8.4. Системы автоматизированного проектирования

Средства автоматизированного проектирования (САПР) широко применяются в технике и промышленности. С помощью их можно проектировать различные объекты как в самых широких областях науки и техники. Это и всевозможные машины и механизмы, промышленные и жилые здания, средства коммуникации и даже само программное обеспечение.

САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющее автоматизированное проектирование.

САПР содержит семь видов обеспечения: математическое (МО), лингвистическое (ЛО), информационное (ИО), программное (ПО), техническое (ТО), методическое (МО) и организационное (ОО). Из всех видов обеспечений ПО занимает особое место, так как основная доля затрат при разработке САПР приходится именно на ПО.

Как законченное изделие САПР является совокупностью следующих компонентов (рис. 8.6.)

Рис.8.6

технических средств, обеспечивающих автоматизированное получение проектных решений;

программ, управляющих работой технических средств и выполняющих проектные процедуры;

данных, необходимых для выполнения программ;

документации, содержащей все необходимые сведения для выполнения программ;

документации, содержащей все необходимые сведения для выполнения автоматизированного проектирования с помощью данной САПР.

Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность программ на машинных носителях с необходимой программной документацией и, в свою очередь, состоит из базового, общесистемного и специализированного программного обеспечения.

Базовое ПО – включает в себя ПО обслуживающих подсистем САПР (мониторные системы, СУБД, графические редакторы).

Общесистемное ПО – представляется операционными системами используемых ЭВМ. Оно управляет процессами вычислений, вводом, выводом, диалоговой взаимосвязью с пользователем, поиском, анализом, модификацией данных, контролем и диагностикой в процессе вычислений и многим другим.

В состав его входят мониторная диалоговая система, системы управления базами данных, информационно-поисковые системы, геометрические и графические процессоры, средства форматирования текстовой и графической информации, средства для выполнения общетехнических расчетов и др.

Специализированное ПО – предназначено для получения проектных решений. Оно создается с учетом организации и возможностей общесистемного ПО САПР.

Состав и структура ПО САПР определяется как составом и структурой подсистем САПР, так и САПР в целом. Взаимодействие специализированного, общесистемного и базового ПО с техническими средствами САПР показано на рис.8.7

Рис.8.7. Взаимодействие программного обеспечения САПР

По функциональному назначению ПО САПР можно разделить на ряд программных комплексов, а именно: проектирующие, обслуживающие и инструментальные (рис.8.8).

Проектирующие ПК предназначены для получения законченного проектного решения и, в свою очередь, делятся на проблемно-ориентированные и объектно-ориентированные.

Обслуживающие ПК предназначены для поддержания работоспособности проектирующих ПК и входят в состав общесистемного ПО.

Инструментальные ПК представляют собой технологические средства, предназначенные для разработки, развития и модернизации ПО САПР. Их можно, в свою очередь, разделить на инструментальные средства, являющиеся частью САПР и используемые в процессе ее работы, и инструментальные средства, используемые только в процессе разработки САПР.

Системы САПР широко применяются в машиностроении, электронике и т.п.

Среди САПР в элетронной промышленности можно назвать такие, как PCAD, PSPACE, PRANIS, PRACIS и т.п.

Однако, учитывая направленность специальности рассмотрим, прежде всего САПР в машиностроении. Его можно на две группы: специализированные и универсальные системы.

Специализированные программные системы могут ис­пользоваться как автономные самостоятельные систе­мы, так и включаться в состав универсальных систем. Дополнительно их можно разделить в зависимости от области применения и решаемых задач на следующие группы:

1) программы для графического ядра системы; типич­ными примерами таких программ могут служить ACIS (Spatial Technology) и Concept Modeller (Wisdom), реали­зующие твердотельную вариационную геометрию при создании геометрических моделей;

2)системы для функционального моделирования на различных уровнях физического представления проекти­руемых объектов. Системы, используемые для анализа и оценки функциональных свойств проектируемых объектов, обычно отличаются высокой сложностью и стоимостью и охватывают широкий круг задач модели­рования технических объектов.

