Теоретические основы систем автоматического проектирования

В любом производстве (промышленном, сельскохозяйственном. сфере услуг и др.) осуществляется проектирование разного рода объектов. Их можно разделить на две группы: конструкторские и технологические.

Соответственно системы автоматизированного проектирования (САПР) также подразделяются по назначению на две группы системы автоматизированного проектирования конструкции из­делий с разработкой конструкторской документации (САПР-КД) и системы автоматизированного проектирования технологичес­ких процессов с разработкой технологической документации (САПР-ТП). Несмотря на различие объектов проектирования САПР-КД и САПР-ТП развиваются по общим принципам, так как, во-первых, относятся к категории «больших систем», а во-вторых, являются системами «принятия решений».

Принадлежность САПР к большим системам [2] обусловлива­ется следующими признаками:

• связью с разработкой технических решений, основанных н? различных методах функционирования и изготовления изделий;

• участием в процессе проектирования специалистов многи> специальностей;

• наличием сложного аппаратного и программного обеспечения
В общем случае любая система определяется в виде некоторого

отношения множеств (рис. 14,1). На рисунке обозначены: С— система Выход Y % — множество входов системы

-------- Y — множество выходов системы.

Систему С считают решающей

если задано семейство задач D(X

Рис. 14.1. Схема системы с множеством решений Z(Y) V.

принятия решений правилами R{X,Y) отображение

множества входов в соответствующее множество выходов. Иначе говоря, система является решающей, если имеется множество решений и правил, позволяющих для каждого элемента из мно­жества X найти хотя бы один элемент из множества Y.

Из определения решающей системы очевидно, что изложен­ные принципы разработки позволяют отнести САПР к классу систем принятия решений.

По способу программной реализации различают: САПР на ос­нове баз данных (рис. 14.2) и САПР на основе баз знаний (рис. 14.3), принципиальное отличие которых состоит в следующем.

В САПР на основе баз данных специалист (технолог или коне руктор) является основным «решающим элементом» системы, т. специалист разрабатывает конструкцию изделия или технолоп ческий процесс его изготовления в соответствии со своей квал! фикацией. Роль компьютера с соответствующим программны обеспечением состоит в этом случае в предоставлении специал! сту необходимой информации и оформлении документации (koi структорской или технологической) в соответствии с требован! ями ЕСКД или ЕСТД.

В САПР-ТП на основе баз знаний специалист является «kooj динирующим элементом» системы. Роль «решающего элемент; в этом случае выполняет компьютер с соответствующим програми ным обеспечением, т. е. в таких системах задача специалиста огр; ничивается вводом исходных данных для проектирования, a npi нятие оптимального решения и оформление технической док]

ментации выполняет компьютер. При этом следует подчеркнуть, что ответственность за принятое решение несет специалист.

По алгоритмам проектирования САПР подразделяют на сис­темы индивидуального проектирования и системы проектирования по аналогам.

14.2. Обзор современных программных систем автоматизированного проектирования

В соответствии с изложенными ранее положениями существу­ющие универсальные (коммерческие) САПР-КД можно отнести к САПР на основе баз данных. К этому виду САПР можно также отнести системы T-FLEX-CAD, КОМПАС и AutoCAD.

К САПР на основе баз знаний можно отнести систему P-CAD, разработанную только для проектирования конструкции изделий на платах с печатным монтажом.

САПР-КД, как правило, имеют в своем составе:

• графический редактор с набором элементов описания конст­рукции (базой исходных элементов);

• модули для расчета параметров конструкции (массы, объема, прочности и т.д.);

• подсистемы выпуска конструкторской документации (КД);

• постпроцессоры для автоматизированного управления техно­логическим оборудованием (в основном это управляющие про­граммы для станков с программным управлением).

Графические редакторы современных САПР-КД должны отве­чать следующим требованиям:

• иметь одинаковый векторный формат внутреннего представ­ления графической модели в ОЗУ и файле;

• обеспечивать возможность использования их для объектов про­ектирования со сложной иерархической структурой;

• обеспечивать создание КД в соответствии с требованиями ЕСКД;

• иметь избыточную систему команд и инструкций, обеспечи­вающих удобство ввода и редактирования;

• обеспечивать задание параметров, постоянных на весь про­цесс ввода и редактирования;

• обеспечивать возможность работы по схемам двухмерной и трехмерной графики;

• обеспечивать возможность создания и использования библио­тек объектов (баз или банков данных);

• обеспечивать возможность базирования, масштабирования и расслоения объектов проектирования.

