Специфика информационного обеспечения САПР

В комплекс средств автоматизированного проектирования входит информационное обеспечение, которое представляет собой совокупность документов, описывающих стандартные проектные процедуры, типовые проектные решения, типовые элементы и комплектующие изделия, материалы и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов. Главной целью создания информационного обеспечения САПР является разработка информационной системы, позволяющей правильно и быстро решать проектные задачи. Это может быть достигнуто своевременной выдачей источнику запроса полной и достоверной информации для выполнения определенной части проектно-конструкторского процесса.

Основные требования к информационному обеспечению САПР следующие:

1. Наличие необходимой информации для обеспечения как автоматизированных, так и ручных процессов проектирования.

2. Возможность хранения и поиска информации, представляющей результат ручных и автоматизированных процессов проектирования.

3. Достаточный объем хранилищ информации. Структура системы должна допускать возможность наращивания емкости памяти вместе с ростом объема информации, подлежащей хранению. Одновременно необходимо обеспечить компактность хранимой информации и минимальное изнашивание носителей информации.

4. Достаточное быстродействие системы информационного обеспечения.

5. Возможность быстрого внесения изменений и корректировки информации, доведения этих изменений до потребителя, а также получение твердой копии документа.

При создании информационного обеспечения САПР основная проблема заключается в преобразовании информации, необходимой для выполнения проектно-конструкторских работ над определенным классом объектов, в форму, приемлемую и наиболее рациональную для машинной обработки, и выводе информации на ЭВМ в виде, удобном для восприятия человеком.

Множество данных, которые потенциально могут использоваться при функционировании САПР или служить запоминаемым результатом ее работы, образуют информационную базу данных (БД) системы. Типовыми группами данных информационного обеспечения автоматизированного проектирования являются классификаторы и таблицы соответствия для них, научно-техническая и расчетно-проектная (оперативная) информация.

 

Рис. 2.3. Схема информационного обеспечения САПР

Информационное обеспечение САПР можно представить в виде схемы (рис. 2.3), из которой видно, какое место занимает база данных, и каково взаимодействие информационной системы с проектными модулями. Это взаимодействие осуществляется через специально организуемый интерфейс, который защищает проектные программные модули от влияния специфики программной реализации информационной системы, поддерживая тем самым независимость проектных операций от вида представления информации в базе данных, В функции этого интерфейса входит также согласование и сопряжение информационной системы и проектных модулей по форматам записей (информационный аспект), по колам и обозначениям данных (содержательный аспект), и по программным средствам, языкам программирования и т. п. (программный аспект).

Сложность разработки базы данных обусловлена тем, что формирование ее структуры возможно только после разработки алгоритмов проектирования. Степень разработки алгоритмов должна быть доведена до машинной реализации, так как структура базы данных должна учитывать специфику процесса автоматизированного проектирования. Но для разработки пакета прикладных программ (ППП) необходимы сведения о структуре базы данных. Следовательно, информационное обеспечение и специальное программное обеспечение САПР должны создаваться параллельно.

Информация, используемая при проектировании, может быть разделена на статическую и динамическую (рис. 2.4).

 

Рис. 2.4. Схема информационных потоков в САПР

Статическая информация характеризуется сравнительно редкими изменениями. К этой информации следует отнести данные ТЗ на проектирование и справочные данные, имеющие большой объем. Формирование, загрузка и корректировка справочных данных осуществляется исключительно администратором базы данных, т. е. системным программистом, формирующим базу данных. Администратор базы данных поддерживает непосредственный контакт со службой нормализации и стандартизации проектной организации. Объем данных ТЗ на проектируемый объект значительно меньше объема справочных данных, но круг лиц, имеющих право вносить изменения в ТЗ, должен быть еще более ограничен, чем круг лиц, имеющих право корректировать справочные данные [1].

Динамическая информация состоит из данных, накапливаемых для выполнения определенных операции проектирования (промежуточные данные), и данных, представляющих собой результат проектирования при выполнении данных операций (на рис. 2.4 проектные операции показаны в виде прямоугольников, обозначенных ППП1, ППП2,..., ПППi,..., ПППn,). Промежуточные данные постоянно меняются при функционировании САПР. Вносить изменения в варианты проектных решений имеет право только конструктор-исполнитель и его руководитель.

