Система автоматизированного проектирования. 2

Система автоматизированного проектирования — автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. Также для обозначения подобных систем широко используется аббревиатура САПР.

Система автоматизированного проектирования. Наиболее популярная расшифровка. В современной технической, учебной литературе и государственных стандартах аббревиатура САПР раскрывается именно так.

Система автоматизации проектных  работ. Такая расшифровка точнее соответствует аббревиатуре, однако более тяжеловесна и используется реже.

Система автоматического проектирования. Это неверное толкование. Понятие «автоматический» подразумевает самостоятельную работу системы, без участия человека. А в САПР часть функций выполняет человек, а автоматическими являются только отдельные проектные операции и процедуры. Слово «автоматизированный», по сравнению со словом «автоматический», подчёркивает участие человека в процессе.

Программное средство для автоматизации проектирования. Это излишне узкое толкование. В настоящее время часто понимают САПР лишь как прикладное программное обеспечение для осуществления проектной деятельности. Однако в отечественной литературе и государственных стандартах САПР определяется как более ёмкое понятие, включающее не только программные средства.

В рамках жизненного цикла промышленных изделий САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства.

Основная цель создания САПР — повышение эффективности труда инженеров, включая:

сокращения трудоёмкости проектирования и планирования;

сокращения сроков проектирования;

сокращения себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;

повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;

сокращения затрат на натурное моделирование и испытания.

Достижение этих целей  обеспечивается путем:

автоматизации оформления документации;

информационной поддержки  и автоматизации процесса принятия решений;

использования технологий параллельного  проектирования;

унификации проектных  решений и процессов проектирования;

повторного использования  проектных решений, данных и наработок;

стратегического проектирования;

замены натурных испытаний  и макетирования математическим моделированием;

повышения качества управления проектированием;

применения методов вариантного  проектирования и оптимизации.

CAM (англ. Computer-aided manufacturing) — подготовка технологического процесса производства изделий, ориентированная на использование ЭВМ. Под термином понимаются как сам процесс компьютеризированной подготовки производства, так и программно-вычислительные комплексы, используемые инженерами-технологами.

Русским аналогом термина  является АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства. Фактически же технологическая  подготовка сводится к автоматизации  программирования оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) (2- осевые лазерные станки), (3- и 5-осевые фрезерные станки с ЧПУ; токарные станки, обрабатывающие центры; автоматы продольного точения и токарно-фрезерной обработки; ювелирная и объёмная гравировка).

Как правило, большинство  программно-вычислительных комплексов совмещают в себе решение задач CAD/CAM, CAE/САМ, CAD/CAE/CAM.

 

Векторный графический редактор

 

Векторные графические редакторы позволяют пользователю создавать и редактировать векторные изображения непосредственно на экране компьютера, а также сохранять их в различных векторных форматах, например, CDR, AI,EPS, WMF или SVG.

Основные инструменты векторных редакторов

Кривые Безье — позволяют создавать прямые, ломаные и гладкие кривые, проходящие через узловые точки, с определёнными касательными в этих точках;

Заливка — позволяет закрашивать ограниченные области определённым цветом или градиентом;

Текст создаётся с помощью  соответствующего инструмента, а потом  часто преобразуется в кривые, чтобы обеспечить независимость  изображения от шрифтов, имеющихся (или отсутствующих) на компьютере, используемом для просмотра;

Набор геометрических примитивов;

Карандаш — позволяет создавать линии «от руки». При создании таких линий возникает большое количество узловых точек, от которых в дальнейшем можно избавиться с помощью «упрощения кривой».

Сравнение векторных и растровых редакторов

Векторные редакторы часто  противопоставляют растровым редакторам. В действительности, их возможности часто дополняют друг друга:

Векторные редакторы обычно более пригодны для создания разметки страниц, типографики, логотипов, sharp-edged artistic иллюстраций (например, мультипликация, clip art, сложные геометрические шаблоны), технических иллюстраций, создания диаграмм и составления блок-схем.

Растровые редакторы больше подходят для обработки и ретуширования  фотографий, создания фотореалистичных иллюстраций, коллажей, и создания рисунков от руки с помощью графического планшета.

Последние версии растровых  редакторов (таких, как GIMP или Photoshop) предоставляют пользователю и векторные инструменты (например, изменяемые кривые), а векторные редакторы (CorelDRAW, Adobe Illustrator, Xara Xtreme, Adobe Fireworks, Inkscape, SKI и другие) реализуют и растровые эффекты (например, заливку), хотя иногда и несколько ограниченные по сравнению с растровыми редакторами.

