Автоматизированное проектирование технических объектов

Разработку проектов изделий, основанную на взаимодействии человека и ЭВМ, называют автоматизированным проектированием (в отличие от ручного и автоматического проектирования). Система автоматизированного проектирования (САПР) обеспечивает возможность решения (при минимально необходимом участии человека) большей части логических, расчетных, графических и иных задач на всех стадиях разработки проекта, начиная с момента возникновения идеи создания нового изделия и кончая выпуском технической документации.

Одним из основных компонентов САПР является математическое обеспечение, включающее математические модели объектов проектирования и их элементов, методы и алгоритмы выполнения проектных операций и процедур.

Развитие автоматизированного проектирования прошло несколько стадий:

1. ЭВМ ® программная методика ® ручное решение.

2. Математические модели функционирования (индивидуальное программирование).

3. Программные комплексы.

Для разработки эффективной технологии автоматизированного проектирования необходимо детальное представление обо всех этапах и стадиях создания объекта с тем, чтобы осуществить их формализацию и математическое описание.

Наибольший эффект может дать автоматизация самых ранних этапов проектирования, когда осуществляется выбор технического решения. САПР позволяет пересмотреть множество вариантов и отобрать несколько наилучших для дальнейшей детальной проработки и окончательного выбора.

На различных этапах и стадиях проектирования сложной технической системы используются различные математические модели. На ранних этапах обычно модели простые, но чем подробнее проработка проекта, тем сложнее нужна модель. Они могут представлять собой системы дифференциальных уравнений, системы алгебраических уравнений, простые алгебраические выражения, бинарные отношения, матрицы и др. Сложные модели требуют больших затрат времени на проведение вычислительных экспериментов.

Поскольку все проектные работы носят оптимизационный характер, то решать системы уравнений для получения искомого результата приходится многократно. Ситуация также усугубляется многомерностью и многокритериальностью задач. На заключительных этапах проектирования часто приходится использовать вероятностные модели, с тем, чтобы исследовать процессы функционирования технической системы в условиях, максимально приближенных к реальным.

Если САПР потребует слишком больших затрат времени на разработку проекта изделия, то она вряд ли получит широкое практическое применение.

Эти факторы указывают на необходимость поиска способов ускорения обработки информации и применения эффективных технологических маршрутов выполнения проектных работ.

Системы автоматизированного проектирования, применяемые при разработке изделий машиностроения, принято разделять на системы функционального, конструкторского и технологического назначения. Первые из них называют системами расчётов инженерного анализа или CAE (Computer Aided Engineering) системами. Конструкторское проектирование осуществляется системами CAD (Computer Aided Design). Проектирование технологических процессов составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в системах CAM (Computer Aided Manufacturing). Системы, объединяющие все три функции, называют MCAD (MehanicalCAD).

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения, координации работы CAE/CAD/CAM-систем, управления проектными данными и всем процессом проектирования предназначены системы PDM (Product Data Management), которые входят в состав конкретной САПР или имеют самостоятельное значение и могут функционировать совместно с различными видами автоматизированных систем. Системы PDM разрабатываются, как правило, фирмами, специализирующимися на создании САПР или АСУ.

В настоящее время на рынке программных продуктов находят предложение также комплексные системы PLM (Product Lifecyсle Management), в состав которых входят модули MCAD и PDM (рис. 16.1), предназначенные для моделирования и управления данными об изделиях, процессах и ресурсах на различных этапах жизненного цикла изделий (ЖЦИ) от предпроектного исследования до функционального обслуживания и утилизации. Понятие «жизненный цикл изделия» (петля качества) введено международными стандартами ISO 9000 (управление качеством). Петля качества включает в свой состав следующие этапы жизненного цикла изделия:

· маркетинг, поиск, изучение рынка;

· разработка технических требований на проектируемый продукт;

· исследовательские и опытно-конструкторские разработки;

· материально-техническое обеспечение;

· подготовка и разработка технологических процессов;

· производство;

· контроль, проведение испытаний и обследований;

· упаковка и хранение;

· реализация продукции;

· монтаж и эксплуатация;

· техническая помощь и обслуживание;

· утилизация продукции.

Рисунок 16.1 – Взаимосвязь САПР с другими АС

PLM – это распределённая на базе Web-технологий система управления, которая способствует интеграции проектирования, производства и эксплуатации промышленной продукции. При этом следует учесть, что на всех этапах жизненного цикла изделий имеются свои целевые установки, предназначенные для достижения максимальной эффективности. В процессе проектирования необходимо обеспечить выполнение требований технического задания и функциональные характеристики при заданном уровне надёжности, минимальных затратах и максимальной эффективности, под которой понимается не только снижение себестоимости, но и сроков проектирования. Последнее обстоятельство в настоящее время особенно важно в связи с ужесточением конкурентной борьбы в условиях рыночной экономики. По сути дела, системы PLM являются основой интеграции информационного пространства, в котором функционируют САПР, а также автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

САПР состоит из проектирующих и обслуживающих подсистем, имеющих различные виды обеспечения: техническое, программное, математическое, информационное, лингвистическое, методическое, организационное. Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры, например, геометрическое моделирование объектов, изготовление конструкторской документации, схемотехнический анализ. Обслуживающие подсистемы часто называют системной средой или оболочкой САПР, которые управляют проектными данными, сопровождением программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering), содержат обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР. Для обеспечения эффективности производства и эксплуатации изделий на всех этапах ЖЦИ используются также такие автоматизированные системы, как:

- ERP (Enterprise Resource Planning) – планирование и управление производством продукции;

- MRP (Manufacturing Requirement Planning) – планирование производства и закупок материалов;

- SCM (Supply Chain Management) – управление материальными потоками и поставками;

- CRM (Customer Requirement Management) – анализ рыночной ситуации и отношения с заказчиками;

- CNC (Computer Numerical Control) – числовое программное управление;

- MES (Manufacturing Execution Systems) – решение оперативных задач проектирования, производства и маркетинга (занимает промежуточное положение между АСУП и АСУТП);

- SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – диспетчерские функции, сбор и обработка данных о состоянии технологического оборудования;

- IETM (Interactive Electronic Technical Manuals) – обучение персонала, поиск отказавших компонентов, заказ запасных частей.

