Сапр

5.3 Задачи анализа, оптимизации и синтеза

Известны три основных постановки задачи проектирования:

В первом случае заданы параметрические ограничения (5.2.2.) и модель (оператор) преобразования F, т.е. заданна полная система математических операций, описывающая численные или логические соотношения между множеством X и Y для получения Z. Требуется найти значение вектора Z для любого Y, удовлетворяющего ограничениям (5.2.2.) и вектору X. Это задача анализа. Она сводится к выполнению расчётов по формуле (5.2.1)

Во втором случае заданны ограничения (5.2.2.), математическая модель (оператор) F, а также заданы функциональные ограничения вида:

{Q_jH ? Q_j(X, Y) ? Q_jB, j=1..p} (5.3.1.)

где Q_j(X, Y) — некоторая функция от параметров модели, называемая критерием качества модели (оценка характеристик изделий, например по стоимости, по помехозащищённости и др.); Q_jH. и Q_jB — нижний и верхний пределы.

Q_j(X, Y)>extr

Каждая модель оценивается некоторой совокупностью критериев качества (их число обозначено через p). Критерии качества дают численное представление о степени соответствия изделия его назначению.

В выражение (5.3.1.) помимо упомянутых критериев качества могут входить функциональные ограничения, характеризующие просто зону работоспособности модели (изделия). Например, по выходным параметрам:

{z_iн ? z_i? z_iв, i=1..l} (5.3.2.)

где l — число выходных параметров, на диапазон возможных изменений которых наложены ограничения.

В этом случае приходим к задаче оптимального проектирования, которую можно сформулировать следующим образом. В M-мерном пространстве управляемых параметров найти такое множество точек G, которому соответствовало бы в p-мерном пространстве критериев множество точек s, причем для каждой точки множества s выполнялось бы соотношение (5.3.1.). При сформулированном подходе любая точка множества G допускает решение. Поэтому G называют множеством допустимых решений. В результате решения находим вектор Z, отвечающий требованиям оптимальности.

В третьем случае — задача синтеза — при заданных X и параметрических ограничениях (5.2.2.) не задан оператор преобразования F, не известна математическая зависимость между совокупностью входных и выходных параметров. Требуется найти такое преобразование F, при котором выполнялись бы функциональные ограничения вида (5.3.1.).

Синтез технических объектов нацелен на создание новых вариантов конструкций изделий, а анализ на оценку этих вариантов. Синтез и анализ выступают в процессе проектирования в единстве, итерационной последовательности. При синтезе заранее заданны: допустимый набор используемых элементов, накапливаемых в БД, либо стандартные детали механических конструкций. Различают структурный синтез, т.е. поиск оптимальной или рациональной структуры (схемы) технического объекта, говорят в рамках выбранного принципа действия. Например это задача размещения микросхем на печатной плате. Параметрический синтез — определение наилучших динамических параметров при выбранной структуре.

Комплексность как принцип разработки САПР

Следующий принцип, который характеризует процесс проектирования автоматизированных систем, — комплексность. Он предполагает, что производитель САПР сможет наделить свой продукт компонентами, которые позволят его пользователю решать поставленные задачи на самых разных уровнях реализации проекта. Данный аспект, возможно, является ключевым с точки зрения обеспечения конкурентоспособности продукта и освоения им новых рынков. Но при этом следует иметь в виду, что даже самые комплексные решения должны удовлетворять иным ключевым принципам разработки САПР. В числе таковых — открытость.

8.1. Основные компоненты программного обеспечения сапр

Структура ПО САПР
зависит от следующих факторов:

• предметная
  область, аспекты и уровни создаваемых
  с помощью ПО описаний проектируемых
  объектов;

• степень
  автоматизации отдельных проектных
  операций и процедур;

• архитектура
  и состав технических средств, режим
  функционирования;

• ресурсы,
  отпущенные на разработку ПО.

Рассмотрим вариант
организации одноуровневой САПР (рис.8.1).

Программное
обеспечение САПР может быть разделено
на проектирующие и обслуживающие
подсистемы.

