Реферат: Компоненти САПР
Компоненти САПР
(реферат)
1. Огляд
Сучасні підприємства не зможуть вижити у всесвітній конкуренції,якщо не будуть випускати нові продукти кращої якості (quality, Q), більшнизької вартості (cost, С) і за менший час (delivery, D). Тому вони бажаютьвикористовувати великі можливості пам’яті комп’ютерів, їх високу швидкодію іможливості зручного графічного інтерфейсу для того, щоб автоматизувати ізв’язати одну з одною задачі проектування і виробництва, які раніше булистомлюючими і зовсім не пов’язані одна з одною. Таким чином зменшується час івартість розробки і випуску продукту. Для цієї мети використовуються технологіїавтоматизованого проектування (computer-aided design — CAD), автоматизованоговиробництва (computer-aided manufacturing — САМ) і автоматизованої розробки абоконструювання (computer-aided engineering — САЕ). Щоб зрозуміти значення системCAD/CAM/CAE (всі ці системи разом називаються системами автоматизованогопроектування), необхідно вивчити різні задачі і операції, які приходитьсявирішувати і виконувати в процесі розробки і виробництва продукту. Всі цізадачі, взяті разом, називаються життєвим циклом продукту (product cycle). Прикладжиттєвого циклу продукту, описаного Зейдом, з незначними вдосконаленнямиприведено на рис. 1.
/>
Рис. 1. Життєвий цикл продукту
Прямокутники, нарисовані суцільними лініями, представляють дваголовних процеси, які складають життєвий цикл продукту: процес розробки іпроцес виробництва.
Процес розробки починається з запитів споживачів, якіобслуговуються відділом маркетингу, і закінчується повним описом продукту(виконується в формі рисунка). Процес виробництва починається з технічних вимогі закінчується поставкою готових виробів.
Операції, що відносяться до процесу розробки, можна поділити нааналітичні і синтетичні.
Як слідує з рис. 1; первинні операції розробки, такі як визначеннянеобхідності розробки, формулювання технічних вимог, аналіз здійсненності ізбір важливої інформації, а також концептуалізація розробки, відноситься допідпроцесу синтезу. Результатом підпроцесу синтезу являється концептуальнийпроект запропонованого продукту в формі ескізу або топологічного креслення,який відображає зв’язки різних компонентів продукту. В цій частині циклувиконуються основні фінансові вклади, що необхідні для реалізації ідеїпродукту, а також визначається його функціональність. Велика частинаінформації, яка породжується і обробляється в рамках підпроцесу синтезу,являється якісною, а відповідно, незручною для комп’ютерної обробки.
Готовий концептуальний проект аналізується і оптимізується — цевже підпроцес аналізу. Перед усім створюється аналітична модель, так яканалізується модель, а не сам проект. Аналітична модель виходить, якщо зпроекту знищити маловажливі деталі. Якість результатів, які можуть бутиотримані в результаті аналізу, безпосередньо пов’язано з якістю вибраноїаналітичної моделі, якою вона обмежується.
Після завершення проектування і вибору оптимальних параметрівпочинається етап оцінки проекту. Для цієї мети можуть виготовлюватисяпрототипи. В конструюванні прототипів все більшу популярність набуває новатехнологія, яка називається швидким прототипіюванням (rapid prototyping). Цятехнологія дозволяє конструювати прототип знизу вверх, тобто безпосередньо зпроекту, так як фактично вимагає лише тільки дані про поперечний перерізконструкції. Якщо оцінка проекту на основі прототипу показує, що проектнезадовольняє вимогам, тоді процес розробки повторюється спочатку.
Якщо результат оцінки проекту задовольняє вимогам, починаєтьсяпідготовка проектної документації. До неї відносяться креслення, звіти і спискиматеріалів. Креслення копіюються, а копії передаються на виробництво.
