Общая структура, принципы и особенности проектирования программных средств для моделирования и автоматизированного проектирования

Программные средства для геометрического и математического моделирования (анализа и проектирования) деталей, узлов, сборок, технологических систем и процессов относятся к средствам систем автоматизированного проектирования (САПР), причем в случае последнего определения следует различать следующие основные понятия систем:

· CAD (Computer Aided Design) – проектирование с помощью ЭВМ;

· CAM (Computer Aided Manufacturing) – производство с централизованным управлением от ЭВМ;

· CAD / CAM – автоматизированное проектирование и изготовление деталей с использованием ЭВМ;

· CAE (Computer Aided Engineering) – комплексно выполняемое конструирование (включая вычерчивание деталей и узлов), технологическая подготовка производства и изготовление деталей с использованием ЭВМ.

Системы CAE включают качественное обеспечение конструктора необходимыми информационно-технологическими средствами и предполагают в качестве составных частей подсистемы CAD и CAE.

В нашей стране понятия CAD – «системы машинного проектирования» – практически тождественны с понятиями «автоматизированное проектирование» и «системы автоматизированного проектирования» (САПР), а понятия CAM соответствуют понятиям «автоматизированные системы управления технологической подготовкой производства», или АСУТП. Объединяя эти два понятия, приходим к системам CAD / CAM – «интегрированным автоматизированным системам управления» (ИАСУ). Наивысшей степенью интеграции, включающей гибкое автоматизированное производство (ГАП), являются системы CAE, идентичные отечественным «автоматизированным системам технической подготовки производства» (АС ТПП).

Таким образом, автоматизированное проектирование – это проектирование под управлением системы автоматизированного проектирования – САПР. САПР – это организационно-техническая система, выполняющая автоматизированное проектирование, – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанный с подразделениями проектной организации.

Как известно, основой САПР является моделирование проектируемых объектов.

Рассмотрим необходимые компоненты САПР, точнее виды ее обеспечения:

· методическое (документация на состав и правила эксплуатации САПР);

· лингвистическое (отражение уровня тех языковых средств, с помощью которых производится преобразование информации в системе);

· математическое (определение методов и алгоритмов проектирования, на которых, собственно, и возводится вся надстройка САПР);

· графическое (выполнение функций формализации образов проектируемых конструкций, интерпретации результатов проектирования, получения твердых копий чертежей и компоновок);

· информационное (выполнение функций своевременной передачи атрибутов информации о данном процессе проектирования с помощью гибкого манипулирования информацией на внешних носителях);

· техническое (комплекс технических средств САПР, от компоновки которых зависит ее назначение);

· организационное (регламентация взаимоотношения между проектировщиками и комплексом средств автоматизации проектирования).

Все перечисленные компоненты взаимодействуют в САПР по определенным принципам и являются той основой, на которой базируется автоматизированное проектирование.

Главной причиной разработки САПР явилось все возрастающее несоответствие между требованиями сокращения сроков, повышения качества, снижения стоимости проектных работ и старыми методами проектирования.

Необходимость использования САПР в технологических процессах (ТП) обуславливается следующими преимуществами:

· сокращение сроков разработки изделий, благодаря быстрому обмену информацией и корректировкой;

· уменьшение стоимости разработки изделия благодаря снижению затрат на разработку;

· повышение качества проектирования благодаря вариантной разработке проектов, более детальной и глубокой проработке проектно-конструкторских решений и т. д.

Например, в электронной технике наиболее широко применяются САПР ТП для проектирования и изготовления печатных плат. Практическое применение таких САПР позволяет в десятки раз сократить время и затраты на проектирование и технологическую подготовку производства новых изделий. С учетом быстрого морального старения изделий электронной техники (особенно в области ЭВМ) это обеспечивает конкурентоспособность изделий на мировом рынке.

Рассмотрим формализованное описание расчетной задачи. На рис. 1.1 представлена структура решения расчетной задачи.

Рис. 1.1. Структура решения расчетной задачи

При обычном (неавтоматизированном) проектировании реализация каждого этапа осуществляется человеком, при этом для каждой конкретной задачи весь процесс выполняется заново.

Иначе выглядит этот процесс в САПР, построенных на полностью формализуемых методах решения проектных задач. Результат решения задачи в таких системах – множество взаимосвязанных элементов объекта, т. е. конструктивно-технологический граф. Сам процесс решения связан с формированием функциональных элементов объекта и может быть представлен в качестве структурно-функционального графа. Синтез объекта состоит из решения идентичных задач, которые в САПР классифицируются как проектные операции.

В системах можно выделить три части, или подсистемы:

· формирования входной информации;

· проектирования – пакеты прикладных и управляющих программ;

· формирования выходной информации.

Такие системы работают обычно в автоматическом режиме, имеют многовариантную основу, т. е. могут быть нацелены на процесс перепроектирования, если полученный результат по тем или иным причинам не устраивает проектировщика. Идентичные элементы систем САПР в зарубежной литературе имеют следующую аббревиатуру:

· подсистема формирования входной информации – Preprocessor (препроцессор);

· подсистема проектирования – Processor (процессор);

· подсистема формирования выходной информации – Postprocessor (постпроцессор).

Для придания данным системам большей универсальности в них предусмотрено несколько уровней ветвления хода решения задачи, что придает им некоторую сложность и трудоемкость в использовании и повышенные требования к квалификации.

САПР по своей иерархии подразделяются на следующие группы:

· эвристические САПР (САПР организации поиска решения неформализуемых задач);

· САПР функционального назначения (расчетно-оптимизационные САПР, графоаналитические САПР, САПР конструкций, графические САПР, САПР подготовки технической документации, информационные САПР, САПР технологической подготовки программ для станков с численным программным управлением (ЧПУ);

· специализированные САПР (разнообразные САПР, область применения которых ограничивается определенным классом конструкций, инвариантные САПР) и др.