными станочными системами.
Помимо этого различают: систему производственного
планирования и управления PPS (Produktionsplaungs system),
что соответствует отечественному термину АСУП (автоматизированная система управления производством), а также си-
52
стему управления качеством CAQ (Computer Aided Quality
Control). Здесь Quality – качество, Control – управление. В России используется термин АСУК (автоматизированная система
управления качеством).
Таким образом, на сегодняшний день САПР конструкторско-технологического проектирования представляют собой
интегрированные CAD/CAM системы, которые на информационном уровне поддерживается единой базой данных (рис.
13).
Рис. 13. Элементы интегрированной системы
4.2 Автоматизация инженерных расчетов при проектировании
Чтобы выпустить на рынок конкурентоспособное изделие, необходимо придать ему высокие потребительские качества. Для этого, прежде всего, необходимо оценить, как поведет себя будущее изделие в реальных условиях эксплуатации.
Убедиться в работоспособности изделия, проверить его
прочностные характеристики, оценить реакцию на внешние
воздействия и рассчитать долговечность, не прибегая к большим затратам времени и средств, позволит использование
предлагаемого набора программных модулей для проведения
инженерного анализа. Ценность компьютерного «испытания»
53
изделия заключается и в том, что оно позволяет оперативно
вносить изменения в его конструкцию еще на этапе конструкторской разработки.
Теоретические основы машиностроения включают в себя
множество различных дисциплин. Соответственно разнообразны и используемые методы проектирования. Независимо от
дисциплин проектирование с использованием ЭВМ (основное
назначение САПР) распространяется на решение двух наиболее актуальных задач, а именно: изготовление чертежей и на
проведение вычислений. В 50-е годы XX века были предприняты первые попытки приложения матричных методов к непрерывным структурам путем дискретизации на конечное число областей с заданными функциями аппроксимации неизвестных параметров. Появление электронно-вычислительной
техники в 60-х годах XX столетия оказало существенное влияние на аппарат численных методов, и дальнейшее их развитие
неразрывно связано с прогрессом в области вычислительной
техники. Воплотившись в универсальных программных пакетах (получивших название Computer Aided Engineering - CAEсистемы), численные методы получили широкое распространение в инженерной среде. В конце 70-х годов XX столетия в
расчетные пакеты был введен интерактивный режим работы.
Это существенно упростило и ускорило процесс решения задач. Стремительное развитие и распространение персональных компьютеров в последние годы привело к тому, что тяжелые расчетные программные пакеты стали доступными широчайшему кругу пользователей. Современные CAE-системы
представляют собой мощные средства инженерного анализа с
развитым сервисным инструментарием. Анализ динамики развития CAE-систем позволяет выделить следующие основные
тенденции и актуальные направления:
1) многодисциплинарность;
2) повышение скорости и эффективности;
54
3) повышение доступности тяжелых технологий.
В настоящее время задачи инженерного анализа и аналитические модули для их решения классифицировать следующим образом:
1) анализ технологичности проектируемых пресс-форм
для литья;
2) прочностной анализ деталей и сборок;
3) анализ кинематики и динамики машин и механизмов;
4) анализ работоспособности изделий под воздействием
нагрузок (анализ усталости);
5) расчет размерных цепей;
Наиболее очевидной и необходимой задачей, при проектировании CAE-систем, является развитие инструментария
графического интерфейса. Первым способом, который стал
воплощаться в среде CAE-систем является иконное построение меню. Данный метод заключается в предоставлении пользователю множества инструментов для выполнения отдельных
операций (первый уровень автоматизации).
Типовую организацию систем инженерного анализа можно представить в
виде следующей совокупности программных модулей (рис. 14):
1) модуль импорта и редактирования геометрии;
2) модуль выбора оборудования;
3) модуль назначения свойств материала и инструментов;
4) специализированные расчетные Рис. 14. Организамодули, называемые решателями;
ционная структура
5) модуль визуализации результа- систем инженернотов расчета;
го анализа
6) база данных.
55
Подготовка входных данных для анализа процессов в
CAE-системах до недавнего времени являлась наиболее трудоемкой операцией. Одним из найденных наиболее эффективных решений является технологии Wizards. Wizards - технологии автоматизации логически структурированных определенных стандартных последовательностей действий.
При запуске Wizard последовательно проводит пользователя по всем этапам, начиная от импорта геометрической модели до автоматизированного создания отчета по результатам
проведенного расчета. Скорость решения задачи определяется
возможностями реализованного в решателе алгоритма. Главное требование к решателям - это их способность быстро и
устойчиво решать задачи большой размерности.
С ростом производительности компьютерной техники
системы автоматизации инженерного анализа, являясь стимулятором ее развития, все ближе подходят к практически полностью автоматизированным комплексам, моделирующим события в масштабе реального времени с визуализацией результатов расчета на уровне профессиональных программ анимации.
4.3 Автоматизация проектирования технологических процессов
Развитие кузнечно-штамповочного производства, его
значение в экономии металла и энергии в машиностроении и
других отраслях промышленности требует совершенствования
технологических процессов, ускорения проектирования технологии и инструмента.
Труд технолога и конструктора по инструменту по своей
производительности и качеству давно перестал удовлетворять
потребностям современной промышленности. Поэтому уже
напротяжении нескольких последних десятилетий ученые и
56
инженеры-технологи всего мира занимаются вопросами автоматизации проектирования технологических процессов и
оснастки. С самого начала эта работа стала возможна благодаря интенсивному развитию и применению ЭВМ во всех сферах
производства.
Построение компьютерно–интегрированного производства включает в себя решение следующих проблем:
1) информационного обеспечения (отход от принципа
централизации и переход к координированной децентрализации на каждом из рассмотренных уровней как путем сбора и
накопления информации внутри отдельных подсистем, так и в
центральной базе данных);
2) обработки информации (стыковка и адаптация программного обеспечения различных подсистем);
3) физической связи подсистем (создание интерфейсов,
т.е. стыковка аппаратных средств ЭВМ, включая использование вычислительных систем).
Задача технолога состоит в том, чтобы попытаться изготовить деталь той или иной формы, которую придумал конструктор или, используя САПР ТП определить значение работы, необходимой для выполнения той или иной операции для
конкретной детали и осуществить правильный выбор оборудования. Например, автоматизация проектирования технологических процессов и оснастки кузнечно-прессового машиностроения:
1) сокращает сроки и себестоимость проектирования;
2) высвобождает инженеров-технологов от ручного труда
при выполнении типовых проектных расчетов и графических
работ;
3) уменьшает время передачи заказов с одного участка на
другой и уменьшения времени простоя при ожидании заказов;
4) осуществляет переход от последовательной к параллельной обработке;
57
5) устраняет или существенного ограничения повторяемых ручных операций подготовки и передачи данных (например, машинное изображение геометрических данных можно
использовать во всех отделах, связанных с проектированием
изделий).
Техническое обеспечение современных систем автоматизированного проектирования технологических процессов
(САПР ТП) обеспечивают персональные компьютеры (ПК)
(мощностей современных ПК вполне достаточно), струйные
принтеры формата А0, лазерные принтеры формата А4, которые входят в состав автоматизированных рабочих мест.
Методическую базу САПР ТП составляют математические и эвристические модели процессов технологического
проектирования и проектирования, методы принятия рациональных и оптимальных проектных решений, способы кодирования и математического описания объектов проектирования. Проектирование строится на базе максимальной стандартизации, унификации и типизации типовых проектных решений. САПР ТП могут основываться как на полной автоматизации, так и на диалоговом режиме.
При полной автоматизации участие человека ограничивается подготовкой исходных данных. Полная автоматизация
применяется при решении хорошо формализуемых, как правило, расчетных задач. Диалоговый режим проходит с участием
человека и предполагает наличие средств диалогового проектирования и программного обеспечения связи между человеком и ЭВМ. В диалоговом режиме человек имеет возможность
оперативно оценивать промежуточные результаты проектирования и активно, творчески влиять на его дальнейший ход.
Диалоговый режим применяют для решения логически сложных задач, процесс решения которых заранее нельзя описать в
виде алгоритма.
58
САПР ТП заключается в преобразовании на ЭВМ по заранее разработанной программе сведений о штампуемой детали, условиях ее производства, команд проектировщика и информацию о заготовке, последовательности и параметрах технологических операций, применяемом оборудовании, штампах
и другой оснастки. Автоматизированное проектирование выполняется с помощью САПР - организационно-технической
системы, состоящей из средств методического, программного,
информационного, технического и организационного обеспечения. Информационное обеспечение включает библиотеки
стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, конструктивных элементов, комплектующих изделий и
материалов, образующие в совокупности базу данных.
В основе современного подхода организации производственного процесса и разделения потоков информации лежит
трехмерная твердотельная модель, созданная в CAD-системе и
которой предстоит пройти сложный путь от конструктора к
станку с ЧПУ. На ранних стадиях развития в качестве такой
основы использовали прототип. Прототип - это макет будущей
детали или сборочной единицы, частично или полностью повторяющей ее геометрию, а также имитирующий функциональные и эксплуатационные свойства. Первым назначением
прототипа является визуализация. Прототип позволяет оценить внешний вид, дизайн изделия. Когда конструктор проектирует новое изделие, необходимо быть уверенным что, в конечном счете, детали нового изделия будут сопрягаться так,
как это предусмотрено - без зазоров и нахлестов.
Отсюда вытекает второе предназначение прототипа проверка собираемости изделия. Если изделие имеет некие
подвижные сборочные единицы, то важно знать, будут ли они
функционировать так, как предусмотрено в конструкции. Поэтому еще одна функция прототипов - проверка работоспособности конструкции. Еще одно очень важное предназначение
59
прототипа является его использование в качестве мастермодели при изготовлении опытных серий пластмассовых или
металлических деталей нетрадиционными способами. Можно
выделить следующие методы изготовления прототипов:
1) традиционные методы изготовления прототипа. К ним
можно отнести изготовление вручную экспериментальных
моделей будущих изделий или их деталей из пластилина, дерева или пластика;
2) технологии послойного синтеза. Метод появился около 15 лет назад. После подготовки изделия на установке начинается процесс ее “выращивания”, спекания, печати или послойного синтеза - в зависимости от оборудования и используемого материала.
Последовательно, слой за слоем установка воспроизводит
геометрию модели. Основой для создания прототипа на установках послойного синтеза служат трехмерные компьютерные
модели изделий.
Вопросы для самоподготовки
1. Из чего исходит классификация использующихся в
современном машиностроении САПР?
2. Для чего предназначены системы, относящиеся к
классу CAD?
3. Для чего предназначены системы CAPP? Приведите
их краткую характеристику.
4. Какие проблемы необходимо решить перед построением компьютерно-интегрированого производства?
5. Что такое прототип?
60
Лекция №5
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ
ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Теоретические вопросы:
5.1 Назначение и область применения систем обработки
геометрической информации
5.2 Двухмерное проектирование с помощью системы AutoCAD
5.3 Параметрическое проектирование с применением системы SolidWorks
5.1 Назначение и область применения систем обработки геометрической информации
При подготовке рабочих чертежей конструктор постоянно сталкивается с геометрическими построениями, моделями и
элементами. При геометрическом проектировании модели
применяются для описания геометрических свойств объекта
проектирования; решения геометрических задач; преобразования формы и положения геометрических объектов; ввода графической информации; оформления конструкторской документации. Прямые линии и другие графические объекты, можно построить и вручную, воспользовавшись карандашом, пером и подходящим чертежным инструментом. Однако, такой
способ имеет следующие недостатки: 1) непостоянство толщины линий; 2) необходимость постоянного пересчета реальных размеров; 3) с учетом масштаба построения; 4) малоэффективное стирание и перенос изображения; 5) невозможность
61
копирования элементов изображения для подстановки в новый
чертеж и т.д.