Наиболее распространены системы для моделирования на распределенном уровне, использующие метод конеч­ных элементов (МКЭ). Они, в свою очередь, также делятся на универсальные системы анализа с использо­ванием МКЭ и специализированные. Наиболее извест­ны такие универсальные системы, как Nastran, Nisa II, Patran, Ansys и другие, позволяющие выполнять различ­ные виды анализа на распределенном уровне. Специали­зированные системы МКЭ ориентированы на конкрет­ные виды анализа. Примерами таких систем могут служить пакеты SIMTEC и MAGMAsoft, предназна­ченные для моделирования процессов отвердевания металлических отливок, MoldFlow — для моделирования процессов литья пластмасс, OPTRJS — для моделиро­вания деформаций при листовой штамповке и др.

3) системы для подготовки управляющих программ для технологического оборудования с числовым про­граммным управлением. Как правило, эти системы имеют собственный, достаточно развитый графический редактор, позволяющий на основе чертежа детали созда­вать ее геометрическую модель, которая затем исполь­зуется для генерации управляющей программы. Приме­ров таких программ для ПЭВМ и рабочих станций достаточно много, к наиболее известным можно отнести следующие: SmartCAM, CIM CAD, Cimplex, Eukiid, PEPS, DUCT, Спрут и др. Часто они специализируются на конкретных видах механообработки или имеют набор специализированных модулей.

Универсальные системы САПР предназначены для комплексной автоматизации процессов проектиро­вания и производства продукции машиностроения. Их можно разделить на три группы в зависимости от их функциональных возможностей, набора модулей и струк­турной организации системы: системы низкого и сред­него уровня, а также полномасштабные системы.

Кратко существующие САПР в машиностроении можно охарактеризовать следующим образом:

Система ANVIL-5000 разработана и продается фирмой Manufacturing and Consulting Services (MCS). На .май 1991 г. в фирме работало всего 165 сотрудников. В странах СНГ система ANVILL-5000 была достаточно распростра­нена, так как работала на ЭВМ семейства VAX и их аналогах. В таблице приводятся оценки по версии 2.2, продажа которой началась с мая 1992 г. Фирма мало уделяла внимания развитию системы, что привело к па­дению престижа системы и снижению ее характеристик по отношению к другим быстро развивающимся систе­мам. Реализация пакета на PC — очень слабая и некон­курентна с большинством распространенных систем для PC. Общий уровень системы не отвечает современным требованиям к универсальной САПР, а будущее системы весьма неопределенно.

Система ВгатоЗ распространяется фирмой AppUcon, обладающей правами собственности на нее. Полное чисто сотрудников фирмы на ноябрь 1991 г. равно 800. В странах СНГ система Bravo3 использовалась рядом оборонных предприятий на ЭВМ семейства VAX. Силь­ными сторонами системы всегда были приложения по генерации управляющих программ для станков с ЧПУ, средства разработки прикладных программ и сопровож­дение. Однако уровень твердотельного моделирования и горизонтальная интеграция модулей не отвечают современным требованиям. Версия MacBravo для ПЭВМ Macintosh — слабая и распространяется с трудом. В целом система находится на достаточно хорошем уров­не, но существенно уступает лидерам в области САПР и по алгоритмической базе значительно отстала от среднепромышленного уровня.

Система CADDS5 разработана и распространяется фирмой Computervision. Последние годы фирма лиди­рует в области САПР как по объему продаж, гак и по уровню разработок на основе длительного опыта работ в этой области. Однако в 1994 г. Фирма уступила лидерство по объему продаж фирме РТС, На конец 1994 г. в фирме работало 3800 сотрудни­ков. В настоящее время фирма — один из лидеров в России на рынке продаж САПР для рабочих станций. К достоинствам системы можно от­нести следующие:

полный набор функциональных модулей, включая Piping, Cabling и HVAC;

распространенная система с большим числом инсталяций;

полная двунаправленная ассоциативность между боль­шинством функциональных модулей;

хорошее управление данными, есть связь с коммерчес­кими СУБД, модуль EDM продается как самостоятель­ный продукт; поддерживает видеоконференции; современный графический интерфейс пользователя (OSF MotiD;