К обслуживающим
подсистемам ПО относятся: диалоговая
ДП;

СУБД; инструментальная
подсистема; монитор — обеспечивающий
взаимодействие всех подсистем и
управление их выполнением.

Диалоговая
подсистема ПО
организует интерактивное взаимодействие
пользователя САПР с управляющей и
проектирующими подсистемами ПО,
подготовку и редактирование исходных
данных, просмотр результатов проектирующих
подсистем, функционирующих в пакетном
режиме.

ПП1
ПП2 …… ПП3

ПИМГ
МОНИТОР

ДП
СУБД ИП

Рис.8.1.Структура
специального программного обеспечения
САПР:

Ппi-проектирующая
подсистема;

ДП-диалоговая
подсистема;

ИП
— инструментальная подсистема;

СУБД-
система управления базой данных;

ПИМГ
— система интерактивной машинной графики

Подсистема
управления базами данных (СУБД)
реализует единообразный доступ к общей
базе данных САПР. Назначение БД:

• хранение
  сведений нормативно- справочного
  характера;

• хранение
  результатов выполнения этапов текущего
  проекта;

• обеспечение
  информационной согласованности
  различных подсистем САПР.

Инструментальная
подсистема программирования, основу
которой составляет генератор прикладных
программ, синтезирующий новые программы
из унифированных модулей и программ
разработанных пользователем, необходима
для обеспечения открытости ПО САПР.
Генератор прикладных программ включает
в себя также средства автоматической
разработки трансляторов для входных
языков проектирующих подсистем САПР.

Проектирующие
подсистемы ПО
могут быть объектно-зависимыми(проблемно-ориентироваными)
или объектно-независимыми(методо-ориентироваными).

Объектно-независимые
подсистемы ПО ориентированы на решение
задач проектирования при наличии
предварительно выполненной математической
постановки(например, подсистема
структурно параметрической идентификации
— ПАРИС, подсистема решения уравнений
в частных производных или обыкновенных
диф.уравнений и др.). Объектно-независимые
подсистемы составляют основу для
генерации проблемно-ориентированных
подсистем САПР.

Проектирующими
подсистемами ПО САПР могут быть простые
программы, ориентированные на узкий
класс объектов и использующих аналитические
модели. Но чаще проектирующие подсистемы
ПО представляют собой универсальные
пакеты прикладных программ сложной
структуры, обладающие своими мониторами,
локальными БД и СУБД.

Подсистема
интерактивной машинной графики
(ПИМГ) занимает промежуточной место
между проектирующими и обслуживающими
подсистемами ПО САПР. С одной стороны,
средства машинной графики обслуживают
ряд проектирующих подсистем(например,
для наглядного представления информации
в виде графиков, гистограмм), а с другой
стороны они входят во многие подсистемы
конструкторского проектирования как
основная часть.

Литература

• Латышев П.Н. Каталог САПР. Программы и производители: Каталожное издание. — М.: ИД СОЛОН-ПРЕСС, 2006, 2008, 2011. — 608, 702, 736 с. — ISBN 5-98003-276-2, 978-5-91359-032-9, 978-5-91359-101-2.
• Малюх В. Н. Введение в современные САПР: Курс лекций. — М.: ДМК Пресс, 2010. — 192 с. — ISBN 978-5-94074-551-8.
• Муромцев Ю. Л., Муромцев Д. Ю., Тюрин И. В. и др. Информационные технологии в проектировании радиоэлектронных средств: учеб. пособие для студ. высш. учебн. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-6256-3.
• Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. — 430 с. — ISBN 978-5-7038-3275-2.

3.1. Общие положения

Математическое
обеспечение (МО) объединяет в себе
математические
модели проектируемых объектов, методы
и алгоритмы выполнения проектных
процедур,
используемые при автоматизированном
проектировании.

Элементы
МО чрезвычайно многообразны, среди них
имеются инвариантные элементы, широко
применяемые в различных САПР.

К
ним относятся принципы построения
функциональных моделей, методы численного
решения алгебраических и дифференциальных
уравнений, постановки экстремальных
задач, поиска экстремума.