На рынке программных продуктов находят широкий спрос программные системы для автоматизации конструкторского про-

ектирования. Спрос же на коммерческие программные системы для автоматизации технологического проектирования значитель­но меньше. Это можно объяснить следующими причинами.

Системы конструкторского назначения базируются на обще­принятых в Европе и России нормативных документах — ЕСКД, определяющих требования к оформлению чертежей изделий. Для систем технологического проектирования не существует единых стандартов на элементы технологии (кроме стандартов на формы выходных технологических документов), поэтому многие пред­приятия создают их на основе программных систем Fox Pro, SQL или Access.

Рассмотрим сначала существующие САПР-КД, называемые CAD-системы (Computer Aided Design).

Наиболее распространены на предприятиях России отечествен­ные системы T-FLEX CAD (разработчик АО «Топ-системы»), КОМПАС (разработчик компания АСКОН) и AutoCAD (фирмы AutoDESK). Достоинством отечественных CAD-систем является их полное соответствие ЕСКД.

Все современные коммерческие CAD-системы обладают воз­можностями пространственного моделирования, включающего в себя:

• построение пространственных моделей, базирующихся на тех­нологии системы Parasolid (фирмы Unigraphics Solutions) и ис­пользующих для создания трехмерных моделей новейшую версию геометрического ядра Parasolid;

• настроенный под систему Windows пользовательский интер­фейс с широким набором контекстно-зависимых меню;

• использование инструментов, позволяющих работать по схе­ме трехмерной графики: рабочая плоскость—эскиз—твердое тело, и работу со всем набором параметрических двухмерных инстру­ментов при создании эскиза;

• большой набор типов рабочих плоскостей для точного распо­ложения конструкционных элементов;

• построение трехмерных моделей на основе существующих двухмерных чертежей;

• построение параметрических трехмерных моделей твердых тел с помощью следующих операций:

выталкивание плоского многоконтурного профиля по прямой с обеспечением возможности задания угла наклона образующей — литейного уклона и использование текстов для выталкивания;

выталкивание трехмерного профиля (поверхности) по прямой или нормали в каждой точке (придание толщины);

поворот профиля вокруг оси на заданный угол;

создание линейчатых поверхностей;

• лофтинг — протягивание профиля вдоль пространственной
траектории с образованием тела типа sweep, т. е. создание сплай-

новой поверхности по набору пространственных сечений, вклю­чая возможность задания точек соответствия профилей и условий на концах, и многоконтурный лофтинг;

• использование параметрического (изменяемого) профиля;

• построение фасок;

• построение сглаживаний с постоянным и переменным ради­усами (изменение радиуса от начального к конечному может быть как линейным, так и нелинейным);

• использование различных геометрических сечении сглажива­ния.

14.3. Методы автоматизированного проектирования конструкторской документации

Учитывая, что практически все автоматизированные системы конструкторского проектирования разрабатываются на основе международных и отечественных стандартов типа ЕСКД, приме­няемые при этом методы рассмотрим на примере отечественной системы T-FLEX-CAD.

T-FLEX-CAD представляет собой комплекс программных средств для автоматизированного проектирования конструкторс­кой документации. В состав комплекса входят:

• система автоматизированного черчения T-FLEX-CAD LT;

• система автоматизированного проектирования T-FLEX-CAD 2D;

• система трехмерного моделирования T-FLEX-CAD 3D;

• система подготовки чертежей по трехмерным моделям T-FLEX-CAD 3D SE.

Комплекс T-FLEX-CAD обеспечивает:

• разработку конструкторской документации (чертежей, спе­цификаций и т.д.) на изделия различного типа (в том числе тех­нологической оснастки для изготовления изделия);

• автоматизацию инженерных расчетов (на прочность, дина­мического анализа и др.) в процессе проектирования;

• разработку управляющих программ для станков сЧПУ с ими­тацией процесса обработки детали на станке.

