Документация по использованию средств сапр руководство пользователя относятся к

Стандарты по САПР
требуют выделения в качестве
самостоятельного компонента
организационного обеспечения, которое
включает в себя положения, инструкции,
приказы, штатные расписания,
квалифицированные требования и другие
документы, регламентирующие организационную
структуру подразделений проектной
организации и взаимодействие подразделений
с комплексом средств автоматизированного
проектирования. Функционирование САПР
возможно только при наличии и взаимодействии
перечисленных ниже средств:

— программного
обеспечения;

— информационного
обеспечения;

— методического
обеспечения;

— математического
обеспечения;

— лингвистического
обеспечения;

— технического
обеспечения;

— организационного
обеспечения.

Теперь кратко
разберёмся с назначением каждого
компонента средств САПР

Программное
обеспечение САПР.

Программное
обеспечение САПР представляет собой
совокупность всех программ и
эксплуатационной документации к ним,
необходимых для выполнения
автоматизированного проектирования.
Программное обеспечение делиться на
общесистемное и специальное (прикладное)
ПО. Общесистемное ПО предназначено для
организации функционирования технических
средств, т. е. для планирования и управления
вычислительным процессом, распределения
имеющихся ресурсов, о представлено
различными операционными системами. В
специальном ПО реализуется математическое
обеспечение для непосредственного
выполнения проектных процедур.

Требования
к компонентам программного
обеспечения

Компоненты
программного обеспечения, объединенные
в программно-методический
комплекс (ПМК)
и программно-технических комплексов
(ПТК),
должны
иметь иерархическую организацию, в
которой на верхнем уровне размещается
монитор управления компонентами нижних
уровней программными модулями.

Программный
модуль должен: регламентировать
функ­ционально законченное преобразование
информации; быть напи­санным на одном
из стандартных языков программирования;
удов­летворять соглашениям о
представлении данных, принятым в дан­ной
быть оформленным в соответствии с
требованиями ЕСДП.

Монитор предназначен
для: управления функционирова­нием
набора программных модулей ПМК, включая
контроль по­следовательности и
правильности исполнения; реализации
обще­ния пользователя с ПМК и
программных модулей с соответст­вующими
базами данных (БД); сбора статистической
информа­ции.

Информационное
обеспечение САПР.

Основу составляют
данные, которыми пользуются проектировщики
в процессе проектирования непосредственно
для выработки проектных решений. Эти
данные могут быть представлены в виде
тех или иных документов на различных
носителях, содержащих сведения справочного
характера о материалах, параметрах
элементов, сведения о состоянии текущих
разработок в виде промежуточных и
окончательных проектных решений.

Требования к
компонентам информацион­ного
обеспечения

Основной формой
реализации, компонентов информа­ционного
обеспечения являются БД в распределенной
или центра­лизованной форме, организация
данных в которых обеспечивает их
оптимальное использование в конкретных
применениях.

Совокупность БД
САПР должна удовлетворять принципу
информационного единства, т. е. использовать
термины, символы, классификаторы,
условные обозначения, способы
представления данных, принятые в САПР
объектов конкретных видов.

Независимо от
логической организации данных БД долж­ны
обеспечивать:

—
информационную совместимость проектирующих
и обслужи­вающих

подсистем САПР;

—
независимость данных на логическом и
физическом уровнях, в том

числе
инвариантность к программному обеспечению;

—
возможность одновременного использования
данных из различ­ных БД

и различными
пользователями;

—
возможность интеграции неоднородных
БД для совместного их

использования
различными подсистемами САПР;

—
возможность наращивания БД;

—
контролируемую избыточность данных.

Создание,
поддержка и использование БД, а
также взаимосвязь между информацией в
БД и обрабатывающими ее программными
модулями осуществляется системой
управления базами данных (СУБД),
являющейся, как общесистемный ПМК,
частью одной из обслуживающих подсистем.

Методическое
обеспечение САПР.

Под методическим
обеспечением САПР понимают входящие в
её состав документы, регламентирующие
порядок ее эксплуатации. Причем документы,
относящиеся к процессу создания САПР,
не входят в состав методического
обеспечения. Так в основном документы
методического обеспечения носят
инструктивный характер, и их разработка
является процессом творческим.

Требования
к компонентам методического
обеспечения

К
компонентам методического обеспечения
относят: ут­вержденную документацию
инструктивно-методического харак­тера,
устанавливающую технологию
автоматизированного проек­тирования;
правила эксплуатации комплекса средств
автоматизированного проектирования,
ПМК; норма­тивы, стандарты и другие
руководящие документы, регламенти­рующие
процесс и объект проектирования.

Компоненты
методического обеспечения должны
раз­мещаться на’ машинных носителях
информации, позволяющих осуществлять
как долговременное хранение документов,
так и их оперативный вывод в форматах,
установленных соответствующими
стандартами.

Математическое
обеспечение САПР.

Основа — это
алгоритмы, по которым разрабатывается
программное обеспечение САПР. Среди
разнообразных элементов математического
обеспечения имеются инвариантные
элементы-принципы построения
функциональных моделей, методы численного
решения алгебраических и дифференциальных
уравнений, постановки экстремальных
задач, поиски экстремума. Разработка
математического обеспечения является
самым сложным этапом создания САПР, от
которого в наибольшей степени зависят
производительность и эффективность
функционирования САПР в целом.

Требования
к компонентам математичес­кого
обеспечения

К
компонентам математического обеспечения
относят ме­тоды математического
моделирования объектов и процессов
проек­тирования, математические
модели объектов и процессов проекти­рования,
алгоритмы решения задач в процессе
проектирования.

Взаимосвязи между
компонентами математического обес­печения
должны обеспечивать формализацию
процесса проектиро­вания и его
целостность.

Лингвистическое
обеспечение САПР.

Основу составляют
специальные языковые средства (языки
проектирования), предназначенные для
описания процедур автоматизированного
проектирования и проектных решений.
Основная часть лингвистического
обеспечения — языки общения человека с
ЭВМ.

Требования к
компонентам лингвистичес­кого
обеспечения

К компонентам
лингвистического обеспечения относят
языки проектирования (ЯП),
информационно-поисковые языки (ИПЯ), и
вспомогательные языки, используемые в
обслуживаю­щих подсистемах, и для
связи с ними проектирующих подсистем.

Компоненты
лингвистического обеспечения должны
быть согласованными с компонентами
обеспечения других видов, быть относительно
инвариантными к конкретному содержанию
баз дан­ных, предоставлять в компактной
форме средства для описания всех объектов
и процессов заданного для систем класса
с не­обходимой степенью детализации
и без существенных ограничений на объект
описания, быть рассчитанными, в основном,
на диало­говый режим их использования.

ЯП должны базироваться
на. терминах, принятых в кон­кретной
системе, обеспечивать описание, управление
и контроль процесса проектирования,
быть ориентированными на пользова­телей
с различным уровнем профессиональной
подготовки (в том числе не имеющих
специальной подготовки в области
програм­мирования), обеспечивать
однозначное представление информации,
стандартное описание однотипных
элементов и высокую надеж­ность
идентификации описания.

ЯП
должны представлять собой набор директив,
исполь­зуя которые пользователь
осуществляет процесс формирования
модели объекта проектирования и ее
анализ, обеспечивать возмож­ность
эффективного контроля заданий
пользователя, иметь сред­ства выдачи
пользователю справок, инструкций и
сообщений об ошибках, предусматривать
возможность использования механизма
выбора альтернативных директив из
определенного набора (функ­циональная
клавиатура и др.).

ИПЯ должны включать
словари, правила индексирова­ния
входной информации и правила формирования
поисковых предписаний.

Словари ИПЯ должны
содержать термины (в том числе
стан­дартизованные) соответствующей
области техники и другие лекси­ческие,
единицы, необходимые для индексирования
и поиска проектной информации с высокой
точностью и полнотой.

Техническое
обеспечение САПР.

Это создание и
использование ЭВМ, графопостроителей,
оргтехники и всевозможных технических
устройств, облегчающих процесс
автоматизированного проектирования.

Требования к
компонентам технического обеспечения

К
компонентам технического обеспечения
относят уст­ройства вычислительной
и организационной техники, средства
передачи данных, измерительные и другие
устройства и их со­четания, обеспечивающие
функционирование ПТК и КСАП, в том числе
диалоговый, многопользовательский и
многозадачный режим работы, а также
построение иерархических и сетевых
структур технического обеспечения.

В качестве
предпочтительной для САПР следует
исполь­зовать двухуровневую структуру
технического обеспечения, вклю­чающую
центральный вычислительный комплекс
и автоматизиро­ванные рабочие места
(терминальные станции).

Компоненты
технического обеспечения должны
пред­оставлять возможность: кодирования
и ввода информации с ее визуальным
контролем и редактированием; передачи
информации по различным каналам связи;
хранения, контроля и восстановле­ния
информации; загрузки, хранения и
исполнения программного обеспечения;
оперативного предоставления запрашиваемой
инфор­мации на устройства вывода.

Организацион­ное
обеспечение
САПР.

Этот пункт
предписывает комплектование подразделений
САПР проффесионально грамотными
специалистами, имеющими навыки и знания
для работы с перечисленными выше
компонентами САПР. От их работы будет
зависеть эффективность и качество
работы всего комплекса САПР (может даже
всего производства).

Требования
к компонентам организацион­ного
обеспечения

Компоненты
организационного обеспечения должны
уста­навливать организационную
структуру системы и подсистем, включая
взаимосвязи ее элементов; задачи и
функции службы САПР и связанных с нею
подразделений проектной организации;
права и ответственность должностных
лиц по обеспечению созда­ния и
функционирования САПР; порядок подготовки
и перепод­готовки пользователей САПР.

С начала 80-х годов 20 века, в связи с массовым производством и внедрением персональных компьютеров (ПК), идея системной автоматизации процесса проектирования становится практически осуществимой для проектных организаций любого масштаба: от крупного института до частного бюро. Понятие САПР, с одной стороны, упростилось и зачастую ассоциируется с той или иной компьютерной программой. С другой стороны, проектирование сложных технических объектов возможно лишь в рамках САПР как организационно-технической системы, в основе которой — весь потенциал информационных технологий.

Средства обеспечения САПР классифицируют как единство следующих компонентов: техническое, программное, математическое, методическое, информационное и организационное [26].

2.1. Техническое и программное обеспечение

Техническое обеспечение — это комплекс технических средств, с помощью которого осуществляют сбор, обработку, хранение, преобразование и передачу данных, связанных с объектом проектирования.

Основу технического обеспечения составляют средства вычислительной техники и, в первую очередь, это — персональный компьютер.

