Подсистема конструкторского проектирования

В настоящее время программные обеспечения машинной графики образуют графические пакеты (AutoCAD, компас).

Некоторые графические системы в своём составе имеют расчетные подсистемы (например, метод конечных элементов) такие системы называются сапрами и как правило это 3-х мерные системы САПР к ним относятся: Pro/ENGINER, T-FLEX CAD, SOLID WORKS.

Рассмотрим основные подсистемы, входящие в архитектуру САПР электрических машин.

Подсистема разработки конструктивной схемы.Для разработки конструктивной схемы используют методы оптимального проектирования. Оптимальным проектированием называется совокупность методов, алгоритмов и программ, реализующих автоматический поиск оптимальных конструктивных параметров, при которых критерии оптимальности конструкции имеют минимально (максимально) возможные значения при условии, что выполняются ограничения, накладываемые требованиями технических условий и технологии. В основе подсистемы оптимального проектирования лежит сводная математическая модель, включающая в себя расчеты, необходимые для выбора конструктивной схемы: электромагнитные, тепловые, вентиляционные и механические. Конструктивная схема не содержит подробной проработки каждой сборочной единицы по их конфигурации, а ограничивается лишь общими упрощенными формами сборочных единиц с их основными размерами, а также координатами их расположения. В качестве ограничений выбирают требования стандартов. Ограничения конструкторского и технологического характера обычно учитывают непосредственно в моделях (ширина зубцов статора и ротора, высота спинки статора и ротора и т. п.). Поиск оптимального варианта проводят по нескольким критериям.

Подсистема разработки теоретического чертежа.Теоретический чертеж в отличие от конструктивной схемы содержит все сборочные единицы и детали. Он имеет более подробную проработку каждой сборочной единицы и детали. Степень детализации определяется необходимостью проверки возможности сборки электрической машины и расчета размерных цепей. Чертеж строят по реальным размерам с использованием библиотеки типовых узлов. Библиотека разрабатывается методом параметрического проектирования. Основной целью этого метода является автоматическое изготовление чертежей, имеющих одинаковую топологию контуров по геометрическим параметрам. Эти параметры хранятся в библиотеке исходных данных и при необходимости изменяются в режиме диалога конструктора с персональной ЭВМ. Достоинство метода параметрического проектирования — быстрое построение чертежа, а недостаток — необходимость программирования. Поэтому его целесообразно применять при построении простых чертежей.

Подсистема разработки общего вида электрической машины и рабочих чертежей.Чертеж общего вида машины выполняется на основе теоретического чертежа. Некоторые фрагменты сборочных единиц и деталей общего вида строят с использованием техники макрочертежей. Эта техника применяется при выпуске рабочих чертежей сборочных единиц и деталей, обладающих общими конструктивными признаками, т.е. деталей и сборочных единиц одинаковой конструкции при различных размерах. Сборочные чертежи и детали разбивают на фрагменты с учетом того, что сходные элементы конструкции выполняют с помощью макрочертежей, а элементы, имеющие конструктивные отличия, — в интерактивном режиме.

Подсистема разработки документации для технологической подготовки производства.Эта подсистема должна охватывать:

• проектирование конструкторской документации технологической оснастки;

• проектирование технологических процессов. Управление САПРЭМ осуществляется в режиме диалога конструктора с ЭВМ. Это позволяет осуществить любой вид расчетов сиспользованием одной или нескольких подсистем.

В подсистеме предусмотрен архив исходных данных и результатов расчетов. Хранение информации осуществляется в виде банка данных. В банке данных кроме исходных величин и результатов расчетов хранится также справочная информация, конструкторская и технологическая документация. Хранение информации осуществляется на магнитных носителях.

Большинство задач проектирования электрических машин сочетает в себе необходимость выполнения как вычислений, так и процедур графического характёра. Основные затраты времени конструктора идут не на выбор принципиального решения, четко вырисовываемого в его воображении, а на перенос мысленного образа на бумагу, с соблюдением всех правил машиностроительного черчения. Предполагается, что роль чертежей в процессе проектирования и производства, содержание и форма конструкторской документации должны претерпеть существенные изменения. Результатом применения САПР ЭМ все в большей мере будут программы управления технологическим оборудованием, представленные на машинных носителях. Однако в настоящее время и в ближайшем будущем роль чертежей и других графических документов в процессе подготовки производства электрических машин остается

важной.

