Презентация на тему Системы автоматизированного проектирования (лекция 1)

– процесс создания проекта, т.е. прототипа, прообраза предлагаемого или

возможного объекта.
Проектирование технического объекта связанно с созданием, преобразованием и представлением в принятой форме образа этого объекта.
Проектирование начинается с составления задания на проектирование.
Задание представляется в виде технических или иных документов и является исходным описанием объекта.
Результат проектирования - это полный комплект документации, который содержит сведения, достаточные для изготовления объекта. Такая документация представляет собой окончательное описание объекта.
Т.о. проектирование – это процесс преобразования исходного описание в окончательное описание объекта.
Процесс преобразования исходного описания в окончательное описание объекта представляет собой совокупность промежуточных описаний или проектных решений.

Основные понятия САПР

Рис.1 Графическая интерпретация понятия «Проектирование
технического объекта».

иную группу родственных свойств объекта. 
Функциональный аспект отражает физические и (или)

информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании. 
Конструкторский аспект характеризует структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта, технологический аспект—технологичность, возможности и способы изготовления объекта в заданных условиях.

Функциональным называется проектирование, связанное с решением группы задач, относящихся к функциональному аспекту. При функциональном проектировании получают и преобразуют структурные, функциональные и принципиальные схемы. Аналогично выделяют конструкторское и технологическое проектирование.

Внутри каждого аспекта выделяют иерархические уровни (уровни абстрагирования). На верхнем иерархическом уровне рассматривается весь сложный объект как совокупность взаимодействующих подсистем. На следующем уровне подсистем они рассматриваются отдельно как системы, состоящие из некоторых составных частей, и имеют большую подробность описаний. Процесс декомпозиции описаний и поблочного их рассмотрения можно продолжить вплоть до получения описаний блоков, состоящих из базовых элементов.

Разделение описаний проектируемых объектов на иерархические уровни по степени подробности отражения свойств объектов составляет сущность блочно-иерархического подхода к проектированию. Соответственно группы процедур получения и преобразования описаний выделенных уровней.называются иерархическими уровнями проектирования.

сложных объектов выделяют стадии:
- научно-исследовательских работ (НИР)
- опытно-конструкторских работ

(ОКР)
- технического проекта
- рабочего проекта
-  испытаний опытного образца.
Стадию НИР во многих случаях можно разделить на стадии:
-   предпроектных исследований
-   технического задания
-   технического предложения.
На этих стадиях последовательно изучаются потребности в получении новых изделий с заданным целевым назначением, исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения изделий.
Далее исследуются возможности реализации этих принципов, прогнозируются возможные значения характеристик и параметров объектов.
Результатом НИР является формулировка технического задания (ТЗ) на разработку нового объекта.
На стадии ОКР разрабатывается эскизный проект изделия, проверяются, конкретизируются и корректируются принципы и положения, установленные на стадии НИР.

Процесс проектирования

все части проекта.
На стадии рабочего проекта создается

полный комплект конструкторско-технологической документации, достаточный для изготовления объекта.
На стадии испытаний опытного образца  (или пробной партии при крупносерийном производстве) получают результаты, позволяющие выявить возможные ошибки и недоработки проекта, принимаются меры к их устранению, после чего документация передается на предприятия, выделенные для серийного производства изделий.
Проектирование разделяется также на этапы. Используются при этом следующие понятия.  Проектное решение — описание объекта или его составной части, достаточное для рассмотрения и принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения. Проектная процедура — часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения. Примерами проектных процедур служат синтез функциональной схемы устройства, оптимизация параметров функционального узла, трассировка межсоединений на печатной плате и т. п. Этап проектирования  — это условно выделенная часть проектирования, сводящаяся к выполнению одной или нескольких проектных процедур, объединенных по признаку принадлежности получаемых проектных решений к одному иерархическому уровню и (или) аспекту описаний.
На любой стадии или этапе проектирования можно выявить ошибочность или неоптимальность ранее принятых решений и, следовательно, необходимость или целесообразность их пересмотра. Подобные возвраты характерны для проектирования и обусловливают его итерационный характер.