Як видно з рис. 1, процес виробництва починається з планування,яке виконується на основі отриманих на етапі проектування креслень, азакінчується готовим продуктом. Технологічна підготовка виробництва — цеоперація, яка встановлює список технологічних процесів по виготовленню продуктуі така, що задає їх параметри. Одночасно вибирається обладнання, на якомубудуть вироблятися технологічні операції, наприклад, такі як отримання деталінеобхідної форми з заготовки. В результаті підготовки виробництва складаєтьсяплан випуску, списки матеріалів і програм для обладнання. На цьому ж етапі обробляютьсяінші специфічні вимоги, наприклад, можуть розглядатися конструкції зажимів ікріплень. Підготовка займає в процесі виробництва приблизно таке ж місце, якпідпроцес синтезу в процесі проектування, вимагаючи значного людського досвідуі прийняття якісних рішень. Така характеристика має складність комп’ютеризаціїданого етапу. Після завершення технологічної підготовки починається випускготового продукту і його перевірка на відповідність вимог. Деталі, що успішнопройшли контроль якості, збираються разом, проходять тестуванняфункціональності, упаковуються, маркіруються і відправляються замовникам.
В даному випадку був описаний типовий життєвий цикл продукту.Тепер розглянемо, яким чином на етапах цього циклу можуть бути застосованітехнології CAD, САМ і САЕ. Комп’ютери не можуть широко застосовуватися впідпроцесі синтезу, так як вони не володіють здатністю добре обробляти якіснуінформацію. Однак навіть на цьому етапі розробник може, наприклад, за допомогоюкомерційних баз даних успішно зібрати важливу для аналізу здійсненностіінформацію, а також користуватися даними із каталогів.
На етапі інтелектуального вибору комп’ютер може зробити свійвклад, забезпечуючи ефективність створення різних концептуальних проектів.Корисними можуть бути засоби параметричного і геометричного моделювання, атакож макропрограми в системах автоматизованої розробки креслень(computer-aided drafting). Все це типові приклади систем CAD. Системагеометричного моделювання (geometric modeling system) — це трьохмірнийеквівалент системи автоматизованої розробки креслень, тобто програмний пакет,який працює з трьохмірними, а не з плоскими об’єктами.
Програмних пакетів для аналізу напружень, контролю зіткнень ікінематичного аналізу є дуже багато. Ці програмні пакети відносяться до засобівавтоматизованого конструювання (САЕ). Головна проблема, яка пов’язана з їхвикористанням, полягає в необхідності формування аналітичної моделі. Проблемине було б зовсім якщо б аналітична модель автоматично виводилась зконцептуального проекту. Аналітична модель не ідентична концептуальному проекту— вона виводиться з нього шляхом виключення несуттєвих деталей і редукціїрозмірностей. Необхідний рівень абстракції залежить від типу аналізу і бажаноїточності рішення. Тому, автоматизувати процес абстрагування достатньо складно,тому аналітичну модель часто створюють окремо. Звичайно абстрактна модельпроекту створюється в системі розробки робочих креслень або в системігеометричного моделювання, а іноді за допомогою вбудованих засобів аналітичногопакета. Аналітичні пакети вимагають, щоб структура була представлена у виглядіоб’єднання зв’язаних сіток, що розділяють об’єкт на окремі ділянки, зручні длякомп’ютерної обробки. Якщо аналітичний пакет може генерувати сітку автоматично,людині залишається задати лише границі абстрактного об’єкту. В противномувипадку сітка також створюється користувачем або в інтерактивному режимі, абоавтоматично, але в іншій програмі. Процес створення сітки називається моделюваннямметодом кінцевих елементів (finite-element modeling). Моделювання цимметодом включає в себе також завдання граничних умов і зовнішніх завантажень.
Підпроцес аналізу може виконуватися в циклі оптимізації проекту побудь-яким параметрам. Розроблено багато алгоритмів пошуку оптимальних рішень, ана їх основі побудовані комерційні доступні програми. Процедура оптимізаціїможе вважатися компонентом системи автоматизованого проектування.