Постепенно под влиянием быстрого развития и совершенствования технического обеспечения постепенно начали
развиваться и широко внедряться с целью автоматизации чертежных работ системы автоматизированного проектирования,
основанные на использовании методов и алгоритмов машинной графики. Машинная графика к настоящему времени стала
самостоятельной дисциплиной и занимается совершенствованием математического аппарата систем, основанных на обработке графической информации. Несмотря на значительные
успехи САПР в настоящее время, по-прежнему, одним из важнейших технических документов, который создается при проектировании, является чертеж (рис. 15).
Главной задачей машинной графики является визуализация, т.е. создание изображения. Визуализация выполняется
исходя из описания (модели), того, что нужно отображать. Визуализация изображений невозможна без их обработки. Обработка - это преобразование изображений, т.е. входными данными является изображение, и результат - тоже изображение.
Примером обработки изображений могут служить: повышение контраста, четкости, коррекции цветов, редукция цветов и
т.д. В машинной графике под геометрической (графической)
информацией понимают все виды изображений, состоящих из
кривых линий и точечных растров. Графическая обработка
данных на ЭВМ рассматривается как формирование изображений, их хранение, отображение и преобразование. Графическая обработка данных может быть пассивной или активной.
При пассивной графической обработке, после решения на
ЭВМ графических задач, результат каким-либо образом отображается, но человек при этом не имеет возможности прямого
воздействия на графические преобразования. Различные изображения, получаемые с применением ЭВМ, можно подразде-
62
лить на штриховые чертежи двумерных объектов, штриховые
чертежи трехмерных объектов или так называемые проволочные модели, штриховые чертежи трехмерных объектов со
скрытыми невидимыми поверхностями, двумерные полутоновые и цветные изображения, трехмерные цветные изображения тел с непоказанными невидимыми поверхностями.
Для эффективного функционирования программного
обеспечения САПР необходима организация данных, которая
основана на модели объекта проектирования, т.е. моделирование структур данных, организация их хранения и доступ к
ним. Один из подходов основывается на создании модели изделия. Под моделью понимается такое представление данных,
которое наиболее адекватно отображает характерные свойства
реального объекта, существенные для процесса проектирования. Модели, в свою очередь, делятся на двумерные и трехмерные. Двумерные модели позволяют формировать и изменять чертежи, а трехмерные модели (ПГМ) служат для представления изделия в трех измерениях.
Существует также три основных вида трехмерных моделей: 1) каркасные - содержат координаты вершин и соединяющие их ребра; 2) поверхностные - задаются поверхностями;
3) объемные (твердотельные) - представляют изделие с обеспечением логической связности информации, в частности
благодаря введению понятия о материале и его физических
свойствах.
Графическая модель дает возможность избежать необходимости составления длинного и запутанного словесного описания, как при разработке большинства компьютерных программ. Проанализировав состав графических данных можно
выделить два основных вида ГО: 1) постоянный - с постоянными размерами и геометрической формой, например, ГИ
условных графических обозначений радиоизделий электрических схем, стандартное изделие с постоянными размерами; 2)
63
параметрически заданный - с переменными размерами и геометрической формой.
Рис. 15. Пример рабочего чертежа изделия
Постоянные ГО могут быть сформированы с использованием любого графического редактора, например, AutoCAD.
Методы описания параметрических заданных ГО - создание
моделей изделий - характеризуются большими затратами на
формирование внутримашинного представления. Чтобы сократить эти затраты, при описании некоторых групп технических
объектов можно воспользоваться одним из двух принципиально различных методов: вариантным или генерирующим. Вариантный метод основан на том, что для определенного класса
изделий выявляется модель-представитель, с помощью которой можно получить все геометрические формы этого класса
изделий.
Представителя класса изделий называют типовой моделью, а полученные из нее формы - вариантами. Исполнение
изделия определяется заданными параметрами, обнуление которых приводит к исключению составных элементов ГО. В
64
простейшем случае изменяют только размеры, а конструкция
отдельных вариантов семейства изделий остается неизменной.
Такой вид проектирования называют принципиальным
(т.е. сохранением принципа конструкции). При принципиальном конструировании данные технологической документации
не подготавливаются каждый раз заново, а закрепляются за
уже имеющимися чертежами. Применение такого метода
предполагает, что уже сделан выбор геометрии для проектируемого изделия.
В противоположность вариантному методу при генерирующем методе определяются различные сочетания конструктивных и технологических элементов и выбирается наилучшее
решение. Принцип работы системы, использующей генерирующий метод, основан на разделении ГО на элементы и создании новых ГО из имеющихся элементов. Различают следующие группы элементов: основные (функциональные), вспомогательные(конструктивные геометрические и элементы формы) и технологические. С помощью основных элементов создается геометрическая форма детали.
Это дает, прежде всего, общее описание детали. С помощью вспомогательных элементов, которые непосредственно
связаны с основными, осуществляется более подробное описание детали, что позволяет полностью передать ее геометрическую форму. Технологические элементы или их характеристики относятся и к основным, и к вспомогательным элементам.
Они также влияют на простановку размеров.
САПР, работающие по генерирующему принципу, обладают большей гибкостью и пригодны для решения различных
задач. Использование этого метода эффективно, так как опыт
показывает, что большинство конструкторских разработок,
называемых новыми конструкциями, создается путем ранее
использовавшегося сочетания элементов, давно известных как
по принципу назначения, так и по исполнению.
65
Любая система автоматизированного проектирования,
предназначенная для автоматизации чертежных и графических
работ, состоит из технических средств и программного обеспечения и позволяет осуществлять графический ввод и вывод.
В программном обеспечении графической системы различают
следующие четыре разновидности: общий пакет подпрограмм;
специальный пакет подпрограмм; расширение языков; графические языки. Для ввода графических данных в современную
ЭВМ используется ряд устройств, основным из которых для
машиностроительного черчения является компьютерная
мышь. Здесь следует отметить, что варианты автоматизации и
организации программного обеспечения (ПО) систем автоматизированного проектирования весьма разнообразны и зависят
от многих факторов, главными из которых являются: 1) предметная область, аспекты и уровни создаваемых с помощью ПО
описаний проектируемых объектов; 2) степень автоматизации
отдельных проектных операций и процедур; 3) архитектура и
состав технических средств, режим функционирования; 4) ресурсы, отпущенные на разработку ПО. В автоматизированном
проектировании наиболее часто используются методы начертательной, аналитической, проективной и дифференциальной
геометрии. Кроме этого, при решении большинства задач в
области автоматизированного проектирования необходимо
учитывать форму проектируемого объекта. Информация о геометрических характеристиках объекта используется не только
для получения графического изображения, но и для расчета
различных характеристик объекта и технологических параметров его изготовления. В традиционном проектировании обмен
информацией осуществляется на основе эскизных и рабочих
чертежей с использованием нормативно-справочной и технической документации. В САПР этот обмен реализуется на основе внутримашинного представления объекта. САПР технических объектов, реализующие процесс манипулирования гео-
66
метрическими объектами, принято называть системами геометрического моделирования. В большинстве двумерных систем геометрического моделирования описание объекта осуществляется в интерактивном режиме в соответствии с алгоритмами, аналогичными алгоритмам традиционного метода
проектирования. Основой ядра большинства таких систем являются методы начертальной геометрии и черчения.
В трехмерных системах геометрического моделирования
возможна обработка трехмерных объектов, представленных
проволочной, полигональной и объемной моделями. В основе
работы наиболее распространенных систем рассматриваемого
класса лежит двумерная геометрия, являющаяся исходными
данными для построения модели методом выдавливания или
вращения. Незначительные (с точки зрения эскиза) элементы
детали выполняются уже непосредственно в полученной модели. В течение последнего десятилетия сложились новые подходы к организации процесса проектирования и разработки
программного обеспечения, поддерживающего использование
соответствующих стандартов и обеспечивающего единую концепцию конструкторско-технологической подготовки производства, основанную на трехмерном проектировании.
В связи с этим фирмы, производящие программное обеспечение, предназначенное для проектирования того или иного
объекта пытаются комплексно подходить к решению этой задачи и работают по следующим направлениям: 1) разработка
систем управления проектами и техническим документооборотом; 2) работа над создание трехмерной модели изделия; 3)
разработка принципов и систем создания конструкторской
документации на изделие (чертежи, спецификация и т.д.); 4)
разработка и создание систем, предназначенных для технологической подготовки производства; 5) всесторонний анализ
изделия (расчеты на прочность, динамический анализ и т.д.);
6) создание технологической оснастки для изготовления изде-
67
лия; 7) изготовление изделия (подготовка программ для станков с ЧПУ.
5.2 Двухмерное проектирование с помощью системы AutoCAD
AutoCAD (рис. 17) впервые появился в СССР к концу
80-х годов XX века вместе с появлением первых персональных
компьютеров и очень быстро завоевал популярность. Это объяснялось несколькими причинами, главной из которых следует
отметить, что все конструкторы привыкли работать с кульманом: чертить линии, отрезки и дуги, а обычная начертательная
геометрия и черчения стали основой ядра среды AutoCAD.
Отсюда и произошло прозвище AutoCAD и подобных ему систем: “электронный кульман”. Однако, не смотря на кажущуюся простоту, появившись на свет в 1982 году, AutoCAD во
многом изменил отношение к САПР как с точки зрения пользователя, так и, что более важно, с точки зрения разработчиков. Системы автоматизации проектирования представляют
собой, прежде всего инструмент, упрощающий и ускоряющий
работу конструктора. Во вторых, это технология, обеспечивающая быстрое и качественное получение результата. Здесь
следует отметить, что оба эти принципа были заложены в AutoCAD еще в первых его версиях, что обеспечило дальнейший
рост популярности этой системы.
На первых этапах система AutoCAD решала следующие
три задачи, с которыми конструктор сталкивается каждый
день: проектирование изделий, оформление чертежей, их модификация. С появлением языка программирования AutoLISP
система AutoCAD весьма расширила свои возможности. Каждая новая версия AutoCAD приносит что-то новое в процесс
проектирования. В качестве примера можно привести появление в 11-ой версии программы мощных возможностей трехмерного моделирования. На воронежском ЗАО “Тяжмехпресс”
68
AutoCAD стал стандартом проектирования с появлением 10-ой
версии и с первых шагов его освоения ставилась задача получить от внедрения системы максимальный результат. Жесткие
контрактные сроки поставки и высокие требования к качеству
механических прессов привели к необходимости поиска новых
подходов к организации конструкторско-технологической
подготовки основного производства на ЗАО ”Тяжмехпресс”.
Все началось традиционно: с автоматизации оформления
чертежа за счет разрабатываемого на AutoLISP программного
сервиса и стандартизации структуры DWG-файла, чем занимался и занимается специально созданный в Головном конструкторском бюро Технического управления отдел САПР.
При этом скорость работы в AutoCAD-е с развитием программ
постепенно возрастала. Следующим шагом стало создание интерфейса AutoCAD и разработанной в отделе САПР программы заполнения спецификации, которая работает как в автоматическом, так и в ручном режиме. Но это не меняло и не до сих
пор не меняет в принципе ситуацию “электронного кульмана”,
не смотря даже на то, что для описания унифицированных деталей использовались параметризация макроописаний контуров деталей с использованием таблиц параметров. Построение
контуров деталей производится в среде AutoCAD в автоматизированном режиме.
Рис. 16 Интерфейс системы AutoCAD
69
5.3 Параметрическое проектирование с применением системы
SolidWorks
SolidWorks (рис. 17) – это система автоматизированного
проектирования, использующая графический интерфейс Microsoft Windows. Эта система позволяет конструкторам быстро
отображать свои идеи в эскизе, экспериментировать с элементами и размерами, а также создавать модели и подробные чертежи. Модель SolidWorks состоит из деталей, сборок и чертежей. Окна документов SolidWorks имеют две панели: 1) Дерево проектирования FeatureManager, в котором отображается
структура детали, сборки или чертежа; 2) Графическая область, в которой выполняются различные операции над деталью, сборкой или чертежом. Основой построения трехмерной
модели детали в SolidWorks является двумерный эскиз, после
построения и образмеривания которого модель можно получить несколькими способами: 1) методом вращения; 2) методом выдавливания; 3) метод построения деталей по сечениям;
4) построение детали по траектории.
