Общая структура, принципы и особенности проектирования программных средств для моделирования и автоматизированного проектирования

Б. А. Тонконогов

 

Учебно-методическое пособие

 «Инженерная графика»

 

Содержание

Введение. 5

1. Общая структура, принципы и особенности проектирования программных средств для моделирования и автоматизированного проектирования. 9

1.1. Общая структура программных средств для автоматизированного проектирования. Модель общей традиционной и нетрадиционной структуры (архитектуры). Геометрические объекты.. 12

1.2. Принципы построения программных средств для автоматизированного проектирования. Способы описания поверхностей и построения геометрических моделей. Графические форматы данных. Требования, предъявляемые к системам автоматизированного проектирования. Тенденции развития методов автоматизированного проектирования. 20

2. Обзор и основные возможности системы автоматизированного проектирования AutoCAD.. 34

2.1. Знакомство с AutoCAD. Основные термины и понятия. Геометрические элементы и работа с ними. 34

2.2. Принципы создания и оформления чертежей. 48

3. Обзор и основные возможности системы автоматизированного проектирования SolidWorks. 59

3.1. Знакомство с SolidWorks. Работа с элементами, деталями и сборками. 59

3.2. Элементы построения по траекториям и сечениям. Рисование эскизов профилей. Копирование эскиза. Работа со сборками. Редактирование вида с разнесенными частями. 72

3.3. Работа по созданию и оформлению чертежей. Основные надписи чертежей. Использование видов и слоев. Двухмерное рисование. Нанесение размеров и примечаний на чертежах. Создание чертежа с именованными видами. Формирование местного вида. Рисование вида с разнесенными частями. Добавление заметок. 90

4. Обзор и основные возможности программного пакета Microsoft Visio. 103

4.1. Знакомство с Microsoft Visio. Общие принципы. Пользовательский интерфейс. Главное окно. Окна рисунка, группы, предварительного просмотра и шейп-листа. 103

4.2. Создание и оформление диаграмм. Рисование графическими примитивами. Создание трафарета и шаблона. 108

5. Использование положений государственных стандартов «Единая система программной документации» и «Единая система конструкторской документации» при оформлении документации на программные продукты и чертежи. 123

5.1. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85) «Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Обозначения условные и правила выполнения». 125

5.2. ГОСТ 2.001-93 (УДК 002:62:006.354) «Единая система конструкторской документации. Общие положения». ГОСТ 2.103-68* (СТ СЭВ 208-75) (УДК 62(084.11):006.354) «Единая система конструкторской документации. Стадии разработки». 149

5.3. ГОСТ 2.004-88 (УДК 65.012.2:002(083.96)) «Единая система конструкторской документации. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ». 153

5.4. ГОСТ 2.118-73* (УДК 002:744:006.354) «Единая система конструкторской документации. Техническое предложение». ГОСТ 2.119-73 (УДК 002:744:006.354) «Единая система конструкторской документации. Эскизный проект». ГОСТ 2.120-73* (УДК 002:744:006.354) «Единая система конструкторской документации. Технический проект». 159

5.5. Форматы бумаги и конверта. 176

Заключение. 181

Литература. 182

 