Стандартная конфигурация компьютера общеизвестна (см. рис. 2.1):

· системный блок, состоящий из процессора, оперативной памяти, блока питания, винчестера, других накопителей данных, портов подключения периферийных устройств;

· клавиатура для ввода информации;

· монитор для отображения информации;

· мышь для удобства диалога «человек-компьютер».

Понятие периферийных устройств включает широкий перечень технических средств. В первую очередь, это средства сбора и обработки данных для проектирования. К ним можно отнести электронное геодезическое оборудование (тахеометры, системы спутниковой навигации, лазерные сканеры и пр.), которое или работает непосредственно под управлением компьютеров, или передает данные измерений в виде компьютерных файлов. Более подробная информация о технических средствах инженерных изысканий изложена в гл. 4.

Если исходная информация о проектируемой дороге представлена в виде планшетов топографических планов, то для преобразования информации из бумажного вида в электронный применяют сканеры (см. рис. 2.2, а). Сканеры бывают рулонные или планшетные. Точность сканирования последних существенно выше и может достигать 12000 dpi (dots per inch — точек на дюйм). Когда речь идет о проектировании сложных технических объектов, то применяют инженерные сканеры большого формата A0(A1).

Выходную графическую информацию об объекте проектирования (чертежи) печатают на плоттерах также большого формата. По способу подачи бумаги плоттеры как и сканеры, бывают рулонные (рис. 2.2, б) или планшетные. По способу нанесения красящего вещества – лазерные или струйные. Вопрос о том, каким должен быть инженерный чертеж, черно-белым или цветным, в последнее время однозначно решается в пользу цветного. Во-первых, в виду существенного прогресса в области цветной печати, которая стала незначительно дороже черно-белой. Во-вторых, цвет несет дополнительную информацию о проектируемом объекте и способствует повышению эффективности зрительного анализа таких чертежей.

SHAPE * MERGEFORMAT

К периферийным устройствам компьютера также можно отнести аппараты цифрового фото и видео, которые в настоящее время широко применяются при сборе исходных данных для проектирования дорог.

Для организации коллективной работы над проектом и оперативного обмена информацией компьютеры объединяют в локальные (интранет) и глобальные (интернет) сети, техническими компонентами которых являются серверы, сетевые плата, модемы, оптоволоконные сети и пр.

Программное обеспечение САПР подразделяют на общесистемное и прикладное.

К общесистемному программному обеспечению относят, в первую очередь, операционные системы (ОС), которые управляют всеми процессами, происходящими в компьютерах. Появление и эволюция ОС происходила параллельно с развитием самих компьютеров. Если создание первого персонального компьютера ассоциируют с фирмой IBM (www.ibm.com), то первая массовая ОС появилась для этого компьютера от фирмы Microsoft (www.microsoft.com) и называлась MS—DOS.

14-летний путь эволюции (с 1981 по 1995 г.г.) MS—DOS версий 1.0-7.0 способствовал внедрению компьютеров от решенияузких инженерных задач до повсеместного их применения во всех сферах жизни.

С начала 90-х годов на смену MS—DOS приходит Windows (от англ. – окна) также от фирмы Microsoft, которая позволяет одновременно работать с несколькими программами (окнами), с легкостью переключаясь между ними без необходимости закрывать и перезапускать отдельные программы. На начальном этапе развития Windows выполняла роль графического интерфейса для MS—DOS.

С выходом Windows 3.1 (1992 г.) эта операционная система ассоциируется как самостоятельная, способная работать с оперативной памятью более 640 кб, с масштабируемыми шрифтами TrueType.

Выпуск в 1993 г. Windows NT (сокращение от New Technology – новая технология) был хорошо принят разработчиками благодаря ее повышенной защищенности, стабильности и развитому API-интерфейсу Win32, упрощающему составление мощных программ.

В 1995 г. выходит Windows 95 – самая дружественная пользователю версия Windows, для инсталляции которой не требуется предварительно устанавливать DOS; ее появление делает ПК более доступным массовому потребителю. В Windows 95 имеются встроенный набор протоколов TCP/IP и допускается использование длинных имен файлов.

Windows 98 (1998 г.) – последняя версия Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS. Система Windows 98 интегрирована с браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными новыми аппаратными стандартами, в том числе USB-портами. Последующие версии Windows разрабатывались на базе ядра NT.

В настоящее время (с 2001 г.) большинство прикладных программ, в том числе САПР, функционирует под управлением операционной системы MS Windows XP (от англ. eXPerience – опыт).

Новый проблемно-ориентированный интерфейс MS Windows XP позволяет в кратчайшие сроки освоить принципы работы с операционной системой даже тем пользователям, которые ранее никогда не сталкивались с системами семейства Windows. Применяемые в Windows XP расширенные web-технологии открывают возможность обмена текстовыми и голосовыми сообщениями, создания web-проектов различного уровня сложности и совместного использования приложений не только в локальной сети, но и в Интернете.

К условно общесистемному программному обеспечению можно отнести MS Office, ряд приложений которого (текстовый редактор Word, электронные таблицы Excel) стали де-факто стандартами в своем классе программ. Практически все САПР, формирующие в качестве выходных данных текстовые документы, осуществляют это в среде MS Word, а табличные формы – в среде MS Excel.

К прикладным программам, помимо самих САПР, можно отнести: векторизаторы; программы обработки геодезических данных, данных дистанционного зондирования; системы управлениями базами данных (СУБД); системы управления проектно-конструкторской документацией (СУПКД) и др.

Последние из перечисленных (СУПКД) являются исключительно важными в работе проектных организаций, поскольку в значительной степени обеспечивают функционирование систем контроля качества при производстве проектной продукции.

Из множества программ этого класса наиболее полнофункциональной системой является Party PLUS (разработчик – компания Лоция Софт, Москва, www.lotsia.com).

Party PLUS является профессиональной системой, построенной в архитектуре «клиент-сервер» на базе СУБД типа Oracle, MS SQL—Server, Sybase и отличающейся надежностью, производительностью, масштабируемостью и защищенностью.

Система содержит защищенный архив документов, а также встроенные средства свободной и предопределенной маршрутизации документов, работ и управления бизнес-процессами. Система поддерживает режим параллельной коллективной работы различных групп пользователей и обеспечивает управление всей относящейся к проекту информацией, что позволяет сотрудникам проектной организации не только получать доступ к описанию проекта, но и управлять информацией об этом проекте.

Если на предприятии несколько территориально распределенных проектных отделов, то с помощью Party PLUS можно организовать отлаженное взаимодействие удаленных подразделений при работе над несколькими проектами.

Party PLUS обладает функцией ведения истории всех инженерных изменений в структуре проекта, возможностью сравнения текущего состояния с состоянием на любую дату. Имеются средства поддержки многовариантного проектирования с хранением вариантов, не вошедших в основной проект, средства поддержки работы с версиями документов. Имеется возможность задавать для элемента проекта аналоги или родственные элементы, группировать элементы по различным критериям.

Система Party PLUS универсальна, максимально гибка для решения задач в различных отраслях инженерной деятельности, включая дорожную отрасль, и ориентирована на равноправную работу с различными САПР.

2.2. Математическое и методическое обеспечение

Математическое обеспечение – это совокупность аналитических и численных методов, математических моделей и алгоритмов выполнения проектных процедур. Применение тех или иных методов зависит от уровня развития САПР, свойств объектов проектирования и характера решаемых задач.

На начальном этапе развития САПР осуществлялась алгоритмизация ручных методов проектирования. Это способствовало сокращению времени проектирования, но качество проектных решений при этом практически не улучшалось.

Первые работы в области оптимизации проектных решений начались в 70-е годы и были связаны, в первую очередь, с проектированием продольного профиля. Работы Е. Л. Фильштейна и его метод «граничных итераций», В. И. Струченкова и его метод «проекции градиента» устанавливали положение проектной линии продольного профиля с учетом минимизации объемов земляных работ. Уже на этом этапе пришлось отказаться от представления проектной линии в виде последовательности прямых и дуг окружностей, а перейти на модель проектной линии в виде ломаной (линейного сплайна). Однако эти методы не затрагивали общих (базовых) принципов изысканий и проектирования автомобильных дорог.

Переход в 90-е годы на системную автоматизацию дорожного проектирования на основе цифровых моделей местности привел к существенному изменению всей технологии проектно-изыскательских работ.

В период «ручного» проектирования автомобильных дорог геодезические изыскания выполнялись «пикетным» методом. Суть этого метода заключается в следующих этапах работ [16]:

· Полевое трассирование автомобильной дороги. При этом тангенциальный ход трассы является одновременно и магистральным ходом для всех последующих разбивочных работ, как на стадии изысканий, так и на стадии строительства.

· Планово-высотное закрепление трассы притрассовыми реперами и угловыми столбами.

· Разбивка пикетажа по трассе. Разбиваются и закрепляются не только пикетные точки, но и плюсовые (характерные) точки, связанные с изломами рельефа, пересечением водных потоков, инженерных коммуникаций и дорог.

· Двойное продольное геометрическое нивелирование трассы по принятому пикетажу.

· Съемка поперечников. При разбивке пикетажа по трассе одновременно осуществляют разбивку поперечников на всех пикетных и плюсовых точках. На прямолинейных участках трассы поперечники разбивают перпендикулярно к оси дороги, а на криволинейных участках – перпендикулярно касательной к трассе. Длину поперечника принимают такой, чтобы в его пределах разместились земляное полотно со всеми его конструктивными элементами.

Съемку поперечников осуществляют для построения продольного и поперечных профилей по принятой трассе для последующего проектирования земляного полотна, организации системы поверхностного водоотвода, подсчета объемов земляных работ и подготовки проектной документации.

Как следует из вышеприведенного, при «пикетном» методе изысканий изменение положения трассы и, следовательно, всех остальных проекций на проектной стадии не возможно. Таким образом, творческое начало проектной деятельности при этом методе ограничено ввиду предопределенности положения трассы дороги, что существенно сказывается на качестве конечных проектных решений. Заметим также, что в полевых условиях трассирования, в отсутствии компьютерной техники, инженер-изыскатель ограничивался элементарной схемой закругления трассы типа «клотоида- круговая кривая-клотоида», разбивку которой можно было произвести по соответствующим разбивочным таблицам.

Совершенно другую перспективу открывает «беспикетный» метод изысканий дорог, приоритетное применение которого стало возможным благодаря достижениям электронной тахеометрии и вычислительной техники.

Изыскания по этому методу состоят в следующем:

· В полосе возможных проектных решений, определенной на предпроектной стадии, закладывается и закрепляется магистральный ход (сеть ходов).

· Осуществляется тахеометрическая съемка полосы варьирования. При этом обеспечивается высокая производительность работ, поскольку все измерения, необходимые для определения пространственных координат съемочных точек местности, выполняют комплексно с использованием одного геодезического прибора – тахеометра.

· С электронного тахеометра в компьютер считывается цифровая модель местности, которая является основой для всех последующих проектных процедур.

