Основные компоненты сапр

Виды обеспечения САПР: методическое, математическое, лингвистическое, программное, информационное, техническое, организационное.

Методическое обеспечение САПР – документы, регламентирующие правила эксплуатации САПР: описание структур баз данных, инструкции по их использованию и ведению, руководства пользователя и программиста.

Математическое обеспечение САПР – алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение. Оно подразделяется на:

• математические методы, с помощью которых разрабатываются математические модели;

• формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Математические методы используются для создания и анализа математических моделей объектов.

Математическая модель технического объекта – система математических символов (чисел, переменных, матриц, множеств и др.) и отношений между ними, отражающая свойства проектируемого объекта, существенные для его создания и функционирования. Модель должна быть адекватной.

В САПР используются, в основном, методы: имитационного моделирования, логического синтеза, оптимизации, синтеза геометрических моделей объектов.

Методы имитационного моделирования используются для создания имитационной модели объекта и экспериментирования с ней в условиях реальных ограничений с целью выбора удовлетворяющего варианта объекта.

В САПР различают кинематическую, динамическую имитацию и имитацию сложных динамических систем.

Кинематическая имитация – определений коллизий (столкновений, несовпадений и др.) при возможных положениях элементов объекта и в процессе взаимного перемещения элементов объекта. Используются контрольные сборки, выполняется исследование движения составляющих элементов объекта.

Динамическая имитация – исследование напряженно-деформированного и теплонапряженного состояния объекта в условиях реальных ограничений и нагрузок. Используются численные методы решения задач, чаще всего, метод конечных элементов.

Имитация сложных производственных систем – исследование поведения сложных систем (например, ГПС) в условиях реальных ограничений и возможных изменениях элементов систем (например, при изменении номенклатуры изготавливаемых на ГПС изделий, в случае возникновения поломок и др.). Используется теория и системы массового обслуживания. Для моделирования разработаны специальные языки программирования: Симскрипт, Симула, GPSS.

Методы логического синтеза используются для создания математических моделей объектов с помощью описания логических правил и аналитических зависимостей между исходными данными проектируемого решения и возможными его вариантами.

В САПР К и ТП используется 3 вида математических моделей логического синтеза: табличная, сетевая, перестановочная.

Табличная модель – каждому набору исходных данных соответствует единственный вариант решения (конструкции изделия или техпроцесса его изготовления). Табличная модель устанавливает соответствие между каждым исходным параметром, и параметрами решения, например: между типом, основными размерными параметрами, квалитетом точности, шероховатостью поверхности и операциями, оборудованием, оснасткой, инструментами для ее обработки. Табличная модель представляется в виде таблицы соответствия (матрицы). Часто используется для поиска унифицированных решений.

Сетевая модель – каждому набору исходных данных соответствует несколько возможных вариантов решения, что позволяет выбрать из них наиболее рациональный вариант. Например: для изготовления одной детали разрабатывается несколько технологических процессов ее изготовления, что позволяет выбрать наиболее рациональный, удовлетворяющий, например, критерию наименьшей себестоимости. Такую модель удобно представлять в виде графов. Например: элементы графа – операции техпроцесса, а дуги графа определяют последовательность выполнения операций. Порядок следования элементов может быть только в одном направлении.

Перестановочная модель – позволяет разработать несколько вариантов решения, но последовательность может быть не только в одном направлении.

Методы оптимизации – используются для определения наиболее рационального варианта решения задачи из возможных вариантов. Это задача поиска экстремума целевой функции F(X) путем варьирования проектных параметров X в пределах допустимой области:

extr F(X) ,

XDx

где F(X) – целевая функция;

X – вектор управляемых (проектных) переменных;

Dx – допустимая область изменения X.

Выбор критерия эффективности осуществляется индивидуально в соответствии с конкретными условиями. Оптимизация может быть по одному и нескольким критериям (многокритериальная оптимизация).

При многокритериальной оптимизации одновременно учитываются несколько критериев. Создается компромиссный критерий, в котором учитываются одновременно несколько выбранных критериев E₁, E₂, ..., E_r (E_i-локальные критерии).

Для каждого E_i решается задача оптимизации и вычисляются их экстремальные значения E_i^* (i=1,2,...,r).

Записываются уравнения отклонений каждого критерия от оптимального значения:

Q_i= E_i - E_i^*

Для каждого критерия определяются весовые коэффициенты _i (0_i1 и _i=1. Записывается компромиссный критерий с помощью аддитивной функции свертки:

Q =  Q_i _i

после чего решается задача оптимизации.

Методы решения задач оптимизации: аналитические, имитационные, аналитико-имитационные.

Аналитические методы используют аппарат математического программирования. Находится целевая функция: F=F(x₁,x₂,...,x_n), где x₁,x₂,...,x_n – переменные. Графическая интерпретация: если одна переменная – 2D, две переменных – 3D.

Применяется 14 методов оптимизации: общий поиск, деления интервала пополам, дихотомии, золотого сечения, Фиббоначи, покоординатного подъема, исключения областей, случайного поиска, градиентный, Флетчера-Ривса, Дэвидона-Флетчера-Пауэлла, конфигураций Хука-Дживса, Розенбока, симплекс-метод.

Математические модели синтеза геометрических моделей объектов обеспечивают создание цифровых образов объектов, возможных для обработки на ЭВМ.

