Косинцев В.И. и др. Основы проектирования химических производств

Подождите немного. Документ загружается.

101

носителей для станков с ЧПУ и сопроводительной документации к управ-

ляющим программам (рис. 3.1).

Рис. 3.2. Области использования ЭВМ в процессе проектирования

При современном развитии техники оптимальное решение всех пере-

численных выше задач с помощью одной САПР невозможно. САПР специа-

лизируется по отраслям, например, существуют различные системы в

станко-, самолето-, автомобиле-, приборостроении, электронике, строитель-

стве и др.

Разнообразные задачи проектирования, решаемые в системе САПР,

можно объединить в четыре группы функций, которые соответствуют четы-

102

рем заключительным фазам процесса проектирования по системе Шигли

(рис. 3.2).

Геометрическое моделирование в рамках САПР связано с получением

понятного машине математического описания геометрических свойств объ-

екта. При наличии такого описания образ проектируемого объекта можно

воспроизвести на экране графического терминала, а с ним можно манипули-

ровать посредством различных сигналов, идущих от центрального процессо-

ра САПР.

Для проведения геометрического моделирования разработчик конст-

руирует графическое изображение объекта на экране терминала системы

ИМГ, вводя в машину команды трех типов. Команды первого типа обеспечи-

вают формирование базовых геометрических элементов, таких как, точки,

линии и окружности. По командам второго типа осуществляется масштаби-

рование, повороты изображения и прочие преобразования базовых элемен-

тов. С помощью команд третьего типа производится компоновка различных

элементов в целостное изображение проектируемого объекта.

В ходе геометрического проектирования машина преобразует посту-

пающие сигналы в компоненты математической модели, запоминает

нужную информацию в файлах данных и отображает полученную мо-

дель проектируемого объекта на экране терминала. В последствии эта модель

может извлекаться из машинных файлов в целях проведения обзора, анализа,

изменения.

Существует несколько различных методов представления объекта при

геометрическом моделировании. Основным является представление объекта

в каркасной форме, когда он изображается совокупностью соединительных

линий. Каркасное геометрическое моделирование существует в трех видах

в зависимости от конкретных возможностей системы ИМГ:

2-мерное (типа 2Д) – для плоских объектов;

2,5-мерное, позволяющее воспроизводить на экране трехмерные объ-

екты, не имеющие деталей с боковыми стенками;

3-мерное (типа 3Д) – дающее возможность моделировать сложные

геометрические объекты в трехмерном отображении.

Необходимо отметить, что в случае, когда достаточно трехмерного про-

ектирования для отображения сложных форм проектируемого объекта, суще-

ствуют различные методы расширения каркасного моделирования.

Наиболее совершенный метод геометрического моделирования это

объемное представление монолитных тел. При использовании этого метода

проектируемый объект конструируется их монолитных геометрических тел,

называемых графическими монолитами.

Еще одна возможность САПР – это цветная графика, что позволяет вы-

делять отдельные компоненты сборочных узлов, подчеркивать объемность и

достигать другие цели.

103

Инженерный анализ. При выполнении проекта требуется проведение

процедуры анализа. Этот анализ может включать расчеты механических на-

пряжений и усилий, тепловых процессов, дифференциальных уравнений,

описывающих динамическое поведение проектируемого объекта, аппаратур-

ный расчет и т. д. В целом в ряде случаев для этого удается использовать

универсальные программы инженерного анализа, в других случаях требуется

разработка специальных программ для решения конкретных задач.

В готовых к непосредственному применению САПР такие средства либо

предусматриваются в составе системного программного обеспечения, либо

могут включаться потом в библиотеку программ и вызываться для использо-

вания в процессе работы с каждой конкретной моделью проектируемого объ-

екта. Если полученные результаты анализа свидетельствуют о нежелатель-

ных свойствах поведения проектируемого объекта, конструктор имеет воз-

можность изменить его форму и повторить анализ, например, методом ко-

нечных элементов для пересмотренной конструкции.

Обзор и оценка проектных решений. Проверку точности проектиро-

вания можно легко выполнить с использованием графического терминала.