Заметим, что при «беспикетном» методе изысканий местоположение трассы определяется ни на стадии изысканий, а на стадии проектирования (в камеральных условиях). Это дает возможность варьировать местоположением трассы практически на любом этапе проектирования, применять для установления местоположения трассы и ее описания самые современные математические методы, в том числе и оптимизационные.

Учитывая трехмерную природу ЦММ и порождаемых ею поверхностей, появляется уникальная возможность пространственного трассирования дорог. В настоящее время методология и алгоритмы пространственного трассирования успешно разрабатываются в рамках САПР и скоро должны пополнить арсенал передовых технологий для дорожной проектной практики.

Из множества методов вычислительной математики, ставших доступными в условиях системной автоматизации проектных работ, остановимся на сплайнах и кривых Безье, применяемых при автоматизированном трассировании дорог в плане и продольном профиле.

Интерполяционные сплайны. Как известно, термин «сплайн» происходит от названия чертежного инструмента – тонкой металлической или деревянной линейки, которая изгибается так, чтобы проходить через заданные точки (x_i, y_i = f(x_i)).

Тогда сплайн в положении равновесия принимает форму, которая минимизирует его потенциальную энергию. И в теории балок установлено, что эта энергия пропорциональна интегралу по длине дуги от квадрата кривизны сплайна:

при условиях S(x_i) = y_i.

Сплайны можно определить 2-мя способами: исходя из взаимного согласования простых функций и из решения задачи минимизации [].

К сплайнам, определяемым по первому способу, можно отнести интерполяционные сплайны, которые необходимы для аналитического представления дискретно заданной информации.

Сглаживающие сплайны определяют чаще всего на основе 2-го способа. Именно сглаживающие сплайны должны найти самое широкое применение для оптимизации тех проектных решений, которые на начальной стадии рассмотрения носят, как правило, приближенный характер.

В проектной практике применяют, как правило, сплайны 1-й и 3-й степени. Сплайны 1-й степени (линейные) служат, во-первых, хорошей и доступной иллюстрацией к пониманию процессов построения сплайновых алгоритмов, во-вторых, достаточны для описания геометрических элементов дорог, представляемых в виде ломаных линий (магистральные и тангенциальные ходы, продольные и поперечные профили земли и т.д.).

Сплайны 1-й степени. Сплайны 1-й степени (ломаные) достаточно просты для понимания и, в то же, время, отражают основные свойства сплайн-функций. С математической точки зрения, сплайн 1-й степени – это кусочно-непрерывная функция, на каждом отрезке описываемая уравнением вида:

y = a_i + b_ix, (2.2)

где i – номер рассматриваемого интервала между узлами интерполяции x_i и x_i+1.

Как видно из формулы (2.2), на элементарном интервале вид уравнения не отличается от общепринятого выражения прямой. В целом, уравнение ломаной (сплайна 1-й степени) в матричной форме можно записать как:

Эта система линейных уравнений не требует совместного решения и распадается на решения каждого уравнения в отдельности. Сплайн, решение которого связано с вычислением подсистем небольшой размерности, в данном случае – уравнений первого порядка, будем называть локальным.

Интерполяционный сплайн 1-й степени – это ломаная, проходящая через точки (x_i, y_i). Для совокупности x_i (i = 0, 1,…, n) в интервале [a, b] при этом должно выполняться условие x_i < x_i+1.

Используя полином Лагранжа, можно построить сплайн для интервала i–(i+1):

Обозначение S₁(x) будем понимать как сплайн-функцию первой степени. Иначе уравнение (2.4) можно записать:

Если принять  о форма уравнений (2.2) и (2.5) совпадает. Для построения алгоритма и составления процедуры построения и вычисления сплайна необходимо помнить всего лишь 2n+2 числа.

Сплайны 3-й степени. Сплайны 3-й степени (кубические) – это кусочно-непрерывная (непрерывность 1-й и 2-й производных) функция, состоящая из отрезков кубических парабол.

В настоящее время существует множество алгоритмов построения и расчета на ЭВМ кубических сплайнов, что обусловлено широким их использованием в решении технических задач, связанных с интерполяцией кривых и поверхностей.

При решении поставленной задачи между n узлами находятся n–1 фрагментов кубических кривых, а кубическая кривая, в свою очередь, определяется 4-мя параметрами. Поскольку значение функции и 1-й, 2-й производных (X_s, X¢_s, X²_s) непрерывны во всех (n–2)-х внутренних узлах, то имеем 3(n–2) условий. В узлах X_si = X_i накладываются еще n условий на X_s. Отсюда получаем 4n–6 условий. Для однозначного определения сплайна необходимо еще два условия, которые обычно связываются с так называемыми краевыми (граничными) условиями. Например, зачастую принимается просто . В этом случае получаем необходимое количество условий для определения естественного сплайна в виде:

Недостатком этого сплайна является то, что у него нет возможности изменения формы на участке между двумя жестко закрепленными интерполяционными точками. Лишь перемещением одной из точек интерполяции можно добиться некоторого изменения формы сплайн-кривой. При этом, в силу того, что кубический интерполяционный сплайн относится к нелокальным методам аппроксимации, его значения в точках, не совпадающих с узлами сетки Δ: a = x₀<…<x_N = b, зависят от всей совокупности величин f_i = f(x_i), i = 0, 1 ,…, N, и еще от значений краевых условий в точках a, b; следовательно, желательный эффект изменения формы сплайн-кривой в одном месте интервала интерполяции может перекрываться нежелательными изменениями на всем остальном отрезке.

Однако методы борьбы с этим неприятным явлением известны. Это, во-первых, применение локальных интерполяций эрмитового типа, для которых значение сплайна на промежутке между узлами сетки зависит от значений функции и ее производных только из некоторой окрестности этого промежутка.

Во-вторых, интерполяция на основе рациональных сплайнов [8]. Сохраняя одно из важнейших свойств кубической сплайн-интерполяции – простоту и эффективность реализации на ЭВМ – рациональные сплайны обладают возможностью приближения функций с большими градиентами или точками излома, при этом устраняя осцилляции, присущие обычному кубическому сплайну.

Рациональной сплайн-функцией называют функцию S(x), которая на каждом промежутке интерполяции [x_i, x_i+1] записывается в виде

где t = (x-x_i)/h_i, h_i = x_i+1—x_i, p_i, q_i – заданные числа, -1 < p_i, q_i < ∞; и при этом непрерывна вместе со своими первой и второй производными.

Из выражения (2.7) видно, что при p_i = q_i = 0, i = 0, 1,…, N–1, рациональный сплайн превращается в обычный кубический сплайн. Кроме того, можно считать, что сплайн первой степени также является частным случаем кубического сплайна, поскольку при всех p_i, q_i–>∞, i = 0, 1,…, N–1, справедливо S(x)–>f_i(1–t)+f_i+1t, xÎ[x_i, x_i+1].

Таким образом, можно ожидать, что при использовании рациональных сплайнов путем надлежащего выбора свободных параметров p_i, q_i достигается высокая точность приближения на участках достаточной гладкости интерполируемой функции, а на участках с большими градиентами удовлетворяются требования качественного характера – выпуклости и монотонности.

Использование рациональной сплайн-функции позволяет описать единообразной зависимостью трассу с максимальным приближением к трассе, заданной традиционными элементами. Варьируя значениями коэффициентов p_i и q_i, имеется возможность полной имитации сплайн-функцией традиционных элементов плана трассы (прямой, круговой кривой, клотоиды).

«Слабым» местом в обосновании интерполяционных сплайнов как универсального математического аппарата при трассировании автомобильных дорог является допущение (условие), что узлы интерполяции назначены проектировщиком верно и при вычислении значений самого сплайна корректировке не подлежат.

Проанализируем, как на практике назначают местоположение узлов?

Если трассирование выполняется на основе карты или топографического плана, то проводится эскизная линия дороги, которая, по мнению проектировщика,является наиболее целесообразной при заданных условиях, «от руки» или с помощью механических приспособлений. Далее на эскизной линии фиксируются узлы интерполяции и замеряются их координаты. При этом не существует строго формализованных алгоритмов назначения местоположения узлов, есть лишь ряд практических советов. В частности: частое расположение узлов приводит к осцилляции кривизны такого сплайна ввиду неизбежной погрешности съемки координат узлов интерполяции; редкое их расположение вызывает существенные отклонения сплайн-трассы от порождающей ее эскизной линии.

Если трассирование выполняется по материалам полевых изысканий, то узлами сплайн-интерполяции, в этом случае, являются съемочные точки цифровой модели местности и погрешность в установлении их координат еще более очевидна ввиду наличия ошибок случайного и систематического характера.

Хорошего приближения сплайн-трассы к эскизному варианту и, в то же время, достаточной ее гладкости (плавности) можно добиться, как правило, лишь при многократной интуитивной корректировке проектировщиком узлов интерполяции.

Отсюда следует, что интерполяционные сплайны не являются математическим аппаратом оптимального трассирования, а лишь удобным и во многих задачах чрезвычайно эффективным инструментарием компьютерной обработки эскизно назначенных проектных решений. Качество таких решений существенно зависит от квалификации проектировщика.

Из вышеприведенных рассуждений вытекает, что постановка задачи трассирования на основе сплайнов должна предполагать следующее: узлы интерполяции эскизной трассы, а в случае реконструкции – исходной трассы, назначаются приближенно (с допуском) и точное их местоположение вычисляется по определенным закономерностям, учитывающим ряд основополагающих целевых установок самого процесса трассирования. В математической терминологии эту задачу можно отнести к задачам генерации геометрических форм по их грубым (приближенным) описаниям или задачам сглаживания.

Сглаживающие сплайны. В качестве математического аппарата для решения задачи трассирования дорог применяют сглаживающие сплайны, которые минимизируют функционал вида:

при ограничениях, например,

В записи функционала q = 1, 2; S(x_i) – сплайн; r_i – вeсовой коэффициент узла интерполяции; f₀(x_i) – функция начального приближения.

Ограничения могут быть самыми разными и в случае трассирования дорог это: ограничения по допустимому радиусу, направлению трассы в плане и уклону в продольном профиле и т. п. При этом для сплайнов третьей степени должны быть добавлены так называемые «краевые условия» в точках x₀ = a, x_n = b, обеспечивающие единственность построения сплайна. Например, это могут быть условия заданного начального и конечного направления проектируемого участка трассы S¢(x_a), S¢(x_b).

Из формы записи совместных условий (2.8) – (2.10) следует, что это – задача условной оптимизации.

Условие (2.9) позволяет смещать узлы интерполяции в установленном коридоре варьирования по заданному алгоритму. Признаком завершения итерационного процесса оптимизации служит выполнение условия (2.10) и означает, что на каждом дальнейшем итерационном шаге сдвиг любого из узлов не превысит величины d.

