Наумчук О.М. Основи систем автоматизованого проектування

Подождите немного. Документ загружается.

як

дком мод

перацій (об

ми (сфери

писуютьс

роте об’єм

ання опера

Така мод

ри викорис

безпечена

еретворень

дображенн

3.2. Пред

Графічна

и, це зале

ля яких во

Координ

аний на пр

яді коорд

тільки р

асть не роз

а растреле

ані про ко

ої привед

чного пре

в даних,

тів, унаслі

лювання т

’єднання, в

призми, ц

тими ж рів

і елемент

ій з об’єм

Рис. 3.2.

ль вимагає

анні прог

достатня д

Ця модель

я будь-

ки

тавлення

інформаці

ить від пр

а призначе

тний спосі

дставленні

нат прямок

стрелемент

лядається.

енти, що я

рдинати ра

ний на ри

ставлення

о включає

ок чого це

ердого тіла

днімання і

ліндри, ко

яннями, щ

вважают

ими елеме

Операції з об’

складнішо

амних засо

я діалогов

не має об

проекцій,

графічної і

може бут

изначення

а.

представ

плоского (

утних раст

, що нале

а рис. 3.3,

ляють соб

трелемент

. 3.3, б. Я

рафічної і

порядкові

спосіб не

є послідов

перетин) н

уси, пірамі

о і поверхн

ся заповне

тами показ

ємними елем

о програм

ів на суча

го режиму

ежень в мо

озрізів і пе

нформації

представ

ієї інфор

ення графі

онохромн

елементів.

ать зобра

а показано

ю квадрат

в заносять

видно з р

формації п

омери і ко

ручний дл

е виконан

д об’ємни

и і т.д.). Ц

і оболонко

ими. При

ний на ри

нтами

ого забезп

них ЕОМ

швидкість

ливостях

етинів.

в ЕОМ

ена різним

ації і типу

ної інформ

го) зображ

При цьому

енню, а

розбиття з

із стороно

я в таблиц

сунка для

отрібний в

рдинати р

зберіганн

я булевих

и елемен-

елементи

ої моделі,

лад вико-

. 3.2.

чення, але

оже бути

графічних

обудови і

способа-

пристроїв

ації засно-

ення у ви-

фіксують-

онова об-

браження

0,01 мм.

, приклад

достатньо

ликий ма-

стрелеме-

графічної

формації.

рої вводу-

ачається т

ис. 3.3. Коор

на р

Різновид

авлення г

сього поля

тних обл

ьому рецеп

ою одиниц

оновій об

азву «білог

рецептор

особі. Пр

а кресленн

е дозволяє

вання дан

мий, що і

Економіч

о елемент

ий на пре

римітивів,

ля уявленн

ементу, к

рі. Цей сп

бласть йо

иводу гра

хнічними

инатний спо

астрелементи

;

м координ

афічної ін

ображенн

стей, які н

ор, що на

ю і назива

асті зобра

» (рис. 3.4

а компакт

те необхід

х значний

одержати к

ого способ

координа

ішим з по

ого предс

ставленні

якими мо

будь-

ког

ординати й

сіб дозвол

го застосу

ічної інфо

арактерист

іб представле

;

б) таблиця з

тного спо

ормації.

(зокрема

зиваються

ежить ліні

ться «збуд

ення, коду

б). При ць

іше, ніж

ість кодув

простір, пр

мпактний

у представ

ного спосо

ляду об’є

авлення гр

ображення

уть бути в

о з цих еле

го опорни

є представ

ання - ска

мації. Роз

иками вказ

ня інформац

оординатами

обу є

еце

ін заснова

онової обл

ецептора

м зображе

еним», а р

ється двій

ому, кодув

астрелеме

ння фонов

изводить д

запис інфо

ення гра

у.

у збережен

фічної інф

у вигляді

ідрізок пр

ентів доси

точок і (а

ти графіч

уючі і рас

ір растрел

них прист

ї: а) розбиття

растрелемент

торний сп

ий на пре

сті) у вигл

и (рис. 3.

