Режим доступу багатьох користувачів

Зміст

Вступ .....................................................................................................................4

1. Основні принципи побудови САПР……………………………………….5

2. Технічне забезпечення САПР. Работа зі сканованими кресленнями в системах інженерного документообігу……………………………………….10

3. Програмне забезпечення САПР ……………………………………………22

4. Оптимізація технічних рішень в САПР ……………………………………27

5. Специфіка інформаційного забезпечення САПР……………………………36

6. Характеристика сучасних САПР. Ефективність і перспективи розвитку .44

Вступ

Задачі автоматизації проектування лісогосподарських машин надзвичайно актуальні, їх розв'язок забезпечить скорочення строків впровадження нових проектно-конструкторських розробок, що є необхідною умовою підвищення рівня ефективності сучасної техніки.

Однак розв'язок цих задач пов'язаний з великими труднощами. Це зумовлено як особливостями конструкторського проектування, яке традиційно вважається творчим процесом, так і зростаючими вимогами до автоматизованих систем проектування. Адже системи автоматизованого проектування лісогосподарських машин повинні функціонувати з урахуванням великої різноманітності факторів, що слід враховувати при проектуванні й експлуатації машин та агрегатів.

У якості методологічної основи створення і експлуатації САПР лісогосподарських машин у методичних вказівках наводяться загальні відомості й основи роботи із графічною системою AutoCAD та математичні пакети, вказано принципи створення структури САПР СГМ. Наведено приклади автоматизованого проектування типових передач і деталей.

Програма дисципліни ”САПР обладнання лісового комплексу” передбачає виконання практичних робіт з метою більш глибокого засвоєння теорії методології і наукових методів та принципів автоматизованого проектування в галузі механізації лісогосподарського виробництва і розвитку творчого мислення студентів.

Лекція № 1

ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ САПР

1.1 Історія створення САПР

У 60-их роках фірма ІВМ розпочала виробництво ЕОМ серії ІВМ-360. Майже одночасно фірма DEC випустила свій перший комп’ютер PDP-1. Обидві фірми у ці роки розпочали дослідження в області машинної графіки, тому цей період слід вважати початком зародження індустрії САПР. Першими зосередили зусилля над створенням САПР фірми: “Дженерал Моторс”, “Локхідщ”, “Макдонел -Дуглас”. Як правило, більша частина створених програмних продуктів була призначена для створення ескізів, креслень і не виходила за межі цих фірм.

На початку 70-х років фірма “Аплікон” створює САПР на основі ЕОМ PDP-11. Першими на ринку в цей період з’явились САПР фірми “Комп’ютервіжн” під комп’ютер NOVA фірми “Дельта дженерал”. В цей же період на ринку з’являються перші персональні комп’ютери. котрі користувались великим попитом, тому ряд фірм почали застосовувати елементи САПР саме для них.

На даний час найпоширенішою САПР для персональних комп’ютерів є AutoCAD – програмний продукт фірми Autodesk, котрий функціонує з операційними системами.

САПР, побудований на базі персональних комп’ютерів APPLE чи IBM PC, не дають таких графічних можливостей, котрі є у потужних САПР, зокрема фірми “Комп’ютервіжн”. Наприклад, користувач, що працює з САПР на базі комп’ютерів IBM PC , може обробляти 2000 примітивів (кола, дуги, фігури і ін.), а МСАПР фірми “Комп’ютервіжн” до 10000 примітивів. Вартість цих потужних САПР більше 300 000$.

1.2 Мета створення САПР

Мета автоматизації проектування - підвищити якість проектних рішень, знизити матеріальні затрати на проектування і скоротити його терміни, ліквідувати ріст числа інженерно-технічних працівників, зайнятих проектуванням і конструюванням.

В умовах САПР повинно бути забезпечене науково - обґрунтоване розподілення функцій між людиною і ЕОМ: людина повинна вирішувати завдання творчого характеру, а ЕОМ — завдання, рішення яких піддається алгоритмізації.

1.3 Склад САПР

САПР — це комплекс засобів автоматизації проектування, взаємопов'язаних з необхідними підрозділами проектної організації колективом спеціалістів (користувачів САПР), що виконую її автоматизоване проектування.

Складовими структурними частинами САПР є підсистеми. За призначенням підсистеми САПР розділяють на 2 види: проектуючі і обслуговуючі.

Проектуючі підсистеми виконують проектні процедури і операції, наприклад, проектування деталей і складальних одиниць верстата. Обслуговуючі підсистеми призначені для забезпечення працездатності проектуючих, наприклад, підсистема графічного зображення об'єктів проектування, підсистема документування, підсистема інформаційного пошуку тощо. В залежності від відношення до об'єкта проектування розрізняють два види проектуючих підсистем: об'єктно-орієнтовані (об'єктні), які виконують одну або декілька проектних процедур або операцій, безпосередньо пов'язаних з об'єктом проектування; об'єктно-незалежні (інваріантні), які виконують уніфіковані проектні процедури і операції.

Кожна підсистема складається з компонентів САПР, які об'єднані загальною для даної підсистеми цільовою функцією і забезпечують функціонування підсистеми. Компонент представляє собою елемент забезпечення, який виконує певну функцію в підсистемі. Розрізняють наступні компоненти:

· методичний — документи, в яких відображені склад, правила відбору і експлуатації засобів автоматизації проектування;

· лінгвістичний — мови програмування, термінологія;

· математичний — методи, математичні моделі, алгоритми;

· програмний — документи з текстами програм, програми на машинних носіях і експлуатаційні документи;

· технічний — пристрої обчислювальної і організаційної техніки, засоби передачі даних, вимірювальні або інші пристрої;

· інформаційний — документи, що містять опис стандартних процедур, типових рішень, типових елементів, комплектуючих виробів, матеріалів і інші дані, а також файли і блоки даних на машинних носіях з записом даних документів;

· організаційний - положення, інструкції, накази, штатні розклади, кваліфікаційні вимоги та інші документи, які регламентують організаційну структуру підрозділів та їх взаємодію з комплексом засобів автоматизації проектування.

Внутрішня структура підсистеми визначається наявністю окремих компонентів і зв'язком між ними.

Структура САПР — склад підсистем і зв'язки між ними — визначається рівнем декомпозиції деякої узагальненої типової задачі проектування. При цьому зв'язки між підсистемами можуть носити характер ієрархічних, інформаційних та інших і здійснюються через відповідні компоненти. В цьому розумінні мінні вигідне матричне представленім структури САПР.

1.4 Основні принципи побудови САПР

Розробка САПР представляє собою складну науково-технічну проблему, а її впровадження вимагає значних капіталовкладень. Накопичений досвід дозволяє виділити рад основних вимог до створюваних САПР і принципів їх утворення, що дозволяють оптимізувати структуру технічного та програмного забезпечення САПР на стадії проектування. До таких вимог належать:

1) необхідна продуктивність — кількість проектованих виробів за одиницю часу;

2) різноманітність форм взаємодії проектувальника і ЕОМ, включаючи інтерактивну, графічну, мовну та ін;

3) інваріантність структури до проектованих об'єктів, методів і засобів проектування;

4) можливість накопичення досвіду в системі;

5) можливість одночасного проектування кількох виробів;

6) незалежність введення в дію і експлуатації окремих підсистем;

7) висока надійність з точки зору як використання, так і вірогідності результатів, які отримуються;

8) прийнятна вартість.

Вказані вимоги можна реалізувати в САПР, при побудові якої враховуються наступна принципи:

1) інтерактивність – створювана САПР є, людино-машинною системою, а процес проектування автоматизованим; людина в САПР повинна вирішувати задачі, які не піддаються формалізації, на основі евристичних здібностей і накопиченого досвіду, а ЕОМ — формальні;

2) ієрархічність – при створенні САПР повинен бути збереженим блоково-ієрархічний підхід до проектування;

3) комплексність – автоматизоване проектування повинно здійснюватись по всьому циклу розв'язання проектної задачі на приблизно однаковому технічному рівні;

4) інформаційна узгодженість – всі або більшість послідовних задач проектування обслуговуються інформаційно узгодженими програмами і технічними засобами, що виключає або зводить до мінімуму участь людини в таких операціях, як ручне перекомпонування даних при переході на інший носій;

5) відкритість структури і розвиток – САПР повинна передбачати можливість зручного включення нових методів і засобів, більш досконалих, ніж були закладеш на стадії створення;

6) модульність – можливість реалізації окремих підсистем у виді функціонально самостійних модулів з подальшою їх заміною по мірі розвитку і вдосконалення технічних засобів програмного та інформаційного забезпечення;

7) мультидоступ – САПР повинна бути системною колективного користування;

8) уніфікація – САПР будується на основі максимального використання уніфікованих складових частин, необхідна умова уніфікації пошук спільних положень в моделюванні, аналізі і синтезі різних технічних об'єктів.

1.4 Стадії створення САПР

Створення САПР — досить довготривалий процес, який потребує немалих капіталовкладень і залучення висококваліфікованих спеціалістів. Умови, в яких створюються конкретні САПР, різні, а тому можливі декілька варіантів розробки і впровадження САПР. За часом введення в дію САПР розрізняють два підходи: еволюційний і одночасного введення всіх підсистем САПР. Частіше на діючому підприємстві або в проектній організації застосовуєшся еволюційний шлях впровадження автоматизованого проектування, який передбачає поступове введення в експлуатацію компонентів і підсистем САПР та існування на протязі певного часу неавтоматизованих способів проектування. Підставою для еволюційної о шляху є труднощі радикальних перетворень, необхідність великих затрат на створення САПР, недостатня підготовка інженерних кадрів до роботи в САПР.