Полуавтоматические стандартные программы определения размеров и до-

пусков, привязывающие размерные характеристики к указываемым пользо-

вателем поверхностям, позволяют сократить число ошибок в определении

размеров. Часто в процессе обзора используется процедура разбиения на

слои. Например, возможно наложение геометрического образа контуров го-

товой детали после механической обработки на станке на изображение чер-

новой заготовки. Указанная процедура может применяться поэтапно в целях

контроля каждой отдельной стадии изготовления детали.

Еще одна процедура, реализуемая в анализе проектных решений, состо-

ит в проверке взаимных наложений. Эта процедура связана с контролем ме-

стоположения элементов компоновочного узла, так как существует риск ус-

тановки их на места, уже занятые другими компонентами. Подобный риск

особенно реален при проектировании химических заводов, холодильных ус-

тановок и разного рода трубопроводов сложной конфигурации.

Одно из наиболее интересных средств оценки проектных решений это

кинематические модели. Стандартные коммерческие пакеты кинематики

обеспечивают возможность динамического воспроизведения движения про-

стых проектируемых механизмов вроде шарниров и сочлененных звеньев.

Наличие таких средств анализа расширяет возможности конструктора в час-

ти визуального наблюдения за работой механизма и помогает гарантировать

отсутствие столкновений с другими объектами.

3.4. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Автоматическое черчение предполагает получение выполненных на бу-

маге конструкторских чертежей непосредственно на базе данных САПР.

Производительность САПР на указанной операции по сравнению с чертеж-

104

ником возрастает примерно в пять раз. Функциональные возможности ИМГ в

процедурах изготовления чертежей проявляются в автоматическом опреде-

лении размеров, штриховки нужных областей, масштабировании, а также в

построении разрезов и изометрии, увеличении изображений конкретных эле-

ментов деталей.

Классификация и кодирование деталей. В дополнении к четырем вы-

ше описанным функциям САПР следует отнести еще одно достоинство

САПР: ее база данных может использоваться для разработки системы клас-

сификации и кодирования деталей. Смысл этой системы состоит в том, что

подобные детали группируются в классы, и свойство их подобия отображает-

ся в схеме кодирования. В результате конструкторы могут использовать сис-

тему классификации и кодирования в своей работе для отыскания уже суще-

ствующих конструкций деталей вместо проектирования их каждый раз зано-

во.

Формирование производственной базы данных. Одной из причин, по

которой внедрение САПР особенно оправдано, является возможность созда-

ния базы данных, необходимых для последующего изготовление проекти-

руемых изделий. В настоящее время существуют автоматизированные сис-

темы, в которых на этапе проектирования создается львиная доля информа-

ции и документации, необходимой для планирования производственного

процесса и управления технологическими операциями изготовления спроек-

тированных изделий.

Производственная база данных представляет собой интегрированную

базу данных, единую для САПР и автоматизированной системы управления

производственными процессами. Она содержит всю информацию об изде-

лии, сформированную в процессе его проектирования, а также некоторые до-

полнительные сведения, необходимые для производства и получаемые на ос-

нове проектных данных.

3.5. ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Автоматизация проектирования обеспечивает целый ряд преимуществ и

выгод, но лишь некоторые из них поддаются количественной оценке. Час-

тично эффективность САПР достигается за счет неявных факторов: улучше-

ния качества работы, получения более содержательной и более полезной ин-

формации, совершенствования процесса управления и все эти факторы труд-

но выразить количественно.

Некоторые другие выгоды сами по себе поддаются количественному

выражению, однако, их результат проявляется на более поздних стадиях про-

изводственного процесса и поэтому трудно бывает оценить соответствующие

выгоды при проектировании. Целый ряд статей экономического эффекта от

внедрения САПР можно измерить непосредственно, к их числу относятся:

увеличение производительности труда конструктора;

105

сокращение длительности циклов производства;

уменьшение требуемого числа конструкторов-проектировщиков;

обеспечение более быстрой реакции на запросы пользователей

САПР, касающиеся использования стандартных деталей;

минимизация числа ошибок, связанных с ручным оформлением до-

кументов;

повышение точности проектирования;

автоматизация процесса подготовки технической документации;

стандартизация проектных решений;

улучшение качества проектных разработок;

совершенствование внесения конструкторских изменений;

повышение разборчивости и информативности чертежей.