Можно выделить следующие свойства программных средств T-FLEX, которые отвечают требованиям российских предприятий.

1. Все системы, входящие в комплекс, полностью интегриро­ваны между собой, т.е. передача информации от одной системы К другой осуществляется за счет внутренней связи между модуля-Ми. Исключение составляют системы, необходимые для анализа Конструкции изделий (инженерных расчетов, расчетов на проч­ность и др.), в которые информация передается через файлы стан­дартных форматов.

2. Использование в комплексе российских разработок в соот­ветствующих областях автоматизированного проектирования, ко­торые учитывают специфику российского производства (стандар­ты, технические условия, оборудование и т.д.).

3. Каждая система может работать в комплексе в любой комби­нации или автономно, что позволяет гибко подходить к задачам автоматизации подготовки производства любого предприятия.

Система автоматизированного черчения. Система T-FLEX-CAD LT, предназначенная для быстрого создания чертежей в полном соот­ветствии с требованиями ЕСКД, содержит следующий набор эле­ментов для формирования чертежей: отрезки прямых линий (про­извольные, параллельные, перпендикулярные, касательные и др.); различные варианты дуг (через три точки, через две точки с зада­нием радиуса, с центром в точке, касательные и т.п.); полные окружности; осевые линии; фаски; скругления и др.

При построении дуг автоматически фиксируются углы 90, 180, 270°, а также совпадение центра дуги с курсором по горизонтали и вертикали.

Система T-FLEX-CAD LT включает в себя следующие функ­ции черчения:

• формирование различных типов линий в соответствии с ЕСКД (обеспечивает возможность создания новых типов линий);

• выполнение ассоциативных штриховок, заливок, штриховок по образцу. (Обеспечивает возможность создания своих типов штри­ховок.) Имеющаяся в системе функция автоматического, поиска замкнутого контура значительно упрощает процесс задания кон­тура штриховки. Она автоматически объединяет замкнутые конту­ры при их выборе по общим ребрам и автоматически отслеживает внутренние замкнутые области (острова). В результате формирует­ся ассоциативный контур штриховки, который изменяется при изменении положения линий изображения, к которым он привя­зывается;

• простановку размеров линейных, на окружности, угловых (включая автоматический расчет предельных отклонений по но­миналу размера и полю допуска) и поддержку двойных размеров (мм/дюймы);

• простановку на чертежах допусков формы и расположения поверхностей, значений шероховатости, надписей и текста. При этом шероховатость можно выбирать из таблиц стандартных зна­чений, а допуски формы и расположения поверхностей автома­тически рассчитывать в зависимости от требуемых размера детали и точности обработки.

Система T-FLEX-CAD LT содержит также следующие функции: копирование, симметрия, линейный массив, массив вращения.

При копировании можно задать масштаб и угол поворота ко­пируемых элементов. При создании круговых и линейных масси-

ВОВ предусмотрена возможность задания переменного числа копий изображений. Линейный массив может создаваться сразу в двух на­правлениях: по строкам и столбцам.

Новые возможности копирования элементов позволяют пользо­вателям создавать обобщенные чертежи с переменным числом тех или иных элементов.

Система T-FLEX-CAD LT выполняет следующие специальные конструкторские элементы оформления чертежей:

• нанесение основной надписи;

• формирование текста технических требований;

• создание обозначения неуказанной шероховатости;'

• автоматический подбор формата для вывода чертежа на плот­тер или принтер.

В системе имеется также возможность введения текстовой ин­формации непосредственно на поле чертежа в реальном режиме отображения (Wysiwyg). Имеющийся встроенный текстовый редак­тор поддерживает форматирование абзацев текста (выравнивание, отступы, интервалы и т.д.), различное выделение слов, исполь­зование разных шрифтов, размеров, стилей, цвета для фрагмен­тов одного текста. Обеспечена возможность введения в тексты индексов, дробей, элементов оформления чертежа, отдельных фрагментов, т.е. в данной системе можно свободно без каких-либо дополнительных установок и ограничений создавать как гра­фические, так и текстовые документы.

Для автоматизации ввода часто повторяющихся текстовых строк в системе разработана функция их выбора из словаря.