В основе программного обеспечения лежит модульный принцип. Преимущества модульного программирования заключаются в том, что составление программы сводится к синтезу ее из модулей, причем последние можно считать элементами проблемно-ориентированного языка. Модули можно унифицировать, т. е. один модуль может использоваться для нескольких программ и они могут формироваться и отлаживаться независимо друг от друга разными программистами, в разных системах программирования. Отладка программ упрощается тем, что в момент объединения модулей каждый из них уже отлажен. Благодаря модульной структуре программу можно легко изменить путем создания новых модулей, или преобразованием некоторых из уже имеющихся, или перестановкой модулей, определяющих процесс обработки данных. Модульная структура программ облегчает организацию работы больших коллективов программистов и эксплуатацию программ.

Среди языков программирования САПР ЭМ различают мапшнные, проблемно-ориентировочные и машинно-ориентировочные.

Языки программирования геометрических объектов (графические языки) развиваются в двух направлениях. Первое, более распространенное направление, заключается в создании на одном из процедурных языков программирования набора графических подпрограмм. Совокупность обращений к этим подпрограммам условно квалифицируют как графический язык, являющийся расширением исходного языка геометрическими переменными и операциями.

Такой подход удобен тем, что его применение не сопряжено с изменением синтаксиса исходного языка, при этом легко сочетаются действия над графическими изображениями и решения вычислительных задач. К недостаткам метода относится некоторое усложнение оператора вызова графических подпрограмм. Второе направление характеризуется созданием специальных языков, предусматривающих естественное описание графических изображений и действий, производимых над элементами изображения. Программа на графическом языке преобразуется транслятором в систему команд на одном из универсальных языков, а затем — в систему команд ЭВМ. Такая схема позволяет включать программы, написанные на графическом языке, в программы, составленные на универсальном языке.

Существуют два способа хранения геометрических данных: ориентация на изделие (трехмерная модель), ориентация на чертеж (двухмерная модель). В случае ориентации системы на изделие необходимо иметь программы геометрического процессора системы, осуществляющие преобразование данных трехмерной модели объекта в двухмерные отображения в виде стандартных проекций, сечений, разрезов. Когда в системе принята ориентация на чертеж, то данные об объекте проектирования хранятся в таком виде, который требуется для получения конструкторского документа. Если проектируются машины, имеющие аналоги или состоящие из типовых, унифицированных элементов, целесообразно строить систему, ориентированную на чертеж. Если же проектируются изделия, не имеющие аналогов или слабо поддающиеся унификации, желательно использовать принцип ориентации на изделие.

В настоящее время при создании программной среды САПР электрических машин широко

применяются наряду с языками С++, FORTRAN, в среде Power Station, программные продукты: Math CAD, Matlab, Autocad, существенно облегчающие реализацию конкретных алгоритмов проектирования.

Подсистема конструкторского проектирования предусматривает выпуск чертежей общего вида сборочных единиц и деталей, а также текстовой конструкторской документации.

Структурная схема подсистемы конструкторского проектирования приведена на рис. 3.

Разработки общего вида машины ведут на основе конструктивной схемы с использованием типовых фрагментов единиц и интерактивной графики. Конструктивная схема является основой, на которой формируется общий вид путем добавления отдельных фрагментов сборочных единиц.

Разработку чертежей сборочных единиц и деталей проводят на основе общего вида с использованием типовых фрагментов деталей.

Рис. 3. Структурная схема подсистемы

конструкторского проектирования

В САПР СЭМ предусматривается разработка обширной библиотеки фрагментов сборочных единиц и деталей. Каждый из фрагментов имеет свою математическую модель. Изменяя входные (параметры) модели, можно получить фрагменты с необходимыми размерами.

Библиотека фрагментов сборочных единиц и деталей позволяет конструктору значительно повысить производительность труда и сократить сроки разработки чертежей. Этот этап работы обеспечивается пакетом графических подпрограмм функционального уровня и программой, связывающей параметры чертежа конструктивной схемы с координатами характерных графических точек, необходимых для функционирования графических программ.

Математическое обеспечение используемых при проектировании ЭВМ позволяет по-разному построить графические программы выполнения узлов и деталей электрической машины. Разработка математической модели сборочных единиц целесообразна только в тех случаях, когда сборочная единица для ряда машин является универсальной, т. е. находит применение при разра-
ботке типов электрических машин. К таким сборочным единицам относятся активные части электрической машины: статор обмотанный и необмотанный машин переменного тока, короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя и т. д.

В процессе создания САПР СЭМ разработаны математические модели чертежей активной части машин переменного тока. Исходными данными для выпуска чертежей активной части являются результаты электромагнитного расчета.