3.6. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К САПР

Основные требования к САПР связаны в основном с их эксплуатацион-

ными характеристиками, универсальностью САПР, а также возможностью

адаптации к быстроменяющимся условиям проектирования и производства.

К основным требованиям относятся:

1. Простой доступ пользователя к САПР. Под простым доступом по-

нимается возможность реализации проектной процедуры, необходимой поль-

зователю, на основе специальных языковых средств, ориентированных на

пользователя. Система автоматизированного проектирования снимает с

пользователя трудоемкие задачи создания математического описания и про-

граммирования модели. Чем выше «интеллект» системы, тем более прост и

лаконичен язык общения пользователя с САПР. Основой простоты взаимо-

действия пользователя с системой САПР является программное обеспечение.

Внешне эта простота проявляется в виде соответствующих языков, ориенти-

рованных на взаимодействие пользователя с САПР.

2. Прямой доступ пользователя к САПР. Под прямым доступом по-

нимается возможность непосредственного обращения пользователя к про-

граммно-информационным средствам САПР, иначе говоря, возможность

оперативного ввода данных и отображение результатов проектирования. В

подобном режиме прямого доступа пользователь может формировать и от-

лаживать программу, вводить новые данные, получать в виде распечаток и

графических результатов проектные и расчетные операции.

Режим прямого доступа в САПР способствует исключению из техноло-

гического цикла проектирования промежуточных звеньев, позволяет сосре-

доточить проектные работы в одном центре. Иначе говоря, средства прямого

доступа обеспечивают централизацию проектирования.

Подобная централизация резко повышает эффективность техпроцесса

благодаря предельному сокращению пауз между отдельными процедурами и

106

тем самым повышает наполненность содержательными работами и сокраща-

ет общее время технологического процесса проектирования (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема взаимодействия пользователя со средствами САПР:

а пакетный режим; б диалог с использованием терминала

Требования к пользователю САПР. Для настоящего времени будущие

пользователи автоматизированного проектирования (АП) во время их про-

фессиональной учебы недостаточно или совершенно не готовятся к работе с

САПР. Это замечание, прежде всего, относится к направленности курсов ос-

новных дисциплин, которые почти исключительно ориентированы на тради-

ционные методы обучения или работы. Для пользователя прежде всего необ-

ходимо знание обработки данных, английского языка и дисциплины.

Все САПР ориентированы на пользователя, т. е. внутренние процессы,

происходящие в САПР, остаются для пользователя в большинстве случаев

скрытыми. Все же целесообразно уметь мысленно воспроизводить последо-

вательность действий системы, что позволяет предотвращать заведомо не-

реалистические представления и приемы работы.

Большинство работающих сейчас систем по «происхождению» англоя-

зычные или же создавались для экспортных поставок, и в них английский

язык используется как основной. Хотя перевод системы на другие языки

принципиально возможен, но с этим связан большой объем работы. Диалог

между пользователем и системой происходит на простейшем английском

языке, насыщенном специальными терминами АП.

Эксплуатация САПР предполагает соответствующую учебу. Содержа-

ние и объем подготовки ориентированы в каждом случае на конвейерную

систему, на которой предстоит работать будущему пользователю, так как со-

держание и объем курса весьма специфичны, он не может являться составной

частью общеобразовательной подготовки и, как правило, пользователь обу-

чается на курсах повышения квалификации.

Универсальность программного обеспечения (ПО) и адаптация

САПР к условиям проектирования. Универсальность определяется степе-

107

нью инвариантности программ по отношению к проектным задачам. Универ-

сальное программное обеспечение позволяет решать с помощью одних и тех

же средств широкий круг проектных задач.

Адаптируемость и универсальность САПР подчинены по сути одним

целям. Оба понятия связаны с созданием программно-информационных

средств, обеспечивающих выполнение проектных работ по широкому классу

изделий при различных изменяющихся условиях проектирования. Однако

адаптируемость, в отличие от универсальности, предполагает главным обра-

зом возможность включения в систему новых программных средств и рас-

ширения базиса структурного синтеза для отслеживания непредусмотренных

изменений среды проектирования.

