Программное обеспечение
ПО САПР - это совокупность программ на машинных носителях с необходимой программной документацией, предназначенной для выполнения автоматизированного проектирования. Создание ПО САПР - трудная научно-техническая задача, для решения которой требуются большие материальные затраты. Известны САПР, ПО которых насчитывает до 500 тыс. операторов языка программирования. Разработка такого ПО требует сотен и тысяч человеко-лет, причем требования к квалификации разработчиков таких систем очень высоки. Например, в разработке САПР морских судов, оцениваемой в 600 человеко-лет, принимало участие 15 организаций. Стоимость современных САПР определяется главным образом стоимостью ПО, которое в несколько раз превышает стоимость технического обеспечения.
Программное обеспечение САПР (ПО САПР) состоит из двух разделов: прикладное программное обеспечение (ППО) и системное программное обеспечение (СПО).
Программное обеспечение состоит из следующих основных частей:
- системы стандартных текстов для контроля и обнаружения ошибок устройств, оперативной памяти, логических схем ЭВМ;
- системы генерации версии операционной системы (ОС) на конкретной конфигурации технических средств ЭВМ;
- алгоритмических языков программирования для решения на ЭВМ различных практических задач;
- программы управления вычислительными ресурсами ЭВМ, необходимой для распределения памяти, постановки и обслуживания системных очередей и т.д.;
- монитора ОС для управления процессами прохождения задач на ЭВМ;
- трансляторов для перевода программ, написанных на языках программирования, во внутренний код, годный для выполнения на ЭВМ;
- системных библиотек и библиотек стандартных программ для хранения общесистемных программ алгоритмов, которые используются трансляторами и редакторами связей;
- редакторов связей, загрузки, отладчики для запуска и контроля за прохождением задачи пользователя в ОС;
- системы специальных текстов для контроля, состояния конкретных подсистем в прикладном обеспечении;
- монитора САПР для управления работой различных систем пользователей в ОС;
- системы управления базой данных (СУБД) для поддержки баз данных САПР;
- базы данных для хранения справочной информации различных САПР;
- пакетов прикладных программ (ППП)
К прикладному программному обеспечению САПР относятся программы, разрабатываемые в соответствии с прикладным назначением тех или иных подсистем САПР и затем объединяемые в тематические пакеты прикладных программ (ППП).
ППП по структуре разделяют на простые и сложные. К простым ППП относятся отдельные наборы тематических программ, выполнение которых осуществляется только средствами языка управления заданиями операционной системы. В составе же ППП сложной структуры имеется собственная управляющая программа, называемая «диспетчером» или «монитором», а так же могут быть включены локальные библиотеки
данных или даже локальные базы данных с соответствующей системой управления базой данных (СУБД). Сложные ППП позволяют снизить затраты времени на работу прикладных программ и более гибко управлять процессом отработки пакета.
Программное обеспечение САПР делится на составные части, которые относятся к проектирующим и обслуживающим подсистемам САПР:
-Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры, примерами проектирующих подсистем служат подсистемы геометрического трехмерного моделирования (механических объектов), изготовления конструкторской документации, схемы технического анализа.
-Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения, обучающие подсистемы для освоения пользователями
технологий, реализованных САПР.
Требования, которым должно удовлетворять ПО САПР
1. Адаптивность, приспособленность к функционированию в различных условиях.
2. Гибкость
3. Компактность
4. Мобильность
5. Надежность
6. Реактивность – обеспечение быстрого решения задачи при ориентации на пользователя.
7. Модифицируемость – пополнение программами, расширение возможностей системы.
В большинстве случаев в обязанность инженеров и конструкторов не входит разработка своего собственного ПО САПР. Однако встречаются ситуации, когда знание простых средств программирования оказывается полезным, особенно в случае, если прикладные пакеты обеспечивают интерфейс с пользовательскими программами.
Лингвистическое обеспечение
Лингвистическое обеспечение САПР представлено совокупностью языков, применяемых для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения – языки общения человека с ЭВМ.
Существует огромное количество разнообразных языков программирования: ассемблероподобных, алгоритмических, объектно-ориентированных, языков искусственного интеллект и др. Для каждого из них существует несколько вариантов компиляторов. Почему же не воспользоваться ими при создании САПР? Почему приходится разрабатывать новые языки и, соответственно, трансляторы с них?
1) Универсальный язык не всегда удобен в конкретной узкой области – или громоздок, или не подходит модель, взятая за его основу, или…
2) САПР создается для конечных пользователей – конструкторов и технологов, следовательно, взаимодействие с САПР должно вестись на удобном для пользователя языке. Конструкторы и технологи не обязаны знать программирование. Элементы вновь созданного языка должны быть близки к области в которой работают конструкторы. Пользователь должен легко оперировать знакомыми и понятными ему терминами.
3) ЛО САПР – совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования (ГОСТ 22487-77).