Информация, используемая при проектировании, по виду ее представления может быть подразделена на документальную, иконографическую и фактографическую. Документальная информация — это метаинформация. Она представляет собой поисковый образ документа, находящегося в базе данных. При необходимости может быть выдана совокупность документов, удовлетворяющих поисковому образу. В САПР информация такого вида широко используется для нахождения сведений об аналогах объекта проектирования, о патентах и авторских свидетельствах, методике проектирования и расчетов, результатах испытания и т. п.

Информация, которая содержится в изображениях документов (чертежи, фотографии и т. д.), в идентичной форме представления называется иконографической. Для ее хранения используют специальные носители (микрофиши, рулонные микрофильмы, магнитные ленты видеозаписей и т. д.). В современных САПР этот вид информации служит для хранения больших объемов графической информации, поиск которой может осуществляться с помощью сопровождающей ее документальной информации.

Основу базы данных САПР составляет фактографическая информация. Она представляет собой числовые и буквенные справочные данные о материалах, ценах, комплектующих изделиях, о спроектированных в САПР объектах и т. п. Сюда же относятся данные, необходимые для выполнения расчетов: коэффициенты, таблицы, аппроксимированные графические зависимости и т. д.

В настоящее время различают два вида автоматизированных информационных систем САПР — банки данных и информационно-поисковые системы (ИПС). Эти системы различаются видом хранимой и обрабатываемой информации и информационным языком, с помощью которого осуществляется описание данных и манипуляции с ними. Эти различия накладывают определенные ограничения на организацию информации в системе (структуры данных, форматы, связи, доступ и т. д.) и на программную реализацию.

Функционирование информационной системы обеспечивается программно-техническими средствами (машинная организация) и средствами внемашинной организации.

Программно-технические средства информационных систем — это, как правило, специальные ППП, которые обеспечивают накопление (ввод, изменения, модификацию), хранение и поиск информации.

К средствам внемашинной организации данных в информационных системах относятся:

· система классификации и кодирования информации;

· система ведения информационных массивов (входные формы и таблицы, оперативные документы на изменение информации и т. д.);

· методические инструментальные материалы для системного персонала (службы администрации).

Проектирование, организацию функционирования и развитие информационной системы обеспечивает системный персонал.

В информационно-поисковых системах САПР хранится и обрабатывается, как правило, документальная информация. Информационный язык в ИПС – это ограниченный (нормированный) естественный язык, с помощью которого описывают содержание документальных источников информации (статей, книг, стандартов и т. д.) в виде набора понятий, отражающих основное содержание документов.

В информационно-поисковых системах ППП не имеет специального названия, и говорят о ППП для ИПС.

Единицей хранения информации в ИПС является описание конкретного документа. Прообразами накапливаемых в системе описаний документов служат некоторые внешние первичные документы, содержащие информацию, используемую в процессе автоматизированного проектирования. Такими первичными документами могут быть отчеты по научным и конструкторским работам, патенты, справочники, статьи, каталоги и т. д.

С точки зрения пользователя, каждое описание документа представляет собой краткую библиографию источника информации (автор, заглавие, название источника, год выпуска, издательство, аннотация или реферат).

Для обеспечения взаимодействия пользователей и ИПС служит нормативный (фиксированный) словарь понятий, с помощью которого можно описывать содержание, как документов, так и запросов. Такой словарь называется тезаурусом. Тезаурус является моделью системы понятий предметной области. Поэтому документ, записанный в память ЭВМ, кроме библиографии, имеет поисковые признаки или поисковый образ, который составляется по определенным правилам с помощью понятий тезауруса. Запросы к системе формулируются также с помощью тезауруса по определенным правилам. Совокупность правил перевода с естественного языка на язык системы, и тезаурус образуют информационно-поисковый язык системы.

Совокупность документов в памяти ЭВМ образует последовательный массив (файл). Поиск информации в системе осуществляется путем сравнения понятий поискового образа документа и понятий запроса. При их полном или частичном совпадении (в зависимости от критерия выдачи) документ считается релевантным, т. е. соответствующим запросу.