Построения деталей цилиндрической формы в системе
твердотельного моделирования SolidWorks проще и эффективнее строить методом вращения контура детали относительно оси симметрии. В последствии вносятся дополнительные
изменения в модель посредством редактирования угла вращения детали, направления, а также эскизного контура. Спроектированные данным образом детали используются для более
сложного построения поверхностной геометрии модели.
Метод построения по сечениям, а также построение
внутренних поверхностей по плоскостям основан на создании
ряда плоскостей с эскизами, каждый из которых соответствует
сечению проектируемой модели. Метод используется в основном в тех случаях, когда деталь явно спроектирована быть не
может. Нет необходимой геометрии для построения. Поэтому
70
на чертежах выполняют ряд последовательных сечений, по
которым впоследствии формируется деталь.
Основным элементом при построении по траектории является траектория, которой происходит вытягивание контура
детали. Траектория строится на плоскости как эскиз, а формирование твердотельной модели происходит при объединении
двух эскизов – профиля детали и линии, по которой этот профиль проходит.
Рис. 17 Интерфейс системы SolidWorks
Кроме этого, с помощью SolidWorks можно создавать
трехмерные эскизы. В трехмерном эскизе объекты существуют
в трехмерном пространстве; они не связываются с определенными плоскостями эскизов. Главной задачей конструктора
является разработка рабочих чертежей изделия. Поэтому для
проектируемых трехмерных деталей и сборок SolidWorks позволяет создавать двухмерные чертежи. Обычно чертеж состоит
из нескольких видов, сгенерированных из модели. Виды также
можно создавать из существующих видов. Например, разрез
создается из существующего чертежного вида. Детали, сборки
и чертежи являются связанными документами; при внесении
71
любых изменений в детали или сборки документ чертежа также изменяется.
В документы детали и сборки можно добавлять различную необходимую информацию по оформлению моделей, а
именно размеры, заметки, обозначения и т.д. Затем можно импортировать размеры и примечания из модели в чертеж.
Вопросы для самоподготовки
1. Что включает в себя понятие машинная графика ?
2. Что является результатом работы большинства современных САПР ?
3. Чем обеспечиваются САПР, предназначенные для автоматизации чертежно-графических работ ?
4. Для чего предназначена система AutoCAD ?
5. На каких принципах основывается работа системы
SolidWorks ?
Лекция №6
ВИРТУАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО. ХАРАКТЕРИСТИКИ И
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ САПР
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Теоретические вопросы:
6.1 Виртуальное производство
6.2 Предпосылки автоматизации проектирования технологических процессов
6.3 Математическое обеспечение виртуального производства
72
6.1 Виртуальное производство
С самого начала работа, связанная с автоматизацией различного рода расчетов при проектировании технологических
процессов стала возможна благодаря интенсивному развитию
и применению ЭВМ во всех сферах производства. Автоматизация проектирования технологических процессов и оснастки
горячей объемной штамповки сокращает сроки и себестоимость проектирования, высвобождает инженеров-технологов
от ручного труда при выполнении типовых проектных расчетов и графических работ.
Но, несмотря на развитые математические инструменты
до появления в середине 90-х гг. ХХ века достаточно мощных
ЭВМ методики проектирования базировались в большинстве
случаев на дорогостоящих и длительных экспериментах, обработка данных которых производилась с применением весьма
упрощенных аналитических зависимостях.
Постепенное появление развитого программного обеспечения дало возможность проводить исследования напряженнодеформированное состояние заготовок и инструмента, основанных на линейных и нелинейных алгоритмах FEA, стали
внедряться на передовых предприятиях. Использование программного обеспечения рассматриваемого класса, кроме очевидных преимуществ, в большинстве случаев позволяет получать процессы с оптимальными характеристиками.
И, исходя из вышеописанных предпосылок, в последнее
десятилетие начала выстраиваться цепочка сквозного автоматизированного проектирования: разработка геометрической
модели изделия - разработка геометрических моделей формообразующих поверхностей - компьютерное моделирование
технологических процессов - изготовление пробного серийного инструмента на станках с ЧПУ - эксперимент - производство.
73
6.2 Предпосылки автоматизации проектирования технологических процессов
Работы по созданию специализированного программного
продукта для моделирования процессов ковки и объемной
штамповки начались в США в 70-х годах XX века. Математический аппарат, основанный на моделировании вязкопластического течения металла методом конечных элементов,
был разработан в это же время, такими известными учеными,
как Ли, Кобаяши, Парк и другими. Основной проблемой, тормозящей развитие программных средств моделирования процессов ковки и объемной штамповки в то время являлась низкая производительность компьютеров. Виртуальное производство сегодня использует современные мощные компьютеры
для имитации процесса изготовления продукта и производственных процессов. Оно применяет методы нелинейного конечно-элементного анализа (FEA) для получения детальной
информации о продукте, которая далее используется для оптимизации таких факторов, как технологичность изготовления, конечная форма, уровни остаточных напряжений и срок
службы изделия. Существует три основных типа нелинейностей: 1) материальные – пластичность, ползучесть, вязкоупругость; 2) геометрические – большие деформации или растяжения, резкие изгибы; 3) граничные – контакты, трение, щели,
дополнительные силы.
Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (например, параллелепипедов). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений.
Поведение каждого малого элемента стандартной формы
быстро рассчитывается на основе математических уравнений.
Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение целого объекта. Материал и структурные свой-
74
ства ячейки определяют, как деталь реагирует на определенные нагрузки.
По существу, FEA является численным методом решения
различных инженерных задач, таких как анализ напряжений,
теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей. Анализ FEA родился и вырос в автомобильной и аэрокосмической промышленности, однако, далее распространился
на все другие сектора индустрии: производство медицинских
инструментов, изделий из пластмасс, часов и др. FEA в результате обеспечивает компьютерную имитацию (моделирование)
целых процессов, в которых создается и испытывается физический образец, который далее модифицируется и повторно
испытывается до тех пор, пока не будет создана приемлемая
конструкция. Тем не менее, FEA не означает замены испытаний образцов, а дополняет их.
Первые системы могли решать только двумерные задачи
для осесимметричных поковок, что позволяло использовать
относительно простые расчетные алгоритмы и свести время
расчетов к более-менее приемлемым величинам. 2D-системы
также позволяют моделировать процессы плоской деформации. Среди отечественных 2D-систем наиболее распространены системы Form-2D и QForm фирмы “Квантор-Софт”. 3Dсистемы появились лишь во второй половине 90-х годов XX
века. Техническое обеспечение современных систем автоматизированного проектирования технологических процессов
(САПР ТП) (рис. 18) обеспечивают персональные компьютеры
(ПК) (мощностей современных ПК вполне достаточно), струйные принтеры формата А0, лазерные принтеры формата А4,
которые входят в состав автоматизированных рабочих мест
(АРМ).
Методическую базу САПР ТП составляют математические и эвристические модели процессов технологического
проектирования и проектирования, методы принятия рацио-
75
нальных и оптимальных проектных решений, способы кодирования и математического описания объектов проектирования. Проектирование строится на базе максимальной стандартизации, унификации и типизации типовых проектных решений. САПР ТП могут основываться как на полной автоматизации, так и на диалоговом режиме. При полной автоматизации
участие человека ограничивается подготовкой исходных данных. Полная автоматизация применяется при решении хорошо
формализуемых, как правило, расчетных задач. Диалоговый
режим проходит с участием человека и предполагает наличие
средств диалогового проектирования и программного обеспечения связи между человеком и ЭВМ. В диалоговом режиме
человек имеет возможность оперативно оценивать промежуточные результаты проектирования и активно, творчески влиять на его дальнейший ход. Диалоговый режим применяют для
решения логически сложных задач, процесс решения которых
заранее нельзя описать в виде алгоритма.
САПР ТП заключается в преобразовании на ЭВМ по заранее разработанной программе сведений о штампуемой детали, условиях ее производства, команд проектировщика и информацию о заготовке, последовательности и параметрах технологических операций, применяемом оборудовании, штампах
и другой оснастки.
Автоматизированное проектирование выполняется с помощью САПР - организационно-технической системы, состоящей из средств методического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения. Информационное обеспечение включает библиотеки стандартных
проектных процедур, типовых проектных решений, конструктивных элементов, комплектующих изделий и материалов,
образующие в совокупности базу данных. Последовательность разработки конструкторско-технологической документации включает в себя следующие этапы:
76
1) чертеж поковки с техническими условиями;
2) габаритные чертежи штампов; рабочие чертежи сменных деталей штампов;
3) рабочие чертежи шаблонов для контроля поковки и
ручьев штампов;
4) карта технологического процесса штамповки.
Технологическая документация представляется в текстовой и графической форме: маршрутные и операционные технологические карты, которые содержат результаты технологического проектирования. Наибольшую эффективность подготовки конструкторской документации обеспечивают системы
интерактивного взаимодействия проектировщика и ЭВМ.
Рис. 18. Вид рабочего окна САПР ТП QForm
6.3 Математическое обеспечение виртуального производства
В основе систем инженерного анализа технологического
моделирования лежит математическая модель процесса деформации, с высокой точностью воспроизводящая реальный
процесс штамповки. Одним из основных принципов, на которых строится структура программного обеспечения, является
принцип совместимости подгрупп программных модулей, реализующих либо модельное представление компонент объектов
проектирования, либо формализуемые проектные процедуры.
Такие программы имеют в своем составе: монитор системы,
77
подсистему геометрического моделирования и базу данных,
которые вместе образуют препроцессор системы (рис. 19). Ядро системы основано на конечно-элементной термомеханической модели процесса и автоматическим генератором сеток.
Графический постпроцессор обеспечивает анализ формоизменения металла в течение всего процесса деформирования металла в инструменте, включая: 1) конечно-элементную
сетку; 2) векторное поле течение металла; 3) поля изолиний
скоростей, напряжений, деформаций, скоростей деформаций и
температуры в заготовке; 4) распределение контактных давлений на поверхности инструмента; 5) графики усилия, работы и
мощности деформации; 6) вмороженную лагранжеву сетку; 7)
геометрические размеры поковки.
Рис. 19. Структурная схема систем САПР ТП
Конечно-элементные алгоритмы решения исходной системы уравнений САПР технологических процессов включают
в себя следующие этапы: 1) дискретизацию системы уравнений вязко-пластического течения металла; 2) дискретизацию
уравнений теплопроводности; 3) автоматическую генерацию
сетки конечных элементов; 4) аппроксимацию реологических
свойств материала.
78
В САПР технологических процессов сетка конечных
элементов строится и перестраивается в ходе расчета автоматически. Исходными данными для генерации сетки конечных
элементов является форма заготовки, а также геометрия инструмента. Форма заготовки, соответствующая начальной ее
конфигурации, вводится пользователем. На всех следующих
шагах она является результатом решения на предыдущем шаге.
Метод конечных элементов (МКЭ) и высокопроизводительные
компьютеры создали предпосылки для дальнейшего развития
численного моделирования процессов формоизменения металлов, которое в дальнейшем для краткости мы будем называть
технологическим моделированием. Результаты расчета с использованием подобных методик содержат: 1) полную картину
формоизменения металла в течение всего процесса деформирования включая поля скоростей, напряжений, деформаций,
скоростей деформации и температуру в поковке; 2) энергосиловые параметры процесса; 3) распределение контактных
напряжений на поверхности инструмента; 4) предсказание
возможности образования дефектов и анализ проработки металла и текстуры.
Генерация сетки включает в себя несколько этапов:
1) разбивка границы заготовки на отрезки. На этом этапе
выделяются участки контакта с инструментом, а также участки
свободной поверхности. Последние разбиваются на одномерные криволинейные квадратичные элементы с переменной
плотностью узлов с учетом кривизны поверхности заготовки;
2) генерация треугольных элементов, начиная от узлов,
расположенных на границе. В качестве критериев генерации
нового элемента берутся величина угла между соседними отрезками и их длины;
3) перенумерация элементов с целью минимизации ширины фронта. По завершении построения сетки на всех шагах
79
по времени, кроме начального, производится пересчет значений полей для новых узлов.
