Разработка САПР (стр. 3 )

II требование – возможность реализации операций синтеза для данного объекта.

III требование – контролепригодность, т. е. возможность создания контрольных тестов для созданного объекта.

2.2. Технологический процесс проектирования в условиях
функционирования САПР

Основными особенностями процесса проектирования в условиях функционирования САПР являются: 1) сложность процесса проектирования и его новизна по сравнению с традиционными формами; 2) организация взаимосвязи и совместной работы пользователей и САПР; 3) организация непосредственной работы пользователей со средствами САПР; 4) взаимодействие персонала проектных подразделений со службой САПР.

Функционирование САПР в проектной организации требует: 1) совершенствования структуры проектной организации; 2) чёткого определения связей проектных подразделений и персонала при выполнении конкретных работ; 3) разработки соответствующих документов, регламентирующих проектные работы, документацию, функции, права и обязанности персонала; 4) совершенствования организации согласования и взаимоувязки принимаемых проектных решений.

Технологический процесс проектирования в условиях функционирования САПР определяют на стадии проектирования САПР. В общем случае он должен охватывать все стадии проектирования: предпроектные исследования, техническое задание, техническое предложение, эскизное проектирование, техническое проектирование, рабочее проектирование.

Содержательная структура технологии проектирования включает: структурно-параметрическое, функционально-конструкторское, проектно-технологическое проектирование. Структурно-параметрическое проектирование включает стадии технического задания, технического предложения и частично эскизного проектирования. На этом этапе определяют концептуальные, общие структурные и конструктивные решения, а так же внешние (системные) связи объекта проектирования и структурно-параметрические варианты решений.

Функционально-конструкторское проектирование включает стадии частично эскизного проектирования и технического проектирования. На этом этапе определяют функциональные параметры, характеристики, структуру и общие конструктивные решения. Принятие и оценку решений осуществляют для каждого структурно-параметрического варианта. При этом для дальнейшего рассмотрения оставляют только перспективные варианты с точки зрения оптимальности (рациональности) решений.

Проектно-технологическое проектирование включает стадии технического (частично) и рабочего проектирования. На этом этапе осуществляют полную детализацию решений по конструкции, компонентам, технологии производства и эксплуатации проектируемого объекта. Рассмотрим укрупненную схему технологического процесса проектирования в условиях функционирования САПР (рис. 9), где блоки 3,4 соответствуют этапу структурно-параметрического, блоки 5…8 – функционально-конструкторского и блоки 9…13 – проектно-технологического проектирования.

I. На основании анализа исходных данных (требований) проектирования (блок 1) осуществляется анализ аналогов объекта (блок 2). При наличии подходящих аналогов производится их оценка, контроль и принятие (если это возможно) окончательных решений (блок 14). Если окончательное решение принять невозможно, аналоги используют для принятия промежуточных решений (блоки 8 и 13).

II. При отсутствии подходящих аналогов осуществляют генерацию вариантов концептуальных решений по объекту проектирования (блок 3). Затем варианты оценивают, отбирают с точки зрения перспективности дальнейшего рассмотрения и производят их декомпозицию с целью организации дальнейшего параллельного проектирования отдельных частей объекта.

Рис. 9. Укрупненная схема технологического процесса проектирования в условиях функционирования САПР

III. Раздельное проектирование частей объекта должно осуществляться с учетом получения наиболее рационального общего решения. Для каждой части формируют модели и критерии (блок 5), проводят анализ аналогов (блок 6). Если приемлемые аналоги частей объекта имеются, их передают для оценки и синтеза решений (блок 8) совместно с принятыми структурными и функциональными решениями по частям, не имеющим приемлемых аналогов (блок 7).

IV. Отобранные варианты объекта декомпозируют на составляющие (блок 9) для дальнейшего параллельного проектирования с детализацией компонентов (блоки 10…13).

V. Полученные варианты детальных решений по объекту оценивают, и принимают окончательное решение путем выбора наиболее приемлемого (оптимального) варианта. По принятым проектным решениям осуществляют компоновку и выпуск проектной документации.

Структуру проектных подразделений реорганизуют в соответствии с используемыми программно-техническими компонентами и выполняемыми функциями автоматизированного проектирования, которые предполагают различный уровень взаимодействия с ними проектировщиков. В зависимости от уровня взаимодействия различают три типа проектных подразделений.

