Системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП). Подсистемы САПР ТП. (Лекция 2)

1.

Курс лекций к дисциплине
Системы автоматизированного
проектирования
технологических процессов
(САПР ТП)
Лектор, преподаватель:
к.т.н., доцент
Уразбахтина Анжелика Юрьевна
1

2.

1.6 Подсистемы САПР ТП
Структурными составными составляющими САПР являются подсистемы, обладающие
всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы. Это
выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечивающие выполнение
некоторых законченных проектных задач с получением соответствующих проектных
решений и проектных документов.
Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.
Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. К
проектирующим относятся подсистемы, выполняющие проектные процедуры и
операции, например:
• подсистема компоновки изделия;
• подсистема проектирования сборочных единиц;
• подсистема проектирования деталей;
• подсистема проектирования схемы управления;
• подсистема технологического проектирования.
Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих
подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР.
К обслуживающим относятся:
• подсистема графического отображения объектов проектирования;
• подсистема документирования;
• подсистема информационного поиска и др.
2

3.

Для успешного внедрения САПР ТП и последующей эффективной работы персонала необходима
разработка внутренних стандартов предприятия на выполнение документации в электронном виде,
разработка технологии проектирования (применение знаний на практике для построения
комплексных систем со сквозной передачей информации), а также наличие службы поддержки
САПР, в обязанности которой должно входить решение как вышеперечисленных задач, так и других
задач, связанных с адаптацией, настройкой, планированием внедрения новых версий ПО,
организацией библиотеки наработок и т.п. Необходимость существования данной службы
значительно возрастает при внедрении систем трехмерного моделирования.
3

4.

4

5.

5

6.

6

7.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два
вида проектирующих подсистем:
• объектно-ориентированные (объектные);
• объектно-независимые (инвариантные).
К объектным подсистемам относят подсистемы, выполняющие одну или
несколько проектных процедур или операций, непосредственно
зависимых от конкретного объекта проектирования, например :
• подсистема проектирования технологических систем;
• подсистема моделирования динамики, проектируемой конструкции и
др.
К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие
унифицированные проектные процедуры и операции, например:
• подсистема расчетов деталей машин;
• подсистема расчетов режимов резания;
• подсистема расчета технико-экономических показателей и др.
7

8.

Процесс проектирования реализуется в подсистемах в виде
определенной последовательности проектных процедур и
операций. Проектная процедура соответствует части
проектной подсистемы, в результате выполнения которой
принимается некоторое проектное решение. Она состоит
из элементарных проектных операции, имеет твердо
установленный порядок их выполнения и направлена на
достижение локальной цели в процессе проектирования.
Под проектной операцией понимают условно выделенную
часть проектной процедуры или элементарное действие,
совершаемое конструктором или технологом в процессе
проектирования. Примерами проектных процедур могут
служить процедуры разработки кинематической или
компоновочной схемы станка, технологии обработки
изделий и т.п., а примерами проектных операций расчет
припусков, решение какого-либо уравнения и т.п.
8

9.

9

10.

1.7 Структура САПР
Структура САПР состоит из восьми видов обеспечения.
Методическое обеспечение САПР это комплекс документов, в котором
зафиксированы основные принципы построения системы. К ним
относят также технические и рабочие проекты, а так же
эксплуатационную документацию.
Организационно-правовое обеспечение САПР – это комплекс
документов, в котором зафиксированы функции отдельных
подразделений и взаимодействие между ними, а также права и
обязанности лиц, эксплуатирующих или сопровождающих САПР ТП; в
них фиксируется ответственность лиц за неправильные решение и
несанкционированный доступ к информации.
10

11.

Математическое обеспечение САПР ЛА
Основу математического обеспечения (МО) составляют математические модели (ММ) методы и алгоритмы, по
которым разрабатывается программное обеспечение (ПО), и которые позволяют осуществлять
автоматизированное проектирование. Отличительной особенностью МО является то, что оно не
используется в явном виде, тем не менее, разработка МО является самым сложным этапом создания САПР,
от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность системы.
МО САПР состоит из двух частей, различающихся по назначению и способам реализации. Первую составляют
математические методы и построенные на их основе математические модели. Они описывают объекты
проектирования, части, позволяют вычислять необходимые свойства и параметры объектов. Во вторую
часть МО входят формализованные описания технологии автоматизированного проектирования.
В первой части МО используют математические модели:
формы и геометрических параметров проектируемого ЛА или его частей;
структуры проектируемого ЛА;
временных и пространственно-временных отношений деталей ЛА в сборке;
функционирования ЛА или его частей;
состояний и значений свойств частей ЛА;
имитирующие функционирование проектируемого объекта.
Модели формы и геометрических параметров – это плоские и объемные изображения объектов проектирования,
выполненные в соответствии с правилами ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП (чертежи, схемы, карты эскизов и т.д.). В
их основе лежит параметрическое моделирование.
Модели структуры – это кинематические, гидравлические, электронные и др. схемы. Для технологического
процесса – это его структура, представленная, например, в виде маршрутной, операционной карты, а в
процессе проектирования – в виде графа.
Модели временных и пространственно-временных отношений – это циклограммы, сетевые графики и т.д.
Модели функционирования – это, например, динамические и кинематические схемы, выполненные в режиме
анимации.
11

12.

