4 Лекция №3. Автоматизация конструкторского проектирования эвм и систем

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

4.1 Основные вопросы

- понятие САПР;

- виды обеспечения САПР;

- классификация САПР.

4.2 Текст лекции

4.2.1 Понятие систем автоматизированного проектирования (САПР)– до 20 мин

Возможность формального математического описания некоторых конструкторских задач и унификация их постановки позволяет использовать методы автоматизации проектирования и перейти от традиционного макетирования разрабатываемых узлов и блоков ЭВМ к их моделированию с помощью компьютера.

Автоматизация проектирования на практике осуществляется с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР). Под САПР понимают комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов.

С помощью САПР можно осуществлять весь цикл сквозного проектирования ЭВМ, включающий в себя:

• синтез структуры и электрической схемы устройства;

• анализ характеристик устройства при различных режимах работы;

• синтез топологии, включая размещение элементов на печатной плате или кристалле;

• проектирование конструкции изделия;

• выпуск конструкторской документации;

• подготовка программ для физической реализации отдельных узлов или деталей конструкций, например: программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) для обработки резанием заготовок, для машин быстрого прототипирования деталей и оснастки и т.п.

Использование САПР позволяет повысить качество проектов, снизить материальные затраты, сократить сроки проектирования, уменьшить число занятых в проекте людей (проектировщиков, чертежников и др.).

ПредметомСАПР являются формализация проектных процедур, структурирование и типизиция процессов проектирования, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, способы построения технических средств, создания языков, описания программ, банков данных, а также вопросы их объединения в единую проектную систему.

4.2.2 Виды обеспечения САПР – до 50 мин

САПР включает в себя техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое и другие виды обеспечения.

Математическое обеспечение САПР включает в себя математические модели проектируемых объектов.

Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.

Основные требования, предъявляемые к математическим моделям объектов:

• универсальность – полнота отображения в модели свойств реальной вычислительной системы;

• точность – степень совпадения параметров реального объекта и параметров, рассчитанных с помощью модели;

• адекватность – способность отображать реальные свойства объекта с погрешностью не выше заданной;

• экономичность – характеризуется затратами вычислительных ресурсов.

Методика составления математической модели заключается в следующем:

1. выбор свойств объекта, подлежащих отображению в модели, основанный на анализе сферы применения модели и определяющий степень ее универсальности;

2. сбор исходной информации о выбранных свойствах объекта на основе анализа научно-технической и справочной аппаратуры, опыта проектировщиков, описаний прототипов;

3. выбор структуры математической модели, т.е. общего вида математических отношений в виде графов, таблиц, схем, формул без конкретизации числовых параметров;

расчет числовых значений параметров математической модели и оценка адекватности модели путем сравнения расчетных значений с экспериментальными данными.

Информационное обеспечение САПР – это данные, которыми пользуется проектировщик в процессе разработки изделия: справочные данные о существующих проектных решениях (как типовых, так и промежуточных для текущих разработок), о комплектующих элементах и их параметрах.

Совокупность данных, используемых в САПР, составляет информационный фонд. Организация, сохранение и обновление этого фонда составляет основную функцию информационного обеспечения САПР.

В состав информационного обеспечения САПР входят: программные модули; исходные и результирующие данные для программных модулей; нормативно-справочная проектная документация, государственные и отраслевые стандарты, типовые проектные решения, текущая (для выполняемого проекта) проектная документация и прочее.

Различают следующие способы ведения информационного обеспечения САПР: использование файловой системы; построение библиотек; использование баз данных; создание информационных программ-адаптеров. Файловые системы и библиотеки применяют при хранении программных модулей, диалоговых сценариев поддержки процесса проектирования, вводе больших массивов исходных данных, хранении текстовых документов; но они мало пригодны для оперативной обработки справочных данных. Этот способ ведения информационного обеспечения широко распространен, так как поддерживается средствами операционной системы. Информационные программы-адаптеры применяются для организации межмодульного интерфейса.

