Рис. 1. Задачи конструкторского проектирования
Задачи конструкторского проектирования разделяются на задачи геометрического и топологического проектирования. При решении задач геометрического проектирования определяются геометрические параметры конструкции. Задачи топологического проектирования предназначены для синтеза структуры (топологии) объекта или системы с учетом ее функциональных характеристик. К задачам конструкторского проектирования можно отнести также анализ качества полученных конструкторских решений.
1.2. Задачи геометрического проектирования
Геометрическое проектирование объединяет задачи геометрического моделирования, геометрического синтеза и оформления конструкторской и технологической документации.
Геометрическое моделирование включает решение позиционных и метрических задач на основе преобразования геометрических моделей. Геометрические модели создаются с помощью элементарных геометрических объектов (ЭГО) или графических примитивов. К ЭГО можно отнести, например, точку, отрезок прямой линии, окружность, цилиндр, шар, пространственную кривую и другие элементы.
К наиболее важным позиционным задачам относятся: определение принадлежности точки замкнутой плоской или трехмерной области; определение пересечения или касания плоских или объемных тел в процессе их движения; оценка минимального или максимального расстояния между поверхностями; определение координат точки пересечения прямой с криволинейным контуром или поверхностью; установление пересечения контуров и вычисление координат их точек пересечения; определение взаимного расположения плоских или пространственных областей и др.
К метрическим задачам относят, например, вычисление длины, площади, периметра, центра мисс, моментов инерции.
Геометрический синтез включает решение задач двух групп. Первая группа — задачи формирования (компоновки) сложных геометрических объектов (ГО) заданной структуры из ЭГО. Основным критерием геометрического синтеза сложных ГО является точность их воспроизведения. Вторая группа задач обеспечивает получение оптимальной формы (синтез формы) деталей или узлов, влияющей на качество функционирования объектов конструирования. Задачи синтеза формы возникают на ранних стадиях проектирования при определении, например, конфигурации корпуса прибора. Большое число задач связано с синтезом формы корпусов приборов, в том числе и электронных, с учетом максимальной теплоотдачи.
Оформление конструкторской документации предусматривает изготовление текстовых и графических документов. Текстовые документы, кроме описательной части содержат: характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов; технические условия на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию; спецификации и т. д. К графическим документам относятся сборочные чертежи и чертежи деталей, графики и циклограммы, схемы структурные, функциональные и принципиальные (электрические, электронные, кинематические, гидравлические и т. д.).
1.3. Задачи топологического проектирования
Топологическое проектирование включает в себя задачи компоновки, размещения и трассировки.
Решение задач компоновки конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня в большинстве случаев наиболее трудоемкая часть конструкторского проектирования и иногда под компоновкой понимают собственно процесс конструирования. Задача компоновки узлов машин и приборов состоит из двух частей: эскизной и рабочей [1]. При решении эскизной части задачи компоновки по функциональной схеме разрабатывается общая конструкция узла. На основе эскизной компоновки создается рабочий вариант компоновки, и более детально прорабатывается конструкция узла. Например, для компоновки приборного редуктора используются данные его кинематической схемы. Задача компоновки заключается в расположении в трехмерном пространстве валов и зубчатых колес, подшипников, уплотнений и других конструктивных элементов. Критериями компоновки зубчатого редуктора могут быть масса редуктора и его габаритные размеры, удобство ремонта и обслуживания.
Среди задач компоновки электронных устройств можно выделить задачи покрытия и задачи разбиения [1].
Задача покрытия заключается в преобразовании функциональной схемы соединений логических элементов узла в схему соединений конструктивных элементов. Критериями качества при решении задачи покрытия чаще всего являются суммарная стоимость и общее число модулей, число типов используемых модулей, число связей между модулями и др.
В результате решения задачи разбиения осуществляется разделение на части (узлы) схемы соединений конструктивных элементов. Основными критериями задачи разбиения являются длина внешних связей, число образующихся узлов, число различных типов узлов. При решении задачи разбиения учитываются количество элементов в узлах, число внешних выводов узлов, суммарная площадь, занимаемая элементами и соединениями, электромагнитная совместимость отдельных элементов в узле, обеспечение нормального температурного режима.