К изменениям среды относятся: смена используемой в проектировании

базы, изменение конструктивов, смена технологических требований, измене-

ние парка исполнительных автоматов, смена состава и формы конструктор-

ской документации, появление более современных методов (алгоритмов)

проектирования. Средства адаптации обеспечивают долговечность и живу-

честь системы.

Адаптация в современных САПР осуществляется реализацией двух ос-

новных принципов:

модульных принципов построения структуры программного обеспече-

ния (ПО);

отделения данных от программы и создания самостоятельно функцио-

нирующей базы данных, связанной стандартным программным интерфейсом

с программными модулями.

Модульный принцип предполагает возможность включения и выключе-

ния отдельных процедур без нарушения функционирования САПР. Это по-

зволяет при необходимости заменить одни программные модули другими и

вставить новые.

Создание баз данных является обязательным условием реализации мо-

дульного принципа, поскольку в этом случае исключение отдельной про-

граммы не нарушает целостность информационного взаимодействия про-

граммных средств. База данных в САПР является сосредоточением (библио-

текой) математических модулей элементного базиса проектирования,

т. е. того базиса, из которого формируются модели сложных объектов.

3.7. СВЯЗЬ САПР С ПРОИЗВОДСТВОМ,

РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

При использовании САПР для изготовления объекта необходим огром-

ный объем проектной информации. При традиционных ручных способов

производства САПР должна поставлять текстовую и графическую конструк-

торскую документацию с описанием технологических процессов. При авто-

108

матизированном производстве отдельной для САПР является постановка

программ для станочного парка с ЧПУ и автоматом контроля.

Входные и выходные данные расчетов нередко имеют непосредственное

отношение к геометрии конструируемых объектов. Поэтому предпринима-

ются попытки увязать расчеты с графическими процедурами или полностью

интегрировать их в процесс АП.

Важным видом расчета является метод конечных элементов, применяе-

мый тогда, когда сложность детали уже не позволяет использование анали-

тических методов. Методом конечных элементов (МКЭ) сложные детали

конструкции расчленяют на простые основные элементы, которые легко под-

даются расчету. Путем стыковки соседних элементов получают большое

число уравнений (систему) со многими неизвестными, часто многими тыся-

чами неизвестных. Решение таких систем доступно только высокопроизво-

дительным ЭВМ, т. к. для этого требуется выполнение огромного количества

арифметических операций.

Распространенными областями применения МКЭ являются прочностные

расчеты, распределение температур и др. При этом результаты расчетов мо-

гут быть представлены графически, например, в виде линий напряжений или

деформаций. Связь других объемных геометрических расчетов с САПР поч-

ти всегда находится через интерфейсы. На практике это значит, что работают

две независимые друг от друга программные системы, которые могут между

собой обмениваться данными.

Так, например, результаты расчета зубчатого зацепления могут быть пе-

реданы САПР в качестве геометрических элементов, а там подвергаться

дальнейшей обработке любым образом для использования при выполнении

штриховки или нанесения размеров.

Вариантное конструирование. Возможность вариантного конструиро-

вания используется в случае, когда существует постоянная потребность в

формировании чертежей деталей, которые могут быть выполнены путем

варьирования по жесткой схеме. Различают размерные варианты и варианты

формы.

Например, требуется получить варьируемый по длине и ширине прямо-

угольник с точкой привязки в нижнем левом углу. Пользователь запускает

вариантную программу применяя, например команду: ПУСК, ВАРИАНТ,

ПРЯМОУГОЛЬНИК.

Программа запрашивает необходимые данные и дает соответствующие

пояснения:

«ввод длины:»

«ввод ширины:»

«ввод начальных координат:».

Пользователь после двоеточия указывает желаемые величины. Системы

используют различные языки: Фортран, Бейсик и др.

109

Генерирование спецификаций. С целью составления спецификаций

информация, хранящаяся в памяти ЭВМ, преобразуется и затем использует-

ся. При этом обязательны две предпосылки:

требуемая информация, а также и ее необходимая форма, должны

быть введены заранее вместе с чертежом;

САПР должна уметь обрабатывать эту информацию т. е. должна

располагать соответствующим интерфейсом.