Геометрические модели представляются совокупностью уравнений кривых, поверхностей, объемов, аналитических зависимостей, алгебраических соотношений, графов, списков и др. и создаются с использованием методов аналитической геометрии, дифференциальной геометрии, линейной алгебры, теории множеств, теории графов, алгебры логики.

Геометрические модели применяются для описания геометрических свойств объектов (формы, размерных параметров, расположения в пространстве), решения позиционных и метрических задач, преобразования формы и положения геометрических объектов, оформления чертежей.

Формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Это алгоритмы работы САПР.

Алгоритмы определяют последовательность проектирования и интерактивное взаимодействие проектировщика с САПР.

Алгоритм - это подробная схема программы. Фактически это уже программа, но написанная на языке, недостаточно формализованном для того, чтобы ее мог обработать транслятор ЭВМ.

Для записи алгоритмов используют: псевдокод (специальная словарная запись – "почти программа") и блок-схемы алгоритмов (специальные графические изображения по ГОСТ 19.002-80).

Алгоритм должен быть понятным, а, следовательно, он должен быть простым. Сложность задачи, решаемой в САПР, может привести к тому, созданный для нее алгоритм будет длинным и запутанным: с множеством условий, выборов, разветвляющихся и пересекающихся цепочек действий. Этого можно избежать, используя метод последовательной детализации алгоритма "сверху вниз", используя модульный принцип. Такой метод используется, например, при проектировании технических объектов, когда, например, сначала прорабатывается общий вид объекта, затем узлы, а далее детали.

Алгоритмы САПР разрабатываются как для работы САПР в целом, так и для отдельных ее составляющих модулей, то есть они определяют:

-структуру комплекса программ создаваемой САПР;

- структуру каждой программы, используемой в САПР;

Для записи алгоритмов естественный язык, как правило, неудобен, поэтому используются специальная словарная запись, так называемый псевдокод, или специальные графические изображения, с помощью которых разрабатываются, так называемые, блок-схемы алгоритмов.

Основные принципы псевдокода заключаются в следующем.

Алгоритм, записываемый на псевдокоде, разделяется на сегменты (модули) каждый из которых содержит описание законченной функции и может детализироваться в последующих сегментах. Желательно, чтобы каждый сегмент занимал не более одной страницы, то есть был бы полностью обозрим разработчиком. Сегмент имеет вид:

Наименование функции

Описание функции

КОНЕЦ

"Наименование функции" - это заголовок сегмента (текст).

"Описание функции" - это текст, описывающий характер действий и условия их выполнения. Он может быть записан на естественном языке и/или в виде последовательности математических формул.

"КОНЕЦ" - служебное слово, закрывающее сегмент.

Оформление алгоритма на псевдокоде для повышения наглядности предусматривает ступенчатую запись текста. Для этого существуют следующие правила:

- каждое обозначение действия описания функции должно начинаться с новой строки;

- описание функции в сегменте должно смещаться на 3 позиции относительно ее наименования;

- каждое последующее обозначение действия в описании функции должно начинаться с той же позиции, что и предыдущее;

- при записи управляющих структур должны соблюдаться сдвиги обозначений действий на 3 позиции относительно служебных слов.

Правила псевдокода предусматривают организацию управляющих структур типа: "Принятие решения", "Цикл".

"Принятие решения" - это процедура проверки выполнения какого-либо условия или комплекса условий и выбор направления ("ветви") дальнейших действий.

"Цикл" - многократное выполнение последовательности действий, но каждый раз с новыми данными. Однократное выполнение этих действий называется шагом цикла. Например, при формировании графического изображения детали "вал ступенчатый", можно описать последовательность действий по изображению на чертеже одной ступени и повторить эту последовательность в цикле по числу ступеней.

Для записи принятия решений и циклов в псевдокоде предусмотрены четыре основные управляющие структуры:

ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ ВЫБОР ПОКА-ЦИКЛ ЦИКЛ-ДО Структура

ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ используется, когда нужно описать проверку выполнения условия и выбор одного из двух действий в зависимости от выполнения или невыполнения данного условия (так называемый двухпозиционный переключатель):

ЕСЛИ Обозначение условия ТО

Обозначение действий А ИНАЧЕ

Обозначение действий В ВСЕ ЕСЛИ

Для записи условий чаще всего используются функции, которые называют логическими:

= (равно) /= (не равно) < (меньше) <= (меньше или равно) >

(больше) >= (больше или равно) AND (логическое И) OR

(логическое ИЛИ) NOT (логическое НЕ) Последние три функции

дают возможность строить сложные

условия из простых.