Основу лингвистического обеспечения САПР составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Проблемно-ориентированные языки создаются по каждой из областей применения (строительство, электроника и т.п.), в то же время, чрезмерное разнообразие языков может затруднять обмен данными между предприятиями.

Программное обеспечение САПР – это совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Программное обеспечение делится на общесистемное и специальное. Общесистемное программное обеспечение близко по назначению к операционным системам и предназначено для организации функционирования технических средств, т.е. планирования и управления вычислительным процессом распределения имеющихся ресурсов. Специальное (прикладное) программное обеспечение имеет форму пакета прикладных программ и реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.

Техническое обеспечение САПР включает в себя средства вычислительной техники, оргтехники, средства передачи данных, измерительные устройства, специализированные устройства ввода и вывода графической информации.

Комплекс технических средств САПР – это некоторое структурное единство компонентов технического обеспечения, обеспечивающих функционирование подсистем САПР. Средства, входящие в комплекс технических средствСАПР, должны быть технически, информационно, программно и эксплуатационно совместимы, должны обеспечивать требуемый уровень точности (достоверности) принимаемых решений и данных.

Технические средства и общее программное обеспечение САПР в процессе проектирования выполняют и решают задачи:

• ввода исходных данных описания объекта проектирования;

• отображения введенной информации с целью ее контроля и редактирования;

• хранения архивов, библиотек проектных решений и типовых элементов;

• реализации математических моделей;

• преобразования информации;

• оперативного общения проектировщика с системой;

• документирования результатов проектирования;

• выдача результатов проектирования на технологическое оборудование

• и другие функции.

Методическое обеспечениеСАПР – это входящие в ее состав документы и инструкции, регламентирующие порядок эксплуатации системы. Документы, относящиеся к процессу создания САПР, в состав методического обеспечения не входят.

В состав организационного обеспечения САПР входят различные документы, регламентирующие организационную структуру предприятия, на котором эта система используется. Это различные положения, приказы, квалификационные требования, штатное расписание.

Организационное обеспечение призвано решить проблему комплектования подразделений САПР только профессионально грамотными специалистами, имеющими навыки и знания для работы с перечисленными выше компонентами САПР. От их квалификации будет зависеть эффективность и качество работы всего комплекса САПР.

4.2.3 Классификация САПР – до 20 мин

В настоящее время существует большое количество различных САПР, которые можно классифицировать по нескольким признакам.

По типам и разновидностям объекта проектирования– выделяют САПР электронной аппаратуры, САПР изделий машиностроения и т.п.

САПР различают по уровню автоматизации проектирования(низкий уровень автоматизации – когда средствами САПР выполняется до 25% проектных процедур, средний – до 50%, высокий – свыше 50%).

По комплексности автоматизации проектированиявыделяют одноэтапные (поддерживающие один этап проектирования), многоэтапные и комплексные (поддерживающие все этапы проектирования) САПР.

Также САПР могут различаться по характеру и числупроектныхдокументов, выпускаемых с их помощью.

По числу уровней в структуре технического обеспеченияСАПР выделяют:

• одноуровневые комплексы технических средств – одна центральная ЭВМ;

• двухуровневые – представляют из себя вычислительную сеть с радиальной или кольцевой структурой, функции мониторной системы и СУБД распределены по узлам сети;

• трехуровневые – когда двухуровневый комплекс технических средств САПР дополнен чертежными автоматами, комплексами для контроля программ к станкам с ЧПУ и т.п.

Традиционно к САПР относят системы типа CAD (сomputer-aided design — компьютерная поддержка проектирования), предназначеные для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации. Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). CAD-системы в основном относятся к многоэтапным САПР. Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD.

Системы типа EDA(electronicdesignautoma­tion) поддерживают сквозной про­цесс проектирования. Например, в САПРMAX+plusIIподдерживается сквозной про­цесс проектирования устройств на осно­ве микросхем фирмыAlteraот ввода и контроля описания устройства до программирования микросхемы ПЛИС.

CAM-системы (computer-aided manufacturing — компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства.САЕ-системы –(computer-aided engineering – поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа. В системах CAM и CAE используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.