Если в условии (2.9) e_i = 0, то вновь приходим к понятию интерполяционных сплайнов. Отсюда становится очевидным, что интерполяционные сплайны являются всего лишь частным случаем сглаживающих сплайнов.

Выбор сглаживающих сплайнов для дальнейшего подробного рассмотрения только в виде алгебраических полиномов и только 1-й и 3-й степени из всего многообразия обусловлен тем, что это наиболее простые в компьютерной реализации сплайны и, в то же время, имеют достаточные аппроксимативные свойства для описаний очертаний трассы и ее дифференциального анализа. В случае сплайнов 1-й степени этот анализ (1-е и 2-е производные) можно выполнить в виде разделенных разностей, а для сплайнов 3-й степени – непосредственным дифференцированием функции.

Функционал (2.8) хорошо моделирует задачу трассирования дорог при их реконструкции, которая состоит в том, чтобы добиться минимального отклонения проектируемой трассы от существующей, при одновременном условии по уклону и кривизне в продольном профиле, и по кривизне и скорости нарастания кривизны в плане согласно требованиям СНиП для данной категории дороги. Минимальное отклонение достигается за счет второго слагаемого, а условия по кривизне и уклону – первого слагаемого функционала (2.8).

При совместной минимизации двух слагаемых соотношение между ними регулируется весовыми коэффициентами r_i, которые должны быть определенным образом нормированы.

Рассмотрим оптимизационные возможности функционала (2.8) в порядке возрастания его сложности.

Второе слагаемое функционала

известно как метод наименьших квадратов, и оно представляет собой функцию n+1-ой переменной S(x_i), i = 0, 1,…, n. Минимизация последней распадается в данном случае на минимизацию отдельных слагаемых независимо по каждой переменной.

В случае применения сплайнов 1-й степени первое слагаемое функционала (2.8) будет записано, как

Рассмотрим линейное приближение функционала длины дуги кривой

(здесь предполагается, что |S`(x)| мало). Очевидно, что решение задачи о минимизации функционала (2.13) совпадает с решением линеаризованной задачи об отыскании элемента минимальной длины. Полученное решение часто называют сплайном в выпуклом множестве.

После подстановки первой производной сплайна, совпадающей в данном случае с разделенной разностью, примет вид

где h_i= x_i+1–x_i.

Продифференцируем по переменной S(x_i) и сложим два последовательных слагаемых уравнения, содержащих эту неизвестную:

Приравняв полученную сумму нулю и выразив неизвестное S(x_i), получим

Здесь знак «=» представляет собой оператор присваивания. Если принять шаг интерполяции равномерным, то есть h_i=const, то процесс оптимизации (пошаговых итераций) в графической интерпретации будет вполне понятен (рис. 3. 10).

Быстрая сходимость итерационного процесса позволяет рекомендовать этот метод для предварительной выработки проектных решений по проектной линии продольного профиля. В этом случае радиус кривизны и уклон проектной линии можно контролировать посредством построения первых и вторых разделенных разностей.

Рис. 2.5. Графическая интерпретация сглаживания линейного сплайна

Совместное рассмотрение суммы функционалов (2.12) и (2.14) дает нам рекуррентную формулу для оптимизации:

Сходимость итерационного процесса здесь, по сравнению с формулой (2.17), ниже и существенно зависит от величины r_i. Весовой коэффициент r_i позволяет замедлять или ускорять итерационный процесс в отдельных точках (узлах) и может, например для проектной линии, служить средством учета объема или стоимости возведения земляного полотна (дорожных работ) на участке единичной длины.

Рассмотрим первое слагаемое функционала (2.8) применительно к кубическим сплайнам:

Аналогично, решение задачи о сплайне в выпуклом множестве описывает (в линеаризованной постановке) положение, занимаемое упругой рейкой в коридоре ограничений. При замене второй производной второй разделенной разностью данный функционал примет вид:

где  S¢(x_a), S¢(x_b) – одни из возможных краевых условий кубического сплайна. Применительно к проектной линии – это уклон в начальной (x_a) и конечной (x_b) точках проектируемого участка дороги.

Дифференцирование и суммирование уравнений даст нам соответствующие рекуррентные формулы, которые подробно приведены в специальной литературе [6].

Проектирование закруглений дороги в плане по классической схеме «клотоида – круговая кривая – клотоида» достаточно обоснованно с теоретических позиций, но на практике такая схема имеет множество изъянов и неудобств. Не вдаваясь в их суть, заметим, что если применить какую-либо функцию, которая могла бы одна в какой-то мере моделировать классическую схему (составную кривую), то с позиций удобства алгоритмизации и организации диалога «инженер-компьютер» это было бы достаточно эффективно.

В качестве таких функций далее рассматривается подмножество параметрических сплайнов – кривые Безье.

Кривые Безье. В 1970 г. Пьер Безье (французский математик) подобрал составляющие параметрического кубического многочлена таким образом, что их физический смысл стал очень наглядным и весьма подходящим для решения многих прикладных задач, в том числе и для целей проектирования дорог по принципу «тангенциального трассирования».

Формула Безье для кубического многочлена (n = 3) имеет следующий вид.

Пусть r_i =  , i = 0, 1, 2, 3, тогда для 0 ≤ t ≤ 1:

или в матричной форме:

Матрица M называется базисной матрицей кубической кривой Безье.

Кривая, представленная в форме Безье, проходит через точки r₀ и r₃, имеет касательную в точке r₀, направленную от r₀ к r₁, и касательную в точке r₃, направленную от r₂ к r₃.

Прямые Р₀Р₁, Р₁Р₂ и Р₂Р₃ образуют фигуру, называемую характеристической (определяющей) ломаной, которая и предопределяет очертания кривой Безье (рис. 2.6).

Чтобы построить кривую, задают точки Р₀ и Р₃, через которые должна проходить кривая, затем на желаемых касательных к этой кривой в точках Р₀ и Р₃ задают точки Р₁ и Р₂. Изменяя длины отрезков Р₀Р₁ и Р₂Р₃ варьируют очертаниями кривой, придавая ей желаемую форму.

Главной контролируемой величиной при проектировании кривых в плане является радиус кривизны. Для того, чтобы вычислять радиус кривизны в каждой точке кривой, необходимо знать значения первой и второй производных радиуса-вектора точки. Для кубической кривой Безье первая и вторая производные вычисляют по нижеприведенным формулам:

Тогда кривизна (величина, обратная радиусу кривизны) вычисляется по формуле:

Помимо кривой Безье 3-го порядка (кубической) для целей трассирования дорог возможно применение также кривых Безье 2-го, 4-го и 5-го порядков. Соответствующие формулы для вычисления радиусов-векторов (и их производных) для этих кривых приведены ниже.

Кривая Безье 2-го порядка:

Кривая Безье 4-го порядка:

Кривая Безье 5-го порядка:

Объединением элементарных кривых Безье γ⁽¹⁾, γ⁽²⁾,…, γ^(l), у которых концевая точка кривой γ⁽ⁱ⁾, i = 1, 2,…, l–1, совпадает с начальной точкой кривой γ⁽ⁱ⁺¹⁾, получается составная кривая Безье. Если каждая кривая γ⁽ⁱ⁾ задается параметрическим уравнением вида

r = r⁽ⁱ⁾ (t), 0 ≤ t≤ 1,

то это условие записывается так:

r⁽ⁱ⁾ (1) = r⁽ⁱ⁺¹⁾ (0), i = 1, 2,…, l–1.

В частности, для того, чтобы касательная составной кривой Безье, определяемой набором точек P₀, P₁, …, P_m, изменялась непрерывно вдоль этой кривой, необходимо, чтобы тройки вершин P_3i-1, P_3i, P_3i+1 (i ≥ 1) были коллинеарными, то есть лежали на одной прямой (см. рис. 2.7).

Пространственные кривые Безье. Выше, в рассуждениях о Безье-кривых понималось плоское расположение опорных точек трассы и, соответственно, рассматривалось представление только плоских кривых. В общем случае опорные точки характеристической ломаной Безье задаются точками трехмерного пространства P_i(x_i, y_i, z_i), i = 0, 1 ,…, m.

Тогда пространственная кривая Безье степени m определяется уравнением, имеющим следующий вид:

где  – многочлены Бернштейна.

Матричная запись параметрических уравнений, описывающих пространственную кривую Безье, имеет вид:

 0≤ t ≤ 1,

где 

Более подробное изложение пространственного трассирования дорог приведено в гл. 5.

Методическое обеспечение – совокупность методических материалов, способствующих функционированию САПР.

Профессиональные САПР имеют, как правило, методическое сопровождение в виде «Справочных руководств» в бумажном виде. Главное меню таких систем также содержит раздел Справка (Помощь), в котором представлено описание основных проектных процедур.

В процессе эксплуатации САПР накапливается опыт рациональной выработки проектных решений на основе всей совокупности инструментальных средств системы. Этот опыт, как правило, излагается в форме «Практических руководств (пособий)» и способствует повышению эффективности и качества инженерного труда.

2.3. Информационное и организационное обеспечение

Информационное обеспечение – это совокупность средств и методов построения информационной базы для целей проектирования.

В состав информационного обеспечения входят: государственные стандарты (ГОСТ), строительные нормы (СН), строительные нормы и правила (СНиП), ведомственные строительные нормы (ВСН), типовые проектные решения по сооружениям и элементам автомобильных дорог. Все вышеперечисленные нормативно-информационные материалы существуют в бумажном виде или в виде электронных аналогов.

Другая часть информационного обеспечения существует только в электронном виде и является неотъемлемой частью САПР. Это библиотеки условных знаков (см. рис. 2.8), классификаторы и коды, шаблоны типовых элементов в составе графических алгоритмов.

В процессе проектирования используется также информация регионального характера. К ней относятся сведения метеорологического и экологического характера, данные о рельефе и геологическом строении местности, сведения о местоположении карьеров грунтов и каменных материалов и др.

По другой классификации информацию можно подразделить на входную, промежуточную и выходную. Входная — совокупность исходных данных, необходимых для принятия проектного решения. Промежуточная — полученная ранее в результате решения одних задач и используемая для решения других, но не окончательные результаты решения задач. Выходная — полученная как результат решения задач и предназначенная для непосредственного использования в проектировании.

Организационное обеспечение представляет собой совокупность организационных и технических мероприятий, направленных на повышение эффективности функционирования САПР. К ним относятся: изменение организационной структуры проектной организации, ее отделов и подразделений; перераспределение функций между отделами; изменение технологии проектно-изыскательских работ и кадров состава сотрудников, повышение квалификации проектировщиков в сфере САПР, организация и функционирование систем управления качеством проектной продукции на основе международных стандартов ISO 9001:2000.

