1.1.1 Интеллектуализация САПР

Стремительное распространение в нашей стране персональных компьютеров сопровождалось не менее стремительным потоком импортных САПР. Все эти системы объединяет одно свойство: крайне низкий уровень их "интеллектуального" развития. Они не способны самостоятельно принять ни одного технического решения и в руках инженера, принимающего все решения, являются не более чем усовершенствованным электронным кульманом. Все богатство инженерных знаний остается в книгах и, по мере способностей и опыта, в человеческих головах [7].

Но люди приходят и уходят, унося из фирм их бесценные сокровища - инженерный опыт.

Квалификацию современных конструкторских САПР можно оценить как уровень техника-чертежника, а должна она в большинстве случаев соответствовать уровню ведущего конструктора.

Необходимость решения проблемы интеллектуализации САПР связана с тем, что человечество вступило в фазу создания информационного общества, где наибольшую ценность приобретают знания. Совокупность данных и знаний формирует информационные ресурсы, объем и качество которых будет определять конкурентоспособность не только предприятий, но и физических лиц. Есть основание полагать, что отношение объема активных информационных ресурсов (которые составляет информация, содержащая данные для автоматизированного хранения, поиска и методы их обработки) к общему объему национальных информационных ресурсов станет характеристикой эффективности использования последних и одним из существенных экономических показателей.

Принципиальное отличие интеллектуальных систем автоматизированного проектирования видится в том, что в качестве исходной информации выступают технические требования к изделию и знания о методах его проектирования, основанные на его функциональном назначении и опыте эксперта. Графический образ изделия появляется (а чаще просто генерируется) позже. Само понятие интеллектуальной САПР говорит о явном присутствии в системе знаний, т.е. о возможности на каком-либо уровне принимать решения без участия проектировщика. Такая возможность может быть обеспечена путем перехода от построения системы проектирования по алгоритмическому принципу работы САПР, на методику объектно-ориентированного подхода. При таком подходе объект проектирования (точнее, его информационная модель) по мере проектирования непрерывно изменяет состояние вплоть до окончания процесса. Объектный подход имеет следующие преимущества [2]:

существенно повышается качество разработки в целом и ее фрагментов;

системы получаются более компактными и дешевыми;

обеспечивается большее удобство в планировании разработок;

упрощается процесс внесения изменений;

изменение исходных требований не приводит к полной переработке системы;

уменьшается риск в разработке сложных систем;

подход ориентирован на человеческое восприятие, т.к. для человека более естествен объектный, а не процедурный подход.

возможность создания и сопровождения систем специалистами прикладных областей практически без помощи программистов;

резкое сокращение за счет вышеупомянутого сроков создания высокоавтоматизированных систем, основанных на знаниях;

сокращение трудоемкости программирования за счет автоматической генерации программ на одном из процедурных объектно-ориентированных языков;

сокращение трудоемкости адаптации, сопровождения и развития систем силами пользователей.

Интеллектуальная САПР строится для целого класса функционально подобных изделий. Т.е. речь не идет о САПР, как о генераторе параметрических геометрических моделей типового изделия с возможными дополнениями, а как о системе, где такой компонент как параметризованный графический образ изделия в виде чертежа или иной геометрической информации является лишь составной частью всех знаний об изделии. Геометрические знания могут и не использоваться при проектировании. Важным моментом является процесс принятия решений при проектировании. Понятие "интеллектуальная система" ни в коей мере не означает, что в процессе проектирования не может участвовать человек. Понятие интеллектуальной САПР подразумевает разумное сочетание по вопросам принятия решений между человеком и тем интеллектуальным ядром, которое присутствует в системе. Неоспоримым достоинством интеллектуальной САПР является то, что процесс проектирования изделия не связан с уровнем квалификации конечного пользователя системы. Вся нагрузка по грамотному формированию внутреннего интеллектуального ядра системы ложится на плечи эксперта в предметной области (ими, как правило, являются ведущие специалисты предприятий) и только на стадии создания проектного решения.

1.1.2 Параметризация

Процесс параметрического моделирования (проектирования) (часто используют термин параметризация) -- моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических отношений) различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок.

Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного двухмерного черчения или трёхмерного моделирования. Конструктор, в случае параметрического проектирования, создаёт математическую модель объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменения конфигурации детали, взаимные перемещения деталей в сборке и т. п.

Идея параметрического моделирования появилась ещё на ранних этапах развития САПР, но долгое время не могла быть осуществлена по причине недостаточной компьютерной производительности. История параметрического моделирования началась в 1989 году, когда вышли первые системы с возможностью параметризации. Первопроходцами были Pro/ENGINEER (трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование) от Parametric Technology Corporation и T-FLEX CAD (двухмерное параметрическое моделирование) от Топ Систем.

Двухмерное параметрическое черчение и моделирование.

