Рефераты и сочинения для учащихся

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ.

Для достижения успеха в своей деятельности предприятиям требуется вносить существенные коррективы в прежнюю систему управления производством. На помощь приходит научно-технический прогресс. Современные разработки позволяют автоматизировать производство. Люди при этом освобождаются от выполнения многих функций и те возлагаются на специальные приборы, устройства, информационные системы.

Увеличение производительности труда разработчиков новых изделий, сокращение сроков проектирования, повышение качества разработки проектов – важнейшие проблемы, решение которых определяет уровень ускорения научно-технического прогресса общества. Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) опирается на прочную научно-техническую базу. Это – современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации. Системы автоматизированного проектирования дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук отрабатывать и совершенствовать методологию проектирования, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов. В настоящее время созданы и применяются в основном средства и методы, обеспечивающие автоматизацию рутинных процедур и операций, таких, как подготовка текстовой документации, преобразование технических чертежей, построение графических изображений и т.д.

ГЛАВА 1. Теоретические аспекты

• 1. Понятие САПР, задачи и основные принципы создания

Системы автоматизированного проектирования (САПР) – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП).

Взаимодействие подразделений проектной организации с комплексом средств автоматизации проектирования регламентируется организационным обеспечением.

Основная функция САПР состоит в выполнении автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей.

Задачи САПР

• Автоматизация оформления документации

• Информационная поддержка и автоматизация процесса принятия решения

• Использование технологий параллельного проектирования

• Унификация проектных решений и процессов проектирования

• Повторное использование проектных решений, данных и наработок

• Замена натуральных испытаний и макетирования математическим моделированием

• Повышение качества управления проектированием

• Применение методов вариантного проектирования и оптимизации

Принципы создания.

При создании САПР и их составных частей следует руководствоваться следующими основными принципами:

– системного единства;

– совместимости;

– типизации;

– развития.

Принцип системного единства должен обеспечивать целостность системы и системную связность проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования в целом (иерархичность проектирования).

Принцип совместимости должен обеспечивать совместное функционирование составных частей САПР и сохранять открытую систему в целом.

Принцип типизации заключается в ориентации на преимущественное создание и использование типовых и унифицированных элементов САПР. Типизации подлежат элементы, имеющие перспективу многократного применения. Типовые и унифицированные элементы, периодически проходят экспертизу на соответствие современным требованиям САПР и модифицируются по мере необходимости.

Создание САПР с учетом принципа типизации должно предусматривать:

– разработку базового варианта КСАП и (или) его компонентов;

– создание модификации КСАП и (или) его компонентов на основе базового варианта.

Принцип развития должен обеспечивать пополнение, совершенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с автоматизированными системами различного уровня и функционального назначения.

Работы по развитию САПР, модернизации составных частей САПР выполняют по техническому заданию.

• 1. Состав и структура САПР

Составными структурными частями САПР, жестко связанными с организационной структурой проектной организации, являются подсистемы, в которых при помощи специализированных комплексов средств решается функционально законченная последовательность задач САПР.

По назначению подсистемы разделяют на проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап (стадию) проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач.

Примеры проектирующих подсистем:

– подсистема эскизного проектирования;

– подсистема проектирования корпусных деталей;

– подсистема проектирования технологических процессов механической обработки.

Обслуживающие подсистемы имеют общесистемное применение и обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и выдачу полученных в них результатов. Примеры обслуживающих подсистем:

– автоматизированный банк данных;

– подсистема документирования;

– подсистема графического ввода/вывода.

Системное единство САПР обеспечивается наличием комплекса взаимосвязанных моделей, определяющих объект проектирования в целом, а также комплексом системных интерфейсов, обеспечивающих указанную взаимосвязь.

Системное единство внутри проектирующих подсистем обеспечивается наличием единой информационной модели той части объекта, проектное решение по которой должно быть получено в данной подсистеме.

Формирование и использование моделей объекта проектирования в прикладных задачах осуществляется КСАП системы или подсистемы.

Структурными частями КСАП в процессе его функционирования являются программно-методические (ПМК.) и программно-технические (ПТК) комплексы (далее — комплексы средств), а также компоненты организационного обеспечения.

Комплексы средств могут объединять свои вычислительные и информационные ресурсы, образуя локальные вычислительные сети подсистем или систем в целом.

Структурными частями комплексов средств являются компоненты следующих видов обеспечения: программного, информационного, методического, математического, лингвистического « технического.

Компоненты видов обеспечения выполняют в комплексах средств заданную функцию и представляют наименьший (неделимый) самостоятельно разрабатываемый (или покупной) элемент САПР (например: программа, инструкция, дисплей и т. д.).

Эффективное функционирование КСАП и взаимодействие структурных частей САПР всех уровней должно достигаться за счет ориентации на стандартные интерфейсы и протоколы связи, обеспечивающие взаимодействие комплексов средств.

Эффективное функционирование комплексов средств должно достигаться за счет взаимосогласованной разработки (согласования с покупными) компонентов, входящих в состав комплексов средств.

КСАП обслуживающих подсистем, а также отдельные ПТК этих подсистем могут использоваться при функционировании всех подсистем.

• 1. Компоненты видов обеспечения САПР и требования к ним

Стандарты по САПР требуют выделения в качестве самостоятельного компонента организационного обеспечения, которое включает в себя положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалифицированные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования. Функционирование САПР возможно только при наличии и взаимодействии перечисленных ниже средств:

– программного обеспечения;

– информационного обеспечения;

– методического обеспечения;

– математического обеспечения;

– лингвистического обеспечения;

– технического обеспечения;

– организационного обеспечения.

Теперь кратко разберёмся с назначением каждого компонента средств САПР

Программное обеспечение САПР .

Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение делиться на общесистемное и специальное (прикладное) ПО. Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств, т. е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов, о представлено различными операционными системами. В специальном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.

Требования к компонентам программного обеспечения

Компоненты программного обеспечения, объединенные в программно-методический комплекс (ПМК) и программно-технических комплексов (ПТК), должны иметь иерархическую организацию, в которой на верхнем уровне размещается монитор управления компонентами нижних уровней программными модулями.

Программный модуль должен: регламентировать функционально законченное преобразование информации; быть написанным на одном из стандартных языков программирования; удовлетворять соглашениям о представлении данных, принятым в данной быть оформленным в соответствии с требованиями ЕСДП.

Монитор предназначен для: управления функционированием набора программных модулей ПМК, включая контроль последовательности и правильности исполнения; реализации общения пользователя с ПМК и программных модулей с соответствующими базами данных (БД); сбора статистической информации.

Информационное обеспечение САПР .

Основу составляют данные, которыми пользуются проектировщики в процессе проектирования непосредственно для выработки проектных решений. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений.

Требования к компонентам информационного обеспечения

Основной формой реализации, компонентов информационного обеспечения являются БД в распределенной или централизованной форме, организация данных в которых обеспечивает их оптимальное использование в конкретных применениях.

Совокупность БД САПР должна удовлетворять принципу информационного единства, т. е. использовать термины, символы, классификаторы, условные обозначения, способы представления данных, принятые в САПР объектов конкретных видов.

Независимо от логической организации данных БД должны обеспечивать:

– информационную совместимость проектирующих и обслуживающих

подсистем САПР;

– независимость данных на логическом и физическом уровнях, в том

числе инвариантность к программному обеспечению;

– возможность одновременного использования данных из различных БД

и различными пользователями;

– возможность интеграции неоднородных БД для совместного их

использования различными подсистемами САПР;

– возможность наращивания БД;

– контролируемую избыточность данных.

Создание, поддержка и использование БД, а также взаимосвязь между информацией в БД и обрабатывающими ее программными модулями осуществляется системой управления базами данных (СУБД), являющейся, как общесистемный ПМК, частью одной из обслуживающих подсистем.

Методическое обеспечение САПР .

Под методическим обеспечением САПР понимают входящие в её состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Причем документы, относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Так в основном документы методического обеспечения носят инструктивный характер, и их разработка является процессом творческим.

Требования к компонентам методического обеспечения

К компонентам методического обеспечения относят: утвержденную документацию инструктивно-методического характера, устанавливающую технологию автоматизированного проектирования; правила эксплуатации комплекса средств автоматизированного проектирования, ПМК; нормативы, стандарты и другие руководящие документы, регламентирующие процесс и объект проектирования.

Компоненты методического обеспечения должны размещаться на’ машинных носителях информации, позволяющих осуществлять как долговременное хранение документов, так и их оперативный вывод в форматах, установленных соответствующими стандартами.

Математическое обеспечение САПР .

Основа – это алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР. Среди разнообразных элементов математического обеспечения имеются инвариантные элементы-принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.

Требования к компонентам математического обеспечения

К компонентам математического обеспечения относят методы математического моделирования объектов и процессов проектирования, математические модели объектов и процессов проектирования, алгоритмы решения задач в процессе проектирования.

Взаимосвязи между компонентами математического обеспечения должны обеспечивать формализацию процесса проектирования и его целостность.

Лингвистическое обеспечение САПР .

Основу составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения – языки общения человека с ЭВМ.

Требования к компонентам лингвистического обеспечения

К компонентам лингвистического обеспечения относят языки проектирования (ЯП), информационно-поисковые языки (ИПЯ), и вспомогательные языки, используемые в обслуживающих подсистемах, и для связи с ними проектирующих подсистем.

Компоненты лингвистического обеспечения должны быть согласованными с компонентами обеспечения других видов, быть относительно инвариантными к конкретному содержанию баз данных, предоставлять в компактной форме средства для описания всех объектов и процессов заданного для систем класса с необходимой степенью детализации и без существенных ограничений на объект описания, быть рассчитанными, в основном, на диалоговый режим их использования.

ЯП должны базироваться на. терминах, принятых в конкретной системе, обеспечивать описание, управление и контроль процесса проектирования, быть ориентированными на пользователей с различным уровнем профессиональной подготовки (в том числе не имеющих специальной подготовки в области программирования), обеспечивать однозначное представление информации, стандартное описание однотипных элементов и высокую надежность идентификации описания.

ЯП должны представлять собой набор директив, используя которые пользователь осуществляет процесс формирования модели объекта проектирования и ее анализ, обеспечивать возможность эффективного контроля заданий пользователя, иметь средства выдачи пользователю справок, инструкций и сообщений об ошибках, предусматривать возможность использования механизма выбора альтернативных директив из определенного набора (функциональная клавиатура и др.).

ИПЯ должны включать словари, правила индексирования входной информации и правила формирования поисковых предписаний.

Словари ИПЯ должны содержать термины (в том числе стандартизованные) соответствующей области техники и другие лексические, единицы, необходимые для индексирования и поиска проектной информации с высокой точностью и полнотой.

Техническое обеспечение САПР .

Это создание и использование ЭВМ, графопостроителей, оргтехники и всевозможных технических устройств, облегчающих процесс автоматизированного проектирования.

Требования к компонентам технического обеспечения

К компонентам технического обеспечения относят устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их сочетания, обеспечивающие функционирование ПТК и КСАП, в том числе диалоговый, многопользовательский и многозадачный режим работы, а также построение иерархических и сетевых структур технического обеспечения.

В качестве предпочтительной для САПР следует использовать двухуровневую структуру технического обеспечения, включающую центральный вычислительный комплекс и автоматизированные рабочие места (терминальные станции).

Компоненты технического обеспечения должны предоставлять возможность: кодирования и ввода информации с ее визуальным контролем и редактированием; передачи информации по различным каналам связи; хранения, контроля и восстановления информации; загрузки, хранения и исполнения программного обеспечения; оперативного предоставления запрашиваемой информации на устройства вывода.

Организационное обеспечение САПР.

Этот пункт предписывает комплектование подразделений САПР профессионально грамотными специалистами, имеющими навыки и знания для работы с перечисленными выше компонентами САПР. От их работы будет зависеть эффективность и качество работы всего комплекса САПР (может даже всего производства).

Требования к компонентам организационного обеспечения

Компоненты организационного обеспечения должны устанавливать организационную структуру системы и подсистем, включая взаимосвязи ее элементов; задачи и функции службы САПР и связанных с нею подразделений проектной организации; права и ответственность должностных лиц по обеспечению создания и функционирования САПР; порядок подготовки и переподготовки пользователей САПР.

• 1. Понятие, виды систем автоматизации производства.

Автоматизация производства — это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Введение автоматизации на производстве позволяет значительно повысить производительность труда, обеспечить стабильное качество выпускаемой продукции, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства.

Автоматизация производства бывает полной, частичной и комплексной. В первом варианте весь рабочий процесс осуществляется с применением машин. При менее затратной частичной автоматизации технические устройства отвечают только за выполнение отдельных операций. Комплексный подход предполагает функционирование цеха или участка как единого целого, состоящего из взаимосвязанных частей. Но в любом случае самые ответственные решения принимает человек. Он подготавливает исходные данные, подбирает подходящие алгоритмы, анализирует полученные результаты.

Установка на предприятии специального технического оснащения и его обслуживание требует немалых затрат. Но это помогает добиться следующего:

• освободить человека от тяжелого ручного труда и повысить безопасность производства;
• минимизировать брак продукции, возникающий по причине ошибок работников, улучшить качество изделий и расширить их ассортимент – все это обеспечивает приток клиентов;
• увеличить в несколько раз производительность труда – устройства помогают получать большой объем продукции за минимальный отрезок времени;
• уменьшить число работников и снизить тем самым расходы на заработную плату.

Автоматизация производства способствует достижению главной цели – увеличить прибыль предприятия. Но есть и определенные недостатки такого подхода. В частности, одной из проблем является возникновение так называемой технологической безработицы. Кроме того, усложнение производственной системы вызывает необходимость в подборе квалифицированных кадров. Однако не всегда легко найти специалистов, обладающих нужным опытом и знаниями современных стандартов.

Перечень проблем, связанных с введением автоматизации, можно дополнить тем, что существует риск взлома системы, устройства уязвимы в техническом плане, а их работа зависит от электроснабжения. Но перечисленные недостатки можно минимизировать с помощью грамотной организации производственного контроля, повышения квалификации работников, своевременного обслуживания техники, обеспечения качественной защиты данных. Эти меры необходимо реализовывать, так как в целом плюсы оказываются гораздо весомее минусов.

• 1. Типы автоматизации производства

Замена человеческого труда машинным осуществляется в разных направлениях. При этом используется соответствующее оборудование – оно может быть относительно простым или представлять собой целые программно-технические комплексы. Различают несколько типов автоматизации.

Машины с числовым управлением (NC)

Речь идет о станках, запрограммированных на выполнение определенных работ. Весь технологический процесс здесь осуществляется под управлением электроники. Вмешательство человека сведено к минимуму. Оно заключается в наладке и проверке оборудования, установке и снятии заготовок. С этим под силу справиться одному рабочему, причем под его контролем могут находиться сразу несколько станков.

Машины с числовым управлением, функционирующие практически автономно, способны производить изделия высокого качества. Они обрабатывают детали очень точно в течение нужного времени и «не устают» в отличие от мастеров, работающих вручную. Подобные станки справляются с теми задачами, которые невозможно выполнить с применением обычных устройств. Они помогают четко спланировать деятельность благодаря тому, что время для выполнения операции устанавливается заранее.

Еще одним преимуществом такой техники является производственная гибкость. Она заключается в том, что при работе с деталями другого типа достаточно сменить программу, а применяемая до этого может храниться на накопителе и вновь использоваться в случае необходимости.

Роботы

Такие машины все активнее включаются в автоматизацию производства с целью облегчить человеческий труд. Они легко справляются со сложными рабочими процессами. Роботы различаются видом, размерами, функционалом. Круг задач, которые они способны выполнять, очень широк. Это погрузка тяжелых или опасных предметов, упаковка товаров, отделочные, сварочные и многие другие работы.

Есть роботы, каждым движением которых управляет оператор. Другие, относящиеся к автоматам, следуют заданной программе. Они не способны корректировать выполняемые действия, и здесь тоже требуется участие рабочего. Максимально самостоятельными являются автономные роботы. Такие механизмы совершают запрограммированные операции. Функционируя по заданным алгоритмам, они при необходимости корректируют действия. Подобные устройства берут на себя всю работу на определенном участке конвейера, при этом привлечение живой рабочей силы не требуется.