ня, кодуєт

цептор, щ

овим нуле

ння кожно

та у коор

ої області,

того, що

мації. Обл

ічної інфо

ї інформа

ормації. Ві

укупності

мої лінії,

ь записати

о) орієнта

у інформа

рові при-

мента ви-

оїв.

ображення

осіб пред-

ставленні

ді прямо-

, а). При

ся двійко-

належить

і носить

о окремо-

инатному

о займає

ей спосіб

сть засто-

мації той

ії є спосіб

заснова-

графічних

уга, коло.

код цього

ію в прос-

ію значно

омпактніш

Рис. 3.

а) у виг

Область

мації (дид

компактні

утими вищ

оризації р

овану суку

їх у вигля

Подальш

афічної ін

ий на вико

их елемент

ічні зобра

пису кожн

ної точки і

ей спосіб

асто зустрі

матизован

еріганні г

ень.

Аналітич

аний на її

ачається,

івнянь, що

ніж розгл

4. Рецепторн

яді прямокут

ого застос

итайзери).

ому вигл

способам

стрових з

ність реце

ді графічни

м розвитк

ормації є

истанні д

ів (ТГЕ). Я

ення, що

го елемент

орієнтаці

ривабливи

аються в д

і занесені

афічного з

ий спосіб

явленні у в

о будь-

ке

відповідаю

нуті вище.

й спосіб пред

их областей

(

вання - пр

ін також з

ді графічн

. Для цьог

бражень щ

торів і рас

х примітив

м способ

труктурн

я формува

ТГЕ мож

складають

досить в

в простор

тим, що е

ній област

в бібліоте

браження

представле

гляді рівн

зображенн

ь сукупно

тавлення гра

(

рецепторів);

строї коду

астосовуєт

ї інформа

використо

дозволя

релементі

в (відрізків

по елеме

-символьни

ня зображ

ть застосо

я з графі

азати його

і, а також

ементи гра

застосува

у. Спосіб

зручний п

ня графіч

нь поверх

можна пр

ті поверхо

ічної інформ

) у двійковом

ання граф

ся для пре

ії одержан

уються пр

ть визнача

, а потім п

прямої).

тного пре

й спосіб. В

ння типов

уватися с

них примі

тип, коорд

одуль йог

ічних зоб

ня, можут

є компакт

и формув

ої інформ

нь. При ць

дставити с

ь, які пере

ції:

коді

чної інфо-

ставлення

ю розгля-

грами ве-

и впоряд-

едставля-

ставлення

н заснова-

х графіч-

ладні гра-

ивів. Для

нати опо-

о розміру.

ажень, які

бути сис-

ішим при

нні зобра-

ції засно-

му перед-

купністю

инаються

з площиною зображення. Такий спосіб є математичною основою

сучасного програмного забезпечення машинної графіки.

Тема 4. Підходи і методи проектування. Задачі синтезу

і аналізу у САПР

4.1. Підходи і методи проектування у САПР

У сучасних САПР використовують різні підходи і методи проек-

тування. На практиці, особливо при проектуванні об’єктів машино-

будування, рідко зустрічаються випадки, коли існує можливість по-

вного опису об’єкту в рамках однієї програми, це обумовлено вели-

кою складністю завдання на проектування.

Описи технічних об’єктів за складністю повинні бути узгоджені

з можливостями сприйняття людиною і оперуванням описами в

процесі їх перетворення за допомогою наявних засобів проектуван-

ня. Проте виконати цю вимогу в рамках деякого єдиного опису, не

розбиваючи його на складові частини, вдається лише для простих

виробів. Як правило, потрібна структуризація описів з відповідним

роздільним представленням проектованих об’єктів використовуючи

ієрархічні рівні і аспекти, це дозволяє розподіляти роботи по проек-

туванню складних об’єктів між підрозділами проектної організації,

що сприяє підвищенню ефективності і продуктивності праці проек-

тувальників.

Блочно-ієрархічний підхід. Розділення описів по ступеню дета-

лізації відображених у ньому властивостей і характеристик об’єкту

лежить в основі блочно-ієрархічного підходу до проектування, що

призводить до появи ієрархічних рівнів (рівнів абстрагування) в уя-

вленнях про об’єкт.