Для реализации этих задач проектные организации используют специализированное программное обеспечение, являющееся частью САПР.

 

Аббревиатура САПР расшифровывается как система автоматизированного проектирования и, зачастую, воспринимается обывателями, как набор программ для черчения. Однако, согласно действующему ГОСТ 23501.101-87, термин САПР трактуется обширнее и подразумевает всю организационно-техническую инфраструктуру проектного отдела или организации. Затрачивая внушительную часть бюджета на развитие и поддержание структуры САПР, предприятия преследуют единственную цель — повышение качества выпускаемой продукции и оперативное реагирование на обратную связь от потребителей.

Скачать ГОСТ 23501.101-87

Возможности и области применения

Наиболее очевидной и востребованной функцией комплексов САПР является возможность построения компьютерной 2D- и 3D-модели разрабатываемого изделия. Однако, применение САПР не ограничивается только разработкой и каталогизацией проектной документации, хотя уже этот момент помогает экономить массу времени и трудозатрат инженера, позволяя в ходе работы менять элементы чертежей, ничуть не заботясь о влиянии этих изменений на проект в целом.

Пользователь современной САПР имеет в своем распоряжении богатый выбор стандартных элементов, избавляющий от необходимости многократно проделывать одну и ту же работу и унифицирующий стандартные проектные процедуры. Мощный математический аппарат упрощает инженерные расчеты, позволяя в режиме реального времени визуально оценивать контролируемую величину и ее зависимость от изменения проектируемой конструкции. Наиболее актуально эта задача проявляется в системах с распределенными параметрами, расчет которых крайне трудоемок. В качестве примеров можно привести анализ напряжений в узлах механических систем, строительных конструкций, тепловой расчет электронных устройств и т.д. Сложно переоценить возможности САПР в плане компьютерной анимации и симуляции разрабатываемых устройств, позволяющие увидеть их работу до изготовления прототипа и устранить ошибки и недочеты, сделанные при проектировании.

 

Исторически сложилось, что САПР получили широкое применение в машиностроении, автомобилестроении и строительстве. Однако, в настоящее время с их помощью можно автоматизировать практически любой процесс, начиная от раскроя и пошива одежды и, заканчивая разработкой поточной линии крупного завода.

Структура САПР

Являясь разновидностью информационных систем, классифицируемых по сфере применения, САПР относятся к сложным многоуровневым структурам, образуемым совокупностью средств вычислительной техники, различными видами обеспечения, а также обслуживающим их персоналом.

Структура САПР регламентирована ГОСТ 23501.101-87 и включает в себя два класса подсистем: проектирующие и обслуживающие. Основным назначением проектирующих модулей выступает решение конкретных проектных задач, а функции информационного обмена между ними возложены на подсистемы обслуживания, к задачам которых можно отнести:

• Управление процессами проектирования.
• Документирование процессов проектирования.
• Реализация графического интерфейса.
• Организация и ведение банка данных.

Согласно стандарту, компоненты САПР строятся на основе следующих видов обеспечения:

• Техническое обеспечение объединяет вычислительное, телекоммуникационное оборудование и линии связи.
• Программное обеспечение состоит из средств нижнего и верхнего уровней. Это операционная система с комплектом драйверов периферии и, собственно, сами компоненты САПР.
• Совокупность данных, необходимых для реализации процесса разработки включается в информационное обеспечение САПР. Это нормативная информация, данные о прототипах проектируемых объектов, готовые шаблоны.
• Математическое обеспечение объединяет в себе алгоритмы и математические модели, необходимые для реализаций проектных задач.
• Лингвистическое обеспечение включает набор интерфейсов для организации межмодульного взаимодействия, а также специальные языки проблемно-ориентированного программирования.
• К методическому обеспечению относится общая и внутренняя нормативная документация, регламентирующая процессы обслуживания и эксплуатации САПР.

Несмотря на разнообразие решений для автоматизации проектной деятельности, их архитектура также регламентирована. Разработка САПР должна вестись строго в соответствии с принципами создания информационных систем. Одним из них является принцип системного единства, согласно которому, разрабатываемая система должна иметь свойства целостности и взаимосвязанности отдельных компонентов и структуры, а сам процесс проектирования должен носить индуктивный характер, то есть вестись от частного к целому.

 

Функционирование подсистем и компонентов САПР должно быть подчинено принципу совместимости, в соответствии с которым составные части информационных систем должны решать свои задачи в строгом взаимодействии. Кроме того все элементы подлежат унификации, обеспечивая взаимозаменяемость и открытость. САПР строится с учетом возможной интеграции с другими информационными системами, а также модификации и пополнения их компонентов.

Классификация САПР

Для более укрупненного описания систем автоматизированного проектирования принята классификация САПР по набору определенных отличительных особенностей. В отечественной практике применяется ГОСТ 23501.108-85, выделяющий среди таких особенностей тип, разновидность и сложность разрабатываемого объекта, уровень автоматизации и ее комплексность, номенклатура подготавливаемой документации, а также сложность структуры технического обеспечения.

Международные стандарты рассматривают такие комплексы в аспекте отраслевого и целевого назначения.

Скачать ГОСТ 23501.108-85

По отраслевому назначению

Признак классификации по отраслевому назначению отчасти перекликается с отечественным типом объекта проектирования и подразделяет все САПР на:

• Машиностроительные — позволяют выполнять разработку элементов механических систем, а также создавать из них сборки, получая сложные механизмы.
• Приборостроительные — используются для создания радиоэлектронного оборудования, интегральных микросхем и трассировки печатных плат.
• Архитектурные — применяются в промышленном и гражданском строительстве, позволяют моделировать конструкции зданий и сооружений.

Следует отметить, что приведенная классификация несколько условна и не охватывает весь перечень отраслей, в которых применяются САПР. Комплексы не попавшие в общепринятую классификацию, трактуются стандартом как «Прочие».

По целевому назначению

Согласно данному классификационному признаку различают CAD-, CAE- и CAM-системы.

• CAD-системы объединяют в себе инструментарий конструирования различных деталей, подготовки чертежей, спецификаций и сопутствующей документации. Большинство современных программ обладают функциями создания 3D-моделей, используемых в CAM и CAE-системах.
• CAM-системы позволяют выполнять технологическую поддержку производства изделия. Примером может служить генерация управляющей программы для станков и обрабатывающих центров с ЧПУ.
• CAE-системы обладают обширными средствами поддержки математического анализа. С помощью них моделируют и прогнозируют процессы в области теплотехники, гидравлики, механики; выполняют сложные расчеты с использованием расширенного математического аппарата. CAE системы позволяют оценить работоспособность проектируемого изделия до его производства.

Англоязычный эквивалент

С 1990 года в нашей стране англоязычный термин CAD нормативно закреплен за определением «автоматизированное проектирование», хотя и не соответствует в полной мере российскому значению САПР. По сути, под понятием CAD понимается применение информационных технологий для поддержки процесса конструирования. Зарубежные CAM системы эквивалентны отечественным автоматизированным системам технологической подготовки производства.

Наиболее полное соответствие прослеживается между определениями САПР и CAE, поскольку включают в себе обе вышеперечисленные системы и представляя собой более широкое понятие.

Популярные программы

На текущий момент существует большое разнообразие CAD-систем разного уровня сложности, что вполне соответствует классификации по комплексности автоматизации проектирования.

К примерам комплексов верхнего уровня можно отнести:

• NX (разработчик — Siemens PLM Software) — программный продукт с большими возможностями в сфере промышленного дизайна, конструирования, проектирования оснастки (штампов, литейных форм), программирования станков с ЧПУ, инженерного анализа. NX построен на геометрическом ядре Parasolid. NX нашла свое применение в области энергомашиностроения, транспортного машиностроения, при производстве газотурбинных двигателей, а авиационной и автомобильной промышленности.
• CATIA (разработчик — Dassault Systemes). Нишей данного программного комплекса выступают такие отрасли как авиастроение и кораблестроение, тяжелое машиностроение. Эта САПР построена на ядре CGM (Convergence Geometric Modeler), которое жестко связано с самой системой.  Особенностью CATIA является возможность совместной работы в режиме реального времени. Данный программный комплекс включает в себя порядка трех сотен подключаемых модулей.

Эти программные комплексы соответствуют классу CAE. К среднему уровню можно отнести:

• Mechanical Desktop (разработчик ・Autodesk) предназначен для подготовки проектных решений как отдельных деталей, так сборок, а также сопроводительной технической документации. Имеет возможности трехмерного твердотельного моделирования, позволяет спроектировать объекты произвольной геометрической формы и степени сложности. Имеет обширную базу стандартных изделий, в том числе ЕСКД.
• Mastercam (разработчик — CNC Software, Inc.) представляет собой универсальный, используемый в различных областях программный продукт, предлагающий возможность многовариантных решений в разных режимах работы. Имеет удобный, понятный интерфейс и широкие возможности настройки параметров. Поддерживает трехмерное моделирование, позволяет создавать программы для обработки деталей по 2 — 5 осям на фрезерных, токарных станках, поддерживает операции штамповки и резки листового материала.

Пакеты нижнего уровня:

• Bricscad (разработчик — Bricsys) программный продукт, предназначенный для создания двумерных чертежей и трехмерного моделирования. Широко используется в машиностроении, строительстве, электрике и автоматике. Основная особенность — единый формат для 2D и 3D объектов.
• КОМПАС (разработчик АСКОН) представляет собой программу для моделирования. Дает возможность вести конструкторскую документацию, поддерживает отечественные стандарты ЕСКД. Однако не является кросс платформенной системой, так как формат чертежей не поддерживается другими пакетами.

Самой популярной САПР в мире стала программа AutoCAD. Существуя на рынке уже более тридцати лет, она занимает лидирующее положение среди аналогичных программных решений среднего уровня. Имея в своем арсенале развитый инструментарий разработки и адаптации, она представляет собой универсальную платформу на базе которой создано большое количество специализированных приложений, решающих задачи проектирования в области механики, электроники, архитектуры, строительства.

Программно-методический комплекс САПР ТП, согласно ГОСТ 34.033—90 включает в себя следующие виды обеспечений:

• информационное — информация, используемая САПР ТП для выработки проектных решений (данные о прототипах проек­тируемых объектов, типовых проектных решениях, нормативные Данные), основная часть которой содержится в машинных базах Данных и незначительная — в обычных документах;
• математическое — совокупность математических методов, мо­делей и алгоритмов, необходимых для выполнения проектных про­цедур;
• лингвистическое — сведения о специальных проблемно-ориентированных языках проектирования, использующихся в САПР ТП;
• программное — комплекс всех программ и эксплуатационной документации к ним в виде обычных текстовых документов или записанных на машинных носителях;
• методическое — комплект документов, содержащих общее опи­сание САПР ТП; данные об используемых средствах автоматиза­ции, правилах их технического обслуживания и использования;

•организационное — комплект документов (положений, штат­ных расписаний, инструкций и др.), устанавливающих правила практического выполнения автоматизированного проектирования, в том числе: взаимодействие всех проектирующих и обслуживаю­щих подразделений; ответственность специалистов различного профиля и уровня за определенные виды работы; правила выпус­ка, использования и корректировки выходных документов САПР ТП; правила доступа к базам данных; приоритеты пользования средствами САПР ТП.

