Лекция №3

Тема «Классификация и принципы создания САПР»

Цель: Изучение принципов и особенностей создания САПР.

План лекции:

1. Классификация САПР.

1.1. Классификация по приложениям

1.2. Классификация по характеру базовой подсистемы.

1.3. Классификация по видам обеспечения

2. Организационные основы создания САПР.

3. Принципы создания САПР.

3.1. Принцип системного единства.

3.2. Принцип совместимости.

3.3. Принцип типизации.

3.4. Принцип развития.

4. Основные особенности построения САПР.

Рекомендуемая литература:

1. Автоматизированное проектирование. Норенков И.П. Москва, 2000

2. Системы автоматического проектирования вагонов (принципы автоматизации проектирования и опыт применения). Учебное пособие. Кузьменко В.Н., Мусаев Ж.С ., Шимбулатова А.Б. Алматы, 2007.

3. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для втузов. - М.: Высшая школа, 1990. - 335 с.

4. Анищенко Л.М. Автоматизированное проектирование и моделирование. – М.: Энергоатомиздат, 1995 г. – 293 с.

5. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. – 360 с.

6. Фролов В.П. и др. Информационная поддержка САПР технологических процессов производства и ремонта летательных аппаратов и двигателей с применением пайки сварки и современных конструкционных сплавов: Справочное пособие. – М.: Машиностроение, 1996. 368 с.

7. Системы автоматизированного проектирования. Основные положения. ГОСТ 23501.101 – 87. – М.: Издательство стандартов, 1987. – 10 с.

8. Системы автоматизированного проектирования. Классификация и обозначение. ГОСТ 23501.108 – 85. – М.: Издательство стандартов, 1985. – 12 с.

9. Гувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства. Пер. с англ. М.: Мир. 1987. - 528 с.

Контрольные вопросы:

1. По каким признакам классификация САПР.

2. В чём заключаются организационные основы создания САПР?

3. Какими принципами следует руководствоваться при создании САПР и их составных частей? В чём заключается каждый из этих принципов?

4. Перечислить и пояснить основные особенности построения САПР.

1. Классификация САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы - ядра САПР.

1.1. Классификация по приложениям

По приложениям наиболее представительными и широко используе­мыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР.

2. САПР для радиоэлектроники.

3. САПР в области архитектуры и строительства.

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

По масштабам можно классифицировать САПР следующим образом.

1. Уникальные САПР, имеющие межотраслевой характер и создаваемые для решения крупнейших хозяйственных задач.

2. Универсальные САПР отраслевого назначения с системой коллективного пользования, обеспечивающие проектирование всей номенклатуры технических изделий отрасли (подотрасли).

3. Специализированная САПР проектной организации, ориентированная на выполнение наиболее массовых проектных работ по конкретному изделию и реализованная на средних ЭВМ.

4. Индивидуальные САПР, реализованные на мини- и микро-ЭВМ, предназначенные для выполнения отдельных видов инженерных расчетов и проектных работ.

1.2. Классификация по характеру базовой подсистемы.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновид­ности САПР.

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в об­ласти машиностроения. В настоящее время появились унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР (это ядра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph).

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в тех­нико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления систем автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это ав­тономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем авто­матического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам АСНИ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупно­сти подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплекс­ных САПР являются системы САПР/АСТПП/АСНИ в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проек­тирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

1.3. Классификация по видам обеспечения

По видам обеспечения средства автоматизированного проектирования можно классифицировать следующим образом: техническое; математическое; программное; информационное; лингвистическое; методическое; организационное.

Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвя­занных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. К компонентам технического обеспечения относят уст­ройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их со­четания, обеспечивающие функционирование комплекса средств автоматизированного проектирования.

Структура технического обеспечения может представлять локальные вычислительные сети, объединяющие в своем составе, в зависимости от задач, решаемых САПР, различные классы ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование и микропроцессорную технику, встроенную в технологическое оборудование.

Компоненты технического обеспечения должны давать возможность: кодирования и ввода информации с ее визуальным контролем и редактированием; передачи информации по различным каналам связи; хранения, контроля и восстановле­ния информации; загрузки, хранения и исполнения программного обеспечения; оперативного предоставления запрашиваемой инфор­мации на устройства вывода.

Математическое обеспечение САПР – совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Сюда входят математические модели конкретных объектов (технологических процессов, инструментов, приспособлений и др.) и процессов проектирования, методы проектирования, а также методы и алгоритмы выполнения различных инвариантных проектных операций и процедур, связанных с оптимизацией, поиском информации, автоматизированной графики и др.

Взаимосвязи между компонентами математического обес­печения должны обеспечивать формализацию процесса проектиро­вания, его целостность, адекватно описывать проектируемый объект, обеспечивать точность и экономичность.

Модель всегда лишь приближенно отражает некоторые свойства объек­та. Адекватность имеет место, если модель отражает заданные свойства объекта с приемлемой точностью. Под точностью понимают степень соот­ветствия оценок одноименных свойств объекта и модели. Экономичность (вычислительная эффективность) определяется за­тратами ресурсов, требуемых для реализации модели.