Информационные технологии (IT)

Эта обширная область характеризуется применением компьютерного оснащения. В отличие от других средств, применяемых в автоматизации производства, они охватывают в первую очередь сферу интеллектуального труда. Такие технологии нацелены на различные способы обращения с информацией – ее создание, получение и обработку, хранение, распространение.

В современном производстве компьютеры приобретают жизненно важное значение в деле управления данными. Люди получают возможность освободиться от выполнения рутинных и сложных мыслительных операций. Причем скорость работы человеческого мозга не может сравниться с производительностью машины. Кроме того, правильно настроенная техника работает безошибочно и может справляться с колоссальным объемом работы.

Применение систем автоматизированного проектирования

Здесь подразумевается программное обеспечение, которое подразделяется на отдельные направления – CAD/CAM/CAE. Каждое из них помогает решать узкоспециализированные задачи, и на конкретном этапе производства можно применить наиболее подходящую систему. С компьютерной поддержкой такого рода удается изготавливать сложные детали и сокращать цикл их производства.

Посредством прикладных программ создаются алгоритмы работы применяемых станков. Появляется возможность проектировать изделия, прогнозировать их качества и характеристики и определять оптимальную технологию изготовления. Указанные системы помогают воплощать идеи любой сложности. Скорость и точность работы компьютерных программ способствует получению продукции высокого качества и снижению ее себестоимости.

Гибкие производственные системы (FMS)

Такие комплексы помогают совершать полные циклы изготовления продукции в условиях изменяющейся производственной среды. Система своевременно реагирует на предсказуемые и непредвиденные обстоятельства и адаптируется к ним. Например, при необходимости меняется порядок рабочих операций, корректируется дизайн изделия, упрощается сборка деталей.

Автоматизацию производства, проводимую с применением этого метода, нельзя назвать экономичной. Стоимость самой техники, а также ее установки высока. Кроме того, здесь требуется квалифицированный персонал, способный управлять таким оснащением и производить сложное предварительное планирование. Однако эти моменты компенсируются высокой надежностью системы, значительным повышением производительности труда, уменьшением стоимости производства.

Гибкие системы помогают избежать простоев и максимально эффективно использовать рабочее время. Если обычное оборудование при возникшей поломке прекращает свою работу, то FMS способна адаптироваться к неполадкам и продолжать изготовление изделий во время ремонта.

Системы компьютерного интегрирования (CIM)

Высшей степени автоматизации производства можно достичь только при условии интеграции всех действующих на предприятии сегментов. В этом случае участие человека в производственной деятельности оказывается минимальным.

Нельзя путать комплексную автоматизацию с компьютерным интегрированием. В первом случае дело касается только технических процессов и работы оборудования. CIM же наряду с этим предполагает применение компьютерных систем и для автоматизации управления, принятия различных решений.

Так создается интегрированная информационная среда, где различные программные модули обмениваются данными между собой и с центром всей системы. При такой организации существует общая база данных. Пользователь через интерфейс получает доступ ко всем производственным модулям и может наблюдать за любыми нужными сегментами производственного комплекса.

В целом компьютерное интегрирование направлено на выполнение следующих функций:

• проектирование, планирование и подготовительные действия перед производством продукции;

управление работой участков и цехов, где изготавливаются изделия;

• управление складами, транспортными системами;
• обеспечение качества продукции;
• контроль за работой системы сбыта;
• управление по части финансирования.

При компьютерном интегрировании охватывается полный спектр задач, вязанных с созданием продукта. Производственный процесс значительно ускоряется, а благодаря минимальному участию человека снижается количество различных ошибок и сбоев.

ГЛАВА 2. Внедрение систем автоматизации проектирования и производства.

• 1. В чем необходимость внедрения систем автоматизации в предприятие.

Если необходимость автоматизации бухгалтерского учета и отчетности, кадровых вопросов и документооборота в целом уже осознана руководителями предприятий, то необходимость приобретения современных САПР во многих случаях приходиться доказывать.

Эффективность производства часто рассчитывается по упрошенным схемам, не включающим в себя научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИР и ОКР). Случается, что указанные работы включаются в расчет эффективности только как чисто затратные статьи, другими словами – убытки. Такой подход является в корне неверным: ведь именно проектная и конструкторская деятельность способна вывести производство на новый уровень развития и наладить массовый выпуск новой, конкурентоспособной продукции.

Лучший метод убеждения руководства – представление ему обоснованных, прикрепленных реальными примерами внедрений и подтвержденных экономическими расчетами предложений от нижнего и среднего управленческого звена. Однако далеко не каждый грамотный технолог или конструктор одновременно является опытным экономистом. Именно поэтому иногда в спорах о пользе САПР верх над техническими службами одерживают финансовые, умело использующие слова «затраты» и «выгода».

Что можно здесь посоветовать руководителю любого предприятия, имеющего собственное конструкторское подразделение? Конечно, решение будет принимать именно он, тем не менее, существует, по крайней мере, три объективных фактора:

1. Нелегальные (пиратские) программные продукты, особенно иностранного производства, не могут быть использованы на полную мощность. К таким программам не прилагается нормальная документация, нет возможности пользоваться технической поддержкой, да и качество нелегальной копии может оказаться неважным. Для серьезных проектов необходимо использовать купленные лицензионные системы

2. Если на предприятии нет вовсе или есть сильно устаревшая САПР, то во многих случаях разумно начинать внедрение (или замену) с «легкой» современной системы, которую можно освоить за сравнительно небольшой срок и для эксплуатации, которой пользователю не требуется глубоких специальных знаний.

3. В настоящее время существуют САПР российского производства вполне конкурентоспособные по сравнению с импортными. По мнению многих специалистов, при выборе зарубежной или российской САПР при прочих равных условиях предпочтение сегодня стоит отдавать именно российским разработчикам, так как в этом случае существенно расширяются возможности обучения, внедрения, сопровождения, обновления и оперативного исправления выявленных недостатков.

• 1. Практические аспекты внедрения автоматизации.

Основная роль внедрения систем автоматизации – повышение уровня эффективности, мобильности и облегчения труда сотрудников. Благодаря этим изменениям возрастает уровень конкурентоспособности на рынке, идет мощное использование ресурсной базы.

Автоматизация производства может быть осуществлена в нескольких вариантах:

• Частичная. Автоматизации подвергается лишь некоторое оборудование, которое выполняет ряд действий, недоступных или сложных для человека.
• Комплексная. Охватывает производственную цепь отдельного цеха или узла, выполняющего ряд действий по решению определенной задачи.
• Полная. Осуществляется переход контроля и управления на специальное оборудование, охватывающее все этапы производства. Это происходит в случае устойчивого и практичного режима, а также когда условия труда крайне опасны или непосильны для работника.

Для лучшего определения степени автоматизации следует знать ее эффективность для конкретного типа производства.

Внедрение на предприятии любой системы автоматизации, в частности САПР, – это достаточно сложный процесс, результат которого зависит от четкой координации работ поставщика и заказчика на всех этапах.

Наиболее эффективной, с точки зрения достижения конечного результата, представляется следующая схема:

Этап 1. Проведение экспресс-анализа предприятия.

Этап 2. Проведение комплексного обследования предприятия с детальным анализом основных технологических и производственных бизнес-процессов.

Этап 3. Выполнение технического проектирования, предполагающего разработку и согласование с заказчиком проекта автоматизации промышленного предприятия по схеме «как должно быть».

Этап 4. Внедрение комплексной системы автоматизации проектирования на предприятия по схеме: установка – тестирование – опытная эксплуатация (с обязательным обучением пользователей) – устранение замечаний – промышленная эксплуатация.

Этап 5. После сдачи системы автоматизации в промышленную эксплуатацию – взаимодействие компании с предприятием-заказчиком (периодический мониторинг функционирования системы, консультационное обслуживание, информационная поддержка, обновление версий ПО и т.д.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для успешного функционирования промышленных предприятий в современных условиях абсолютно необходимы передовые информационные технологий. Они позволяют не только решать широкий круг задач в сфере автоматизации финансово-хозяйственной и управленческой деятельности, но и осуществлять комплексную автоматизацию основных технологических и производственных бизнес-процессов.

На сегодняшний день несмотря на глобальную автоматизацию, в России главную работу продолжают выполнять люди, в тот момент, когда в других странах ее уже выполняют роботы.

Сегодня России необходимы 350 тыс. промышленных роботов, чтобы суметь приблизиться к развитым странам по уровню автоматизации производственных процессов.

В то время как в Китае на 10000 рабочих, приходится 36 промышленных роботов. Это в 8 раз меньше, чем в Германии, в 9 — чем в Японии и в 13 раз меньше, чем Южной Корее. Но в нашей стране количество роботов на 10 000 человек в 20 раз меньше, чем даже в Китае. По этому показателю Россия сегодня находится ниже Таиланда, Индонезии, Мексики и Филиппин. К году своего столетнего юбилея, который случится в 2049 году, КНР планирует догнать и перегнать в производственном плане Германию, США и Японию. А без роботов это невозможно. Автоматизация производства позволяет увеличить производительность более чем в три раза. Автоматизация, пожалуй, единственное и наилучшее решение в улучшении качества и решении вопроса о низкой производительности труда.

СПИСОК ИСПЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 23501.101—87 «Системы автоматизированного проектирования» Основные положения

2. ГОСТ 23501.108-85 «Системы автоматизированного проектирования» Классификация и обозначения

2. А. В. Петров «Проблемы и принципы создание САПР». Москва. 1990 г.

3. Д. М. Жук «Технические средства и операционные системы САПР». Москва. 1986 г.

4. В. Г. Федорчук «Информационное и прикладное программное обеспечение САПР».

5. В. А. Вайсбург «Автоматизация процессов под готовки авиационного производства на базе ЭВМ и оборудования с ЧПУ». Москва. 1985 г.

6. Журнал «HARD & SOFT». Номера № 1,2,5.

7. Журнал «САПР и ГРАФИКА». Номер № 11.

8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Автоматизация_производства

9. https://www.expocentr.ru/ru/articles-of-exhibitions/2016/avtomatizaciya-proizvodstva/

10. https://www.1cbit.ru/blog/avtomatizatsiya-proizvodstva-sistemy-i-ikh-naznachenie-i-raznovidnosti/

Обновлено: 27.04.2023

Широкое внедрение автоматизации – наиболее эффективный путь повышения производительности труда.

На многих объектах для организации правильного технологического процесса необходимо длительно поддерживать заданные значения различных физических параметров или изменять их во времени по определенному закону. Вследствие различных внешних воздействий на объект эти параметры отклоняются от заданных. Оператор или машинист должен так воздействовать на объект, чтобы значения регулируемых параметров не выходили за допустимые пределы, т. е. управлять объектом. Отдельные функции оператора могут выполнять различные автоматические приборы. Воздействие их на объект осуществляется по команде человека, который следит за состоянием параметров. Такое управление называют автоматическим. Чтобы полностью исключить человека из процесса управления, система должна быть замкнутой: приборы должны следить за отклонением регулируемого параметра и соответственно давать команду на управление объектом. Такая замкнутая система управления называется системой автоматического регулирования (САР).

Первые простейшие автоматические системы регулирования для поддержания заданных значений уровня жидкости, давления пара, скорости вращения появились во второй половине XVIII в. с развитием паровых машин. Создание первых автоматических регуляторов шло интуитивно и было заслугой отдельных изобретателей. Для дальнейшего развития средств автоматизации необходимы были методы расчета автоматических регуляторов. Уже во второй половине XIX в. была создана стройная теория автоматического регулирования, основанная на математических методах. В работах Д. К. Максвелла “О регуляторах” (1866г.) и И.А. Вышнеградского “Об общей теории регуляторов” (1876г.), “О регуляторах прямого действия” (1876г.) регуляторы и объект регулирования впервые рассматриваются как единая динамическая система. Теория автоматического регулирования непрерывно расширяется и углубляется.

Современный этап развития автоматизации характеризуется значительным усложнением задач автоматического управления: увеличением числа регулируемых параметров и взаимосвязью объектов регулирования; повышением требуемой точности регулирования, их быстродействия; увеличением дистанционности управления и т. д. Эти задачи могут быть решены только на базе современной электронной техники, широкого внедрения микропроцессоров и универсальных компьютеров.

Широкое внедрение автоматизации на холодильных установках началось только в XX в., но уже в 60-х годах созданы крупные полностью автоматизированные установки.

Для управления различными технологическими процессами необходимо поддерживать в заданных пределах, а иногда изменять по определенному закону значение одной или одновременно нескольких физических величин. При этом необходимо следить, чтобы не возникали опасные режимы работы.

Устройство, в котором протекает процесс, требующий непрерывного регулирования, называют управляемым объектом, или сокращенно объектом (рис. 1,а).

Физическая величина, значение которой не должно выходить за определенные пределы, называется управляемым, или регулируемым параметром и обозначается буквой X. Это может быть температура t, давление р, уровень жидкости Н, относительная влажность ? и т. д. Начальное (заданное) значение регулируемого параметра обозначим Х₀. В результате внешних воздействий на объект действительное значение X может отклоняться от заданного Х₀. Величину отклонения регулируемого параметра от своего начального значения называют рассогласованием:

Внешнее воздействие на объект, не зависящее от оператора и увеличивающее рассогласование, называют нагрузкой и обозначают М_н (или Q_H — когда речь идет о тепловой нагрузке).

Чтобы уменьшить рассогласование, необходимо оказать на объект воздействие, противоположное нагрузке. Организованное воздействие на объект, уменьшающее рассогласование, называют регулирующим воздействием — М_р (или Q_P — при тепловом воздействии).

Значение параметра X (в частности, Х₀) сохраняется постоянным только тогда, когда регулирующее воздействие равно нагрузке:

Х = const только при М_р = М_н.

Это основной закон регулирования (как ручного, так и автоматического). Для уменьшения положительного рассогласования необходимо, чтобы М_р было по модулю больше, чем М_н. И наоборот, при М_р

Понятие о методах автоматизированного проектирования технологического процесса. Уровни унификации обработки. Процесс взаимодействия человека и ЭВМ. Развитие теории проектирования и вычислительной техники. Тексты программ, результаты их проверки.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	24.05.2014
Размер файла	31,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. Столыпина

По дисциплине: Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

студент 3 курса ССО

1. Понятие о методах автоматизированного проектирования технологического процесса

автоматизированный проектирование унификация

Процесс формирования ТП в общем случае – совокупность процедур структурного и параметрического синтеза с принятием и последующим анализом проектных решений. Принятие решения по каждой задаче, за исключением задач расчетного характера, производится в результате выбора известных типовых решений с учетом условий применимости. Для этого достаточно описать весь набор типовых решений, а также условий, при которых может быть выбрано каждое из решений.

По уровню решаемых задач типовые решения подразделяются на две группы: локальные и глобальные. Локальное типовое решение относится к частной технологической задаче, определяющей технологический элемент (например, модель станка при назначении станка на операцию). Глобальное типовое решение охватывает весь круг решаемых задач. Примером такого решения является типовой ТП изготовления деталей определенного типа, выбранный из множества типовых ТП.

Существуют три уровня унификации обработки: отдельной поверхности, сочетания поверхностей и детали в целом. Учитывая все перечисленные факторы: характер решаемых задач (расчетные или нерасчетные), разновидности типовых решений (локальные или глобальные), используемые уровни унификации обработки, можно выделить следующие методы автоматизированного проектирования ТП:

1) прямое документирование;

3) использование аналогов;

4) проектирование на основе типизации, или унифицированных ТП;

Под автоматизацией проектирования понимают систематическое использование ЭВМ в процессе проектирования при обоснованном распределении функций между человеком и ЭВМ и обоснованном выборе методов автоматизированного решения технологических задач.

Согласно ГОСТ 22487 — 77 различают проектирование трех видов: неавтоматизированное, автоматизированное и автоматическое. При неавтоматизированном проектировании все преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках осуществляет человек. При автоматизированном проектировании все вышесказанное осуществляется в результате взаимодействия человека и ЭВМ, а при автоматическом проектировании — без участия человека.