Введение

     Времена, когда рабочее место конструктора было оснащено всего лишь кульманом и канцелярскими принадлежностями, ушли в прошлое. В мире современных технологий невозможно достичь высокого уровня конструирования без использования систем автоматизированного проектирования (САПР), которые обеспечивают максимальную точность выполнения чертежей и экономят время за счет автоматизации многих рутинных операций. Более того, создаваемые с их помощью результаты можно передавать по технологической цепочке дальше для выполнения последующих производственных операций. Лидерами среди систем автоматизированного проектирования, вне всякого сомнения, можно считать AutoCAD, SolidWorks, Pro/Engineer и другие программные пакеты. За годы, прошедшие со времени появления таких программных комплексов, они превратилась в мощную среду, без которой трудно представить работу современного промышленного предприятия или конструкторского бюро. С каждой новой версией пакеты предлагают самые совершенные средства двухмерного и трехмерного проектирования, оформления чертежей, улучшенную справочную информацию, а также удобные инструменты твердотельного и другого моделирования. Современные технологии, заложенные в системе, способны обеспечить эффективную коллективную работу над проектом с учетом стандартов предприятия и различных методов проектирования. Например, по сравнению с предыдущей версией, в программном пакете AutoCAD 2007 улучшены пользовательский интерфейс, поддержка цвета, а также формат файла, что обеспечивает более быструю загрузку и сохранение чертежей. Изучая AutoCAD, вы поймете общие принципы построения систем проектирования и в будущем сможете без труда освоить другие программы САПР. Предлагаемое вашему вниманию учебно-методическое пособие, состоит из множества занятий с несложными упражнениями, каждое из которых описывает методику выполнения той или иной операции. Наличие большого количества рисунков поможет вам ориентироваться в графическом интерфейсе AutoCAD и других программных комплексов, а также научиться контролировать правильность выполняемых действий.

     Ускорение научно-технического прогресса и техническое перевооружение промышленности приводят к резкому увеличению объемов информации во всех звеньях управления и подготовки производства. Техническая подготовка производства является одним из самых длительных и трудоемких этапов при освоении выпуска новых изделий. Наиболее эффективное направление сокращения этого этапа – это автоматизация. Поэтому в настоящее время сокращение сроков, стоимости, и в то же время повышение качества проектирования технологических систем достигается не за счет увеличения численности конструкторов, технологов и нормировщиков, а путем создания и широкого применения в производстве автоматизированных систем проектирования.

     Аналитические методы расчета конструкций природы без натурного моделирования широко применялись и ранее. Однако бурное развитие вычислительной техники дало новый толчок к совершенствованию численных методов, которые являются сегодня основным инструментом инженера-проектировщика и неотъемлемой частью процесса проектирования изделия.

     Программные средства для моделирования технологических систем входят в состав современных CAE-систем (Computer Aided Engineering), обеспечивающих анализ (моделирование) и оптимизацию конструкций (процессов).

     Программные модули для компьютерного анализа процессов и конструкций входят в виде встроенных подсистем в состав современных программных средств для автоматизированного проектирования. САПР решают следующие основные задачи:

· создание трехмерной модели изделия;

· управление проектами и техническим документооборотом с выпуском конструкторской документации;

· создание технологической документации и управляющих программ технологического оборудования;

· всесторонний анализ (расчет) изделия;

· создание технологической оснастки для изготовления изделия;

· изготовление изделия и др.

     На сегодняшний день можно отметить следующие важные тенденции в современном развитии автоматизированных систем проектирования и производства в промышленности:

· интеграция автоматизированных систем CAD / CAM / CAE / PDM на основе единых информационных технологий (так называемые «сквозные САПР»);

· внедрение объектно-ориентированного подхода и на этой базе – предоставление пользователям более естественного интерфейса;

· открытость систем автоматизации для расширений;

· расслоение классов систем автоматизации по мощности и профессиональной ориентации с сохранением возможности их интеграции в единую среду и др.

     Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что в настоящее время происходит смена поколений САПР и переход к технологиям XXI века. Традиционная структура САПР, ядро которой образует геометрический процессор, уступает место гибкой архитектуре, основанной на активных объектах, имеющих при необходимости геометрическую и (или) графическую модель. Это позволяет осуществить гибкую интеграцию информационного обеспечения различных этапов жизненного цикла изделий, естественным образом организовать совмещенное проектирование, резко сократить сроки и стоимость разработки и адаптации систем.

     Цель изучения дисциплины. Предметом изучения дисциплины являются основы инженерной и компьютерной графики.

