UA   ENG

ДонНТУ   Портал магистров

Авраимов Владислав Сергеевич

Факультет компьютерных наук и технологий

Кафедра компьютерной инженерии

Специальность «Системы автоматизированного проектирования»

Исследование методов построения алгоритмов проектирования в САПР трубопроводов

Научный руководитель:д.т.н., проф. Григорьев Александр Владимирович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3.Обзор исследований и разработок
• 4.Анализ существующих САПР
• 4.1 САПР ГРАЦИЯ
• 4.2 САПР CATIA
• 4.3 САПР AVEVA
• 5. Предлагаемая архитектура программного комплекса
• Выводы
• Список источников

Введение

В наши дни наблюдается быстрое развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) в таких отраслях, как авиастроение, автомобилестроение, тяжелое машиностроение, архитектура, строительство, нефтегазовая промышленность, картография, геоинформационные системы, а также в производстве товаров народного потребления, например бытовой электротехники. САПР используется для проведения конструкторских, технологических работ, в том числе работ по технологической подготовке производства.

С помощью САПР выполняется разработка чертежей, производится трехмерное моделирование изделия и процесса сборки, проектируется вспомогательная оснастка, например штампы и пресс-формы, составляется технологическая документация и управляющие программы (УП) для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), ведется архив.

Современные САПР применяются для сквозного автоматизированного проектирования, технологической подготовки, анализа и изготовления изделий в машиностроении, для электронного управления технической документацией [1].

1. Актуальность темы

Сегодня существует множество универсальных САПР, однако охватить все потребности пользователя и виды конструкторских задач попросту невозможно. Эта вызвало потребность к созданию модулей, которые будут решать ряд специфичных задач пользователя, на основе базовой САПР.

Наличие инструмента, позволяющего создавать пользовательские программные модули, интегрированные с базовым продуктом, становится неотъемлемым условием, выдвигаемым со стороны пользователей САПР[2].

Проектировщик тратит много времени даже используя средства автоматизации или внутренние команды САПР.

Эту проблему можно решить с помощью создания специальной программы, на основе существующих САПР, которая в диалоге с проектировщиком будет описывать и создавать алгоритм проектирования некоторого изделия, в нашем случае – трубопровода.

В данной работе был проведен анализ существующих CAD-систем по некоторому набору параметров. А так же рассмотрены возможные варианты подходов и методов в области создания систем автоматизированного проектирования.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данной работы является создание программы-надстройки над существующим САПР, которая возьмёт на себя функцию параметрического синтеза объекта проектирования.

Планируемые результаты работы:

• выбор предметной области для приложения данного подхода;
• архитектура программного комплекса, включая общую структуру программного комплекса, назначение, функции и режимы работы отельных компонент;
• структура базы данных надстройки;
• комплекс интерфейсов с пользователем (проектировщиком), базовым САПР;
• комплекс языковых средств для описания методик параметрического синтеза;
• состав конкретных программных модулей, реализующих те или иные компоненты;
• комплекс контрольных примеров, позволяющих оценить эффективность предлагаемой разработки.

3. Обзор исследований и разработок

Краткая характеристика:

1. предполагает наличие специализированного языка программирования, предназначенного для описания порядка синтеза графической модели (комплекса чертежей) объекта проектирования некоторого типа;
2. алгоритм описывает порядок действия проектировщика при построении (проектировании) по ТЗ блока заданного типа как 3(2)d-модели; т.е. алгоритм полностью моделирует работу проектировщика;
3. алгоритм может создаваться, сохраняться, редактироваться, вызываться на выполнение;
4. алгоритм – это модуль знаний;
5. набор внешних переменных алгоритма рассматривается как ТЗ модуля знаний; ТЗ можно создавать явно, сохранять, редактировать, использовать повторно;
6. рассматривается набор внутренних, инкапсулированных расчетных данных;
7. создается набор формул (однонаправленных) для расчета инкапсулированных переменных по исходным данным;
8. для синтеза графической модели используется набор команд типа AutoCAD для создания трех(двух)-мерной модели объекта заданного типа по заданному ТЗ по расчетным переменным;
9. язык включает набор команд IF, WHILE, FOR для управления процессом рисования;
10. язык имеет команды «добавить» и «удалить» для редактирования компонент трехмерной модели[3].