Фаза оцінки проекту також виграє від використання комп’ютера. Якщодля оцінки проекту потрібний прототип, можна швидко сконструювати його позаданому проекту за допомогою програмних пакетів, що генерують код для машинишвидкого прототипіювання. Такі пакети вважаються програмами для автоматизованоїпідготовки виробництва (САМ). Форма прототипу повинна бути визначення заздалегідьв наборі вхідних даних. Дані, що визначають форму, отримуються в результатігеометричного моделювання.
Швидке прототипіювання — зручний спосіб конструювання прототипу,але ще зручніше користуватися віртуальним прототипом, який часто називається«цифровою копією» (digital mock-up) і дозволяє отримати необхідні відомості.
Коли аналітичні засоби для роботи з цифровими копіями станутьдостатньо потужними, щоб давати точні результати, що і еквівалентніексперименти на реальних прототипах, цифрові копії почнуть витісняти звичайніпрототипи. Ця тенденція буде підсилюватися по мірі удосконалення технологійвіртуальної реальності, що дозволяє відчути цифрову копію так само, як реальнийпрототип. Віртуальна реальність — це технологія створення зображень, які виглядаютьяк реальні об’єкти. Ця технологія дозволяє оператору відчути цифрові об’єкти іманіпулювати ними так само, як реальними. Побудова цифрової копії називається віртуальнимпрототипіюванням. Віртуальний прототип може бути створений і вспеціалізованій програмі геометричного моделювання.
Остання фаза процесу розробки — підготовка проектної документації.На цьому етапі корисним стає використання систем підготовки робочих креслень.Здатність подібних систем працювати з файлами дозволяє систематизувати збереженняі забезпечення зручності пошуку документів.
Комп’ютерні технології використовуються і на стадії виробництва.Процес виробництва включає в себе планування випуску, проектування і придбаннянових інструментів, замовлення матеріалів, програмування машин с числовимпрограмним керуванням (ЧПК), контроль якості і упаковку. Комп’ютерні системи,що використовуються в цих операціях, можуть бути класифіковані як системиавтоматизованого виробництва. Наприклад, програма автоматизованої технологічноїпідготовки (computer-aided process planning — САРР) використовується на етапіпідготовки виробництва і відноситься до систем автоматизованого виробництва(САМ). Існує багато програмних пакетів, які генерують код для станків зчисловим програмним керуванням. Станки цього класу дозволяють отримати детальнеобхідної форми по даним, що зберігаються в комп’ютері. До системавтоматизованого виробництва також відносяться програмні пакети, що керуютьрухами роботів при зборці компонентів і переміщені їх між операціями, а такожпакети, що дозволяють програмувати координатно-вимірювальну машину (coordinatemeasuring machine — СММ), яка використовується для перевірки продукту.
Для реалізації комп’ютерно-орієнтованого підходу до проектування івиробництва потрібно спеціальне апаратне і програмне забезпечення. Ключовимаспектом являється інтерактивне управління формою, тому апаратне і програмне забезпеченнядля інтерактивного маніпулювання формами відноситься до числу основнихкомпонентів, що складають системи CAD/CAM/CAE. Графічні пристрої і периферійні пристроївводу-виводу разом з звичайним обчислювальним модулем складають апаратне забезпеченнясистем CAD/CAM/CAE (рис. 1).
/>
Рис. 1. Компоненти систем CAD/CAM/CAE
Ключовими програмними компонентами являються пакети, що маніпулюютьформами або аналізують їх під управлінням користувача в двох або в трьох вимірах,одночасно оновлюючи базу даних.
2. Апаратне забезпечення
Графічний пристрій складається з дисплейного процесора, пристрою відображення,або дисплейного пристрою (монітор), і одного або декількох пристроїв вводу.Дисплей (монітор) представляє собою екран, на який виводиться графічне зображення,однак вивід конкретного зображення на екран виконується дисплейним процесором.Дисплейний процесор отримує сигнали, якими кодуються графічні команди,генеруючи електронні пучки і направляють їх в потрібне місце монітору, чимвідтворює необхідне зображення.