За відношенням до стадій проектування можна виділити також два підходи при створенні САПР: зверху і знизу. Підхід зверху означає створення алгоритму і програм виконання операцій і процедур проектування в першу чергу на ранніх його стадіях (ТЗ, ТП). Підхід знизу передбачає виконання автоматизованих процедур і операцій на кінцевих стадіях (ТПт, РП). Другий підхід більш простий, так як процедури і операції проектування на його стадіях більш формальні і легше піддаються програмуванню, однак він не може принести результатів, які кардинально покращують процес проектування як за часовими, так і за якісними показниками. Це найбільш правильний підхід, при якому паралельно і поетапно розв'язуються задачі автоматизації на всіх стадіях процесу проектування.

Проектування САПР як складної технічної системи повинне базуватися на блоково-ієрархічному підході. При цьому виділяють два основних аспекти проектування САПР: апаратний і програмний.

Апаратний аспект в загальному пов'язаний з розв'язанням задач обґрунтованого вибору компонентів технічного забезпечення і синтезу структури обчислювальних гілок і комплексів САПР.

Програмний аспект пов'язаний з вибором або розробкою всесистемного, базового і прикладного програмного забезпечення.

Проектування САПР включає декілька ієрархічних рівнів. На верхньому рівні розробляються структури технічного і програмного забезпечення, виходячи з даних по нумерації і об'єму проектних робіт, методів проектування, перспектив розвитку класу об'єктів проектування. На наступних ієрархічних рівнях створюються оригінальні програмно-методичні комплекси.

Процес створення САПР включає в себе такі етапи: передпроектне дослідження, технічне завдання, технічна пропозиція, ескізний проект, технічний проект, робочий проект, виготовлення, випробування, введення в дію.

Передпроектні дослідження проводяться для виявлення готовності конкретної проектної організації до втілення автоматизованих методів. Основу цієї роботи складає системне дослідження об'єкта проектування і використання в інженерній практиці традиційних методів і прийомів проектування, а також обсягу технічної документації, яку потрібно розробити в процесі проектування. При цьому враховується обсяг проектно-конструкторських робіт, їх періодичність, загальні затрати інженерної пращ, можливість створення адекватного математичного опису і оптимізаційних процедур, необхідність підвищення якості показників об'єкта проектування, скорочення термінів проектування і т.д.

Технічне завдання (ТЗ) є вихідним документом для створення САПР і повинно вміщувати найбільш повні вихідні дані і вимоги. ТЗ повинно включати такі пункти: назва і область використання, характеристика об'єктів проектування, мета і призначення, характеристика процесу проектування, вимоги до САПР, технічно-економічні показники.

На стадіях технічної пропозиції, ескізного і технічного проектування вибираються і обґрунтовуються варіанти САПР, розробляються кінцеві рішення.

Оформлення всієї документації, необхідної для створення і функціонування САПР, виконують на стадії робочого проектування.

На стадії виготовлення і випробування проводять монтаж, наладку і випробування комплексу технічних засобів автоматизації проектування, на тестових прикладах доводять програмне забезпечення і підготовляють проектну організацію до введення в дію САПР.

Введення в дію відбувається після експериментального функціонування і приймальних випробувань замовника.

Лекція № 2

ТЕХНІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПР. РАБОТА ЗІ СКАНОВАНИМИ КРЕСЛЕННЯМИ В СИСТЕМАХ ІНЖЕНЕРНОГО ДОКУМЕНТООБІГУ

2.1 Поняття інтерактивної графіки

Система інтерактивної графіки включає ЕОМ з групою периферійних пристроїв, що забезпечують отримання графічних зображень в режимі діалогу з оператором.

Між інтерактивною графікою і традиційним інженерним кресленням існує принципова різниця. Обумовлено це тим, що при використанні графічних систем креслярські інструменти не потрібні. Крім того, в цих системах можна використовувати числові розрахунки. Отже, інтерактивна графіка – це засіб підвищення виконання креслярських робіт, зниження їх вартості.

Всі системи інтерактивної графіки складаються із двох частин: апаратних засобів (технічне забезпечення) і програмного забезпечення, причому вартість програмного забезпечення, як правило, вища.

2.2 Структура ЕОМ

Електронна обчислювальна машина (ЕОМ) - це електронний пристрій, призначений для автоматичної обробки інформації, що поступає на його входи через спеціальні пристрої введення інформації та для автоматичного виведення результатів обробки, що дістаються на виходах, через спеціальні пристрої виведення інформації.

Сьогодні з допомогою комп'ютерів не тільки проводяться числові розрахунки, але й готуються до друку книги, створюються малюнки, кінофільми, музика, здійснюються управління заводами і космічними кораблями і т.д. Комп'ютери перетворились в універсальні засоби обробки всіх видів інформації, які використовує людина.

Персональну ЕОМ можна розглядати як систему, яка складається з 5 функціональних підсистем: введення даних, виведення результатів, арифметичної та логічної обробки даних та підсистеми пам'яті.

Пристрої введення дозволяють приймати дані з зовнішнього середовища: клавіатури, магнітних дисків, тощо.

Пристрої виведення забезпечують передачу даних в зовнішнє середовище: на екран дисплею, на папір, диски, тощо. Всі дані зберігаються або в пристроях внутрішньої пам'яті, або в зовнішній пам'яті.

Внутрішня пам'ять має у своєму складі дві частини: постійний (ПЗП) та оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП). Обробка всіх даних виконується в арифметико-логічному пристрої (АЛП).

Об'єднує роботу всіх підсистем пристрій управління (ПУ). Для організації зв'язку між пристроями використовується інтерфейс. Це деяка шина (сукупність каналів передачі сигналів). Кожна лінія шини має своє призначення: передача даних, передача адреси, передача сигналів управління. Підсистема управління та підсистема арифметико-логічної обробки утворюють процесор, який визначає всю роботу ЕОМ.

Рис.2.1. Структурна схема персонального комп'ютера

Мікропроцесор - невелика (в декілька сантиметрів) електронна схема, яка виконує всі обчислення і обробку інформації. Ведучі позиції в світі в цій галузі займає фірма Intel (США), яка розробила ціле сімейство мікропроцесорів. Головними представниками такого сімейства є процесори Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III. Вони відрізняються один від одного швидкодією та розрядністю.

Швидкодія - це кількість операцій (команд) які виконуються в одиницю часу. Вона вимірюється в мільйонах операцій за секунду. Так, для процесора 80386 цей показник дорівнює 3-4 млн. опер/сек.

Якість процесора можна оцінювати також по тактовій частоті роботи. Чим більша тактова частота, тим більша продуктивність мікропроцесора. Тактова частота вимірюється в мегагерцах (МГц). Наприклад, сучасні мікропроцесори випускаються з тактовою частотою від 200 до 1100 МГц. Часто тактова частота вказується вслід за моделлю мікропроцесора, наприклад: Celeron 1100 МГц.

Зауваження. Тактова частота вказує швидкість виконання елементарних операцій всередині мікропроцесора. Різні моделі мікропроцесорів виконують одні і ті ж команди за різне число тактів. Чим більш сучасна модель мікропроцесора, тим, як правило, менше тактів потрібно мікропроцесору для виконання одних і тих же команд.

Розрядність - це найбільша ширина інформаційного коду, який може використовуватись в ЕОМ як одне ціле. Вона виміряється в бітах або в байтах, рівним 8 бітам. Перші мікропроцесори мали розрядність 4 та 8 біт, для процесорів 8086 та 80286 цей показник дорівнює 16, а для процесорів 80386 та 80486 - 32.

Іншим важливим елементом обчислювальної машини є пам'ять, в якій зберігаються дані та програми для їх обробки. Головними характеристиками пам'яті є обсяг та час, який витрачається на операцію запису даного в пам'ять та читання такого даного.

Обсяг виміряється в байтах, кілобайтах, мегабайтах, гігабайтах. Одиницею інформації в комп'ютері є один біт, тобто двійковий розряд, який може приймати значення 0 або 1. Вісім послідовних бітів складають байт. Один кілобайт (1 Кб) дорівнює 1024 байтам, один мегабайт (1 Мб) дорівнює 1024 Кб, один гігабайт (1 Гб) дорівнює 1024 Мб.

В персональних ЕОМ використовується пам'ять трьох видів.

Постійна пам'ять (в літературі вона називається ROM - Read Only Memory (пам'ять тільки для читання) або ПЗП (постійно запам'ятовуючий пристрій)). Вона призначена для зберігання різноманітних програм, таблиць, тощо. В цій пам'яті зберігається програма тестування всіх головних пристроїв машини, яка починає свою роботу при вмиканні блока живлення. Тут також записана програма BIOS (Basic Input/Output System), яка входить до складу операційної системи. Зміст такої пам'яті можна тільки читати, його неможливо змінити за допомогою будь-якої програми. При вимкненні живлення інформація не зникає.

В комп'ютері є також невелика ділянка пам'яті для зберігання параметрів конфігурації комп'ютера. Її часто називають СМOS (напівпостійна память). Вміст СМOS - пам'яті не змінюється при вимкненні електроживлення комп'ютера, оскільки для її електроживлення використовується спеціальний акумулятор. Для зміни параметрів конфігурації комп'ютера в BIOS міститься програма настройки конфігурації комп'ютера - SETUP.