Пример фрагмента алгоритма, в котором использована структура ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ:

ЕСЛИ размер A > 100 ТО

Выбрать масштаб 1:2 ИНАЧЕ

Выбрать масштаб 1:1

ВСЕ ЕСЛИ

Структура ВЫБОР применяется в том случае, если существует несколько (больше двух) вариантов действий, причем выбор конкретного варианта зависит от значения некоторой переменной (так называемый многопозиционный переключатель):

ВЫБОР Обозначение переменной ИЗ

СЛУЧАЙ 1 (Значение переменной 1)

Обозначение действий А СЛУЧАЙ 2 (Значение переменной 2)

Обозначение действий В ................................ СЛУЧАЙ N (Значение переменной N)

Обозначение действий Z

ВСЕ ВЫБОР

При выполнении этой функции ищется вариант действий ("случай"), соответствующий данному значению переменной, который и выполняется, например:

ВЫБОР по типу детали ИЗ

СЛУЧАЙ 1 (тип детали - вал)

Сформировать чертеж вала СЛУЧАЙ 2 (тип детали - зубчатое колесо)

Сформировать чертеж зубчатого колеса СЛУЧАЙ 3 (тип детали - втулка)

Сформировать чертеж втулки

ВСЕ ВЫБОР

Структура ПОКА-ЦИКЛ используется, если последовательность действий требуется повторять многократно (в цикле) до тех пор, пока выполняется некоторое условие, причем цикл начинается с поверки условия, и если оно не выполняется перед началом цикла, то действия в цикле не выполняются ни разу. Структура имеет следующий вид:

ПОКА Обозначение условия ЦИКЛ

Обозначение действий

ВСЕ ЦИКЛ ПОКА

Структура ЦИКЛ-ДО используется для тех же целей, что и структура ЦИКЛ-ПОКА. Отличие заключается лишь в том, что проверка условий происходит после выполнения действий, т.е., по крайней мере, один шаг цикла будет выполнен в любом случае. Структура оформляется следующим образом:

ЦИКЛ ДО Обозначение условия

Обозначение действий ВСЕ ЦИКЛ ДО

Любой из двух последних структур достаточно для описания любого цикла. Однако в конкретных случаях удобно использовать ту или иную структуру.

Например, при построении изображения ступенчатого вала, имеющего N ступеней, отличающихся параметрами, фрагмент алгоритма, обеспечивающего решение этой задачи с использованием структуры ЦИКЛ-ДО имеет вид:

Ввести количество ступеней вала N I=1 ЦИКЛ ДО обработки последней ступени (I=N)

Ввести параметры очередной I-ой ступени Сформировать изображение I-ой ступени Увеличить I на единицу (I=I+1)

ВСЕ ЦИКЛ ДО

Наряду со словесной формой описания алгоритмов с помощью псевдокода, широко используется графический способ описания, при котором отдельные функции алгоритмов отображаются в виде условных графических изображений (так называемых "Блок-схем", которые устанавливаются ГОСТ19.003-80, а правила записи алгоритмов с использованием этих изображений, устанавливаются ГОСТ 19.002-80.

Основные условные графические изображения: - п р о ц е с с

- выполнение операции или группы операций, в результате которых изменяется значение, форма представления или расположение данных;

- р е ш е н и е - выбор направления выполнения алгоритма или программы в зависимости от некоторых переменных условий;

- м о д и ф и к а ц и я - выполнение операций, меняющих команды или группу команд, изменяющих программу;

- п р е д о п р е д е л е н н ы й п р о ц е с с - использование ранее созданных или отдельно описанных алгоритмов или программ;

- в в о д - в ы в о д - преобразование данных в форму, пригодную для обработки (ввод) или отображения результатов обработки (вывод);

- д о к у м е н т - ввод-вывод данных, носителем которых служит бумага;

В некоторых случаях удобно использовать смешанный способ описания алгоритмов, когда, например, главный алгоритм изображается в виде графической схемы, а вспомогательные алгоритмы описываются с помощью псевдокода.

Лингвистическое обеспечение САПР – специальные языковые средства, предназначенные для взаимодействия проектировщика с системой, описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений.

Языки программирования (ЯП) – для написания программного обеспечения; являются средствами программиста САПР.

Язык программирования (ЯП) – формальный язык, с помощью которого возможно описание объектов и манипулирование с ними. Оригинальный формальный язык разработать не сложно. Правила, с помощью которых осуществляется описание объектов, называется грамматикой языка:

G = <V,W,P>,

где V – алфавит символов (примитивов), W – алфавит комплексов (сегментов), P – множество правил языка.

Формальный язык не может восприниматься процессором ЭВМ, поэтому программа, написанная на ЯП переводится на язык ЭВМ с помощью специальной программы – транслятора, который должен быть для каждого ЯП. Имеется два вида трансляторов: интерпретаторы и компиляторы.

С помощью интерпретатора последовательно осуществляется трансляция и исполнение каждой строки программы. Это значительно сокращает быстродействие программы, но позволяет определять строки программы, где имеются синтаксические ошибки, возможные при написании программ программистом. Поэтому этот способ удобно использовать при отладке программ. Для работы интерпретатора и программы необходим исходный текст программы. Поэтому в этом случае необходимы специальные средства защиты авторских прав разработчика программ.

Компилятор создает загрузочный (исполняемый) файл программы в машинных кодах. В этом случае для работы программы не требуется ее исходного текста. Это позволяет, в какой-то степени, защитить авторские права разработчика. Кроме того, быстродействие программы значительно выше, чем при интерпретации. Процесс создания программы осуществляется в следующей последовательности: создаются отдельные модули программы (могут быть написаны на различных ЯП), из которых с помощью соответствующих компиляторов формируются, так называемые, объектные модули на языке команд ЭВМ, после чего специальная программа – компоновщик задач – формирует загрузочный модуль, готовый для исполнения.

Требования к языкам программирования:

• наличие средств автоматического выявления синтаксических ошибок;

• удобство использования – min затраты на освоение языка и написание программ.

