Программные продукты и системы

С восьмидесятых годов прошлого века на высокотехнологичных предприятиях, выпускающих сложную наукоемкую продукцию, интенсивно внедряется информационная поддержка изделия на всех этапах жизненного цикла (СALS – Continuous Acquisition and Life-cycle Support). Жизненный цикл изделия – перечень этапов, через которые проходит изделие за весь период своего существования. Термин CALS предполагает организацию единого информационного пространства, объединяющего автоматизированные системы. В интегрированной информационной среде, в которой осуществляется безбумажное информационное взаимодействие между всеми участниками жизненного цикла изделия, действуют стандартные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации.

Одним из наиболее важных является этап проектирования, осуществляемого САПР. Принято выделять системы функционального проектирования – CAE (Computer Aided Engineering), конструкторского – CAD (Computer Aided Design) и технологического – CAM (Computer Aided Manu-facturing).

С помощью интегрированной совокупности CAE/CAD/CAM создаются машины и аппараты, соответствующие современному уровню, при этом решается ряд взаимосвязанных задач:

-      расчет системы гидропривода машины и определение параметров нового аппарата;

-      расчет размеров деталей нового аппарата;

-      анализ динамических характеристик аппарата, проверка его работы в гидроприводе машины и в случае необходимости корректировка размеров деталей;

-      разработка конструкторской документации;

-      разработка технологического процесса (ТП) изготовления деталей аппарата и программ для станков с ЧПУ.

Возможности современной вычислительной техники позволяют проектировщику создавать новый аппарат путем разработки единой САПР, состоящей из подсистем решения отдельных вышеперечисленных задач. В разрабатываемой САПР все вопросы должны решаться программно с минимумом диалоговых режимов работы, за исключением тех случаев, когда программное решение затруднительно или недостаточно информации. Все подсистемы САПР включают необходимые банки данных и знаний, оформленные в виде подпрограмм, обмен информацией между подсистемами осуществляется автоматически.

В этом заключается принципиальное отличие предлагаемого подхода от идеологии САПР, создаваемых в «Компас» и Solid Works, в основу которых положен принцип диалогового режима работы, не позволяющий в дальнейшем переходить от автоматизированного к полностью автоматическому проектированию.

В общем случае разрабатываемая САПР имеет структурную схему, состоящую из пяти подсистем: расчета гидропривода и выбора гидрооборудования – РП, гидропривода – Д, расчета размеров деталей – РА, автоматизированного получения конструкторской документации – КД, автоматизированного проектирования технологического процесса – ТП (рис. 1).

САПР РП состоит из программы rasgp.pas, написанной на языке Object Pascal и работающей в среде Delphi, базирующейся на ПО, содержащем банки данных по стандартному гидрооборудованию [1]. Эта подсистема создает текстовый файл xarob.txt, содержащий характеристику всего выбранного стандартного гидрооборудования, и файл parga.dat параметров нового гидроаппарата для автоматической передачи информации в САПР РА.

САПР РА нового аппарата должна начинаться с создания его расчетной схемы. Разработка САПР схемного решения подробно описана в работе [2]. Расчетная схема принимается по аналогии с существующими подобными аппаратами или создается проектировщиком вне рамок данной системы.

САПР РА состоит из программы rasga.pas, которая базируется на ПО, содержащем базовое ПО по механике жидкости [3], ПО по деталям машин, ГОСТы, математические и геометрические зависимости.

