Основы машинной графики и вычислительной геометрии.

Техническое обеспечение САПР

Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных технических средств (ТС), предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Структурное единство компонентов технического обеспечения, обеспечивающих функционирование подсистем САПР, составляет комплекс технических средств (КТС) САПР. Компонентами технического обеспечения являются устройства и системы (сочетания устройств), создаваемые на базе средств вычислительной, организационной, измерительной техники и передачи данных.

Комплекс технических средств САПР должен создаваться на базе серийно выпускаемых ТС с применением стандартных программно-аппаратных интерфейсов. При надлежащем техническом и экономическом обосновании могут применяться и специализированные ТС.

Требования к техническому обеспечению САПР можно разделить на четыре категории: системные, функциональные, технические и организационно-эксплуатационные. Системные требования обуславливают спектр свойств, параметров и характеристик КТС САПР как технической системы. Функциональные требования обуславливают свойства КТС с точки зрения выполнения функций САПР. Здесь рассмотрены наиболее общие требования к техническому обеспечению. Технические требования определяют параметры и характеристики КТС и отдельных ТС при функционировании САПР. К организационно-эксплуатационным относятся требования по технической эстетике, эргономике, безопасности (охрана труда), организации эксплуатации и обслуживания ТС.

7.1. Системные требования.

К КТС САПР предъявляют следующие системные требования: эффективность, универсальность, совместимость, гибкость и открытость, надежность, точность (достоверность), защищенность, возможность одновременной работы достаточно широкого круга пользователей, приемлемая стоимость.

Эффективность. КТС в совокупности с информационным и программным обеспечением САПР должен обеспечивать эффективное выполнение персоналом САПР всей совокупности функций автоматизированного проектирования с целью получения достаточно качественных (по возможности оптимальных) решений и проектной документации в приемлемые сроки.

Универсальность. ТС САПР должны быть достаточно универсальны, чтобы обеспечить максимально возможную реализацию совокупности инноваций и изменений по проектируемому объекту (серии объектов) в течение всего цикла проектирования без перестройки КТС.

Совместимость. Средства, входящие в КТС САПР, должны обладать технической, информационной, программной и эксплуатационной совместимостью. Путем достижения совместимости средств обеспечивается нормальное функционирование, развитие и тиражирование всего комплекса.

Гибкость и открытость. Структура КТС САПР должна быть гибкой, т. е. допускать перестройку в достаточно широких пределах, и открытой, т. е. допускать замену устаревших средств, их модернизацию и расширение состава. Обеспечение гибкости и открытости позволяет осуществлять модернизацию и развитие САПР (что особенно важно при интенсивных инновациях, вносимых объектами проектирования), а также тиражирование САПР.

Надежность. КТС САПР должен обладать надежностью, достаточной для нормального функционирования в течение всего цикла проектирования. К показателям надежности ТС САПР относят среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления, средний срок службы, средний срок сохраняемости, коэффициент технического использования. Эти показатели для серийно выпускаемых технических средств заранее известны. И если они не позволяют обеспечить требуемую надежность КТС в целом, необходимо применять системные методы повышения надежности (резервирование, дублирование), эффективные методы восстановления работоспособного состояния, а также средства обеспечения сохранности информации при отказах ТС.

Точность (достоверность). При функционировании КТС САПР должен обеспечить требуемый уровень точности (достоверности) принимаемых решений и данных (информации в целом). Точность (достоверность) зависит от достоверности входной информации (точности исходных данных и достоверности ввода), точности ТС (разрядности, методов преобразования, округления и т. п.), сбоев в оборудовании, отказов ТС и защищенности от внешних воздействий. Для повышения точности (достоверности) информации применяют различные организационные, технические и программные методы и средства контроля, обнаружения ошибок, обеспечения сохранности и восстановления информации.

Защищенность. Комплексы средств САПР должны быть защищены от внешних воздействий (помех, сбоев в системе питания, некомпетентного и несанкционированного вмешательства) так, чтобы не нарушалось нормальное их функционирование.

Возможность одновременной работы достаточно широкого круга пользователей. КТС должен позволять реализовать САПР, являющуюся системой коллективного пользования для достаточно большого коллектива специалистов (разработчики САПР, проектировщики, обслуживающий персонал, административно-управленческий персонал организации-пользователя). Причем терминалы пользователей и вычислительные ресурсы могут быть разнесены территориально на большие расстояния.