Оперативна пам'ять (в літературі вона називається RAM –random access memory - пам'ять прямого доступу). Вона забезпечує запис, зберігання та читання інформації. Характерною є велика швидкість виконання цих операцій. Від кількості встановленої в комп'ютері оперативної пам'яті напряму залежить, з якими програмами ви зможете на ньому працювати. При недостатній кількості оперативної пам'яті багато програм або взагалі не будуть працювати, або будуть працювати дуже повільно.

Зовнішня пам'ять - це пам'ять на магнітних дисках. В персональних ЕОМ є два типи дисків — твердий та гнучкий.

Накопичувач на твердому магнітному диску (частіше використовується інша назва такого пристрою - вінчестер) призначений для постійного зберігання інформації, яка використовується при роботі з комп'ютером: програм операційної системи, часто використовуваних пакетів програм, редакторів документів, трансляторів з мов програмування і т.д.

Основними характеристиками твердого диска є його ємкість, тобто кількість інформації, яка може поміститися на диску, та швидкодія - тобто час доступу до інформації, швидкість читання і запису інформації. Максимальна ємкість дисків сьогодні 40 Гб.

Гнучкі диски (дискети) дозволяють переносити документи і програми з одного комп'ютера на інший, а також зберігати інформацію, яка постійно на комп'ютері не використовується. В залежності від діаметру є два різновиди гнучких дисків - 5,25 дюйма та 3,5 дюйма. Обсяг дискет суттєво залежить від фізичних властивостей його магнітного шару. Так, обсяг дискет діаметром 3,5 дюйма може бути 1,44 - 2,88 Мб., а обсяг дискет діаметром 5,25 дюйма може бути від 180 Кб до 1,2 Мб.

Перед першим використанням, дискети необхідно спеціальним чином форматувати. Це робиться з допомогою спеціальних програм, наприклад, програми Format. При формотуванні здійснюється перевірка поверхні дискети. Пошкоджені ділянки помічаються як дефектні і в подальшому запис даних у ці ділянки не проводиться.

Результати виконання команди або програми відображаються на екрані дисплея або на папері принтера. Дисплей може працювати в текстовому або графічному режимах. Текстовий режим дозволяє ввести до 40 або 80 символів в рядку та 25 або 43 рядка. Якісні характеристики графічного режиму дисплея залежать від самого дисплея та адаптера, який керує відображенням інформації на екрані. Звичайно адаптер розміщується на окремій платі в системному блоці ЕОМ.

Найбільше розповсюдження отримали адаптери EGA та VGA. Роздільна здатність адаптеру ЕОА 640Х200 або 640Х350 крапок, а адаптера УОА -640Х350 або 640Х480 крапок і ін. Кращі кольорові дисплеї дозволяють використовувати до 256 різних кольорів.

Мови програмування мають засоби управління дисплеєм і в текстовому і в графічному режимах.

В персональних ЕОМ застосовуються багато типів принтерів. Принтер призначений для виводу інформації на папір. Принтери можуть виводити не тільки текстову інформацію, а й малюнки і графіки. Одні принтери дозволяють друкувати тільки в одному кольорі (чорному), інші можуть виводити також і кольорові зображення.

Найвищу якість друкування забезпечують лазерні принтери. Кращі з них друкують до 20 сторінок за хвилину при відмінній якості зображення.

Іноді персональна ЕОМ комплектується графобудівником. Цей пристрій (його також називають - плоттер) забезпечує виведення креслень і малюнків лініями різних кольорів.

Розглянемо деякі інші пристрої, що під'єднуються до комп'ютера.

Миша - маніпулятор для вводу інформації в комп'ютер. Щоб змінити положення курсора на екрані монітора, користувач переміщує мишу по столу чи іншій рівній поверхні.

Джойстик - маніпулятор у вигляді закріпленої на шарнірі ручки з кнопкою. Використовується в основному для комп'ютерних ігор.

Сканер - пристрій для зчитування графічної і текстової інформації в комп'ютер.

Модем - пристрій, який дає змогу модулювати і демодупювати сигнали ліній зв'язку. Модем перетворює сигнали з ЕОМ у зручну для передавання форму, наприклад у частотно-модульовані сигнали і передає їх у канал. На приймальному боці модем перетворює прийняті сигнали у форму, яка зручна для обробки на ЕОМ, наприклад, у цифрові двійкові коди.

2.3 Пристрої графічного вводу. Клавішні панелі

Клавішна панель являє собою пристрій вводу, який під’єднується за допомогою кабелю до контролера чи інтерфейсної плати САПР. Кожній клавіші відповідає буква, цифра чи спеціальний символ. При натисненні на клавішу генерується код ASCII (стандартний американський код для обміну інформацією).

Типова клавішна панель являє собою матрицю перемикачів розміром 8х16 і пов’язану з нею електронну схему.

Коли електронна схема клавішної панелі ідентифікує натиснену клавішу, присвоєний код поступає у вихідний регістр і далі на вихідну шину.

2.4 Графічні планшети

Графічні планшети призначені для введення в ЕОМ координат точок на площині. Позиція точок визначається відносно фіксованого початку координат планшета. Координати X, Y визначаються з великою швидкістю і точністю (до 0,001 дюйма = 0,00254 мм). Для локалізації точки на планшеті використовують спеціальний електронний вказівник, котрий переміщують рукою. На даний час в конструкції планшетів реалізовані різні технічні принципи.

2.4.1 Планшети з цифровими перетворювачами механічного типу

Зовні схожі на креслярський кульман. Координати вказівника по осям X,Y визначаються оптичними кодуючи ми пристроями. Основним елементом такого пристрою є диск із спеціальними щілинами. Диск, обертаючись, сприймає світлові промені, котрі проникають через щілини. Коли вказівник переміщується, світлові промені не проходять до оптичних датчиків. Роздільна здатність цифрових перетворювачів такого типу залежить від точності і довговічності механічної конструкції, котра при інтенсивній експлуатації спрацьовується.

2.4.2 Графічні планшети з акустичним цифровими перетворювачем

Такі пристрої побудовані на принципі реєстрації мікрофонами звуку, що виникає при виникненні іскри між кінчиком пера і поверхнею планшета. Вимірюючи час між моментом появи іскри і звуку, можна визначити відстань до місця розряду. Відстань до місця розряду дорівнює часу між моментами появи іскри і звуку помноженому на швидкість звуку у повітрі.

2.4.3 Графічний планшет з магнітострикційним цифровим перетворювачем

В таких цифрових перетворювачах координати точки визначаються шляхом вимірювання струму у провіднику, обумовленого магнітним полем, що виникає при механічній дії на провідник (перо щільно притискається до поверхні планшета)

В планшет вмонтована орієнтована по осям X, Y координатна сітка із дроту з особливими магнітними властивостями. Число відрізків, що утворюють сітку сягає 11000, що й забезпечує точність 0.001 дюйма для планшета 11х11 дюймів (27,94х27,94 см).

2.4.4 Графічний планшети з цифровими перетворювачем електростатичного типу

Робота електростатичних перетворювачів ґрунтується на методі фазового детектування. Коли перо опускається на планшет, генерується сигнал, котрий приймається спеціальним електронним детектором. У ньому аналізується амплітуда і фаза сигналу, що поступив. На основі отриманої таким чином інформації ЕОМ розраховує координати точки, що вказує перо.

2.5 Світлові пера

Світлове перо являє собою з фотодетектором котрий використовується для визначення певного місця на поверхні екрана дисплея. Відповідне програмне забезпечення дає можливість користувачу застосувати перо для введення в ЕОМ координати точки на екрані електронно-променевої трубки, підносячи до цієї точки кінчик пера.

Електронний промінь сканує поверхню екрана по горизонталі. Послідовність горизонталей зверху до низу називається кадром. Кожна горизонталь складається із послідовності точок (пікселей). У типовій електронній горизонталі міститься 480 пікселей, в кадрі 240 горизонталей і за секунду на екран виводиться 30-60 кадрів. Кожен пік сель світиться чи не світиться в залежності від того, увімкнуто чи ні в даний момент електронний промінь. Якщо піднести фотодетектор світлового пера до світлової точки екрана, то напруга, створювана пером, зростає. Електронна схема пера визначає момент, коли напруга, створювана пером, перевищує базову напругу і посилає на ЕОМ відповідний сигнал. ЕОМ, в свою чергу, визначає адресу пікселя, напроти котрого розташоване перо. Так визначаються координати точки на екрані дисплея.

2.6 Робота зі сканованими кресленнями в системах інженерного документообігу

Системи автоматизованого проектування (САПР) і інженерного документообігу вже довели свою спроможність, як ефективний інструмент розробки виробів і підтримки проектної документації, що створюється в електронній формі і зберігається в комп'ютерних файлах.

У той же час, величезна кількість інженерно-технічних матеріалів дотепер зберігається в паперових архівах і обробляється застарілими методами. Великий обсяг корисної і потрібної інформації не використовується в сучасних технологіях і не працює в повну силу. Крім того, традиційний архів, на відміну від електронного, вимагає великих витрат на збереження, розмноження і розподіл паперових матеріалів.