     Цель преподавания дисциплины – изучение основ инженерной и компьютерной графики, формирование у студентов представлений о системах автоматизированного проектирования и инженерного анализа, навыков работы с программными пакетами AutoCAD, SolidWorks и Microsoft Visio, знакомство с их основными пользовательскими элементами, возможностями и общими принципами и правилами работы в них при создании и оформлении чертежей и диаграмм, а также основными положениями государственных стандартов «Единая система программной документации» и «Единая система конструкторской документации» для дальнейшего квалифицированного использования в учеб-ном процессе, научных исследованиях и практической работе.

     Изучение данного курса предусматривается учебным планом по специальности 1-40 01 02-06 «Информационные системы и технологии (в экологии)».

     Задачи дисциплины. В результате усвоения этой дисциплины обучаемый должен:

     иметь представление:

· о предмете инженерной и компьютерной графики и направлениях ее развития;

· о современных системах автоматизированного проектирования и инженерного анализа, их основных элементах и принципах построения и работы;

· о методах автоматизированного создания и оформления диаграмм и чертежей;

· о государственном стандарте «Единая система программной документации»;

· о государственном стандарте «Единая система конструкторской документации»;

     знать и уметь использовать:

· основы инженерной и компьютерной графики;

· системы автоматизированного проектирования и инженерного анализа;

· основные положения государственных стандартов «Единая система программной документации» и «Единая система конструкторской документации» для решения учебных задач и задач в профессиональной деятельности;

     иметь навыки:

· практической работы с системами автоматизированного проектирования и инженерного анализа для решения прикладных задач;

· ориентации для поиска необходимой информации в государственных стандартов «Единая система программной документации» и «Единая система конструкторской документации».

     Дисциплины, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины. Для успешного изучения данной дисциплины студентами должны быть усвоены следующие дисциплины (с учетом усвоения всех разделов и тем):

· «Информатика и программирование (информационные технологии)»;

· «Информатика и программирование (основы программирования)».

Общая структура, принципы и особенности проектирования программных средств для моделирования и автоматизированного проектирования

     Программные средства для геометрического и математического моделирования (анализа и проектирования) деталей, узлов, сборок, технологических систем и процессов относятся к средствам систем автоматизированного проектирования (САПР), причем в случае последнего определения следует различать следующие основные понятия систем:

· CAD (Computer Aided Design) – проектирование с помощью ЭВМ;

· CAM (Computer Aided Manufacturing) – производство с централизованным управлением от ЭВМ;

· CAD / CAM – автоматизированное проектирование и изготовление деталей с использованием ЭВМ;

· CAE (Computer Aided Engineering) – комплексно выполняемое конструирование (включая вычерчивание деталей и узлов), технологическая подготовка производства и изготовление деталей с использованием ЭВМ.

     Системы CAE включают качественное обеспечение конструктора необходимыми информационно-технологическими средствами и предполагают в качестве составных частей подсистемы CAD и CAE.

     В нашей стране понятия CAD – «системы машинного проектирования» – практически тождественны с понятиями «автоматизированное проектирование» и «системы автоматизированного проектирования» (САПР), а понятия CAM соответствуют понятиям «автоматизированные системы управления технологической подготовкой производства», или АСУТП. Объединяя эти два понятия, приходим к системам CAD / CAM – «интегрированным автоматизированным системам управления» (ИАСУ). Наивысшей степенью интеграции, включающей гибкое автоматизированное производство (ГАП), являются системы CAE, идентичные отечественным «автоматизированным системам технической подготовки производства» (АС ТПП).

     Таким образом, автоматизированное проектирование – это проектирование под управлением системы автоматизированного проектирования – САПР. САПР – это организационно-техническая система, выполняющая автоматизированное проектирование, – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанный с подразделениями проектной организации.

     Как известно, основой САПР является моделирование проектируемых объектов.