При автоматизированном проектировании проектировщик должен решать творческие задачи, а ЭВМ — задачи, функции которых связаны в основном с выполнением нетворческих или умственно-формальных процессов при проектировании.

Дальнейшее развитие теории проектирования и вычислительной техники позволяет постепенно передавать ЭВМ решение и творческих задач.

Производительность труда технолога-проектировщика повышается:

1. Совершенствованием системы проектирования, включая систематизацию самого процесса проектирования и улучшение труда проектировщиков;

2. Комплексной автоматизацией нетворческих функций проектировщика в процессе проектирования;

3. Разработкой имитационных моделей для автоматического воспроизведения деятельности человека, его способности принимать решения в условиях полной и частичной неопределенности создавшихся ситуаций.

По степени углубленности разработок различают несколько уровней проектирования: разработку принципиальной схемы технологического процесса, проектирование технологического маршрута обработки детали, проектирование технологических операций, разработку управляющих программ для оборудования с числовым программным управлением.

Технологический процесс механосборочного производства и его элементы являются дискретными, поэтому задача синтеза заключается в определении их структуры. Если среди вариантов структуры ищут наилучший в некотором смысле, то такую задачу синтеза называют структурной оптимизацией.

Расчет оптимальных параметров технологического процесса или операции (перехода) при заданной структуре с позиции некоторого критерия называют параметрической оптимизацией. Возможности постановки и решения задач структурной оптимизации ограничены, поэтому под оптимизацией часто понимают только параметрическую оптимизацию. Следовательно, параметрическая оптимизация — это определение таких значений параметров х при которых некоторая функция F(x), называемая целевой, или функцией эффективности, принимает экстремальное значение.

На каждом уровне процесс технологического проектирования (проектирование технологических процессов и их оснащение) представляется как решение совокупности задач.

При решении технологической задачи взаимодействие технолога-проектировщика с ЭВМ представляет процесс обмена информацией в определенном режиме. Различают два основных режима: пакетный (автоматический) и диалоговый (оперативный).

При пакетном режиме технолог-пользователь и программист, как правило, не имеют прямой связи с ЭВМ. Тексты программ, результаты их проверки и решения технологической задачи передаются через оператора машине. Пакет прикладных программ представляет комплекс программ, работающих под управлением программы-монитора и предназначен для решения определенного класса близких друг другу технологических задач, например проектирование технологического маршрута обработки деталей определенного класса (группы), сборки узлов и сборочных операций заданного типа.

2. Параметрический метод

Сущность параметрического метода заключается в разделении функций между ЭВМ и человеком. Технологическое проектирование в этом случае состоит из двух этапов.

Первый этап – без машинное проектирование ТП. На этом этапе вручную решаются следующие трудно формализуемые творческие по характеру задачи:

? формирование структуры ТП (технологического маршрута и последовательности переходов в операциях);

? выбор модели оборудования и методов обработки;

? выбор технологических баз, схем установки и типов приспособлений;

? установление размерной структуры ТП и технических требований на расположение поверхностей.

Второй этап – автоматизированное проектирование параметров ТП и отдельных операций. Он начинается с ввода в ЭВМ информации о детали (наименование, материал, твердость, покрытие и т.д.), структуре ТП (номер, наименование операций, переходов), размерной структуре. Затем в автоматическом режиме решаются следующие задачи проектирования:

? расчет припусков на обработку, операционных размеров и допусков на них;

? выбор средств технологического оснащения (режущего, вспомогательного и измерительного инструментов);

? расчет режимов резания и норм времени;

? формирование информации для АСУП.

Системы автоматизированного проектирования рассматриваемого типа легко адаптируются к производственным условиям, требуют введения небольшого объема исходных данных и легко воспринимаются технологами. С их помощью можно проектировать ТП для широкой номенклатуры деталей, включая и сложные. Однако эффективность решений в таких системах во многом зависит от квалификации технолога. Как и в случае прямого документирования, здесь не требуется специальное описание информации о детали. Данные о детали и заготовке, необходимые для выполнения расчетов, вводятся по запросу системы в диалоговом режиме.

Системы параметрического проектирования являются автоматизированными системами низкого уровня, с которых целесообразно начинать автоматизацию технологического проектирования. Они помогают быстрее снять так называемый психологический барьер, существующий между технологом и вычислительной техникой, отработать организацию работ на предприятии при проектировании ТП с помощью ЭВМ, создать, отладить и освоить базы данных технологического назначения.

3. САПР-ТП как инструмент управления гибких технологических систем

Первыми двумя целями и задачами автоматизации технологической подготовки производства являются следующее:

– Сокращение трудоемкости технологической подготовки производства и, как следствие, сокращение числа технологов.

– Сокращение сроков технологической подготовки производства.

Необходимы еще следующие замечания относительно двух первых целей и задач. Сокращение числа технологов приводит к уменьшению себестоимости изделия. А необходимость сокращения сроков технологической подготовки производства обуславливается тем, что в конкурентной борьбе выстоит та фирма, которая не только выпускает конкурентоспособную продукцию, но и укладывается в минимальные сроки по подготовке этой продукции к выпуску. Если представить, что две конкурирующие фирмы одновременно решили выпускать одинаковое изделие, но первая из них затратила полгода на проектирование и производство первого образца, а у второй фирмы на это ушел год, то конечно же первая фирма будет находиться в более выгодном положении на рынке. Современная станкостроительная фирма считается конкурентоспособной, если время от идеи создания нового современного станка до выхода первого образца этого станка за ее ворота составляет не более 1,5 лет.

Третьей целью и задачей автоматизации технологической подготовки производства является повышение качества разрабатываемых технологических процессов. Эта необходимость объясняется следующими причинами.

Техническое перевооружение современного машиностроительного производства осуществляется в основном по двум направлениям:

1. Замена универсального оборудования с ручным управлением, обслуживаемого рабочим высокой квалификации, оборудованием с автоматическим циклом обработки. Переналадка такого оборудования осуществляется наладчиками по тщательно разработанным операционным и наладочным картам. Возможно многостаночное обслуживание такого оборудования. В связи с увеличением дефицита квалифицированных рабочих это направление достаточно перспективно, особенно в условиях средне – и крупносерийного производства.

2. Внедрение станков с ЧПУ, обладающих гораздо большей степенью универсальности. Их переналадка занимает в десятки раз меньшее время, чем в первом случае. Но и здесь необходимо тщательно прорабатывать технологические процессы и затем составлять управляющие программы.

К настоящему времени выделились два направления применения средств вычислительной техники в машиностроении: автоматизация производственных процессов и автоматизация инженерного труда.

Первое направление — это оборудование с числовым программным управлением, гибкие производственные комплексы и системы.

Второе — системы автоматизированного проектирования изделий и технологии их изготовления (САПР), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТГ1) и производством (АСУП). Это многообразие решаемых задач можно разбить по виду выходного информационного материала на два типа.

1. Машинная печать и тиражирование различной технологической документации в рамках требований ГОСТов, ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП, АСТПП, т. е. чертежей, графиков, различных карт технологических процессов и другой конструкторской, технологической, нормативной и бухгалтерско-экономической документации, выполненной с разной степенью точности и глубины проработки, диктуемых серийностью производства и отраслевыми условиями обработки. Это порождает большое разнообразие решаемых задач и обычно частный отраслевой характер разрабатываемых САПР ТПП. В перспективе неоправданное разнообразие таких разработок будет сокращено за счет межотраслевой стандартизации и унификации методик, алгоритмов, языков программирования, нормативно-справочных материалов, в том числе единых общемашиностроительных технически обоснованных режимов резания и норм времени для обоснованного и гибкого (универсального) управления качеством и производительностью обработки.

2. Запись управляющих программ на различных программоносителях, необходимых для оборудования с ЧПУ, включая и управляемого от ЭВМ; в том числе объединенных в гибкие производственные системы вне зависимости от типа производства. Для полного решения этой задачи необходимо от эмпирического подбора режимов резания в программах обработки перейти к использованию автоматизированных систем управления, разработанных на базе САПР операций, зачастую состоящих из разных видов обработки по тщательно разработанным общим нормативным зависимостям, управляющим качеством и производительностью обработки заготовок.

6. Петухов А.В. и др. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов. Учебное пособие – М-во образования Респ. Беларусь, Гомел. гос. техн. ун-т им П.О Сухого, 2011. – 144 с.

7. Черепашков, А.А., Носов, Н.В. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении – М.: ИнФолио, 2009. – 642 с.: ил.

8. Электронные устройства информационных систем и автоматики. Учебник / Э.М. Ромаш, Н.А. Феоктистов, В.В. Ефимов. – М.: Дашков и К°, 2009 г. – 248 стр.

9. Автоматизация производственных процессов: учебное пособие / Л.И. Волчкевич. – М.: “Машиностроение”, 2007 г. – 380 с.

11. Технологические основы гибких производственных систем: учебник / Под ред. Ю.М. Соломенцева. – 2-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2000. – 255 с.: ил. – ISBN 5-06-003664-2 (в пер.): 53.90 р.

13. Машиностроение: энциклопедия. Т. III-5. Технология сборки в машиностроении / под общ. ред. Ю.М. Соломенцева. – М.: Машиностроение, 2006. – 640 с.: ил. – ISBN 5-217-01959-Х (в пер.): 875 р.

Подобные документы

AutoCAD как одна из самых популярных графических систем автоматизированного проектирования, круг выполняемых ею задач и функций. Технология автоматизированного проектирования и методика создания чертежей в системе AutoCAD. Создание и работа с шаблонами.

лекция [58,9 K], добавлен 21.07.2009

Технологии автоматизированного проектирования, автоматизированного производства, автоматизированной разработки и конструирования. Концептуальный проект предполагаемого продукта в форме эскиза или топологического чертежа как результат подпроцесса синтеза.

реферат [387,2 K], добавлен 01.08.2009

Программные средства и системы для создания, автоматизирования технологических процессов. Разработка технологического процесса в системе “Вертикаль”. Создание 3D моделей операционных заготовок в системе “Catia”, технологической оснастки в “Solid Works”.

дипломная работа [6,1 M], добавлен 25.06.2012

Разработка трехмерной модели судна на уровне эскизного проекта в системе автоматизированного проектирования CATIA v5 R19. Технология и этапы автоматизированного проектирования. Параметризация и декомпозиция судна как сборки. Принципы работы в CATIA.

методичка [597,5 K], добавлен 21.01.2013

Состав, содержание и документирование работ на стадиях создания систем автоматизированного проектирования. Стандарты создания технологического оборудования, тактико-техническое задание и технико-экономическое обоснование комплекса средств автоматизации.

МОСКВА 2011
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3
1. БЛАНК ЗАДАНИЯ 4
1.1 Чертеж детали 4
1.2 Выбор способа получения заготовки 5
1.3 Анализ материала заготовки 6
2. ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР СТАНКА 7
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ 10
3.1 Чертеж детали 10
3.2 Схема расположениязаготовки в трехмерной системе координат 12
3.3 Расчет режимов резания при черновом фрезеровании 13
3.4 Выбор постпроцессора 15
3.5 Управляющая программа 17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 19

[pic]
1.2 Выбор способа получениязаготовки
Оптимальный метод получения заготовки выбирают, анализируя ряд факторов: материал детали, технические требования на ее изготовление, объем и серийность выпуска, форму поверхностей и размеры деталей. Метод получения заготовки, обеспечивающий технологичность и минимальную себестоимость, считается оптимальным.
Максимально приблизить геометрические формы и размеры заготовки к размерам и формеготовой детали – одна из главных задач в заготовительном производстве. Оптимизируя выбор метода и способа получения заготовки, можно не только снизить затраты на ее изготовление, но и значительно сократить трудоемкость механической обработки.
В машиностроении для получения заготовок наиболее широко применяют следующие методы:
– литье;
– обработку металлов давлением;
– сварку;- комбинации этих методов.
Каждый метод содержит большое число способов получения заготовок.
Вид заготовок и способ их изготовления для конкретной детали определяются такими показателями, как:
– материал;
– конструктивная форма;
– серийность производства;
– масса заготовки.
На основании вышеизложенного в качестве получения заготовки используется технологияобработки давлением, что обеспечивает максимально приближенные геометрические формы заготовки и уменьшение трудоемкости изготовления детали.

1.3 Анализ материала заготовки

Сплав АЛ5 (средней прочности при комнатной и повышенной температурах) относится к системе Al-Si-Cu-Mg. Он обладает достаточно высокой прочностью при комнатной температуре ((В=230-280Мпа) и повышенной ((100300=35Мпа)жаропрочностью. Свойства определяли на отдельно отлитых образцах. Сплав имеет хорошие литейные свойства, повышенную герметичность. Недостатки сплава: низкая пластичность ((=0,5-1,5%) и пониженная коррозионная стойкость. Путем снижения содержания примеси железа пластичность сплава можно повысить более чем в 2 раза.
Технологические свойства:
Сплав.

• Для учеников 1-11 классов и дошкольников
• Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Кафедра “ Робототехнические системы ”

к курсовому проекту по дисциплине

“Автоматизированные системы управления технологическими процессами”

3. Формулировка задачи

4. Функциональная схема устройства и ее описание

5. Выбор элементной базы и характеристики микросхем

6. Описание схемы электрической принципиальной

7. Временные диаграммы цикла “ввод” с описанием

Связь между центральным процессором (ЦП), запоминающими устройствами и внешними устройствами осуществляется через общий системный канал.

Пользователь может подключать к каналу как собственные устройства ввода-вывода, так и дополнительные устройства, соблюдая при этом требования и условия работы интерфейса системного канала.

Связь между двумя устройствами, подключенными к каналу, осуществляется по принципу “управляющий-управляемый”. В каждый момент времени только одно устройство является активным. Активное устройство управляет циклами обращения к каналу, при необходимости удовлетворяет требованиям прерываний от внешних устройств, контролирует предоставление прямого доступа.

Пассивное устройство является исполнительным. Оно может принимать и передавать информацию только под управлением активного устройства.

Типичный пример активного устройства – центральный процессор, выбирающий команду из памяти, которая всегда является пассивным устройством; устройство, работающее в режиме прямого доступа к памяти (ПДП).

Связь между устройствами через системный канал является замкнутой и асинхронной.

В ответ на управляющий сигнал, передаваемый активным устройством, поступает сигнал от пассивного устройства. Процесс обмена между устройствами не зависит от длины канала и времени ответа пассивного устройства (в пределах заданного интервала времени – как правило, не более 10 мкс).

Обмен между двумя устройствами может выполняться как 16-разрядными словами, так и байтами. Системный канал Q – bus обеспечивает три типа обмена данными: программный, в режиме прямого доступа к памяти, прерывание программы.

Физически, канал Q – bus представляет собой унифицированную магистраль, содержащую 72 линии, по которым осуществляется передача информации, необходимой для работы ЭВМ.

Использование единого интерфейса позволяет иметь общий для всех устройств алгоритм связи, и, следовательно, унифицированную аппаратуру сопряжения.

Аннотация

В данной курсовой работе разработана схема электрическая принципиальная устройства пользователя, работающая в программном режиме в составе микропроцессорной системы с магистралью Q-bus .

При разработке электрической схемы использованы интегральные схемы серии К 155, К 555.

Формулировка задачи

В курсовой работе необходимо разработать схему электрическую принципиальную интерфейса, работающего в программном режиме для микропроцессорной системы с магистралью Q-bus.

В состав устройства пользователя должны входить два (не меньше) регистра для записи и чтения информации. При разработке электрической схемы, необходимо использовать интегральные ТТЛ-микросхемы серий К 155, К 555, а также другие ТТЛ-совместимые микросхемы.

Адреса регистра для чтения – 160 075,

для записи – 160 076,

Функциональная схема устройства и ее описание

Функциональная схема устройства приведена на рис. 1. Адреса регистров даются перемычками или переключателями на входах схемы сравнения.

Схема обеспечивает программный доступ к 4-м регистрам ( RG ), как для записи (076, 100), так и для чтения (075).

Сигналы ВУ и данные адреса Д3-Д15 обеспечивают выбор соответствующего регистра внешнего устройства, адрес которого находиться в пределах 160000-177777.

Адрес регистра внешнего устройства задается перемычками или переключателями.