графический интерфейс — единый для большинства модулей;

хорошие возможности расширения системы (CV-DORS);

быстро устраняются недостатки и наращивается число модулей;

система имеет поддержку на ПЭВМ, совместимых с IBM PC и PS/2, включающую пакеты Personal Machin­ist, Personal Designer, Design View, Design Post. К недостаткам системы относятся: высокая сложность системы для освоения, использо­вания и управления;

сложный и громоздкий интерфейс пользователя; проблемы в системной интеграции. Часть модулей, разработанных третьими фирмами, не поддерживает все функции системы;

имеются модули с одинаковым назначением; имеются проблемы в стыковке пакетов на ПЭВМ с CADDS5.

Помимо CADDS5 фирма распространяет систему CAD/CAM Medusa и средства управления данными EDM. Medusa — популярный в прошлом пакет, но в настоящее время устареют и не конкурирует с системами. перечисленными в таблице. Фирма большое внимание уделяет развитию системы, в последнее время предложе­на новейшая технология разработки и адаптации средств САПР под названием PELORUS. Однако информация о ней ограничена и не позволяет оценить ее возможности. Тем не менее PELORUS принята как базовая технология такой всемирно известной фирмой, как Mersedes Benz и консорциумом Airbus Industrie. Финансовое положение фирмы в последнее время суще­ственно улучшилось в результате структурной реоргани­зации и заключения ряда крупных контрактов.

Система САTIА разработана и распространяется фир­мой Dassault Systems, но правыми собственности обла­дает IBM, также распространяющая эту систему. Систе­ма широко известна и получила распространение благо­даря авторитету и финансовым возможностям IBM. В 1993 г. появилась версия 4, для которой приведены оценки в таблице. На ноябрь 1991 г. в фирме работало 1000 сотрудников. CATIA широко распространена в авиакосмической и автомобильной промышленности. Достоинства системы:

полный набор функциональных модулей, включая Piping, Cabling и HVAC;

распространенная система с большим числом инсталяций;

современный графический интерфейс пользователя с использованием пиктограмм;

прекрасные возможности в моделировании поверх­ностей;

хорошо зарекомендовавшая себя технологическая часть;

может использоваться на Power PC;

имеются средства управления роботами;

на САТIА выполнен ряд сложных проектов: Boieng 777 и серия LH автомобилей фирмы Chrysler. Недостатки системы:

недостаточный уровень графического интерфейса пользователя;

в геометрических моделях недостаточный уровень ассоциативности — устаревшее графическое ядро;

основные проекты выполнены в предыдущих версиях САТIА на mainframe, а не на рабочих станциях под АIХ;

недостаточный уровень средств анализа; слабая поддержка в проблемных приложениях;

нет поддержки на ПЭВМ с процессорами Intel;

нет средств концептуального проектирования сложных изделий;

реализована только на технических средствах IBM.

Система по ряду аспектов морально устарела и усту­пает современным лидерам в области САПР.

Система IСЕМ разработана и распространяется из­вестной в прошлом фирмой Control Data Systems. В связи с ошибками руководства корпорацией она понесла большие финансовые потери и находится практически в критическом положении. На февраль 1992 в фирме работало 5000 сотрудников (в 1987 г. — 34500). IСЕМ содержит полный набор модулей, характерный для САПР, и распространяется совместно с такими продуктами других фирм, как DUCT (фирмы Delcam) и Pro/Engineer (фирмы РТС). На Западе IСЕМ достаточно распространена в автомобильной и авиа­ционной промышленности, менее известна она в Рос­сии. Слабой стороной системы является объединение модулей, отвечающих современным требованиям и устаревших, а также полная реализация системы на рабочих станциях типа Cyber 910, имеющих слабое распространение. Будущее системы неопределенно в связи с тяжелым положением фирмы.