При заполнении основной надписи чертежа пользователи ра­ботают прямо на чертеже в соответствующих текстовых полях. При этом возможен выбор текстовых значений из заранее подготов­ленных списков.

Система T-FLEX-CAD LT обладает возможностью создания любых таблиц, задания и изменения размеров полей, объедине­ния ячеек, определения граничных линий и т.д., а также позво­ляет работать с многостраничными текстовыми документами-чер­тежами. Например, многостраничная спецификация на изделие может находиться в одном документе системы, причем вместе со сборочным чертежом.

Необходимо отметить также, что через буфер обмена Windows системы T-FLEX-CAD LT возможен обмен текстовыми данными с Word и многими другими приложениями.

Таким образом, T-FLEX-CAD LT является полнофункциональ­ной системой для подготовки консгрукторско-технической доку­ментации, включающей в себя все функции оформления.

Системы автоматизированного проектирования. Принцип авто­матизированного проектирования конструкторской документации основан на так называемом методе параметрического черчения.

T-FLEX-CAD 2D — это система параметрического черчения, реко­мендуемая для использования при проектировании типовых кон­струкций, в которых достаточно высокая степень повторяемо­сти и унификации деталей, и содержащая все функции системы T-FLEX-CAD LT.

Основная отличительная особенность T-FLEX-CAD 2D от T-FLEX-CAD LT состоит в том, что все параметры чертежа в ней могут быть выражены с помощью переменных, рассчитаны с по­мощью формул и выбраны из баз данных.

В системе T-FLEX-CAD 2D реализован следующий подход к проектированию: сначала чертеж строится в тонких линиях, а затем обводится основными линиями. При выполнении построе­ния с помощью вспомогательных линий (линий построения) ав­томатически формируются отношения между линиями (параллель­ность, перпендикулярность, касания и т.д.) и фиксируются па­раметры этих отношений (расстояние, радиус, угол и др.), т.е. при выполнении обычных чертежных операций автоматически вы­полняется параметризация чертежа. Все элементы оформления чер­тежа (размеры, штриховки, допуски, обозначения шероховатос­тей, тексты и т. п.) при нанесении на чертеже автоматически при­вязываются к вспомогательным построениям.

Такой метод выполнения чертежей позволяет весьма значи­тельно (до нескольких минут) сократить сроки проектирования конструкций, отличающихся от аналога размерами (параметра­ми) отдельных элементов.

Параметры любых элементов чертежа: толщина линий изобра­жения, размеры стрелок, значения шероховатости поверхностей, содержание текста и другие могут быть заданы переменными.

Система T-FLEX-CAD 2D предоставляет проектировщику воз­можность просмотра разработанной конструкции в движении, т. е. изменяя значения переменных параметров от начального значе­ния до конечного с определенным шагом или задавая законы из­менения переменных с помощью математических функций. При этом каждый раз происходит обновление чертежа в соответствии с заданными параметрическими связями.

Можно создать чертеж таким образом, чтобы три вида детали были взаимосвязаны друг с другом. В этом случае изменение пара­метров на одном виде приведет к соответствующим изменениям на двух других видах. Можно также создавать чертежи с перемен­ным числом элементов.

Еще одной отличительной особенностью T-FLEX-CAD 2D яв­ляется возможность создания параметрических сборочных черте­жей с использованием параметрических чертежей отдельных де­талей, т.е. связывая отдельные параметры деталей на чертежах (например, диаметр вала и диаметр подшипника), можно полу­чить параметрический сборочный чертеж. При создании сбороч-

ных чертежей в системе обеспечивается возможность удаления невидимых линий при перекрывании одних деталей другими. Из­менение параметров сборочного чертежа приводит к изменению параметров всех его составных частей, причем получение нового чертежа конструкции занимает считанные секунды.

Использование параметрических сборочных чертежей в систе­ме T-FLEX-CAD позволяет быстро и эффективно получать требу­емые модификации сборки, а также проектировать сборочный чер­теж так, чтобы при различных условиях в него входили разные детали. Задав требуемые параметры сборки, можно мгновенно получить готовые рабочие чертежи отдельных деталей и специфи­кацию, оформленную в соответствии с ЕСКД. При изменении параметров сборки автоматически изменяются данные в специ­фикации и других документах.