понятия процедур внешнего и внутреннего проектирования. К  внешнему проектированию относят процедуры формирования

или корректировки технического задания, а к внутреннему—процедуры реализации сформированного ТЗ. Тогда можно сказать, что происходит чередование процедур внешнего и внутреннего проектирования, что особенно характерно для ранних стадий (НИР, ОКР).
При этом различают нисходящее (сверху вниз) и восходящее (снизу вверх) проектирование.
При нисходящем проектировании задачи высоких иерархических уровней решаются прежде, чем задачи более низких иерархических уровней.
При восходящем проектировании последовательность противоположная. Функциональное проектирование сложных систем чаще всего является нисходящим, конструкторское проектирование—восходящим.

Типовые  процедуры  и маршруты проектирования

Процедуры синтеза и анализа.
Проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа.
Процедуры синтеза заключаются в создании описаний проектируемых объектов. В таких описаниях отображаются структура и параметры объекта и соответственно существуют процедуры структурного и параметрического синтеза. Под структурой объекта понимают состав его элементов и способы связи элементов друг с другом.

или режим его функционирования. Примерами процедур структурного синтеза служат

синтез  структурной схемы с корректирующими устройствами (структура которой выражается перечнем входящих в нее звеньев и их соединений) или синтез алгоритма (его структура определяется составом и последовательностью операторов). Процедура параметрического синтеза заключается в расчете значений параметров элементов при заданной структуре объекта, например коэффициентов корректирующих устройств.
Процедуры анализа заключаются в исследовании проектируемого объекта или его описания, направленном на получение полезной информации о свойствах объекта. Цель анализа — проверка работоспособности объекта. Часто задача анализа формулируется как задача установления соответствия двух различных описаний одного и того же объекта. При этом одно из описаний считается первичным и его корректность предполагается установленной. Другое описание относится к более подробному уровню иерархии или к другому аспекту, и его правильность нужно установить сопоставлением с первичным описанием. Такое сопоставление называется верификацией.

Маршруты проектирования и принципы их построения

Маршрутом проектирования называется последовательность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений.

построения маршрутов проектирования:
- расчленение сложной задачи синтеза полного комплекта конструкторско

- технологической документации на более простые задачи синтеза промежуточных проектных решений
- чередование процедур синтеза/и верификации
- итерационность проектирования
усиление тщательности анализа (многовариантность, усложнение моделей) по мере приближения к окончательному проектному решению.
Расчленение сложной задачи синтеза на ряд простых выполняется в соответствии с  блочно - иерархическим подходом к проектированию. Расчленение позволяет организовать параллельно-последовательное выполнение проектных процедур коллективом разработчиков.
Чередование процедур синтеза  и верификации обусловлено тем, что для большинства задач структурного синтеза отсутствуют методы, обеспечивающие безошибочное получение проектных решений, удовлетворяющих требованиям ТЗ. Это связано с трудностями формализации задач синтеза, поэтому основные решения принимает человек на основе эвристических приемов. При этом невозможно учесть все многообразие качественных и количественных требований и избежать ошибок. Поэтому результаты предложенных при синтезе проектных решений контролируются выполнением верификации.
Итерационность проектирования обусловлена двумя факторами. Во-первых, она вытекает из особенностей блочно-иерархического подхода. Действительно, при нисходящем проектировании на n-м иерархическом уровне можно лишь предположительно судить о свойствах неспроектированных элементов, которые будут разрабатываться на следующем (n+1)-м уровне.