В усьому світі є більш 8 мільярдів технічних зображень, з яких менш 15% зберігається в електронному форматі. Незважаючи на те, що системи автоматизованого проектування існують уже не один десяток років, більш 65% технічних зображень – це паперові креслення.

В економічно розвитих країнах проблему раціонального й ефективного використання паперових архівів почали вирішувати ще на початку 90-х. Накопичений за минулі роки досвід показує, що застосування сканерних технологій для перекладу інформації з паперових носіїв в електронну форму і включення отриманої інформації в інженерний документообіг дає великий економічний ефект. У нас цей процес поки тільки починається, але необхідність розвитку виробництва, створення конкурентноздатної продукції і виходу на світовий ринок змушує підприємства впроваджувати нові технології роботи з інженерною документацією.

У наш час, завдяки стрімкому розвитку апаратних засобів комп'ютерної обробки інформації і зниженню їхньої вартості, створені всі передумови для впровадження нових технологій роботи з технічними архівами. Поява широкоформатних сканерів і струменевих плотерів, підвищення продуктивності комп'ютерів, зниження вартості збереження інформації на твердих, лазерних і оптичних дисках дають можливість легко одержувати, зберігати і тиражувати копії креслень, схем, планів, карт. Тепер навіть рядовий персональний комп'ютер задовольняє вимогам більшості спеціалізованих програмних засобів обробки сканованих зображень.

Усе це дає можливість перейти від роботи з архівом паперових матеріалів до використання електронних архівів сканованих файлів креслень. Впровадження технології редагування дозволяє використовувати скановані зображення в САПР і системах інженерного документообігу.

Сканування креслень і корекція отриманих растрових зображень – це перший етап впровадження нової технології, але уже він дає реальну економію засобів.

Застосування засобів редагування для обробки архівованої графіки дозволяє реалізувати всі переваги технології САПР для сканованих зображень. Електронні креслення можуть бути переглянуті, змінені і виведені на друк за час значно менший ніж це потрібно на внесення навіть простих змін у паперовий проект. Процес проектування стає раціональним, забезпечуючи значне зниження вартості і високу якість розробки, скорочуючи час виходу виробу на ринок.

Найпростіші системи можуть бути реалізовані на базі звичайної файлової структури з обмеженими засобами відстеження змін, більш складні надійно керують переглядом, зміною і розподілом усієї зв'язаної з проектуванням інформації.

Скановані креслення можна ефективно використовувати в сучасних автоматизованих системах – це, безсумнівно, є самою головною перевагою нової технології. От деякі з найбільш очевидних проблем підтримки паперового архіву, які можна вирішити, використовуючи сучасні технології:

· Паперові креслення “старіють” і псуються при збереженні – електронні зображення “вічні”, термін їхнього життя практично не обмежений;

· Тиражування паперових креслень трудомістка і не дешева операція – за час, витрачений на копіювання одного паперового креслення, можна розіслати по мережі багато безкоштовних копій електронних креслень;

· Паперові креслення займають багато місця, їхнє збереження погане систематизується, часто дуже важко знайти потрібну інформацію в паперовому сховищі. Електронні креслення не вимагають приміщень для збереження, їхній пошук ефективніше і швидше;

· Папір обмежує можливості представлення даних: графіка і текст – от і все, у той час як електронні документи можуть містити гіперпосилання на зв'язані з ними матеріали, звук, відео і т.п.;

· Паперові креслення губляться. По експертній оцінці, від п'яти до семи відсотків технічних матеріалів не можуть використовуватися, – вони загублені чи розукомплектовані. Резервне копіювання вмісту електронного архіву і введення автоматизованої дисципліни доступу до інформації рятує від подібних проблем;

· Не секрет, що багато організацій не хочуть поділятись своєю інтелектуальною власністю і передавати суміжникам оригінали документації, що зберігаються в електронних файлах САПР, а паперові копії багато хто, особливо іноземні компанії, уже не приймають.

Для перекладу паперових креслень в електронні файли використовуються сканери, при подальшій обробці сканованих зображень застосовуються спеціалізовані програмні засоби.

Якість сканування – це найбільш важливий фактор у процесі перетворення паперового креслення у файл. Навіть найкращий сканер не може компенсувати всі недоліки паперових оригіналів. Отриманий при скануванні файл доводиться коректувати, використовуючи спеціалізовані програмні засоби.

У паперових архівах зберігаються документи різних розмірів і на різних носіях. Для їхнього введення в комп'ютер найкраще використовувати широкоформатні сканери, що дозволяють обробляти документи практично будь-якого розміру (формату А0 і більше) на кальці, папері, ватмані, міліметрівці. Текстові документи, креслення, і ксерокопії можуть бути оброблені на тому самому пристрої.

У світі існує кілька компаній, що роблять професійне устаткування для сканування. У нас найбільше поширення отримали сканери фірм Vidar, Oce, HP і Contex. Ці пристрої задовольняють усім перерахованим вище критеріям вибору апаратного забезпечення для перекладу технічної документації в електронну форму.

2.7 Пристрої графічного виводу для САПР

В растових дисплеях електронний промінь сканує поверхню екрана загзагоподібно по горизонталям, висвічуючи дискретні точки.

Графічне зображення формується графічним процесором САПР, причому зображення розбивається на окремі елементи, котрі описуються електронними сигналами.

Кадр змінюється за секунду не менше 30 разів. В кольорових моніторах використовуються три електронних променя, кожний із них генерується окремою „електронною гарматою” у відповідності до кольорів: червоного, зеленого, синього. Ці кольори створюють люмінофорні зерна покриття екрану після взаємодії з електронними променями (тріадами). Тріади створюються шляхом пропускання променів через отвори тіньової маски, котрі фіксують розмір і розташування тріад на екрані. Тіньова маска визначає роздільну здатність кольорових моніторів, так як зменшивши відстані між отворами маски можна збільшити кількість тріад (пікселів) на одиницю площі екрану. У растових дисплеях можна генерувати 256 кольорів і відтінків.

В системах векторного типу електронний промінь, керований дисплейним процесором, створює зображення, рухаючись від точки до точки по відрізках прямих, котрі називаються векторами.

Процесор дисплея керує рухом електронного променя за допомогою списку команд, котрий називається дисплейним файлом. При регенерації зображення процесор кожний раз спочатку читає всі команди дисплейного файлу. Якщо файл збільшується, то час на його читання зростає, це може призвести до виникнення миготливого зображення. Однак цей недолік можна використати як корисний ефект при створенні зображень об’єкта у динаміці.

У векторних дисплеях використовується тільки одна електронна гармата, а зміна кольору досягається зміною у трубці високої напруги, що дозволяє змінювати глибину проникнення електронного променя до шарів люмінофора різних кольорів. Кількість кольорів таких систем обмежена, зокрема червоним, зеленим, синім і оранжевим кольорами.

2.7.1 Матричні принтери

Матричні принтери використовують ударну техніку групу, тобто зображення на папері формулюється внаслідок притиснення до нього фарбуючої стрічки. Матричний принтер має друкуючу головку, котра являє собою матрицю із окремих голочок, які приводяться у дію за допомогою соленоїдів.

Чим більше точок утворює символ, тим вища якість друку. Швидкість друку від 100 до 500 символів в секунду. Матричні принтери можуть виводити також і графічні зображення.

2.7.2 Струменеві принтери

Струменеві принтери для отримання символів „вистрілюють” на папір чорнильним струменем. При цьому друкуюча головка не знаходиться у безпосередньому контакті з папером. Якість друку залежить тільки від того наскільки точно чорнило наноситься на папір. Струменеві принтери мають приблизно ту ж якість і швидкість друку, що і низько швидкісні матричні.

2.7.3 Лазерні принтери

Лазерні принтери являють собою комбінацію друкуючого і копіюю чого пристроїв. Лазери записують зображення на копіювальному барабані. Після чого зображення покривається спеціальним порошком-барвником, котрий прилипає до паперу так, як це відбувається при ксерокопіюванні. Висока роздільність здатність цього процесу дозволяє розмістити на одній сторінці як текст, так і рисунки.

Швидкість друку лазерних принтерів 5-10 сторінок за хвилину.

2.74 Графопобудовники

Існує три типи графопобудовників: планшетні, барабанні, стрічкові.

Папір на планшетному графопобудовнику нерухомий, закріплюється на плоскій основі планшету. Каретка переміщується по двом осям координат X, Y. Більшість планшетних графопобудовників мають вмонтовані контролери на мікропроцесорах. Контролери, по-перше, керують кареткою, а, по-друге, служать для перетворення команд і даних, що йдуть на вхід пристрою, у внутрішню форму призначену для викреслювання ліній, дуг, овалів і ін. У каретку вставляються пера (фломастери, кулькові ручки і ін.).

Барабанні графопобудовники дають можливість виконувати креслення необмеженої довжини. Тут каретка з перами переміщується по осі Y, а папір – по осі Х. Барабанні графопобудовники займають менше місця ніж планшетні, однак на них важко виконувати окреслювання окремих елементів на раніше розпочатих кресленнях.

Стрічковий графопобудовник займає проміжне положення між планшетним і барабанним. Він має вертикально розташований планшет на котрому закріплюється лист. Перо переміщується тільки в горизонтальному напрямі. По обидві сторони рухомого планшету розміщуються стрічки, котрі приводять у рух папір. Під час роботи пристрою одночасно рухаються папір і каретка з пером. Довжина креслення обмежена величиною 1,7 м.