В общем случае на поверхности контакта металла и инструмента имеются зоны скольжения и прилипания, протяженность и расположение которых зависят от форм штампа и
заготовки, стадии процесса, условий трения, температуры,
скорости движения штампов и других параметров. Полная
система уравнений вязко-пластического неизотермического
течения металла в эйлеровой системе координат применительно к задачам горячей обработки металлов давлением включает
в себя: 1) уравнения движения без учета массовых сил; 2) кинематические соотношения; 3) уравнение несжимаемости; 4)
определяющие соотношения, связывающие девиаторы тензоров скоростей деформации и напряжений; 5) уравнение теплопроводности; 6) реологическое уравнение.
Краевые условия на участках скольжения металла по инструменту являются смешанными и включают в себя кинематическое ограничение и уравнение для касательных напряжений на границе, задающее закон трения. Реализация этих условий представляет наибольшую сложность для численного моделирования методом конечных элементов, поскольку в силу
нелинейности и наличия ограничений в виде неравенств они
не могут быть непосредственно включены в результирующую
систему уравнений.
Таким образом, граничные условия до начала решения
мгновенной квазистационарной задачи могут быть заданы
лишь с некоторой степенью приближения с последующим
итерационным уточнением. При этом определяются узлы, в
которых выполняется условие отрыва, и граничные условия в
них заменяются, а также уточняются касательные напряжения
на остальных участках скольжения. Анализ технологического
процесса строится на основе решения систем уравнений вязкопластического течения металла и уравнений теплопроводно-
80
сти, выполняемые в едином итерационном цикле, оканчивающимся при достижении условия сходимости для соответствующих функций. Сходимость итерационного процесса контролируется относительной нормой разности решений.
При дискретизации системы уравнений вязкопластического течения металла вводится понятие виртуальных
скоростей. При выводе дискретных уравнений используют
матрицы-столбцы для компактного обозначения векторов и
тензоров. Аппроксимация сопротивлений пластической де
формации  осуществляется непосредственно на основе экспериментальных данных, представленных в виде таблиц или
графиков, с использованием 3-мерных кубических сплайнов на

неравномерной сетке. Сплайн-аппроксимация  осуществляется в трехмерной области (параллелепипеде), ограниченной
минимальными и максимальными значениями параметров.
Вопросы для самоподготовки
1. Из каких частей состоит цепочка сквозного автоматизированного проектирования ?
2. Что включает в себя понятие виртуальное производство ?
3. Чем обеспечивается методическая база САПР ТП ?
4. Из каких частей состоит САПР ТП ?
5. На чем основываются конечно-элементные алгоритмы
САПР ТП ?
Лекция №7
АЛГОРИТМЫ И АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КУЗНЕЧНО-ПРЕССОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
81
Теоретические вопросы:
7.1 Предпосылки автоматизации проектирования деталей
приводных устройств
7.2 Инженерные расчеты
7.3 Автоматизация инженерных расчетов и подготовки рабочих чертежей
7.1 Предпосылки автоматизации проектирования деталей
приводных устройств
Любая машина или механизм предназначен для многократного повышения производительности труда человека. Развитие машиностроения и средств автоматизации обеспечило
возможность автоматической работы отдельных машин и автоматизацию проектирования отдельных узлов или машин
целиком. Машины состоят из узлов, которые в свою очередь,
состоят из деталей, которые можно классифицировать на несколько больших групп: 1) различные виды соединений (заклепочные, сварные, с натягом, резьбовые и т.д.); 2) различные
виды передач (ременные, зубчатые, червячные, цепные и т.д.);
3) подшипники скольжения; 4) подшипники качения; 5) муфты; 6) пружины; 7)станины и различные корпусные детали.
При конструировании перечисленных изделий принимаются во внимание следующие аспекты: прочность, выполнение
служебного назначения и обслуживание, материал и технологичность конструкции. При конструировании с учетом прочности и выполнения служебного назначения используют методы механики, сопротивление материалов, теорию упругости и
материаловедение. Эти методы применяют для различных видов расчетов, которые можно классифицировать следующим
образом:
1) контрольные или проверочные расчеты. Служат для
проверки уже сконструированной детали. Контрольный расчет
82
проводят на упрощенной по сравнению с действительной
адекватной модели, что объясняется значительно меньшими
объемами расчетов и как следствие большой экономичностью
таких моделей. При этом проверяется не выходит ли значения
отдельных параметров за допустимые пределы;
2) параметрические расчеты. Служат для проектирования
деталей с учетом их соответствия выполняемым функциям.
Они позволяют определить размеры деталей в зависимости от
предъявляемых требований. При этом параметрические программы включают в себя, как правило, программы контрольных расчетов. Ядро таких систем может состоять нескольких
модулей, предназначенных для расчета того или иного вида
соединений. Необходимые отдельным модулям данные о стандартах и материалах автоматически выбираются из включенных в систему баз данных, содержащих стандарты и характеристики материалов;
3) оптимизационные расчеты. При выполнении оптимизационных расчетов учитываемые переменные варьируются до
тех пор, пока определенная величина или определенная функция не достигнет экстремального значения (оптимума);
4) оценка. Любое техническое задание может быть решено различными способами, для чего на конкретной стадии
проектирования используются оценочные методы. Поэтому с
целью оптимизации статических и динамических параметров и
термических характеристик создают оценочные модели, которые используются для систематического конструкторского
процесса при разработке и оценке структур машин.
При целевой оценке исходят из определения минимального и максимального значений показателя для каждого возможного решения, что позволяет учесть влияние надежности
выводов по различным целям и возможностям решений на
конечный результат. Непосредственное распределение оценок
(весов) заключается в выводе минимального и максимального
83
значения целевого итога для всех возможных решений. Техническую и экономическую ценность частных решений определяют оценивая отдельные подлежащие реализации функции и
механизмы-исполнители этих функций, представляемые в
форме морфологического ящика.
Постепенно развиваясь, рассматриваемые методики, превратившись сначала в отдельные модули, стали со временем
интегрироваться в CAD-системы. По такому пути прошел и
известный модуль конечно-элементного анализа COSMOSWorks, который на настоящем этапе своего развития является
интегрированным в систему пространственного твердотельного моделирования SolidWorks продуктом. Этот пакет позиционируется производителем как инструмент инженерного анализа, необходимый конструктору в повседневной деятельности.
7.2 Инженерные расчеты
Задачи, стоящие перед современным конструктором
имеют комплексный характер. Помимо чисто конструкторской
проработки изделия, необходимо добиться, чтобы конструкция
соответствовала целому ряду критериев и требований. Для
систем со сложными кинематическими связями критичными
являются динамические характеристики изделия. Кроме того,
необходимо обеспечить прочность всех компонент сборки.
Наиболее просто и быстро учесть перечисленные особенности работы любого спроектированного механизма позволяют учесть программы динамического и кинематического
анализа. Постпроцессор таких программ позволяет получить в
разных формах исчерпывающую информацию о характере
движения конструкции и силовых факторах, возникающих в ее
элементах (двумерные графики для любого рассчитанного кинематического и силового фактора, анимация движения механизма). Дополнительно можно проверить отдельные компоненты сборки на взаимопроникновение в процессе движения -
84
для внесения, если понадобится, корректировок в конструкцию.
При решении задач рассматриваемого класса можно выделить следующие этапы: 1) постановку задачи и определение
конечных целей; 2) математическое описание задачи и представление ее в численной форме; 3) алгоритмирование и программирование; 4) отладка программы; 5) проведение вычислений; 6) представление результатов в виде графиков, таблиц
или чертежей.
В качестве примера можно привести систему автоматизированного проектирования COSMOSMotion, которая предназначена для интерактивного моделирования и расчета широкого класса механизмов и систем механизмов. Основным
назначением таких программ является повышение качества
конструкторских решений, снижение трудоемкости расчетов,
что позволяется следующими ее основными возможностями:
1) построение и моделирование движения механизмов на
экране ЭВМ; 2) выполнение кинематического и динамического расчета механизма с учетом действия рабочих усилий, масс
и моментов инерции звеньев, сил трения; 3) выявление заклинивания звеньев механизма в процессе движения с выделением группы звеньев, в которой оно произошло. При этом программа отслеживает заклинивание, как по геометрическим, так
и по силовым параметрам; 4) визуализация результатов расчетов в виде таблиц, графиков и диаграмм; 5) автоматизированное оформление расчетной документации; 6) работа в интерактивном графическом режиме (без программирования); 7) интеграция с CAD/CAM системами.
COSMOSMotion включает в себя три, объединенные в
едином программном модуле, компоненты:
1) редактор механизмов, обеспечивающий быстрый ввод
кинематической схемы, простановку точных размеров и подстановку чертежей звеньев;
85
2) блок моделирования движения механизмов, позволяющий автоматически проверить точки разрыва кинематической цепи в процессе движения, рассчитать траектории движения точек и области движения звеньев, визуально оценить
пригодность выбранной конструкции для выполнения заданного функционального назначения;
3) блок расчетов основных кинематических и силовых
характеристик механизмов - графиков перемещения, скоростей, ускорений точек звеньев, сил реакции под действием
технологических нагрузок, трения, масс и моментов инерции,
блок позволяет оценить пригодность выбранной конструкции
для выполнения заданного функционального назначения на
основе расчетов, а также автоматизировать оформление расчетной документации.
Структура таких программ показана на рис. 20. Для построения механизмов в графическом режиме используется
шесть типовых элементов (точек контакта звеньев):
контакт со стойкой описывается элементами:
1) закрепленный шарнир;
2) ползун на неподвижной направляющей;
контакт между подвижными звеньями описывается элементами:
3) свободный шарнир;
4) ползун на неподвижной направляющей;
5) зацепление зубчатое или фрикционное;
6) кулачковая пара.
Звенья представляют жесткие связи между элементами,
при этом одно звено может связывать несколько элементов.
Построение ведется в декартовой или полярной системах
отсчета, с помощью клавиатуры и мыши. Процедуры редактирования обеспечивают необходимую полноту средств, включая координатный метод и технологию управления размерами
звеньев (эскизирование). При этом одна и та же модель может
86
редактироваться как управлением размеров, так и координатным методом. Построенный в графическом режиме механизм
является расчетной моделью, на основании которой обеспечивается моделирование движения механизма, построение графиков, траекторий и т.д. Программа должна управляться с помощью клавиатуры и мыши.
Возможности современных систем геометрического моделирования значительно расширяются, если их разработчики
пытаются предусмотреть разнообразные расчетные подпрограммы. Для конструкторов большинство программных продуктов вместе с CAD-системами предлагают системы автоматизации конструкторских расчетов следующих, наиболее широко распространенных элементов деталей машин:
Рис. 20. Принцип функционирования CAE-систем
1) расчет упругих элементов. В программах реализуются
расчеты цилиндрических пружин, пружин кручения. Системы
позволяют производит многовариантный расчет пружин в соответствии с типовыми методиками (ГОСТ 13765-86, 1376486, 13766-86, 13767-86, 13768-86, 13769-86);
2) расчет различных видов передач.
87
Результаты расчетов перечисленных систем могут представляться как в табличной форме, так и в виде наглядных
графических диаграмм, отображающих все многообразие полученных вариантов. Результаты расчета сохраняются для последующей обработки и анализа. Разработчики систем пытаются предусмотреть создание рабочих чертежей по результатам расчетов. Чертеж при этом может генерироваться автоматически на базе имеющейся в системе библиотеки типовых
конструкций деталей или создаваться конструктором в интерактивном режиме.
Следующей задачей автоматизации процесса проектирования
является
автоматизация
расчета
напряженнодеформированного состояния тел под действием внешней
нагрузки. Все реальные тела под действием нагрузок меняют
свои форму и размеры, в них возникают внутренние усилия.
Если внутренние усилия малы, то малы и соответствующие им
геометрические изменения, поэтому они безопасны для работы
деталей.