корректность которых может быть установлена только при выполнении процедур

самого верхнего иерархического уровня. Поэтому ошибочность или неоптимальность решений, полученных на предыдущих этапах, выявляется в последующем, что требует возврата к предыдущим этапам для перепроектирования. Во-вторых, итерационность связана с чередованием синтеза и верификации, представляющим собой последовательное приближение к приемлемому проектному решению. Очевидно, что на первых итерациях синтезируемые варианты хуже с точки зрения выполнения ТЗ, чем последующие. Поэтому на первых итерациях с помощью довольно приближенных моделей полученные варианты оцениваются быстро и просто. Чем ближе очередной вариант к окончательному решению, тем более точное и всестороннее исследование требуется для его оценки. Следовательно, в процедурах верификации нужно использовать не одну модель объекта, а иерархический ряд моделей, различающихся сложностью и точностью.
Усиление тщательности анализа по мере приближения к окончательному решению выражается также в том, что проверка производится по все большему числу показателей, оговариваемых в ТЗ, зачастую с учетом статистического характера параметров и нестабильности внешних условий.

Подходы к верификации
Существуют два подхода к верификации проектных процедур: аналитический и численный.

двух сравниваемых описаний. В настоящее время класс объектов, для

которых удается реализовать аналитический подход, ограничен.
Численный подход основан на математическом моделировании процессов функционирования проектируемых объектов. Моделирование—это исследование объекта путем создания его модели и оперирования ею с целью получения полезной информации об объекте. При математическом моделировании исследуется математическая модель (ММ) объекта.

Типовые проектные процедуры

На рис. 2 представлена одна из возможных классификаций.

Процедуры структурного синтеза по характеру проектируемого объекта делятся на:
-  синтез схем (принципиальных, функциональных, структурных, кинематических и др.)
-  конструкций (определение геометрических форм, взаимного расположения деталей)
- процессов (технологических, вычислительных и др.)
- документации (чертежей, пояснительных записок, ведомостей и др.).
Основные процедуры параметрического синтеза
- оптимизация номинальных значений параметров элементов
 - оптимизация  их допусков
-  идентификация моделей
-  расчеты на основе упрощенных методик.

Рис.2 Классификация проектных процедур

– это процесс или совокупность мероприятий, направленных на выполнение

проектных решений с помощью ЭВМ. При этом должно быть предусмотрено рациональное распределение функций между человеком (проектировщиком) и ЭВМ.
Другие термины (адекватные, близкие по смыслу):
машинное проектирование;
компьютерное проектирование;
проектирование с помощью средств ВТ.
Неавтоматизированное – проектирование, при котором ЭВМ не используется.
Автоматическое проектирование – это такой вид проектирования, при котором проектирование выполняется с помощью ЭВМ без участия человека, т.е. проектировщик полностью «исключен» из сферы проектирования и не участвует в процессе принятия решений .

Цели автоматизации проектирования

повышение качества;
снижение материальных затрат;
сокращение средств проектирования;
уменьшение или ликвидация роста числа проектировщиков и конструкторов;
повышение производительности труда проектировщиков.

пример проектирования устройств
Распределение времен на выполнение проектных процедур

отражает табл.1.

Таблица. Структура и соотношение временных затрат
на выполнение процедур проектирования

машин изготавливают на заводах с серийным характером производства.
Много

вариантность возможных технологических решений, выбор наилучшего (оптимального), большой объем канцелярско – оформительной части работ, подготовка управляющих программ делает технологическое проектирование весьма трудоемким.
Т.о. необходимость автоматизации проектных решений заключается в разрешении противоречия между сокращением сроков на проектирование объектов ( в связи с частой сменой объектов производства ) и повышением качества проектирования и ограниченными трудовыми ресурсами.

Соотношение автоматизированного и неавтоматизированного проектирования

Граница между автоматизированным и неавтоматизированным способами проектирования не является абсолютно четкой, незыблемой, безусловной.

взаимосвязанный с подразделениями проектной организации и выполняющие автоматизированное проектирование».

– ГОСТ 22487-77. «Проектирование автоматизированное. Термины и определения»

Состав САПР. Виды обеспечения

Комплекс средств автоматизированного проектирования КСАП включает в себя следующие виды обеспечения:
техническое,
программное,
математическое,
лингвистическое,
информационное,
методическое,
организационное.
Т.о. КСАП – это совокупность различных видов обеспечения, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.
К объективным п/с относятся п/с, выполняющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования .
К инвариантным п/с, выполняющие унифицированные проектные процедуры.