Программа rasga.pas составляется таким образом, что внутри ее создается единое, функционально связанное информационное пространство. В результате изменение любого размера в одной детали приводит к автоматическому пересчету размеров всех функционально связанных деталей, выбору из подключенных банков данных других стандартных деталей и новой информации о требованиях к поверхностям. Эта подсистема создает: файл parga_d.dat для передачи информации в подсистему анализа динамических характеристик проектируемого гидроаппарата в составе САПР Д; файл .dat, содержащий всю информацию о размерах, допусках, шероховатостях для каждой детали; файл t.dat текстовой информации для автоматического заполнения основной надписи чертежа. Эти файлы передаются в САПР КД. Просмотрев рабочие чертежи, полученные в результате работы САПР КД, проектировщик в случае необходимости может вернуться в подсистему САПР РА, внести необходимую корректировку в расчет размеров какой-либо детали, запустив на выполнение программу rasga.pas, получить файлы измененных размеров всех деталей, по которым подсистема САПР КД в автоматическом режиме создаст рабочие чертежи нового варианта аппарата. В программе rasga.pas можно предусмотреть различные варианты отдельных узлов расчетной схемы. Этим создается возможность проведения экспертной или параметрической оптимизации разрабатываемого аппарата.

Подсистема САПР КД включает функции на языке AutoLISP, работающие в системе AutoCAD и в автоматическом режиме создающие чертежи деталей. Одновременно эти функции создают контуры деталей, которые будут входить в общий вид аппарата. Функция получения общего вида собирает его из готовых блоков деталей, устанавливая их в нужное место чертежа. При необходимости блоки деталей масштабируются и поворачиваются. Такой метод получения общего вида прост в реализации и является удобным и эффективным способом контроля правильности расчета размеров взаимосвязанных деталей и обмена информацией между подсистемами. ПО САПР КД состоит из функций вычерчивания типовых элементов гидравлических аппаратов и элементов чертежа, что значительно упрощает процесс написания функции получения чертежа деталей. Результатом работы САПР КД являются файлы чертежей .dwg и файлы .dat, содержащие координаты характерных точек детали и все технические требования к поверхностям, предназначенные для последующей передачи информации в САПР ТП, которая будет создавать программы работы станков с ЧПУ.

Подсистема анализа динамических характеристик аппарата и привода САПР Д состоит из программы dingap.pas, включающей динамическую модель проектируемого аппарата. Разработанное ПО статических и динамических программных моделей типовых аппаратов упрощает написание программы. Анализ получаемых графиков переходных процессов позволяет оценить динамические характеристики проектируемого аппарата. Если результаты не удовлетворяют проектировщика, он возвращается в САПР РА, изменяет размеры, получает новый файл parga_d.dat и снова запускает программу dingap.pas.

Отметим удобство использования программного комплекса моделирования гидроприводов машин различного назначения HydroCAD при разработке САПР Д [4]. Пользовательский интерфейс системы адаптирован для специалистов по гидроприводу. В HydroCAD использован подход, избавляющий проектировщика от системного программирования, автоматизирующий процесс проработки интерфейсов передачи данных и формирования списков формальных параметров вызова подпрограмм. Создаваемая в HydroCAD компьютерная модель исследуемого гидропривода представляет собой программную реализацию структурно-функциональной математической модели на макроуровне. Эта модель отображает происходящие в гидроприводе физические процессы и позволяет детально смоделировать его устройство и связи между составляющими элементами. Помимо вывода на экран переходных процессов всех необходимых выходных параметров непосредственно во время прогона модели, в HydroCAD реализованы поддержка двух- и трехмерной анимации и режим синхронизации модельного и реального времени.

Основой для создания САПР является наличие ПО решения всех задач проектирования. Специалисты в области каждой задачи, используя принцип декомпозиции сложной задачи и системный подход, могут выполнять разработку сложного и трудоемкого ПО. Примером послужит созданное ПО, которое позволяет полностью автоматизировать решение всех задач расчета, выбора и получения конструкторской документации цилиндрических пружин сжатия, применяемых практически в каждом гидроаппарате.

Разработанное ПО позволило создать САПР предохранительного клапана непрямого действия, гидропневмоаккумулятора с датчиком наличия жидкости, гидроцилиндра с торможением и без торможения, блока дистанционного управления, центробежных насосов (консольных, секционных и с двухсторонним подводом жидкости) [5].

Рисунок 2 представляет общий вид предохранительного клапана типа 510, а рисунок 3 – графики переходных процессов при работе клапана.