Но при такой последовательной организации информации поиск и сравнение со всеми поисковыми образами заняли бы много времени. Для более эффективной организации информации в систему вводят инверсный (поисковый) массив, в котором каждому понятию тезауруса поставлен в соответствие набор номеров документов, в которых это понятие встречается.

К функциям ППП для ИПС относятся:

· ведение и использование информационно-поискового языка;

· ввод, накопление и изменение информации;

· поддержка инверсного массива;

· поиск и выдача информации по запросам.

ИПС описанного выше типа называются документальными ИПС.

Существует ИПС фактографического типа. Они отличаются тем, что в них хранение и поиск осуществляется не по набору понятий, а по набору признаков каких-либо объектов, т. е. кроме тезауруса в системе предусмотрен еще и специальный классификатор признаков объектов. ИПС фактографического типа более близки по своей организации к банкам данных.

Наиболее высокой формой организации информационного обеспечения больших САПР являются банки данных. Они представляют собой проблемно-ориентированные информационно-справочные системы, которые обеспечивают ввод необходимой информации, автономное от конкретных задач ведение и сохранение информационных массивов, и выдачу необходимой информации по запросу пользователя или программы.

В банках данных используется информация фактографического вида. Информационный язык — совокупность двух языков: языка описания структуры данных и языка манипулирования данными. Пакетом прикладных программ этих информационных систем является система управления базами данных (СУБД), которая обеспечивает работу с информационной базой, организованной в виде структуры данных. По этой заранее сформированной структуре (модели) данных производится их описание, хранение и поиск.

В СУБД описание структуры информации принято называть схемой. В зависимости от уровня представления информации различают следующие типы схем:

· концептуальный (общее представление об информационной базе предметной области);

· внешний (представление нн4юрмации со стороны пользователей или задач, при большом числе задач их представления могут пересекаться), внешних схем бывает несколько;

· внутренний (представление информации в базе данных, т. е. на физических носителях — магнитных дисках).

Среди всех перечисленных уровней представления информации концептуальный уровень занимает особое место. Он связывает внешний уровень с внутренним и обеспечивает их относительную независимость, т. е. возможность изменения внешней схемы при неизменной внутренней и наоборот. Роль концептуального уровня состоит, прежде всего, в том, что на нем отображается та часть общей информационной базы, которая должна быть представлена в виде базы данных. Концептуальный уровень обеспечивает независимость СУБД от конкретного вида ЭВМ. Формализованное описание информационной базы на концептуальном уровне, как правило, осуществляется в терминах конкретной СУБД [1].

Но на начальном этапе проектирования информационной базы еще неизвестно, какая СУБД удовлетворяет требованиям создаваемого банка данных. Поэтому вводится дополнительный уровень, на котором можно было бы задать описание предметной области, не касаясь вопросов реализации, т. е. использования конкретной СУБД. Его называют информационно-логическим (инфологическим). Общая схема отображения уровней информации представлена на рис. 2.5.

 

Рис. 2.5. Схема отображения уровней информации при проектировании баз данных

Информационно-логическая модель определяет информационные потребности проектируемой системы и характеристики информационной базы.

СУБД выполняет следующие основные функции:

· определение баз данных (т. е. описание концептуального, внешнего и внутреннего уровней схем);

· запись данных в базу;

· организацию хранения данных (изменение, дополнение, реорганизация данных);

· представление доступа к данным (поиск и выдача данных).

Дополнительные функции (диалог, многопользовательский режим и т. д.) могут быть реализованы в виде пакетов программ окружения СУБД.

Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства (специальные языки). Так, определение данных (описание концептуальной, внутренней и внешней структур) обеспечивается с помощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулирования данными и языка запросов [1].

По типу поддерживаемых структур различают следующие виды СУБД: иерархический, сетевой и реляционный.

 

Контрольные вопросы по главе 2:

 

1. В чем заключается цель создания САПР?

2. Какая существует классификация подсистем в составе САПР?

3. Виды обеспечения в составе САПР?