Специфика
предметных областей проявляется, прежде
всего, в математических моделях (ММ)
проектируемых объектов, она заметна
также в способах решения задач структурного
синтеза. Формы представления МО также
разнообразны, но его практическое
использование происходит после реализации
ПО.

2.1. Техническое обеспечение сапр

С
точки зрения системной модели САПР,
техническое обеспечение представляет
собой самый нижний уровень, в который
“погружается” и реализуется
операционно-программное и другие виды
обеспечений САПР.

Задача
проектирования технического обеспечения,
таким образом, может быть сформулирована
как задача оптимального выбора состава
технических средств САПР. Исходной
информацией при этом являются результаты
анализа задач внутреннего проектирования
и ресурсные требования к техническим
средствам в виде критериев и ограничений.

Основные
требования к техническим средствам
САПР состоят в следующем:

• эффективность;

• универсальность;

• совместимость;

• надежность.

Технические
средства (ТС)
в САПР решают задачи:

• ввода
  исходных данных описания объекта
  проектирования;

• отображения
  введенной информации с целью ее контроля
  и редактирования;

• преобразования
  информации (изменения формы и структуры
  представления данных, перекодировки
  и др.);

• хранения
  информации;

• отображения
  итоговых и промежуточных результатов
  решения;

• оперативного
  общения проектировщика с системой в
  процессе решения задач.

Для
решения этих задач ТС должны содержать:

• процессоры,

• оперативную
  память,

• внешние
  запоминающие устройства,

• устройства
  ввода- вывода информации,

• технические
  средства машинной графики,

• устройства
  оперативного общения человека с ЭВМ,

• устройства,
  обеспечивающие связь ЭВМ с удаленными
  терминалами и другими машинами.

При
необходимости создания непосредственной
связи САПР с производственным оборудованием
в состав ТС должны быть включены
устройства, преобразующие результаты
проектирования в сигналы управления
станками.

ТС
САПР могут одно- и многоуровневыми.

ТС,
в состав которых входит одна ЭВМ,
оснащенная широким набором периферийного
оборудования, носят название одноуровневых.
Они широко применяются при проектировании
изделий общепромышленного применения
с установившейся конструкцией, имеющих
узкоспециализированные математические
модели и фиксированную последовательность
этапов проектно- технологических работ.

Развитие
САПР предполагает расширение набора
терминальных устройств, представление
каждому проектировщику возможности
взаимодействия с ЭВМ, обработку
технической информации непосредственно
на рабочих местах. С этой целью терминальные
устройства снабжаются мини — и микроЭВМ,
имеющими специальное математическое
обеспечение интеллектуальные терминалы.
Они соединяются с ЭВМ высокой
производительностью с помощью специальных
или обычных телефонных каналов.

Для
использования информации отдельных
ЭВМ распределенных на относительно
большой территории особый эффект дает
применение вычислительных сетей.

Отличительные
признаки вычислительной сети состоят
в следующем:

• большое
  число взаимодействующих друг с другом
  вычислительных машин, выполняющих
  функции сбора, хранения, передачи,
  обработки и выдачи информации;

• чрезвычайно
  большие вычислительные мощности;

• распределенная
  обработка информации;

• надежная
  и гибкая связь пользователя с
  вычислительными мощностями;

• возможность
  взаимного обмена информацией между
  вычислительными машинами;

• расширение
  до любой мощности и протяженности.

7.4 Организационно-эксплуатационные требования

Организационно-эксплуатационные требования предъявляются к КТС, вспомогательному оборудованию, рабочим местам, помещениям и персоналу с целью обеспечения нормальных условий эксплуатации и обслуживания САПР. Выделяют следующие группы организационно-эксплуатационных требований:

эргономика и техническая эстетика;

безопасность персонала при эксплуатации (требования электробезопасности и пожарной безопасности);

подготовка персонала (уровень обученности и квалификации персонала должен быть достаточным для обеспечения нормальной эксплуатации и обслуживания САПР);

централизованное техническое обслуживание (комплексы средств САПР за исключением специальных должны в максимальной степени обеспечиваться централизованным техническим обслуживанием и сопровождением);