Программы фрагментов сборочных единиц и деталей создают с использованием интерактивной графической системы. Для программирования фрагмента необходимо задать положение базовой системы координат сборочной единицы или детали, а также описать элементы чертежа фрагмента. Чертеж фрагмента детали задается в базовой системе координат, т. е. относительно такой системы координат, которая определяет положение детали относительно других деталей при ее работе в электрической машине. При составлении сборочного чертежа сопрягаются системы координат деталей друг с другом. За оси координат принимают осевые линии отверстий и валов, оси симметрии и т. п. Например, ось координат подшипникового щита проходит вдоль оси вращения машины, а другая — по поверхности замка, так как поверхность замка служит измерительной и сборочной базой под-шипникового щита.

Для описания чертежа фрагмента используют чертежные примитивы — прямые линии, точки, дуги. Кроме того, при программировании фрагментов широко применяют команды аффинного преобразования, позволяющие перемещать какой-либо фрагмент, поворачивать его на некоторый угол, изображать его в увеличенном или уменьшенном масштабе, строить новый элемент, симметричный данному.

В состав подсистемы технологической подготовки производства электрических машин должны входить следующие пакеты прикладных программ (ППП):

— обеспечения технологичности конструкции, позволяющие анализировать технологические возможности производства;

— проектирования технологических процессов изготовления машины и подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ: токарных, фрезерных и электроэрозионных станков;

— конструирование средств технологического оснащения для производства специального мерительного (скобы, пробки, штихмассы) и режущего (сверла, фрезы) инструмента, а также вырубных и гибочных штампов.

Пакеты прикладных программ технологической подготовки производства должны обеспечивать:

— ввод исходных данных непосредственно с конструкторских и технических документов;

— визуальный, по возможности графический контроль исходных данных;

— корректировку исходных данных и справочной информации в режиме диалога;

— автоматический вывод на графические устройства чертежей технологической оснастки;

— проведение необходимых конструкторских и технологических расчетов.

Математические модели технологической подготовки производства должны разрабатываться на единой методологической основе с максимальным использованием унифицированных, типовых и стандартных решений с учетом принципа единства информационного и лингвистического обеспечений.

Математические модели технологической подготовки производства должны включать формализованное описание:

— конструкторской и технологической документации; |

— типовых технологических процессов;

— средств технологической оснастки и технологического оборудования;

— нормативно-справочных материалов.

Тема 7. Состояние и перспективы развития САПР. (1 час, УЗ – 2)

В настоящее время развитие САПР осуществляется на пути создания экспертных систем. В рамках исследования по искусственному интеллекту сформировалось самостоятельное направление — экспертные системы (ЭС) или инженерия знаний. В задачу этого
направления входят, в частности, исследование и разработка программ (устройств), использующих знания и процедуры вывода для решения задач, являющихся трудными для людей-экспертов. В основе ЭС лежат программы, предназначенные для представления и при-
менения фактических знаний из специальных областей к решению конкретных задач. ЭС манипулируют знаниями в целях получения удовлетворительного и эффективного решения в узкой предметной области. Это системы, которые не только исполняют заданные про-
цедуры, но на основе метапроцедур поиска генерируют решения новых конкретных задач. Как и настоящий человек-эксперт, эти системы используют символическую логику и эвристику (эмпирические правила), чтобы найти решение. И как настоящие эксперты они могут шибаться, но обладают способностью учиться на своих ошибках.
Интерес к ЭС со стороны пользователей вызван, по крайней мере, тремя причинами. Во-первых, они ориентированы на решение широкого круга задач в неформализованных областях; на приложения, которые до недавнего времени считались малодоступными
вычислительной техники. Во-вторых, с помощью ЭС специалисты, не знающие программирования, могут самостоятельно разрабатывать интересующие их приложения, что позволяет резко расширить сферу использования вычислительной техники. В-третьих, ЭС при решении практических задач достигают результатов, не уступающих, а иногда и превосходящих возможности людей-экспертов, не оснащенных ЭС.

В настоящее время ЭС применяют в различных областях деятельности. Наибольшее распространение ЭС получили в проектировании интегральных микросхем, в поиске неисправностей, в военных приложениях и автоматизации программирования.

Традиционное программирование в качестве основы для разработки программы использует алгоритм, т. е. формализованное знание. ЭС не отвергают и не заменяют традиционного подхода к программированию, они отличаются от традиционных программ тем, что ориентированы на решение неформализованных задач и обладают следующими особенностями:

— алгоритм решений не известен заранее, а строится самой ЭС мощью символических рассуждений, базирующихся на эвристических приемах;

— ясность полученных решений, т. е. система «осознает» в терминах пользователя, как она получила решение;

— способность анализа и объяснения своих действий и знаний;

— способность приобретения новых знаний от пользователя-эксперта, не знающего программирования, и изменения, в соответствии с ним, своего поведения;

— обеспечения «дружественного», как правило, естественно-языкового интерфейса с пользователем.