Языки проектирования – языки, предназначенные для описания информации об объекте и процессе проектирования. Описанию на языке подлежат:
1.задание на проектирование;
2.проектные операции и процедуры;
3.проектные решения:
- промежуточные,
-конечные,
-типовые;
4.проектные документы:
а) Входные языки предназначены для задания исходной информации об объектах и целях проектирования. Эти языки представляют собой совокупность языков описания объектов, описания заданий и описания процессов. Под описанием объекта понимается описание структуры объекта (материал, структура системы), а также его свойства и характеристики. Это описание может включать описания взаимодействий между частями объектов, а также его взаимодействия с надсистемой и окружающей средой.
Описания процесса как объекта проектирования включает в себя описание результата процесса и заданных характеристик его выполнения во времени и пространстве. Для задач анализа и оптимизации с помощью языка описания объекта описываются структура и исходные параметры объекта. Для задач структурного синтеза описываются техническое задание и, возможно, исходный вариант объекта или его анализа.
Язык описания задания предназначен для идентификации заданий, описания их характеристик и указания последовательности выполнения проектных процедур;
б) Внутренние и промежуточные языки предназначены для представления информации на определенных стадиях и обработки в ЭВМ. Их появление объясняется выделением в САПР независимых подсистем: ввода, анализа, вывода информации. Достоинство этих языков в том, что в отличие от входных языков (характеризующихся большим разнообразием, узкой проблемной ориентацией и изменчивостью при адаптации САПР), они являются унифицированными и более универсальными. Их недостаток – громоздкость (из-за универсальности) и неудобство при непосредственном использовании пользователем. Для устранения последнего недостатка используется многоуровневое лингвистическое обеспечение. Преимущество такого подхода в том, что программа легко настраивается на новые подклассы объектов. Для включения в систему нового входного языка достаточно разработать только конвертер с этого языка на промежуточный. Наиболее сложная часть системы – основной языковой процессор – остается при этом без изменений;
в) Выходные языки предназначены для представления результатов выполнения проектных процедур на компьютере, в форме удобной для последующего использования;
г) Языки сопровождения и управления предназначены непосредственного общения пользователя с компьютером в процессе решения задачи. Эти языки включают средства для корректировки и редактирования входных данных (заданий на проектирование) и содержат элементы входных языков, а также язык диагностических сообщений о допущенных ошибках;
д) Автономные языки имеют собственные грамматики, соответствующий транслятор и могут применяться независимо от других языков программирования;
е) Расширяющие языки строятся на основе грамматики другого языка и являются его проблемно-ориентированными дополнениями. Базой для расширения служат чаще всего универсальные языки;
ж) Диалоговые языки обеспечивают взаимодействие проектировщика и ЭВМ на основе взаимного обмена сообщениями в реальном режиме времени. Различают активный и пассивный диалоги и, следовательно, активные и пассивные диалоговые языки.
В пассивном диалоговом режиме инициатива диалога принадлежит системе. Прерывание процесса проектирования и обращение к пользователю с помощью диалоговых программным средств. Обращение к пользователю м.б. следующих видов: запрос, информационное сообщение, подсказка.
В активном диалоговом режиме инициатива двухсторонняя, обеспечивается посредством когнитивной компьютерной графики (например, пиктограмм), или средствами обработки естественного языка;
з) Пассивные языки позволяют задавать входные данные и последовательность проектных операций и процедур в виде символического описания с последующей трансляцией этих описаний и выполнения в режиме пакетной обработки;
и) Алфавитно-цифровые языки. Информация представляется в виде строк символов или таблиц;
к) Графические языки. Информация представляется в виде чертеже, графиков, схем и т.д.;
л) Голосовые языки. Основываются на средствах анализа и синтеза речи.
Проектирование техпроцессов изготовления деталей характеризуется большим объемом исходных данных и решений. Поэтому описание исходной технологической информации должно быть рациональныи и простым. От этого зависит время подготовки данных, объем используемой памяти, сложность алгоритмов и программ проектирования, время решения задачи. Система описания должна обеспечивать так же полноту данных, необходимых для проектирования.
Технологическую информацию можно разделить на условно-постоянную (это справочно-нормативная информация, типовые решения, алгоритмы) и пременную. Условно-постоянная информация достаточно легко преобразуется к формализованному виду, перемнная информация – значительно сложнее. Сведения о детали имеют геометрическое представление, наборы чисел, символов и текстовое описание. Система описания должна всю эту разнохарактерную информацию представить едином буквенно-цифровом виде (машинном виде).
В вопросе формализации описания технологической информации (в связи со сказанным выше) можно выделить два принципиальных подхода:
1) формализация описания информации на базе классификации и кодирования;
2) использование специального формализованного языка (проблемно-ориентированного языка программирования).
При проектировании на базе типовых технологических процессо сначала необходимо найти соответствующий типовой техпроцесс. Для этого вместо чертежа детали достаточно указать к какому типу она относиться. Это можно сделать с помощью классификации деталей и задания классификационных признаков. Таким образом можно описать самую трудную часть сведений о детали (ее геометрию). Сведения о размерах и других сведениях можно описать с помощью специальных кодировочных таблиц.