Всклад графічних пристроїв входять одно або декілька пристроїв вводу. Крімклавіатури до них відносяться миша, спейсбол (відрізняється від трекболуступенем вільності, у трекболу їх всього два, а у спейсболу — шість) і цифровийпланшет з пером і роликом. Ці пристрої вводу необхідні для інтерактивногоманіпулювання формами.
Будь-якийграфічний пристрій підключається до пристроїв виводу, наприклад, до плоттеруабо принтеру. Ці пристрої можуть вивести будь-яке зображення на папір.
2.1 Векторні графічні пристрої
Векторні графічні пристрої, які з’явилися в середині 60-х рр. XXст., складаються з дисплейного процесора, дисплейного буфера пам’яті іелектроно-лучевою трубкою (рис. 2.).
/>
Рис. 2. Компоненти векторного графічного пристрою
Основні принципи їх функціонування можна описати наступним чином.
Дисплейний процесор зчитує дисплейний файл (display list), якийпредставляє собою послідовність кодів, що передаються додатком, яківідповідають графічним командам. Дисплейний файл зберігається в розділіпам’яті, який називається дисплейним буфером (display buffer). Дисплейнийпроцесор здійснює також завантаження дисплейного файлу в дисплейний буфер.Після цього дисплейний процесор формує необхідні напруги на вертикальних ігоризонтальних парах пластин, що відхиляються таким чином, що електрон, якийвилітає з катоду, потрапляє в необхідне місце внутрішньої поверхні передньоїстінки електронно-променевої трубки (рис. 3).
/>
Рис. 3. Поперечний розріз електронно-променевої трубки
Недоліком векторного графічного пристрою є те, що виникає ефектмерехтіння картинки, при його постійному перемальовуванні на екранні(обновлення картинки). Також недоліком є висока вартість пристроїв векторноїграфіки. Перевагою є те, що зображення можна відтворити з заданою точністю, щозабезпечує будь-яке бажане розширення.
2.2 Растрові графічні пристрої
Принцип функціонування растрових графічних пристроїв можна описатинаступним чином.
Дисплейний процесор приймає графічні команди від додатку, перетворюєїх в точкове зображення, або растр, після чого зберігає растр в розділі пам’яті,який називається буфером кадру (frame buffet) (рис. 4).
/>
Рис. 4. Компоненти растрового графічного пристрою
Растрові графічні пристрої повинні зберігати в своїй пам’ятізображення у вигляді растру, на відміну від векторних, які зберігають лишедисплейні файли. Тому вимоги до пам’яті в цих двох видів пристроїв відрізняютьсяяк і методи оновлювання зображення на екрані. Час оновлення залишаєтьсяпостійним незалежно від складності зображення. Буфер кадру в растрових пристрояхвимагає більшої пам’яті, ніж дисплейний буфер в векторних графічних пристроях.Растрове зображення в буфері кадру може містити відомості про колір, якщокожній точці (пікселю) будуть відповідати не один біт, а декілька.
2.3Конфігурація апаратних засобів
Графічні пристрої рідко використовуються поодинці. Частіше всього вониоб’єднуються в кластер того або іншого роду, який розрахований на обслуговуваннямножини користувачів. Існують три типи основних варіантів конфігурації такогокластера.
Перша конфігурація складається з мейнфрейму (mainframe) і множиниграфічних пристроїв (рис.5).