 

Состав и структура САПР

    По ГОСТ

Структура САПР

В соответствии с ГОСТ, в  структуре САПР выделяют следующие  элементы:

КСАП САПР — комплекс средств автоматизации проектирования САПР

подсистемы САПР, как элемент структуры САПР, возникают при эксплуатации пользователями КСАП подсистем САПР.

КСАП подсистемы САПР — совокупность ПМК, ПТК и отдельных компонентов обеспечения САПР, не вошедших в программные комплексы, объединенная общей для подсистемы функцией.

ПТК — программно-технические комплексы

компоненты обеспечения ПТК САПР

ПМК — программно-методические комплексы

компоненты обеспечения ПМК САПР

компоненты обеспечения САПР, не вошедшие в ПМК и ПТК

Совокупность КСАП различных  подсистем формируют КСАП всей САПР в целом.

 Подсистемы САПР

По ГОСТ 23501.101-87^[2], составными структурными частями САПР являютсяподсистемы, обладающие всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы. Каждая подсистема — это выделенная по некоторым признакам часть САПР, обеспечивающая выполнение некоторых функционально-законченных последовательностей проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов. По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.

Обслуживающие подсистемы — объектно-независимые подсистемы, реализующие функции, общие для подсистем или САПР в целом: обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, оформление, передачу и вывод данных, сопровождение программного обеспечения и т. п., их совокупность называют системной средой (или оболочкой) САПР.

Проектирующие подсистемы — объектно-ориентированные подсистемы, реализующие определенный этап проектирования или группу связанных проектных задач. В зависимости от отношения к объекту проектирования, делятся на:

Объектные — выполняющие проектные процедуры и операции, непосредственно связанные с конкретным типом объектов проектирования.

Инвариантные — выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, имеющие смысл для многих типов объектов проектирования.

Примерами проектирующих  подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования  механических объектов, схемотехнического  анализа, трассировки соединений в  печатных платах.

Типичными обслуживающими подсистемами являются:

подсистемы управления проектными данными

обучающие подсистемы для  освоения пользователями технологий, реализованных в САПР

подсистемы графического ввода-вывода

Система управления базами данных (СУБД).

   Компоненты и обеспечение САПР

Каждая подсистема, в свою очередь состоит из компонентов, обеспечивающих функционирование подсистемы.

Компонент выполняет определенную функцию в подсистеме и представляет собой наименьший (неделимый) самостоятельно разрабатываемый или покупной элемент САПР (программа, файл модели транзистора, графический дисплей, инструкция и т. п.).^[1][2]

Совокупность однотипных компонентов образует средство обеспечения САПР. Выделяют следующие виды обеспечения САПР:

Техническое обеспечение (ТО) — совокупность связанных и взаимодействующих технических средств (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, линии связи, измерительные средства).

Математическое обеспечение (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы, используемые для решения задач автоматизированного проектирования. По назначению и способам реализации делят на две части:

математические методы и  построенные на них математические модели;

формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Программное обеспечение (ПО). Подразделяется на общесистемное и прикладное:

прикладное ПО реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур. Включает пакеты прикладных программ, предназначенные для обслуживания определенных этапов проектирования или решения групп однотипных задач внутри различных этапов (модуль проектирования трубопроводов, пакет схемотехнического моделирования, геометрический решатель САПР).

общесистемное ПО предназначено для управления компонентами технического обеспечения и обеспечения функционирования прикладных программ. Примером компонента общесистемного ПО является операционная система.

Информационное обеспечение (ИО) — совокупность сведений, необходимых для выполнения проектирования. Состоит из описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, комплектующих изделий и их моделей, правил и норм проектирования. Основная часть ИО САПР — базы данных.

Лингвистическое обеспечение (ЛО) — совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования, а также для осуществления диалога проектировщик-ЭВМ и обмена данными между техническими средствами САПР. Включает термины, определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания.

В лингвистическом обеспечении  выделяют класс различного типа языков проектирования и моделирования (VHDL, VERILOG, UML, GPSS).

Методическое обеспечение (МетО) — описание технологии функционирования САПР, методов выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов. Включает в себя теорию процессов, происходящих в проектируемых объектах, методы анализа, синтеза систем и их составных частей, различные методики проектирования. Иногда к МетО относят также МО и ЛО.

Организационное обеспечение(ОО) — совокупность документов, определяющих состав проектной организации, связь между подразделениями, организационную структуру объекта и системы автоматизации, деятельность в условиях функционирования системы, форму представления результатов проектирования… В ОО входятштатные расписания, должностные инструкции, правила эксплуатации, приказы, положения и т. п.