• универсальность – написание любых программ для заданной САПР;

• эффективность – наименьшие затраты машинного времени;

• простота освоения и использования – должны включать информационно-справочные и обучающие подсистемы.

ЯП: машинно-ориентированные, процедурно-ориентированные, проблемно-ориентированные.

Машинно-ориентированные ЯП (ассемблер, автокод) – близки к машинным командам, поэтому являются наиболее универсальными и эффективными. Программирование на МОЯП требует знания не только алгоритма, грамматики и синтаксиса ЯП, но и структуры, технических особенностей ЭВМ, поэтому они сложны и неудобны для использования неспециалистами в данной области. Они применяются для решения специальных задач, например, при написании операционных систем, при создании программ для технологического оборудования.

Процедурно – ориентированные ЯП (Паскаль, СИ, Бейсик и др.) – так называемые языки высокого уровня, удобны для использования человеком, так как они не сложны в освоении и упрощают процессы написания и отладки программ. ПОЯП универсальны в использовании.

Проблемно – ориентированные ЯП – для использования в специальных областях, например, AutoLISP используется для разработки программ создания графических изображений способом графического программирования.

Программное обеспечение САПР – совокупность всех программ, обеспечивающих реализацию функций САПР.

Системное ПО – обеспечивает организацию эффективного функционирования технических и программных средств вычислительного комплекса в процессе автоматизированного проектирования.

Основные функции СПО:

• управление процессом вычислений (например, одновременное решение нескольких задач);

• диалоговая связь с пользователем;

• решение общематематических задач;

• ввод – вывод информации (хранение, поиск, сортировка, модификация файлов, защита их целостности, защита от несанкционированного доступа);

• контроль и диагностика работы вычислительного комплекса.

Операционная система обеспечивает: поддержку работы всех программ и их взаимодействие с техническими средствами вычислительного комплекса, предоставление пользователям возможностей управления ВК.

Операционные системы подразделяются на 3 типа: мультипрограммирования, с разделением времени, реального времени.

ОС мультипрограммирования – работа в пакетном режиме.

ОС с разделением времени позволяют решать одновременно несколько задач (наиболее распространены).

ОС реального времени используются для управления технологическим оборудованием.

Файловая система – хранилище всей информации ВК.

Одна из основных функций ОС - организация файловой системы.

Файл - это место хранения информации (программ, данных, текстов, закодированных изображений и др.). Реализуются файлы как участки памяти на внешних носителях ("гибких" и "жестких" магнитных дисках, компакт-дисках и др.). Каждый файл имеет имя, зарегистрированное в каталоге - оглавлении файлов. Каталог (иногда его называют директорием) доступен пользователю с помощью командного языка операционной системы. Его можно просматривать, переименовывать зарегистрированные в нем файлы, переносить их содержимое на новое место и удалять. Каталог имеет свое собственное имя и может храниться в другом каталоге наряду с обычными файлами.

К файловой системе имеет доступ также и любая прикладная программа, для чего во всех языках программирования имеются специальные процедуры.

Для осуществления взаимодействия пользователя с операционной системой в каждой ОС имеется командный язык, который позволяет выполнять те или иные действия: обращение к каталогу, разметку внешних носителей, запуск программ и др. Анализ и выполнение команд пользователя осуществляется командным процессором. Причем, кроме ввода отдельных программ, которые немедленно выполняются, командный процессор позволяет составлять целые программы на командном языке, с помощью которых можно создать довольно сложную последовательность действий, не прибегая к обычному языку программирования, что позволяет создать удобную операционную обстановку для конкретного пользователя, избавляя его от утомительных служебных операций.

Командный язык обеспечивает выполнение операций управления ВК (например: разметка дисков, копирование файлов и др.).

Драйверы внешних устройств обеспечивают подключение к ЭВМ внешних устройств, набор которых в вычислительном комплексе может быть большим. Это стандартные внешние устройства (дисплей, клавиатура, гибкие и жесткие диски, принтер) и дополнительные устройства ввода/вывода (графопостроитель, манипуляторы, проигрыватель компакт-дисков, дигитайзер, модемы для связи с телефонными линиями, контроллеры локальных сетей и др.).

Драйвер - специальная программа, предназначенная для управления внешним устройством. Для каждого типа внешнего устройства имеется свой драйвер. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввода/вывода (BIOS), которая чаще всего заносится в постоянное запоминающее устройство системного блока ЭВМ. Драйверы дополнительных устройств могут подключаться к ОС при запуске ЭВМ.

Драйверы внешних устройств – программы, обеспечивающие подключение к ЭВМ и работу внешних устройств (дисплей, клавиатура, диски, принтер...)

Системы программирования позволяют осуществлять процесс создания программ (написание, отладку и трасляцию). Поэтому они включают в свой состав языки программирования, стандартные программы, редакторы текстов программ, и трансляторы).

В настоящее время интенсивно развивается область создания систем программирования, обеспечивающих автоматизацию процесса создания программного обеспечения для САПР (такие системы иногда называют САПР САПРов). Основной задачей таких систем является максимальное упрощение и снижение трудоемкости создания САПР. Такими системами являются так называемые системы визуального программирования.

Специальное программное обеспечение САПР предназначено для решения конкретных проектных задач. Оно состоит из пакетов прикладных программ, разработанных на основе созданного ранее математического обеспечения конкретной САПР.