Лекція № 3

ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПР

3.1 Вступ

Програмне забезпечення САПР являє собою сукупність усіх програм і експлуатаційної документації до них, що необхідна для виконання автоматизованого проектування. Програмне забезпечення ділиться на загальносистемне і спеціальне (прикладне).

Загальносистемне програмне забезпечення призначене для організації функціонування технічних засобів, тобто для планування і керування обчислювальними процесами, розподіленням наявних ресурсів і представлено операційними системами ЕОМ і обчислювальних комплексів. Таке програмне забезпечення, як правило, створюється для багатьох програм-додатків і не відображає специфіку САПР.

У спеціальному (прикладному) програмному забезпеченні реалізується математичне забезпечення для безпосередньо виконання проектних процедур. Процес проектування складається із послідовності елементарних комірок – процедур. Проектною процедурою називається формалізована сукупність дій, виконання яких закінчується прийняттям проектних рішень. Прикладне програмне забезпечення складається таким чином із програм забезпечення окремих проектних процедур. Прикладне програмне забезпечення, як правило, має форму пакету прикладних програм, кожен з яких обслуговує певний етап процесу проектування або групу однотипних задач на різноманітних етапах проектування.

З розвитком і вдосконаленням ЕОМ все більшого значення набуває такий компонент загальносистемного програмного забезпечення як операційні системи. Можливості, що надає користувачам сучасна ЕОМ визначається операційними системами. Операційні системи організовують одночасне рішення різноманітних задач на ЕОМ, динамічне розподілення каналів передачі даних і периферійних пристроїв між задачами, планування потоків задач і послідовність їх розв’язку з врахуванням встановлених критеріїв, динамічне розподілення пам’яті. Однак для своєї роботи операційна система потребує певних ресурсів: процесора, зовнішньої і оперативної пам’яті. Чим більшими можливостями володіє операційна система, тим більше необхідно для неї ресурсів. Серед сучасних операційних систем можна виділити : Windows, OS/2, Unix, Linux і ін.

Важливим компонентом загальносистемного програмного забезпечення є базове програмне забезпечення. Базове програмне забезпечення не є об’єктом розробки при створенні програмного забезпечення САПР. Прикладом може бути базове програмне забезпечення для обробки геометричної і графічної інформації, для формування і використання баз даних. Наприклад AutoCad є базовим графічним ядром, Access – базове програмне забезпечення для формування баз даних.

Використання подібного програмного забезпечення, що реалізує стандартні проектні процедури, суттєво знижує трудомісткість створення прикладного програмного забезпечення САПР. З розширенням області застосування обчислювальної техніки і ускладненням задач автоматизованого проектування зростає складність і трудомісткість програмування прикладних програм-додатків для САПР.

3.2 Огляд найпоширенішого прикладного програмного забезпечення

В даний час на нашому ринку представлено велику кількість САПР систем і спеціалізованих програм-додатків для них. Наша задача ознайомитись з можливостями прикладного програмного забезпечення, яке знадобиться при проектуванні сільськогосподарських машин.

Всі програми, про яки піде мова, поділяються на два види: програми загального призначення і програми спеціального призначення. Усім програмам для своєї роботи необхідне графічне ядро, роль якого найчастіше виконує AutoCad. AutoCad добре розроблена програма (в даний час продано більше мільйона копій цієї програми), яка має більше 4000 прогам-додатків у різних галузях знань і є стандартом для графічних систем, що працюють на персональних комп’ютерах. Її можна використовувати в різних областях машинобудування. Крім AutoCad, компанія Autodesk пропонує багато інших програм-додатків, які розширюють можливості AutoCad.

Програма Autodesk Mechanical Desktop призначена для конструкторів, що створюють тривимірні конструкції у звичному середовищі AutoCad, містить бібліотеку стандартних деталей: гвинти, шайби, гайки і ін. (600 000 одиниць); дає можливість автоматизовано розраховувати і проектувати пружини, вали, шківи, зірочки і інші типові деталі і передачі.

Autodesk Inventor – програма орієнтована на ринок машинобудування і побудована на принципово новому графічному ядрі, незалежному від AutoCad. Призначена для розв’язку складних задач при роботі над великими проектами. Ця програма орієнтована на роботу з великими складальними кресленнями, має бібліотеку конструктивних елементів, де можна вибрати необхідний типорозмір з таблиць.

Autodesk QuickCAD 8 дозволяє переводити технічну інформацію у креслення, будувати складні з великою кількістю даних креслення навіть якщо користувач не має досвіду комп’ютерної розробки креслень. Autodesk QuickCAD 8 дозволяє працювати швидко пропонуючи для цього простий і зручний інтерфейс. З плином часу, коли потреби проектанта виростуть, Autodesk QuickCAD 8 дозволяє використовувати додаткові можливості, які можуть бути додані.

DisignSpace (фірма виробник ANSYS) – програма-додаток до Autodesk Mechanical Desktop. Призначена для аналізу і розрахунку на міцність, оптимізації конструкцій деталей. DisignSpace дозволяє досліджувати основні характеристики міцності матеріалу, такі як напруження, деформації і переміщення, що виникають під дією сил і моментів. Вмонтовані програмні інструменти дозволяють досліджувати основні критерії міцності, щоб визначити запас міцності в конструкції і визначити вібраційні характеристики. Програма враховує також робочу температуру конструкції, що розраховується. Застосування DisignSpace дозволить швидко оцінити любе технічне рішення, знизити вагу конструкції, уникнути не передбачуваних поломок в експлуатації, а як результат – значно підвищити якість розроблюваної деталі.

Dynamic Designer Motion(фірма виробник Design Technologies Inc.) програма-додаток до Autodesk Mechanical Desktop для розрахунку кінематики і динаміки, інерційно-масових характеристик і розподілення навантажень стержневих конструкцій і механізмів, що складаються з 3D- об’єктів. Дозволяє моделювати поведінку механізму під дією зовнішніх навантажень. Застосування програмного пакету призводить до скорочення циклу створення нового виробу і сприяє отриманню значної економічної ефективності.

MICROSTATION V8 – лідер у створенні професійного програмного забезпечення для інженерних проектів. Це хороший засіб для розробки візуального представлення і керування базами даних, володіє хорошими здібностями в галузі 3D-моделювання. Пропонує простий і легкий у вивченні інтерфейс для різних операційних систем. MICROSTATION V8 рекомендується для групи проектувальників.

Програмний продукт Microsoft Visio 2002призначений для розробки різноманітних графічних додатків і документів. Пакет дозволяє швидко і легко створювати технічні проекти, діаграми, моделі, плакати, а також редагувати їх, змінюючи розміри. Microsoft Visio 2002 містить велику базу різноманітних стандартних складальних одиниць і деталей (підшипники, пасові і ланцюгові передачі, з’єднувальні деталі і ін.). Цей пакет зручно використовувати для побудови різноманітних кінематичних, структурних і інших схем та їх роздрукування на плотарі та принтері.

Пакет програм ProModel – призначений для імітаційного моделювання промислових систем. До складу пакету входить: навчальна програма, графічний редактор, програма статистичної звітності роботи проектованої системи, редактор режимів роботи, програма оптимізаційного аналізу імітаційних моделей проектування, редактор звітів. Кожен з цих розділів може бути роздрукований або експортований до інших програм-додатків, використовуючи буфер обміну.

(Програмні продукти НВП Інтермех):

Пакети CadMECH, CadMECH Desktop, CadMECH LT – це системи, які значно розширюють можливості AutoCad, Autodesk Mechanical Desktop в області проектування машинобудівних креслень. Згідно оцінки експертів ці пакети прискорюють проектування у 10...15 разів у порівнянні з ”чистими” AutoCad та Autodesk Mechanical Desktop. Вони максимально враховують специфіку роботи конструктора-механіка і не вимагають залучення штату програмістів для супроводу роботи. Ці пакети містять у повному об’ємі усі можливості для двовимірного і тривимірного конструювання, інтегруються у інші САПР системи.

Система AVS призначена для розробки в діалоговому і автоматичному режимі комплексу текстової конструкторської документації. На основі існуючих специфікацій AVS забезпечує автоматичну побудову відомості покупних виробів, відомості специфікацій. AVS дає можливість пов’язати специфікації з іншими системами проектування і може інтегруватись із системами ведення архівів креслень.

Система проектування зубчатих коліс Gear (розробка НВП Інтермех) являє собою комплекс програмних і інформаційних засобів, що забезпечує проектування циліндричних зубчатих коліс зовнішнього і внутрішнього щеплення на етапі розробки складальних і робочих креслень. Програма-додаток працює під управлінням AutoCad.

Система ведення конструкторських баз даних IMBASE (НВП Інтермех), призначена для зберігання і використання інформації про все, що використовується на підприємстві і може знадобитися інженеру-механіку. Основні і допоміжні матеріали і багато іншого можна легко ввести в базу даних IMBASE, що буде доступно для різноманітних програм. IMBASE постачається разом із набором стандартних виробів і матеріалів (більше 300 ГОСТів). Ієрархічна структура даних IMBASE дозволяє швидко знаходити необхідну інформацію.

Система проектування деталей типу тіл обертання ROTATION (НВП Інтермех) являє собою комплекс програмних продуктів і інформаційних засобів, що забезпечують процес проектування деталей типу вал, втулка, фланець, зубчате колесо і ін. в середовищі системи AutoCad. Використання системи ROTATION прискорює час проектування деталей типу тіл обертання в 20...25 разів.