4. Основные принципы построения САПР? (САПР – человеко-машинная система, САПР – иерархическая система);

5. Основные принципы построения САПР? (САПР – совокупность информационно-согласованных систем, САПР – открытая и развивающаяся система);

6. Назовите стадии создания САПР;

7. Опишите схему процесса автоматизированного проектирования?

8. Какая существует модель программного обеспечения проектной процедуры в САПР;

9. В чем заключается специфика информационного обеспечения САПР (основные требования к ИО);

10. Какая существует схема информационного обеспечения САПР;

11. Какая существует схема информационных потоков в САПР;

12. В чем заключается функционирование информационной системы;

13. Что такое система управления базами данных (СУБД);

14. Какая существует схема отображения уровней информации при проектировании баз данных.

 

ГЛАВА 3. ПРИМЕРЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ САПР В СВАРКЕ

 

Одной из задач подготовки современного специалиста в области сварки является приобретение навыков работы со специализированным программным обеспечением. В данном разделе представлены разработки Лаборатории систем автоматизированного проектирования (САПР) в сварке ( кафедра «Оборудование и технология сварочного производства» Томского политехнического университета) [2], а также разработки Центра ComHighTech (кафедра «Сварка, литье и технология конструкционных материалов», Тульский государственный университет) [3]. Специалистами этих организаций разработано несколько программных продуктов, которые позволяют разрабатывать технологические процессы сварки плавлением на основе их математического моделирования. Ниже приведено описание данных программ.

3.1. Программа Model [2]

Программа Model – одна из первых программ подобного рода в мире – моделирует процесс аргоно-дуговой сварки в импульсном и стационарном режиме (рис. 3.1).

Современные источники питания для дуговой сварки, как правило, позволяют проводить сварку в импульсном режиме. При этом оценить тепловложение от импульсного источника нагрева и протекание процесса традиционными средствами невозможно. Для этого необходимо моделировать процесс, применяя специализированные программы, такие как программа Model.

Возможности программы:

· Динамическая визуализация результатов расчета.

· Эмуляция импульсных источников питания: прямоугольные и синусоидальные импульсы тока и напряжения.

Решение обратной задачи: выбор оптимальных режимов энергетического воздействия по заданным геометрическим характеристикам.

 

Рис. 3.1. Интерфейс программы Model

3.2. Программа Meza [2]

Программный комплекс Meza отличается более широкими возможностями моделирования, а также получения и обработки результатов численных экспериментов. В настоящий момент данный программный продукт является основным инструментом при подготовке специалистов в области САПР в сварке и родственных дисциплинах.

Возможности программы:

· Моделирование различных внешних воздействий на образец (дуговые, газопламенные, электронно-лучевые источники) (рис. 3.2).

· Моделирование процесса нагрева образца в разнообразных средах (вакууме, воздухе, защитном газе) (рис. 3.3).

· Работа с образцами, состоящими из различных материалов или имеющими неоднородный состав и сложную пространственную геометрию (с инородными включениями, несплошностями, отверстиями, трещинами и т.д.).

· Многооконный интерфейс, широкие возможности визуализации и регистрации результатов

3.3. Виртуальное рабочее место (ВРМ) [2]

Виртуальное рабочее место инженера-сварщика – это новый инструмент для моделирования технологических процессов сварки, который сейчас внедряется в учебный процесс (рис. 3.4). Данный программный продукт разработан в системе MATLAB и позволяет использовать многие возможности этой популярной системы. Например, распределенные вычисления и разнообразные средства визуализации и обработки данных. ВРМ, являясь некоторым обобщением таких программ, как Model и Meza, включает в себя основные возможности этих программ.

Рис. 3.2. Интерфейс программы Meza. Распределение фаз в процессе сварки, получаемое расчетным путем

Рис. 3.3. Интерфейс программы Meza. Изменение температуры (термический цикл) в контрольной точке

 

Рис. 3.4. Интерфейс программы ВРМ наглядно представляет процесс и результаты расчета

 

3.4. Программа MAGSIM [ 3 ]

 

Данная программа предназначена для имитации МАГ-сварки (полуавтоматической сварки в среде защитных газов)

Разработчики программы: Центр ComHighTec h Тульского государственного университета и Институт сварки университета Ахена, ФРГ.