ремонтопригодность (требования по организации, технологии, материальному обеспечению технического обслуживания и ремонта);

климатические условия помещений (требования по температуре, влажности, атмосферному давлению);

звукоизоляция (уровень звука, создаваемого при работе ТС, не должен превышать значений, установленных Гигиеническими нормами звукового давления и уровней звука на рабочих местах; для помещений должны быть установлены требования по звукоизоляции, планировке и размещению оборудования, обеспечивающие допустимый уровень звука в зоне расположения персонала);

типовая планировка и размещение (необходимо в максимальной степени использовать типовые варианты планировки и размещения оборудования, обеспечивающие оптимальные условия эксплуатации).

Наиболее общие требования (в большей части системные и функциональные) приводят в техническом задании на САПР. Более детализированные и конкретизированные системные и функциональные требования, а также технические и организационно-эксплуатационные требования указывают в технических заданиях на комплексы средств.

4.1 Функциональные подсистемы

Функциональные подсистемы выполняют проектные процедуры и операции, используя при этом, в общем случае, все средства обеспечивающих подсистем.

Набор функциональных подсистем, в общем случае, для каждой САПР различен и зависит от задач на решение которых ориентированна данная САПР, однако функциональные подсистемы любой САПР можно разделить на четыре основных вида и представить в виде типового набора функциональных подсистем (т.е. набора подсистем которые содержатся в любой САПР объекта):

1. ФП1 — поиск аналогов

2. ФП2 — инженерный синтез

3. ФП3 — инженерный анализ

4. ФП4 — формирование и ведение проектной документации

ФП1 — поиск аналогов разрабатываемого изделия. Аналог нового изделия — это такое известное изделие, которое отвечает большинству заданных характеристик.

Работа в ФП1 заключается в анализе существующих технических решений, находящихся в базах данных (желательно мирового уровня).

ФП2 и ФП3 — это подсистемы, обеспечивающие поиск и генерацию вариантов технического решения и определения характеристик объекта (качественных показателей). Осуществляется моделирование структуры и поведения объекта, а также оптимизация характеристик объекта. Ведется выполнение всех вычислительных процедур и процедур текущего отображения.

ФП4 — формирование и ведение проектной документации. Эта подсистема в соответствии с существующими ГОСТами и другими нормативами формирует всю необходимую проектную документацию. Ведение документации предполагает классифицированное хранение всей документации для выдачи копий, а также для возможности небольших коррекций.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида функциональных подсистем:

5. объектно-ориентированные (объектные);

6. 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.

Процесс проектирования реализуется в функциональных подсистемах в виде определенной последовательности проектных процедур и операций.

3.Как в процессе изготовления рычага обеспечить симметричность отверстий с бобышками?

Ответ:

Проанализировать
несколько вариантов базирования и
выбрать оптимальный

1.Базирование
рычага в угол

2. Базирования
рычага на 2 призмы

3. Базирование
на 2 сходящиеся призмы

4 Базирование рычага оправкой с коническими
кулачками.

4.
Рассчитать станкоёмкость и трудоёмкость
обработки корпусных детали на
автоматической линии с жёсткими связями.
Цикл обработки детали на линии 2,5мин..
За смену на линии в среднем обрабатывается
120 дет.. Коэффициент автоматической
линии Кал=0,75 Продолжительность смены
8ч. Расчёты выполнить для 2 случаев, когда
линия обслуживается 1 или 2 рабочими.

Ответ:

Трудоемкость

,
Р
– количество человек

5.
При переходе к групповому методу
обработки деталей изображённых на
рисунках была разработана комплексная
деталь, показанная рис.1 Выполнить
следующие этапы технологической
подготовки группового производства
этих деталей:

1)составить
групповой технологический процесс ГТП
обработки деталей группы,

2)составить
содержание одной (первой) групповой
операции,

3)изложить
основные правила разработки комплексной
детали,

чертежи
прилагаются.