Параметризация двухмерных чертежей обычно доступна в CAD-системах среднего и тяжёлого классов. Однако, упор в этих системах сделан на трёхмерную технологию проектирования и возможности параметризации двухмерных чертежей практически не используются. Параметрические CAD-системы, ориентированные на двухмерное черчение (лёгкий класс) зачастую являются «урезанными» версиями более продвинутых САПР.

Трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование.

Трёхмерное параметрическое моделирование является гораздо более эффективным (но и более сложным) инструментом, нежели двухмерное параметрическое моделирование. В современных системах среднего и тяжёлого класса наличие параметрической модели заложено в идеологию самих САПР. Существование параметрического описания объекта является базой для всего процесса проектирования.

Типы параметризации:

Ш Табличная параметризация

Табличная параметризация заключается в создании таблицы параметров типовых деталей. Создание нового экземпляра детали производится путём выбора из таблицы типоразмеров. Возможности табличной параметризации весьма ограничены, поскольку задание произвольных новых значений параметров и геометрических отношений обычно невозможно.

Однако, табличная параметризация находит широкое применение во всех параметрических САПР, поскольку позволяет существенно упростить и ускорить создание библиотек стандартных и типовых деталей, а также их применение в процессе конструкторского проектирования.

Ш Иерархическая параметризация

Иерархическая параметризация (параметризация на основе истории построений) заключается в том, что в ходе построения модели вся последовательность построения отображается в отдельном окне в виде «дерева построения». В нем перечислены все существующие в модели вспомогательные элементы, эскизы и выполненные операции в порядке их создания.

Помимо «дерева построения» модели, система запоминает не только порядок её формирования, но и иерархию её элементов (отношения между элементами). (Например: сборки -> подсборки -> детали).

Параметризация на основе истории построений присутствует во всех САПР использующих трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование. Обычно такой тип параметрического моделирования сочетается с вариационной и/или геометрической параметризацией.

Ш Вариационная (размерная) параметризация

Вариационная или размерная параметризация основана на построении эскизов (с наложением на объекты эскиза различных параметрических связей) и наложении пользователем ограничений в виде системы уравнений, определяющих зависимости между параметрами.

Процесс создания параметрической модели с использованием вариационной параметризации выглядит следующим образом:

На первом этапе создаётся эскиз (профиль) для трёхмерной операции. На эскиз накладываются необходимые параметрические связи.

Затем эскиз «образмеривается». Уточняются отдельные размеры профиля. На этом этапе отдельные размеры можно обозначить как переменные (например, присвоить имя «Length») и задать зависимости других размеров от этих переменных в виде формул (например, «Length/2»)

Затем производится трёхмерная операция (например, выталкивание), значение атрибутов операции тоже служит параметром (например, величина выталкивания).

В случае необходимости создания сборки, взаимное положение компонентов сборки задаётся путём указания сопряжений между ними (совпадение, параллельность или перпендикулярность граней и рёбер, расположение объектов на расстоянии или под углом друг к другу и т. п.).

Вариационная параметризация позволяет легко изменять форму эскиза или величину параметров операций, что позволяет удобно модифицировать трёхмерную модель.

Ш Геометрическая параметризация

Геометрическая параметризацией называется параметрическое моделирование, при котором геометрия каждого параметрического объекта пересчитывается в зависимости от положения родительских объектов, его параметров и переменных.

Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения (конструкторские линии) задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения (которыми обводятся конструкторские линии), а также элементы оформления (размеры, надписи, штриховки и т. п.).

Одни элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры (например, радиус окружности или угол наклона прямой). При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания.

Процесс создания параметрической модели методом геометрической параметризации выглядит следующим образом:

На первом этапе конструктор задаёт геометрию профиля конструкторскими линиями, отмечает ключевые точки.

Затем проставляет размеры между конструкторскими линиями. На этом этапе можно задать зависимость размеров друг от друга.

Затем обводит конструкторские линии линиями изображения -- получается профиль, с которым можно осуществлять различные трёхмерные операции.

Последующие этапы в целом аналогичны процессу моделирования с использованием метода вариационной параметризации.

Геометрическая параметризация даёт возможность более гибкого редактирования модели. В случае необходимости внесения незапланированного изменения в геометрию модели не обязательно удалять исходные линии построения (это может привести к потере ассоциативных взаимосвязей между элементами модели), можно провести новую линию построения и перенести на неё линию изображения.[39]

1.1.3 Интеграция САПР

Интеграция ПО базируется на идеях объектно-ориентированного программирования. Следует различать синтаксический и семантический аспекты интеграции. Синтаксическая интеграция реализуется с помощью унифицированных языков и форматов данных, технологий типа ODBC для доступа к общему банку данных или компонентно-ориентированных (CBD - Component-Based Development) технологий. Семантическая интеграция подразумевает автоматическое распознавание разными системами смысла передаваемых между ними данных и достигается значительно труднее. Для создания ПО САПР, так же как и других сложных автоматизированных информационных систем, определяющее значение имеют вопросы интеграции ПО. Теоретической базой для создания технологий интеграции ПО в САПР являются:

методология автоматизированного проектирования, в соответствии с которой осуществляются типизация проектных процедур и маршрутов проектирования в различных предметных областях, выявление типичных входных и выходных данных процедур, построение информационных моделей приложений и их обобщение, сравнительный анализ альтернативных методов и алгоритмов выполнения типовых процедур;

объектно-ориентированная методология, в соответствии с которой множества сущностей, фигурирующих в процессах проектирования, подразделяются на классы, в классах появляются свои процедуры и типы данных с отношениями наследования. Эти классы могут быть инвариантными и прикладными. Их обобщение и унификация приводят к появлению таких понятий и средств, как интегрированные ресурсы и прикладные протоколы, фигурирующие в стандартах STEP, или унифицированные программные компоненты типа графических ядер конструкторских САПР. Именно наличие типовых процедур и единообразное толкование атрибутов объектов в рамках конкретных протоколов позволяют разным программным системам «понимать» друг друга при взаимодействии.

Наряду с типовыми графическими ядрами известны типовые программно-методические комплексы (ПМК) имитационного моделирования, конструирования деталей и механизмов, технологической подготовки производства и др. Возможность использования типовых программ в составе программных комплексов обусловлена именно унификацией интерфейсов при обменах данными.

В программно-методических комплексах конструирования происходит обработка графической информации. Содержательная часть сообщений относится к геометрическим элементам, их размерам и положению в пространстве. В программах технологической подготовки механической обработки деталей наряду с геометрической информацией о конструкциях заготовок в передаваемые сообщения могут входить сведения об инструменте, технологической оснастке, оборудовании, режимах обработки, нормах времени, траекториях движения инструмента и рабочих органов оборудования и т. п.

Другими словами, в каждом приложении совокупность используемых при обменах понятий, предметных переменных и числовых параметров существенно ограничена и достаточно определена для того, чтобы можно было ставить вопрос о типизации моделей и языка взаимодействия. Такие вопросы решаются в рамках технологий STEP/CALS. Число приложений, нашедших свое описание в прикладных протоколах STEP, ограничено, но совокупность таких протоколов может расширяться.

Прикладные протоколы STEP представляют семантическую сторону интеграционных технологий. Для интеграции нужна не только унификация моделей приложений, но и унификация механизмов взаимодействия, примерами которых являются технологии OLE, DDE, а также компонентно-ориентированные технологии.

Современные ОС позволяют работать одновременно с несколькими задачами с выделением каждой задаче своего окна на экране дисплея. Межпрограммные взаимодействия осуществляются путем посылки сообщений, как это принято в объектно-ориентированном программировании. Используются специальные средства организации взаимодействий.

Так, ОС Unix поддерживает взаимодействие асинхронных параллельных процессов, в том числе в разных узлах сети. Каждый клиент должен предварительно зафиксировать свои потребности в виде имен используемых сообщений. Сообщения имеют структуру фрейма. Получатель сообщения определяет, что сообщение относится к нему, вызывает обработчик сообщения и использует полученные данные в соответствии со своими функциями.

В операционных системах Microsoft для организации межпрограммных взаимодействий были предложены средства Clipboard, DDE, OLE и в дальнейшем технология ActiveX.

1.1.4 Комплексная автоматизация подготовки производства

Традиционно под комплексной автоматизацией в конструкторско-технологической подготовке производства понимается обмен данными на уровне файлов между отдельными локальными САПР различного назначения. Однако потенциал такой интеграции крайне ограничен. Системы управления техническим документооборотом способны несколько упорядочить этот процесс, но они не способны обеспечить глубокую интеграцию локальных САПР хотя бы потому, что основываются собственно на модели документооборота и не могут учитывать специфику конкретного изделия.

На чем же должна основываться комплексная автоматизация подготовки производства? Очевидно, что структура предприятия и его информационные ресурсы, это очень важно. Но как же насчет самого изделия? Существует иллюзия, что если технологическая система получит некоторые данные от конструкторской системы, то все остальное получится само. Ничего само не получится. Конструкторско-технологическая подготовка производства - это сложный процесс, автоматизация которого может основываться только на совокупности информации как о структуре служб подготовки производства, так и на информации об изделии, включая его состав, структуру и свойства, ассоциативные связи между его составными частями, а так же на данных о текущем состоянии процесса подготовки производства [15].