При синтезе единичного технологического процесса, когда задачи технологического проектирования решают исходя из конкретной геометрии детали, ее индивидуальных особенностей, необходимо описание каждой поверхности детали, всех подробностей ее формы. Поэтому в системах проектирование единичных технологических процессов для описания исходных данных используют формализованные проблемно-ориентированные языки. Они обладают большей инвариантностью относительно вида детали и поэтому более универсальны.
Проектирование на базе типовых технологических процессов с применением средств вычислительной техники осуществляют с использованием конструкторско-технологической классификации. Процесс кодирования деталей заключается в присвоении детали цифрового кода классификационной характеристики ее конструктивных признаков по высшим классификационным группировкам ОКП, затем дополнение его буквенно-цифровыми кодами основных технологических признаков. Для однозначного выбора соответствующего типового техпроцесса одних конструктивных признаков не достаточно. Необходимы например сведения о габаритах детали, ее материале. Для этого необходимо воспользоваться соответствующими кодами.
Другой метод формализации представления технологической информации состоит в описании ее с помощью специального формального проблемно ориентированного языка. Описание детали состоит из трех частей. К первой части относится общая характеристик детали и заготовки, ко второй - геометрические и точные характеристики, к третьей – технические требования.
Рассмотрим в качестве примера формальный технологический язык ОПОС, предназначенный для описания деталей типа тел вращения. Его используют в системе автоматизированного проектирования единичных технологических процессов изготовления тел вращения в условиях мелкосерийного и единичного производства. Описание детали состоит из трех частей. К первой части относится общая характеристика детали и заготовки, ко второй – геометрические и точностные характеристики, к третьей – технические требования.
Общая характеристика включает в себя тип детали (наименование), номер чертежа, материал и массу детали, партию запуска, вид заготовки, ее степень точности и размеры. Каждый элемент записывают в отдельную строку. Геометрические и точностные параметры описывают отдельно для каждой из элементарных типовых поверхностей. Всю совокупность этих поверхностей делят на основные и вспомогательные. Основные – ступени детали, отличающиеся диаметральными размерами, формой или качеством поверхностного слоя. Вспомогательные – поверхности, которые принадлежат какой-нибудь основной поверхности и вносят изменения в ее геометрическую форму. 
Описание основной поверхности имеет следующую структуру: N УО (ХДП) NO (ХПО)
Где N –порядковый номер описываемой ступени; УО – условное обозначение поверхности; ХДП – характеристика поверхности в диаметральном направлении; NО – порядковый номер «относительной» ступени; ХПО – характеристика поверхности в осевом направлении. На этапе подготовки чертежа основные поверхности выделяются и нумеруются (Рис.1.10). Характеристика поверхности в диаметральном направлении (ХДП) представляет собой определенный для каждого типа поверхности набор реквизитов. Форму и размеры шлицевых поверхностей описывают: порядковый номер «относительной» ступени NО показывает, с какой поверхностью связана описываемая ступень размером в осевом направлении. Характеристика основной поверхности в осевом направлении ХПО определяет значение размера, связывающего поверхности N и NO, его точности параметр шероховатости правого торца описываемой поверхности. Структура записи вспомогательных поверхностей имеет вид: УО И (ХДП) (ХПО),
Где УО – условное обозначение поверхности; И – исполнение поверхности; ХДП, ХПО – характеристики поверхности в диаметральном и осевом направлениях. 
Условное обозначение любой вспомогательной поверхности описывается тремя символами. Исполнение поверхности проставляют только для центровых отверстий (исполнение 1 и2), шпоночных пазов (С – сегментные; О – открытые; З – закрытые) и накаток (С – сетчатая, П – прямая). Характеристика вспомогательных поверхностей одинакова для всех типов поверхностей, за исключением фасок. В нее входят следующие реквизиты: длина поверхности, ее точность и поле допуска. Технические требования характеризуют точность формы и взаимного расположения поверхностей, а так же требуемые виды термообработки и покрытий.
Требования к языкам проектирования:
1) Эффективность – точность передачи задания пользователя и лаконичность записи.
2) Полнота – возможность описания всех объектов проектирования, а также всех действий, имеющих отношение к цели проектирования конкретной САПР.
3) Непротиворечивость – каждое предложение, сформулированное в терминах данного языка с использованием правил (синтаксиса) данного языка должно иметь естественную семантическую интерпретацию (смысл).
4) Расширяемость – обеспечение возможности дополнения языка в соответствии с развитием предметной области.
5) Выразительность и проблемная ориентация – обеспечение простоты изучения и использования языков проектировщиками – не программистами. Языки должны быть близки к естественному.
Информационное моделирование
Информационная модель – совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.
К информационным моделям можно отнести структурно-логические модели, которые в свою очередь подразделяют на:
- табличные
- сетевые
- перестановочные
В табличной модели каждому набору условий соответствует единственный вариант проектируемого объекта, поэтому табличные модели используют для поиска стандартных, типовых или готовых проектных решений.
Сетевые и перестановочные модели применяют для получения типовых, унифицированных и индивидуальных проектных решений. В сетевых моделях структура описывается ориентированными графами не имеющими ориентированных циклов.
В перестановочных моделях отношение порядка между элементами проектируемого техпроцесса задается с помощью графа, содержащего ориентированные циклы.