В качестве регистра можно использовать 16 триггеров, входы которых объединены и подключены к логике сравнения.

В данной схеме разряды Д0-Д1 определяют выбор устройства, разряды Д3-Д15 выбирают регистр. Сигнал СИА информирует о том, что на линиях ДА установлен адрес и используется для запоминания внутреннего сигнала “выбор устройства”, а также разрядов адресов с 0 по 2. Если внутренний сигнал ВУ после окончания адресной части цикла будет активным, то после поступления сигнала “ввод” или “вывод” логика вырабатывает сигнал записи или чтения в соответствующий регистр. После того, как данные будут переданы или приняты устройством, логика управления должна вырабатывать сигнал СИП и если он не будет передан в процессор за 10мкс, процессор переходит к подпрограмме обслуживания внутреннего прерывания с адресом вектора 4.

От ВУ К ВУ

О

С

К ДА 15 1 чтение

К ДА 14 1 RG

К ДА 13 1 Q

К ДА 12 1 D

К ДА 11 1 D T Q 1 & C

К ДА 10 1 C ED

К ДА 9 1 R Q 1

е

К ДА 8 1 D Q 2 & ШД

К ДА 6 1 C запись

К ДА 5 1 R Q 2 С RG

К ДА 4 1 ED Q

К ДА 3 1 D

К ДА 2 1 к ВУ

К ДА 1 1 к ШД

К ДА 0 1

ВУ 1

СИА 1

сброс 1

ввод 1

вывод 1

&

1

Рис. 1. Функциональная схема устройства.

Описание схемы электрической принципиальной

Любой цикл обращения к каналу начинается с посылки сигнала “Сброс”, который вызывает очистку регистров Д15-Д19 (ИР 23) и триггера Д9 (ТМ 7).

После этого на входах ДА0 – ДА15 устанавливают адрес регистра, к которому осуществляется обращение, а ЦП вырабатывает сигнал “ВУ”. Если общая часть адреса соответствует поданной на дешифратор, состоящий из элементов Д 4.1 – Д 4.6 (ЛН 1); Д12, Д13 (ЛА 2) и Д14 (ЛЕ1), то на выходе Д14 будет “1”. Эта “1” подается на схему выбора регистра Д 6.1 – Д 8.3 (ЛА 3), где при наличии сигналов “ввод” или “вывод” генерируется сигнал “СИП”, который подается в ЭВМ, а также сигналы управления регистрами (23-27), которые запоминаются в триггере Д9 (ТМ 7).

По сигналу “СИП” из ЭВМ начинается передача информации, если 27 – “1”, 25 – “0”, иначе прием информации из одного регистра чтения. Регистру с адресом 160 076 соответствуют сигналы 23 – “1”, 24 – “0”, а с адресом 160 100 – 24 – “1”, 23 – “0”.

Выбор элементной базы и характеристики микросхем

В курсовой работе по возможности использованы микросхемы серии К 555, у которых вместо многоэлементного транзистора на входе используется матрица диодов Шотке.

Введение этих диодов исключает накопление лишних базовых зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и обеспечивает стабильность времени переключения транзистора в диапазоне температур.

Кроме того, в схеме используется несколько микросхем серии К 155.

Основные параметры микросхемы ТТЛ К 555:

t згр=10 нс; Рнот=2 мВт; Энд=20.

Нагрузка: Сн=15 нФ; Рном=2 кОм; Кветв.=10.

Логические элементы, используемые в устройстве пользователя реализованы на следующих микросхемах:

а) ЛЕ 1 выполняет логическую операцию “ИЛИ – НЕ”.

б) ЛА 2, ЛА 3 – выполняют логическую функцию ” И ” с несколькими входами.

в) ЛН1 представляет собой инвертор, снабженный двухтактным входным каскадом, выполняющий операцию ” НЕТ ” .

В качестве элемента задержки использован Д-триггер, воспользовавшись микросхемой ТМ 7, содержащей две пары Д-триггеров.

Регистры выполнены на микросхемах ИР 23.

Основные параметры ЛА 2:

Микросхема ЛН 1 содержит 6 инверторов и имеет двухконтактный выходной каскад. Ее основные параметры:

Временная диаграмма цикла “ВВОД”

Направление передачи при выполнении операций обмена данными определяется по отношению к активному устройству . При выполнении цикла ВВОД данные передаются от пассивного устройства к активному .

Временные диаграммы приведены на рисунке 2.1 и 2.2 для активного и пассивного устройств соответственно.

АД 1,2 АД 2,1

ОБМ1 ОБМ 2

ДЧТ 1 ДЧТ 2

ОТВ 2 ОТВ 1

ВУ 1 ВУ 2

ПЗП 1 ПЗП 2

Рис. 2.1 и 2.2 Временные диаграммы цикла ВВОД.

На рисунке обозначены:

1 – передаваемый сигнал;

2 – принимаемый сигнал;

* – состояние сигнала не имеет значения.

Порядок выполнения операций следующий :

Активное устройство в адресной части цикла передаёт по линиям 00-15 адрес и вырабатывает сигнал ВУ , если адрес находится в диапазоне 160 000 – 177 777 ;

Не ранее чем через 150 нс после установки адреса активное устройство вырабатывает сигнал ОБМ, предназначенный для запоминания адреса во входной логике выбранного устройства;

Пассивное устройство дешифрирует адрес и запоминает его;

Активное устройство снимает адрес с линий 00-15 , очищает линию ВУ , вырабатывает сигнал ДЧТ сигнализируя о готовности принять данные от пассивного устройства , и ожидает поступления ответного сигнала ОТВ;

Пассивное устройство помещает данные на линии 00-15 и вырабатывает сигнал ОТВ ,сигнализирующий о наличии данных в канале. Если сигнал ОТВ не вырабатывается в течении 10 мкс после выработки сигнала ДТЧ , то МП переходит к обслуживанию внутреннего прерывания по ошибке обращения к каналу с адресом вектора 4;

Активное устройство принимает сигнал ОТВ , принимает данные и снимает сигнал ДЧТ;

Пассивное устройство снимает сигнал ОТВ по заднему фронту сигнала ОТВ , завершая операцию передачи данных;

Активное устройство снимает сигнал ОБМ по заднему фронту сигнала ОТВ, завершая канальный цикл ВВОД.

Во время выполнения цикла ВВОД сигнал ПЗП не вырабатывается

Сигналы передачи адреса и данных:

АД15 – АД00 – передача адреса и данных;

ОБМ – синхронизация активного устройства в циклах обмена данными;

ДЧТ – ввод данных (чтение);

ДЗП – вывод данных (запись);

ПЗП – байт (признак записи байта);

ВУ – выбор внешнего устройства .

Литература

1. Р.И.Фурунжиев ; Н.И.Бохан “Микропроцессорная техника в автоматике” Минск “Ураджай” 1991 г.

2. МикроЭВМ в 8 кн. :практическое пособие / под редакцией Л.Н.Преснухина.-М.:Высшая школа , 1988 . 172 с .

3. О.Н.Лебедев “Микросхемы памяти и их применение ” , М.:Радио и связь ,1990

4. Богданович М.И., Грель И.Н., Прохоренко В.А. “Цифровые интегральные микросхемы”. – Справочник, – Мн. ” Беларусь ” , 1991 г.

5. МикроЭВМ: в 8 кн. Практическое пособие. (Под ред. Л.Н. Треснухина. Кн. 1 “Семейство ЭВМ”. “Электроника-60″ – М.: Высшая школа” 1988 г.

6. “Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных схем”: Справочник в 2-х томах; под ред. Шахнова В.А. – М. : Радио, связь, 1988 г.

7. Шило В.И. “Популярные цифровые микросхемы”. – Справочник. – Москва “Радио и связь” 1987 г.

Читайте также:

  

• Ходовая часть гусеничного трактора реферат

  

• Сравнительный анализ российских и зарубежных консультантов реферат

  

• Образы войны в живописи немецкого экспрессионизма реферат

  

• Титульный лист реферата ргуп

  

• Заведомо ложные показания реферат

---

Подборка по базе: Панеев. Реферат. Статуты ордена Андрея Первозванного как форма в, бекмуротов. Реферат 2.docx, физика реферат.docx, Болезнь Такаясу реферат.docx, Психология реферат.docx, ПЗ Реферат Физическая культура и спорт.docx, от реферат.docx, НАЙМАН И. С. ФИНАНСЫ И КРЕДИТ РЕФЕРАТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КРЕДИТ И , Пример реферата на английском языке.docx, Закирова А.И. реферат (Пакеры).docx

---

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий»

Институт оптики и оптических технологий Кафедра метрологии и технологии оптического производства

Реферат
«САПР технологических установок и процессов. Этапы моделирования»

Группа: ОМВв-22у Преподаватель:

Студент: Грузных Д.А. Зонова А.Д.

Новосибирск

2018

Введение

В период научно-технического прогресса большое значение имеет всемерное ускорение технологической подготовки производства новых изделий. Эта задача в современных условиях решается путем разработки типовых технологических процессов, использования автоматизированной системы подготовки производства, применения гибких быстропереналаживаемых средств производства, стандартной и обратимой оснастки.

В машиностроительной промышленности внедрены и внедряются системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).

При автоматизации проектирования технологических процессов учитывают характер и взаимосвязи факторов, влияющих на построение технологического процесса и определяющих заданное качество изготовляемых изделий и экономическую эффективность разрабатываемой технологии; проводят моделирование, структурную и параметрическую оптимизацию проектируемого технологического процесса, принимают целесообразное сочетание типовых и индивидуальных технологических решений на всех уровнях проектирования.

Возможность автоматизированного проектирования технологических процессов машиностроения определяется, в первую очередь, развитием научных основ технологии машиностроения, а также математических методов, технических средств и техники программирования. От того, какие технологические закономерности и положения заложены при проектировании, от их практической и научной ценности зависит степень совершенства разработанного технологического процесса, который во многом определяет качество изделия.

Поэтому большое значение приобретают научные основы технологии машиностроения. От использования научных основ во многом зависит и эффективность применения САПР ТП [1].

Серьезные достижения в области разработки средств автоматизированного проектирования (САПР) и систем автоматизации инженерного труда (САИТ) позволяют определить это направление как одно из наиболее результативных. В настоящее время накоплен большой опыт создания САПР и систем автоматизации инженерного труда. Разрабатываются интегрированные САПР, включающие в свой состав подсистемы: моделирования, поддержки принятия решений, самоорганизации, адаптации, обучения, экспертные системы. Системы автоматизации проектирования и производства в масштабах предприятия за рубежом принято определять как CAD/CAM/CAE-системы. Функции автоматизированного проектирования принимают на себя CAD (Computer Aided Design) – системы, системы САМ (Computer Aided Manu Facturing) служат для технологической подготовки производства, а модули САЕ (Computer Aided Engineering) выполняют инженерные расчеты и анализ проектных решений.

Актуальной задачей является по возможности более полная автоматизация трудоемких процессов, встречающихся при проектировании конструкций. Отсюда большое разнообразие систем автоматизированного проектирования на каждой из стадий создания объекта.

Классификация систем автоматизации проектирования
Классификация фиксирует место объекта в системе, которое указывает на его необходимые свойства или определяется свойствами. В связи с этим она служит средством хранения и поиска информации, содержащейся в ней самой. Классификация создает условия для разработки технически обоснованных норм обеспечения процесса создания, функционирования и стандартизации в области САПР.

САПР – систему как единое целое образует неразрывная связка “пользователи – технические средства – программное обеспечение проектирования”. Успешное взаимодействие этих элементов даст наибольший эффект от автоматизации, поэтому основные классификационные характеристики систем автоматизированного проектирования можно разделить на следующие группы [3]:

I. Общие характеристики, определяющие взаимодействие САПР как единого целого.

II. Программные характеристики, классифицирующие системы автоматизированного проектирования по отдельным особенностям программных решений.

III. Технические характеристики, определяющие особенности используемых в САПР средств вычислительной техники и периферийного оборудования.

IV. Эргономические характеристики, оценивающие эффективность взаимодействия пользователя с программно–техническими средствами САПР.

V. Экономический эффект от внедрения конкретной САПР.
I. Общие характеристики, определяющие САПР как единое целое.

1. Классификация по назначению систем:

• Машиностроительные – разработка широчайшего спектра изделий: от создания аэрокосмических систем до проектирования различных бытовых предметов.
• САПР изделий электронно-вычислительной техники – проектирование принципиальных и монтажных схем, печатных плат, интегральных микросхем, автотрассировка.
• Электротехнические – разработка принципиальных схем и схем подключения электротехнического оборудования, его пространственная компоновка, ведение баз данных готовых изделий.
• Архитектурные – трехмерное проектирование архитектурно-строительных конструкций, расчет специальных конструкций, типовые статические расчеты строительных конструкций, ведение баз данных стандартных элементов, планирование территорий под строительство.
• Оборудование промышленных установок и сооружений – создание принципиальных схем установок, пространственная разводка трубопроводов и кабельных трасс, проектирование систем отопления, водоснабжения, электроснабжения, вентиляции и кондиционирования, ведение баз данных оборудования, трубопроводной арматуры, готовых электротехнических изделий.
• Геоинформационные – оцифровка данных полевой съемки, анализ геодезических сетей, построение цифровой модели рельефа, создание в векторной форме карт и планов, ведение земельного и городского кадастров, ведение электронного картографического архива, и многие другие.

2. По уровню автоматизации проектирования различают САПР:

• низкоавтоматизированные, в которых число автоматизированных проектных процедур составляет до 25% от общего числа проектных процедур;
• среднеавтоматизированные (25% – 50% проектных процедур автоматизированы);
• высокоавтоматизированные (50% –75% проектных процедур автоматизированы). В таких системах обычно применяют методы многовариантного оптимального проектирования.

3. Классификация САПР по разновидности и сложности объектов проектирования:

• САПР низкосложных объектов (простых объектов), содержащих до 100 составных частей;
• САПР среднесложных объектов (100 – 10000 составных частей);
• САПР высокосложных объектов, содержащих до 10000 и выше составных частей.

4. По уровню комплексности САПР классифицируются:

• одноэтапные, выполняющие один этап проектирования из всех установленных для объекта;
• многоэтапные, выполняющие несколько этапов проектирования;
• комплексные, выполняющие весь процесс создания изделия.

5. По способу организации информационных потоков системы автоматизированного проектирования разделяются:

• индивидуальные автоматизированные рабочие места – системы подобного класса создаются на базе отдельных рабочих станций или ПК с соответствующим программным обеспечением, их еще называют локальными автономными системами автоматизированного проектирования. Такие системы решают отдельные частные задачи: конкретные проектно-конструкторские расчеты или определенные виды чертежно-графических работ. По существу локальные САПР являются подсистемами и входят в системы с более высоким уровнем иерархии.
• распределенная одноуровневая система – системы, объединенные в локальную сеть с несколькими рабочими станциями и/или персональных компьютеров (ПК). Функциональные возможности программного обеспечения в этом случае больше всего зависят от технических параметров используемых средств вычислительной техники и могут выполнять равноправные проектно-конструкторские функции. Базой для создания подобной сети может послужить, например, система Pro/ENGINEER фирмы РТС.
• распределенная многоуровневая система – системы, объединенные в локальную сеть с одной или несколькими рабочими станциями и ПК. Функциональные возможности программного обеспечения (ПО) в этом случае отличаются: на высокопроизводительных рабочих станциях устанавливаются мощные и достаточно дорогие САПР, а на ПК – их существенно более дешевые, но несколько сокращенные функциональные аналоги; в этом случае на рабочих станциях осуществляется укрупнение и сборка, деталей и узлов, сконструированных на ПК.
• специализированные интегрированные системы автоматизированного проектирования, в которых предусматривается полная автоматизация всех расчетных и чертежных работ, а также технологической подготовки производства. Кроме того, в них предусматривается полная или частичная автоматизация изготовления всей необходимой документации. Интегрированные САПР должны:

1) охватывать все этапы проектирования от ввода описания проектируемого объекта до получения проектно-технической документации (интеграция по глубине);

2) иметь на отдельных этапах альтернативные алгоритмы и программы, позволяющие формировать наиболее экономичные и достаточно адекватные математические модели в соответствии с конкретными условиями проектирования, выбирать различные математические методы для решения поставленной задачи (интеграция по ширине);

3) иметь систему управления проектированием, а также интегрированную базу данных;

4) быть приспособленными для тиражирования в различных проектных организациях.