Примеры систем автоматического проектирования:

ANSYS – это универсальный конечноэлементный программный пакет (разработчик компания ANSYS Inc.), который позволяет решать в единой пользовательской среде (и, что очень важно, на одной и той же конечноэлементной модели) широкий круг задач в областях:

- прочности;

- тепла;

- гидрогазодинамики;

- электромагнетизма;

- междисциплинарного связанного анализа, объединяющего все четыре типа;

- оптимизации конструкции на основе всех вышеприведенных типов анализа.

ANSYS обеспечивает двустороннюю связь практически со всеми известными CAD-системами. Это достигается за счет двустороннего обмена геометрией с наиболее популярными пакетами и импорта множества стандартных форматов. Также существуют встраиваемые в CAD-системы расчетные модули ANSYS, позволяющие реализовать преимущества технологии "сквозного проектирования" (Смысл сквозной технологии состоит в эффективной передаче данных и результатов конкретного текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы. Это нужно для того, чтобы на необходимом уровне качества выполнить какой-либо из этапов проектирования.).

Программный комплекс ANSYS сертифицирован согласно серии стандартов ISO 9000, 9001, а также бессрочно аттестован в Госатомнадзоре РФ на проведение расчетов для атомной промышленности.

MATLAB (сокращение от англ. «Matrix Laboratory») – термин, относящийся к пакету прикладных программ для решения задач технических вычислений, а также к используемому в этом пакете языку программирования. MATLAB используют более 1 000 000 инженерных и научных работников, он работает на большинстве современных операционных систем, включая GNU/Linux, Mac OS, Solaris и Microsoft Windows.

Язык MATLAB является высокоуровневым интерпретируемым языком программирования, включающим основанные на матрицах структуры данных, широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно-ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования.

Программы, написанные на MATLAB, бывают двух типов – функции и скрипты. Функции имеют входные и выходные аргументы, а также собственное рабочее пространство для хранения промежуточных результатов вычислений и переменных. Скрипты же используют общее рабочее пространство. Как скрипты, так и функции не компилируются в машинный код и сохраняются в виде текстовых файлов. Существует также возможность сохранять так называемые pre-parsed программы – функции и скрипты, обработанные в вид, удобный для машинного исполнения. В общем случае такие программы выполняются быстрее обычных, особенно если функция содержит команды построения графиков.

Основной особенностью языка MATLAB является его широкие возможности по работе с матрицами, которые создатели языка выразили в лозунге «думай векторно» (англ. Think vectorized).

MATLAB предоставляет удобные средства для разработки алгоритмов, включая высокоуровневые с использованием концепций объектно-ориентированного программирования. В нём имеются все необходимые средства интегрированной среды разработки, включая отладчик и профайлер. Функции для работы с целыми типами данных облегчают создание алгоритмов для микроконтроллеров и других приложений, где это необходимо.

Необходимым условием повышения конкурентоспособности продукции и эффективности промышленного производства является сокращение сроков разработки и освоения изделий, что требует параллельного проектирования, широкомасштабной кооперации и рациональной специализации, унификации и стандартизации проектной, производственной и эксплуатационной документации. Для решения проблем обеспечения взаимодействия АС на разных этапах жизненного цикла изделия предназначены системы информационной поддержки изделий (ИПИ), функционирующие на основе CALS-технологий. CALS-технологии в течение всего ЖЦИ обеспечивают эффективное создание, обмен, управление и использование электронных данных на основе международных стандартов, реорганизации предпринимательской деятельности и передовых технологий.

Основой CALS-технологий является концепция многопользовательской базы данных, которая содержит всю необходимую информацию для компьютеризированной поддержки ЖЦИ и должна быть доступна как заказчику, так и разработчику. Основы концепции CALS были разработаны в конце 80-х годов XX века в Департаменте обороны США. Центральную роль в CALS-технологиях играют международные информационные стандарты по описанию данных об изделиях и процессах – так называемые CALS-стандарты, к числу которых относятся MIL-STD-2549, ISO 10303 (STEP), ISO 13584 (PILIB), SGML.

CALS-технологии создают предпосылки для образования виртуальных предприятий, которые представляют собой сеть свободно взаимодействующих организаций или их подразделений, находящихся в различных местах. Виртуальные предприятия обычно создаются для реализации конкретного совместного проекта, причем каждая организация может одновременно участвовать в нескольких проектах. Развитие CALS-технологий обеспечивает распространение передовых проектных решений, отдельные элементы которых могут быть многократно использованы в новых разработках. Именно CALS-технологии обеспечивают значительное сокращение сроков проектирования и освоения сложной наукоемкой продукции, что в конечном счете является залогом победы в глобальной конкурентной борьбе.