Качество технологического процесса и конечного изделия зависит от ряда факторов, но более всего от деформируемости и кинематической подвижности контактно взаимодействующих деталей пресса, среди которых стол станины и ползун, непосредственно воздействующие на штамповый блок,
вызывают в деталях последнего деформации и кинематические
- линейные и угловые - смещения, ограничивающие диапазон
возможной точной штамповки.
К этой же самой задаче механики контактных систем относится и проблема принятия правильного конструкторского
решения, которое обеспечило бы более или менее оптимальное
сочетание прочности и металлоемкости конструкции. Таким
образом, технологическая и конструкторская цепь образуют
двуединую цепь, достижимую в общих случаях структур и
нагружений машин только на основе системного подхода.
88
Применение ЭВМ в проектировании позволяет не только рассчитывать детали методами классической механики, но и применять методы, недоступные при ручной обработке. Одним из
таких методов является метод конечных элементов (МКЭ).
С его помощью можно решать задачи из области статики,
динамики, теплотехники, гидро- и аэродинамики, механики
сплошных сред, магнитогидродинамики, механики грунтов,
электрического и магнитного поля. К основным преимуществам МКЭ относят простоту и доступность его понимания,
применимость для задач с произвольной формой области решения, возможность создания на основе метода высококачественных универсальных программ для ЭВМ. Постановка задачи конструкторской механики контактных систем, положенная в основу теоретического принятия решения в САПР,
предусматривает: 1) исследование статической системы любого конечного числа упругих трехмерных тел, контактно взаимодействующих при произвольных начальных зазорах, натягах и их сочетаниях; 2) наличие в системе любых вариантов
взаиморасположения, контактирования и конфигурации тел,
практически встречающихся в машиностроительных конструкциях; 3) задание внешних по отношению к системе активных нагрузок и внешних граничных условий - в виде наложения или отсутствия связей, исключающих те или иные перемещения точек тел; 4) учет у каждого из контактирующих
тел от нуля до шести имеющихся кинематических - как у абсолютно твердого тела - степеней свободы, реализуемых при
перемещениях, вызванных деформированием тел нагруженной
системы; 5) дискретизацию областей поверхностей возможного контактирования смежных тел множествами попарно сопряженных точек, которые могут войти в контакт друг с другом в нагруженном состоянии системы.
Практическая цель численного моделирования заключается в: 1) получении высокоточной информации о полях сил
89
контактных взаимодействий, деформаций и напряжений полной и одинаково достоверной картины для всех точек и
направлений в объеме каждой проектируемой детали; 2) исследование функциональных возможностей выполнения технологических операций с той или иной точностью, зависящей
от конструкции.
В общем случае алгоритм МКЭ состоит из четырех этапов:
Этап 1. Выделение конечных элементов (разбиение заданной
области на конечные элементы);
Этап 2. Определение аппроксимирующей функции для каждого элемента (определение функции элемента);
Этап 3. Объединение конечных элементов в ансамбль, т.е.
объединение уравнений, относящихся к отдельным
элементам в систему алгебраических уравнений;
Этап 4. Определение вектора узловых значений функции.
Важным этапом в МКЭ является разбиение области на
элементы, от качества выполнения которого во многом зависит точность получаемых результатов. Возможность легко варьировать размерами элементов - важное свойство МКЭ. Разбиение области на элементы обычно начинают от ее границы с
целью наиболее точной аппроксимации формы границы, затем
производят разбиение внутренних областей. Следующая процедура этапа выделения конечных элементов - нумерация узлов элементов (глобальная нумерация узлов). Под числом степеней свободы понимают количество неизвестных функций,
определяемых в каждом узле.
Информация о способе разбиения области на конечные
элементы и нумерации узлов является исходной для всех следующих этапов алгоритмов МКЭ при реализации метода в
САПР. При этом требуется указывать не только номер, но и
координаты каждого узла и его принадлежность к определенным конечным элементам. Такого рода информация называет-
90
ся топологической. Архитектура и программные средства
САПР МКЭ соответствуют его функциональной цели как инструмента эффективного численного моделирования в общем
случае трехмерных контактных систем линейно-упругих тел.
Системы произвольного числа контактно взаимодействующих тел порождают весьма широкий класс задач механики, именуемых контактными. В качестве особого, простейшего подкласса указанных задач в САПР МКЭ рассматривается и традиционная для механики задача автономного моделирования одного тела, для которого непосредственно заданы
внешние нагрузки и граничные условия. Такого рода задачи
именуются бесконтактными.
Архитектура большинства САПР МКЭ (рис. 21) (на рисунке показано главное окно программы, разработанной и
принадлежащей Воронежскому ЗАО «Тяжмехпресс», МАКС)
является открытой: модульный принцип построения программ,
реализованный при различных вариантах сочетания жесткого
и гибкого межмодульного интерфейса. Программными средствами САПР МКЭ могут быть аппроксимированы: 1) двумерные напряженные состояния; 2) состояние чистого поперечного изгиба тонких пластинок; 3) пространственное состояние
тонкостенных - пластинчатых и оболочечных конструкций; 4)
трехмерное напряженное состояние; 5)комбинированное
напряженное состояние составных конструкций, образованных монолитным соединением массивных и тонкостенных
подконструкций, моделируемых в различных напряженных
состояниях.
Построение и описание конечно-элементных моделей
контактных систем обеспечивает препроцессор (процессор
генерации исходных данных) (рис. 22) - инструмент поддержания интерактивного режима построения конечноэлементной модели исследуемой конструкции с определением
91
необходимых исходных данных. Построение модели проводится в два этапа:
1) построение геометрии конструкции, включающей такие понятия, как “точка”, “линия”, “поверхность”, “объем”;
2) построение сетки конечных элементов (на основе
геометрии конструкции), включающей такие понятия, как
“узел” и “элемент”. На этом же этапе задаются статические и
кинематические граничные условия на созданной сетке конечных элементов, включающие такие понятия, как “сила”, “момент”, “перемещения”, а также свойства материала и толщины
плоских элементов.
Для расчетов по методу конечных элементов деталь (ее
геометрическая форма) представляется с помощью конечного
числа элементарных элементов. Все элементы имеют простую
форму, а также упрощенные (усредненные) напряженное и
деформированное состояние. Отдельные элементы в угловых
точках, или в так называемых узловых точках, связаны, нагружены или просто покоятся, т.е. давят своим весом. Механическое поведение элементов и всей структуры описывается с
трех позиций. Прежде всего, эти соображения базируются на
оценке физического поведения упруго-деформируемых несущих единиц конструкции и трактуются следующим образом:
1) внешние и внутренние силы должны находится в равновесии (статическое равновесие);
2) смежные элементы после деформации не должны ни
отходить один от другого, ни проникать друг в друга и в кинематически (по положению) определяемых крайних узловых
точках должны соответствовать краевым граничным условиям
(кинематическое равновесие);
3) связь между напряжениями и деформациями определяется физическими соотношениями теории упругости или
пластичности.
92
Составляемая с учетом указанных соотношений система
парциальных дифференциальных уравнений интегрируется
для заданных статических и кинематических граничных условий. Это интегрирование осуществимо только при сильном
упрощении, т.е. при простой геометрии и нагрузке и основывается, прежде всего, на физической идеализации.
Прежде всего, идеализация означает, что одно из двух
условий равновесия (статического или кинематического) выполняется точно, а второе - приближенно. В качестве вариационного принципа при этом используют принцип виртуальной
работы, т.е. работы на возможных перемещениях.
Согласно этому принципу внешняя виртуальная работа,
совершаемая под действием внешней нагрузки и вызывающая
виртуальное смещение, равна внутренней виртуальной работе,
совершаемой под действием напряжения, вызывающего виртуальное смещение, если напряжения статически уравновешены
с внешними нагрузками.
Работа с препроцессором состоит в употреблении соответствующих команд в интерактивном режиме. Препроцессор
должен автоматически проверять правильность синтаксиса
команд. В качестве препроцессоров современных САПР МКЭ
используются системы геометрического моделирования,
например SolidWorks.
93
Рис. 21 Рабочее окно САПР
МКЭ МАКС for Windows
Рис. 22 Рабочее окно системы
SolidWorks, используемой в
качестве препроцессора
САПР МКЭ MAKC for Windows
При подготовке конечно-элементной модели (построении сетки конечных элементов) используют элементы, находящиеся в базе данных препроцессора.
Управление файлами ограничивается процедурами записи и считывания. Для решения задач о контактном взаимодействии деталей машин кузнечно-штамповочного производства
применяется схема построения МКЭ, соответствующая принципу виртуальных перемещений Лагранжа.
Принцип виртуальных перемещений является основой
описания статических состояний любых механических систем.
Основными неизвестными при таком подходе являются принятые перемещения узлов ансамблей конечных элементов.
На основе рассматриваемых двух условий равновесия
были созданы метод сил и перемещений для расчетов по методу конечных перемещений.
Метод сил использует конечные элементы, в которых
напряжения распределены так, что не нарушаются условия
статического равновесия. А при расчетах по методу перемещений благодаря поэлементному приращению смещений выполняются кинематические условия.
94
Для решения систем уравнений в методе конечных элементов применяются методы двух групп: прямые методы, когда определяется точное решение (метод Гаусса), и косвенные
методы, когда решение определяется на основе последовательной аппроксимации (метод Гаусса-Зейделя).
Построение модели в рассматриваемых системах проводится в два этапа:
1) в системе геометрического моделирования SolidWorks
2000 производят построения геометрии конструкции, включающей такие понятия, как “точка”, “линия”, “поверхность”,
“объем”;
2) с помощью автоматического генератора сеток конечных элементов программы COSMOSWorks, выполненной в
виде надстройки над SolidWorks, производят построение сетки
конечных элементов (на основе созданной геометрии конструкции), включающей такие понятия, как “узел” и “элемент”.
На этом же этапе задаются статические и кинематические
граничные условия на созданной сетке конечных элементов,
включающей такие понятия, как “сила”, “момент”, “перемещения”, а также свойства материала и толщины плоских элементов.
При подготовке конечно-элементной модели автоматически используются следующие типы элементов, включенные в
библиотеку комплекса МАКС, перечисленные в таблице 3.
Кроме препроцессоров, САПР МКЭ оснащаются специализированными программами, предназначенными для графического представления на экране дисплея основных результатов конечно-элементного моделирования трехмерных контактных систем, именуемые постпроцессорами.
Работа с постпроцессорами (рис. 23) осуществляется в
интерактивном режиме с использованием многоуровнего меню.
95
Табл. 3
№
1
2
3
4
5
Описание
Плоский треугольный элемент
Плоский изопараметрический четырехугольник
Осесимметричный треугольный элемент
Пластинчатый треугольный элемент
Пластинчатый прямоугольный элемент
Постпроцессор большинства САПР МКЭ позволяет
отобразить на экране дисплея: 1) примененную для моделирования данного тела сетку конечных элементов; 2) картины
пространственного распределения в рассматриваемом теле
полученных в результате моделирования узловых характеристик нагруженного состояния; 3) интересующее пользователя
численное значение той или иной узловой характеристики
нагруженного состояния тела в конкретном узле; 4) любую
увеличенную пользователем часть изображения; 5) информацию, относящуюся к выбранному сечению; 6) несколько окон
для рассмотрения различных фрагментов детали и (или) анализируемых характеристик нагруженного состояния.
Рис. 23. Рабочее окно постпроцессора
В кузнечно-штамповочном производстве метод конечных
элементов
применяют
для
анализа
напряженнодеформированного состояния кузнечно-штамповочных машин,
96
как целиком, так и отдельных узлов. При этом в виду симметричности большинства конструкций машин и прилагаемых к
ним нагрузок, достаточно проводить расчет для ½ или ¼ части
рассматриваемого узла или машины (рис. 24 и 25). Применительно к таким задачам использование метода конечных элементов позволяет оптимизировать конструкцию машины по
многим параметрам, особенно по ее массе и размерам отдельных элементов.