САПР для переработки, хранения, передачи информации, организации общения человека

с ЭВМ, изготовления проектной документации. К техническому обеспечению САПР отно­сят также средства организационной техники, различное измерительное оборудование для получения данных, используемых при проектировании.
Математическое обеспечение — совокупность математических моделей, методов, алгоритмов для решения задач авто­матизированного проектирования. Математическое обеспечение реализуется в программном обеспечении САПР.
Программное обеспечение — совокупность программ, представленных в заданной форме, вместе с необходимой программной документацией, предназначенная для использования в САПР.
Лингвистическое обеспечение — совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о про­ектируемых объектах, процессе и средствах проектирования, кото­рой обмениваются люди с ЭВМ и между собой в процессе автоматизированного проектирования.
Информационное обеспечение — документы, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки данных  с записью указанных документов.                          
Методическое обеспечение — документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автома­тизированного проектирования. Иногда понятие методического обеспечения расширяют, включая в него лингвистическое и мате­матическое обеспечения.
Организационное обеспечение — положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектного предприятия и их взаимодействие с комплексом средств автоматизированного проектирования.

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.

ЧТО ТАКОЕ САПР

Процесс построения 3D-детали

Визуализация результатов моделирования столкновения, выполненная в NTNU

Анимированная модель поршневого двигателя в Autodesk Inventor

Пример работы
над проектом
в ArchiCAD

http://ru.wikipedia.org

3D-модель и чертеж в КОМПАС-3

2000
Тепловой анализ платы в пакете BETASoft-Board
Применение CAD

EDA

Анализ наводок в соседних проводниках при прокладке трассы в пакете Expedition PCB

Автоматическое изменение формы проводника с контролируемой длиной при перемещении конденсатора в пакете PADS PowerPCB

эффективности труда, вследствие:
сокращения трудоёмкости проектирования и планирования;
сокращения

сроков проектирования;
снижения себестоимости снижения себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;
повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;
сокращения затрат на натурное моделирование и испытания.

Решаемые задачи – автоматизация как можно большей части работ на всех стадиях проектирования и подготовки производства

Достижение 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.

http://ru.wikipedia.org

проектирования" (в английской нотации CAD) появился в конце пятидесятых

годов, когда Д.Т.Росс начал работать над одноименным проектом в Массачусетском технологическом институте (MIT). Первые CAD - системы появились десять лет спустя.

Работая на APT, программист начинает с наброска желаемой формы металлической детали на пронумерованной сетке, нарисованной на бумаге: при этом линии, точки и кривые помечаются обычными английскими словами типа BASE (база) и TIP (кончик).

Старейший из специализированных языков, используемый до сих пор, АПТ (APT, от Automatically Programmed Tool - автоматически программируемые инструменты). APT был разработан по контракту с ВВС США электромеханической лабораторией Массачусетского технологического института (MIT).

http://chernykh.net/content/view/213/226/

Справка: 20-летний математик и программист- самоучка Росс курировал разработку языка АЕД (AED, от ALGOL Extended for Design Алгол, расширенный для проектирования), предназначенного для написания программ компьютерного проектирования деталей, сборка которых осуществлялась бы в дальнейшем программно-управляемыми станками.

http://chernykh.net/content/view/213/226/

Douglas Taylor (Doug) Ross (1929 - 31 Jan 2007) was an American computer scientist (1929 - 31 Jan 2007) was an American computer scientist pioneer, and Chairman of SofTech, Inc..[1] He is most famous for originating the term CAD for computer-aided design He is most famous for originating the term CAD for computer-aided design, and is consider to be the father of Automatically Programmed Tools (APT) a language to drive numerically controlled manufacturing.

date back to 1957 when he developed software for

Pronto, the first commercial NC programming language, while working at General Electric. Soon after, he devised a set of standardized machine-readable characters for use on bank checks. In 1961 he moved on to General Motors Research Laboratories where he helped develop DAC, (Design Automated by Computer), the first CAD/CAM system to use interactive graphics. Hanratty's efforts in the project concentrated on the NC and graphics portion of the overall system.