• интегрированная многоуровневая система – системы автоматизированного проектирования, предназначенные для проектирования и подготовки производства сложных изделий, как правило, имеющие достаточно сложную внутреннюю иерархию информпотоков, наложенную на «запутанную» структуру технических и программных средств. Современные высокоуровневые САПР имеют все средства для организации параллельно-агрегатного инжиниринга, позволяющего управлять работой как отдельных исполнителей, работающих в рамках одного проекта, так и работой целых конструкторских отделов, решающих совершенно разные задачи.
• интегрированная система управления предприятием – системы, управляющие всем комплексом задач функционирования предприятия как единого целого. САПР в этом случае входят как отдельные структурные элементы автоматизированной системы управления предприятием.
• крупные системы отраслевого значения. Наиболее характерными отличительными особенностями их являются:

1) возможность решения определенного круга задач, возникающих при проектно-конструкторских работах с заданным классом объектов;

2) наличие отраслевой базы данных, создание которой, как правило, оказывается возможным на основе специализированного банка данных;

3) наличие единого проблемно-ориентированного языка проектирования, доступного соответствующим специалистам каждого предприятия отрасли;

4) отработка единой отраслевой автоматизированной технологии принятия проектных решений на основе отраслевой САПР (ОСАПР).

Разработка отраслевых САПР носит выраженную отраслевую специфику, что открывает возможность создания и развития инвариантного ядра. Это ядро можно представить как базовую систему автоматизированного проектирования (БСАПР), позволяющую генерировать САПР конкретных объектов.

Существенным достоинством отраслевого принципа БСАПР следует считать то обстоятельство, что создаваемые с ее помощью конкретные САПР будут построены в одном базисе, на единой методологической основе. Это обеспечивает возможность использования программного обеспечения различными САПР, обмена информацией между отдельными САПР, взаимной увязки проектных решений, распространения опыта специалистов внутри отрасли. Главным отличием БСАПР является качественно новый принцип ее функционирования, заключающийся в генерации промышленных САПР путем настройки базовых компонентов системы на конкретный класс проектируемых объектов с последующим их дополнением, обеспечивающим функциональную полноту конкретной САПР, что предопределяет ее высокую эффективность, надежное и быстрое внедрение на предприятиях отрасли. В этом случае даже относительно некрупная проектная организация с помощью БСАПР получает возможность использовать самые совершенные и современные методы и средства автоматизированного проектирования.

• уникальные системы межотраслевого характера, создаваемые для решения крупнейших народнохозяйственных задач. Такие системы, как правило, имеют короткий “жизненный” цикл, определяемый временем проектирования уникального изделия.

6. Характер и число выпускаемых проектных документов:

• по характеру выпускаемых проектных документов различают САПР [4]:

1) текстовые: выполняют только текстовые документы на бумажной ленте или листе;

2) текстовые и графические: текстовые и графические документы на бумажной ленте или листе;

3) на магнитных носителях: документы на магнитных носителях (магнитных лентах, дисках, дискетах и CD дисках);

4) на фото носителях: документы на микрофильмах, фотошаблонах и т. п.;

5) на 2-х типах носителей;

6) на всех типах носителей.

• По числу выпускаемых проектных документов:

1) САПР низкой производительности, выпускающие от 100 до 10 тыс. проектных документов;

2) САПР средней производительности, выпускающие от 10 тыс. до 100тыс. проектных документов;

3) САПР высокой производительности (100 тыс. и выше проектных документов). В различных отраслях вводятся различные количественные характеристики информации, определяющие производительность САПР.

По ГОСТу информация должна храниться как в твердом виде (на бумаге), так и на магнитном носителе (магнитная лента); срок хранения – 50 лет [2].
II. Программные характеристики, классифицирующие системы автоматизированного проектирования по отдельным особенностям программных решений.

1. По специализации программных средств:

• узкоспециализированные утилиты – предназначены для выполнения одной локальной функции системы, например, быстрого просмотра файлов моделей и чертежей или для преобразования файлов из формата одной системы в формат другой;
• специализированные системы – позволяют автоматизировать комплекс задач, связанных с одной достаточно узкой областью проектирования или подготовки производства. Дополнительно их можно разделить в зависимости от области применения и решаемых задач на следующие три группы:

1) программы для графического ядра системы;

2) системы для функционального моделирования на различных уровнях физического представления проектируемых объектов;

3) системы, для подготовки управляющих программ для технического оборудования.

Системы, используемые для анализа и оценки функциональных свойств проектируемых объектов, обычно отличаются высокой сложностью и стоимостью и охватывают широкий круг задач моделирования технических объектов. Специализированные программные системы могут использоваться как автономные самостоятельные системы, так и включаться в состав универсальных систем.

• универсальные системы – позволяют создавать изделия самого широкого профиля. Они предназначены для комплексной автоматизации производства. Универсальные системы можно разделить в зависимости в зависимости от их функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации системы на:
  1. системы низкого уровня обычно имеют ограниченный набор модулей. Как правило, системы низкого уровня эксплуатируются на недорогих ПЭВМ или дешевых рабочих станциях (PC);

б) системы среднего уровня имеют более широкий набор модулей, разрабатываемых в значительной мере фирмой – собственником системы. В большинстве случаев, системы среднего уровня используют геометрические моделлеры первого поколения с ограниченными возможностями параметрического моделирования и ассоциативности. Технической базой для таких систем являются обычно PC с ОС UNIX или ПЭВМ уровня графических рабочих станций;

в) наибольшими возможностями обладают полномасштабные системы. Обычно это сложные многофункциональные системы, в состав которых входит большой набор модулей различного функционального назначения. Типовой набор модулей включает: графическое ядро; широкий набор модулей для различных видов анализа; набор модулей для генерации управляющих программ; модули обмена данными в различных графических форматах (IGES, STEP, DXF, VDA-FS и др.); модули управления данными проекта в гетерогенной сети (PDM); собственная или коммерческая СУБД. Этот базовый набор модулей дополняется различными вспомогательными модулями, расширяющими возможности систем. Очень часто в состав универсальных систем включаются широко известные специализированные пакеты. Системы этого класса, как, правило, эксплуатируются на достаточно мощных графических рабочих станциях в среде ОС UNIX.

На практике в большинстве западных и отечественных фирм и предприятий в эксплуатации находится большое число разнообразных специализированных и универсальных систем CAD/CAM/CAE различных версий и в различной конфигурации. Очень часто в разных подразделениях организации используются различные системы, иногда это имеет место даже на уровне отдельных разработчиков.

• комплексные системы – предназначены для решения проблем проектирования и подготовки производства специальных высокосложных изделий.

2. По способу организации внутренней структуры САПР классифицируются:

• нерасширяемые системы – используют стандартный набор взаимосвязанных модулей, реализующий все основные функции системы; изменение функциональных возможностей системы требует, как правило, модификации исходного программного кода и перекомпиляции системы. Такой подход, в основном, применялся на первоначальном этапе создания САПР;
• масштабируемые модульные системы – формируемые вокруг базового ядра. Ядро таких систем включает все требуемые базовые средства построения двухмерной и трехмерной графики, средства диалога с пользователем, базу данных графической информации и позволяют компоновать специализированные системы на базе свободно подключаемых модулей, учитывающих специфику работ пользователя;
• горизонтально расширяемые системы. Интегрирующим ядром таких систем является диспетчер пользовательской среды, организующий доступ к внешним приложениям и обмен данными с внешними системами;
• объектно-ориентированная структура данных и стандартизованный их обмен между приложениями позволяет максимально децентрализовать процесс проектирования и упростить подключение специализированных модулей; такой подход, например, успешно реализован в системе Euclid Quantum фирмы MATRA Datavision.

3. По возможности функционального расширения системы пользователем САПР подразделяются на:

• закрытые системы, которые не имеют средств индивидуальной настройки и возможности расширения системы пользователем;
• системы с настраиваемой системой интерфейса пользователем – обладают возможностью подстройки системы меню, создания диалоговых окон для создания среды, удобной пользователю;
• системы с пакетной обработкой команд – имеют возможность выполнения последовательности команд в САПР, сформированных в текстовом пакетном файле, созданном внешней программой и позволяющие задавать последовательность команд построения графических примитивов с соответствующими им числовыми параметрами;
• системы со встроенным макроязыком и библиотекой функций – обладают средствами для записи макрокоманд или создания новых функций пользователя, позволяющих автоматизировать специфические конструкторские операции;
• системы с возможностью подключения внешних модулей – позволяют подключать модули пользователя, написанные на языках высокого уровня типа C++, что значительно увеличивает потенциальные возможности расширения системы. Большинство современных САПР высокого уровня обладают подобной возможностью. Инструменты разработчика САПР дают возможность, используя набор стандартных библиотек функций, создавать свои собственные приложения для САПР или даже собственные САПР. Инструменты могут включать как отдельные библиотеки функций типа OpenGL для работы с графическими объектами, так и целые интегрированные объектно-ориентированные инструментальные “производства” типа СAS. CADE фирмы MATRA Datavision.

Современные САПР в том или ином виде включают практически весь набор (за исключением инструментов разработчика) средств индивидуальной настройки и возможности расширения систем пользователем.
4. По возможности обмена информацией системы автоматизированного проектирования можно классифицировать как:

• замкнутые системы, которые сохраняют данные в своем собственном внутреннем формате и не позволяют обмениваться информацией с другими системами;
• системы с текстовыми файлами обмена информацией – сохраняют и считывают информацию об отдельных геометрических примитивах в виде массивов цифр, разделенных пробелами или запятыми;
• системы со стандартными средствами обмена информацией. Они позволяют сохранять и считывать полную информацию о созданных моделях изделий в специальном текстовом или двоичном формате, описывающем все объекты модели в специальных терминах описания графических примитивов соответствующими им числовыми значениям.

5. По способу создания изменяемых прототипов:

• неизменяемые готовые блоки – вставляются в модель или чертеж в виде готовых элементов, предварительно сохраненных на жестком диске. Элементы, программно формируемые во внешних модулях — создаются специальными программами в виде текстовых пакетных файлов с последовательностью команд построения объекта или стандартных файлов обмена информацией;
• параметрически задаваемые элементы – представляют собой графические объекты, размеры которых связаны между собой в виде взаимозависимых цепочек параметров. Изменение какого-либо одного из них или зависимости, определяющей взаимосвязь нескольких параметров, приводит к соответствующему пересчету по всей зависимой цепочке размеров и соответствующему изменению геометрии модифицируемого объекта;
• адаптивно изменяемые элементы – дают возможность несколько более простой корректировки объектов. Простым указанием курсора мыши на модифицируемые элементы геометрии объекта можно изменить форму контуров проектируемого объекта или задать в диалоговом окне новую величину определяющего параметра;
• комбинированные методы – сочетают адаптивную технологию быстрой корректировки свободных размеров и параметрическую технологию изменения взаимозависимых размеров. Это направление, в котором движутся большинство разработчиков САПР.

6. По методам моделирования функций создаваемых изделий:

• без специальных методов – в этом случае основные параметры проектируемых конструкций определяются вне системы традиционными методами, проверочные расчеты с использованием метода конечных элементов позволяют проводить широкий комплекс работ по определению основных характеристик проектируемого объекта;
• специализированные подсистемы моделирования – дают возможность анализировать поведение весьма специфических материалов и объектов проектирования в не менее особых условиях.

III. Технические характеристики САПР.

1. По используемым техническим средствам и периферийному оборудованию систем автоматизированного проектирования можно классифицировать как:

• САПР минимальной конфигурации – монитор 14 – 15 дюймов, устройства ввода данных и позиционирования курсора (клавиатура, мышь), устройства вывода информации (матричный, струйный или лазерный (светодиодный) принтеры формата А4; устройства хранения информации (стриммер для резервного копирования данных));
• технически развитые САПР – один или несколько мониторов от 17 дюймов и выше, устройства ввода данных и позиционирования курсора («клавиатура, мышь»); дигитайзер (цифровой планшет) формата АО; сканер формата А1 – АО; устройства вывода информации (струйный или лазерный (светодиодный) принтер формата A3 – А4; один или несколько плоттеров формата AS – AO (перьевой, рулонный, струйный, лазерный или светодиодный)); устройства хранения информации (магнитооптические диски, RAID массивы, сменные ZIP—диски, перезаписываемые оптические диски).

2. По числу уровней технического обеспечения:

• одноуровневая: построена на основе ЭВМ среднего или высокого класса со штатным набором периферийных устройств, который может быть дополнен средствами обработки графической информации;
• двухуровневая: построена на основе ЭВМ среднего или высокого класса и одного или нескольких АРМ, включающих мини-ЭВМ, в качестве интеллектуальных терминалов – персональные ЭВМ;
• комплексные: строятся на основе ЭВМ среднего или высокого класса, которые объединяются в сеть и каждая из этих ЭВМ имеет подсеть персональных ЭВМ.

3. По используемым средствам вычислительной техники:

• персональные компьютеры;
• рабочие станции на базе разнообразных архитектур;
• мини-ЭВМ;
• мэйнфреймы.

4. По способу объединения технических средств:

• автономные рабочие станции;
• многотерминальные ЭВМ;
• одноранговая локальная сеть;
• локальная сеть с выделенным сервером;
• гетерогенная сеть со сложной структурой.

Реально во многих случаях в эксплуатации находятся неоднородные или гетерогенные системы. В связи с этим часто используют модули прямой связи между известными системами CAD/CAM/CAE, например, CATIA-CADDS, CADDS-CATIA, I/EMS-MEDUSA, MEDUSA-I/EMS и другие. Использование прямых трансляторов позволяет более полно использовать графические возможности систем.

Тем не менее, для современных интегрированных систем этого уже недостаточно, поскольку не поддерживаются следующие особенности современных систем CAD/CAE/CAM, представляющие наибольший интерес с точки зрения пользователя: повсеместный переход к твердотельному моделированию с использованием вариационной геометрии с ассоциативными связями, как развитию параметрического и геометрического моделирования; распространение ассоциативных связей на все уровни проекта, включая сборочные единицы, расчетные модули системы, технологическую подготовку производства; обеспечение горизонтальной и вертикальной интеграции и сбалансированности модулей в рамках единой системы; наличие средств поддержки параллельного проектирования и методов коллективной работы.

Неоднородность прикладного программного обеспечения усугубляется гетерогенностью инструментальной базы систем CAD/CAM/CAE, к которой можно отнести системные программно-аппаратные средства, включая средства организации локальных вычислительных сетей, и системы управления базами данных. В этих условиях для отечественных предприятий (учитывая их низкий уровень в использовании современных информационных технологий) оказывается более простым переход сразу к единой базовой системе масштаба предприятия для информатизации всего производственного процесса на современном уровне. Для западных фирм эта задача осложняется большим объемом наработок в устаревшей дискретной технологии информатизации, когда имеет место частичная автоматизация узких мест с использованием большого набора разнообразных CAD/CAE/CAM систем. Переход к единой базовой системе, что необходимо для полной информатизации, для них связан с большими материальными затратами, сложностью переобучения персонала и другими проблемами.
IV. Эргономические характеристики классификации систем автоматизированного проектирования.

1. По способу организации диалога системы автоматизированного проектирования с пользователем САПР классифицируются:

• с помощью командной строки;
• с помощью системы иерархических меню и диалоговых окон с контекстно зависимой помощью в виде текстовых строк или в виде условных пиктограмм;
• с помощью объектно-ориентированного интерфейса и мультимедийной системы помощи.

2. По удобству диалога системы с пользователем:

• САПР с интуитивно-простым и удобным пользовательским интерфейсом;
• САПР со сложными неудобным пользовательским интерфейсом.

3. По поддержке трехмерного моделирования:

• двумерные системы;
• трехмерные каркасные;
• трехмерные с удалением скрытых линий;
• трехмерные со светотеневой раскраской;
• трехмерные с фотореалистическим отображением.