Рис. 25. Вертикальные переРис. 24. Вертикальные перемещения главного исполнимещения станины пресса при
тельного механизма при
затяжке
нагружении пресса
7.3 Автоматизация инженерных расчетов и подготовки рабочих чертежей
К концу 80-х годов XX века в машиностроении начали
широко применять ЭВМ с целью автоматизации инженерных
расчетов. Однако, это применение сводилось к программированию известных из механики формул. Но даже такое использование ЭВМ позволило значительно ускорить процесс вычисления основных параметров кузнечно-прессового оборудования. В кузнечно-прессовом машиностроении в силу специфики
организации производства автоматизация расчетных методик
97
допустима в пределах проектирования несложных механических устройств и их деталей.
Любая система, автоматизирующая тот или иной вид инженерной деятельности в рассматриваемой области, включает
в себя два основных компонента: множество объектов и множество связей между ними. Для решения этих задач компьютеры “переключаются” на генерацию программных средств,
которая носит название CASE-технологии (Computer-Aided
Software/System Engineering). В широком смысле CASEтехнология представляет собой совокупность методологий
анализа, проектирования и разработки сложных систем программного обеспечения, поддержанную комплексом взаимосвязанных средств автоматизации.
В основу большинства CASE-средств положен следующий принцип:
методология - метод - нотация- средство,
в котором методология определяет шаги работы и их последовательность, а также правила распределения и назначения методов. Метод - это систематическая процедура генерации описаний компонентов программного обеспечения. Нотации
предназначены для описания структур данных, порождающих
систем и метасистем. Средства - инструментарий для поддержки методов с использованием принятой нотации.
Объединяя в себе знания и методы вышеописанных технологий появились так называемые мультиагентные системы
компьютеризации инженерной деятельности. Основой для
этих преобразований послужили: 1) распределенный искусственный интеллект; 2) активный объектно-ориентированный
подход. При этом понятие “агент” представляет собой дальнейшее развитие понятия “объект”.
Объект - это абстракция множества сущностей реального
мира или виртуальных сущностей, имеющих одни и те же
свойства и правила поведения. Агент - это объект, возникаю-
98
щий в среде, где он может выполнять определенные действия,
способный к восприятию части своей среды, к обобщению с
другими агентами и обладающий автономным поведением,
которое является следствием его наблюдений, знаний, взаимодействий с другими агентами. Архитектура агента вытекает из
свойств объекта, который в свою очередь обладает собственными свойствами и правилами поведения. Преобразование
входных атрибутов в выходные осуществляется методом агента, которые определяет его поведение. Метод агента может
быть реализован с помощью традиционных технологий процедурного типа с использованием алгоритмических языков. В
мультагентных системах автоматизации инженерной деятельности в качестве искусственных агентов выступают сборочные
единицы, их детали и конструкторско-технологические элементы. Средой является проект, формируемый агентами в базе
данных. Фрагмент концептуальной модели инвариантного ядра содержит модели понятий из общеинженерных дисциплин
“Детали машин” и “Технология машиностроения”. На сегодняшний день программы, построенные на CASEтехнологиях, включаются в состав систем геометрического
моделирования и позволяют получить несколько вариантов
расчетов. Конечной целью таких подпрограмм является получение на основе выбранного варианта чертежа соответствующего узла или детали.
На сегодняшний день наиболее перспективной является
следующая формула автоматизации: 2-3 рабочих места на графических станциях с мощной CAD/CAM/CAE-системой в
окружении персональных компьютеров различной мощности,
которые выделяются для выполнения основной массы рядовых
проектных задач. В соответствии с этим направление развития
подобных систем на практике происходит в следующем
направлении: 1) автоматизация разработки рабочей конструкторской документации; 2) проектирование механических
99
устройств, машин, деталей; 3) проектирование изделий сложных форм; 4) проектирование коммуникаций; 5) анализ проектных решений; 6) разработка программ ЧПУ с выбором оптимальной стратегии обработки и ее анализом.
Для упрощения и ускорения разработки чертежей, содержащих стандартные типовые детали, в системах обработки
геометрической информации создаются различные библиотеки. Библиотека - это приложение созданное для расширения
стандартных возможностей системы, работающее в его среде и
представляющее собой сложную подсистему автоматизированного проектирования, которая после выполнения проектных расчетов формирует готовые конструкторские документы.
Запуск библиотек реализует соответствующие диалоги в определенной последовательности в соответствии с опытом многолетней практики неавтоматизированного проектирования выполняют проектирование наиболее часто используемых деталей, например зубчатых колес. В большинстве случаев предусматривается 3 вида расчетов выполняемых последовательно.
1) Геометрический расчет (ГОСТ 16532-70 "Передачи
зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет геометрии")
2) Расчет на прочность (ГОСТ 21354-87 "Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления.
Расчет на прочность")
3) Расчет на долговечность (производится по методу эквивалентных напряжений).
В качестве примера можно привести библиотеку Kompas
Shaft+ системы КОМПАС-ГРАФИК, ввод исходных данных в
которой осуществляется посредством диалогового окна. При
этом существует возможность сохранения исходных данных
для расчетов в файлах, как через главное меню основного окна
программы, так и непосредственно при выполнении расчетов.
При загрузке расчета из КОМПАС-Shaft + данные будут пере-
100
даны автоматически из модели тела вращения. В результате
геометрического расчета определяются основные геометрические параметры, выполняется расчет размеров для контроля и делается проверка качества зацепления по геометрическим показателям. В случае невыполнения какихнибудь показателей качества зацепления выдаются информационные сообщения с рекомендациями по дальнейшим
действиям. После проведения расчета, его результаты будут
показаны в левой верхней части окна диалога в качестве справочных данных.
Вопросы для самоподготовки
1. Какие методы используют при конструировании с
учетом прочности и выполнения служебного назначения современных механизмов и машин ?
2. Приведите классификацию видов расчетов, используемых при проектировании современных механизмов и машин
?
3. Какие программные компоненты входят в системы
анализа кинематики и динамики механизмов ?
4. Из каких частей состоит архитектура САПР МКЭ ?
5. С помощью чего можно обеспечить ускоренную разработку рабочей конструкторской документации ?
Лекция №8
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА В МАСШТАБЕ ПРЕДПРИЯТИЯ
Теоретические вопросы:
8.1 Автоматизация управления подготовкой производства
8.2 Структура и принципы организации работ
101
8.3 Обеспечение коллективной работы
8.1 Автоматизация управления подготовкой производства
Целью развития и внедрения современной автоматизированной системы управления производством является повышение эффективности управления проектированием новых изделий, подготовкой производства, производством, снабжением и
сбытом на основе логически единого информационного потока
предприятия в корпоративной сети, реорганизации и структурирования информации подразделений, получения необходимой плановой и учетной информации на каждом уровне управления. Принципы хранения разрабатываемой информации
формируются с учетом специфики продукции, выпускаемой
конкретным предприятием. Если рассматривать машиностроение, то тут при разработке системы кроме очевидных факторов
следует учесть, что продукция предприятий данной области
представляет собой сложные изделия, для проектирования и
производства которых требуется выполнить большой объем
конструкторской и технологической работы.
Автоматизация технологической подготовки производства предполагает выявление основных этапов и задач, решаемых на этих этапах, определение для каждой задачи исходной
информации и установление информационных связей между
ними. Информационные связи с одной стороны характеризуют
передачу информации в процессе проектирования, а с другой управление процессом проектирования. Все алгоритмы обработки информации можно разделить на два основных вида:
алгоритмы, обеспечивающие собственно процесс технологического проектирования - предметно-ориентированные, и алгоритмы, обеспечивающие процесс накопления и хранения
информационных массивов и поиска в них - предметнонезависимые. В качестве основных требований к архитектуре
102
системы ТПП со стороны пользователей можно выделить следующие: область применения, состав и класс решаемых задач;
методы ТПП; объем этапов проектирования - основные и (или)
вспомогательные, комплексное решение; степень автоматизации - частично или полностью автоматический режим, решения в диалоге; гибкость или описание исходной информации.
Организация и накопление информации могут быть реализованы с помощью автоматизированных информационных
систем, в которых можно хранить информацию о средствах
производства и вспомогательных средствах, внутризаводских
нормах времени, технологических процессов. Минимизация
объемов хранимой информации достигается при четком разграничении собственно проектной и управляющей информации. Основой автоматизированной системы управления производством в современных условиях может стать только система
управления инженерными данными (PDM, Product Data Management) - технология, предназначенная для управления всей
информацией об изделии, процедурах и процессах его производства. За счет объединения в PDM информации о жизненном цикле изделия данные об изделии и его проекте становиться доступными всем пользователями системы - от инженеров и технологов до экономистов, специалистов по маркетингу и бухгалтеров. PDM-системы в свою очередь опираются
на САПР, в которых закладывается первичная информация о
составе изделия еще на стадии его проектирования. Эти системы являются ядром, на котором строится PDM-система.
PDM-система позволяет создать на предприятии единую
информационную среду разработки изделий, ресурсами которой могут пользоваться все заинтересованные службы: отделы
главного конструктора и главного технолога, отдел технической документации, службы снабжения, маркетинга, сбыта,
представители заказчика и др. Проектирование нового изделия
начинает и выполняет конструктор. При этом помимо черте-
103
жей, основным конструкторским документом является спецификация, которая несет в себе информацию о составе изделия,
и именно состав изделия является основой, на которой строится архитектура системы.
PDM-системы имеют архитектуру клиент-сервер с централизованным хранилищем. Серверная часть является интегрированным сервером СУБД и сервером приложений и отвечает за работу всего комплекса, за физическое хранение и безопасность данных. Клиентская часть представляет собой автономное приложение для работы с любыми системами, которые
повседневно используются для подготовки инженерной документации. Клиентское приложение разработано в виде проводника хранилища PDM, и является естественным инструментом для пользователей, привыкших к проводнику
Windows. Ключевым объектом представления информации в
PDM-системе является элемент. Элемент - единица описания
информации об изделии, которое может интерпретироваться в
какой-либо иерархии изделия как целое. Т.е. элемент это то,
что может входить в один из разделов спецификации. В соответствии с принятыми в ЕСКД терминами, элемент имеет следующие признаки: 1) обозначение; 2) наименование; 3) формат; 4) раздел спецификации, в который он будет включаться.
Элементы связываются в иерархию состава, т.е. определенные типы элементов могут состоять из неограниченного
количества других элементов. Причем информация об элементах не дублируется, а просто связывается отношениями. При
создании элементов необходимо ввести информацию, характеризующую параметры входимости: 1) зона; 2) позиция; 3) количество; 4) примечание. Программное обеспечение ЭВМ работает с электронными документами, которые представляют
собой структурированный набор данных, содержащий реквизитную часть, содержательную часть и электронную цифровую
подпись (опционально). Для физического хранения электрон-
104
ных документов, изготовленных с помощью различных программ MS Office, CAD систем, графических пакетов служит
электронное хранилище. Архитектура большинства PDMсистем позволяет одновременно использовать несколько отдельных тематических хранилищ документов. Например,
можно создать рабочий архив предприятия, хранилище документации для вспомогательного производства, специализированное хранилище для коллективной работы над отдельным
проектом, индивидуальные хранилища для рабочих групп или
пользователей. PDM-системы позволяют объединять похожие
объекты в группы (классы) на основе одного набора атрибутов.
Этот подход также известен как групповая технология.
Классификация позволяет эффективнее обрабатывать
большие объемы данных, например быстрее находить документы и изделия в хранилище благодаря сужению области
поиска до объектов одного класса. Набор возможных атрибутов конфигурируется пользователем или администратором
системы. При этом атрибуты имеет один из следующих типов:
1) строка; 2) число; 3) дата; 4) список.
При добавлении в хранилище документов или изделий
PDM-система позволяет назначить им определенный класс.
Назначение класса может быть выполнено автоматически на
основе типа документа или его свойства. Например, чертежу,
сделанному в SolidWorks при сохранении в PDM-системе, может присваиваться класс «Чертеж». Атрибуты этого нового
документа будут автоматически извлечены из свойств файла
чертежа. Перед внедрением на предприятии системы PDM,
необходимо установить цели такого внедрения и реально оценить эффективность этого решения.