Patrick J. Hanratty

Ivan Sutherland broke new ground in 3D computer modeling and visual simulation, the basis for computer graphics and CAD/CAM. His Ph.D. thesis at the Massachusetts Institute of Technology in 1963, for example, was "Sketchpad: A Man-Machine Graphical Communications System." It let designers use a lightpen to create engineering drawings directly on a CRT. The drawings could also be manipulated, duplicated, and stored. Sketchpad opened the door to graphic computing and included such features as computer memory to store drawn objects, rubber-banding for simpler line construction, the ability to zoom in or out on a display, and techniques for making perfect lines, corners, and joints.

Ivan E. Sutherland

ОСНОВОПОЛОЖНИКИ
САПР

http://americanmachinist.com/cadcam-software/cadcam-hall-fame

Manufacturing and Consulting Services (MSC). Несмотря на отсутствие даже

образования в колледже, Ханратти в 1954 году успешно начал карьеру программиста в авистроительной компании Convair. Затем он перешел в компанию General Electric, где создал свой первый CAM-пакет PRONTO (Programme for Numerical Tooling Operations) а позже - Machine Tool Director (MTD). В 1962 году Ханратти покинул GE и перешел на работу в General Motors, а в 1967 - Astronautics Corporation. После того, как Astronautics Corporation была поглощена McDonnel Douglas в 1970 Ханратти основал собственную компанию Integrated Computer Systems, позже перименованную в MSC. Среди продуктов MSC такие системы как INTERART, ADAM, ANVILL

Айвен Сазерленд - пионер компьютерной графики, создал первый интерактивный графический пакет «Sketchpad», прообраз будущих САПР. В 1961, будучи еще студентом МТИ, создал компьютерную программу, названную "Альбомом" (Sketchpad). Она позволяла рисовать простые фигуры на дисплее, сохранять их, а также обращаться к уже готовым прототипам. Ввод информации осуществлялся при помощи светового пера, принцип работы которого достаточно прост. На кончике пера располагалась небольшая фотоэлектрическая ячейка, испускающая поток импульсов. Как только перо оказывалось в видимой области экрана монитора компьютера, специальный уловитель импульсов реагировал на положение пера. Эта реакция отображалась соответствующим образом: на экране возникала линия.

http://infhist.voroh.com/ppls/sutherland.html

Hypertext Editing SystemPhoto of the Hypertext Editing System (HES)

console in use at Brown University, circa October 1969

Calcomp 565 drum plotter, 1958

ПЕРВЫЕ ШАГИ В САПР

Beginning in 1959, General Motors and IBM embarked on a project to create a unified computer assisted design environment. Originally called "Digital Design", its name was changed to DAC, for Design Augmented by Computer

— 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) — 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) — САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств) — САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств, интегральных схем) — САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств, интегральных схем, печатных плат) — САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств, интегральных схем, печатных плат и т. п., (Altium Designer) — 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, Piranesi, Piranesi, ArchiCAD).

http://ru.wikipedia.org

Сделано в Piranesi

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМИНОВ

Трехмерное моделирование платы
средствами компании
Zuken

которые обеспечивают различные аспекты проектирования:
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.
PDM (англ. Product Data Management — система управления данными об изделии) — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети и др.). PDM-системы являются неотъемлемой частью PLM-систем.
PLM (англ. Product Lifecycle Management) — технология управления жизненным циклом изделий) — технология управления жизненным циклом изделий. Организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии) — технология управления жизненным циклом изделий. Организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии и связанных с ним процессах на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с проектирования и производства до снятия с эксплуатации.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМИНОВ

http://ru.wikipedia.org