Системи Search (НВП Інтермех) призначена для організації технічного документообігу і створення архіву технічної документації підприємства. Система розв’язує наступні задачі: зберігання документів, керування доступу до документів, пошук документів, зміна документів і їх версій, підтримка групової роботи над проектом. Search веде базу даних виробів та взаємозв’язку між ними. Ця база даних лежить в основі перегляду структури і отримання різних звітів по виробах.

Система Show (НВП Інтермех) призначена для автономного пошуку, аналізу, перегляду і виводу креслень і інших зображень на плотер, принтер чи у файл.

Система проектування ”КОМПАС” (Компанія АСКОН) призначена для комплексної автоматизації проектно-конструкторських і технологічних робіт на підприємствах, в КБ та НДІ. Основними компонентами КОМПАС є:

КОМПАС-ГРАФІК – редактор конструкторської документації з великим набором додатків;

КОМПАС-3D – система тривимірного моделювання;

КОМПАС-МАСТЕР – система розробки програм-додатків для створення додаткових програмних модулів (бібліотеки користувача);

КОМПАС-МЕНЕДЖЕР – система керування проектними даними, зберігання і захисту інформації.

Наявність детальної документації по користуванню, практичних рекомендацій і об’ємної довідкової допомоги полегшує і прискорює освоювання і роботу в системі КОМПАС.

Система автоматизованого проектування Pro/ENGINEER (Корпорація PTC, США 1985р.). З 1993р. компанія PTC займає лідируючі позиції на ринку САПР тривимірного проектування і на сьогодні у світі більше 28 000 компаній використовують програмні продукти фірми PTC.

Основні переваги Pro/ENGINEER:

- об’єктно орієнтоване параметричне моделювання;

- система Pro/ENGINEER побудована на єдиній базі даних, що дає змогу інженерам працювати над одним проектом синхронно;

- усі дані в Pro/ENGINEER доступні в любий момент для зміни і змінюючи їх можна генерувати різні варіанти виробів;

- зміни внесені в будь-який момент часу автоматично поширюються на усі вже реалізовані етапи проектування;

- можливість повторного використання раніше розроблених деталей та інженерних даних;

- паралельна робота над проектом кількох інженерних груп;

- забезпечує цикл ”проектування-виробництво” (ідея, дизайн 15%, проектування і конструювання 25%, аналіз і оптимізація 10%, креслення 20%, виготовлення 30%).

Лекція № 4

ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ В САПР

4.1 Основні поняття оптимізації

Під оптимізацією розуміють процес вибору найкращого варіанту з множини усіх можливих. З точки зору інженерних розрахунків методи оптимізації дозволяють вибирати найкращий варіант конструкції, найкращий розподіл ресурсів і т. ін.

У процесі розв’язку задач оптимізації, як правило, необхідно знайти оптимальне значення деяких параметрів, що визначають дану задачу. При розв’язку інженерних задач їх прийнято називати проектними параметрами. В якості проектних параметрів можуть бути значення лінійних розмірів об¢єкта, маси, температури і т. ін. Число проектних параметрів характеризує розмірність (ступінь складності) задачі оптимізації.

Вибір оптимального рішення або порівняння двох альтернативних рішень проводиться за допомогою деякої залежної величини (функції), що визначається проектними параметрами. Ця величина називається цільовою функцією або критерієм якості. В процесі розв’язку задачі оптимізації повинні бути знайдені такі значення проектних параметрів, при яких цільова функція має максимум (або мінімум). Таким чином, цільова функція – це глобальний критерій оптимальності в математичних моделях, за допомогою яких описуються інженерні задачі.

Цільову функцію можна записати у вигляді:

. (4.1)

Прикладами цільових функцій, що зустрічаються в інженерних розрахунках, є міцність чи маса конструкції, потужність установки, об’єм випуску продукції, вартість перевезення вантажів і ін.

У випадку одного проектного параметра ( ) цільова функція (4.1) є функцією однієї змінної та її графік – деяка крива на площині. При цільова функція є функцією двох змінних та її графіком є поверхня.

Варто зазначити, що цільова функція не завжди може бути представлена у вигляді формули. Інколи вона може приймати лише деякі дискретні значення, задаватися у вигляді таблиці і т.д. Однак у будь-якому випадку вона повинна бути однозначною функцією проектних параметрів.

Цільових функцій може бути декілька. Наприклад, при проектуванні виробів машинобудування одночасно вимагається забезпечити максимальну надійність, мінімальну матеріалоємність, максимальний корисний об’єм (або ж вантажопідйомність). Деякі цільові функції можуть виявитись несумісними. У таких випадках необхідно вводити пріоритет тієї чи іншої цільової функції.

Задачі оптимізації. Можна виділити два типи задач оптимізації – безумовні і умовна. Безумовна задача оптимізації полягає у відшуковуванні максимуму або мінімуму дійсної функції (4.1) від дійсних змінних та визначенні відповідних значень аргументів на деякій множині - мірного простору. За звичай розглядаються задачі мінімізації. До них легко зводяться і задачі пошуку максимуму шляхом заміни знаку цільової функції на протилежний.

Умовні задачі оптимізації, або ж задачі з обмеженнями - це такі, при формулюванні яких задаються деякі умови (обмеження) на множині . Ці обмеження задаються сукупністю деяких функцій.

Обмеження-рівності виражають залежність між проектними параметрами, яка повинна враховуватись при знаходженні рішення. Ці обмеження відображають закони механіки, наявність ресурсів і т.ін.

В результаті обмежень область проектування , що визначається усіма проектними параметрами, може бути суттєво зменшена у відповідності з фізичною суттю задачі. Число обмежень-рівностей може бути довільним. Їх можна записати у вигляді:

(4.2)

В ряді випадків з цих співвідношень можна виразити одні проектні параметри через інші. Це дозволяє виключити деякі параметри з процесу оптимізації, що призводить до зменшення розмірності задачі і полегшує її розв’язок. Аналогічно можна ввести обмеження-нерівності, що мають вигляд:

(4.3)

Варто зазначити на особливості розв’язку задачі оптимізації при наявності обмежень. Оптимальний розв’язок може відповідати або локальному екстремуму (максимуму чи мінімуму) всередині області проектування, або значенню цільової функції на границі області. Якщо ж обмеження відсутні то шукається оптимальне рішення на всій області проектування, тобто глобальний екстремум.

Теорія і методи розв’язку задач оптимізації при наявності обмежень є предметом досліджень розділу прикладної математики – математичного програмування.

4.2 Постановка задачі оптимізації

Нехай необхідно спроектувати контейнер у формі прямокутного паралелепіпеда об’ємом , причому бажано використати на його виготовлення якомога менше матеріалу.

При постійній товщині стінок остання умова означає, що площа повної поверхні контейнера повинна бути мінімальною. Якщо позначити через довжини ребер контейнера, то задача зводиться до мінімізації функції:

. (4.4)

Ця функція у даному випадку є цільовою, а умова - обмеженням-рівністю, яке дозволяє виключити один параметр:

, ,

. (4.5)

Задача звелась до мінімізації функції двох змінних. В результаті розв’язку задачі будуть знайдені значення проектних параметрів , а потім - . У наведеному прикладі фактично отримали задачу безумовної оптимізації цільової функції (4.5), оскільки обмеження-рівність було використано для виключення параметра .

Разом з тим дану задачу можна ускладнити і поставити додаткові умови. Наприклад, нехай даний контейнер має довжину не менше 2м. Ця умова запишеться у вигляді обмеження-нерівності на один з параметрів, наприклад:

. (4.6)

Таким чином отримали умовну задачу оптимізації: мінімізуючи функцію (1.5) і враховуючи обмеження-нерівність (1.6), знайти оптимальне значення проектних параметрів ( ).

4.3 Одномірна оптимізації

Загалом, одномірна задача оптимізації формулюється наступним чином. Знайти найменше (або найбільше) значення цільової функції , заданої на множині , і визначити значення проектного параметра , при якому цільова функція набуває екстремального значення.

Найпростішим методом оптимізації є випадок диференційованої функції на відрізку , причому цільова функція задана в вигляді аналітичної залежності , і може бути знайдено явний вираз для її похідної . Знаходження екстремумів проводиться у такій послідовності:

1) необхідно взяти похідну ;

2) знаходяться критичні точки з рівняння ;

3) до критичних точок додаються граничні точки відрізка ;

4) визначаються значення функції у всіх критичних точках;

5) співставляються отримані результати у пункті 4 та визначається і значення.

Використовуваний тут метод базується на обчислення похідної цільової функції і вимагає її аналітичного представлення. В інших випадках, коли цільова функція задана в табличному вигляді або може бути обчислена при деяких дискретних значеннях аргументу, використовуються різноманітні методи пошуку. Вони базуються на обчисленні цільової функції в окремих точках і виборі серед них найбільшого або найменшого значення. Існує ряд алгоритмів розв’язку даної задачі. Нижче описано деякі з них.

Методи пошуку. Числові методи пошуку екстремальних значень функції розглянемо на прикладі знаходження мінімуму функції на відрізку . Вважаємо, що цільова функція унімодальна, тобто на даному відрізку вона має тільки один мінімум. В інженерній практиці, як правило, зустрічаються саме такі цільові функції.

