САПР

Введение

В конце 50-х годов в Массачусетском технологическом институте в (США) впервые зародилось понятие САD («автоматизированное проектирование»). В 70-е годы оно распространилось как международное обозначение технологии конструкторских работ с применением вычислительной техники. При этом под CAD подразумевалось обработка данных средствами машинной графики.

Аббревиатура CAD интерпретируется преимущественно как Computer Aided Design. Смысл этого понятия наиболее точно можно представить как проектирование и конструирование с помощью ЭВМ. Часто CAD понимают также, как Computer Aided Drafting, что означает черчение с помощью компьютера (автоматизированное черчение).

САПР могут предназначаться для разных целей. Одни системы специализированы на черчение, другие – на прочерчивание (эскизирование). Отдельные системы способны выполнять то и другое.

С расширением области применения САПР и одновременным развитием их возможностей понятия АП стали часто использовать для обозначения любых систем, располагающих графическим выводом. Конструирование и черчение с помощью ЭВМ – всего лишь малая часть функций. Выполняемых САПР. Многие из систем выполняют существенно больше функций. Например, CAE - Computer Aided Engeneering

CAM - Computer Aided Manufacturing

CAQ - Computer Aided Quality Assurance

CAP - Computer Aided Planning

CIM – Computer Integrated Manufacturing, представляет собой типы САПР более высокого уровня, предназначенные для обозначения смежных с конструированием сфер производства.

Трудно провести четкую границу между АП и другими автоматизированными сферами инженерной деятельности, так как в специальной литературе с этими понятиями часто обращаются слишком неоднозначно. В этом случае под САЕ понимают инженерные расчеты с помощью ЭВМ, исключая автоматизирование чертежных работ, в другом используют как понятие более высокого уровня для обозначения всех видов деятельности, которые инженер может выполнять с помощью компьютера. Нередко программирование устройств ЧПУ станками с помощью CAD – систем отождествляют с понятием САМ (так называемые CAD/ CAM – системы). В иных случаях под САМ понимают применение ЭВМ в управлении производством и движением материалов. CAQ определяет поддерживаемое компьютером обеспечение качества, прежде всего программирование измерительных машин. Понятием САР определяется автоматизированное проектирование технологических процессов, например, при подготовке производства. Взаимодействие всех названных отдельных сфер деятельности производственного предприятия, поддерживаемое ЭВМ, обозначается понятием CIM.

В узком смысле под термином CAD (САПР) понимают разработку геометрии и составление чертежей на графическом дисплее.

История и перспективы

Если само понятие АП утверждалось уже в 50-е годы, то фирмы, которые занялись созданием САПР, были основаны в США примерно в 1968г. первые, по нашим сегодняшним понятиям очень дорогие и весьма мало продуктивные системы были применены исключительно для решения специальных задач, преимущественно в электронике. В качестве вычислительных машин в системах использовались мини-ЭВМ. в середине 60-х годов на мировом рынке появились первые системы с графическим дисплеями. Параллельно со специализированными фирмами американские авиационная и автомобильная промышленности начали разрабатывать собственные программные средства АП, главным образом для больших универсальных ЭВМ.

В ФРГ первая САПР была введена в действие в 1973г. с тех пор количество внедряемых систем непрерывно возрастает. По оценкам специалистов, уже к 1985г количество используемых систем существенно превышало 1000.

Развитие САПР, проходящее относительно равномерно, осуществляется постоянным совершенствованием следующих характеристик: развитости программного обеспечения, быстродействия (рабочей скорости), качества выводимых материалов, эргономики, коэффициента затрат (отношение цены к производительности). Такая тенденция сохраняется и настоящее время.

Принципы и задачи проектирования.

Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованием и представлением в принятой форме образа этого объекта.

Проектирование – процесс, заключающийся в преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание нам основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает промежуточные описания. Возможности проектирования сложных объектов обусловлены использованием ряда принципов, основанных на иерархичности описания.

Описание технических объектов должны быть по сложности согласованны с возможностями восприятия человеком и возможности оперирования описаниями в процессе их преобразования с помощью имеющихся средств проектирования.

На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и элементов. На уровне 1 (верхнем уроне) подлежащий проектированию сложный объект S рассматривается как система S из n взаимосвязанных и взаимодействующих элементов S_i. Каждый из элементов в описании уровня 1 представляет собой также довольно сложный объект, который рассматривается как система S_i на уровне 2. Как правило, выделение элементов S_ij происходит по функциональному признаку. Подобное разделение продолжается вплоть до получения на некотором уровне элементов, описание которых дальнейшему делению не подлежит.