Обслуживающий персонал САПР ТП подразделяют на управляю­щий, обеспечивающий и целевой. Управляющий и обеспечиваю­щий персоналы часто называют эксплуатационным. Целевой пер­сонал включает и разработчиков САПР ТП, его относят к обслу­живающему персоналу в том случае, если используемая САПР ТП является системой, эксплуатирующейся в месте ее разработ­ки, например, разработанной силами отдела САПР предприятия.

Функциональными составляющими САПР ТП являются проектирующие и обслуживающие подсистемы. Подсистема — совокупность взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, реализовать подцели, направ­ленные на достижение общей цели системы.

К проектирующим подсистемам относят те, которые выполняют процеду­ры и операции проектирования отдельных частей объекта или осуществляют выполнение определенного этапа проектирова­ния (например, разработка маршрутов обработки основных поверхностей, выбор технологических баз и т.д.). Проектирующие подсистемы чаще всего являются объектно-ориентированными, т.е. содержа­ние и порядок выполнения реализованных в них проектных про­цедур характерны и применимы только для данного вида проекти­руемых объектов. Если номенклатура однотипных проектируемых объектов широка, например, если объект — ТП изготовления де­талей типа тел вращения, проектирующие подсистемы (или даже САПР ТП в целом) относят к инвариантным или объектно-независимым.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем (например, подсистемы графического отображения состояния предмета производства, информационно-поисковые, подсистемы формирования текстовых документов и т.д.). Обслуживающие подсистемы могут быть инвариантными ко мно­гим видам объектов проектирования, так как предназначены для выполнения унифицированных проектных процедур и операций, например, хранения и поиска информации, обработки графиче­ской информации, формирования проектной документации. Вме­сте с тем такие подсистемы создают для использования в вычис­лительных комплексах САПР ТП конкретного состава и с опреде­ленными операционными системами.

Подсистемы САПР ТП, в принципе, обладают всеми свойства­ми систем и могут функционировать самостоятельно. Они даже делятся на составляющие, которые принято называть компонен­тами.

Лицо, участвующее в эксплуатации САПР ТП или использую­щее результаты ее эксплуатации называют пользователем системы. Пользователь обычно работает с системой на АРМ, основным техническим средством которого является персональный компью­тер различной конфигурации. Рабочее место может быть автономным или входить в локальную сеть.

На рис. 4.3 показано взаимодействие пользователя САПР ТП с системой, осуществляемое через компьютер АРМ посредством каналов 1 и 2. Диалог пользователя с САПР ТП обеспечивает процессор вво­да-вывода (ПВВ). Он же формирует и интерфейс системы. Полу­чив от пользователя входную информацию, содержащую либо за­прос к системе, либо директиву (указание) на выполнение тех или иных действий, ПВВ преобразует ее во внутри машинное пред­ставление и направляет к управляющей программе (УП).

Управляющая программа, в зависимости от характера входной информации, направляет запрос на исполнение либо к соответствующему сегменту технологического процессора (ТПр), либо к базе данных (БД) АРМ (базе пользователя), либо к центральному банку данных системы через сервер сети.

Рис. 4.3. Взаимодействие пользователя с САПР ТП
С пользователем ведется непрерывный диалог путем выдачи сообщений на интерфейс системы и получения его ответов. При необходимости промежуточные или окончательные результаты выводят на периферийные устройства (ПУ) АРМ – канал 3. Взаимодействующие программные компоненты являются программными комп­лексами, входящими в программное обеспечение САПР ТП.

К основ­ным проектирующим подсистемам относят программу управления и технологический процессор. Процессор ввода-вывода и банк дан­ных являются обслуживающими подсистемами, выполняя соответ­ственно функции ввода-вывода, отображения и хранения инфор­мации. Сходную структуру имеют многие САПР ТП.

Объект проектирования — объект соответствующего проектно­го решения. Характер решения зависит от вида проектирования.

Проектирование может быть: концептуальным, структурным и параметрическим.

Концептуальное проектирование можно считать проектирова­нием «верхнего уровня». Его выполняют при отсутствии информа­ции даже о возможной структуре объекта проектирования. Объект рассматривают в целом во взаимодействии с внешней средой, стре­мясь приближенно наметить его структуру, которая может быть неоднородной и состоящей из нетиповых подсистем. В САПР ТП концептуальное проектирование прак­тически не используется.

При структурном проектировании, зная входные и выходные характеристики объекта и основные принципы его пост­роения и функционирования, определяют его элементный состав и структуру.

Параметрическое проектирование реализует результаты струк­турного проектирования в направлении определения количест­венных значений параметров элементов структуры. Этот вид про­ектирования часто используют в САПР ТП, например, при оп­ределении параметров операций известной структуры (режимов резания, норм времени и т.д.). Параметрическое проектирование во многих случаях является принципиальной основой разработки САПР ТП.

Общий алгоритм формирования проектного технологического решения показан на рис. 4.4. Техническое задание содержит пер­вичное описание желаемого объекта проектирования (например, ТП) в заданной форме. Это описание является достаточно общим, в котором указывают лишь некоторые приближенные характеристики желаемого объекта проектирования. Его структура (например, последовательность операций в маршрутном ТП или переходов в операции) неизвестна. Формирование проектного решения (объекта проектирования) начинают с синтеза исходного варианта его структуры (см. блок 2, рис. 4.4). Синтез структуры объекта — сложная проектная процеду­ра, включающая в себя:

• определение элементного состава объекта, например, списка технологических операций проектируемого ТП;
• установление связей между элементами, например, порядка выполнения технологических операций в ТП. Впервые синтезированную структуру иногда называют первичной структурой объекта.

Для оценки синтезированного варианта структуры объекта со­здают (или используют) его математическую модель. Выбирают (определяют) исходные значения параметров элементов, напри­мер, параметров технологических операций при проектировании ТП. Анализируют вариант объекта — определяют его свойства по структуре и значениям параметров. Оценка варианта объекта про­ектирования заключается в проверке соответствия его характерис­тик заданным (желаемым). Если решение удовлетворяет разра­ботчика, то на соответствующий объект проектирования оформ­ляют необходимую документацию. В противном случае улучшения решения пытаются добиться в первую очередь изменением (моди­фикацией) его параметров (см. блок 9, рис. 4.4), не изменяя его структуры.

Рис. 4.4. Общий алгоритм формирования проектного решения
44

Совокупность процедур определения значений параметров, их анализа, оценки результатов и моди­фикации (изменения) параметров называют параметрическим син­тезом.

Если параметрический синтез не принес желаемых результатов и качество полученного проектного решения не соответствует тех­ническому заданию, то изменяют структуру объекта решения, вплоть до синтеза новой.

Если не удается получить приемлемое проектное решение, то возможна корректировка технического задания, так как показате­ли объекта проектирования, предписанные прежним заданием, невозможно обеспечить. Подобная ситуация возникает, если воз­можности САПР ТП недостаточны для того, чтобы спроектиро­вать ТП для заданной детали. Например, система, предназначен­ная для проектирования ТП изготовления деталей — тел враще­ния, не может часто обеспечить проектирование ТП деталей, со­держащих элементы, не являющиеся телами вращения. В принци­пе, допустим полный отказ от полученного результата проектиро­вания вследствие его неудовлетворительности или даже абсурд­ности.

Если результаты проектирования удовлетворяют пользователя САПР ТП, их представляют в предусмотренных стандартом ГОСТ 3.1109—83 документах.

Структура САПР ТП и состав ее подсистем (прежде всего проектирующих) определяются реализуемой в ней методологией проектирования. Существуют две основные методологии проектиро­вания ТП изготовления изделий машиностроения:

• проектирование на базе использования ТП-аналогов;
• синтез единичных ТП на основе конструктивно-технологи­ческих характеристик изготавливаемых изделий.

Рассмотрим структуру и принципы построения САПР ТП, реализующих каждую из представленных методологий проектирования.

4.4. САПР ТП на базе процессов-аналогов
Процессами-аналогами называют типовые и групповые ТП, на основе которых можно проектировать единичный ТП. По мере накопления базы данных единичными технологическими процессами, они также могут выступать в качестве процессов-аналогов. В этом случае структура и содержание технологических операций единичного ТП в значительной мере определяются структурой процесса-аналога.

В основе использования типовых ТП лежит предварительная Классификация деталей по конструктивно-технологическим при­знакам. Цель классификации — определение принадлежности детали к некоторой группе (классу) деталей, обладающих общно­стью конструктивно-технологических признаков.

В промышленности находит применение технологический классификатор деталей (ТКД) машиностроения и приборостроения, являющийся продолжением и дополнением классификатора ЕСКД (классы 71 — 76). Клас­сификатор ЕСКД включает 100 классов, из которых 51 составляют пока резерв для размещения новых видов изделий. Классы 71 — 76 охватывают детали всех отраслей промышленности основного и вспомогательного производств:

• класс 71 — тела вращения типа колес, дисков, шкивов, бло­ков, стержней, втулок, стаканов, колонок, валов, осей, штоков, шпинделей и др.;
• 72 — тела вращения с элементами зубчатого зацепления: тру­бы, шланги, проволочки, разрезные секторы, сегменты, изогну­тые из листов, полос и лент; аэрогидродинамические корпусные, опорные и емкостные детали; вкладыши подшипников;
• 73 — корпусные, опорные и емкостные детали, не являющи­еся телами вращения;
• 74 — плоскостные, рычажные, тяговые, аэрогидродинамические, изогнутые из листов, полос, лент профильные детали, не являющиеся телами вращения, и трубы;
• 75 — кулачковые, карданные, с элементами зацепления, санитарно-технические, разветвленные, пружинные, оптические, крепежные детали и ручки;

• 76 — детали технологической оснастки и инструмента.

Технологический классификатор деталей можно использовать для решения следующих задач:

— анализа номенклатуры деталей по их конструктивно-техноло­гическим признакам;

— группирования деталей по конструктивно-технологическому подобию для разработки процессов-аналогов;

— унификации и стандартизации деталей и ТП их изготовления;

— тематического поиска и использования ранее разработанных процессов-аналогов.