Система I-DEAS разработана и распространяется фир­ма Structural Dynamics Research Corp. (SDRC). В настоя­щее время распространяется версия системы под назва­нием Master Series. Эта же система под названием CAEDS распространяется фирмой IBM. В странах СНГ ранние версии I-DEAS достаточно известны под назва­нием "Ирис", которые распространялись болгарами с их ЭВМ — аналогами семейства VAX. Финансовое положение фирмы удовлетворительное, поскольку при­кладываются значительные усилия по развитию I-DEAS и проводится агрессивная политика по внедрению системы в различные отрасли. Фирма заключила согла­шения с такими известными фирмами, как Autodesk, Mentor Graphics и Camax по интеграции программных продуктов и совместном их распространении. На январь 1991 в фирме работало 950 сотрудников. Традиционно I-DEAS известна в России как пакет для моделирования с использованием МКЭ, однако в настоящий момент это мощная система, включающая обширный набор модулей для организации различных вариантов рабочих мест. К недостаткам системы можно отнести недостаточный уровень управления данными, управления механическими сборками и поддержки кол­лективной работы, а также возможность поддержки на ПЭВМ только на уровне AutoCAD. Система перспек­тивна и может быть рекомендована для использования.

Система I/EMS разработана и распространяется фир­мой Intergraph Corp., которая, в отличие от всех рассмат­риваемых фирм, является крупным производителем рабочих станций и периферии (однако рабочие станции создаются на базе процессоров Intel и имеют высокую стоимость). Благодаря этому фирма предлагает потреби­телям "интегрированные решения" в области САПР для различных применений. Финан­совое положение фирмы удовлетворительное. I/EMS по своим возможностям является одним из лидеров среди систем, однако, поскольку она не имеет длительной истории и из-за ориентации фирмы в основном на карто­графию, по объему продаж она уступает другим систе­мам.

Система EUCLID-IS разработана и продается фирмой Matra Datavision (Франция), входящей в состав Matra Group. Финансовое положение фирмы среднее, учиты­вая кризис в европейской промышленности. В странах СНГ ранние версии Euclid вместе с ANVILL — наиболее распространенные на ЭВМ семей­ства VAX. На февраль 1992 г. в фирме работало 450 сотрудников. EUCLID-IS — широко известная система, отличающаяся высоким уровнем твердотельного моде­лирования, хорошим управлением данными проекта и производственными приложениями. В 1992 г. вышли версии системы 2.3 и 2.4, а в 1993 г. — версия 3.0, отличающаяся улучшенной вариационной геометрией, фотореалистичной визуализацией объектов и новым графическим интерфейсом пользователя (на базе OSF Motif).

Система объединяет большой набор специализирован­ных модулей, ориентированных на решение различных задач в цикле проектирования. Особый интерес пред­ставляет модуль моделирования для процессов листовой штамповки, отсутствуюший в других системах. Matra Datavision развивает создание интегрированных програм­мных модулей, специализированных на различных видах механообработки и реализующих все требуемые функ­ции: SurfmasterH Foldmaster.

Система Pro/ENGINEER разработана и распростра­няется фирмой Parametric Technology Corporation (РТС). Фирма очень динамична и очень быстро растет. На ноябрь 1991 г. в фирме работало 300 сотрудников, а на конец 1994 г. — 1300. РТС — один из лидеров на рынке СНГ в секторе полномасштабных САПР. В конце 1994 г. распространялась версия 14.0 системы. Систему отличает высокий уровень параметрического твердотельного моделирования с поддержкой ассоциа­тивности на уровне сборок, деталей, свойств и парамет­ров. Достаточно высок уровень технологических моду­лей в системе и удобен пользовательский интерфейс. Сильной стороной системы является наличие версий практически для всех вариантов технических средств от IBM PC до HP9000 system 700. К слабым сторонам системы можно отнести недостаточный уровень управ­ления данными и приложений в различных проблемных областях. Рейтинг системы достаточно высок и она развивается очень быстро.