Достоинства создаваемой по таким принципам системы проявились при работе САПР центробежных секционных насосов. Система позволяет практически в автоматическом режиме проектировать насос на различные параметры и с различным числом ступеней. В подсистемах САПР РА и КД реализовано разветвление вариантов конструкции узла фиксации подшипника на валу насоса и вариантов уплотнений крышки, которое позволяет назначать любое их сочетание.

При различных вариантах конструкции система автоматически меняет размеры, набор и форму деталей подшипникового узла. Выбор варианта конструкции узла по запросу системы определяет проектировщик.

Авторы работают над составлением программы функционально-стоимостного анализа вариантов фиксации подшипника на валу, которая определит оптимальный для различных параметров насоса, а подсистема КД в автоматическом режиме выдаст конструкторскую документацию. Запрограммировать проведение такого анализа можно только при совместной работе подсистем РА, КД и ТП, что и реализуется в созданной по изложенным принципам комплексной САПР центробежного секционного насоса.

Подсистема САПР КД, основанная на программированном черчении, позволяет легко собрать общие виды аппарата в разных режимах работы для проверки его нормального функционирования. Это является дополнительным методом проверки правильности расчета размеров деталей.

Следует отметить, что работа САПР РА при расчете аппарата для различных параметров не сводится к простому пропорциональному изменению размеров деталей, они принимаются из нормального ряда согласно ГОСТ, из банка данных автоматически получается информация о других значениях допусков, шероховатостей и прочего для новых параметров аппарата.

На примере САПР гидроцилиндра (ГЦ) подтверждена возможность проектирования аппарата не только для различных параметров, но и разной конструкции [6].

Подсистема САПР КД может создавать чертежи сложных конструкций. На рисунке 4 показан общий вид центробежного насоса с двухсторонним подводом жидкости, полученный в результате работы САПР НД.

Приведенные примеры показывают, что разработанная по таким принципам САПР

-      дает комплексное решение всех задач создания аппаратов;

-      сокращает время разработки за счет параллельного выполнения работ по созданию подсистем РА, КД и ТП;

-      позволяет по мере развития переходить от автоматизированного проектирования к автоматическому;

-      полностью реализует идеологию безбумажного проектирования: вся информация находится на электронных носителях и передается автоматически файлами в подсистемы САПР, что минимизирует возможность ошибок, связанных с человеческим фактором.

Разработанное ПО делает задачу создания САПР посильной для любого проектировщика и дает ему эффективный инструмент проведения оптимизации разрабатываемого объекта.

Результаты работы созданных для ряда гидравлических машин и аппаратов САПР подтвердили правильность принятых принципов их построения.

Литература

1. Крутиков В.С. Разработка САПР гидросистем объемного гидропривода // Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика: тез. докл. Междунар. науч.-технич. конф. М.: МЭИ, 1996. С. 112.

2. Даршт Я.А. Методы и модели автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода. Автореф. дисс... д.т.н. Ковров, 2005.

3. Крутиков В.С., Лиходед К.А. Базовое программное обеспечение компьютерного моделирования гидравлических машин и аппаратов // Изв. вузов, Сев.-Кав. регион. 2010. № 3. С. 15–19 (Технич. науки).

4. Анисимов А.В., Лиходед К.А. Программный комплекс моделирования гидроприводов различного назначения HydroCAD // Изв. вузов, Сев.-Кав. регион. 2010. № 4. С. 21–27 (Технические науки).

5. Крутиков В.С. САПР центробежных насосов общепромышленного назначения. Новые технологии управления движением технических объектов. Вып. 5: сб. стат. по матер. 7-й Междунар. конф. Новочеркасск, 2004. С. 119–122.

6. Крутиков В.С. САПР гидроцилиндра с торможением в начале и конце хода // Гидропневмоавтоматика и гидропривод- 2005: сб. науч. тр. Т. 1. Ковров. 2006. С. 234–238.