Программное обеспечение - совокупность машинных программ, необходимых для выполнения АП и предоставленных в заданной форме. Сюда включаются комплексы программ специального и общего назначения. Специальное программное обеспечение представляется в виде текстов прикладных программ, ориентированных на решение специальных задач (проектирование маршрутных и операционных технологических процессов, техническое нормирование, проектирование оснастки и т. п.). Общее программное обеспечение предназначено для управления вычислительным процессом и подготовки прикладных программ к использованию на ЭВМ. Эти функции обычно выполняют программы, входящие в состав операционных систем.

Компоненты программного обеспечения должны иметь иерархическую организацию, в которой на верхнем уровне размещается монитор управления компонентами нижних уровней - программными модулями. Программный модуль должен: регламентировать функцио­нально законченное преобразование информации; быть написан­ным на одном из стандартных языков программирования; удовле­творять соглашениям о представлении данных, принятым в данной системе АП.

Информационное обеспечение – совокупность сведений, необходимых для выполнения АП и представленных в заданной форме. Основная составная часть информационного обеспечения САПР – банк данных, представляющий собой совокупность средств для централизованного накопления данных. Банк данных состоит из базы данных и системы управления базой данных.

Банки данных долж­ны обеспечивать: информационную совместимость проектирующих и обслужи­вающих подсистем; независимость данных на логическом и физическом уровнях, в том числе инвариантность к программному обеспечению; возможность одновременного использования данных из различ­ных баз данных и различными пользователями; возможность интеграции неоднородных баз данных для совместного их использования различными подсистемами; возможность наращивания баз данных; контролируемую избыточность данных.

Построение банков данных САПР - сложная задача, что обусловлено следующими особенностями САПР.

1. Разнообразие проектных данных, фигурирующих в процессах обме­на как по своей семантике (многоаспектность), так и по формам представ­ления. В частности, значительна доля графических данных.

2. Нередко обмены должны производиться с высокой частотой, что предъявляет жесткие требования к быстродействию средств обмена (пола­гают, что СУБД должна работать со скоростью обработки тысяч сущностей в секунду).

3. В САПР проблема целостности данных оказывается более трудной для решения, чем в большинстве других систем, поскольку проектирование является процессом взаимодействия многих проектировщиков, которые не только считывают данные, но и изменяют их, причем в значительной мере работают параллельно. Из этого факта вытекают следствия: во-первых, итерационный характер проектирования обычно приводит к наличию по каждой части проекта нескольких версий, любая из них может быть приня­та в дальнейшем в качестве основной, поэтому нужно хранить все версии с возможностью возврата к любой из них; во-вторых, нельзя допускать исполь­зования неутвержденных данных, поэтому проектировщики должны иметь свое рабочее пространство в памяти и работать в нем автономно, а момен­ты внесения изменений в общую БД должны быть согласованными и не порождать для других пользователей неопределенности данных.

4. Транзакции могут быть длительными и трудоемкими. Транзакцией называют последовательность операций по удовлетворению запроса. В САПР внесение изменений в некоторую часть проекта может вызвать до­вольно длинную и разветвленную сеть изменений в других его частях из-за существенной взаимозависимости компонентов проекта (многошаговость реализации запросов). В результате транзакции могут длиться даже несколько часов. При хранении компонентов проекта во внешней памяти затраты времени на обработку запросов оказы­ваются значительно выше, чем в большинстве других автоматизированных систем.

5. Иерархическая структура проектных данных и, следовательно, от­ражение наследования в целях сокращения объема базы данных.

Лингвистическое обеспечение – совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для автоматизирования проектирования и представленных в заданной форме.

Компоненты лингвистического обеспечения должны быть согласованными с компонентами обеспечения других видов, быть относительно инвариантными к конкретному содержанию баз дан­ных, предоставлять компактной форме средства для описаний всех объектов и процессов заданного для системы класса с не­обходимой степенью детализации и без существенных ограничений на объект описания, быть рассчитанными, в основном, на диало­говый режим их использования.

Поскольку созданием программ для программируемых контроллеров обычно занимаются не профессиональные программисты, а заводские технологи, такие языки программирования должны быть достаточно простыми, обычно построенными на визуальных изображениях ситуаций. Например, используются различные схемные языки. Ряд языков стандартизован и представлен в международном стандарте I ЕС 1131-3.

Методическое обеспечение – совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения АП и необходимых для решения проектных задач.

К компонентам методического обеспечения относят: ут­вержденную документацию инструктивно-методического харак­тера, устанавливающую технологию автоматизированного проек­тирования; правила эксплуатации комплекса средств АП; норма­тивы, стандарты и другие руководящие документы, регламенти­рующие процесс и объект проектирования.

Компоненты методического обеспечения должны раз­мещаться на машинных носителях информации, позволяющих осуществлять как долговременное хранение документов, так и их оперативный вывод в форматах, установленных соответствующими стандартами.

Организационное обеспечение – совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения АП.

Компоненты организационного обеспечения должны уста­навливать организационную структуру системы и подсистем, включая взаимосвязи ее элементов; задачи и функции службы САПР и связанных с нею подразделений организации; права и ответственность должностных лиц по обеспечению созда­ния и функционирования АП порядок подготовки и перепод­готовки пользователей.