С помощью пакета MAGSIM у пользователя появляется возможность наблюдать влияние параметров режима сварки на результат сварки (рис. 3.5.). При этом число экспериментальных образцов резко снижается. Программные модули провести статистическую оценку влияния отклонений сварочной установки на качество шва, а также автоматически определить оптимальные параметры сварки с учетом выбранной цели. Поэтому пакет MAGSIM достаточно хорошо пригоден для обучения студентов и повышения квалификации инженеров.

 

Рис. 3.5. Интерфейс программы MAGSIM

В новейшей версии программы учтены наряду со стыковыми швами, также угловые и нахлесточные швы, а также импульсно-дуговой режим. Также учитываются пространственное положение горелки и свариваемого изделия.

Модуль АНАЛИЗ служит для расчета и представления температурного поля и формирования шва при выбранных пользователем параметрах режима. При этом выбранные параметры и полученный результат протоколируются, а анализ качества шва оценивается по Европейским нормам или ГОСТ РФ.

Модуль ДИАГНОСТИКА служит для оценки влияния отклонения сварочных параметров на результат сварки. При этом проводится 2000 имитаций сварки при разных отклонениях. Метод Монте-Карло позволяет варьировать отклонения каждого из трех параметров согласно принципу случайного рассеяния по гауссовому закону. После статистической обработки полученные результаты классифицируются согласно Европейским нормам EN 25 817 и графически представляются на экране.

Модуль ОПТИМИЗАЦИЯ служит для получения оптимальных параметров режима сварки при выбранных пользователем условиях. При этом можно задать цели имитации, например, максимальная скорость сварки или оптимальное формирование шва. Полученные результаты, лежащие в пределах полной глубина проплавления и без прожогов, представляются на экране дисплея или выводятся на принтер в трехмерном представлении «напряжение сварки – ток сварки – скорость сварки».

 

3.5. Программа SPOTSIM [3]

 

Программа предназначена для анализа формирования шва при контактной точечной сварке соединений из стальных низкоуглеродистых, нелегированных и CrNi-сталей толщиной 0,5-5 мм при использовании различных электродов и машин.

Разработчики программы: Центр ComHighTech Тульского государственного университета и Институт сварки университета Ахена, ФРГ.

ПО SPOTSIM состоит из компьютерной модели контактной точечной сварки, модуля оптимизации процесса и банков данных о теплофизических и механических свойствах сталей, технических характеристиках сварочных машин, а также о форме электродов (рис. 3.6).

 

Рис. 3.6. Интерфейс программы SPOTSIM

Модель процесса выполняет численное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений электрического потенциала и теплопроводности, а также уравнений, описывающих пластическое течение металла и изменение сварочного тока в процессе сварки. Рассчитываются распределения электрического потенциала и плотности тока, температур, пластические деформации и площади контактов для каждого момента времени. В качестве исходных данных выступают теплофизические характеристики сталей. Также учитываются электрические характеристики сварочной машины, в том числе фазовый угол включения тиристоров.

В результате моделирования определяются размеры литой зоны, зоны термического влияния, глубина отпечатка электродов и зазор, возникающий между деталями. Кроме того, возможно оценить вероятность выплеска жидкого металла из зоны сварки и возникновения других дефектов; Результаты расчетов визуализируются и протоколируются.

SPOTSIM позволяет решать практические задачи проектирования и оптимизации технологии КТС, в частности: нахождение области допустимых параметров сварки, оценка стабильности сварки, выбор оптимальных параметров процесса и т.д.

 

3.6. Программа CUTSIM [3]

 

Данная программа предназначена для имитации лазерной резки (рис. 3.7).

Разработчик программы: Центр ComHighTech Тульского государственного университета.