Процес розв’язку задач методом пошуку полягає в послідовному звужуванні інтервалу зміни проектного параметра, що називається інтервалом невизначеності. На початку процесу оптимізації його довжина рівна , а в кінці вона повинна стати меншою заданого допустимого значення , тобто оптимальне значення проектного параметра повинно знаходитись в інтервалі невизначеності – відрізку , причому .

Найпростішим способом звуження інтервалу невизначеності є ділення його на деяке число рівних частин з наступним обчисленням значення цільової функції в точках розбиття. Нехай - число елементарних відрізків, - крок розбиття. Обчисливши значення цільової функції у вузлах . Порівнюючи отримані значення , можна знайти серед них найменше .

Число можна наближено вважати найменшим значенням цільової функції на відрізку . Віддаленість від мінімуму залежить від числа точок і для неперервної функції

тобто, при збільшенні числа точок розбиття похибка у визначенні мінімуму наближається до нуля.

В даному методі, який можна назвати методом перебору, основною трудністю є вибір числа та оцінка похибки обрахунків. Існує ряд спеціальних методів пошуку оптимальних розв’язків із різними способами вибору вузлів та звуження інтервалу невизначеності: метод половинного ділення, метод золотого січення і ін.

4.4 Багатомірні задачі оптимізації

Мінімум функції декількох змінних. У більшості реальних задач оптимізації цільова функція залежить від багатьох проектних параметрів. Мінімум диференційованої функції кількох змінних можна знайти, досліджуючи її значення в критичних точках, які визначаються з розв’язку системи диференціальних рівнянь:

; ; ... ; . (4.7)

Приклад. Необхідно спроектувати контейнер у формі прямокутного паралелепіпеда об’ємом м³, причому витратити на його виготовлення якомога менше матеріалу.

При постійній товщині стінок остання умова означає, що площа повної поверхні контейнера повинна бути мінімальною. Якщо позначити через , , довжини ребер контейнера, то задача зводиться до мінімізації функції

. (4.8)

Ця функція в даному випадку є цільовою функцією, а умова м³ – обмеженням-рівністю, котре дозволяє виключити один параметр:

, (4.9)

звідки . (4)

Тому цільова функція матиме вигляд:

. (4.10)

Задача звелась до мінімізації функції двох змінних. В результаті розв’язку задачі будуть знайдені значення проектних параметрів , , а також .

В даному прикладі фактично отримано задачу безумовної оптимізації (2), оскільки обмеження рівність було використано для виключення параметра .

Про диференціюємо цільову функцію отримаємо систему двох алгебраїчних рівнянь:

(4.11)

Розв’язуючи систему матимемо: м, м.

Таким чином, оптимальною формою контейнера в даному випадку є куб, з довжиною ребра 1 м.

Розглядуваний метод можна використати тільки до диференційованої цільової функції, але і в цьому випадку можуть виникнути серйозні труднощі при розв’язку системи рівнянь.

У багатьох випадках ніякої формули для цільової функції немає, а є лише можливість визначення її значень у довільних точках деякої області за допомогою деякого розрахункового алгоритму або шляхом фізичних вимірювань. Тоді задача зводиться до наближеного значення функції, яке по усій області відомих значень є найменшим. Для розв’язку подібної задачі в області проектування , де шукають мінімум цільової функції , можна ввести дискретну множину точок, шляхом розбивання інтервалів зміни параметрів , , ..., на частини з кроками , , ..., . В цих точках можна визначити значення цільової функції і серед цих значень знайти найменше. Однак методи загального пошуку з використанням суцільного перебору для розв’язку багатомірних задач оптимізації досить трудомісткі і потребують тривалих розрахунків. Тому користуються спеціальними числовими методами, що ґрунтуються на цілеспрямованому пошуку.

Лінійне програмування. Важливим розділом математичного програмування є лінійне програмування, що вивчає задачі оптимізації, у яких цільова функція є лінійною функцією проектних параметрів, а обмеження задаються у вигляді лінійних рівнянь і нерівностей.

Стандартна (канонічна) постановка задачі лінійного програмування формулюється наступним чином: знайти значення змінних , які:

1) задовольняють систему лінійних рівнянь

(4.12)

2) є додатними, тобто

, ,..., ; (4.13)

3) забезпечують найменше значення лінійної цільової функції

. (4.14)

Будь-який розв’язок системи рівнянь (4.12), що задовольняє систему нерівностей (4.13), називається допустимими розв’язками. Допустимий розв’язок, який мінімізує цільову функцію (4.14), називається оптимальним розв’язком.

Для розкриття сутності лінійної моделі оптимізації розглянемо графічний метод розв’язку задачі лінійної оптимізації.

Нехай виконується обробіток ґрунту і , що вимагає використання обладнання: , , . Час роботи з кожним видом обладнання характеризується наступними даними:

Обробіток ґрунту
(норма часу)	2	1	0
(норма часу)	1	3	1
Завантаження обладнання (год)	200	180	50

Необхідно визначити оптимальний об’єм виконаної роботи, виходячи з умови максимального використання обладнання.

Приймаючи за критерій оптимальності максимальний час використання обладнання і позначаючи - через , а - через , математичну модель оптимізації можна записати у вигляді:

, (4.15)

при обмеженнях ; ; ; ; .

Умова задачі графічно показана на рис.4.1.

Рис.4.1. Застосування графічного методу розв’язку задачі лінійної оптимізації

Пряма відповідає рівнянню , яке відображає обмеження використання обладнання . Точки та знаходяться із умов: ; ;

; . Аналогічним чином проводяться лінії та , що відповідають рівнянням, які відображають обмеження , .

Будь-яка точка, що знаходиться в області допустимих значень (п’ятикутник ) задовольняє умови поставленої задачі. Необхідно знайти точку, що належить п’ятикутнику , яка б максимізувала цільову функцію. Встановлено, що така точка знаходиться на одній з вершин області допустимих значень, що в загальному випадку називаються екстремальними точками.

В даному прикладі розв’язок визначається екстремальною точкою , координати якої визначаються з розв’язку системи рівнянь

; .

Більшість задач, що мають три і більше змінних, розв’язуються числовими методами лінійного програмування.

4.5. Оптимізація систем методом нелінійного та динамічного програмування

Оптимізація методом нелінійного програмування. Якщо цільова функція або хоча б одне з обмежень нелінійні, то такі задачі відносяться до нелінійного програмування і представляють собою найбільший клас задач математичного програмування.

В залежності від типу нелінійюсті розрізняють декілька видів задач нелінійного програмування: випуклі, сепарабельні, квадратичні, геометричні.

Найпростішою задачею нелінійного програмування є однопараметрична задача на безумовний екстремум.

Вважається, що в області визначення цільової функції є всього один екстремум. Такі функції називають унімодальними. Найбільш розповсюдженими методами оптимізащї унімодальних функцій є методи послідовного скорочення інтервалу невизначеності: послідовного дихотомічного пошуку, Фібопаччі і золотого перерізу.

Детально ознайомитись з роботою методу Фібоначчі можна використовуючи систему MathCAD, завантаживши в неї демонстаційний файл Fibonachy.mcd.

Оптимізація методом динамічного програмування. В основі динамічного програмування лежить загальний принцип оптимізації, суть якого полягає у наступному.

Прийнятім рішень що до розвитку системи, що вивчається, розбивається на ряд послідовних кроків, на кожному з яких розв'язується оптимізацшна задача.

Побудова і розв'язання математичних моделей динамічного програмування базується на наступних умовах.

1. Поведінка системи розглядається в часі.

2. Єдиною інформацією, що необхідна для вибору оптимального значення змінних на кожному кроці, є стан системи в даний момент часу.

3. Стан системи в даний момент часу характеризується числовими значеннями відповідних параметрів.

4. Змінні і обмеження формуються за окремими кроками.

5. Вибір оптимального вирішення на кожному кроці заключається в перетворенні числових значень параметрів стану системи на початку кроку в інші числові значення.

6. Модель повинна мати якомога менше змінних.

7. Оптимальність рішення на кожному кроці оцінюється в термінах критерію ефективності системи.

Загалом, задача динамічного програмування може бути сформульована наступним чином. Нехай дана система з координатами стану х і управління и, при яких критерій оптимальності перетворюється в максимум (мінімум), тобто

K=max (min) F(x,u),

при умовах:

• шукане управління системою заходиться в області допустимих значень ;

• система х повинна знаходитись в області допустимих значень х_доп;

• задані обмеження не є початковим і кінцевим станом системи;

• задані функції, які характеризують дану систему.

Метод динамічного програмування використовується для розв'язування широкого класу задач, в яких зв'язки між змінними і критерієм оптимальності можуть бути задані керуваннями будь-якого виду або методом графіків і таблиць, які отримані на основі статистичних даних чи результатів експериментів.

Лекція № 5

СПЕЦИФІКА ІНФОРМАЦІЙНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПР

5.1 Інформаційне забезпечення САПР

Під інформаційним забезпеченням (ІЗ) САПР розуміють сукупність відомостей, необхідних для виконання автоматизованого проектування, поданих в задати формі (ГОСТ 22481-77). ІЗ САПР призначене для організації, використання (отримання), збереження і підтримання в актуальному і коректному стані всієї інформації, необхідної для процесу проектування. Функції ІЗ реалізує інформаційна підсистема САПР. Множини даних, які потенційно можуть використовуватись при функціонуванні САПР або служити запам'ятовуваням результатів роботи, утворюють інформаційну базу даних (БД) системи. Інформаційна база САПР за формою представлення даних ділиться на позамашинну (інформаційний фонд) і внутрімашинну (баз} даних.