В САПР как проектируемой  системе выделяют также эргономическое и правовое обеспечения.^[1][3]

Эргономическое обеспечение объединяет взаимосвязанные требования, направленные на согласование психологических, психофизиологических, антропометрических характеристик и возможностей человека с техническими характеристиками средств автоматизации и параметрами рабочей среды на рабочем месте.

Правовое обеспечение состоит из правовых норм, регламентирующих правоотношения при функционировании САПР, и юридический статус результатов её функционирования.

  Классификация САПР

 По ГОСТ

ГОСТ 23501.108-85^[15] устанавливает следующие признаки классификации САПР:

тип/разновидность и сложность объекта проектирования

уровень и комплексность автоматизации проектирования

характер и количество выпускаемых документов

количество уровней в структуре технического обеспечения

   Классификация САПР с использованием английских терминов

В области классификации  САПР используется ряд устоявшихся  англоязычных терминов, применяемых  для классификации программных  приложений и средств автоматизации  САПР по отраслевому и целевому назначению.

По отраслевому назначению

MCAD (англ. mechanical computer-aided design) — автоматизированное проектирование механических устройств. Это машиностроительные САПР, применяются в автомобилестроение, судостроении, авиакосмической промышленности, производстве товаров народного потребления, включают в себя разработку деталей и сборок (механизмов) с использованием параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объемного моделирования (SolidWorks, Autodesk Inventor, КОМПАС, CATIA);

EDA (англ. electronic design automation) или ECAD (англ. electronic computer-aided design) — САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств, интегральных схем,печатных плат и т. п., (Altium Designer, OrCAD);

AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) или CAAD (англ. computer-aided architectural design) — САПР в области архитектуры и строительства. Используются для проектирования зданий, промышленных объектов, дорог, мостов и проч. (Autodesk Architectural Desktop, AutoCAD Revit Architecture Suite, который включает: Revit Architecture, AutoCAD и AutoCAD Architecture, Piranesi, ArchiCAD).

По целевому назначению

По целевому назначению различают  САПР или подсистемы САПР, которые  обеспечивают различные аспекты  проектирования^[16][17].

CAD (англ. computer-aided design/drafting) — средства автоматизированного проектирования, в контексте указанной классификации термин обозначает средства САПР, предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторской и/или технологической документации, и САПР общего назначения.

CADD (англ. computer-aided design and drafting) — проектирование и создание чертежей.

CAGD (англ. computer-aided geometric design) — геометрическое моделирование.

CAE (англ. computer-aided engineering) — средства автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов, осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий.

CAA (англ. computer-aided analysis) — подкласс средств CAE, используемых для компьютерного анализа.

CAM (англ. computer-aided manufacturing) — средства технологической подготовки производства изделий, обеспечивают автоматизацию программирования и управления оборудования с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем)). Русским аналогом термина является АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства.

CAPP (англ. computer-aided process planning) — средства автоматизации планирования технологических процессов применяемые на стыке систем CAD и CAM.

Многие системы автоматизированного  проектирования совмещают в себе решение задач относящихся к  различным аспектам проектирования CAD/CAM, CAD/CAE, CAD/CAE/CAM. Такие системы называют комплексными или интегрированными.

С помощью CAD-средств создаётся геометрическая модель изделия, которая используется в качестве входных данных в системах CAM, и на основе которой, в системах CAE формируется требуемая для инженерного анализа модель исследуемого процесса.

Inkscape.

Inkscape — альтернативный векторный редактор. В отличие от своих коммерческих аналогов (Corel Draw, Adobe Illustrator, Xara) Inkscape распространяется бесплатно с открытым исходным кодом. В качестве основного формата в программе используется стандарт SVG (Scalable Vector Graphics). Программа позволяет рабтать с контурами, фигурами, текстом, градиентами и импортированной графикой (поддерживается импорт большинства растровых форматов, таких как JPEG, PNG, TIFF и другие). В качестве экспортируемого формата используется PNG.

Станок ЧПУ.

Программное обеспечение

После того как составлена управляющая программа, оператор при  помощи программатора вводит ее в контроллер. Команды управляющей программы размещаются в ОЗУ. В процессе создания или после ввода управляющей программы оператор (в данном аспекте выполняющий роль программиста) может отредактировать ее, включив в работу системную программу редактора и выводя на дисплей всю или нужные части управляющей программы и внося в них требуемые изменения. При работе в режиме изготовления детали управляющая программа кадр за кадром поступает на выполнение. В соответствии с командами управляющей программы контроллер вызывает из ПЗУ соответствующие системные подпрограммы, которые заставляют работать подключенное к ЧПУ оборудование в требуемом режиме — результаты работы контроллера в виде электрических сигналов поступают на исполнительное устройство — приводы подач, либо на устройства управления автоматикой станка.