В качестве примеров таких целей можно привести: 1) создание электронного архива документации предприятия и перевод бумажного архива в электронный вид, пригодный для
быстрого поиска информации; 2) обеспечение быстрого до-
105
ступа сотрудников к архивной информации предприятия; 3)
организация реальной параллельной работы сотрудников над
проектом; 4) сертификация предприятия на соответствие требованиям стандартов серии ISO 9000; 5) создание полного
электронного макета продукции.
8.2 Структура и принципы организации работ
Комплексная автоматизация производства - методология
автоматизации производственных процессов с помощью
компьютеров. Комплексная автоматизация объединяет
проектные работы, технологические средства, системы
планирования, контроля, управления и учета.Система
управления проектами SmarTeam (система класса PDM Product Data Management) разработана фирмой Smart Solutions
Ltd. (Израиль) предназначена для автоматизации процессов
управления технической подготовкой. SmarTeam обеспечивает
типовые функции ведения информации конструкторских и
технологических проектов от зарождения до "электронных"
архивов и утилизации: 1) ведение учетной информации
документов;
2) быстрый поиск документов по учетной
информации; 3) просмотр документов;
4) отслеживание
этапов разработки документов; 5) ведение изменений; 6)
ведение структуры проектов;
7) защита доступа к
информации; 8) вызов прикладных систем.
В SmarTeam все данные организованы вокруг проектов.
Проекты используются для представления идеи или
концепции в виде объектов проектирования или объектов
производства, а также для представления ресурсов,
используемых при выполнении заказов на проектирование или
изготовление продукции. В группу классов "Проекты"
включены изделия собственного производства предприятия
или изготавливаемые в порядке кооперации по документации
106
единого проекта. Дополняющие классы объектов создает и
объединяет в группы пользователь, он же присваивает этим
группам имена. Количество групп классов и количество дополняющих классов в каждой группе не ограничено.
Информация
ото
всех
технологических
процессов
организуется по принципу групповых ТП, то есть в виде двух
составляющих частей – постоянной и переменной. Постоянная
часть может быть использована в любом ТП на уровне любого
из компонентов ТП, таких, как наименование операции,
оборудования, оснастки, технические требования, ссылочные
документы и т.д. При заимствовании переменная часть
информации, например номер цеха, трудоемкость, разряды
работ, количество оснастки и другие характеристики может
принимать другие значения, чтобы отразить индивидуальность
конкретного изделия и ТП
Основным преимуществом системы проектирования
технологических процессов (ТП) в PDM SmarTeam является
то, что система является сетевой, многопользовательской,
обеспечивающей
работу
технологов
в
едином
информационном пространстве с конструкторами и другими
специалистами
предприятия. Это дает возможность
заимствовать ранее введенную информацию конструкторами,
расцеховщиками, расчетчиками норм расхода материалов и др.
Пример информационной модели проекта, построенный на
машиностроительном заводе “Арсенал” показан на
рис. 26.
107
Рис. 26. Общая структура информационной модели проекта
При заимствовании переменная часть информации,
например номер цеха, трудоемкость, разряды работ, количество оснастки и другие характеристики может принимать другие значения, чтобы отразить индивидуальность конкретного
изделия и ТП (рис. 26 и 27). Интеграционный контур PDM
SmarTeam (рис. 28) представляет собой набор программ, обеспечивающих совместную согласованную работу внутрисистемного пользовательского контура с системами проектирования внешнего проектного контура, «чужого» по отношению
к PDM-системе. Как известно, интеграция означает объединение функций и/или структур двух и более систем с целью получения новых положительных качеств. Наиболее часто используется механизм кооперации при взаимодействии систем,
то есть обмен промежуточными или конечными результатами.
Внешний проектный контур представляет собой множество
известных CAD-систем – SolidWorks, AutoCAD, Mechanical
Desktop, Autodesk Inventor, CADKEY, Solid Edge и др., а также
MS-Office. Для решения задач специалисты используют
«свою» систему проектирования и функции внутрисистемного
пользовательского контура PDM-системы.
Среди интегрированных CAD/CAM-систем следует отметить систему Cimatron, в которой PDM SmarTeam используется для управления данными по всей цепочке решаемых с
помощью системы задач – проектирование изделий, технологической оснастки, управляющих программ для станков с
ЧПУ. Для совместной работы с удаленными пользователями
используются дополнительные контуры программного обеспечения. Например, с помощью модуля SmartWeb, используя
Интернет, специалисты могут формировать запросы и получать требуемую информацию из базы данных SmarTeam для
просмотра и вывода на печать.
108
Далее рассмотрим принципы функционирования SWRPDM ф. SolidWorks Corp. (рис. 29). SWR-PDM представляет
эффективное решение задачи информационной поддержки
разработки технической документации (TDM), управления
данными об изделии (PDM) и информационными процессами
разработки и жизненного цикла изделия (WorkFlow).
Рис. 27. Этапы проектирования технологических процессов
Рис. 28. Пример интеграционного контура
Система построена на концепциях CALS-технологии повышение эффективности процессов жизненного цикла изделия за счет повышения эффективности управления информацией об изделии. В отличие от PDM других фирм, SWR-PDM
отличается лучшей интеграцией с SolidWorks, которая позволяет коллективно работать со сборкой. SWR-PDM обладает: 1)
современным удобным пользовательским интерфейсом, аналогичным проводнику Windows; 2) развитой системой контроля
версий и системой автоматической синхронизации изменений
документов и изделий; 3) мощным модулем управления структурой изделия, который позволяет работать на поколениях
состава изделия; 4) системой разграничения доступа с дискреционным и мандатным принципами контроля; 5) гибкой, легко настраиваемой системой атрибутов и классификации.
109
SWR-PDM использует централизованное хранилище.
Для отслеживания истории изменения и альтернативных вариантов используется трехуровневая схема:
документ – версия – итерация
Файлы документов могут храниться как внутри БД так и
вне ее. К каждому документу SolidWorks автоматически присоединяется слайд, а также слайд может быть присоединен
вручную к любому документу. Документы и изделия можно
группировать внутри проекта с помощью папок. Уровень вложенности не ограничен. Этот же механизм используется для
создания иерархических классификаторов любого назначения.
Определение структуры изделия возможно в ручном режиме и
автоматически с помощью модуля интеграции с SolidWorks.
Для редактирования структуры изделия можно использовать как меню, так и метод Drag-and-Drop. При этом возможно
заимствование и копирование изделий (узлов) из других проектов. Модель данных обеспечивает выполнения требований
стандарта STEP AP203, AP214 и позволяет работать с исполнениями изделия, выполнять вариантное проектирование с
поддержкой или без поддержки ассоциативной связи между
вариантами. Обеспечивается возможность работы на поколениях состава изделия. Для этого автоматически ведется истории создания или изменения состава изделия.
110
Рис. 29. Структура рабочего
окна SWR-PDM
Рис. 30. Редактор процессов
На ход прохождения изделия от разработки конструкторской документации до технологической позволяет оказывать
влияние редактор процессов системы SWR-PDM
(рис. 31).
Большую проблему при организации единого информационного потока предприятия представляет правильная и безопасная
организация хранения данных в электронном виде. Программно-технический комплекс электронного архива может состоять
из следующих компонентов: 1) сканер или сканер/копир для
ввода узкоформатной документации; 2) сканер как отдельное
устройство или в составе репрографического комплекса - для
сканирования широкоформатной документации; 3) средства
оперативного накопления и хранения электронного архива; 4)
аппаратура долговременного накопления и хранения документов электронного архива; 5) устройство вывода и тиражирования узкоформатной документации; 6) плоттер как отдельное
устройство или в составе репрографического комплекса; 7)
программные средства организации электронного архива.
Выход из строя жесткого диска ведет к потере записанных на нем данных. Чтобы этого избежать, применяют диски,
организованные в RAID-массивы. В сущности, RAIDоборудование представляет собой практически специализированные компьютеры с собственной памятью, процессорами,
111
системой диагностики и т.д. В качестве жестких дисков применяют накопители со SCSI-интерфейсом. Для объединения
всего оборудования в единый комплекс необходима сеть. Для
организации сети требуется специализированное сетевое оборудование (концентраторы, маршрутизаторы, переключатели)
и кабельная система.
8.3 Обеспечение коллективной работы
Обеспечение коллективной работы в PDM-системах может быть реализовано с помощью нескольких взаимосвязанных механизмов: управление версиями документов, система
обеспечения совместного доступа к документам на основе
блокировок и работы с локальными копиями и разграничение
доступа на основе дискреционного принципа.
С помощью механизма управления версиями PDMсистема ведет историю всех изменений документов хранилища, не налагая ограничений на количество версий. Для упорядочивания совместного доступа к документам единого хранилища и решения задачи передачи документов по сети используются процедуры «Взять на редактирование» (Check-Out) и
«Сохранить в PDM» (Check-In). При взятии документа на редактирование система SWR-PDM извлекает его из хранилища,
создает его копию на локальном диске и устанавливает в хранилище блокировку на оригинал документа.
Вопросы для самоподготовки
1. В чем заключается цель развития и внедрения современной автоматизированной системы управления производством ?
2. Для чего предназначены PDM-системы ?
3. Что такое элемент ?
4. Какая схема используется для отслеживания истории
изменения и альтернативных вариантов ?
112
5. В чем заключается проблема правильной и безопасной
организации хранения данных в электронном виде ?
ЧАСТЬ 3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КУЗНЕЧНОПРЕССОВЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ
МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ
Лекция №9
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОПТИМИЗАЦИИ. ПРОЕКТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ. КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА
Теоретические вопросы:
9.1 Постановка задач оптимизации
9.2 Классификация оптимизационных задач
9.3 Подходы к решению обобщенных задач оптимизации.
Математическая формулировка задач оптимизации
9.1 Постановка задач оптимизации
В процессе проектирования любого технического объекта возникают задачи, связанные с рационализацией, и где это
возможно, с оптимизацией проектируемой конструкции. Поиск рационального технического решения при выбранном в
процессе проектирования физическом принципе действия
осуществляется методами структурного синтеза. Определение
оптимальных значений параметров элементов технической
системы известной структуры - задача параметрического синтеза или параметрической оптимизации.
Постановка любой задачи оптимизации начинается с
определения набора независимых переменных и обычно
включает условия, которые характеризуют их приемлемые
113
значения. Постановка задачи оптимизации имеет содержательный смысл только в том случае, когда появляется необходимость выбора одного из конкурирующих вариантов, полученных при ограниченности ресурсов. Эти условия называют
ограничениями задачи. Еще одной обязательной компонентой
описания является скалярная мера “качества”, именуемая целевой функцией и зависящая каким-то образом от переменных.
Решение оптимизационной задачи - это приемлемый набор
значений переменных, которому отвечает оптимальное значение целевой функции. Под оптимальностью обычно понимают
максимальность или минимальность; например, речь может
идти о максимизации прибыли или о минимизации массы.
Окончательный же выбор варианта конструкции технического
объекта проводится с учетом выработанных правил предпочтения на основании установленных критериев. В основе построения правила предпочтения лежит целевая функция, количественно выражающая качество объекта и называемая также
функцией качества или критерием оптимальности.
К задачам на поиск оптимума сводятся многие из проблем математики, системного анализа, техники, экономики,
медицины и статистики. В частности, они возникают при построении математических моделей. Когда для изучения какого-нибудь сложного явления конструируется математическая
модель, к оптимизации прибегают для того, чтобы определить
такую структуру и такие параметры последней, которые обеспечивали бы наилучшее согласование с реальности. Другой
традиционной областью применения оптимизации являются
процедуры принятия решений, так как большинство из них
нацелено именно на то, чтобы сделать “оптимальный” выбор.
При описании таких алгоритмов всегда используют стандартные формы представления задач.