Для подразделений первого типа характерна низкая степень взаимодействия со средствами САПР. Взаимодействие заключается в подготовке заданий, запросов и данных, передаваемых в службу САПР, что не требует структурной перестройки проектных подразделений и специальной подготовки проектировщиков, которые являются пользователями системы.

Для подразделений второго типа характерна средняя степень взаимодействия со средствами САПР. Объем подлежащих автоматизации работ довольно значителен (до 50%). В этом случае целесообразно выделить для автоматизированного проектирования необходимых специалистов, организовав их переподготовку.

Для подразделений третьего типа характерна высокая степень взаимодействия проектировщиков со средствами САПР в основном в диалоговом режиме.

2.3. Основные принципы создания САПР

Системы автоматизированного проектирования предназначены для выполнения проектных операций (процедур) в автоматизированном режиме. САПР создаются в проектных, конструкторских, технологических, а также других организациях и предприятиях с целью: 1) повышения качества проектирования изделий за счет применения новых методов проектирования, ориентированных на использование ЭВМ, позволяющих решать принципиально новые задачи; при этом увеличивается доля творческого труда проектировщика, количество проектных решений и повышается их качество; 2) сокращения сроков проектирования, вследствие уменьшения времени, затрачиваемого на поисковые, расчетные и вспомогательные операции; 3) снижения стоимости разработки проекта: в результате сокращения числа специалистов по обеспечению и управлению ходом создания объекта проектирования; высвобождения специалистов, занятых рутинной работой, связанной с проведением вычислений и обработкой графической и текстовой информации; замены ряда экспериментов по физическому моделированию математическим моделированием; 4) развития теории и методологии проектирования за счет создания и совершенствования методов, позволяющих формализовать проектно-поисковые операции и принимать обоснованные проектные решения, регламентации мероприятий, связанных с выпуском и прохождением проектной документации; 5) уменьшения стоимости проектирования, создания и эксплуатации объекта проектирования на основе снижения затрат в сфере проектирования, экономии ресурсов в производстве, повышения экономического эффекта при использовании.

Достижение указанных целей создания САПР возможно при условиях: 1) систематизации и совершенствования процессов проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники; 2) комплексной автоматизации проектных работ в проектной организации с необходимой перестройкой ее структуры и кадрового состава; 3) повышения качества управления проектированием; 4) применения эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов; 5) использования методов многовариантного проектирования и оптимизации; 6) автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ; 7) замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием; 8) создания единых банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов; 9) унификации и стандартизации методов проектирования.

Требования к САПР связываются в основном с их эксплутационными характеристиками, т. е. с чисто пользовательскими аспектами, а также с универсальностью САПР и возможностью адаптации их к быстроменяющимся условиям проектирования и производства. К основным требованиям относятся: 1) простой доступ пользователя к САПР, т. е. возможность реализации проектной процедуры, необходимой пользователю, на основе специальных языковых средств, ориентированных на пользователя; 2) прямой доступ пользователя к САПР, т. е. возможность непосредственного обращения пользователя к программно-информационным средствам САПР, иначе говоря, возможность оперативного ввода данных и отображения результатов проектирования; 3) универсальность программного обеспечения САПР, т. е. инвариантность программ по отношению к проектным задачам; 4) адаптация САПР к условиям проектирования, т. е. возможность включения в систему новых программных средств и расширения базиса структурного синтеза для отслеживания непредусмотренных изменений среды проектирования; 5) связь САПР с производством.

В основу создания и развития таких сложных кибернетических систем, как САПР, должны быть положены общесистемные принципы:

1. Новизна задач и их комплексность. САПР должна обладать способностью решения принципиально новых задач в заданном классе объектов проектирования. Кроме того, требуется обеспечить связь проектирования отдельных элементов и объекта в целом на всех стадиях разработки. Такой подход поможет избежать ошибок, обусловленных локальными решениями.

2. Модульность структуры и непрерывность развития САПР. Система должна состоять из отдельных независимых модулей, связанных между собой управляющей подсистемой САПР. Этот принцип означает возможность поэтапного ввода системы в действии, совершенствование и усложнение системы одновременно с ее эксплуатацией.

3. Типизация и стандартизация, т. е. обязательность введения единых документов, методов и приемов рабаты, а также нормативов для измерения ее количества и определения качества. Реализация данного принципа позволяет существенно снизить стоимость и трудоемкость создания САПР, сократить сроки выполнения и повысить качество работ, рационально используя трудовые ресурсы.