При разработке специального программного обеспечения широко используются разработанные ранее программы и пакеты прикладных программ, которые могут входить в качестве модулей в разрабатываемую САПР (например, библиотека научных программ).

Информационное обеспечение САПР – система, обеспечивающая проектировщиков всей необходимой информацией в процессе проектирования (например: справочной, унифицированными и индивидуальными конструкторскими и технологическими решениями, данными о технологических возможностях предприятия и др.).

Основные функции ИО САПР:

• прием и обработка запросов проектировщиков с выдачей результатов в требуемой форме;

• хранение информации, обеспечение разделения доступа к ней, возможность восстановления информации при разрушении;

• быстрое внесение изменений (корректировка) информации;

• проверка корректности хранимой и вводимой информации;

• получение документов в алфавитно-цифровой и графической форме.

Эти задачи решаются с помощью банков данных (БнД).

БнД – совокупность средств для централизованного накопления и коллективного использования данных в САПР.

БнД = БД + СУБД

БД – данные всей необходимой информации, структурированные в соответствии с принятыми в БнД правилами.

СУБД – совокупность языковых и программных средств для создания, редактирования и использования базы данных проектировщиком и прикладными программами.

За ведение БД отвечает администратор баз данных.

Применение БнД решает основные проблемы манипулирования большими объемами информации: сокращение избыточности данных, обеспечение целостности и независимости представления данных.

Требования к БнД САПР:

• гибкость – возможность модификации, наращивания и адаптации данных при минимальных затратах;

• реорганизация БД не должна приводить к изменению прикладных программ;

• возможность параллельного доступа к данным;

• обработка как алфавитно-цифровой, так и графической информации;

• надежность – возможность восстановления данных в случае их разрушения;

• наглядность – представление информации в удобной для восприятия форме;

• экономичность – эффективное распределение памяти и исключение дублирования информации;

В БД БнД САПР хранится следующая информация:

• характеристики объектов проектирования (технические, эксплуатационные и др.);

• характеристики процессов проектирования (типовые конструкторские и технологические решения);

• нормативные и справочные данные.

Данные в БнД структурированы с помощью модели данных (МД).

Модель данных – формализованное описание, отражающее состав и типы данных, взаимосвязи между ними.

Различают МД: иерархическая, сетевая, реляционная.

Иерархическая МД характеризуется тем, что создание записей, осуществляется на нескольких уровнях, причем каждая запись связана не более чем с одной записью более высокого уровня и может иметь несколько связей с записями подчиненного уровня (схема).

В сетевой МД каждая запись может быть связана с произвольным числом других записей, находящихся на любых уровнях иерархии. Поэтому возможны любые группирования записей и организация произвольных связей между ними. Представление связей между данными представляется с помощью графов (схема).

Реляционная МД характеризуется тем, что данные формируются в виде таблиц (пример). Получили наибольшее распространение (dBASE, PARADOX и др.).

Поиск информации в БнД осуществляется с помощью поисковых описаний – составных имен. Для выполнения операций с данными в БнД используются специальные языки манипулирования данными (SQL).

Техническое обеспечение САПР – совокупность устройств вычислительной и организационной техники, предназначенная для автоматизированного проектирования изделий и процессов.

ТО и общее системное программное обеспечение составляют инструментальную базу САПР.

ТО обеспечивает возможность функционирования программного и информационного обеспечения САПР: отображение информации с целью контроля и редактирования, возможность взаимодействия проектировщика с САПР, хранение информации.

Основные устройства технического обеспечения САПР:

• аппаратные средства ЭВМ;

• внешние запоминающие устройства;

• устройства ввода-вывода информации;

• устройства документирования информации;

• технические средства теледоступа и сетей ЭВМ.

Аппаратные средства ЭВМ:

• центральный процессор (процессоры);

• специализированные процессоры;

• оперативная память;

• процессоры ввода-вывода;

• устройства сопряжения интерфейсов.

Центральный процессор (ЦП) обеспечивает управление вычислительным процессом, осуществляя преобразование исходной информации в соответствии с выполняемой программой. Кроме того, ЦП выполняет управление всеми вычислительными устройствами ЭВМ. Основной параметр процессора – тактовая частота (МГц).

Специализированные процессоры предназначены для повышения производительности при выполнении специальных задач.

Оперативная память (ОЗУ) – часть памяти ЭВМ, предназначенная для временного хранения информации (данных, программ, результатов). Основные параметры ОЗУ – емкость и быстродействие.

Емкость ОЗУ – наибольшее количество единиц информации, которое может храниться в памяти (МБ).

Быстродействие ОЗУ – время на запись и считывание информации из памяти.

Сверхоперативная память (cach) предназначена для хранения копий наиболее часто используемых команд, что повышает быстродействие работы ЭВМ.

Процессоры ввода-вывода обеспечивают управление обменом информацией между ОЗУ и периферийными устройствами без участия центрального процессора.

Устройства сопряжения интерфейсов обеспечивают согласование работы каналов ввода-вывода с устройствами управления периферийными устройствами.

Внешние запоминающие устройства предназначены для хранения больших объемов информации. Они бывают с прямым и последовательным доступом. Используются накопители на магнитных и оптических дисках, на магнитных лентах. НМД – на "жестких" и "гибких" дисках.

Устройства ввода-вывода информации. Устройства ввода преобразуют входную информацию (текстовую, графическую) в электрические сигналы, воспринимаемые ЭВМ: клавиатура, манипулятор "мышь", дигитайзер, сканер.