Ответ

1Групповой
технологический процесс

1.Подрезать
торец

2.Обточить
поверхность 1 за N
переходов

3.Обточить
поверхность 5

4.Центровать
торец

5.Просверлить
отверстие3

6.Развернуть
поверхность 3

7.Снять
фаску 2

8.Обрезать
деталь выдерживая размер 10

2
токарных операция

Разработка
комплексной детали.

При
группировании деталей, когда из всего
разнообразия форм и размеров необходимо
выделить такие, которые имеют общие
признаки и сформировать родственные
группы для последующей совместной
обработки, в этих случаях руководствуются
двумя принципами:

1. Детали
   подбирают по конструктивно технологическому
   сходству, главным образом по сходству
   наружных поверхностей, а размеры лежат
   в установленных интервалах. В эту группу
   попадают детали со сравнительно простой
   конфигурацией, детали близкие по
   размерам и форме т.е. образы которых
   легко воспринимаются с чертежа. К таким
   деталям можно отнести тела вращения.

2. Объединяются
   детали различные по своей конструкции
   и форме. Объединение их в группы
   производится по виду элементарных
   поверхностей подлежащих обработке ,
   или на основе комплекса признаков. (В
   эту группу попадают корпусные детали)

Первое
направление заканчивается разработкой
комплексной детали. Под комплексной
деталью понимается реальная или условная
(искусственно созданная) деталь,
содержащая в своей конструкции все
основные элементы характерные для
деталей данной группы и являющиеся ее
конструктивно технологическим
представителем. Под основными элементами
понимаются поверхности определяющие
конфигурацию детали и технологические
задачи решаемые в процессе их обработки.
Основные элементы служат главными
признаками для отнесения к тому или
иному классификационному подразделению.
Комплексная деталь служит основой при
разработке групповых техпроцессов и
групповых операций. Группа деталей
обрабатывается комплектом оснастки
включающей в себя приспособления,
режущий, вспомогательный и измерительный
инструмент.

т.к.
комплексная деталь объединяет и
качественные характеристики деталей
группы (размеры, их допускаемые отклонения,
требования к точности взаимного
расположения, шероховатость), то
составляется таблица размеров в которой
содержатся все размеры и их характеристики
деталей данной группы.

3.2.1.Требования к математическим моделям

Требования
к математическим моделям:

• универсальность;

• адекватность;

• точность;

• экономичность.

Степень
универсальности ММ характеризует
полноту отображения в модели свойств
реального объекта.

Точность
ММ оценивается степенью совпадения
значений параметров реального объекта
и значений тех же параметров, рассчитанных
с помощью оцениваемой ММ.

Например,
пусть
—
вектор входных параметров, тогда
относительная погрешность расчета j-го
параметра может быть оценена по формуле

,
(3.1)

где
y_jm, y_ист
— значения выходного параметра истинное
и рассчитанное по математической модели.

Адекватность
ММ — способность отражать заданные
свойства объекта с погрешностью не выше
заданной. Адекватность ММ, как правило,
имеет место лишь в ограниченной области
изменения внешних параметров — в области
адекватности (ОА):

ОА
=
,
(3.2)

где
>0
— заданная константа, равная предельно
допустимой погрешности ММ; Q- вектор
внешних параметров.

Экономичность
модели характеризуется затратами
вычислительных ресурсов (времени и
памяти) на ее реализацию.

Интеллектуальные средства разработки

Autodesk Inventor содержит ряд сервисных функций, упрощающих процесс разработки:
параметрические элементы, параметрические ряды и конструктивные пары.

Механизм параметрических элементов дает возможность каждому пользователю без
особых усилий создавать собственные конструктивные элементы, из которых можно
формировать библиотеки для предприятия. Повторное использование созданных элементов
экономит время и способствует стандартизации.

Конструктивные пары удобно применять для компоновки составных изделий; кроме
того, они позволяют задавать геометрические зависимости, сохраняемые вместе
с деталью и в дальнейшем используемые для быстрого позиционирования деталей
внутри изделия.

С помощью параметрических рядов каждый пользователь может создавать библиотеки
часто используемых деталей, в результате чего формируются семейства деталей
с определенными параметрами.