Організація, струтстура і склад інформаційних підсистем визначаються моделями об'єктів, яю проектуються, методами прийняття рішень І використовуваними технічними І програмними засобами.

ІЗ САПР можна представити у вигляді БД, яка взаємодіє із інформаційною системою та проектуючими модулями. Ця взаємодія здійснюється через спеціально організований інтерфейс, що і виконує узгодження і спряження інформаційної системи і програмних модулів за форматами запису, за кодами і позначеннями даних, за програмними засобами і мовами проектування .

Інформація, яка використовується при проектуванні, може бут розділена на статичну і динамічну. Статична інформація змінюється порівняно рідко (дані ТЗ, довідкові дані і тощо). Формування довідкових даних, їх завантаження і коригування здійснюєшся адміністратором бази даних, тобто системним програмістом, який формує базу даних. Динамічна інформація складається з даних, які накопичуються для виконання визначених процедур проектування (проміжні дані), і даних, які представляють собою результат проектування при виконанні даних процедур. Проміжні дані постійно змінюються при функціонуванні САПР. Вносити зміни в результати рішень має право конструктор виконавець.

Інформація, яка використовується при проектуванні, за виглядом й представлення ділиться на документальну, іконографічну і фактографічну. Документальна інформація представляє собою пошуковий образ документа, який знаходиться в БД. В САПР верстатів інформація такого виду використовується для знаходження відомостей про аналоги, патенти, методики проектування і розрахунку, результат випробування і т. д.

Інформація, яка міститься у зображеннях документів (кресленнях, фотографіях, схемах і т. д.) в ідентичній формі представлення, називається іконографічною. В сучасних САПР цей вид інформації служить для зберігання великих обсягів графічної інформації.

Основний зміст бази даних САПР складає фактографічна інформація у вигляді числових і базових довідкових даних про матеріали, комплектуючі деталі, характеристики аналогів і т.д. Сюди ж відносяться дані, які необхідні для виконання розрахунків: коефіцієнти, таблиці тощо.

Рис.5.1. Взаємодія засобів ЕОМ і користувачів

Розрізняють два види автоматизованих інформаційних систем САПР: банки даних і інформаційно-пошукові системи (ІПС), які відрізняються видом інформації, що зберігається, і інформаційною мовою, за допомогою якої здійснюється опис даних.

5.2 Бази даних САПР

Існує безліч визначень поняття "База даних" (БД) іноді зовсім не схожих один на одного. Скористаємося одним з них. База даних - це файли, що містять описи збережених у них даних, які керуються спеціальними програмними комплексами під назвою "Системи управління базами даних" (СУБД).

5.2.1 Бази даних і файлові системи

Розглянемо загальний зміст понять БД і СУБД. Почнемо з того, що із самого початку розвитку обчислювальної техніки утворилися два основних напрямки її використання. Перший напрямок - застосування обчислювальної техніки для виконання чисельних розрахунків, що взагалі неможливо робити вручну. Становлення цього напрямку сприяло інтенсифікації методів чисельного рішення складних математичних задач, розвитку класу мов програмування, орієнтованих на зручний запис чисельних алгоритмів, становленню зворотного зв'язку з розроблювачами нових архітектур ЕОМ.

Другий напрямок, що безпосередньо торкається теми нашого курсу, це використання засобів обчислювальної техніки в автоматичній чи автоматизованій інформаційних системах. У самому широкому змісті інформаційна система являє собою програмний комплекс, функції якї полягають у підтримці надійного збереження інформації в пам'яті комп'ютера, виконанні специфічних для даного додатку перетворень інформації і обчислень, наданні користувачам зручного і зрозумілого інтерфейсу. Звичайно обсяги інформації, з якими доводиться мати справу таким системам, досить великі, а сама інформація має досить складну структуру. Класичними прикладами інформаційних систем є банківські системи, системи резервування авіаційних чи залізничних квитків, місць у готелях і т.д.

Насправді, другий напрямок виник дещо пізніше першого. Це зв'язано з тим, що на зорі обчислювальної техніки комп'ютери мали обмежені можливості стосовно пам'яті. Зрозуміло, що можна говорити про надійне і довгострокове збереження інформації тільки при наявності запам'ятовуючих пристроїв, що зберігають інформацію після вимикання електричного живлення. Оперативна пам'ять цією властивістю звичайно не володіє.

Саме вимоги до обчислювальної техніки з боку нечислових програм-додатків викликали появу знімних магнітних дисків з рухомими голівками, що стало революцією в історії обчислювальної техніки. Ці пристрої зовнішньої пам'яті мали істотно більшу ємність, забезпечували задовільну швидкість доступу до даних, дозволяли мати практично необмежений архів даних.

Історичним кроком став перехід до використання централізованих систем управління файлами. З точки зору прикладної програми файл - це іменована область зовнішньої пам'яті, у яку можна записувати і з який можна зчитувати дані. Правила іменування файлів, спосіб доступу до даних, що зберігається у файлі, і структура цих даних залежать від конкретної системи управління файлами і, можливо, від типу файлу. Система управління файлами бере на себе розподіл зовнішньої пам'яті, відображення імен файлів у відповідні адреси в зовнішній пам'яті і забезпечення доступу до даних. Перша розвинута файлова система була розроблена фірмою IBM для її серії 360.

Розглянемо структуру файлів. Насамперед, практично у всіх сучасних комп'ютерах основними пристроями зовнішньої пам'яті є магнітні диски з рухливими голівками, і саме вони служать для збереження файлів. Такі магнітні диски являють собою пакети магнітних пластин (поверхонь), між якими на одному важелі рухається пакет магнітних голівок. Крок руху пакета голівок є дискретним, і кожному положенню пакета голівок відповідає циліндр магнітного диска. На кожній поверхні циліндр "висікає" доріжку, так що кожна поверхня містить число доріжок, рівне числу циліндрів. При розмітці магнітного диска (спеціальній дії, що передує використанню диска) кожна доріжка розмічається саме на ту кількість блоків, що в кожен блок можна записати те саме число байтів.

Захист файлів

Оскільки файлові системи є загальним сховищем файлів, що належать, різним користувачам, системи управління файлами повинні забезпечувати авторизацію доступу до файлів. У загальному виді підхід полягає в тому, що стосовно кожного зареєстрованого користувача даної обчислювальної системи для кожного існуючого файлу вказуються дії, що дозволені чи заборонені даному користувачу.

Тому в більшості сучасних систем кожному зареєстрованому користувачу відповідає пари цілочисельних ідентифікаторів: ідентифікатор групи, до якої відноситься цей користувач, і його власний ідентифікатор у групі. Відповідно, у кожному файлі зберігається повний ідентифікатор користувача, що створив цей файл, і відзначається, які дії з файлом може робити він сам, які дії з файлом доступні для інших користувачів тієї ж групи, і що можуть робити з файлом користувачі інших груп. Цей спосіб контролю доступу задовільний у більшості випадків.

Режим доступу багатьох користувачів

Останнє, на чому ми зупинимося в зв'язку з файлами, - це способи їхнього використання в середовищ багатьох користувачів. Якщо операційна система підтримує режим багатьох користувачів, цілком реальна ситуація, коли два чи більш користувачі одночасно намагаються працювати з тим самим файлом. Якщо всі ці користувачі збираються тільки читати файл, нічого страшного не відбудеться. Але якщо хоча б один з них буде змінювати файл, для коректної роботи цієї групи потрібно взаємна синхронізація. Для цього введений спеціальний механізм синхронізації.

Області застосування файлів

Насамперед, звичайно, файли застосовуються для збереження текстових даних: документів, текстів програм і т.д. Такі файли утворяться і модифікуються за допомогою різних текстових редакторів. Структура текстових файлів дуже проста: це або послідовність записів, що містять рядки тексту, або послідовність байтів, серед яких зустрічаються спеціальні символи (наприклад, символи кінця рядка).

Файли з текстами програм використовуються як вхідні тексти компіляторів.

Одним словом, файлові системи забезпечують слабке збереження структурованої інформації, залишаючи подальшу структуризацію прикладним програмам. Спираючи на прості, стандартні і порівняно дешеві засоби файлової системи можна реалізувати ті структури збереження, що найбільш природно відповідають специфіці даної прикладної області.

Поняття узгодженості даних є ключовим поняттям баз даних. Фактично, якщо інформаційна система підтримує узгоджене збереження інформації в декількох файлах, можна говорити про те, що вона підтримує базу даних. Якщо ж деяка допоміжна система управління даними дозволяє працювати з декількома файлами, забезпечуючи їхню узгодженість, можна назвати її системою управління базами даних.

5.4 Функції СУБД. Типова організація СУБД

Як було показано вище, традиційних можливостей файлових систем виявляється недостатньо для побудови навіть простих інформаційних систем. Було виявлено кілька потреб, що не покриваються можливостями систем управління файлами: підтримка логічно узгодженого набору файлів; забезпечення маніпулювання даними; відновлення інформації після різного роду збоїв; реально рівно параллельна робота декількох користувачів. Можна вважати, що якщо прикладна інформаційна система спирається на деяку систему управління даними, що володіє цими властивостями, те ця система управління даними є системою управління базами даних (СУБД).

До числа функцій СУБД прийнято відносити наступні:

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 647; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!