Управляющая система считывает  инструкции специализированного языка программирования (например, G-код) программы, который затеминтерпретатором системы ЧПУ переводится из входного языка в команды управления главным приводом, приводами подач, контроллерами управления узлов станка (например, включить/выключить подачу охлаждающей эмульсии).

Разработка управляющих  программ в настоящее время выполняется  с использованием специальных модулей  для систем автоматизированного  проектирования (САПР) или отдельных систем автоматизированного программирования (CAM), которые по электронной модели генерируют программу обработки.

Для определения необходимой  траектории движения рабочего органа в целом (инструмента/заготовки) в  соответствии с управляющей программой используется интерполятор, рассчитывающий положение промежуточных точек траектории по заданным в программе конечным.

В системе управления, кроме  самой программы, присутствуют данные других форматов и назначения. Как  минимум, это машинные данные и данные пользователя, специфически привязанные к конкретной системе управления либо к определенной серии (линейке) однотипных моделей систем управления.

Программа для станка (оборудования) с ЧПУ может быть загружена  в собственную память (либо временно, до выключения питания — в оперативную  память, либо постоянно — в ПЗУ, карту памяти или другой накопитель: жёсткий диск или твердотельный накопитель) с внешних носителей (например, магнитной ленты, перфорированной бумажной ленты (перфоленты), дискеты или флеш-накопителей). Помимо этого, современное оборудование подключается к централизованым системам управления посредствомзаводских (цеховых) сетей связи.

Наиболее распространенный язык программирования ЧПУ для металлорежущего  оборудования описан документом ISO 6983 Международного комитета по стандартам и называется «G-код». В отдельных случаях — например, системы управления гравировальными станками — язык управления принципиально отличается от стандарта. Для простых задач, например, раскроя плоских заготовок, система ЧПУ в качестве входной информации может использовать текстовый файл в формате обмена данными — например DXF или HPGL.

G-code.

G-код — условное именование языка программирования устройств с числовым программным управлением (ЧПУ). Был создан компанией Electronic Industries Alliance в начале1960-х. Финальная доработка была одобрена в феврале 1980 года как стандарт RS274D. Комитет ISO утвердил G-код, как стандарт ISO 6983-1:1982, Госкомитет по стандартам СССР — как ГОСТ 20999-83. В советской технической литературе G-код обозначается, как код ИСО 7-бит (ISO 7-bit).

Производители систем управления используют G-код в качестве базового подмножества языка программирования, расширяя его по своему усмотрению.

Структура программы

Программа, написанная с  использованием G-кода, имеет жесткую  структуру. Все команды управления объединяются в кадры — группы, состоящие из одной или более команд. Кадр завершается символом перевода строки (CR/LF) и имеет номер, за исключением первого кадра программы и комментариев. Первый (а в некоторых случаях ещё и последний) кадр содержит только один символ «%». Завершается программа командой M02 или M30. Комментарии к программе размещаются в круглых скобках, как после программных кодов, так и в отдельном кадре.

Порядок команд в кадре  строго не оговаривается, но традиционно  предполагается, что первыми указываются  подготовительные команды, (например, выбор рабочей плоскости), затем  команды перемещения, затем выбора режимов обработки и технологические  команды.

Подпрограммы могут быть описаны после команды M02, но до M30. Начинается подпрограмма с кадра  вида Lxx, где xx — номер подпрограммы, заканчивается командой M17.

Сводная таблица кодов

Основные (называемые в  стандарте подготовительными) команды  языка начинаются с буквы G:

• Перемещение рабочих органов оборудования с заданной скоростью (линейное и круговое)
• Выполнение типовых последовательностей (таких, как обработка отверстий и резьба)
• Управление параметрами инструмента, системами координат, и рабочих плоскостей

Подготовительные (основные) команды
Коды	Описание
G00-G03	Позиционирование инструмента
G17-G19	Переключение рабочих плоскостей (XY, ZX, YZ)
G20-G21	Не стандартизовано
G40-G44	Компенсация размера различных частей инструмента (длина, диаметр)
G53-G59	Переключение систем координат
G80-G85	Циклы сверления, растачивания, нарезания  резьбы
G90-G91	Переключение систем координат (абсолютная, относительная)

 