4. Анализ существующих САПР

4.1 САПР ГРАЦИЯ

САПР "Грация" предоставляет уникальные возможности для сквозного проектирования изделий, начиная от рисунка модели, разработки на его основе конструкции, конструкторской и технологической документации, выполнения экономических расчетов, вплоть до определения себестоимости изделия [4]. Ниже перечислены основные возможности системы, позволяющие осуществить сквозное проектирование на этапах разработки рисунка и конструкции модели.

1. Использование необходимых для расчета постоянных и переменных величин из баз данных - общей (например, величин размерных признаков фигур) и относящейся только к описываемому построению.
2. Обеспечение описания и выполнения в САПР ветвистых процессов с помощью оператора "Если". Например, такого: "если значение обхвата груди больше заданной величины, то построение ведется так, иначе - так".
3. Выделение любых необходимых фрагментов процесса расчета и построения в блоки или модули, которые можно использовать при проектировании различных изделий, задавая необходимые в каждом конкретном случае значения параметров.
4. Автоматический пересчет и перестроение чертежа на любой стадии выполнения процесса при изменении значений одного или нескольких параметров, а также в заданном диапазоне размеров и ростов при завершении описания и выполнения процесса разработки чертежа.

Запись процесса (алгоритма) сквозного проектирования модели с использованием рисунка-чертежа изделия на фигуре может происходить следующим образом. Пользователь записывает на экране в поле алгоритма:

• названия модулей построения необходимых абрисов фигуры с указанием величин входных параметров (расстояний от края листа и друг от друга), модулей положения рук и ног (с заданием углов отведения). Если полученная постановка фигуры чем-то не устраивает, можно откорректировать параметры.
• описание процесса получения рисунка- чертежа изделия, с выделением параметров и формы некоторых деталей, которые непосредственно будут использоваться при разработке конструкции (например, длины изделия, длины рукава, величин прибавок на разных уровнях, ширины борта, положения линий рельефа, параметров и формы воротника, лацканов и др.).
• описание процесса разработки конструкции и лекал изделия с использованием выделенных при разработке рисунка-чертежа параметров.

Для создания новой модели достаточно сохранить алгоритм под новым именем, изменить величины параметров исходной модели. При выполнении системой этого измененного алгоритма автоматически изменяются чертежи конструкции, лекала основных и производных деталей, а также табель мер.

В ходе анализа были выявлены такие недостатки как:

• фиксированный набор данных, составляющих любое ТЗ
• модель структуры объекта не достаточно явно прописана как набор блоков и – структурных связей, а рассматривается как набор геометрических примитивов;
• нет вложенных алгоритмов проектирования;
• отсутствует возможность не косвенно, а явно описать тип блока как множество альтернативных структур объекта проектировани.

4.2 САПР CATIA

Система CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) – одна из самых известных и мощных CAD/CAM/CAEсистем высокого уровня [5]. Это комплексная система автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ), включающая в себя передовой инструментарий трехмерного моделирования, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической информации. Система позволяет эффективно решать все задачи технической подготовки производства – от внешнего (концептуального) проектирования до выпуска чертежей, спецификаций, монтажных схем и управляющих программ для станков с ЧПУ и т.д. Кроме того, функциональность CATIA дополнительно включает в себя элементы, характерные для PDM-систем. Система CATIA имеет модульную структуру, в центре которой находится собственное математическое ядро – CNEXT. Такой подход позволяет пользователю помимо макросов (которые поддерживают все системы класса hi-end), писать собственные модули для системы CATIA.