Приемлемая стоимость. Стоимость КТС должна быть такая, чтобы созданная на его базе САПР обеспечила наибольший или приемлемый (в зависимости от целей создания) экономический эффект.

7.2. Функциональные требования.

К функциональным требованиям можно отнести (предъявляются к комплексам средств САПР и обеспечиваются КТС, программными средствами и информационной базой): реализацию математических моделей (объектов проектирования, чертежей, функционирования объектов); задач принятия решений и проектных процедур; архивов, библиотек проектных решений и типовых элементов; системы поиска Данных, обеспечение наглядности информации; работы с графическими изображениями и моделями; параллельной разработки отдельных узлов; взаимосвязи этапов проектирования; работы пользователя как в пакетном, так и в диалоговом (в частности, запрос-ответ) режиме с возможностью перехода с одного режима на Другой на любом этапе проектирования; документирования результатов проектирования (промежуточных и конечных) с необходимой полнотой и в требуемой форме; выдачи результатов на технологическое оборудование (запись программ для оборудования с числовым программным управлением, изготовление фотошаблонов для печатных плат, микросхем и т. п.).

7.3. Технические требования.

Их вырабатывают в процессе разработки комплексов средств САПР и предъявляют к группам и отдельным ТС. Технические требования выражают в виде количественных, качественных и номенклатурных значений характеристик и параметров. К основным характеристикам и параметрам относят следующие: производительность, быстродействие и пропускную способность оборудования, разрядность устройств (количество разрядов регистров для представления информации): систему кодирования информации; форматы внутреннего представления данных и команд; форматы внешнего представления и отображения данных; разрешающие способности средств отображения и регистрации данных; емкость запоминающих устройств (оперативных, постоянных и внешних); виды носителей данных; типы интерфейсов для сопряжения оборудования.

При необходимости разработки специализированных технических средств для них разрабатываются частные технические задания, в которых указывают все необходимые для разработки, изготовления и испытания этих ТС требования.

7.4. Организационно-эксплуатационные требования.

Организационно-эксплуатационные требования предъявляются к КТС, вспомогательному оборудованию, рабочим местам, помещениям и персоналу с целью обеспечения нормальных условий эксплуатации и обслуживания САПР. Выделяют следующие группы организационно-эксплуатационных требований:

эргономика и техническая эстетика;

безопасность персонала при эксплуатации (требования электробезопасности и пожарной безопасности);

подготовка персонала (уровень обученности и квалификации персонала должен быть достаточным для обеспечения нормальной эксплуатации и обслуживания САПР);

централизованное техническое обслуживание (комплексы средств САПР за исключением специальных должны в максимальной степени обеспечиваться централизованным техническим обслуживанием и сопровождением);

ремонтопригодность (требования по организации, технологии, материальному обеспечению технического обслуживания и ремонта);

климатические условия помещений (требования по температуре, влажности, атмосферному давлению);

звукоизоляция (уровень звука, создаваемого при работе ТС, не должен превышать значений, установленных Гигиеническими нормами звукового давления и уровней звука на рабочих местах; для помещений должны быть установлены требования по звукоизоляции, планировке и размещению оборудования, обеспечивающие допустимый уровень звука в зоне расположения персонала);

типовая планировка и размещение (необходимо в максимальной степени использовать типовые варианты планировки и размещения оборудования, обеспечивающие оптимальные условия эксплуатации).

Наиболее общие требования (в большей части системные и функциональные) приводят в техническом задании на САПР. Более детализированные и конкретизированные системные и функциональные требования, а также технические и организационно-эксплуатационные требования указывают в технических заданиях на комплексы средств.

7.5. Состав и функции ТО САПР

Классификацию ТС САПР проводят по двум признакам:

функциональному (функциональные группы ТС) и структурному (комплексы средств).

По функциональному признаку выделяют следующие группы ТС:

подготовки и ввода данных; передачи данных; программной обработки данных; отображения и документирования данных; архива проектных решений.