На кожному ієрархічному рівні використовуються свої поняття

систем і елементів. На верхньому рівні проектований складний

об’єкт розглядається як система взаємозв’язаних і взаємодіючих

елементів. Кожний з цих елементів є також складним об’єктом

який, у свою чергу, розглядається як система на наступному ниж-

чому рівні. Виділення елементів відбувається за функціональною

ознакою. Подібне розділення продовжується аж до отримання на

деякому рівні елементів, описи яких подальшому поділенню не під-

лягають, ці елементи по відношенню до об’єкту називають базови-

ми елементами

Таким чином, принцип ієрархічності означає структуризацію уя-

влень про об’єкти проектування по ступеню детальності опису, а

принцип декомпозиції (блоковості) - розбиття представлень кожно-

го рівня на ряд складових частин (блоків) з можливостями розділь-

ного (поблочного) проектування об’єктів на кожному з рівнів.

Конструкції машин як об’єктів проектування є складною систе-

мою. Внаслідок цього, математичний опис конструктивних елемен-

тів повинен базуватися на блочно-ієрархічному підході до процесу

конструювання.

Для промислових об’єктів (машинобудування, приладобудуван-

ня, легкої промисловості та інших галузей) характерні наступні іє-

рархічні рівні, машина-агрегат-вузел-деталь. Рівень IV (нижчий рі-

вень) складають деталі машин, рівень III - сукупність деталей (вузол

- збірна одиниця), рівень II - агрегат (сукупність вузлів), рівень I -

машина (сукупність агрегатів). Для точнішого представлення ієрар-

хії системи машин можуть бути передбачені додаткові підрівні, на-

приклад вузли машини можуть бути розбиті на підвузли і т.д.

Розглянемо ієрархічне представлення технічного засобу автома-

тизації (рис. 4.1). Рівень I представлений самим технічним засобом,

рівень II - його агрегатами і системами. Елементами рівня ІІІ є вуз-

ли агрегатів і систем. На рівні IV розташовуються вузлові деталі.

Можливо приєднання підрівнів, наприклад між рівнями І і ІІ можна

розташувати більш прості агрегати.

Відповідно ієрархії об’єктів проектування можна побудувати іє-

рархію їх математичних моделей.

Рис. 4.1. Приклад ієрархічного представлення

Отже, блоково-ієрархічний підхід до проектування – це підхід,

заснований на розділенні описів проектованих об’єктів на ієрархічні

рівні за ступенем детальності віддзеркалення властивостей об’єктів,

а також на відповідному розділенні процесу проектування на групи

проектних процедур, пов’язаних з отриманням і перетворенням

описів виділених ієрархічних рівнів.

Ієрархічна структура описів має місце в кожному з аспектів опи-

сів складних систем. Наприклад, описи функціонального аспекту

діляться на мета-, макро- і мікрорівні. У описах конструкцій виді-

ляють рівні комплектів устаткування, агрегатів, складальних оди-

ниць, деталей; у описах технологічних процесів - рівні принципових

схем, маршрутної і операційної технологій. При переході з вищого

ієрархічного рівня на нижчий ступінь детальності опису об’єкту

зростає. Для збереження прийнятної складності описів (прийнятної

розмірності вирішуваних задач) при такому переході необхідно

проводити декомпозицію описів на блоки з подальшим поблочним

розглядом і перетворенням описів. В результаті з’являється можли-

вість звести вирішення невеликої кількості надмірно складних за-

вдань до вирішення великої кількості завдань прийнятної складнос-

ті.

Якщо вирішення задач вищих ієрархічних рівнів передує рішен-

ню задач нижчих ієрархічних рівнів, проектування називають низ-

хідним, але коли спочатку здійснюються етапи, що пов’язані з ниж-

чими ієрархічними рівнями, то проектування називають висхідним.

У кожного з цих двох видів проектування є переваги і недоліки.