Важным элементом представления информации проекта является дерево проекта. Оно содержит состав всех компонентов проекта в структурированном виде. Элементами дерева проекта являются:

• Механические сборочные единицы и детали, геометрические компоненты деталей;
• Объекты специальной предметной области (электрожгуты, кабели, трубопроводы, конструкции и т.д.);
• Чертежи, листы и виды чертежей; Технологические процессы обработки на станках с ЧПУ (последовательность процедур и используемый инструмент); Механические связи между элементами сборки (соосность, совмещение плоскостей, фиксация расстояний и др.);
• Представление знаний – параметры, формулы, правила и базы правил; Дополнительные средства описания проекта – 3D-аннотации, закладки, множества, сцены, гиперссылки, слайды, фильмы и др.

Недостатки:

1. отсутствие полноценных ограничений, позволяющих описывать структуру объекта (для универсальных систем онтологий);
2. отсутствует возможность полноценно описать тип блока как множество альтернативных структур объекта проектирования, имеющих структурные отличия во внешних структурных связях, внутренних компонентах и – их структурных связях;
3. с точки зрения САПР отсутствует явно определенное понятие ТЗ;
4. нет вложенных онтологий;
5. ориентация только на проектировщика средней квалификации в инженерии знаний, способного описать множества структур и отношения их совместности, но – не способного прописать все этапы методик проектирования как набора последовательных действий;
6. нет возможности напрямую задать порядок построения (проектирования) объекта как набор действий по созданию графической модели.

4.3 САПР AVEVA

В основу разработки всех информационных систем компании AVEVA положена концепция создания и управления всей технической информацией о промышленном объекте на протяжении всего его жизненного цикла. Для осуществления идеи комплексной, полностью интегрированной технологии ведения промышленного объекта — от разработки обоснования инвестиций, технологической части проекта, детального проекта, выпуска проектной документации, управления логистикой, контроля закупок, поставок и складирования, контроля за монтажными и пусконаладочными работами до обслуживания при эксплуатации, включая плановые ремонты, реконструкции промышленного объекта, а при необходимости его демонтажа и утилизации, — компанией AVEVA разработано семейство систем VANTAGE. Для удобства использования системы семейства VANTAGE поделены по бизнес-процессам, составляющим работу и контроль над промышленным объектом:

• VPE (VANTAGE Plant Engineering) — разработка технологической части проекта, электрики, КИПиА;
• VPD (PDMS) — разработка детального проекта, выпуска проектной документации, обслуживания при эксплуатации промышленного объекта;
• VPRM (VANTAGE Project Resource Management) — управление логистикой, контроль закупок, поставок и складирования, контроль за монтажными и пусконаладочными работами;
• VNET (VANTAGE Enterprise NET — интеграция и управление всеми проектными данными, на основе современной Web-портальной технологии.

Основой VPD (VANTAGE Plant Design), решения для проектирования промышленных предприятий, является передовая система трехмерного проектирования PDMS (Plant Design Management System) компании AVEVA[6].

Aveva PDMS

Aveva PDMS- технология для трехмерного проектирования с централизованной системой хранения данных, работающая в проектах любой сложности и масштабов.

PDMS объединяет в себе возможности для современного трехмерного проектирования.

• Полностью интерактивная интуитивно понятная среда для трехмерного проектирования, схожий с Microsoft Office интерфейс, основа – технология .NET
• Сотни проектировщиков могут одновременно работать над проектом, их работа полностью контролируется, постоянная возможность оценить общий вид проекта, а не его конкретную часть
• Проектировщики постепенно создают выскоинтеллектуальную трехмерную модель, выбирая элементы и компоненты из существующего каталога элементов
• Проверка на коллизии и настраиваемая система общей проверки проекта помогают специалисту создать изначально корректный проект и конфигурацию
• Система статусов имеет возможности настройки, что позволяет всегда корректно оценить степень готовности проекта
• Автоматический выпуск чертежей и отчетов (с возможностью настройки) непосредственно из базы данных PDMS

Aveva PDMS обладает широкими возможностями для настройки и включает в себя язык программирования PML и систему .NET API, которая позволяет наладить работу системы в соответствии с требованиями конкретного пользователя и максимавльно автоматизировать процессы.