Устройства вывода (документирование) информации: принтер, графопостроитель (плоттер).

Технические средства теледоступа и сетей ЭВМ – для коллективного использования САПР. Две группы средств:

• многотерминальная система – центральная ЭВМ обслуживает несколько терминалов (рабочих мест). Однако количество рабочих мест ограничивается быстродействием ЦЭВМ. Кроме того, при поломке ЦЭВМ все рабочие места прекращают работу;

• сеть ЭВМ – объединение независимых ЭВМ с целью коллективного использования аппаратных, программных и информационных ресурсов всей сети. Сети: глобальные и локальные. Типы сетей: линейная, кольцевая, типа "звезда", смешанная.

Организационное обеспечение САПР – комплект документов (приказы, инструкции и др.), устанавливающих правила автоматизированного проектирования: взаимодействие проектировщиков, ответственность, правила доступа, правила выпуска документов.

Автоматизированное проектирование технологических процессов

Является одним из основных этапов автоматизированной технологической подготовки производства.

Основные задачи технологической подготовки производства. Термины и определения

Для изготовления изделия на основании созданной его конструкции необходимо выполнить совокупность мероприятий, обеспечивающих технологическую готовность производства, что называется технологической подготовкой производства (ТПП). ТПП включает решение следующих основных задач:

1. Обеспечение технологичности конструкции изделия;

2. Разработку технологических процессов изготовления всех деталей и сборки узлов изделия;

3. Выбор, проектирование и изготовление необходимых средств технологического оснащения;

4. Организацию и управление процессом подготовки производства.

Технологичность конструкции изделия определяется такими конструктивными решениями, заложенными в конструкции изделия, которые обеспечивают рациональную совокупность свойств изделия с точки зрения его производства и эксплуатации (технологическая рациональность конструкции изделия).

Под технологическим процессом понимаются все действия по изменению геометрической формы, размеров, внешнего вида, внутренних свойств объектов производства, их контролю, транспортированию, складированию, маркировке, удалению отходов производства, замене инструментов и приспособлений. При разработке технологических процессов создаются их модели, которые являются сокращенными их описаниями в технологических картах. Именно эти описания в дальнейшем для краткости мы будем называть технологическими процессами (ТП).

По степени детализации описания ТП принято разделять на маршрутные, маршрутно-операционные и операционные. Различные виды ТП используются в различных типах производства.

Тип производства определяется широтой номенклатуры, регулярностью, стабильностью и объемами выпуска продукции. Тип производства характеризуют коэффициентом закрепления операций – отношением числа всех различных технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению в течение месяца, к числу рабочих мест. Различают типы производства: единичное, серийное, массовое.

Единичное производство характеризуется малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление и ремонт которых, как правило, не предусматривается.

Серийное производство характеризуется изготовлением или ремонтом изделий периодически повторяющимися партиями. В зависимости от количества изделий в партии или серии и значения коэффициента закрепления операций различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производство. Коэффициент закрепления операций принимают равным: для мелкосерийного производства – свыше 20 до 40; для среднесерийного производства – свыше 10 до 20; для крупносерийного производства – свыше 1 до 10.

Массовое производство характеризуется большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготавливаемых или ремонтируемых продолжительное время, в течение которого на большинстве рабочих мест выполняется одна рабочая операция. При этом коэффициент закрепления операций равен 1.

Вид производства определяется методом изготовления изделий (литейное, механообрабатывающее, сборочное и др.).

Различают производства: основное, вспомогательное, инструментальное, опытное.

Основное производство – производство товарной продукции.

Вспомогательное производство – производство средств, необходимых для обеспечения функционирования основного производства.

Инструментальное производство – производство технологической оснастки.

Опытное производство – производство образцов, партий или серий изделий для проведения исследовательских работ или разработки конструкторской и технологической документации для установившегося производства.

В различных типах производств рационально использование тех или иных моделей ТП.

Маршрутный ТП - сокращенное описание всех технологических операций в последовательности их выполнения с указанием оборудования, на котором осуществляется их выполнение без операционных эскизов и без указания переходов и технологических режимов обработки. Технологический маршрут – последовательность прохождения заготовки детали или сборочной единицы по цехам и производственным участкам предприятия при выполнении технологического процесса или ремонта.

В маршрутном ТП указываются:

- состав и последовательность операций обработки;

- состав оборудования, используемого на каждой операции;

• состав и квалификация исполнителей.

Используется в единичном производстве.

Маршрутно-операционный ТП – сокращенное описание всех технологических операций в последовательности их выполнения с полным описанием отдельных технологических операций.

В маршрутно-операционном ТП, кроме элементов маршрутного ТП, указываются:

- схемы базирования обрабатываемого объекта в процессе обработки;

- состав и конструктивные схемы установочно-зажимных приспособлений;

- состав оборудования, инструментов и оснастки;

• технико-экономические показатели операций и ТП в целом.

Используется в серийном производстве.

Операционный ТП - полное описание всех технологических операций в последовательности их выполнения с указанием всех переходов и операционными эскизами.

Операционный ТП, как наиболее подробный, включает, кроме того:

- состав и последовательность переходов по операциям;

- схемы инструментальных наладок;

- описание траекторий движения инструментов;

- режимы обработки;

- основное и вспомогательное время обработки на каждой операции;

• трудоемкость и технологическую себестоимость каждой операции и процесса в целом.