12

13.

13

14.

Функциональная ММ это алгоритм преобразования входных
параметров в выходные.
Модели состояний и значений свойств объекта – это формальное
(упрощенное) описание объекта (процесса) в виде отдельных формул,
систем уравнений и т.д. Они предназначены для расчетов параметров
объекта, проведения численных экспериментов (для технологического
проектирования – это математические модели для расчета припусков
и межпереходных размеров, режимов резания и т.д.).
Имитационные (статистические) модели позволяют, учитывая большую
совокупность случайных факторов проигрывать (имитировать) на
ЭВМ многочисленные и разнообразные реальные ситуации, в которых
может оказаться будущий объект проектирования. Имитационные
модели отображают происходящие в объекте процессы при наличии
на него внешних воздействий.
В символических моделях оперируют не значениями величин, а их
символическими обозначениями (идентификаторами).
Аналитические модели представляют собой явно выраженные
зависимости выходных параметров от параметров входных или
внутренних.
14

15.

15

16.

Общая схема модели «Процесс» в САПР ТП
16

17.

Алгоритм отработки изделия на технологичность
17

18.

Обычно, формирование МО САПР начинается с разработки моделей отдельных
компонентов, затем выполняется формирование модели системы из моделей
компонентов. Как правило, модели компонентов разрабатываются специалистами
в прикладных областях (знающими требования к моделям и формам их
представления).
Алгоритмы задаются в процедурном и декларативном виде. На начальной стадии
алгоритмы оформляются в виде таблиц (табличных алгоритмов) или в виде
графических схем. Алгоритмы фиксируются в техническом проекте САПР и на их
основе в дальнейшем разрабатываются программы.
Алгоритм в виде блок-схемы перед программированием существенно облегчает
процесс создания и отладки программы, определения форматов и перечня
переменных, поиск ошибок, редактирование с целью модернизации.
Табличные алгоритмы (ТА) представляют собой таблицы, фиксирующие
определенные способы принятия решений. Иначе говоря, ТА это
декларативное представление алгоритма, позволяющее непроцедурным
образом выразить алгоритм и записать его в базу знаний. Принятие решений
выполняется с помощью универсального модуля, который выбирает таблицу
из базы знаний, обрабатывает ее и принимает решение, соответствующее
входным данным.
18

19.

Пример разработки табличного алгоритма
19

20.

20

21.

Алгоритм проектирования и изготовления оснастки
21

22.

Разработка МО описывающего объекты проектирования, их части, для вычисления
необходимых свойств и параметров объектов, состоит из следующих этапов.
• 1. Выбор свойств объекта, которые подлежат отражению в модели. Он основан на анализе
возможных применений модели и определяет степень ее универсальности.
• 2. Сбор исходной информации о выбранных свойствах объекта (входной, выходной
информации, управляемых параметров). Источниками ее являются: опыт и знания
инженера, разрабатывающего модель; содержание научно-технической литературы (прежде
всего справочной); описания прототипов – имеющихся ММ для элементов, близких по
своим свойствам к исследуемому; результаты экспериментального измерения параметров и
т.п.
• 3. Синтез структуры ММ. Структуру модели можно представить в графической форме, в
виде эквивалентной схемы, алгоритма, графа или блок-схемы. Синтез структуры – это поиск
и упорядочивание аналитических, логических и других зависимостей для преобразования
входных параметров в выходные, и наиболее ответственная операция.
• 4. Расчет числовых значений параметров ММ (разработка тестового или контрольного
примера). На этом этапе решается задача минимизации погрешности модели заданной
структуры.
• 5. Оценка точности и адекватности ММ. Здесь устанавливается степень расхождения с
тестовым примеров или с реальным объектом.
• 6. Разработка и оформление документации к ММ завершает проектирование МО.
Конечная цель разработки МО – получение программного обеспечения (ПО) САПР на
алгоритмическом языке программирования.
22

23.

Схема ассоциативных связей в ММ проектирования ТП
23

24.