Технологический классификатор деталей (ТКД) представляет собой систематизированный в виде классификационных таблиц свод наименований общих признаков деталей, составляющих их част­ные признаки и кодовые обозначения. Структура полного конструкторско-технологического кода детали состоит из обозначения детали по ГОСТ 2.201—80 и технологического кода длиной в че­тырнадцать знаков. Технологический код состоит из двух частей: постоянной части из шести знаков (рис. 4.5, а) и переменной ча­сти из восьми знаков (рис. 4.5, б).

Рис. 4.5. Структура технологического кода деталей, обрабатываемых реза­нием:

а — постоянной части; б — переменной
Использование таблиц ТКД позволяет однозначно представить конструкторско-технологические признаки детали в виде кода описанной структуры.

В принципе, возможно использование и иных классификато­ров, при построении которых учитывается, например, специфика деталей, изготавливаемых на предприятии. При разработке клас­сификаторов следует помнить, что малое число признаков (3 — 5) Делает классификационную систему слишком грубой и не позволяет с достаточной точностью отнести деталь к той или иной группе (классу).

Большое (20 и более) число признаков делает классифи­катор неудобным в работе, что приводит к возникновению оши­бок.

В соответствии с ТКД конкретную деталь можно отнести к соответствующему классу, подклассу, группе, подгруппе или типу. Для каждого типа определена деталь-представитель (рис. 4.6). Для нее разрабатывают типовой ТП, структуру и основные параметры которого считают известными.

Сведения о процессах-аналогах входят в информационное обес­печение САПР ТП. Разработку единичных ТП изготовления дета­лей на основе процессов-аналогов выполняют в соответствии со структурной диаграммой, приведенной на рис. 4.7.

Рис. 4.6. Примеры конструкций деталей:

а — е — детали типа фланцевого диска; ж — деталь-представитель
Используют конструктивно-технологические модели детали и исходных заготовок (как разработанных в ходе ТПП, так и дирек­тивно заданных). Параметры моделей можно вводить с помощью процессора ввода-вывода САПР ТП или импортировать из CAD, что в особенности характерно для интегрированных САПР. Вводят данные о годовом объеме выпуска, определяющие в сочетании с известной массой детали, тип ее производства.

Технологический контроль моделей (блок А1), целью которого является выявление ошибок, несоответствий и нетехнологичных элементов конструкций деталей, выполняют в диалоговом режиме. Скорректированные модели детали и заготовки передают для последующего формиро­вания ключа поиска процесса-аналога. Информацию о необходи­мых изменениях конструкции детали направляют в CAD.

Для того чтобы найти процесс-аналог в соответствующей базе, деталь классифицируют (например, с использованием ТКД). По классификационному коду детали определяют деталь-представи­тель и соответствующий ей ТП, который и принимают за процесс-аналог.

Ключ поиска может дополнительно к коду по ТКД включать информацию, например, об отрасли машиностроения, для ко­торой разрабатывался искомый ТП, времени его разработки, стране разработки и т.д. Однако излишняя информативность клю­ча поиска снижает надежность последнего и может привести к его полной безрезультатности. В этом случае информативность ключа понижают, игнорируя некоторые его составляющие. Иногда по­иск по ключу заменяют примерной («на глаз») классификацией детали с последующим просмотром деталей-представителей близ­ких классификационных групп. Деталь-представитель выбирают визуально с последующим уточнением ее технологических при­знаков.

Рис. 4.7. Структурная схема проектирования единичного ТП

изготовления детали на базе процесса-аналога:

I1 —I6 — входная информация; А1—А7 — модули проектирования;

С1 — СЗ — управление; Ml — M2 — механизм реализации;

O1 — O9 — выходная информация

Найденный аналог может быть неединственным. В этом случае пользователь, с помощью дополнительных критериев выбора или используя иные предпочтения, принимает решение о выборе единственного, наиболее предпочтительного варианта процесса-ана­лога. Часто, единственный вариант отбирают на основе визуально­го сравнения конструкций заданной детали и деталей-представи­телей.

Множество результатов поиска может быть и пустым. В этом случае изменяют ключ, уменьшив число признаков, и поиск повторяют до тех пор, пока не будет найден приемлемый процесс-аналог.

Выбранный процесс-аналог просматривают. Сравнивают конструктивно-технологические признаки деталей. При их тождественности или минимальных разли­чиях процесс-аналог используют без корректировки, что в особенности характерно для единичного и мелкосерийного производств. Далее выполняют подготовку не­обходимой технологической документации (блок А7) и заверша­ют работу с системой.

При использовании обобщенного маршрута ТП на его основе вы­полняют синтез единичного маршрутного ТП. Для этого необхо­димо решить две задачи:

• выбрать из справочников формулировок нужные операции для обеспечения требований качества, предъявляемых к заданной детали;
• определить место каждой операции в проектируемом марш­рутном ТП.

Решение этих задач основано на том, что для каждой операции выявляют условия, которые будут определяющими при ее включе­нии в проектируемый ТП.

Применяемые заготовки также влияют на выбор операций и их последовательность в проектируемом маршрутном ТП. Заданную точность размеров и формы обработанных поверхностей обеспе­чивают соответствующими методами обработки, выбор операций легко осуществляется по табличным моделям. Точность располо­жения обрабатываемых поверхностей зависит от выбранных тех­нологических баз, которые связывают с формулировками опера­ций. Габаритные размеры обрабатываемой детали и их граничные значения, а также объем партии запускаемых в производство из­делий в значительной мере влияют на выбор оборудования и тех­нологической оснастки.

4.5. Методология синтеза технологических процессов в САПР
Создание систем автоматизированного синтеза единичных ТП на основе конструктивно-технологических параметров предмета производства (в частности — детали) является одной из наиболее актуальных и нерешенных пока проблем автоматизации проекти­рования. Главной причиной этого является отсутствие общего ре­шения проблемы синтеза структуры ТП детали независимо от ее класса.

Известен ряд концептуальных подходов к решению проблемы синтеза структур ТП. Однако каждый из них обладает рядом не­достатков, в том числе и принципиальных, которые делают не­возможным создание эффективно работающих САПР ТП на их основе.

При обеспечении поддержки решений, принимаемых и реали­зуемых в ПТЦ, наиболее целесообразна автоматизация синтеза маршрутных ТП, одна из со­временных концепций которой излагается в работе [4] и основные выдержки из которой, приведены ниже.

Рассматриваемая концепция предполагает:

• отказ от копирования действий человека — проектировщика ТП;
• штатный режим работы системы — пакетный, реализующий­ся по завершении интерактивного ввода исходных данных;
• использование в качестве элементарной структурной единицы, на базе которой формируют маршрутный ТП, технологического метода.

Концептуальная модель автоматизированной системы синтеза маршрутных ТП изображена на рис. 4.8.

Рис.4.8. Концептуальная модель автоматизированной системы синтеза

маршрутных ТП изготовления деталей
В системе определяют состав и последовательность технологи­ческих операций, но не строят структуру последних.

Входные данные системы включают в себя:

• конструктивно-технологические параметры детали и заго­товки, которые могут формироваться в CAD, а затем импортиро­ваться;
• организационно-производственные данные (объем выпуска детали, объем производственной партии, вид (код) заготовки, ее размеры, единицы нормирования, номера цеха, участка и т.д.);
• данные о технологических возможностях и ресурсах производства.

Геометро-технологическое моделирование заготовки и дета­ли (блок 1) выполняют с использованием специализированной гра­фической среды. Деталь представляют упорядоченной совокупностью комплексов поверхностей, объединяемых общностью технологии формообразования. Для каждого комплекса генерируют (блок 2) множество элементарных маршрутов его обработки, элементы ко­торого после селекции становятся информационной основой для выполнения собственно синтеза единичного маршрутного ТП.

Синтез ТП (блок 3) выполняют в пакетном режиме за два последовательных этапа: макетирования и корректировки маршрут­ного ТП.

Макет маршрутного ТП формируют «от готовой детали к заго­товке» объединением переходов различных элементарных марш­рутов обработки комплексов (ЭМОК) в макеты операций на базе общности групп используемого оборудования и множеств возмож­ных схем установки (СУ) заготовки. Последовательность макетов операций устанавливают, используя априорное разделение ТП по этапам (см. табл. 4.1).

Макет маршрутного ТП — первичное проектное решение, нуждающееся в корректировке. Корректировку макета маршрутного ТП выполняют «от заго­товки к готовой детали». Поверхности, обработка которых описана в макетах операций, связывают технологическими базами, допус­кающими их обработку. При этом может изменяться последова­тельность и содержание технологических операций. Учитывают об­щие технологические принципы построения процессов изготовле­ния деталей.

Сформированное множество маршрутных ТП оценивают (блок 4) прежде всего по технологической непротиворечивости по­лученных результатов. Варианты ТП, содержащие противоречащие общим технологическим правилам фрагменты, исключают из рассмотрения. При необходимости над множеством вариантов ТП выполняют процедуры оптимизации. Для принятого варианта оформ­ляют технологические документы (блок 5).

Геометро-технологическую модель предмета производства, используемую при синтезе ТП, формируют из элементов, называ­емых технологическими комплексами поверхностей.

Технологический комплекс (Т-комплекс) — совокупность поверхностей различных типов, которые могут быть обработаны совместно при непрерывном движении инструмента по заданной траектории или обработаны комплектом последовательно исполь­зуемых инструментов при реализации ЭМОК. Каждому Т-комплексу ставят в соответствие множество технологических методов, которые в зависимости от условий производства и требований к качеству обработки могут быть использованы отдельно или в сово­купности, как переходы ЭМОК, для совместной обработки всех поверхностей, образующих Т-комплекс. Фрагмент каталога Т-комплексов представлен в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Фрагмент каталога Т-комплексов

Иден­тифи­катор	Эскиз комплекса	Технологические методы	Тип произ­водства
Р11		Фрезерование цилиндрическое Шлифование (прямоугольный стол) Накатывание Фрезерование торце­вое Шлифование (круглый стол) Притирка Строгание Протягивание Шабрение	* * С * С * Е, МС С *
:	:	:	:
СЕР11		Обтачивание Притирка Шлифование абразив­ной лентой Шлифование круглое Продольное шлифо­вание круглое врезное	* С C * *
:	:	:	:

Примечание. Е, МС, С — соответственно единичный, мелкосерийный, серийный типы производства; * — все типы производства.
Элементарные маршруты обработки комплексов — совокупность технологических переходов, последовательное выполнение кото­рых ведет к формообразованию множества поверхностей данного Т-комплекса и обеспечению предъявляемых к ним требований ка­чества. ЭМОК не хранят в готовом виде, а генерируют вновь для каждого конкретного сочетания требований качества, предъявля­емых к поверхностям Т-комплекса и условиям их обработки. Для каждого Т-комплекса разработаны графы генерации ЭМОК.