4. Информационное единство и полная управляемость потоками информации. В системе должна быть общая информационная база, а в подсистемах, средствах обеспечения и компонентах САПР использоваться единые термины, символы, условные обозначения, проблемно-ориентированные языки программирования и способы представления информации. Для этого необходимо выработать одинаковые требования к формам и видам вводимой, выводимой информации, классификаторам, кодам и шифрам, обеспечивающим обмен данных в САПР. Следует предусмотреть связь с другими системами различного назначения (АСУП, АСУТП, ГАП). Этот принцип реализуется лучшие, когда САПР создается как одна из составных частей интегрированной автоматизированной системы управления производством.

5. Человеко-машинная ориентация САПР. Согласно этому требованию, система должна работать в режиме диалога «проектировщик – ЭВМ» с четким разделением функций между ними, при этом следует предусмотреть за человеком сохранение творческих функций.

6. Управляемость процессов проектирования и доступность САПР. Система должна обеспечивать проектировщику возможность вмешательства в процесс проектирования и управления его ходом на любом этапе или стадии. Это делает систему функционально гибкой и перестраиваемой, позволяет прерывать и возобновлять цикл работ в соответствии с решениями, принятыми конструктором в каждой конкретной ситуации. При этом для управления ходом проектирования пользователь должен иметь минимальные знания в области вычислительной техники и программирования.

7. Наличие универсальной оптимизирующей подсистемы. Она должна оптимизировать проектные решения по заданным функциям качества с учетом принятых ограничений. Подсистема формирует банк методов поиска экстремумов функций качества, а также предусматривает возможность комплексного применения методов поиска в ходе оптимизации.

8. Математическая определенность проектных задач. Каждая проектная проблема или ситуация должны решаться с помощью набора качественно определенных задач, известных математических моделей, алгоритмов и вычислительных программ.

9. Инвариантность. Подсистемы и составляющие САПР должны быть по возможности универсальными и не изменяющимися по отношению к объектам проектирования и поколениям используемой вычислительной техники.

10. Комплексный подход к созданию САПР. Суть принципа состоит в том, что математическое, информационное и программное обеспечение должно строится с учетом выбранных технических средств САПР и наоборот.

11. Совместимость: техническая – согласованность по производительности и пропускной способности каналов; информационно-поисковая – единство разрядности буквенно-цифровой информации и формы представления в ЭВМ, средств сбора и выдачи данных; программная – осуществление возможности компоновать программы в любом наборе без их перестройки.

Исходя и принципов построения САПР, можно выделить следующие основные особенности САПР: САПР – человеко-машинная система; САПР – иерархическая система; САПР – совокупность информационно согласованных подсистем; САПР – открытая и развивающая система; САПР – специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей.

2.4. Классификация САПР

Автоматизированное проектирование сложных технических объектов, реализуемое в САПР, состоит из четырех этапов: 1) системного или обликового проектирования; 2) функционального проектирования; 3) конструкторского проектирования; 4) технологического проектирования или технологической подготовки производства.

Этап системного (обликового) проектирования соответствует проработке будущего объекта как единого целого на абстрактном алгоритмическом уровне. Этап функционального проектирования предназначен для отработки структуры и функциональной схемы объекта при работе в реальной физической среде. Этап конструкторского проектирования обеспечивает конструкторское оформление всех решений, принимаемых на предыдущих этапах. Этап технологического проектирования (технологической подготовки производства) обеспечивает формирование технологического процесса производства объекта на основе конструкторской документации с учетом имеющихся в наличии трудовых и материальных средств.

Классификацию и обозначения САПР, используемых в различных отраслях промышленности, устанавливает ГОСТ 23501.108-85, при этом классификационные признаки характеризуют САПР с разных сторон. По каждому признаку установлены следующие классификационные группы, их характеристики и коды:

I. По типу объекта проектирования: 1) САПР изделий машиностроения; 2) САПР изделий приборостроения; 3) САПР технологических процессов в машиностроении и приборостроении; 4) САПР объектов строительства; 5) САПР технологических процессов в строительстве; 6) САПР объектов горного производства; 7) САПР технологических процессов горного производства; 8) САПР программных изделий; 9) САПР организационных систем; 10…11 резерв.

II. По разновидности объекта проектирования: ГОСТ не устанавливает специальных обозначений на объекты проектирования, а требует их указания и кодирования в соответствии с действующими в каждой отрасли промышленности системами обозначения документации на объекты, проектируемые системой.