V. Экономический эффект от внедрения конкретной САПР.
Назначение системы автоматизированного проектирования (САПР) изделий можно сформулировать очень коротко: обеспечение безошибочного проектирования и подготовки производства изделий в кратчайшие сроки и с минимальными затратами.

Минимальная стоимость комплекса САПР, автоматизирующего все этапы подготовки производства на предприятии, достигается применением систем трех уровней функциональных возможностей и, соответственно, цен. Практический смысл трехуровневой классификации САПР состоит в общей оценке ожидаемого экономического эффекта от внедрения конкретной САПР [6]:

1. системы нижнего уровня предназначены для автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, подготовки управляющих программ для 2.5-осевого оборудования с ЧПУ “по электронному чертежу”. То есть для сокращения сроков выпуска документации, что позволяет сократить время разработки проектов, но не гарантируют проектировщиков от ошибок даже при полном соответствии документации ЕСКД и ЕСТД. Поэтому экономический эффект таких систем зависит от квалификации и размера зарплаты конструктора или технолога и от их навыков использования САПР;
2. системы среднего уровня позволяют создать объемную модель изделия, по которой контролируется взаимное расположение деталей, определяются инерционно-массовые, прочностные и прочие характеристики, моделируются все виды ЧПУ-обработки, отрабатывается внешний вид по фотореалистичным изображениям и выпускается документация. Кроме того, обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота. Экономический эффект состоит в многократном сокращении затрат на доводку опытных образцов изделий в результате исключения ошибок при проектировании;

системы высшего уровня, кроме перечисленных функций, дают возможность конструировать детали с контролем технологичности и учетом особенностей материала (пластмасса, металлический лист), моделировать работу механизмов, проводить динамический анализ сборки с имитацией сборочных приспособлений и инструмента, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки), что исключает брак в оснастке и изготовление натурных макетов, то есть значительно уменьшает затраты и время на подготовку производства изделия.

Заключение

Рассмотренные в данной работе виды классификаций не единственные, но являются основными. Самой удобной для пользования является вторая классификация САПР, т.к. в ней САПР рассматривается с нескольких точек зрения.

В общем смысле классификация – это система соподчиненных понятий, часто представляемая в виде различных схем, таблиц и используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов, а также для точной ориентировки в многообразии понятий или соответствующих объектов. Классификация создает условия для разработки технически обоснованных норм обеспечения процесса создания, функционирования и стандартизации в области САПР, но теория автоматизации проектирования непрерывно развивается. Появляются новые технические и программные средства ЭВМ, комплексные САПР, поэтому существующие схемы классификации САПР будут видоизменяться и совершенствоваться.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) благодаря быстродействию и надежности вычислительной техники, достоверности математических моделей и эффективным методам оптимизации позволяют не только ускорить разработку проектов, освободить инженеров и техников от выполнения рутинных процедур, но и сократить в целом продолжительность создания новых машин и аппаратов, повысить показатели их качества.

Автоматизация проектно-конструкторских работ и создание САПР являются одним из основных направлений развития научно-технического прогресса на современном этапе и связаны с повышением эффективности процессов разработки технических изделий.
Список использованных источников

1) Корсаков В.С. Автоматизация проектирования технологических процессов в

машиностроении. – М.: машиностроение, 1985. – 304с., ил.

2) http://andreeva-galin.narod.ru/ktop1.htm.

3) http://kinderwood.narod.ru/sapr.pdf.

4) http://sapr.mgsu.ru/biblio/ibm/contents/obsved.htm#Классификация.

5) http://sapr4.narod.ru/topic/classify.htm.

6) http://vip-istok.ru/ensys/Inf/Vibor_SAPR/Klassiv_Sistem.shtml.

Министерство
образования Республики Беларусь

Белорусский
Государственный Университет

Информатики
и Радиоэлектроники

РЕФЕРАТ

по дисциплине

Разработка систем автоматизированного
проектирования изделий радиоэлектроники

«Технологическая подготовка производства с использование автоматизированных систем и проектирование технологических процессов»

Выполнил: Проверил:

студент
гр.702322с к.т.н. доц. Цырельчук И. Н.

Минич В.А.

Минск 2009

Содержание

Содержание 2

Введение 3

1
Автоматизированные системы технологической
подготовки производства 4

1.1 Основные
положения и принципы работ технологической
подготовки производства 4

1.2
Содержание и иерархия работ ТПП 5

2
Проектирование технологических
процессов 9

2.1 Общая
постановка задачи 9

2.2 Функции
и проблемы технологической подготовки
производства. Обеспечение технологичности
конструкции изделия 9

2.3
Классификация технологических
процессов 10

2.4
Содержание работ проектирования
технологических процессов 11

3
Методы и средства построения принципиальной
схемы технологического процесса
изготовления РЭС 13

3.1 Общая
постановка задачи 13

3.2
Итерационный алгоритм процесса
проектирования 16

3.3
Укрупненная схема технологического
процесса 18

3.4 Структура
принципиальной схемы 19

Список
использованных источников: 22

Введение

Современное
производство использует самый широкий
спектр технологий при изготовлении
деталей изделий. Это и традиционные
технологии (обработка материалов
резанием, штамповка, ковка, прокатка и
др.), и ряд новых (лазерная и плазменная
резка, высокоскоростное фрезерование,
литье пластмасс в горячеканальные формы
и др.).

Поэтому
технологическая подготовка производства
занимает особое место в цикле разработки
нового изделия. При современном уровне
развития информационных технологий
невозможно обойти стороной автоматизацию
этого процесса. Она значительно ускоряет
и упрощает технологическую подготовку.

Современный
инженер должен обладать исчерпывающими
знаниями по методике разработке
технологических процессов, а также по
проектированию принципиальных схем
технологических процессов, знать
классификацию методов автоматизированного
проектирования и суметь выбрать
оптимальный.

1 Автоматизированные системы технологической подготовки производства

1.1 Основные положения и принципы работ технологической подготовки производства

Технологическая
подготовка производства
— следующий после проектирования этап
в цикле разработки нового изделия[1].

Данный
этап состоит в обеспечении технологической
готовности предприятия к выпуску
спроектированного изделия, при соблюдении
требований к качеству, срокам и объемам
выпуска, а также с учетом запланированных
затрат. Технологическая подготовка
производства (ТПП) включает:

• обеспечение технологичности изделия
  (включая технологичность конструкции
  изделия и технологичность выполнения
  работ при его изготовлении, эксплуатации
  и ремонте);

• разработку и внедрение технологических
  процессов (механообработки, сборки,
  штамповки, литья, термообработки и др.)
  для изготовления деталей и узлов
  изделия;

• проектирование и изготовление
  необходимого нестандартного оборудования
  и средств технологического оснащения
  (приспособлений, пресс-форм, штампов,
  специального режущего и мерительного
  инструмента);

• управление процессами ТПП.

Целью
ТПП является создание проекта
технологического процесса, его
технического обеспечения на основе
проекта изделия. Информация, полученная
на этом этапе, должна отвечать на вопрос:
как нужно изготавливать изделие, чтобы
оптимизировать технико-экономические
показатели деятельности предприятия,
его выпускающего. Эта информация создает
базис нормативно-технических данных,
необходимых для организации управления
предприятием. Поэтому от качества
информации, полученной на данном этапе
и отраженной в технологической
документации, в значительной степени
зависят эффективность производства и
качество продукции[2,3].

Проект
технологического процесса разрабатывается
как компромисс между требованиями
конструкции изделия и возможностями
производства. Поэтому уже на начальных
стадиях разработки проекта необходимо
вести отработку его на технологичность,
возможность реализации в конкретных
производственных условиях.

Объем
решаемых задач и специфика проектирования
технологических процессов определяют
большую трудоемкость и длительные сроки
проведения проектных работ на предприятии.
Для повышения эффективности проектных
работ — снижения стоимости и сокращения
времени проектирования — необходима
автоматизация технологического
проектирования на базе ЭВМ[4].

Методологической
основой создания систем автоматизации
технологического проектирования (САПР
ТП) на конкретных предприятиях является
комплекс государственных стандартов,
регламентирующих Единую систему
технологической подготовки производства
— ЕС ТПП[5-7]. В этих стандартах содержатся
общие правила и положения по организации
научно-технических разработок в области
технологической подготовки производства,
приемки и передачи их в производство,
определены стадии разработки документации
по организации и совершенствованию
технологического проектирования,
определены правила разработки технического
задания (ТЗ) на разработку АТК.

К
основопологающим принципам построения
АСТПП относятся следующие принципы:

1. Принцип системного единства. Элементы
   АСТПП должны разрабатываться как части
   единого целого, где функционирование
   элементов подчинено общей цели. Кроме
   того, должна обеспечиваться интеграция
   АСТПП с автоматизированной системой
   управления производством (АСУП).

2. Принцип декомпозиции. Разделение АСТПП
   на составляющие (подсистемы) должно
   быть выполнено по наиболее слабым
   организационным и информационным
   связям. Правильная декомпозиция
   уменьшает сложность системы и облегчает
   условия ее эксплуатации.

3. Принцип модульности. Все компоненты
   АСТПП должны представлять собой
   логически независимые модули, которые
   могут использоваться как в автономном,
   так и в комплексном режиме.

4. Принцип совместимости. Все компоненты
   АСТПП должны обеспечивать возможность
   их совместного функционирования. Это
   требует их организационной, информационной
   и программной совместимости.

5. Принцип открытости. На этапе создания
   АСТПП невозможно предусмотреть все
   нюансы и перспективы дальнейшего
   развития производства. Поэтому АСТПП
   должна быть открыта для модернизации
   и включения в нее новых решений.

6. Принцип стандартизации. В АСТПП должно
   быть использовано максимальное число
   унифицированных, типовых и стандартных
   решений. Это уменьшает затраты на
   создание АСТПП, повышает надежность
   ее функционирования.

7. Принцип эргономичности. Так как АСТПП
   является человеко-машинной системой,
   следует предусматривать удобство
   работы ее пользователей (правильное
   разделение функций, удобство и простоту
   интерфейсов, учет психологических
   факторов и др.).

8. Принцип ориентации на новые достижения.
   При создании АСТПП должны использоваться
   последние научно-технические достижения
   в области методов построения АСТПП, в
   области методов и средств технологической
   подготовки производства, а также в
   области организации производства.

Реферат: Основы систем автоматизированного проектирования

Основы систем автоматизированного проектирования

1. Проектирование. Типовая логическая схема проектирования

1.1 Основные определения процесса проектирования

Проектирование – процесс, позволяющий провести некую техническую идею до её инженерной модели. Результатом этого процесса является проект, который представляет из себя, как правило, графическую часть (чертежи, схемы) и пояснительную записку (описание назначения изделия, функции, технические характеристики и т.д.).

Алгоритм проектирования – совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования. Алгоритм проектирования может быть общим (для определенного класса объектов) и специальным (для одного объекта). Под выполнением проектирования понимается нахождение результата проектирования.

Результат проектирования – проектное решение (совокупность проектных решений), удовлетворяющее заданным требованиям, необходимое для создания объекта проектирования. В заданные требования должны быть включены требования к форме представления проектного решения.

Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Типовое проектное решение – уже существующее проектное решение, используемое при проектировании.

Цель процесса проектирования состоит, прежде всего, в том, чтобы на основе исходной информации, получаемой в процессе проектирования, разработать техническую документацию для изготовления объекта проектирования. Проектирование включает в себя разработку технического задания (ТЗ), отражающего потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Проектирование, по существу, представляет собой процесс управления с обратной связью. Техническое задание формирует входы, которые сравниваются с результатами проектирования, и если они не совпадают, цикл проектирования повторяется вновь до тех пор, пока отклонение от заданных технических требований не окажется в допустимых пределах.

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 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.

1.2 Системы проектирования

Процесс проектирования осуществляется системой проектирования, т.е. совокупностью взаимодействующих друг с другом проектировщиков и необходимых для проектирования технических средств.

Система – совокупность элементов, объединенных единством цели и иерархией взаимоотношений. Частью системы может быть элемент или другая система (подсистема). В технике рассматриваются сложные технические системы (стс). Понятие сложности определяется наличием подсистем (п/с) различной физической природы. Каждая подсистема может выполнять свою подцель, но в результате все они работают на единую цель всей системы.

По существу, системы проектирования могут рассматриваться как сложные человеко-машинные многоконтурные, многомерные системы управления с обратной связью, требующие сбора, передачи, переработки и использования информации для достижения цели проектирования. Они должны быть подчинены тому или иному критерию оптимизации, например, критерию наименьшей продолжительности или максимального быстродействия при ограниченных затратах, или критерию быстрейшей окупаемости спроектированной системы и т.д.

Вначале термин «автоматизация проектирования» применялся во всех тех случаях, когда ЭВМ использовали для расчетов, связанных с проектированием. Но сейчас этот термин приобрел более специфический смысл, относящийся к интерактивным системам, в которых проектировщик и ЭВМ при решении задач проектирования взаимодействуют друг с другом. При помощи автоматизации проектирования результаты проектирования объектов, в которых использовались новые идеи и технические средства, могут быстро сообщаться проектировщику в удобной для него форме. Благодаря этому за короткий промежуток времени можно глубоко проникнуть в суть проблем, связанных с проектированием. Автоматизация проектирования также позволяет создавать необходимую документацию и проверять полученные результаты. Таким образом, сегодня речь идет о создании, так называемых, интеллектуальных человеко-машинных систем, в рамках которых возможно выполнение всего цикла проектных работ, начиная от научных исследований и кончая изготовлением конструкторской и технологической документации, а в ряде случаев – макетов или опытных образцов. Причем, «интеллектуальность» таких систем определяется тем, в какой степени эта система способствует раскрытию и использованию интеллектуальных возможностей человека, его знаний и опыта как специалиста, освобождая его от механической и нетворческой работы.

Проектирование – это комплекс работ по исследованию, расчетам и конструированию нового изделия или нового процесса. В основе проектирования лежит первичное описание – техническое задание.

Различают следующие системы проектирования: неавтоматизированное проектирование и автоматизированное проектирование.

Процесс проектирования, осуществляемый человеком вручную (без использования ЭВМ), называют неавтоматизированным проектированием

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным проектированием.

Необходимо выделить понятие автоматического проектирования, которое остаётся для выполнения отдельных вычислительных операций, процедур, выполняемых средствами вычислительной техники согласно заложенным в них программам.

Т.о. автоматическим проектированием называют проектирование, при котором все преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования осуществляются без участия человека. Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов.

1.3 Стадии и этапы проектирования

Согласно стандарту выделяют следующие стадии проектирования:

1. Предпроектное исследование (выполняет заказчик). Здесь выполняется анализ потребностей внешней среды (ВС) в новом изделии, также ведется поиск возможного аналога, т.е. может быть сделан вывод о необходимости модернизации существующего изделия. Результатом является документ ИТ (исходные требования ), в котором отражается информация о наличии и характеристиках изделия.

2. Разработка технического задания (ТЗ). Вообще ТЗ также должен разрабатывать заказчик на основе собственных ИТ. ТЗ содержит основные характеристики изделия: габариты, вес, энергопотребление. В составе ТЗ производится уточнение структур, функций, режимов работы будущего изделия, описываются требования к дизайну, экономическим показателям. Иногда ТЗ требует уточнения исполнителем.

3. Разработка предложения технического (ПТ)(уточненного ТЗ). Уточненное ТЗ или ПТ разрабатывает исполнитель проекта, где отражает свое видение проблемы. Результатом является документ УТЗ, который подписывается исполнителем и заказчиком. Пункты 2 и 3 могут находиться в итерации. Бывает, что на этом процесс заканчивается, если исполнитель заказывает невозможное.

4. Эскизное проектирование (ЭП). Выполняется на основе УТЗ. Здесь моделируются отдельные принципиальные узлы будущего изделия, отрабатываются математические модели поведения. Анализируется и доказывается реальная возможность создания будущего изделия. Проводятся многовариантные испытания, часто строятся физические модели. Результатом стадии ЭП являются уточненные технико-экономические характеристики будущего изделия, принципиальный состав узлов, детализованные проработки важнейших составных частей (схемы, чертежи), ПЗ, возможно макеты. В отдельных случаях процесс проектирования может быть закончен, прерван за бесперспективностью (отрицательный результат), либо продолжен.