Вторая часть МО: формализованные описания технологии автоматизированного
проектирования на основе типовых проектных процедур, таких как
параметрический и структурный синтез.
Создать проект объекта (изделия или процесса) означает выбрать структуру объекта,
определить значения всех его параметров и представить результаты в
установленной форме. Результаты (проектная документация) могут быть выражены
в виде чертежей, схем, пояснительных записок, программ для программноуправляемого технологического оборудования и других документов на бумаге или
на машинных носителях информации. Разработка (или выбор) структуры объекта
есть проектная процедура, называемая структурным синтезом, а расчет (или выбор)
значений параметров элементов процедура параметрического синтеза.
Задача структурного синтеза формулируется в системотехнике как задача принятия
решений (ЗПР). Ее суть заключается в определении цели, множества возможных
решений и ограничивающих условий:
ЗПР= «А,К,Мод,П»,
где А множество альтернатив проектного решения; К=(К1, K2, ..., Km) множество
критериев (выходных параметров), по которым оценивается соответствие решения
поставленным целям; Мод: А К модель, позволяющая для каждого
альтернативного решения рассчитать вектор критериев; П решающее правило для
выбора наиболее подходящей альтернативы.
24

25.

В свою очередь, каждой альтернативе конкретного приложения можно поставить
в соответствие значения упорядоченного множества (набора) атрибутов X =
«х1, x2, ..., хп», характеризующих свойства альтернативы. При этом хi может
быть величиной целой, не целой, символьной, логической и др. Множество X
называют записью (в теории баз данных), фреймом (в искусственном
интеллекте) или хромосомой (в генетических алгоритмах).
Основными проблемами в ЗПР являются:
• компактное представление множества вариантов (альтернатив);
• построение модели синтезируемого устройства, в том числе выбор степени
абстрагирования для оценки значений критериев;
• формулировка предпочтений в многокритериальных ситуациях (т.е.
преобразование векторного критерия К в скалярную целевую функцию);
• установление порядка (предпочтений) между альтернативами в отсутствие
количественной оценки целевой функции (что обычно является следствием
неколичественною характера всех или части критериев);
• выбор метода поиска оптимального варианта (сокращение перебора
вариантов).
25

26.

В САПР ТП применяют как средства формального синтеза
проектных решений, выполняемого в автоматическом режиме,
так и вспомогательные средства, способствующие выполнению
синтеза проектных решений в интерактивном режиме. К
вспомогательным средствам относятся базы типовых проектных
решений (ТПР), системы обучения проектированию,
программно-методические комплексы верификации проектных
решений, унифицированные языки описания ТЗ и результатов
проектирования.
Структурный синтез, как правило, выполняют в интерактивном
режиме при решающей роли инженера-разработчика, а ПК играет
вспомогательную роль: предоставление необходимых
справочных данных, фиксация и оценка промежуточных и
окончательных результатов. Однако имеются и примеры
успешной автоматизации структурного синтеза: синтез
технологических процессов или оснастки и управляющих
программ для механообработки в машиностроении.
26

27.

Структурный синтез заключается в преобразовании описаний проектируемого
объекта: исходное описание содержит информацию о требованиях к свойствам
объекта, об условиях его функционирования, ограничениях на элементный
состав и т.п., а результирующее описание должно содержать сведения о
структуре, т.е. о составе элементов и способах их соединения и
взаимодействия. Исходное описание, как правило, представляет собой ТЗ на
проектирование, по нему составляют описание на некотором формальном
языке, являющемся входным языком используемых подсистем САПР (см.
лингвистическое обеспечение).
В большинстве случаев структурного синтеза математическая модель в виде
алгоритма, позволяющего по заданному множеству X и заданной структуре
объекта рассчитать вектор критериев К, оказывается известной. Однако в ряде
других случаев такие модели не известны в силу недостаточной изученности
процессов и их взаимосвязей в исследуемой среде, но известна совокупность
результатов наблюдений или экспериментальных исследований. Тогда для
получения моделей используют специальные методы идентификации и
аппроксимации . Если же математическая модель X К остается неизвестной,
то стараются использовать подход на базе систем искусственного интеллекта
(экспертных систем).
27

28.

Проектирование начинается со структурного синтеза, при котором
генерируется принципиальное решение. Таким решением может
быть маршрут техпроцесса обработки, или облик будущего
летательного аппарата, или физический принцип действия
объекта, или одна из типовых конструкций двигателя, или
функциональная схема объекта. Прежде чем приступить к
верификации проектного решения, нужно выполнить
параметрический синтез.
Примерами результатов параметрического синтеза могут служить
геометрические размеры деталей в механическом узле,
параметры режимов резания в технологической операции и т.п.
Полученное решение анализируется и оценивается по критериям
оптимальности. В случае если по результатам анализа проектное
решение признается неокончательным, то начинается процесс
последовательных приближений к более приемлемому варианту
проекта.
28