Используется в массовом производстве.

Выбор, проектирование и изготовление необходимых средств технологического оснащения обеспечивает производство необходимым технологическим оборудованием, технологической оснасткой (станочными приспособлениями, средствами технического контроля, испытаний, перемещения грузов, механизации и автоматизации и др.), обрабатывающими инструментами.

Организация и управление процессом технологической подготовки производства включает формирование и совершенствование организационной структуры служб, осуществляющих ТПП и взаимодействующих с другими подразделениями предприятий, а также осуществление мероприятий по обеспечения функционирования ТПП.

Основные понятия об автоматизированной системе технологической подготовки производства (АСТПП)

АСТПП (по ГОСТ 14.402-83) – система технологической подготовки производства, основу организации которой составляет системное применение средств автоматизации инженерно-технических работ, обеспечивающее оптимальное взаимодействие людей, машинных программ и технических средств автоматизации при выполнении функций технологической подготовки производства.

АСТПП обеспечивает повышение производительности инженерного труда, сокращение затрат и времени на ТПП, повышение качества изделий.

Основные функции АСТПП:

1. Автоматизация информационного обслуживания различных подразделений ТПП, учета, контроля и планирования.

2. Автоматизированная разработка технологических процессов.

3. Автоматизированное проектирование средств технологического оснащения.

АСТПП включает следующие автоматизированные подсистемы:

• информационного обслуживания;

• анализа изделий на технологичность;

• управления АСТПП;

• технологического проектирования;

• проектирования средств технологического оснащения.

Подсистема информационного обслуживания – информационно-поисковая система для обслуживания машинного архива данных, занесения, модификации и поиска информации для подсистем АСТПП.

Подсистема анализа на технологичность – отработка изделий на технологичность, унификация и стандартизация технологических процессов, средств технологического оснащения.

Подсистема управления АСТПП – координация подсистем планирования, учета, контроля и регулирования ТПП.

Подсистема технологического проектирования проектирование ТП, управляющих программ для оборудования с ЧПУ.

Подсистема проектирования средств технологического оснащения- проектирование приспособлений, инструментов и др.

Состав задач автоматизированного проектирования ТП

Процесс автоматизированного проектирования ТП включает следующие основные этапы:

- анализ технологичности изделия;

- выбор исходной заготовки и метода ее изготовления;

- определение состава и последовательности изменения состояния объекта обработки;

- выбор схем базирования и конструктивных схем станочных приспособлений;

- разработка структуры ТП и определение параметров каждого элемента ТП;

- выбор рационального варианта ТП из возможных (оптимизация ТП).

Анализ технологичности изделия заключается в анализе его конструкции с целью достижения технологической рациональности изготовления, эксплуатации и ремонта изделия с учетом заданных конкретных технологических возможностей предприятия.

Различают производственную, эксплуатационную и ремонтную технологичность.

Производственная технологичность определяет свойства конструкции изделия с точки зрения эффективности его изготовления.

Эксплуатационная технологичность определяет свойства конструкции изделия с точки зрения эффективности обслуживания изделия в процессе его работы.

Ремонтная технологичность определяет свойства конструкции изделия с точки зрения эффективности его ремонта.

Этот этап очень сложен для формализации и плохо поддается автоматизации. Поэтому чаще всего этот анализ выполняет опытный технолог с использованием автоматизированной информационной системы, обеспечивающей оперативный поиск необходимой для анализа информации.

Выбор исходной заготовки и метода ее изготовления осуществляется с помощью автоматизированной информационной системы на основании характеристики материала изделия, его конструктивной формы и размеров, требуемой точности и качества изготовления, программы выпуска и заданных сроков ее выполнения.

Выбранная заготовка и метод ее изготовления влияют на затраты на операциях последующего технологического процесса.

Например, с увеличением точности выполнения заготовки и приближением ее формы к форме готовой детали затраты на материал и на механическую обработку уменьшаются. Однако при этом повышаются затраты на оснастку для заготовительных процессов (изготовление штампов, пресс-форм и др.). На рис. показаны качественные зависимости себестоимости изготовления штампованной заготовки ступенчатого вала (кривая 1 ) и заготовки из проката (кривая 2) от программы выпуска деталей N. Очевидно, что при малой программе выпуска целесообразнее использовать заготовку из проката, так как в этом случае исключаются затраты на изготовление штампа. На рис. показаны качественные зависимости себестоимостей изготовления заготовки (кривая 1) и последующей механической обработки заготовки (кривая 2) от допуска на размеры заготовки. Суммарная кривая себестоимости изготовления детали 3 позволяет установить, что имеется рациональное значение допуска на размеры заготовки.

Выбранная заготовка и метод ее изготовления должны обеспечить достижение заданного критерия эффективности разрабатываемого ТП (например, наименьшую себестоимость или наибольшую производительность). Для этого на основании рекомендаций, известных из технологии машиностроения, выбирается несколько вариантов получения заготовок, для каждого из которых разрабатываются варианты ТП и определяется значение целевой функции. Тот вариант, который доставляет экстремум выбранному критерию эффективности, будет наиболее рациональным. Этот этап требует большого количества трудоемких вычислений и должен в значительной степени автоматизироваться средствами САПР ТП. На производстве метод получения заготовки обычно выбирают на основе типовых технологических процессов. Для этого в САПР ТП используют информационные справочные системы, позволяющие автоматизировать процесс выбора заготовки из банка данных типовых решений.