Низхідне проектування. При такому проектуванні спочатку

створюються описи на вищих ієрархічних рівнях, а потім на нижчих

(проектування зверху вниз).

Наприклад, послідовність проектування може бути такою: стру-

ктурна схема технічного засобу автоматизації - моделі агрегатів і

систем - розрахункові схеми вузлів і деталей. Функціональне проек-

тування складних систем найчастіше буває низхідним аж до рівня,

на якому елементи - уніфіковані об’єкти.

При низхідному проектуванні система розробляється в умовах,

коли її елементи ще не визначені, а відомості про їх можливості і

властивості носять попередній характер.

Висхідне проектування. Проектування, при якому виконання

процедур по отриманню описів низьких ієрархічних рівнів передує

виконанню процедур по отриманню описів високих ієрархічних рі-

внів, називається висхідним (проектування від низу до верху). На-

приклад, об’єкти можуть проектуватися в такій послідовності: дета-

лі - збірні одиниці - агрегати. При висхідному проектуванні елемен-

ти проектуються раніше системи, тому попередній характер мають

властивості і вимоги до елементів.

Оскільки припущення можуть не підтвердитись, часто потрібне

повторне виконання проектних процедур попередніх етапів після

виконання проектних процедур подальших етапів. Такі повторення

забезпечують послідовне наближення до оптимальних результатів і

обумовлюють ітераційний характер проектування. Отже, ітерацій-

ність відносять до важливих принципів проектування складних

об’єктів.

На практиці зазвичай поєднують висхідне і низхідне проекту-

вання. Наприклад, висхідне проектування має місце на всіх ієрархі-

чних рівнях, на яких використовуються уніфіковані елементи. Оче-

видно, що такі елементи орієнтовані на застосування в різних сис-

темах певного класу, що розробляються раніше ніж будь-яка конк-

ретна система з цього класу. При розробці нових конструкцій за-

звичай використовується евристичний прийом синтезу.

Евристичний прийом синтезу. Неформалізований прийом,

який використовується при синтезі технічних об’єктів, що дає змогу

визначити у якому напрямі шукати потрібне технічне рішення нази-

вається евристичним.

Евристичні прийоми зберігаються у спеціальних фондах баз да-

них, для подальшого використання інженерами в інтерактивних

процедурах синтезу. Евристичні прийоми діляться на групи перет-

ворень виду руху, матеріалу, геометричної форми в просторі, в часі,

додаванням, виключенням, заміною, аналогічно і т.п. Прикладами

евристичних прийомів можуть служити такі: «змінити напрям обер-

тання», «перейти від однорідних матеріалів до композиційних»,

«вивернути форму навиворіт», «поміняти місцями протилежно роз-

міщені елементи», «перетворити асинхронний процес на синхрон-

ний», «витрачені елементи відновити безпосередньо в процесі робо-

ти», «виключити найбільш напружений елемент», «замінити меха-

нічну обробку обробкою без зняття стружки», «звернути увагу на

спосіб рішення оберненої задачі» та ін.

4.2. Завдання синтезу і аналізу. Оптимальне проектування

конструкцій

Проектування - складний і важко формалізований процес, який

об’єднує такі важливі процедури, як синтез структури, вибір пара-

метрів елементів, аналіз і ухвалення рішень. Особливо важлива по-

чаткова стадія проектування, коли вибираються ефективний фізич-

ний принцип дії, раціональне технічне рішення і визначаються оп-

тимальні значення параметрів.

Завдання синтезу і аналізу. Під синтезом розуміються проектні

процедури, направлені на отримання нових описів проектованого

об’єкту відповідно до заданих показників його функціонування.

Аналіз - це проектні процедури, що мають на меті отримання інфо-

рмації про властивості проектованого об’єкту по заданому опису.

Завдання синтезу пов’язані із створенням проектних документів і

самого проекту, а завдання аналізу пов’язані з оцінкою проектних

документів.

Процедури синтезу діляться на процедури структурного і пара-

метричного синтезу.

Пошук раціонального технічного рішення при вибраному фізич-

ному принципі дії здійснюється методами структурного синтезу.