Приведенный список не содержит никаких упоминаний о геометрических моделях. На фоне всеобщего внимания именно к геометрическому моделированию это выглядит несколько вызывающе. Казалось бы, вся стратегия развития современных CAD систем строится именно на совершенствовании средств геометрического моделирования (поверхностных, твердотельных, параметрических и т.д.). Прогресс в этой области позволяет констатировать, что задача на сегодня имеет типовое решение, возможности различных систем моделирования быстро сближаются, таким образом, наступает состояние насыщения. Дальнейшее развитие перейдет в сферу повышения производительности, организации более совершенного интерфейса, развития узко специализированных функций.

Вместе с окончанием революционного этапа развития средств геометрического моделирования приходит осознание того, что даже самая совершенная параметризованная геометрическая модель не может являться "несущей конструкцией" для построения комплексных систем подготовки производства просто по причине ее несоответствия этой цели [32].

Какое же место занимает геометрическая модель в представлении изделия для комплексной автоматизации подготовки производства? Это только одно из свойств изделия.

Таким образом, для комплексного решения задачи автоматизации необходима некоторая интегрирующая среда, управляющая процессом подготовки производства на основе:

информации о составе и структуре изделия;

состава исходных данных для каждого этапа подготовки производства;

состава выходных данных для каждого этапа подготовки производства;

текущего состояния проекта, включая информацию о выполнении этапов подготовки производства и наличии необходимых исходных данных для выполнения последующих этапов;

привязки к информационным ресурсам предприятия;

привязки к структуре системы подготовки производства предприятия.

На первый взгляд разработка подобной системы не представляет особой проблемы. Однако даже поверхностный анализ реального положения дел показывает что:

Известны единичные случаи успешного решения этой задачи.

Стоимость таких систем достигает астрономических значений.

На сегодня не известно примеров универсального решения этой задачи.

Очевидно, что все эти аспекты взаимосвязаны. Проблема состоит в том, что разработанная и успешно внедренная система оказывается привязанной к конкретному предприятию и узкому классу изделий. Следствие - полная непригодность к тиражированию и высокая стоимость развития.

Сама формулировка проблемы подсказывает решение - необходимо вынести настройку на изделие и предприятие из системы во внешние файлы данных и разработать инструментальные средства формирования этих файлов. Однако для настройки на изделие необходимо разработать некоторый формат представления информации, способный адекватно описывать состав и свойства изделия, а так же его отношения и связи. Назовем такой формат информационной моделью объекта проектирования.

Модель объекта не должна иметь внешних ссылок и привязок к конкретным ресурсам. Выполнение этого условия позволит обеспечить адаптивность информационной модели и ее независимость от специфики предприятия. Поэтому модель должна быть помещена в некоторую среду, способную связать модель с внешним миром [32].

Необходима некоторая методика, позволяющая адекватно формализовать состав и свойства объекта проектирования, а также, взаимосвязи его составных частей.

Внутренняя организация составных частей модели ничем не отличается от организации модели изделия в целом. Таким образом, каждая составная часть так же является информационной моделью, и вся модель - это дерево, узлы которого - объекты, составляющие вышестоящий объект. Дерево модели аналогично отношениям и связям составных частей изделия.

Каждый объект характеризуется некоторым набором свойств и составляющих его компонентов - вложенных объектов.

Объект инкапсулирует в себя внутренние свойства, экспортирует и импортирует свойства, связывающие его с вышестоящими и вложенными объектами. Экспортируемое объектом свойство, как правило, импортируется вышестоящим или вложенными объектами и, при необходимости, может в свою очередь экспортироваться на следующий уровень.

Такие цепочки импорта-экспорта свойств и являются связями, обеспечивающими совместимость элементов конструкции.

Что дает такая организация модели? На первый взгляд одни и те же свойства многократно дублируются в дереве объектов (каждое свойство однажды экспортируется и многократно импортируется). Однако такой механизм делает каждый объект независимым и самодостаточным. Если некоторые свойства характеризуют объект, но не определяются им (импортируемые свойства), то они являются исходными данными для определения других свойств объекта (внутренних или экспортируемых). Каждый объект связан с внешним миром (моделью) импортируемыми - экспортируемыми свойствами и только.

Самодостаточность информационной модели объекта позволяет многократно использовать однажды созданную модель некоторого узла или детали в составе любых других моделей.

Задача создания информационной модели сложного изделия разбивается на подзадачи построения моделей его составных частей. Такая декомпозиция позволяет достаточно просто решить задачу создания адекватной информационной модели изделия произвольной сложности.

При проектировании информационной модели изделия целесообразно заложить в нее избыточность, которая обеспечит некоторую изменяемость количественных и качественных свойств и позволит охватить класс подобных изделий. Инвариантность создаваемых моделей позволяет сформировать библиотеку компонентов, на базе которых можно достаточно быстро создавать новые модели изделий.

Для интеграции локальных САПР в комплексную систему автоматизации необходимо обеспечить наличие в них средств доступа к свойствам информационной модели изделия [15,32].

1.2 Технологии интеграции инструментальных приложений