Предварительное определение состава и последовательности изменения состояния изделия осуществляется на основании следующих основных его характеристик: точностных, физико-механических свойств, структуры конструкторских размерных цепей, серийности выпуска изделия. Этот этап является предварительным и необходим для выбора схем базирования в процессе выполнения ТП. Для этого определяются составы контуров заготовки и детали, подлежащих изменению в процессе обработки, возможный состав видов обработки и рациональная последовательность видов обработки.

На основании предыдущего этапа выполняется этап выбора схем базирования и конструктивных схем станочных приспособлений.

Базирование – придание заготовке требуемого положения относительно выбранной системы координат станка. Поверхности, линии или точки заготовки, используемые для базирования, называются базами. По назначению базы: конструкторские, технологические и измерительные.

Конструкторская база используется для определения положения детали или сборочной единицы в изделии.

Технологическая база используется для определения положения заготовки или изделия в процессе его изготовления или ремонта.

Измерительная база используется для измерения детали (ее размеров и относительного расположения поверхностей).

Для уменьшения погрешностей при изготовлении деталей необходимо, по возможности соблюдать принцип единства баз.

На этом этапе определяются:

• состав базируемых поверхностей и возможных вариантов технологических баз для них;

• возможные схемы базирования из которых выбираются рациональные схемы базирования;

• конструктивные схемы станочных приспособлений;

Выполняется размерный анализ точности обработки при выбранных схемах базирования и конструктивных схемах станочных приспособлений. Этот анализ выполняется на основании автоматизированных расчетов размерных цепей.

Автоматизация этого этапа средствами САПР заключается в поиске возможных, наиболее рациональных вариантов в банке данных типовых решений информационной системы или в разработке новых, оригинальных вариантов.

На этапе разработки структуры ТП и определения параметров каждого элемента ТП решаются следующие основные задачи:

• уточняются содержание каждой операции, намеченной ранее на этапе определения состава и последовательности изменения состояния изделия, и устанавливается последовательность переходов на каждой операции;

• определяются возможные составы оборудования, инструментов, технологической оснастки;

• выполняется расчет межоперационных припусков и размеров;

• определяются составы и квалификации исполнителей;

• осуществляется нормирование операций;

• выполняется расчет технико-экономических показателей;

• формируется технологическая документация.

Определение составов операций осуществляется методами адресации или синтеза. Особенности этих методов применительно к автоматизированному проектированию технологических процессов будут рассмотрены позднее.

Расчет межоперационных припусков и размеров хорошо формализуется а, следовательно, автоматизируется средствами САПР. Эти расчеты выполняются с помощью математических моделей, разработанных на основании размерного анализа между величинами припусков и геометрическими характеристиками обрабатываемых поверхностей.

В САПР ТП используются 2 метода:

• по справочным таблицам, составленным на основе обобщения и систематизации производственных данных предприятий;

• путем выполнения расчетов припусков, выполняемых на основе погрешностей базирования, установки, дефектов поверхностей.

Расчет режимов обработки (глубина, подача и скорость резания) имеет целью определение наиболее рационального сочетания условий обработки. При этом исходными параметрами являются: виды обработки, характеристики обрабатываемых материалов, состояние обрабатываемых поверхностей, характеристики используемого оборудования, характеристики обработанных поверхностей, характеристики применяемых инструментов, стойкости инструментов, условия охлаждения и др. Глубина резания при однопроходной обработке определяется припуском на обработку данной поверхности. Подача при черновой обработке назначается максимально допустимой и определяется прочностью самого слабого звена технологической системы (инструмент, заготовка или элементы станка). При чистовой и отделочной обработке подача определяется заданными точностью и шероховатостью. Скорость резания определяют по нормативно-справочным таблицам или расчетным путем с использованием эмпирических или полуэмпирических формул, например:

V=Cv/T^mt^xS^y

Нормирование операций и всего технологического процесса в САПР заключается в определении трудоемкости с помощью эмпирических формул или на основании известных параметров режимов резания, например, операционное время рассчитывается по формулам:

t_оп= t_о+ t_в; t_о= t_оп(1+К/100),

где t_о- основное техническое время; t_в –вспомогательное время; К-коэффициент, учитывающий долю времени на техническое и организационное обслуживание.

Расчет технико-экономических показателей выполняют с целью определения затрат на изготовление изделия и для выбора наиболее рационального варианта из нескольких возможных спроектированных вариантов. Оценку вариантов чаще всего производят, сравнивая себестоимость изготовления детали. Различают цеховую и заводскую себестоимости. Для сравнения вариантов пользуются цеховой себестоимостью:

С=М+С_з.п.+ С_о.п.+ С_р.о.+ С_в.м.+ С_а.+ С_и.+ С_п.+ С_э,

где М-себестоимость изготовления заготовки, С_з.п-заработная плата производственных рабочих, С_о.п.-заработная плата обслуживающего персонала, С_р.о-расходы на ремонт оборудования, С_в.м-расходы на вспомогательные материалы, С_а-расходы на амортизацию оборудования, С_и-расходы на инструмент, С_п-расходы на приспособления, С_э-расходы на электроэнергию.