5. Техническое проектирование (ТП). Здесь прорабатываются полностью все компоненты изделия: дизайн корпуса, разрабатываются все части проекта. ТП содержит результаты полной параметрической оптимизации, все чертежи, схемы узлов, полное описание функционирования изделия, описание режимов работы. Результат, как правило, опытный образец изделия. Принимается решение заказчиком о возможности передачи в серийное производство. При положительном решении заказчика начинается разработка рабочего проекта (РП).

Результат – полная конструкторская документация и, как правило, опытный образец.

Проектная организация может завершить работу на стадии ТП, передав документацию заказчику, который передает в производственные предприятия (размещает заказ), где тех. проект доводят до рабочего проекта (РП).

6. Рабочее проектирование (РП). Рабочий проект – полный комплекс документов для промышленного выпуска (массовый выпуск изделия).

Этапом проектирования называют часть стадии, включающая разработку одного или нескольких аспектов будущего изделия.

1.4. Подходы к конструированию на основе компьютерных технологий.

Можно выделить два подхода к конструированию на основе компьютерных технологий. Первый подход базируется надвухмерной геометрической модели – ГМ и использовании компьютера как электронного кульмана, позволяющего значительно ускорить процесс конструирования и улучшить качество оформления конструкторской документации. Центральное место в этом подходе к конструированию занимает чертеж, который служит средством графического представления изделия, содержащего информацию для решения графических задач, а также для изготовления изделия. Так, с помощью вычислительной техники облегчаются:

1) оформление конструкторских документов, насыщенных изображениями стандартных, типовых, унифицированных составных частей, (например электрических и других принципиальных, функциональных схем, печатных плат, модулей, приборов, электронных блоков, стоек, шкафов, пультов и т.д.);

2) разработка текстовых документов (спецификаций, перечней элементов и др.).

В основе второго подхода лежит компьютернаяпространственная геометрическая модель (ПГМ) изделия, которая является более наглядным способом представления оригинала и более мощным и удобным инструментом для решения геометрических задач. Чертеж в этих условиях начинает играть вспомогательную роль, а методы его создания основаны на методах компьютерной графики, методах отображения пространственной модели.

2. Системы автоматизации подготовки производства, управления производством, технической подготовки производства

2.1 CAD/CAM системы

CAD/CAM системами на западе называют то, что в России принято называть аббревиатурой САПР, то естьСистемы Автоматизированного Проектирования. Впервые термин СAD прозвучал в конце 50-х гг. прошлого века в Массачусетском технологическом институте в США. Распространение эта аббревиатура получила уже в 70-х гг. как международное обозначение технологии конструкторских работ. С началом применения вычислительной техники под словом CAD подразумевалась обработка данных средствами машинной графики. Однако этот один термин не отражает всего того, что им иногда называют. Например, САПР могут предназначаться для: черчения, для прочерчивания (эскизирования) или и для того, и для другого сразу. Многие системы САПР выполняют существенно больше функций, чем просто черчение и конструирование. Как правило, современные САПР, включают:

CAD – Computer Aided Design, или Computer Aided Drafting (проектирование и конструирование с помощью ЭВМ или черчение с помощью ЭВМ). САПР конструктора.

CAM – Computer Aided Manufacturing. (автоматизированные системы технологической подготовки производства). САПР технолога.

САЕ – Computer Aided Engineering (инженерные расчёты с помощью ЭВМ, исключая автоматизирование чертёжных работ). Проведение всех необходимых расчетов в процессе анализа выполненной конструкции. Иногда этот термин использовался как понятие более высокого уровня – для обозначения всех видов деятельности, которую инженер может выполнять с помощью компьютера.

PDM – ProductDataManagement (управление проектными данными). Предполагает полную информационную поддержку производства. Эксплуатация, рекламация, статистика поведения изделия (сопровождение изделия)

Чаще всего говорят о системахCAD/CAM/CAE/PDM.

Использование систем автоматизированного проектирования позволяет не только снизить трудоёмкость, временные и денежные затраты, но освободить человека от большого количества однообразной работы, например, от оформления большей части документопотока.

CAD/CAM-системы находят применение в широком диапазоне инженерной деятельности, начиная с решения сравнительно простых задач проектирования и изготовления конструкторско-технологической документации и, кончая, задачами объёмного геометрического моделирования, ведением проекта, управления распределенным процессом проектирования и т.п.

2.2 Комплексные автоматизированные системы

АСП – Автоматизированная Система Планирования – здесь выполняется планирование выпуска изделий

АСНИ – Автоматизированная Система Научных Исследований – здесь выполняется исследовательская часть конструкторских и технологических работ с использованием ЭВМ. Разработка, исследование новых принципов работы изделий, поиск и анализ мировых аналогов. Основные виды работ: математическое моделирование, натурные исследования, (например, создание электромобиля – проводится анализ электродвигателя).

САПР (CAD) – Система Автоматизированного Проектирования – совокупность увязанных друг с другом моделей проектных процедур, образующих логическую схему построения объекта (проекта) на основе математических методов, информационных данных и средств ВТ.

АСТПП (CAM) – Автоматизированная Система Технологической Подготовки Производства – заключается в разработке технологии: выбор заготовки, определение технологических переходов (операций), выбор оборудования, инструмента, оснастки, вплоть до управляющих программ для станков с ЧПУ.

Ввиду большой связанности процесса САПР и АСТПП многие современные системы автоматизации охватывают весь процесс, такие системы называются CAD/CAM системы (Unigraphics)

АСУП (PDM) – Автоматизированная Система Управления Предприятием – необходима для автоматизации организационного управления на предприятии. Анализ деятельности предприятия, планирование, диспетчирование, учет, контроль. Автоматизация работ управленческого персонала. Управление финансами; управление запасами (складским хозяйством); управление снабжением (статистика закупок, контракты на закупку); маркетинг (статистика и анализ реализации, контракты на реализацию, прогноз, реклама).

АСУ ТП – Автоматизированная Система Управления Технологическим Процессом. Функциями АСУТП являются сбор и обработка данных о состоянии оборудования и протекании производственных процессов для принятия решений по загрузке станков, выполнению технологических маршрутов. Программное обеспечение АСУТП на этих уровнях представлено системой диспетчерского управления и сбора данных, называемой SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), а техническое обеспечение – персональными ЭВМ и микрокомпьютерами, связанными локальной вычислительной сетью. Для систем АСУТП характерно использование программируемых логических контроллеров (ПЛК или PLK – Programmed Logic Controller), – компьютеров, встроенных в технологическое оборудование, управляющая и вычислительная машина одновременно.

На уровне управления технологическим оборудованием в АСУТП выполняются запуск, тестирование, выключение станков, сигнализация о неисправностях, выработка управляющих воздействий для рабочих органов программно управляемого оборудования. Для этого в составе технологического оборудования используются системы управления на базе встроенных контроллеров.

3. Системы автоматизированного проектирования. Структура и разновидности САПР

3.1 Концепция формирования САПР, как инструмента для разработки объекта

Согласно определению, рекомендуемому ГОСТом, САПР- это комплекс программно-технических средств автоматизированного проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов, выполняющих проектирование.

Т.о., САПР – система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования.

Целью создания САПР некоторого класса изделий является обеспечение полноты всех функций по проектированию, необходимых пользователю для получения проекта.

Конкретная САПР предназначена для решения задач в определенной предметной области (например, САПР печатных плат).

При разработке САПР выполняются следующие процедуры:

1. Проводится поиск в БД конструкторской документации известных проектных решений, аналогов изделия (проекта);

2. При необходимости проводится создание новой конструкции изделия (инженерный синтез);

3. Проводится анализ разработки на соответствие заданным требованиям (инженерный анализ);

4. Формируется конструкторская документация.

Общая схема:

Поиск синтезанализвыпуск проектной документации

Синтез и анализ могут повторяться.

3.2 Разновидности САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков.

– По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения (машиностроительные САПР).

2. САПР для радиоэлектроники (ElectronicCAD) системы.

3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Например, САПР больших интегральных схем, САПР летательных аппаратов, САПР электрических машин, и т.д.

– По целевому назначению различают САПР (или подсистемы САПР), обеспечивающие разные аспекты проектирования. Так, в составе машиностроительных САПР появляются CAE/CAD/CAM системы:

1. конструкторские САПР общего машиностроения, часто называемые просто CAD (Computer Aided Design) – системами (проектирование и конструирование).

2. технологические САПР общего машиностроения, иначе называемые автоматизированными системами технологической подготовки производства или системами CAM (ComputerAidedManufacturing).

3. САПР функционального проектирования, или CAE(ComputerAidedEngineering) системы (инженерные расчеты). Проведение всех необходимых расчетов в процессе анализа выполненной конструкции.

4. САПР информационной поддержки производства PDM (ProductDataManagement) системы (управление проектными данными).

– По масштабам(комплексности решаемых задач) различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР (например, комплекс анализа электронных схем); системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного, но и технического обеспечений.

– По характеру базовой подсистемы – ядра САПР:

1) САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов.

2) САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных.

3) САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы.

4) Комплексные (интегрированные) САПР. Состоят из совокупности подсистем предыдущих видов.

Системы Автоматизированного Проектирования (САПР) – совокупность методов автоматизированного проектирования, средств их реализации (программных, технических, информационных и др.), а также специалистов, ими владеющих.

4. САПР как сложная система

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем.

Структурными составляющими САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами системы 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 функциональные (проектирующие) и обеспечивающие (обслуживающие) .

Функциональные подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами функциональных подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обеспечивающие подсистемы предоставляют необходимые ресурсы для работы функциональных подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР.

Типичными обеспечивающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, управления процессом проектирования, пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided SoftwareEngineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

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.

4.2 Обеспечение САПР – виды, назначение

Структурное единство подсистем САПР обеспечивается строгой регламентацией связей между различными видами обеспечения, объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией.

Согласно видам обеспечения выделяют соответствующие обеспечивающие подсистемы (ОП).

Принято выделять 7 видов обеспечения:

– математическое;

– программное;

– информационное;

– лингвистическое;

– техническое;

– инструктивно-методическое;

– организационно-технологическое;

Математическое обеспечение (МО) – совокупность математических моделей, методов решения, алгоритмов для решения задач САПР, а также совокупность специалистов, владеющих этими методами или способных разработать новые методы.

Лингвистическое обеспечение (ЛО) – совокупность языков, используемых для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования.

Программное обеспечение (ПО) – совокупность программ на машинных носителях и соответствующей документации, реализующих задачи САПР. ПО делится на общесистемное, базовое и прикладное. Общесистемное – ОС, оболочки и среды (не отражают спецификации САПР). Базовое ПО – мониторная система – комплекс программ, управляющих прикладным ПО. Прикладное ПО – обычно набор пакетов прикладных программ, предназначенных для реализации тех или иных проектных процедур.

Информационное обеспечение (ИО) – совокупность справочных данных, необходимых в данной предметной области. В БД хранится эта информация, которую можно записывать, а затем извлекать. Пополнение БД выполняется специалистами при обслуживании САПР.

Техническое обеспечение – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств для ввода, хранения, переработки, передачи программ и данных.

Инструктивно-методическое обеспечение (ИМО) – совокупность документов, характеризующих состав, функционирование и правила эксплуатации САПР (содержит последовательную методику решения задач проектирования и использования пакета).

Организационно – технологическое обеспечение (ОТО) – совокупность документов, включающих положения, квалификационные требования, штатные расписания, инструкции, приказы и т.д. ОТО регламентирует взаимодействие проектной организации с комплексом средств автоматизированного проектирования.

Функционирование САПР возможно только при наличии и взаимодействии всех перечисленных обеспечивающих подсистем.

5. Математическое Обеспечение САПР

5.1 Состав и функции МО САПР

Математическое обеспечение(МО) включает в себя математические модели (ММ), методы и алгоритмы, необходимые для выполнения автоматизированного проектирования.

Математическое обеспечение САПР реализуется в виде программ и сопровождающей документации. На основе математического обеспечения решаются все задачи в САПР: постановка проблемы, организация вычислительного процесса и диалога человек – ЭВМ, анализ, синтез, техническое проектирование и т.д. Математическое обеспечение САПР делят на две основные составляющие: обслуживающую (общую) и проектирующую (специальную).

Обслуживающая составляющая математического обеспечения САПР содержит средства:

o описания графических образов, накопления библиотек типовых изображений, редактирования, преобразования, называемые математическими средствами машинной графики;

o обработки информационных массивов – методы сортировки, поиска элементов, преобразования структур и поиска данных;

o обеспечения вычислительного процесса САПР;

o сбора статистики параметров получаемых решений.

Количество частей обслуживающей составляющей математического обеспечения САПР увеличивается вместе с прогрессом теории и практики САПР.

Проектирующая или специальная составляющая математического обеспечения САПР содержит средства решения прикладных задач, на которые ориентирована САПР. Решение прикладных задач основывается на математическом моделировании объектов проектирования.

5.2 Общая модель объекта проектирования

Исторически известны два метода исследования: экспериментально – наблюдательный и теоретико – логический. Однако в САПР и кибернетике в целом, используют третий метод – моделирование. По сути это метод экспериментально–наблюдательный, но эксперименты проводятся не с реальным объектом, а с его моделью, которая проще и доступнее чем объект.

Модель – это система математических зависимостей, алгоритм или программа имитирующие структуру или функции исследуемого объекта. Модель в процессе изучения замещает объект оригинал, сохраняя его наиболее важные черты. Моделирование – представление различных характеристик поведения физической или абстрактной системы с помощью другой системы.

В САПР модели представляют в виде алгоритмов решения задач, а затем – в виде программ. Модели сложных объектов расчленяются на частные подмодели, разбиваются на более простые, отражающие отдельные стороны функционирования объекта (т.е. подвергаются декомпозиции на частные модели). Каждая частная модель представляет собой некоторое математическое преобразование (5.2.1.):

где Z = {zi, i =1..k} – совокупность выходных параметров модели;

F – оператор (модель) преобразования (F – функция от входных переменных);

Вектор Х = {xi, i =1..n}– совокупность внешних параметров, приходящих из модели более общей системы;

Вектор Y ={yi, i =1..m} – совокупность входных управляемых параметров модели, которыми может оперировать конструктор в процессе проектирования. Управляемые входные параметры могут меняться в заданных пределах, т.е. на них накладываются так называемые параметрические ограничения:

{yi н ≤ yi ≤ yi в, i=1..m} (5.2.2.)

yi н и yi в – нижний и верхний пределы;

Математическое обеспечение САПР включает в себя математические модели и методики построения математических объектов проектирования и алгоритмов их решения. Методы МО используются для формализованного представления объекта проектирования в виде математических моделей, а методики и алгоритмы – при реализации конкретных алгоритмов решения задач проектирования с использованием математических моделей.

В дальнейшем по мере развития системы САПР математическое обеспечение будет пополняться новыми, необходимыми для описания процесса и объектов проектирования методами, методиками и алгоритмами.

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:

{Qj H ≤ Qj (X, Y) ≤ Qj B, j=1..p} (5.3.1.)

где Qj (X, Y) – некоторая функция от параметров модели, называемая критерием качества модели (оценка характеристик изделий, например по стоимости, по помехозащищённости и др.); Qj H. и Qj B – нижний и верхний пределы.

Qj (X, Y0)→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:

{zi н ≤ zi ≤ zi в, 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.

5.4 Задачи структурного и параметрического синтеза

Общая постановка задачи структурного и параметрического синтеза.

Результирующее проектное решение (при конструкторском проектировании) ищется на множестве структур А, которые способен создать проектировщик, а также на множестве варьируемых параметров Y. Здесь А и Y образуют множество альтернатив, на которых ищутся решения. Тогда общая форма задачи синтеза ставится так:

Поиск при заданных ограничениях

для достижения экстремума функции.

Таким образом, техническое решение представляет собой некоторую структуру и, найденную на множестве структур и параметров, отвечающих ограничениям в среде функционирования Х.

Процедуры структурного и параметрического синтеза.