 

Рис. 3.7. Интерфейс программы CutSim

С помощью пакета CutSim у пользователя появляется возможность наблюдать влияние параметров режима лазерной резки на результат процесса. При этом число экспериментальных образцов резко снижается

Программа CutSim позволяет:

•   моделировать формирование реза при газолазерной резке углеродистых, коррозионностойких сталей толщиной до 10 мм и алюминиевого сплава АМг;

•   настраивать параметры режима для адекватного моделирования с отражением всех изменений, настроек и результатов на экране дисплея;

•   рассчитывать температурные поля, размеры и форму поперечного и продольного сечений резов при ГЛР в кислороде, азоте и аргоне стальных низкоуглеродистых и коррозионно-стойких, а также алюминиевых пластин;

•   исследовать процесс резки с учетом толщины листа, мощности лазера, его поляризации и моды, типа фокусирующей линзы, типа режущего газа, параметров сопла, и прочих параметров режимов резки;

•   анализировать геометрические характеристики получаемых резов, включая ширину реза на верхней и нижней кромках, угол наклона и шероховатость кромки с протоколированием и визуализацией на экране результатов моделирования;

•   устанавливать допустимые области параметров режимов резки из условия полного прорезания на заданных режимах обработки.

Модуль РАСЧЕТ - ИМИТАЦИЯ служит для расчета и построения графического изображения фронта резки в продольном и поперечном сечениях, а также трехмерного изображения фронта резки. Полученные результаты визуализируются на экране и выводятся принтер в виде профиля реза в продольном и поперечном сечениях, а также в трехмерном изображении.

Модуль ГРАФИКИ служит для построения ряда графических завивимостей процесса на установленных режимах для анализа и проведения исследований.

Модуль ПРОТОКОЛ служит для вывода на экран и (или) принтер текстового протокола проведенного виртуального эксперимента (рис. 3.8).

Модель ВЕРИФИКАЦИЯ служит для анализа адекватности проведенного виртуального эксперимента натурному.

Рис.3.8. Окно вывода на экран протокола проведенного виртуального эксперимента в программе CutSim

3.7. Программа ARMSW [3]

 

Программный пакет САПР – технологии сварки для создания технологической документации.

Разработчик программы: Центр ComHighTech Тульского государственного университета.

•   Программное обеспечение предназначено для облегчения труда инженера-технолога на предприятии.

•   Пакет позволяет создавать спецификацию и технологии сборки-сварки изделия;

•   Позволяет на основе технологии создавать полный перечень технологической документации.

•   Для создания эскизов подключается графический редактор AutoCAD;

•   Работает на любом IBM PC компьютере с сопроцессором и VGA дисплеем;

•   Имеет наглядный, «дружественный» интерфейс;

 

 

ARMSW позволяет:

•   редактировать существующие изделия и вставлять новые (рис. 3.9);

•   создавать спецификацию сборочной единицы или изделия, вводить материал изделия из базы данных;

•   создавать технологию, используя встроенные базы данных (рис. 3.10);

•   редактировать и распечатывать полный перечень технологической документации на принтере

 

Рис. 3.9. Окно выбора стандартной сварной конструкции в программе ARMSW

Рис. 3.10. Окно выбора стандартной технологии, используя встроенные базы данных в программе ARMSW

ARMSW также позволяет:

•   рассчитывать параметры режима сварки, расход материалов, нормировать сварочные операции с помощью программы reg_sw (рис. 3.11);

•   для создания эскизов изделия пакет подключает специальный графический редактор AutoCAD;

пакет может быть использован в учебных целях для создания технологического процесса при выполнении дипломных и курсовых работ.

Рис. 3.11. Окно расчета параметров режима сварки, расхода материалов, нормирования сварочные операции

 

3.8. Программа MEXSW [3]

 

Программа предназначена для анализа механических свойств ЗТВ сварного шва при дуговой сварке (ручная дуговая сварка, МИГ/МАГ сварка, сварка под флюсом) (рис. 3.12). Возможен анализ влияния параметров процесса на структурные составляющие шва, скорость охлаждения и механические свойства (рис. 3.13).

Разработчик программы: Центр ComHighTech Тульского государственного университета.

Рис. 3.12. Окно анализа механических свойств ЗТВ сварного шва при дуговой сварке в программе MEXSW

 

Рис. 3.13. Окно анализа влияния параметров процесса на структурные составляющие шва, скорость охлаждения и механические свойства