PDMS интегрируется со всеми приложениями линейки AVEVA Plant и формирует таким образом уникальную систему с широкими возможностями для настройки для проектирования промышленных объектов в трехмерной среде [7].

AVEVA Plant

AVEVA Plant – это набор интегрированных инженерных приложений в сочетании с открытыми и гибкими решениями для управления предприятием на всем протяжении его жизненного цикла.

В составе семйства представлены следующие решения:

• AVEVA NET – это решение, которое позволяет объединить разнообразные информационные сети проекта (персонал, задания, планы, чертежи, модели, документы и материалы) с целью обеспечения единого структурированного вида всей инженерной информации.
• AVEVA VPE Workbench – это интегрированная проектная база данных, которая позволяет хранить и управлять изменяющимися данными об элементах проекта.
• AVEVA P&ID Manager - это приложение для импортирования схем P&ID из различных систем разработки в базу данных PDMS для объединения всех P&ID данных в проекте.
• AVEVA Model Management - это набор высокоэффективных приложений для управления данными модели, который максимально оптимизирует процесс проектирования.
• AVEVA P&ID 3D Integrator обеспечивает согласованность данных между P&ID и 3D-моделью системы PDMS.
• AVEVA PDMS – это среда проектирования для всех проектных дисциплин c централизованным хранением данных, предназначенных для трехмерного проектирования промышленных предприятий.
• AVEVA Final Designer – это приложение, предназначенное для редактирования чертежей, получаемых из 3D модели PDMS в среде программы AutoCAD.
• AVEVA Global позволяет пользователям из разных территориально удаленных офисов совместно работать над одним и тем же проектом в режиме «онлайн».
• AVEVA Review – это мощный инструмент трехмерной визуализации для больших и сложных моделей предприятий [8].

AVEVA Diagrams

AVEVA Diagrams предоставляет эффективные возможности не только для быстрого создания схем, но и для формирования этих схем в базе данных модели[9].

• Интегрированные средства «чертежного листа» Microsoft Office Visio обеспечивают среду с широкими функциональными возможностями.
• AVEVA Diagrams поставляется с набором подложек и библиотекой символов, которые представляют наиболее распространенные условные обозначения для схем, используемых в проектировании промышленных объектов и в судостроении. Также имеется возможность создания пользовательских символов. Используемые в схемах символы могут иметь значения параметров по умолчанию. При необходимости можно выбрать режим запроса определенных значений параметров у пользователя.
• Возможность создания схем, состоящих из нескольких чертежных листов, – при этом между отдельными листами устанавливаются ссылки. Такой же принцип может применяться для деления существующей схемы на листы.
• Схемы могут быть выполнены на подложке общей компоновки или плана.[10]

Предлагаемая архитектура программного комплекса

Предлагается выполнять надстройку над САПР Diagrams, входящий в комплекс AVEVA, предназначенных для автоматизации проектирования трубопроводов.

Данная надстройка будет включать две функции (части).

Поясним их назначение.

Часть 1. Создание и сохранение методики проектирования на заданном языке автоматизации проектирования.

Создается программа, которая в диалоге с проектировщиком способна обеспечить написание им текста программы на языке X, описывающим алгоритм проектирования некоторого типа трубопроводов .

Программа включает в себя 2 раздела:

1. ТЗ., где имеют место ряд параметров имеющих интервал значений.
2. Собственно программа автоматизации проектирования, которая включает в себя набор команд отрисовки отдельных элементов трубопровода разного типа.

Раздел 1, занимающийся созданием ТЗ должен быть способен:

• Ввести новую переменную, дать ей тип и задать интервал значений; Эта переменная может быть атрибутом какого либо элемента трубопровода (диаметр, радиус, вес и т.д.); Эта переменная может не иметь отношения к конкретному базовому блоку (быть его атрибутом) и быть любого типа (целого, реального) и должна играть роль атрибута трубопровода в целом.
• ТЗ представляет собой необходимый список переменных;
• ТЗ сохраняется.