Типичной задачей размещения электронных устройств является определение оптимального пространственного расположения элементов на коммутационном поле. Критерии и ограничения задач размещения можно разделить на метрические и топологические. К метрическим критериям относятся размеры элементов и расстояния между ними, размеры коммутационного поля, расстояния между выводами элементов, допустимые длины соединений. К топологическим — число пространственных пересечений соединений, число межслойных переходов, близость расположения друг к другу тепловыделяющих элементов или несовместимых элементов и соединений.
Задача трассировки электронных устройств заключается в определении геометрии соединений конструктивных элементов. Критериями оптимальности решения задачи трассировки могут быть минимальная суммарная длина соединений, минимальное число слоев монтажа, минимальное число переходов из слоя в слой, минимальные наводки в цепях связи элементов и т. д. Конструктивными ограничениями трассировки являются, например, размеры коммутационного поля печатной платы, наличие проводников, трассы которых заданы, максимальная длина проводников. Качество решения задачи трассировки существенно зависит от результатов, полученных при размещении конструктивных элементов.
Задачи размещения и трассировки приходится решать не только при проектировании радиоэлектронных устройств, но и при размещении технологического оборудования в цехе, проектировании гидросистем сельскохозяйственных машин и станков, трассировке транспортных потоков завода.
1.4. Использование компьютерных технологий
в конструировании
Современный уровень технических средств электронной вычислительной техники и программного обеспечения позволяет перейти от традиционных методов конструирования к новым информационным технологиям с использованием ЭВМ.
Термин САПР является смысловым эквивалентом понятия CAD (Computer Aided Design) и означает проектирование с помощью ЭВМ. САПР как система включает в себя технические средства, системное программное обеспечение, прикладное программное обеспечение и самого проектировщика.
Техническое обеспечение САПР включает в себя различные ЭВМ и внешние устройства. Производительность ЭВМ, ее архитектура, связь с другими ЭВМ, количество и номенклатура внешних устройств определяют техническую производительность САПР.
Системное программное обеспечение САПР (СПО САПР) управляет вычислительным процессом и обменом данными между различными устройствами. СПО САПР должно удовлетворять требованиям обеспечения многопользовательского, многозадачного и диалогового режимов обработки информации в процессе автоматизированного проектирования.
Эффективность САПР определяется применяемым прикладным программным обеспечением. Анализ применения САПР показывает, что в них преобладают задачи изготовления рабочей конструкторской документации, инженерных расчетов и технологической подготовки производства. Сложность их алгоритмизации ведет к созданию диалоговых систем. В значительной мере эффективность САПР зависит от вида пользовательского интерфейса. В современных САПР используется графический диалог, который обеспечивает большую наглядность и позволяет оптимально разграничить функции между человеком и ЭВМ при одновременном улучшении качества принимаемых человеком решений.
Гибкость САПР с точки зрения расширения возможностей ее использования может быть увеличена, если программное обеспечение САПР является универсальным и открытым. Примером такой универсальной, открытой среды проектирования для реализации графических требований САПР является система AutoCAD (Автокад). САПР, ориентированные на решение конкретных задач, называют островными, или локальными, системами. На начальной стадии внедрения САПР они могут быть реализованы в виде системы автоматизации разработки и выполнения конструкторской документации (АКД).
В интегрированной системе "проектирование — изготовление" объединяются подсистемы конструирования, геометрического моделирования и разработки технологии изготовления проектируемых изделий. На практике используются два подхода к конструированию на основе компьютерных технологий [13].
Первый подход базируется на двухмерной геометрической модели и использовании компьютера как электронного кульмана. Центральное место в этом методе компьютерного конструирования занимает чертеж , который служит средством графического описания изделия и содержит необходимую информацию для решения задач изготовления изделия (рис. 2).
Рис. 2. Традиционная схема конструирования
В основе второго подхода лежит компьютерная пространственная геометрическая модель (ПГМ) или твердотельная модель изделия (рис.3), которая является наглядным способом описания геометрического объекта и позволяет более эффективно решать геометрические задачи. Чертеж в этих условиях начинает играть вспомогательную роль, а методы его создания основаны на методах компьютерной графики и методах отображения пространственной модели.