Группа ТС подготовки и ввода данных предназначена для автоматизации подготовки, ввода, первичной обработки и редактирования исходных и нормативно-справочных данных для автоматизированного проектирования, а также для ввода запросов и директив САПР. ТС подготовки и ввода данных должны обеспечивать кодирование информации, нанесение данных на машинные носители, ввод данных в ЭВМ, визуальный контроль и редактирование данных при вводе и подготовке алфавитно-цифровой и графической информации, а также запросов и директив. Для выполнения указанных функций применяют различные устройства подготовки и ввода данных: устройства подготовки данных на машинных носителях (перфоносителях, магнитных носителях, микрофишах); устройства ввода данных с машинных носителей (с перфоносителей, с микрофишей, запоминающие устройства на магнитных лентах и дисках); устройства ввода графической информации (графоповторители или диджитайзеры); клавиатуры (чаще всего придисплейные) алфавитно-цифровые, функциональные, специальные, а также световые клавиатуры, реализуемые на экране дисплея, и фотоселекторные средства.

Группа ТС передачи данных предназначена для обеспечения дистанционной связи средств САПР по каналам связи. Устройства этой группы должны обеспечивать передачу данных между удаленными компонентами САПР по телефонным, телеграфным и специальным каналам связи. В целях выполнения временных требований и ограничений следует применять выделенные каналы связи. К устройствам рассматриваемой группы относят аппаратуру передачи данных (модемы, устройства преобразования сигналов, устройства защиты от ошибок) и аппаратуру сопряжения и концентрации (устройства сопряжения, адаптеры дистанционной связи, мультиплексоры передачи данных, процессоры телеобработки данных).

Группа ТС программной обработки данных предназначена для обеспечения приема цифровых данных, их программной обработки, накопления и вывода на машинные носители, устройства отображения и в каналы связи. К устройствам этой группы относят ЭВМ общего назначения (микроЭВМ, персональные, малые, средние, большие и сверхбольшие ЭВМ), специализированные ЭВМ и микропроцессоры. ТС программной обработки должны обеспечивать разработку и эксплуатацию программного обеспечения САПР, изменение производительности путем замены или наращивания ЭВМ, использование программно-аппаратурных средств учета, хранения и выдачи текущего времени, мультипрограммный режим работы.

Группа ТС отображения и документирования данных предназначена для оперативного представления проектных решений и запрашиваемых данных, а также для вывода проектной документации и промежуточных носителей для изготовления объектов. К ТС этой группы относятся; устройства визуального отображения информации (алфавитно-цифровые и графические дисплеи, панели и табло отображения информации, мнемосхемы);

устройства вывода информации на бумагу (устройства печати, графопостроители, регистрирующие устройства); устройства вывода информации на микрофильмы и микрофиши; устройства вывода на машинные носители;

записи (перфоносители, магнитные носители); устройства вывода специального назначения (координатографы, фотонаборные устройства и т. д.).

Для получения промежуточных носителей для изготовления проектируемых объектов используют устройства вывода специального назначения (например, фотошаблонов для изготовления печатных плат) и устройства вывода на машинные носители записи (например, управляющих программ для станков с ЧПУ). ТС визуального отображения информации при необходимости должны комплектоваться совместно с устройствами документирования. ТС документирования данных должны обеспечивать выпуск документов на печатающих и графических устройствах на правах подлинников или в качестве оригиналов для выпуска подлинников.

Группа ТС архива проектных решений предназначена для обеспечения хранения, контроля, восстановления и размножения данных о проектных решениях САПР, а также справочных данных (в том числе нормативно-технической документации). К ТС этой группы относят устройства автоматизированного доступа к микрофильмированным документам и устройства тиражирования микрофильмированных документов. Функции архива проектных решений по контролю, восстановлению и размножению (тиражированию) данных архива, хранимых на магнитных носителях, микрофишах и микрофильмах, целесообразно производить с использованием TG подготовки, ввода, программной обработки и вывода данных.

В состав КТС САПР включают в качестве вспомогательного оборудования средства организационной техники и оформления документации (шкафы, стеллажи, приспособления для облегчения и рационализации труда проектировщиков, копировально-множительное, переплетно-брошюровочное оборудование и т. д.).

По структурному признаку рассматривают комплексы средств САПР. Под комплексом средств понимают совокупность компонентов и (или) комплексов средств, предназначенную для тиражирования и ориентированную на проектирование объектов определенного класса (вида, типа) и (или) выполнение унифицированных процедур, используемую в соответствующих проектирующих и (или) обслуживающих подсистемах САПР.