     Рассмотрим необходимые компоненты САПР, точнее виды ее обеспечения:

· методическое (документация на состав и правила эксплуатации САПР);

· лингвистическое (отражение уровня тех языковых средств, с помощью которых производится преобразование информации в системе);

· математическое (определение методов и алгоритмов проектирования, на которых, собственно, и возводится вся надстройка САПР);

· графическое (выполнение функций формализации образов проектируемых конструкций, интерпретации результатов проектирования, получения твердых копий чертежей и компоновок);

· информационное (выполнение функций своевременной передачи атрибутов информации о данном процессе проектирования с помощью гибкого манипулирования информацией на внешних носителях);

· техническое (комплекс технических средств САПР, от компоновки которых зависит ее назначение);

· организационное (регламентация взаимоотношения между проектировщиками и комплексом средств автоматизации проектирования).

     Все перечисленные компоненты взаимодействуют в САПР по определенным принципам и являются той основой, на которой базируется автоматизированное проектирование.

     Главной причиной разработки САПР явилось все возрастающее несоответствие между требованиями сокращения сроков, повышения качества, снижения стоимости проектных работ и старыми методами проектирования.

     Необходимость использования САПР в технологических процессах (ТП) обуславливается следующими преимуществами:

· сокращение сроков разработки изделий, благодаря быстрому обмену информацией и корректировкой;

· уменьшение стоимости разработки изделия благодаря снижению затрат на разработку;

· повышение качества проектирования благодаря вариантной разработке проектов, более детальной и глубокой проработке проектно-конструкторских решений и т. д.

     Например, в электронной технике наиболее широко применяются САПР ТП для проектирования и изготовления печатных плат. Практическое применение таких САПР позволяет в десятки раз сократить время и затраты на проектирование и технологическую подготовку производства новых изделий. С учетом быстрого морального старения изделий электронной техники (особенно в области ЭВМ) это обеспечивает конкурентоспособность изделий на мировом рынке.

     Рассмотрим формализованное описание расчетной задачи. На рис. 1.1 представлена структура решения расчетной задачи.

 

Рис. 1.1. Структура решения расчетной задачи

     При обычном (неавтоматизированном) проектировании реализация каждого этапа осуществляется человеком, при этом для каждой конкретной задачи весь процесс выполняется заново.

     Иначе выглядит этот процесс в САПР, построенных на полностью формализуемых методах решения проектных задач. Результат решения задачи в таких системах – множество взаимосвязанных элементов объекта, т. е. конструктивно-технологический граф. Сам процесс решения связан с формированием функциональных элементов объекта и может быть представлен в качестве структурно-функционального графа. Синтез объекта состоит из решения идентичных задач, которые в САПР классифицируются как проектные операции.

     В системах можно выделить три части, или подсистемы:

· формирования входной информации;

· проектирования – пакеты прикладных и управляющих программ;

· формирования выходной информации.

     Такие системы работают обычно в автоматическом режиме, имеют многовариантную основу, т. е. могут быть нацелены на процесс перепроектирования, если полученный результат по тем или иным причинам не устраивает проектировщика. Идентичные элементы систем САПР в зарубежной литературе имеют следующую аббревиатуру:

· подсистема формирования входной информации – Preprocessor (препроцессор);

· подсистема проектирования – Processor (процессор);

· подсистема формирования выходной информации – Postprocessor (постпроцессор).

     Для придания данным системам большей универсальности в них предусмотрено несколько уровней ветвления хода решения задачи, что придает им некоторую сложность и трудоемкость в использовании и повышенные требования к квалификации.

     САПР по своей иерархии подразделяются на следующие группы:

· эвристические САПР (САПР организации поиска решения неформализуемых задач);

· САПР функционального назначения (расчетно-оптимизационные САПР, графоаналитические САПР, САПР конструкций, графические САПР, САПР подготовки технической документации, информационные САПР, САПР технологической подготовки программ для станков с численным программным управлением (ЧПУ);

· специализированные САПР (разнообразные САПР, область применения которых ограничивается определенным классом конструкций, инвариантные САПР) и др.