Рис. 3. Схема конструирования с использованием твердотельной модели объекта
Конструкторская документация подразделяется на схемную, чертежную, табличную и текстовую. В состав схемной документации входят схемы алгоритмов, трассировки и размещения, принципиальные, структурные и функциональные (электрические, электронные, гидравлические и др.). Чертежная документация включает эскизные и сборочные чертежи узлов и агрегатов, рабочие чертежи деталей. Вычерчивание схем и чертежей конструкции должно производиться с помощью чертежных автоматов с учетом требований ЕСКД. Чертежи и схемы составляют графическую документацию, которая подразделяется на оригинальную и типовую документацию.
Оригинальные графические изображения синтезируются каждый раз заново. Примером может служить разработка в диалоговом режиме принципиальной схемы вновь проектируемого прибора или сельскохозяйственной машины и др.
Типовые графические изображения используются при оформлении стандартных деталей на сборочных чертежах изделия и чертежах дета лей. Для сокращения объема графических работ при оформлении конструкторской документации широкое использование нашел метод «шаблонов». На рис. 4 показан шаблон для цилиндрического зубчатого колеса, на кото ром проставлены все размерные линии, характеристики поверхностей (отклонения, значения шероховатости по верхностей), посадочные размеры и таблица параметров (модуль, число зубьев, степень точности, длина общей нормали, делительный диаметр и др.). В случае автоматизации конструкторских работ программными средствами шаблон, выполненный для семейства типовых деталей, является комплексной деталью. Чертеж такой детали представляется в виде совокупного геометрического объекта с избыточными элементами. Для формирования чертежа конкретной детали вводится таблица, которая включает набор ее параметров. Однако более экономичным является составление чертежа деталей из отдельных фрагментов — типовых графических изображений. Например, чертеж зубчатого колеса может быть составлен из комплексных чертежей «Фланец» и «Зубчатый венец».
|
Рис. 4. Шаблон типовой детали
Типовые графические изображения могут входить в состав любого оригинального изображения. Например, чертеж зубчатого колеса может входить в чертеж редуктора, а изображение микросхем и других электронных приборов входит в чертежи печатных плат или типовых элементов замены. Типовые графические изображения хранятся во внешней памяти ЭВМ и образуют архив графических данных.
Автоматизация воспроизведения текстовых и табличных документов (спецификации, технические условия на изготовление, инструкции, таблицы характеристик, описания устройства и принципа действия и т. д.) обеспечивается разнообразными печатающими устройствами с помощью драйверов и постпроцессоров, входящих в общесистемное обеспечение ЭВМ или в прикладное программное обеспечение САПР.
Обеспечение автоматизированного изготовления кон структорской документации требует:
разработки подсистем интерактивного взаимодей ствия проектировщика и ЭВМ для оперативного ввода, контроля, корректировки и вывода информации о проек тируемом объекте;
разработки специальных программ диагностики и контроля достоверности информации, необходимой для оформления конструкторской документации;
обеспечения оперативной связи конструктора с банком данных, в котором хранится постоянная информация о проектируемом объекте;
создания пакета прикладных программ типовых геометрических образов;
создания программного обеспечения периферийных устройств для автоматического воспроизведения схемной, чертежной, текстовой и табличной документации.
Контрольные вопросы
1. Перечислите задачи конструкторского проектирования, которые являются типичными для процедур геометрического синтеза.
2. Дайте определение элементарных геометрических объектов.
3. Какие задачи конструирования относятся к метрическим задачам?
4. Приведите примеры задач трассировки в приборостроении.
5. Какие критерии используются при решении задач размещения типовых элементов электроаппаратуры?
6. Какие виды топологического анализа применяются при конструировании сельскохозяйственных машин?
7. С какой целью формулируются и решаются позиционные задачи?
8. Перечислите задачи топологического синтеза и дайте их краткую характеристику.
9. Какие задачи конструирования можно отнести к задачам геометрического моделирования?