Процедуры синтеза выполняются на основе математической модели, являющийся математическим аналогом проектируемого объекта. Степень адекватности (соответствия) модели реальному (будущему) объекту определяется начальной постановкой. Процедуры синтеза и анализа итерационны и образуют два вложенных цикла:

– внешний – структурный цикл;

– внутренний – параметрический цикл.

Vп, Vс – вариация пар (структур).

Процедура выбора заключается в выборе некоторых данных для отобранной структуры, на основе чего и строится математическая модель. Основными показателями при реализации цикла является показатель модели, т.е. время реализации одного модельного эксперимента по расчету критериальных показателей при заданном векторе варьируемых параметров. Это модельное время.

Используются различные методы для варьирования значений параметров, в том числе:

а) полный перебор (сканирование), при котором задается верхние и нижние значения параметров и задается ∆yi

б) метод случайного поиска.

Внешний цикл – это перебор структур, часто он делается вручную.

Точка 1 – выход – найдено проектное решение.

Точка 2 – при неблагоприятном исходе, т.е. невозможности найти решение на обозримом числе структур в пределах заданного пространства поиска система выводит на точку 2 процедуру принятия решения. Здесь существует 2 альтернативы принятия решения:

1 альтернатива проектировщика: перенос ряда независимых параметров Х (внешних ограничений) в число варьируемых параметров Y;

2 альтернатива заказчика: уступки заказчика – снижение требований на ряд некоторых качественных характеристик

Если альтернатива 1 – это уступка нам со стороны смежных проектировщиков, то 2 – это уступка заказчика.

5.5 Задачи оптимизации

Задача повышения эффективности технологических и организационных систем (например: металлорежущего станка, автоматической линии, производства в целом) путём принятия обоснованных решений актуальна во всех областях деятельности человека. Количественная оценка эффективности может быть получена при заданной цели функционирования системы, с учётом ограничений на ресурсы, привлекаемые для достижения цели. При этом задача принятия решения ставится как задача выбора параметров системы, обеспечивающих максимизацию или минимизацию целевой функции. Последняя количественно определяет степень достижения цели – величину критерия оптимизации. В качестве критерия можно принять, например, себестоимость изделия (цель-минимизация), быстродействие машины или прибора (цель-максимизация) и другие показатели.

В процессе оптимизации, с учетом заданных условий, отыскиваются элементы решения, т.е. те параметры системы и показатели качества, которые зависят от выбора и приводят к отыскиванию оптимальных конструкций, технологических схем и др.

Всякая оптимизационная задача предполагает заданной целевую функцию – количественный показатель качества альтернатив выбора. Обычно в задачах оптимизации отыскивается экстремум интегрального показателя, который представляется одной функцией f(X) нескольких переменных, заданной в некоторой области допустимых значений переменных.

Наименьшее или наибольшее значения целевой функции из всех возможных в заданной области R называются глобальными экстремумами. Значение X, при котором достигается глобальный экстремум, называется точкой глобального экстремума. Локальный экстремум функции f(X) – значение f (Х°) этой функции такое, что для любого Х из R, близкого к Х° из R, справедливо f (Х°) ≥ f (X) (локальный максимум) или f (Х°) ≤ f (X) (локальный минимум).

Обоснованное применение количественных методов для принятия решений – оптимизацию поведения структур систем называют исследованием операций (ИСО). Здесь операция – комплекс целенаправленных действий.

Задача, рассмотренная выше, решается с применением математической модели системы, объединяющей упомянутые ограничения на ресурсы и целевую функцию. Нахождение величин упомянутых параметров системы (они входят в математическую модель как неизвестные) путём решения математической задачи называют математическим программированием. Математическое программирование – важнейшая область математики, ориентированная на широкое применение компьютеров.

В зависимости от характера целевой функции, а также ограничений могут использоваться различные методы оптимизации (математического программирования): линейное программирование, нелинейное программирование (хотя бы одна из функций нелинейна по X), целочисленное линейное программирование, динамическое программированиеи др.

5.6 Задачи линейного программирования

Одним из разделов математического программирования является линейное программирование. В моделях линейного программирования так называемая «основная задача» состоит в нахождении неотрицательного решения системы линейных уравнений или неравенств (ограничений), которое минимизирует или максимизирует линейную форму (целевую функцию). Математическая задача линейного программирования записывается в сокращённом виде следующим образом:

Геометрическая интерпретация задачи ЛП

Задача линейного программирования геометрически может быть проиллюстрирована следующим образом.

Пусть необходимо найти минимум целевой функции:

Переменные x1 и x2 должны быть неотрицательными.

Поэтому множество точек, являющихся возможными (допустимыми) решениями, может находиться в первом квадранте (см. рис. 4.6.1.). Неравенства–ограничения изображены в виде полуплоскостей, границами которых являются прямые (графики функций), полученные из неравенств путём отбрасывания знаков > ,<. Полуплоскости образуют выпуклый многоугольник (многоугольник решений – симплекс).

Линейная форма (линия уровня) для некоторого набора фиксированных значений переменной z представляет собой семейство параллельных прямых. Одна из них, которая пройдёт через вершину многоугольника «М», ближайшую к началу координат и даст минимум z (для координат вершины).

Графический способ решения (перемещение графика целевой функции по симплексу) приемлем только для двухмерных задач (задач на плоскости). Но геометрическое толкование задачи линейного программирования справедливо и для общего случая (m ограничений и n переменных). Каждое из соответствующих неравенству уравнений системы определяет некоторую гиперплоскость в n – мерном пространстве. Множество неотрицательных решений образует выпуклый многогранник в n – мерном пространстве. Линейная форма z -гиперплоскость, перемещая которую параллельно самой себе, будем получать множество точек пересечения её с выпуклым многогранником. Максимальное или минимальное значение линейной формы z достигается в точках, являющихся вершинами выпуклого многогранника.

В силу трудности решения задачи графическим способом в случае m ограничений и n>2 переменных применяют другие методы решения задачи ЛП. Наиболее распространённым и удобным является симплекс метод решения задачи ЛП.

Для решения задачи линейного программирования симплекс-методом применяется специальный аппарат формальных преобразований математической модели. Рассмотрим некоторые его положения. Пусть задана основная задача линейного программирования (см. (4.6.1.) и (4.6.2)). Введя в левую часть каждого неравенства добавочную переменную, преобразуем его в уравнение и перейдём к другой, стандартной форме записи:

При этом значения bi должны быть неотрицательными. В случае bi < 0 обе части уравнения умножают на» – 1». Заметим, что при максимизации z задача сводится к стандартной путём замены: max z = – min (– z ).

Систему (4.6.3) после несложных преобразований можно привести к виду:

Здесь bi  0. Коэффициенты при переменных < FONT> равны единице (+1). Данная система представлена в канонической форме записи. Если количество переменных превышает количество уравнений, то существует бесчисленное множество решений системы.

Пусть m < n. Разделим все переменные системы (4.6.4) на две части:

а) основные переменные, количество которых должно быть равно количеству линейно-независимых переменных (m);

б) неосновные переменные, количество которых будет равно n – m.

Назначим первые m переменных (x1, x2, …, xm ) в качестве основных. Тогда систему (4.6.4) можно решить относительно x1, x2, …, xm , если определитель m-го порядка, составленный из коэффициентов при переменных x1, x2, …, xm не равен нулю.

Придавая неосновным (независимым) переменным произвольные числовые значения, получим некоторое решение данной системы, причём каждому набору значений независимых переменных будет соответствовать одно определённое решение системы.

Основные (зависимые, несвободные) переменные будем называть базисными, неосновные (независимые, свободные) – небазисными переменными.

Можно составить бесчисленное множество различных наборов значений независимых переменных. Из всех этих решений в линейном программировании нас будет интересовать так называемые допустимые базисные решения.

Допустимое базисное решение системы линейных уравнений при m < n – это такое решение, в котором неосновным (независимым, небазисным) переменным даны нулевые значения, а значения базисных переменных являются неотрицательными (решение на грани или вершине симплекса ).

В теории линейного программирования доказывается, что если оптимальное решение задачи существует, то оно совпадает по крайней мере с одним из допустимых базисных решений.

Поиск и направленные переходы от одних допустимых базисных решений к другим с целью определения оптимального решения может быть выполнен численным методом. Один из них рассмотрим ниже.

Рассмотрим вычислительные и логические процедуры, обеспечивающие поиск решения задачи линейного программирования симплекс-методом. Процедуры поясняются в процессе решения конкретной задачи: найти совокупность значений, удовлетворяющих системе неравенств:

Таким образом, идея симплекс-метода преобразования модели заключается в таком интерактивном направленном переходе от одного допустимого базисного решения к другому, при котором последовательно улучшается значение линейной формы.

Симплекс-метод является наиболее распространенным универсальным методом. Существует несколько вариантов этого метода, рассмотрим один из них.

Необходимо предварительно выполнить следующие этапы:

– привести математическую модель к каноническому виду;

– определить начальное допустимое базисное решение задачи;

Пример:

L=3×1 +2×2 ®max

x1 -x2 £2,

2×1 +x2 £6,

x1, x2 ³0

Приведем заданную модель к каноническому виду, введя свободные переменные x3 и x4, превращающие неравенства в равенства. Переменные x3 и x4 входят в уравнение с коэффициентом единица и только один раз:

L=3×1 +2×2 ®max

x1 -x2 +x3 =2,

2×1 +x2 +x4 =6,

xj ³0

где x3, x4 — дополнительные переменные, x1, x2 — свободные переменные, A3, A4 — начальный базис, A0 -вектор ограничений.

Составим симплекс – таблицу, соответствующую каноническому виду:

Табл . 0	3	2	q
i	Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4
1	A3	2	1	-1	1	2Ümin
2	A4	6	2	1	1	3
D	-3	-2
Z
Ýmin

Элементы строки D рассчитываем по формулам:

Для базисных переменных оценки всегда равны нулю.

Значение критерия для данного начального базиса будет равно нулю:

L=åci ai0=0*2+0*6=0;

Так как имеются Dj <0 приступаем к улучшению плана.

Первая итерация

В базис вводим вектор A1, которому соответствует минимальное значение Dj. Из базиса выводим вектор A3, так как минимальное q достигается при i=3.

Таким образом, элемент a31 будет направляющим (в таблице выделен зеленым цветом).

Заполняем таблицу, соответствующую новому базисному решению.

Все элементы aij таблицы определяются по следущему рекуррентному соотношению:

где akr — направляющий элемент, l– номер итерации

Табл . 1	3	2	q
i	Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4
1	3	A1	2	1	-1	1	–
2	A4	2	3	-2	1	2/3Ümin
D	6	-5	3
Z	6	3	-3	3
Ýmin

Приведем расчет нескольких элементов таблицы:

Элемент a42 =3 является направляющим (в таблице выделен зеленым цветом).

Так как в строке оценок полученного нового плана имеется отрицательное значение Dj, приступаем ко второй итерации, продолжая улучшать план.

Вторая итерация

Табл. 2	3	2	q
i	Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4
1	3	A1	8/3	1	1/3	1/3	8
2	2	A2	2/3	1	-2/3	1/3	–
D	28/3	-1/3	5/3
Z	28/3	3	2	-1/3	5/3
Ýmin

Элемент a13 =1/3 является направляющим (в таблице выделен зеленым цветом).

Третья итерация

Табл. 3	3	2
i	Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4
1	A3	8	3	1	1
2	2	A4	6	2	1	1
D	12	1	2
Z	12	4	2	2

Поскольку все Dj ³0, то план представленный в данной таблице будет оптимальным.

Ответ: x1 =0; x2 =6; x3 =8; x4 =0; L=12;

Если в системе ограничений имеются неравенствами вида > и / или =, начальный план не может быть найден так же просто, как в рассмотренном примере. В таких случаях начальный план отыскивают с помощью искусственных переменных.

Пример: Найти максимум функции

L=2×1 +3×2 -5×3 ;

при ограничениях:

2×1 +x2 -x3 ³7,

x1 +2×2 +x3 ³6,

x1 +4×2 =8,

xj ³0

Вводим в систему три искусственные переменные: x6, x7, x8, позволяющие получить начальный базис.

Для исключения из базиса этих переменных последние вводятся в целевую функцию с большим отрицательным коэффициентом М (в задаче минимизации – с положительным М)

L¢=L-M*x6 -M*x7 -M*x8 ®max

при ограничениях

2×1 +x2 -x3 -x4 +x6 =7,

x1 +2×2 +x3 -x5 +x7 =6,

x1 +4×2 +x8 =8,

xj ³0

Выбрав в качестве начального базиса векторы A6, A7, A8, решаем полученную задачу с помощью табличного симплекс-метода.

Если в оптимальном решении такой задачи нет искусственных переменных, это и есть оптимальное решение исходной задачи.

Если же в оптимальном решении данной задачи хоть одна из искусственных переменных будет отлична от нуля, то система ограничений исходной задачи несовместна и исходная задача не разрешима.

Табл 0	2	3	-5	– M	– M	– M	q
Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
-M	A6	7	2	1	-1	-1	1	7
-M	A7	6	1	2	1	-1	1	3
-M	A8	8	1	4	1	2Ümin
D	-21M	-4M -2	-7M -3	5	M	M
Ýmin

Элемент a82 =4 является направляющим (в таблице выделен зеленым цветом).

Столбцы, соответствующие искусственным переменным по мере вывода из базиса из расчета исключаются.

Табл 1	2	3	-5	– M	– M	q
Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7
-M	A6	5	7/4	-1	-1	1	20/7Ümin
-M	A7	2	1/2	1	-1	1	4
3	A2	2	1/4	1	8
D	-7M+6	-9М/4–3/4	M+5	M	M
Ýmin

Элемент a61 =7/4 является направляющим (в таблице выделен зеленым цветом).

Табл 2	2	3	-5	– M	q
Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4	A5	A6
2	A1	20/ 7	1	-4/ 7	-4/ 7	–
-M	A7	4/ 7	9/ 7	2/ 7	-1	1	4/9Ümin
3	A2	9/ 7	1	1/ 7	1/ 7	9
D	-4M/ 7 +67/ 7	-9M/ 7 +30/ 7	2M/ 7 -5/ 7	M
Ýmin

Направляющий элемент a73 =9/ 7 (в таблице выделен зеленым цветом).

Табл 3	2	3	-5
Csi	базис	A0	A1	A2	A3	A4	A5
2	A1	28/9	1	-4/9
-5	A3	4/9	1	2/9	-7/9
3	A2	11/9	1	-1/9	1/9
D	23/3	23/9	30/9

Найдено оптимальное решение, так как все оценки неотрицательные и в базисе нет искусственных переменных:

x1 =28/9, x2 =11/9, x3 =4/9, x4 =0, L=23/3.

Список литературы

1. Разработка САПР. В 10 кн. Под ред. А.В. Петрова – М.: Высш. шк., 1990.

2. Системы автоматизированного проектирования: Учебн. пособие для ВУЗов: В 9 кн. / Под ред. И.П. Норенкова. – М.: Высш. шк., 1986. –159 с.

3. Основы построения систем автоматизированного проектирования / А.И. Петренко, О.И. Семенков. – 2-е изд., стер. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985 – 294 с.

4. Справочник по САПР/ А.П. Будя, А.Е. Кононюк, К.П. Куценко и др.; Под ред. В.И. Скурихина. – К.: Техника, 1988. – 375 с.

5. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования. – М.: Радио и связь, 1988 – 288 с.

6. САПР изделий и технологических процессов в машиностроении / Р.А. Аллик, В.И. Бородянский, А.Г. Бурин и др. Под общ. ред. Р.А. Аллика. – Л.: Машиностроение, 1986. – 319 с.

7. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 1989. – 351 с.

8. Грувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 528 с.

9. Гардан И., Люка М. Машинная графика и автоматизация конструирования: Пер. с франц. – М.: Мир, 1987. – 272 с., ил.

10.Корячко В.П. и др. Теоретические основы САПР: Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 400 с., ил.

11.Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9 кн. Учебное пособие для ВУЗов / Ю.М. Соломинцев и др. Под ред. И.М. Макарова. – М.: Высш. шк., 1986.

12.Хирн Д., Бейкер М. Микропроцессорная графика: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 352 с.