….

……. ……

Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низкими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.

Различают несколько режимов проектирования.

Автоматический режим имеет место при выполнении маршрута проектирования по формальным алгоритмам на ЭВМ без вмешательства человека в ход решения.

Ручной (неавтоматический) режим характеризуется выполнением маршрута без помощи ЭВМ.

Диалоговый (интерактивный) режим является более совершенным режимом, при нем все процедуры в маршруте выполняются с помощью ЭВМ, а участие человека проявляется в оперативной оценке результатов проектных процедур или операций. Если инициатором диалога является человек, которому предоставлена возможность в любой момент прервать автоматические вычисления на ЭВМ, то диалог называется активным. Если прерывания вычислений происходят по командам исполняемой на ЭВМ программы в определенные, заранее предусмотренные моменты, то такой диалог называется пассивным.

Данные

Данные – это сведения, которые используются для формирования и обработки информации. Совокупность отдельных элементов данных составляет некоторую информацию. Когда элементы соединяются по осмысленным и согласованным правилам, они служат пониманию между людьми, а в современном смысле – также для общения человека с машиной. С этой целью могут использоваться графические или алфавитно – цифровые знаки.

Обработка данных – это процесс преобразования (изменения, переноса) данных в желаемую информацию с помощью ЭВМ.

С целью получения полезной информации об объекте выполняется процедура на основе математического моделирования.

Математическая модель отражает лишь некоторые свойства объекта. Например, ММ резистора в виде уравнения закона Ома характеризует свойство резистора пропускать электрический ток, но не отражает габариты резистора, как детали, его цвет, стоимость и т.д.

В геометрических ММ отображаются геометрические свойства объектов, в них дополнительно к сведениям о взаимном расположении элементов содержатся сведения о форме деталей. Геометрические ММ могут выражаться совокупностью уравнений линий и поверхностей; алгебраических соотношений, описывающих области, составляющие тело объекта. Геометрические ММ применяют при решении задач конструирования в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике, для оформления конструкторской документации и т.д.

В приборостроении для отображения геометрических свойств деталей со сравнительно несложными поверхностями применяют ММ, представляемые в аналитической или алгебраической форме. Аналитические ММ – уравнения поверхностей и линий, например, уравнение плоскости имеет вид ax+by+cz+d=0, а эллипсоида – вид , где x, y, z – пространственные координаты; а, b, c, d – коэффициенты уравнений. В алгебраических ММ, отображающих условия принадлежности точек внутренним областям тел. Для сложных поверхностей аналитические и алгебраические модели оказываются слишком громоздкими. Их трудно получить и неудобно использовать. Область их применения обычно ограничивается поверхностями плоскими и второго порядка.

В приборостроении для отображения геометрических свойств деталей со сложными поверхностями применяют ММ каркасные и кинематические.

Каркасные ММ представляют собой каркасы – конечные множества элементов, например, точек или кривых, принадлежащих моделируемой поверхности. В частности, выбор каркаса в виде линий, образующих сетку на описываемой поверхности, приводит к разбиению поверхности на отдельные участки.

В кинематических ММ поверхность представляется в параметрическом виде R(U,V), где R = (α, y, z), а U и V – параметры. Такую поверхность можно получить как результат перемещения в трехмерном пространстве кривой R(U), называемой образующей, по некоторой направляющей линии. Коэффициенты уравнений, как правило, не имеют простого геометрического смысла, что затрудняет работу с ними в интерактивном режиме. Этот недостаток устраняется в канонических и геометрических макромоделях.

Канонические модели используют в тех случаях, когда удается выделить параметры, однозначно определяющие геометрический объект и в то же время имеющие простую связь с его формой. Например, для плоского многоугольника такими параметрами являются координаты времени, для цилиндра – направляющие косинусы и координаты некоторой точки оси, а также радиус цилиндра.

Геометрические макромодели являются описаниями предварительно отобранных типовых геометрических фрагментов. Такими фрагментами могут быть типовые сборочные единицы, а им макромоделями – условные номера, габаритные и стыковочные размеры. При оформлении конструкторской документации макромодели используют для описания типовых графических изображений, например, зубчатых колес, винтовых соединений, подшипников и т.д.