Визначення оптимальних значень параметрів елементів технічної

системи відомої структури є завданням параметричного синтезу,

або параметричної оптимізації.

Метою структурного синтезу є визначення структури об’єкту -

переліку типів елементів, які складають об’єкт і способу зв’язку

елементів між собою у складі об’єкту.

Параметричний синтез полягає у визначенні числових значень

параметрів елементів при заданих структурі і умовах працездатнос-

ті, що впливають на вихідні параметри об’єкту, тобто при парамет-

ричному синтезі потрібно знайти точку або область в просторі вну-

трішніх параметрів у яких будуть виконуватися певні умови (зазви-

чай умови працездатності).

Класифікація проектних процедур приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Класифікація проектних процедур

Процедури аналізу діляться на процедури одно- і багатоваріант-

ного аналізу. При одноваріантному аналізі задані значення внутрі-

шніх і зовнішніх параметрів, потрібно визначити значення вихідних

параметрів об’єкту. Зручно використовувати геометричну інтерпре-

тацію цього завдання пов’язану з поняттям простору внутрішніх

параметрів; це і-мірний простір, в якому для кожного з п внутрішніх

параметрів виділена координатна вісь. При одноваріантному аналізі

задається також деяка точка у просторі внутрішніх параметрів в

якій потрібно визначити значення вихідних параметрів. Подібне за-

вдання зазвичай зводиться до одноразового вирішення рівнянь, які є

складовими математичної моделі, що обумовлює назву даного виду

аналізу.

Багатоваріантний аналіз полягає у дослідженні властивостей

об’єкту в деякій області простору внутрішніх параметрів. Такий

аналіз вимагає багатократного рішення систем рівнянь (багатократ-

ного виконання одноваріантного аналізу).

Синтез називається оптимізацією, якщо визначаються найкращі

структура і значення параметрів. При розрахунках оптимальних

значень параметрів із заданою структурою говорять про параметри-

чну оптимізацію. Завдання вибору оптимальної структури назива-

ють структурною оптимізацією.

Постановка завдання оптимізації має змістовний сенс тільки у

тому випадку, коли з’являється необхідність вибору одного з кон-

куруючих варіантів, одержаних при обмеженості ресурсів. Технічне

проектування завжди ведеться в умовах жорстких обмежень на ма-

теріальні, енергетичні, часові та інші види ресурсів. Разом з тим за-

соби САПР дозволяють виконати розробку декількох альтернатив-

них варіантів, тому остаточний вибір технічного об’єкту (ухвалення

рішення) необхідно проводити з урахуванням вироблених правил

переваг на підставі встановлених критеріїв. Вибір критерію є одним

з важливих етапів постановки завдання оптимізації, оскільки всі по-

дальші дії направлені на пошук об’єкту, який буде найбільш близь-

ким до оптимального за вибраним критерієм.

У основі побудови правил переваг лежить цільова функція, що

кількісно виражає якість об’єкту і тому також називається функцією

якості, або критерієм оптимальності. Формування цільової функ-

ції завжди виконується з урахуванням різних вихідних параметрів

проектованого пристрою. Залежно від змістовного сенсу цих пара-

метрів і вибраного способу їх поєднання в цільовій функції якість

об’єкту буде тим вище, чим більше її значення (максимізація) або

чим менше її значення (мінімізація).

Вибір цільової функції носить суб’єктивний характер і тому

об’єкт може бути оптимальний тільки в сенсі даного критерію.

У більшості підходів до оцінки технічного об’єкту прийнято орі-

єнтуватися на еталонні зразки, на думку провідних фахівців галузі

(експертні оцінки) або на техніко-економічні показники, які визна-

чаються технічним завданням (ТЗ) на проектування. При підготовці

ТЗ зазвичай враховуються досягнення,

одержані в світовій практи-

ці, а також в тій чи іншій мірі експертні оцінки, тому

об’єктивнішою варто рахувати орієнтацію на ТЗ. Якнайповніша

оцінка проектних рішень може бути виконана на основі аналізу те-