При генерации ЭМОК используют данные об объеме выпуска, определяющие тип производства, а также наиболее общие пра­вила, дополнительно характеризующие условия применимости конкретного технологического метода. В результате для каждого Т-комплекса формируют множество вариантов ЭМОК, мощность которого зависит от состава исходных технологических методов, а также диапазонов значений показателей качества соответствую­щих поверхностей.

Для каждого варианта ЭМОК определены:

• идентификатор Т-комплекса, типы и геометро-технологические параметры входящих в него поверхностей;
• порядковый номер ЭМОК, список входящих в него техноло­гических переходов;
• данные по переходам: порядковый номер перехода в ЭМОК; реализующийся в переходе технологический метод; показатели качества заготовки до обработки методом текущего перехода; показатели качества заготовки после обработки методом текущего перехода; приоритетная группа оборудования (ГО) для реализа­ции перехода; группа инструментов; список идентификаторов воз­можных СУ заготовок.

Для каждого Т-комплекса генерируют несколько вариантов ЭМОК однако, если их число превосходит три, автоматизиро­ванный синтез маршрутного ТП становится затруднен технически. Необходимое уменьшение числа вариантов ЭМОК достигается их селекцией (отбором).

Целью селекции является не выбор единственного варианта ЭМОК для каждого комплекса, а сокращение числа этих вариан­тов до минимума, не оказывающего влияния на объективность и качество результатов последующего синтеза маршрутных ТП.

При селекции ЭМОК последовательно применяют следующие критерии: ожидаемые суммарные затраты на выполнение ЭМОК, однородность ГО и множеств используемых СУ в различных ЭМОК и внутри каждого ЭМОК.

Расчет затрат на выполнение каждого перехода и ЭМОК в це­лом носит приближенный (оценочный) характер и может выпол­няться в относительной форме с использованием, например, ко­эффициента машиночаса.

Синтез маршрутного ТП начинают с предваритель­ного определения содержания и последовательности технологи­ческих операций. Предварительно определенное содержание опе­рации называют ее макетом.

Макет операции — информационный объект следующей струк­туры:

{НОМЕР ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ТИП ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ, {{НОМЕР ПЕРЕХОДА ПОРЯДКОВЫЙ, МЕТОД, {ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ДО ОБРАБОТКИ ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ}}}}, ИДЕНТИФИКАТОР ОБОРУДОВАНИЯ, ГРУППА, ТИП ОБОРУ­ДОВАНИЯ, {СХЕМА УСТАНОВКИ}.

Макет не является полностью и окончательно сформирован­ной операцией. Его можно создавать, сохранять, трансформиро­вать и уничтожать. Упорядоченная последовательность макетов операций образует макет ТП, который впоследствии можно моди­фицировать (изменять).

В зависимости от типа производства автоматически выбирается стратегия синтеза. В единичном и среднесерийном производстве используют стратегию концентрации: формируют операции, со­держащие максимально возможное число технологических пере­ходов обработки максимального числа поверхностей.

В крупносерийном и массовом производстве применяют страте­гию дифференциации: число переходов в операции ограничено необходимостью соответствия штучного времени такту выпуска.

Сформированные макеты операций могут быть избыточными по числу включенных переходов и не отвечать ряду формальных требований к содержанию (составу) операций. Аналогичными не­достатками может обладать и сформированная последовательность операций (макетов). Это вызывает необходимость в корректировке макета маршрутного ТП.

Установку заготовки при выполнении технологической операции определяют ее базы и схема закрепления, характеризующая место и направления действия сил закрепления заготовки. В настоящее время отсутствуют САПР ТП, в которых СУ определяется автома­тически (или при минимальном диалоге пользователя с системой).

В результате анализа СУ, использующихся при изготовлении деталей, выявлено следующее:

• при установке используют не более четырех поверхностей заготовки;
• в СУ используют элементарные поверхности следующих ос­новных типов: наружная цилиндрическая, внутренняя цилиндриче­ская, внутренняя коническая, плоскость;
• установочными базами чаще всего служат поверхности глав­ных форм и функционально базовые поверхности (например, цент­ровые отверстия).

Выбору СУ должно предшествовать генерирование максималь­но возможного числа их альтернативных вариантов. Генерируемые варианты СУ не должны противоречить общетехнологическим принципам и правилам.

Определение СУ для первой и последующих операций проектируемого ТП принципиально различаются. В первой операции ТП используют (и только один раз) черные установочные базы. Во второй и последующих операциях заготовку устанавливают на уже обработанные поверхности. Базовые поверхности должны быть об­работаны в операциях, предшествующих выполняемой.

Выбор варианта СУ для первой операции основан на положе­нии: выбранная СУ должна обеспечивать возможность обработки (доступа) для максимального числа поверхностей из их множе­ства, запланированных для обработки в первой операции. Обрабо­танные при выбранном варианте СУ поверхности маркируют и далее — при выборе СУ для последующих операций постоянно учитывают текущее состояние предмета производства.

Корректировку содержания и последовательности операций выполняют, пока не будут связаны базами все обрабатываемые поверхности и не сформированы все соответствующие операции. При синтезе формируют альтернативные варианты маршрутного ТП. Это связано с наличием, например, различных ключей группи­рования, альтернативности СУ, приводящих к различным про­должениям маршрутного ТП и т.д.

Предусмотрено «параллельное» формирование и рассмотрение альтернатив с определением необходимых (указываемых пользо­вателем САПР ТП) итоговых технико-экономических показате­лей проектного решения. По этим показателям в последующем осуществляют оптимизацию маршрутного ТП.

В алгоритмах системы синтеза ТП широко ис­пользуют технологические эвристики. Эвристика представляет со­бой частный (неполный) метод решения какой-либо задачи. Обычно это эмпирическое правило или стратегия.

Для предварительного определения содержания и последова­тельности операций используют следующие правила.

1. Начальными операциями процесса должны быть операции обработки технологических баз (промежуточных или окончательных). Их выполняют на черновом или получистовом этапах про­цесса изготовления детали. Операции обработки баз у тел враще­ния должны содержать обработку торцевых поверхностей.
2. Последовательность обработки зависит от системы проста­новки размеров на рабочих чертежах деталей: в начало ТП выносят обработку поверхностей, относительно которых на чертеже координировано наибольшее количество других поверхностей.
3. При невысокой точности исходной заготовки сначала обрабатывают поверхности, имеющие наибольшую толщину удаляемого материала (для раннего выявления дефектов заготовок).

1. Чем точнее поверхность, тем позже она обрабатывается окон­чательно в общем ТП изготовления детали.
2. Операции обработки поверхностей, имеющих второстепен­ное значение и не влияющие на точность основных размеров дета­лей (мелкие отверстия, фаски, канавки и т. п.), следует выполнять на чистовом этапе процесса, до операций окончательной обработ­ки ответственных поверхностей.
3. Легкоповреждаемые поверхности (наружные резьбы, зубча­тые поверхности с мелким модулем, наружные шлицевые поверх­ности и т. п.) обрабатывают на завершающих операциях ТП.
4. Операции, связанные с термическими и силовыми деформа­циями, должны выполняться до этапов чистовой и отделочной обработки.
5. Операции химико-термической обработки разделяют технологический процесс на самостоятельные части, каждая из кото­рых может содержать операции чернового и получистового этапов.
6. Первыми после термической обработки выполняют операции обработки (восстановления) технологических баз.

1. Некоторые операции химико-термической обработки (циани­рование, азотирование, цементация) требуют включения в ТП опе­раций по обеспечению защиты поверхностей, для которых такая обработка не предусмотрена, например, гальванического меднения.
2. После операций, связанных со значительными деформация­ми заготовки или обеспечением высоких значений показателей качества, следует предусматривать контрольные операции.
3. Предварительное содержание операций определяют, объе­диняя переходы, которые могут быть выполнены на выбранном (заданном) оборудовании.
4. Возможно объединение в одну операцию переходов, соответствующих этапам:

• черновому и получистовому;
• получистовому и чистовому.

Допускают обоснованные отступления от изложенных принципов и правил. Например, при реализации принципа концентрации в одну операцию могут включать переходы, относящиеся к черно­вому, получистовому, чистовому этапам, однако указанные пере­ходы должны выполняться последовательно и не могут выполняться одновременно.

Область применения систем синтеза ТП — многономенклатур­ное производство практически любого типа. Эффективному исполь­зованию систем способствует предметная специализация: жела­тельно использование системы для проектирования ТП изготов­ления деталей ограниченного числа (близких) классов или групп. Создание автоматизированной системы синтеза ТП, инвариант­ной предмету производства (классу детали), является делом буду­щего.

5. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ТП

5.1. Основные виды информации
Информацией называются сведения о фактах, концепциях, объек­тах, событиях и идеях, которые в конкретном контексте имеют вполне определенное значение (ГОСТ 15971—90 «Системы обра­ботки информации. Термины и определения»).

Основу информационного обеспечения САПР ТП составляет информация, используемая системой непосредственно для выработ­ки проектных решений. Это информация об аналогах проектируе­мых процессов, о технологических свойствах материалов деталей, технологическом оборудовании, инструменте, которые могут быть применены в объекте проектирования. Сюда же относятся правила и нормы проектирования, а также правила и формы документи­рования его результатов.

Информацию, представленную в виде, пригодном для обра­ботки автоматизированной системой при возможном участии че­ловека, называют данными.

Для разработки единичных ТП изготовления деталей и сборки используют руководящую и справочную информацию. Руководящая информация включает в себя следующие данные:

• изложенные в отраслевых стандартах, в том числе на оборудование и оснастку;
• в документа­ции на действующие единичные, типовые и групповые процессы;
• в классификаторах технико-экономической информации;
• в техноло­гических нормативах (режимов обработки, припусков, норм рас­хода материалов и др.);
• в производственных инструкциях и доку­ментах по технике безопасности и промышленной санитарии,
• в устанавливающих требования к ТП и методам управления ими.

Справочная информация содержит данные;

• представленные в технологической документации опытного производства,
• описани­ях прогрессивных методов изготовления и ремонта,
• каталогах, пас­портах, справочниках, альбомах компоновок прогрессивных средств технологического оснащения,
• схемах планировки производствен­ных участков.

Основной задачей информационного обеспечения САПР ТП является полное, достоверное, надежное и своевременное поступ­ление всей необходимой для проектирования информации при минимальном времени ожидания и наименьших затратах на созда­ние и эксплуатацию системы.

Совокупность упорядоченной информации, используемой при эксплуатации САПР ТП, образует ее информационную базу. Внемашинной информационной базой называют ее часть, представленную совокупностью документов, предназначенных для непосредственного восприятия человеком без применения средств вычислительной техники (см. ГОСТ 34.003—90 «Автоматизированные системы. Термины и определения»). Обычно это нормативно-спра­вочная информация (например, специализированные технологи­ческие справочники). Иногда внемашинную информационную базу создают с целью экономии технических ресурсов системы и повы­шения надежности ее эксплуатации.