Создание трехмерных твердотельных моделей изделий. Для со­здания трехмерной модели проектируемого изделия фирма «Топ Системы» предлагает систему параметрического трехмерного твер­дотельного моделирования T-FLEX-CAD 3D, которая является закономерным развитием системы T-FLEX-CAD 2D и включает в себя все ее возможности. Функциональные возможности этой системы позволяют сравнивать ее с лучшими иностранными сис­темами трехмерного моделирования. Помимо достаточной функ­циональности в области трехмерного моделирования система со­держит в себе полный набор средств для двухмерного проектиро­вания и оформления чертежной документации.

Система T-FLEX-CAD 3D построена на геометрическом ядре Parasolid фирмы Urographies Solutions, которое используется в веду­щих системах подобного моделирования. Моделирование в T-FLEX-CAD 3D может осуществляться как непосредственно в трехмерном пространстве, так и на основе данных двухмерного чертежа.

Проектировщик может выбрать любой из следующих способов работы в системе T-FLEX-CAD 3D или их комбинацию:

• непосредственное создание модели в трехмерном простран­стве по принципу рабочая плоскость —эскиз—твердое тело;

• использование существующего двухмерного чертежа для со­здания трехмерной модели.

Для создания базовых элементов изделий используется следу­ющий набор операций: выталкивание, вращение и др. Для полу­чения точных чертежей используются операция проецирования с Удалением невидимых линий и операция получения сечений и разрезов.

Система T-FLEX-CAD 3D поддерживает двунаправленную ас­социативность, т. е. при изменении параметров трехмерной моде­ли автоматически обновляются все чертежи.

Система T-FLEX-CAD 3D позволяет работать не только с от­дельными трехмерными объектами, но и с трехмерными сборочны-

ми моделями. Причем механизм параметрического проектирования сборочных моделей применяется не только в двухмерном черче­нии, но и при проектировании трехмерных сборочных объектов.

Комплекс T-FLEX-CAD может работать со сборками, не ограни­ченными числом деталей и иерархией их организации. При этом для каждой детали может быть назначен свой материал, что будет учи­тываться при расчете масс-инерционных характеристик и создании штриховок в сечениях при выполнении чертежей или проекций.

Проектирование может осуществляться как от детали к сбор­ке, так и наоборот — от сборки к детали. В этом случае конструк­тор создает проект сразу как сборочный. Геометрические элемен­ты (грани, ребра и т.д.) деталей, проектируемых в рамках одной и той же сборки, могут быть использованы для проектирования других деталей.

В любой момент чертеж детали может быть выгружен в отдель­ный файл для использования при выполнении других чертежей или вставки в другие сборки. При этом он остается в исходной сборке и будет автоматически обновляться. Это означает, что чер­теж детали в упрощенном виде можно задать в сборке, затем выг­рузить его в отдельный файл, добавить с помощью операций мо­делирования необходимые элементы, после чего он автоматичес­ки будет откорректирован в сборке. То же самое произойдет и при проектировании в обратном направлении. Если параметры, опре­деляющие деталь в сборке, изменить, то ее чертеж будет модифи­цирован не только в сборочной модели, но и в отдельном файле, в который она была выгружена.

Для каждой детали сборки можно задать перемещение, кото­рое будет учитываться при выводе на экран сборки в разобранном виде. Сборку можно рассечь плоскостью для того, чтобы было удоб­нее исследовать ее внутреннюю структуру.

Комплекс T-FLEX-CAD позволяет проверить взаимное пере­сечение компонентов сборки. Объемные модели, требующие боль­ших ресурсов, можно заменить их графическим представлением. Структура сборки отслеживается на дереве модели, от которой можно быстро перейти к детали любого уровня. При этом команда фотореалистичного изображения выведет качественную картинку с учетом материала каждой детали. Мощная подсистема создания спецификаций автоматически сгенерирует спецификацию, кото­рая будет параметрически связана с моделью.

Контрольные вопросы

1. Какие основные функции черчения могут выполнять программные системы?

2. Что представляет собой метод параметрического проектирования чертежей?

3. Что представляет собой метод твердотельного моделирования?

Дата добавления: 2015-07-20