Таблица основных команд

Команда	Описание	Пример
G00	Ускоренное перемещение инструмента (холостой ход)	G0 X0 Y0 Z100
G01	Линейная интерполяция	G01 X0 Y0 Z100 F200
G02	Круговая интерполяция по часовой  стрелке	G02 X15 Y15 R5 F200
G03	Круговая интерполяция против часовой  стрелки	G03 X15 Y15 R5 F200
G04	Задержка выполнения программы, способ задания величины задержки зависит  от реализации системы управления	G04
G15	Отмена полярной системы координат	G15 X15 Y22.5; G15;
G16	Полярная система координат (X радиус Y угол)	G16 X15 Y22.5
G17	Выбор рабочей плоскости X-Y
G18	Выбор рабочей плоскости X-Z
G19	Выбор рабочей плоскости Y-Z
G40	Отмена компенсации радиуса инструмента	G1 G40 X0 Y0 F200
G41	Компенсировать радиус инструмента  слева от траектории	G41 X15 Y15 D1 F100
G42	Компенсировать радиус инструмента  справа от траектории	G42 X15 Y15 D1 F100
G43	Компенсировать длину инструмента  положительно	G43 X15 Y15 Z100 H1 S1000 M3
G44	Компенсировать длину инструмента  отрицательно	G44 X15 Y15 Z4 H1 S1000 M3
G49	Отмена компенсации длины инструмента	G49 Z100
G53	Отключить смещение начала системы координат  станка	G53 G0 X0 Y0 Z0
G54-G59	Переключиться на заданную оператором систему координат	G54 G0 X0 Y0 Z100
G70	Программировать в inch	M70
G71	Программировать в мм	M71
G73	Вращать	M73
G75	Фрезеровка четырехугольной камеры по часовой стрелке, против движения	M75
G76	Фрезеровка четырехугольной камеры против часовой стрелке, по движению	M75
G77	Фрезеровка круглой камеры против часовой стрелке, по движению	M77
G78	Фрезеровка круглой камеры по часовой  стрелке, против движения	M78
G80	Отмена циклов сверления, растачивания, нарезания резьбы метчиком и т. д.	G80
G81	Цикл сверления	G81 X0 Y0 Z-10 R3 F100
G82	Цикл сверления с задержкой	G82 X0 Y0 Z-10 R3 P100 F100
G83	Цикл прерывистого сверления (с полным выводом сверла)	G83 X0 Y0 Z-10 R3 Q8 F100
G84	Цикл нарезания резьбы	G95 G84 M29 X0 Y0 Z-10 R3 F1.411
G90	Задание абсолютных координат опорных  точек траектории	G90 G1 X0.5 Y0.5 F10
G91	Задание координат инкрементально последней введённой опорной точки	G91 G1 X4 Y5 F100
G94	F (подача) — в формате мм/мин.	G94 G80 Z100
G95	F (подача) — в формате мм/об.	G95 G84 X0 Y0 Z-10 R3 F1.411

максимум 4 команды в  кадре

[править]Таблица технологических кодов

Технологические команды  языка начинаются с буквы М. Включают такие действия, как:

• Сменить инструмент
• Включить/выключить шпиндель
• Включить/выключить охлаждение
• Работа с подпрограммами

Вспомогательные (технологические) команды
Код	Описание	Пример
M00	Приостановить работу станка до нажатия  кнопки «старт» на пульте управления, так называемый «безусловный технологический  останов»	G0 X0 Y0 Z100 M0
M01	Приостановить работу станка до нажатия  кнопки «старт», если включён режим  подтверждения останова	G0 X0 Y0 Z100 M1
M02	Конец программы, без сброса модальных  функций	M02
M03	Начать вращение шпинделя по часовой  стрелке	M3 S2000
M04	Начать вращение шпинделя против часовой  стрелки	M4 S2000
M05	Остановить вращение шпинделя	M5
M06	Сменить инструмент	T15 M6
M07	Включить дополнительное охлаждение	M3 S2000 M7
M08	Включить основное охлаждение. Иногда использование более одного M-кода в одной строке (как в примере) недопустимо, для этого используются M13 и M14	M3 S2000 M8
M09	Выключить охлаждение	G0 X0 Y0 Z100 M5 M9
M13	Включить охлаждение и вращение шпинделя по часовой стрелке	S2000 M13
M14	Включить охлаждение и вращение шпинделя против часовой стрелки	S2000 M14
M17	Конец подпрограммы	M17
M25	Замена инструмента вручную	M25
M97	Запуск подпрограммы, находящейся  в той же программе (где P - номер  кадра, в случае примера переход  осуществится к строке N25), действует не везде, предположительно - только на станках HAAS	M97 P25
M98	Запуск подпрограммы, находящейся  отдельно от основной программы (где P - номер подпрограммы, в случае примера  переход осуществится к программе O1015)	M98 P1015
M99	Конец подпрограммы	M99
M30	Конец программы, со сбросом модальных  функций	M30