/>
Рис.5. Мейнфрейм с графічними приладами
Графічні пристрої підключаються до мейнфрейму. До нього також підключаютьсяі пристрої виводу, такі як принтери і плоттери. Так як така конфігурація може розглядатисяяк натуральне розширення існуючих обчислювальних середовищ, вона з готовністюприймається більшістю крупних компаній, у яких вже були метафрейми. Цей підхіддо цих пір використовується виробниками автомобілів і кораблів, у яких є великібази даних, які обробляються централізовано. Хоча є деякі недоліки. Він потребуєвеликих початкових вкладень в апаратне і програмне забезпечення, а також обслуговуваннясистеми, що експлуатується коштує недешево. Обслуговування мейнфрейму завждивключає в себе розширення системної пам’яті і жорсткого диску, що для мейнфреймуобходиться значно дорожче, ніж для невеликих комп’ютерів. Крім того, оновленняопераційної системи також є непростою задачею. Програми CAD/CAM/CAE потребуютьчастої заміни в зв’язку з виходом нових, більш потужних версій і альтернатив, атакож із-за помилок при первинному виборі програмного забезпечення. ПрограмиCAD/CAM/CAE для мейнфреймів набагато дорожче, ніж аналогічні програми дляменших комп’ютерів. Ще одним суттєвим недостатком централізованих обчислень є нестабільністьчасу відгуку (отклика) системи. В конфігурації з мейнфреймом додатки користувачів,які відносяться до різних графічних пристроїв, конкурують один з одним за обчислювальніресурси мейнфрейму. Тому час відгуку (отклика) для любого конкретного графічногопристрою залежить від того, які задачі були запущені з іншого пристрою. Іноді часвідгуку може бути досить великим для інтерактивної роботи з графікою, особливоколи інші користувачі вирішують складні обчислювальні задачі.
Друга конфігурація складається з автоматизованих робочих місцьпроектувальника (робочих станцій — workstations), об’єднаних в мережу (рис. 6).
/>
Рис. 6. Робочі станції, об’єднані в мережу
До тієї ж мережі підключаються пристрої виводу — плоттери і принтери.Робоча станція — це графічний пристрій з власними обчислювальними ресурсами.Продуктивність робочих станцій збільшується вдвічі кожен рік при збереженні їхціни. Даний підхід володіє ще й іншими перевагами. Користувач може працювати з будь-якоїстанції мережі, вибираючи її у відповідності зі своєю задачею, причому системніресурси не будуть залежати від задач інших користувачів. Ще одна перевага — цевідсутність необхідності в крупних первинних вкладеннях. Кількість робочихстанцій і програмних пакетів може збільшуватися поступово, по мірі зростанняпотреб в ресурсах CAD/CAM/CAE. Це дуже вигідно, тому що вартість обладнанняпостійно падає.
Третя конфігурація аналогічна другій за винятком того, що замістьробочих станцій використовуються персональні комп’ютери з операційними системамиWindows 98 та ХР. Конфігурації на базі персональних комп’ютерів популярні в невеликихкомпаніях, особливо якщо продукти, що випускаються складаються з невеликоїкількості деталей обмеженої складності, а також в компаніях, що використовують системиCAD/CAM/CAE головним чином для побудови креслень.
2.4Програмні компоненти
Будь-яка програма, що використовується життєвому циклі продуктудля скорочення часу і вартості розробки продукту, а також для підвищення його якості,може бути віднесена до класу CAD/САМ/САЕ.
Програми CAD дозволяють конструктору створювати форми і маніпулюватиними на моніторі в інтерактивному режимі, зберігаючи результати в базі даних.Однак в принципі будь-яка програма, що полегшує процес розробки, може бутиназвана програмою CAD. Наприклад спеціалізований додаток, що призначений дляавтоматизації проектування конкретної деталі або механізму, також вважається додаткомCAD.
Будь-яка програма, що використовується в процесі виробництвапродукту, вважається засобом САМ. Таким чином, до САМ відносяться програми дляпланування, управління і контролю виробничих операцій через прямий або непрямийкомп’ютерний інтерфейс з виробничими ресурсами заводу. Прикладом може бути програма,яка формує план процесу виробництва деталі, або програма, яка пише програму дляЧПУ (числового програмного управління), моделює рух і контролює роботу станка впроцесі обробки зовнішніх поверхонь деталі.
Програми САЕ використовуються для аналізу геометрії конструкції ідозволяють розробнику моделювати і вивчати поведінку продукту для покращення іоптимізації проекту. Типовим прикладом являється програма для розрахункунапруг, деформації або теплопередачі в деталі методом кінцевих елементів.