Различают комплексы средств одного вида обеспечения (информационного, технического, программного) и комбинированные (содержат компоненты различных видов обеспечения). Наибольшее распространение получили комбинированные комплексы средств, которые подразделяют на программно-методические и программно-технические комплексы.

Программно-методические комплексы (ПМК.) включают компоненты методического (в том числе, при необходимости, математического и лингвистического), информационного и программного обеспечения и предназначены для реализации проектных, управляющих и вспомогательных процедур САПР на базе определенной совокупности ТС в составе комплексов средств САПР.

Программно-технические комплексы (ПТК) представляют взаимосвязанную совокупность ПМК с комплексами и (или) компонентами технического обеспечения.

Классификацию ПТК определяет двухуровневая структура KTC САПР, которая содержит компоненты центрального вычислительного комплекса (ЦВК) и терминального комплекса, включающего автоматизированные рабочие места (АРМ) и отдельные терминалы пользователей САПР. В соответствии с этим ПТК подразделяют на ЦВК и АРМ.

ЦВК представляет собой ПТК, предназначенный для объединения действий совокупности АРМ в единый процесс проектирования, хранения и представления общесистемной информации, а также для дополнения вычислительных мощностей отдельных АРМ.

По признаку распределенности ЦВК могут строиться на базе локальных вычислительных комплексов и сетей. С точки зрения структурной организации ЦВК могут включать ЭВМ (сверхбольшие, большие и средние), многопроцессорные и многомашинные вычислительные комплексы.

АРМ представляют собой ПТК, предназначенные для выполнения следующих функций: оперативного ввода, вывода, отображения, редактирования и преобразования текстовой и (или) графической информации; настройки, редактирования, исполнения и контроля программ пользователей в диалоговом режиме; формирования архива проектных решений и библиотеки стандартных элементов и процедур (меню); осуществления взаимодействия с другими АРМ и, при необходимости, с ЦВК; дополнения проектных процедур.

По принципу взаимодействия между собой различают независимые АРМ и локальные вычислительные сети АРМ.

В зависимости от вида и производительности процессоров различают АРМ высокой, средней и малой производительности. По виду и назначению входящих в них ПМК АРМ подразделяют на проблемно- и объектно-ориентированные.

В состав ЦВК входят ТС группы программной обработки данных и, как вспомогательные, средства передачи данных, отображения и архива, В состав АРМ могут входить ТС различных функциональных групп

8.1. Методы машинной графики.

МГ в САПРе – один из важнейших компонентов, т.к. визуализация восприятия намного быстрее. Технические проекты требуют получения графической информации, в том числе, и твердых копий с распечаткой.

Существует такое понятие, как деловая графика, например, круговые и столбчатые диаграммы (в MathCADе). Такие диаграммы позволяют быстро и наглядно воспринимать некоторое распределение данных. В настоящее время также широко применяются методы анимации.

Методы машинной графики разделяют на:

ü Интерактивную машинную графику (ИМГ)

ü Пакетную машинную графику (ПМГ)

Пакетная МГ в настоящее время применяется редко. Пишется специальная программа на соответствующем языке, в результате работы которой создается графическое изображение ( использовался ГРАФОР).

Интерактивная МГ применяется чаще. Интерактивность стала возможной с появлением и развитием ЭВМ, сопроцессоров, мощных видеокарт.

ИМГ используется практически на всех этапах проектирования:

§ поиск аналогов – воспроизведение готовых схем, чертежей;

§ стадия синтеза – построение чертежа;

§ стадия анализа – анализ построенного чертежа;

§ отображение результатов проектирования – твердая копия

В машиностроении и автомобилестроении при анализе конструкций (расчете механических напряжений и деформаций) используется метод конечных элементов.

В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) является одним из наиболее популярных инструментов исследования характеристик инженерных конструкций, подвергаемых различным нагрузкам. МКЭ позволяет конструктору успешно решать задачи расчета сложных деталей путем разбиения их на более мелкие части — конечные элементы. Проектируемый узел покрывается сеткой, которая как бы натаскивается на поверхность. Математически рассчитываются реакции сил в узлах. В результате оцениваются напряженные и деформируемые поверхности, которые окрашиваются в определенный цвет (опасные участки красным цветом). Можно наглядно увидеть опасные участки.