III. По сложности объекта проектирования:

Код	Наименование	Число составных частей проектируемого объекта*
1	САПР простых объектов	< 10 2
2	САПР объектов средней сложности	10 2 … 10 3
3	САПР сложных объектов	103 … 10 4
4	САПР объектов повышенной сложности	10 4 … 10 6
5	САПР объектов высокой сложности	> 10 6

*Составной частью объекта проектирования, представляющего собой технический комплекс, сооружение или изделие, является деталь (элемент). Если объектом проектирования является технологический процесс, то в качестве составной части можно использовать элементарные технологические операции или условные части в соответствии с номенклатурой выпускаемой технологической документацией.

IV. По уровню автоматизации проектирования:

Код	Наименование	Объем автоматизированных процедур от их общего количества
1	Системы низкоавтоматизированного проектирования	< 25 %
2	Системы среднеавтоматизированного проектирования	25 … 50 %
3	Системы высокоавтоматизированного проектирования	> 50 % (с применением методов многовариантного оптимального проектирования)

V. По комплексности автоматизации проектирования: 1) одноэтапная САПР; 2) многоэтапная САПР; 3) комплексная САПР (выполняет все этапы проектирования объекта).

VI. По характеру выпускаемых проектных документов:

Код	Наименование	Носитель данных проектного документа
1	САПР текстовых документов	Бумажная лента или лист
2	САПР текстовых и графических документов	То же
3	САПР документов на магнитных носителях	Перфоносители (перфокарты, перфоленты) и магнитные носители (магнитные ленты, диски, барабаны)
4	На фотоносителях	Микрофильмы, микрофиши, фотошаблоны и т. п.
5	На двух типах носителей данных	Два любых типа носителей данных
6	На всех типах носителей данных	Все типы носителей данных
7…9	Резерв

VII. По количеству выпускаемых проектных документов

Код	Наименование	Число выпускаемых за год проектных документов в пересчете на формат А4
1	САПР малой производительности	<= 10 5
2	САПР средней производительности	10 5 … 10 6
3	САПР высокой производительности	>= 10 6
4…9	Резерв

VIII. По числу уровней в структуре технического обеспечения

Код	Наименование	Характеристика технических средств системы
1	Одноуровневая САПР	ЭВМ среднего или высокого класса со штатным набором периферийных устройств, который может быть дополнен средствами обработки графической информации
2	Двухуровневая САПР	ЭВМ среднего или высокого класса и одно или несколько автоматизированных рабочих мест проектировщика (АРМ)
3	Трехуровневая САПР	ЭВМ высокого класса или несколько АРМ и периферийное программно-управляемое оборудование

Кодовое обозначение САПР производится следующим образом:

2.5. Состав и структура САПР

Составными структурными частями САПР, жестко связанными с организационной структурой проектной организации, являются подсистемы, в которых при помощи специализированных комплексов средств автоматизированного проектирования (КСАП) решается функционально законченная последовательность задач САПР. По назначению подсистемы разделяются на проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап (стадию) проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач. Обслуживающие подсистемы имеют общесистемное применение и обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и вывод полученных в них результатов.

Комплекс средств автоматизированного проектирования – это совокупность компонентов и комплексов средств, предназначенных для тиражирования и выполнения унифицированных проектных процедур. Он ориентирован на проектирование объектов определенного класса (вида, типа) и используется в соответствующих проектирующих и обслуживающих подсистемах САПР (рис. 10).

Компонент представляет собой элемент обеспечения, выполняющий определенную функцию в подсистеме: 1) методическое обеспечение – документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования; 2) лингвистическое обеспечение – языки проектирования, терминология, языки общения человека с ЭВМ; 3) математическое обеспечение – методы, математические модели, алгоритмы выполнения проектных процедур; 4) программное обеспечение – документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы; 5) техническое обеспечение – устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетания; 6) информационное обеспечение – документы, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов; 7) организационное обеспечение – положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования.

Рассмотрим структурную схему САПР (рис.10) и виды комплексов средств САПР (рис.11). Различают комплексы средств одного вида обеспечения (технического, программного и информационного) и комбинированные. Наибольшее распространение получили комбинированные комплексы, которые подразделяются на программно-методические и программно-технические комплексы.

Рис. 10. Структурная схема САПР: П, И, М, Л, МЕ – соответственно программное, информационное, математическое, лингвистическое, методическое обеспечение

Рис. 11. Виды комплексов средств САПР