Лучше всего удается составить спецификацию, когда каждая отдельная

деталь выполняется автономно, снабжается требуемым обозначением и для

составления сборочного чертежа затем вызывается из банка данных. Про-

граммы, предназначенные для составления спецификаций, должны обеспе-

чить чтение и использование данных чертежей, и, в случае необходимости,

автоматически корректироваться.

Интерфейсы с банком данных. Если в рамках одной САПР решение

всех задач пользователя не обеспечивается, то она должна представить воз-

можность посредством интерфейса АП банка данных считать хранящуюся

в нем информацию или записать в него требуемые данные

В основном каждый изготовитель САПР пользуется собственными ин-

терфейсами, т. к. отсутствуют общепринятые нормы, по которым могли бы

обмениваться данными АП.

Отыскивание деталей-аналогов. Ведутся разработки, которые позво-

ляют осуществлять просмотр чертежей полученных при АП на экране графи-

ческого дисплея. При этом алфавитно-цифровой поиск деталей повторного

использования по предметным признакам комбинируется с быстрым «пере-

листыванием» чертежей.

Влияние новой технологии. При внедрении САПР для предприятий

важной характеристикой является экономия рабочего времени. Из литера-

турных источников следует, что с применением АП объем работ, связанный с

чертежной доской, уменьшает вдвое, а в отдельных специальных случаях и в

20 раз. Продуктивное использование САПР означает не столько минимиза-

цию конструкторских работ, сколько достижение оптимального соотношения

между объемом работы и ее результатом.

3.8. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ ЗАВОДОВ

В качестве главного принципа создания САПР следует назвать принцип

комплексного охвата решаемых системой проектных задач. Невозможность

широкого внедрения автоматизации отдельных проектных задач объясняется

тем, что каждая отдельная задача встречается достаточно редко, вследствие

чего разработка и поддержание работоспособности каждой автоматизиро-

ванной процедуры в виде отдельной системы с большим количеством вспо-

могательных ресурсов становятся нерентабельными.

110

Только в том случае, когда все задачи объединены в единую систему с

непрерывной передачей информации от одной проектной процедуры к дру-

гой, с едиными обслуживающими подсистемами, автоматизированное проек-

тирование сможет решить возложенные на него задачи.

Рассмотрим в качестве примера состав и функционирование

системы автоматизированного проектирования цементных заводов

(САПР ЦЕМЕНТ), разработанную в институте Гипроцемент.

Как уже отмечалось ранее, основными компонентами САПР являются:

комплекс технических средств, программное обеспечение, информационное

обеспечение, методическое обеспечение.

Комплекс технических средств (КТС). КТС САПР строится на базе

высокопроизводительных ЭВМ, доукомплектованных набором устройств,

выполняющих специфические функции для нужд проектирования.

Производительность КТС является критерием, определяющим потенци-

альные возможности разрабатываемой САПР. Наиболее критичными пара-

метрами в этом плане являются:

быстродействие процессора;

объем оперативной памяти;

объем памяти внешних запоминающих устройств.

Программное обеспечение. Программное обеспечение по своему на-

значению классифицируется следующим образом:

стандартное программное обеспечение, поставляемое вместе с универ-

сальной ЭВМ; сюда входит операционная система, осуществляющая управ-

ление вычислительным процессом и распределение ресурсов между рабо-

тающими программами и трансляторы с универсальных языков программи-

рования;

специальное системное программное обеспечение, то есть программы,

выполняющие функции, специфичные для разрабатываемой системы;

проблемное программное обеспечение, то есть программы, непосред-

ственно выполняющие необходимые проектные процедуры.

Большие системы проблемных программ разбиваются по различным

признакам на более мелкие компоненты, такие как подсистемы, пакеты при-

кладных программ (ППП), программные модули. САПР заводов, как прави-

ло, состоит из следующих подсистем:

технологического проектирования;

строительного проектирования;

электротехническое проектирование;

сантехнического проектирования;

проектирования КИП и автоматики;

генплана;

сметы;

экономики.