114
Исходная формулировка задач оптимизации технических
объектов носит, как правило, словесное описание. Проблема
оптимизации имеет два основных аспекта:
1) нужно поставить задачу, формализовав понятие “оптимальный”;
2) нужно решить задачу, уже имеющую математическую
формулировку.
Процедура постановки задачи носит неформальный характер и включает следующие этапы:
1) выбор целевой функции и управляемых параметров;
2) назначение ограничений;
3) нормирование управляемых и выходных параметров и
т.п.
Качество функционирования любой системы характеризуется множеством выходных параметров Y=(y1, y2, ..., yk). Совокупность технических и экономических показателей представляет собой обобщенную оценку разрабатываемого варианта проекта.
Выбор целевой функции
Выбор целевой функции носит субъективный характер, и
поэтому объект может быть оптимален только в смысле данного критерия. Сложность выбора целевой функции состоит в
том, что любой технический объект первоначально имеет векторный характер критериев оптимальности, причем улучшение
одного из выходных параметров, как правило, приводит к
ухудшению другого, так как все выходные параметры являются функциями одних и тех же управляемых параметров и не
могут изменяться независимо друг от друга. Такие выходные
параметры называют конфликтными параметрами. Здесь следует отметить, что выбор целевой функции носит субъективный характер, и поэтому объект может быть оптимален только
в смысле выбранного критерия.
115
Целевая функция должна быть одна(принцип однозначности). Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной называют сверткой векторного критерия. Задача поиска его экстремума сводится к задаче математического программирования. В зависимости от того, каким образом выбираются и объединяются выходные параметры в скалярной
функции качества, различают частные, аддитивные, мультипликативные, минимаксные, статистические и другие критерии.
Назначение ограничений
Ограничения объективно появляются при проектировании технических объектов и вытекают из конкретной физической и технологической реализуемости внутренних параметров элементов, ограниченности ресурсов и т.п. При постановке
задачи оптимизации учет ограничений иногда бывает принципиально необходим. Различают прямые и функциональные
ограничения. Прямые ограничения имеют вид:
x Hi  x i  x Bi при i  1: n ,
(9.1)
 
где xHi, xBi - минимально и максимально допустимые значения
i-го управляемого параметра; n - размерность пространства
управляемых параметров.
Функциональные ограничения, как правило, представляют собой условия работоспособности выходных параметров,
не вошедших в целевую функцию. Функциональные ограничения могут быть:
1) типа равенств
 X  0;
(9.2)
 
2) типа неравенств
  X   0,
где (X) - вектор-функции.
116
(9.3)
Прямые и функциональные ограничения формируют допустимую область поиска:

X |   X   0,  (X )  0, x > x ,

(9.4)
ХД  
x < x п ри i 1:n 

i
Bi
i
Hi



Любая из точек области X  X Д является допустимым
решением задачи.
Характеристики любого технического объекта должны
соответствовать данным, представленным в техническом задании на проектирование, что в свою очередь, накладывает еще
один вид ограничений, называемых условиями работоспособности. Условиями работоспособности называют требуемые
соотношения между выходными параметрами и техническими
требованиями и записывают в виде:
y  T T , i [l: k ]; y  T , j [k  1: l ];
(9.5)
y  T T  y , r  [l  1: m],
где yr - допустимое отклонение r-го выходного параметра от
указанного в техническом задании значения Ttr.
Здесь следует помнить, что значения некоторых параметров назначаются и не подлежат изменению. Остальные параметры выбирают, ориентируясь на прототипы с учетом собственного опыта. Внутренние параметры, значения которых
могут меняться в процессе оптимизации и которые являются
аргументами целевой функции, называют управляемыми параметрами.
i
i
r
j
r
j
r
Нормирование управляемых и выходных параметров
Пространство управляемых параметров - метрическое.
Возможны различные способы нормирования.
В качестве примера рассмотрим способ логарифмического нормирования, достоинством которого является переход от
абсолютных приращений параметров к относительным. В этом
117
случае i-ый управляемый параметр ui преобразуется в безразмерный параметр xi следующим образом:
(9.6)
x i  ln u i  i  ,
где
 - коэффициент, численно равный единице параметра ui.
i
9.2 Классификация оптимизационных задач
Подавляющее большинство оптимизационных задач,
возникающих на практике, приводятся к следующему виду:
найти min F  x 
x  n
при ограничениях c  x   0, i  12
, ,..., m';
i
ci x   0, i  m'1, ..., m
Даже те задачи, которые сами по себе в эти рамки не
укладываются, часто могут быть сведены к последовательности стандартных. Однако существование столь универсальной
формы представления вовсе не означает, что различиями между отдельными задачами следует пренебрегать. Наоборот,
имея дело с конкретной постановкой, всегда надо постараться
использовать ее особенности для того, чтобы организовать
поиск решения самым эффективным образом.
Определить признаки, по которым можно разумно классифицировать оптимизационные задачи - проблема не простая.
Самым подробным способом “классификации” было бы считать каждую задачу уникальной. Хотя и набора признаков для
всех случаев жизни, не существует, достаточно разумный список составить можно.
Поскольку имеется в виду, что разным классам задач будут отвечать разные алгоритмы решения, этот список должен
быть результатом соразмерения выгод от эксплуатации выделяемых свойств и затрат на разработку соответствующего математического обеспечения.
118
Наиболее очевидные различия между задачами связаны с
математическими характеристиками их функций. В приведенной ниже таблице 4 дана стандартная схема классификации
оптимизационных задач по типах их функций. Каждый из перечисленных признаков существенен для выбора алгоритма
решения.
Табл. 4
Тип F(x)
Функция одной переменной
Типы (ci(x))
Ограничения отсутствуют
Тип F(x)
Линейная функция
Сумма квадратов линейных
функций
Квадратичная форма
Типы (ci(x))
Простые ограничения на переменные
Простые ограничения на переменные
Линейные функции
Окончание табл. 4
Тип F(x)
Типы (ci(x))
Сумма квадратов нелинейных функций
Линейные функции с разреженной матрицей коэффициентов
Гладкая нелинейная функция Гладкие нелинейные функции
Нелинейная функция с разГладкие нелинейные функции
реженной матрицей Гессе
с разреженной матрицей Якоби
В соответствии с данной таблицей выделяется, например,
категория задач на поиск минимума гладкой нелинейной
функции при простых ограничениях на переменные. Помимо
названных существуют и другие признаки классификационных
119
оптимизационных задач. Среди них обязательно следует упомянуть размерность.
От нее зависит сколько памяти и вычислений потребуется для поиска решения тем или иным методом. Классификация
по размерности всегда относительна: считать ли задачу большой или маленькой, определяется тем, какие вычислительные
средства имеются в распоряжении. Еще один показатель, который может существенно различаться для разных задач и всегда учитывается при выборе алгоритмов, - это доступность
производных. В одних задачах аналитические значения первых и вторых производных целевой функции вычисляются
легко, а в других вычислению поддаются точные значения
лишь самой функции. Когда говорят о доступности производных, то имеют ввиду не только возможность построения процедуры расчета их точных значений, но и приемлемую трудоемкость этой процедуры. Наконец, выбор алгоритма может
определяться природой задачи и нуждами исследования, в
рамках которого она возникла. Эти “внешние” факторы часто
диктуют условия, никоим образом не вытекающие из математической постановки задачи.
Когда-то арсенал методов оптимизации был небогат, эти
методы были простыми и казалось естественным положение,
когда каждый, кому нужно было решить оптимизационную
задачу, шел в библиотеку, подыскивал описание подходящей
схемы в каком-нибудь журнале (а то и сочинял свою схему) и
самостоятельно программировал ее. Однако времена меняются, и сегодня подобное положение было бы неприемлемо.
9.3 Подходы к решению обобщенных задач оптимизации. Математическая формулировка задач оптимизации
В процессе проектирования первым этапом начала работ
является формулировка требований на элементы будущей си-
120
стемы. Существенной частью при этом должны стать перечень
выходных параметров и значения технических требований TTj
к ним, т.е. условия работоспособности y j  TTj . Анализ особенностей постановки задач оптимизации показывает, что задачу параметрического синтеза технических объектов в некоторых случаях можно сформулировать как задачу безусловной
оптимизации:
(9.7)
min F  X  .
XXJ
Наиболее типичным случаем параметрической оптимизации технических объектов является поиск значений вектора
управляемых параметров, доставляющих экстремум функции
при наличии ограничений. Формулировка задачи в этом случае
запишется так: найти
min F  X 
X X Д
при ограничениях:
  X   0;   X   0;
x  x  x , i 1: n
Hi
i
Bi
(9.8)
В зависимости от того, каким образом выбираются и
объединяются выходные параметры в скалярной функции качества различают частные, аддитивные, мультипликативные,
минимаксные и статистические критерии. Для многих технических объектов примером частного критерия может служить
стоимость.
Выбор метода решения зависит от способа постановки
задачи оптимизации. Эффективность метода характеризуется
многими параметрами: скоростью сходимости, временем выполнения одного шага поиска, объемом занимаемой памяти
машины и т.д.
Вопросы для самоподготовки
1. В чем заключаются задачи структурного синтеза технических объектов ?
121
2. Как осуществляется постановка задач оптимизации ?
3. Что называют «допустимым решением задачи» ?
4. Из каких соображений назначаются ограничения при
решении задач оптимизации ?
5. Чем определяется размерность задачи ?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Соломенцева Ю.М. Автоматизированное проектирование в машиностроении/ Ю.М. Соломенцев, В.Д. Диденко.
М.: Машиностроение, 1988. 648 с.
2. Соломенцев Ю.М. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении / Ю.М. Соломенцев,
В.Г. Митрофанов, А.Ф. Прохоров. М.: Машиностроение, 1986.
256 с.
3. И.П. Норенков Системы автоматизированного проектирования / И.П. Норенков. М.: Высшая школа, 1986. 523 с.
4. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с примене-
122
нием САПР: Учебник для втузов./ В.М. Курейчик. М.: Радио и
связь, 1990. 352 с.
5. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении / В.П. Быков. Л.: Машиностроение, 1989. 255 с.
6. Аллик Р.А. САПР изделий и технологических процессов в машиностроении / Р.А. Аллик, В.И. Бородянский,
А.Г. Бурин. Л.: Машиностроение. 1986. 319 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...................................................................................... 3
ЧАСТЬ 1 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. ТЕХНИЧЕСКИЕ
СРЕДСТВА .................................................................. 3
Лекция 1 Автоматизация разработки и выполнения
конструкторской документации при помощи
САПР ............................................................................ 3
Лекция 2 Виды обеспечения САПР ......................................... 15
Лекция 3 Организация и управление данными в САПР ........ 33
Часть 2 ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
механизмов И машин В МАШИНОСТРОЕНИИ ... 49
Лекция 4 Основы методологии проектирования технических
объектов. Работа с информацией, вырабатываемой во
время проектирования .............................................. 49
Лекция 5 Геометрическое моделирование и организация
графических данных. Автоматизация процесса
проектирования ......................................................... 61
Лекция 6 Виртуальное производство. Характеристики и
основные принципы работы САПР технологических
процессов обработки металлов давлением ............. 72
Лекция 7 Алгоритмы и автоматизация расчетных методик,
применяемых при проектировании кузнечнопрессового оборудования ......................................... 81
123
Лекция 8 Принципы построения и организация технического
документооборота в масштабе предприятия ........ 101
ЧАСТЬ 3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КУЗНЕЧНОПРЕССОВЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ
ОПТИМИЗАЦИИ .................................................... 113
Лекция 9 Основы теории оптимизации. Проектные параметры.
Критерии качества ................................................... 113
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................... 122
124
Учебное издание
Новокщенов Сергей Леонидович
Дегтярев Геннадий Леонидович
Бойко Александр Юрьевич
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ: КУРС ЛЕКЦИЙ
В авторской редакции
Компьютерный набор С. Л. Новокщенова
Подписано к изданию 25.12.2006
Уч.-изд.л. 6,8
ГОУВПО «Воронежский государственный технический
университет»
394026 Воронеж, Московский просп., 14
125