Помимо этого в Autodesk Inventor имеется исчерпывающая библиотека стандартных
деталей: винтов, болтов, шайб, подшипников и т.д.

Классификация и виды

Государственный стандарт определяет классификацию САПР по таким признакам:

• по определенным типам или разновидностям, с учетом сложности представляющей объектами проектирования;
• по их уровню, включительно с комплексностью, направленными на все без исключения элементы автоматизации;
• по характеру, содержанию и количественным объемам выпускаемой документации, и проделанной работе в целом;
• по количеству достигнутых уровней в структурной части технического и системного обеспечения.

Параллельно с этим, классификация происходит по видам CAD-программ:

• по назначениям целевой отрасли;
• по предназначению для использования;
• по общим объемам и масштабам;
• по формам ведущих подсистем.

F.A.Q. САПР для машиностроения — система автоматизированного проектирования

Зачем внедрять САПР?

В настоящее время на предприятиях машиностроения повсеместно используются системы автоматизированного проектирования (САПР) различных типов. За многолетнюю историю использования они доказали свою эффективность и экономическую целесообразность. Однако, большинство производителей систем так и не могут дать четкого и однозначного ответа, какой экономический эффект принесет покупка их программного обеспечения?

При выборе той или иной системы трудно однозначно понять, какое решение будет наиболее подходящим для организации и зачем вообще необходимо внедрение САПР? Для ответа на эти вопросы нужно, прежде всего, определить факторы, за счет которых достигается экономическая эффективность внедрения и использования системы, а также обратиться к мировому опыту использования САПР.

Одним из лидеров, проводящих исследования в данной области, является международное исследовательское агентство Aberdeen Group, которое, совместно с компанией Autodesk, начиная с 2007 года, выпустило ряд отчетов на эту тему:

• Дополнительные стратегии построения цифровых и физических прототипов: как избежать кризисной ситуации при разработке продуктов?
• Системное проектирование: Разработка новых продуктов для мехатроники.
• Управление техническими изменениями 2.0: Интеллектуальное управление заявками на изменения для оптимизации бизнес-решений.
• Проектирование без границ. Рост доходов благодаря применению 3D-технологий.

Организации-участники исследований были разделены на три группы в соответствии с тем, насколько они выполняют свой календарный план и бюджет: 20% — лучшие в своем классе компании (компании-лидеры), 50% — компании со средними показателями по отрасли и 30% — компании с результатами ниже среднего. Затем был проведен сравнительный анализ, чтобы понять, какие процессы, способы организации работы и технологии чаще использовались лучшими в своем классе компаниями.

По результатам исследований, основными экономическими факторами, влияющими на экономическую эффективность использования САПР, являются время и денежные затраты на разработку прототипов продукции машиностроительных организаций, а также время и затраты на внесение изменений в прототипы и выпускаемые продукты.

Компании-участники исследования были также опрошены по поводу основных факторов, которые на их взгляд, являются самыми значимыми предпосылками использования средств автоматизированного проектирования.

• 91% респондентов поставили на первое место сокращение времени проектирования изделий,
• на втором месте с 38% — сокращение затрат на проектирование,
• далее следуют: увеличение технологичности проектируемых продуктов (30%), ускорение доработок изделий в соответствии с требованиями Заказчиков (кастомизации продуктов) — 15%.

Интересной особенностью является то, что несмотря на большие возможности по сокращению затрат, как и в ранее проведенных исследованиях, ключевым фактором остается возможность сокращения времени проектирования.

Для чего используют САПР лучшие машиностроительные компании?

Функционал САПР, который используется машиностроительными предприятиями для достижения вышеописанных эффектов, можно разбить на следующие основные области:

• Разработка концепции проекта в цифровом формате.
• Создание, оптимизация и утверждение проектов.
• Проектирование электрических и механических деталей.
• Управление данными о продукте.
• Визуализация решений по продукту, обзоров, продаж и маркетинга.

Следует отметить, что функционал управления данными о продукте относится больше к PDM/PLM решениям, однако системы автоматизированного проектирования являются их неотъемлемой частью.