Система UNIGRAPHICS 10 — распространяется ком­панией EDS, принадлежащей General Motors. Этой же компании фирмой McDonnell Douglas были проданы права на эту систему и коллектив разработчиков. На март 1992 г. в фирме работало 21000 сотрудников (непо­средственно САПР занималось — 980). Финансовое положение фирмы достаточно ста­бильное. UNIGRAPHICS 9 (предыдущая версия) — широко известная система, использующаяся в автомо­бильной и авиационной промышленности. Система содержит обширный набор различных модулей, тради­ционно сильна в технологических приложениях. К слабым сторонам системы можно отнести недостаточ­ный уровень управления данными и механическими сборками, отсутствие модуля Piping. Рейтинг системы достаточно высок, в СНГ она приобретена несколькими машиностроительными заводами.

В последнее время получили широкое развитие такие области САПР как проектирование мехатронных устройств

При этом под мехатронными устройствами понимаются объекты, для исследования и проектирования которых используются математические модели, отражающие взаимное влияние протекающих в объекте процессов различной физичес­кой природы. Рассмотрение ведется на макроуровне, т.е. при дискретизации пространственных величин, что приводит к моделям в виде систем обыкновенных диф­ференциальных уравнений. В то же время описываемый подход отличается от принятого в теории автоматичес­кого управления тем, что в математических моделях используются не абстрактные сигналы, а величины, непосредственно характеризующие физическое состоя­ние объекта (токи, потенциалы, давления, силы и т.п.) и связанные компонентными уравнениями.

В современных системах автоматизированного проек­тирования для анализа на макроуровне, как правило, применяются программы одноаспектного (монодисциплинарного) моделирования. Определились программы — мировые лидеры — для анализа электрон­ных схем (Spice) и механических устройств (Adams, Dyna). Так, в программах типа Spice в качестве фазовых переменных используются электрические токи и напря­жения. Хотя влияние температуры на электрические процессы можно учесть путем введения в модели ком­понентов температурных зависимостей параметров, такой учет является все же односторонним. В Spice-подобных программах обратное влияние электрических переменных на тепловой режим не предусматривается и, следовательно, отсутствуют возможности учета дву­стороннего (взаимного) влияния фазовых переменных тепловой и электрической подсистем. Аналогичная ситуация имеет место и в отношении других физичес­ких подсистем и известных программ анализа.

Математический аппарат анализа, разработанный для одноаспектного моделирования, входит составной частью в методики анализа мехатронных устройств. Однако требуются и развивающие дополнения, приво­дящие к инвариантности форм представления моделей разных физических объектов и, следовательно, к объе­динению моделей и их решению в едином вычисли­тельном процессе. Прежде всего к таким дополнениям нужно отнести аналогии фазовых переменных, компо­нентных и топологических уравнений.

Однако до настоящего времени методики многоас­пектного моделирования почти не используются в существующих САПР, хотя в средствах анализа систем с физически разнородными подсистемами нуждается большинство проектных организаций приборострои­тельного профиля.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гудман С., Хидетниеми С. Введение в разработку и анализ алгоритмов. –М.:Мир, 1981.-368с.

2. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных: Пер. с англ. – М.:Мир, 1989. – 360с.

3. Гурова Л.И. Сахаров С.С. Прикладные пргораммы: Учебн. пособие. – М.:Статистика, 1980. – 280с.

4. Фокс Дж. Программное обеспечение и его разработка: Пер. с англ. – М.:Мир, 1985. – 368с.

5. Зельднер Г. Программируем на Quick BASIC 4.5. Учебн. пособие. – М.:АBF, 1996, 432с.

6. Практическое руководство по программированию: Пер. с англ. / Б.Мик, П.Хит, Н.Рашби и др. – М.:Радио и связь, 1986. – 168с.

7. Симбуя М., Ямамото Т. Алгоритмы и структуры данных: Пер. с японского. – М.: «МИР», 1986. – 218с.

8. Уолш Д. Руководство по созданию документации для математического обеспечения. - М., 1975, 128с.

9. Разработка САПР. В 10 кн. Кн.3. Проектирование программного обеспечения САПР: Практ.пособие /Б.С.Федоров, Н.Б.Гуляев; Под ред.А.В.Петрова. - М.:Высш. шк., 1990. - 159с.

10. Бутаков Е.А. Методы создания качественного программного обеспечения ЭВМ.-М.:Энергоатомиздат, 1984.-232с.