Технологию построения ЭС часто называют инженерией знаний. Как правило, этот процесс требует специфической формы взаимодействия создателя ЭС, которого называют инженером знаний, и одного или нескольких экспертов в некоторой предметной области. Инженер знаний «извлекает» из экспертов процедуры, стратегии, эмпирические правила, которые они используют при решении задач, и встраивают эти знания в экспертную систему, как показано на

рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема экспертной системы

Основой ЭС является совокупность знаний, структурированная в целях упрощения процесса принятия решений ЭС. Выделенные знания о предметной области называются базой знаний, тогда как| общие знания о нахождении решений задач называются механизмом вывода. Программа, которая работает со знаниями, организованная подобным образом, называется системой, основанной на знаниях. База знаний ЭС содержит факты (данные) и правила (или другие
представления знаний), использующие эти факты как основы для принятия решений. Механизм вывода содержит интерпретатор, определяющий, каким образом применять правила для вывода новых знаний, и диспетчер, устанавливающий порядок применений этих правил.

В современных ЭС чаще всего используют три самых важных метода представления знаний: правила, семантические сети и фреймы.

Правила обеспечивают формальный способ представления рекомендаций, указаний или стратегий. Они часто подходят в тех случаях, когда предметные знания возникают из эмпирических ассоциаций, накопленных за годы работы по решению задач в данной области. Существуют два важных способа использования правил в системе. Один называется прямой цепочкой рассуждений, а другой — обратной цепочкой рассуждений.

Термин «семантическая сеть» применяют для описания метода представления знаний, основанного на сетевой структуре. Семантические сети состоят из точек, называемых узлами, и связывающих их дуг, описывающих отношения между узлами. Узлы в семантической сети соответствуют объектам, концепциям или событиям. Дуги могут быть определены разными методами, зависящими от вида представления знаний. Семантические сети, используемые для описания естественных языков, используют дуги типа агент, объект, реципиент (рис. 5).

Рис. 5. Схема семантической сети

Фрейм относится к специальному методу представления общих концепций и ситуаций. По своей организации он очень похож на семантическую сеть. Фрейм является сетью узлов и отношений, организованных иерархически, где верхние узлы представляют общие понятия, а нижние узлы — более частные случаи этих понятий. В системе, основанной на фреймах, понятие в каждом узле определяется набором атрибутов и значениями этих атрибутов, которые называются слотами.

Каждый слот может быть связан с процедурами (произвольными машинными программами), которые выполняются, когда информация в слотах (значения атрибутов) меняется.

Типичная ЭС состоит из следующих основных компонентов (рис. 6): решателя (интерпретатора), рабочей памяти (РП), называемой также базой данных (БД), базы знаний (БЗ), компонентов приобретения знаний, объяснительного и диалогового. База данных предназначена для хранения исходных и промежуточных данных решаемой в текущий момент задачи.

База знаний в ЭС предназначена для хранения долгосрочных данных, описывающих рассматриваемую область (а не текущих данных), и правил, описывающих целесообразные преобразования данных этой области.

Рис. 6. Основные компоненты экспертной системы

Решатель, используя исходные данные из РП и знания из БЗ, формирует такую последовательность правил, которые, будучи применимыми к исходным данным, приводят к решению задачи.

Компонент приобретения знаний автоматизирует процесс наполнения ЭС знаниями, осуществляемый пользователем-экспертом. Объяснительный компонент объясняет, как система получила решение задачи (или почему она не получила решения) и какие знания она при этом использовала, что облегчает эксперту тестирование системы и повышает доверие пользователя к полученному результату.

Диалоговый компонент ориентирован на организацию дружелюбного общения со всеми категориями пользователей как в ходе решения задач, так и приобретения знаний, объяснения результатов работы.

ЭС, достигая промышленной стадии, обеспечивает высокое качество решений всех задач при минимуме времени и памяти. Обычно процесс преобразования действующего прототипа в промышленную систему состоит в расширении БЗ и переписывания программ с использованием более эффективных инструментальных средств, например, в перепрограммировании на языках низкого уровня.

Проектирование и конструирование электрических машин переживают революционные изменения и должны будут воплотить все успехи в электромашиностроении и новейшие достижения в вычислительной технике.