2.5САПР на базі Windows
До недавніх пір промислові додатки домінували на ринку традиційнихзасобів CAD вищого класу. Персональні комп’ютери з часом стали неймовірно швидкимиі потужними, а розробники програмного забезпечення почали випускати програмніпродукти, які використовують переваги графічного середовища Windows. Першіпрограмні продукти цієї категорії були випущені в 1995 р., а перші версії більшостіпродуктів датовані 1996 р. Всі нові продукти володіли наступними загальними особливостями.
1. Вони розроблялися з максимальним використанням функцій Windows,.і тому їх інтерфейси виходили схожими з інтерфейсами інших програм Microsoft.Крім того, нові програми підтримували функції упровадження і зв’язування об’єктів(Object LinkingandEmbedding — OLE), характерні для офіснихпакетів Microsoft. Таким чином, будь-які зображення трьохмірної деталі або пристрою,яке створено в пакеті геометричного моделювання, може використовуватися іншими програмамиMicrosoft. Функція OLE розширюється з метою включення підтримки трьохмірних даних,що значно полегшує передачу даних між різними системами CAD. Нова можливістьназивається OLE for Design & Manufacturing — OLE для проектування і виробництва.
2. В нових системах використовувався компонентний підхід, згідно якомуважливі компоненти програмного забезпечення вибираються з доступних програм, післячого розробник системи об’єднує перевірені технології, зосереджуючи свою увагу надеталях, які відносяться безпосередньо до проектування.
3. Нові системи основані на об’єктно-орієнтованій технології. Зточки зору програмування об’єктно-орієнтовані технологія означає написаннямодульних програм таким чином, щоб забезпечити незалежне повторне використання модулів.Типовою об’єктно-орієнтованою мовою програмування являється C++. Об’єктно-орієнтованатехнологія визначає також інтерфейс між системою і користувачем. Об’єктна орієнтованістьінтерфейсу користувача означає, що кожен елемент інтерфейсу самостійно реагуєна зміни в ситуації і на дії користувача. Об’єктно-орієнтована технологія використовуєтьсяі для ефективного збереження даних. В звичайних системах CAD дані про деталі зберігаютьсяв декількох файлах: один файл використовується для геометричної форми, другий —для сітки кінцевих елементів, третій — для траєкторії руху фрези станка з ЧПУ таін. В об’єктно-орієнтованих системах всі дані, що відносяться до однієї деталі,зберігаються в одному файлі (нема ефекту дублювання інформації).
4. Системи підтримують або параметричне, або варіаційне моделювання.Обидва підходи дозволяють користувачу визначати форму, задаючи обмеження, а нехарактеристики окремих елементів цієї форми. Єдина різниця в тому, що в одному випадкуобмеження враховуються одночасно, а в другому — послідовно. Прикладом безпосередньоїроботи з елементами форми є визначення прямокутника як два набори паралельних відрізків,які знаходяться на конкретній відстані один від одного. Однак той же прямокутникможе бути визначений за допомогою обмежень, наприклад завданням умовиперпендикулярності суміжних відрізків на відстані між паралельними відрізками. Багатосистем, які підтримують можливості параметричних або варіаційних моделювань, сприймаютьявні обмеження, такі як перпендикулярність і паралельність, безпосередньо з початковогоескізу користувача, дозволяючи зменшити об’єм даних, що вводиться. В тому випадкувід користувача вимагається тільки ввести розміри, після чого він зможезмінювати форму, варуючи ці розміри. Така функція системи називаєтьсямоделюванням по розмірам (dimension-driven modeling). Задати всіобмеження, які визначають геометрію, досить важко, особливо для складнихдеталей. В таких ситуаціях системам, які підтримують параметричне і варіаційнемоделювання, необхідні додаткові відомості для проектування.
5. В системі вбудовується підтримка сумісного проектування через Internet. Ця підтримка дозволяєвіддаленим користувачам працювати над однією і тією ж деталлю, маючи її передочима на своїх екранах. Розробники можуть також перевіряти проект в цілому,порівнюючи свої деталі з деталями інших розробників. Для того щоб використатитаку можливість необхідно описати деталь в форматі VRML (мова опису віртуальноїреальності – Virtual Reality Modeling Language).