Раздел 2, занимающийся собственно проектированием по ТЗ, должен быть способен:

• Обеспечить ввод внутренних переменных программы (локальных) и обеспечить их расчет посредством некоторой алгебраической формулы через значения переменных, входящих в ТЗ, или - других переменных(внутренних), значения которых рассчитаны выше;
• Управлять созданием (включать команды) отрисовки графического элемента некоторого типа (список типов команд соответствует списку графических элементов надстройки).
• Управлять процессом отрисовки путем введения команд IF, FOR, WHILE; Данная команда должна иметь некоторое условие и в зависимости от выполнения условия выполнять некоторую расчетную и “рисующую”;
• Удалять либо добавлять в чертеж соответствующий графический элемент, то есть команда отрисовки может предполагать как вставку в чертеж данного нового графического элемента, так и поиск и удаление данного элемента из чертежа.

Т.о., необходим некоторый язык Х, синтаксис которого предусматривает наличие команд описание внутренних переменных, команд создания графических элементов, команд управления IF, FOR, WHILE, и команд удаления либо вставки примитивов в чертеж.

Данная программа может создаваться и сохраняться как отдельная методика проектирования для изделия некоторого типа.

Часть 2. Синтез решения по ТЗ.

Предполагает возможность выполнения следующих действий:

• Просмотр проектировщиком списка алгоритмов проектирования, сохраненных ранее в системе;
• Выбор необходимого проектировщику файла и вызов его на выполнение;
• В ходе отработки данного алгоритма пользователь задает в диалоге необходимые ему значения параметров, входящих в ТЗ;
• Алгоритм проектирования должен выполниться и построить чертежи требуемого изделия.
• Данное изделие может пользователем редактироваться, моделироваться и документироваться в силу его потребности.

Вывод

В ходе выполнения данной работы было выявлено, что многие САПР не имеют ряд функций параметрического синтеза объекта проектирования. В частности к таким системам относятся САПР трубопроводов. Те же САПР, которые имеют данные функции, не могут в полной степени обеспечить проектирования трубопроводов. Это такие САПР как Catia и Грация.

Исходя из этого, становиться ясно, что требуется создание программы на базе существующего САПР, где будет реализован параметрический синтез объекта проектирования. Анализ САПР показал, что лучше базой для программы такого типа станет AVEVA трубопроводов Diagrams.

Для решения данной задачи в работе предложена общая архитектура программного комплекса.

Наличие архитектуры позволит перейти к разработке:

• структуры базы данных надстройки;
• комплекса интерфейсов с пользователем (проектировщиком), базовым САПР;
• комплекса языковых средств для описания методик параметрического синтеза;
• состава конкретных программных модулей, реализующих те или иные компоненты;
• комплекса контрольных примеров, позволяющих оценить эффективность предлагаемой разработки.

Список источников

1. Актуальность применения САПР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://sapr.ru/article/7837
2. Способы представления экспертных методик проектирования в интеллектуальных САПР. Анализ подходов и перспективы развития Григорьев А.В.,Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям
3. Булатова Е.Б., Ещенко В.И., О. В. Журавлева -Реализация сквозного модульного проектирования изделий в САПР "Грация" [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.saprgrazia.com/articles.php?id=85
4. Case – технологии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studfiles.net/preview/1654510/page:11/
5. САПР CATIA[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.3ds.com/ru/produkty-i-uslugi/catia/
6. Решения компании AVEVA для проектирования промышленных предприятий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://sapr.ru/article/15803
7. Aveva PDMS [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tadviser.ru/index.php/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82:Aveva_PDMS
8. Aveva Plant [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.aveva.com/~/media/Aveva/Russian-RU/Brochures/AVEVA%20Plant.pdf
9. Aveva Diagrmas [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.aveva.com/~/media/Aveva/Russian-RU/Brochures/Diagrams.ashx
10. Официальный сайт Aveva [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.aveva.com/ru-RU/Solutions/Product_Finder/AVEVA_Diagrams/