Файл: Глава 12 Системы автоматизированного проектирования электрических машин.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.04.2019
Просмотров: 463
Скачиваний: 3
Глава двенадцатая.
Системы автоматизированного проектирования
электрических машин
Уже в недалеком будущем системы автоматизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ) будут занимать основное место в конструкторских и технологических бюро электротехнических заводов и НИИ.
Каждый день на заводах и НИИ электротехнической промышленности ведется работа по созданию новых и модернизации выпускаемых электрических машин. От интенсивности работ по созданию новой и модернизации старой продукции зависит экономическое положение заводов и НИИ. Однако большинство инженеров-электромехаников ежедневно значительную часть времени тратят на стандартные расчеты и корректировку чертежей. Системы автоматизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ) призваны освободить инженеров от рутинной работы, обеспечив большую творческую отдачу инженерных кадров.
В первые годы существования САПР ЭМ считали, что они, в основном, будут применяться при проектировании новых электрических машин. Однако практика показала, что САПР ЭМ лишь частично могут заменить творческие коллективы ученых и инженеров, разрабатывающих новые машины, при этом САПР ЭМ работают в интерактивном режиме. Создание банков данных, машинную графику, пересчет на основе базовой машины других машин серии САПР ЭМ могут взять на себя, и на этом пути получен значительный экономический эффект. Растущие объемы выпуска различных модификаций основного исполнения, наличие мелких серий электрических машин, бесконечные пересчеты и необходимость строжайшей экономии материальных ресурсов оправдывают расходы на САПР ЭМ, хотя каждая ЭВМ требует материальных затрат и увеличивает стоимость выпускаемой продукции. САПР ЭМ необходимы в современном электромашиностроении, но они не заменяют творческие коллективы ученых, инженеров-расчетчиков, конструкторов и технологов. САПР ЭМ дополняют научный потенциал НИИ, заводов отрасли, обеспечивая сокращение сроков создания новых электрических машин, поднимая их технический уровень [1, 10].
САПР ЭМ развиваются как открытые системы, т. е. они обладают свойством удобства включения новых расчетных методов и технических средств. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования — основной принцип построения и эксплуатации САПР ЭМ. Монополии человека в творческом начале и принятии основных решений ЭВМ не угрожают, а только расширяют возможности проектировщика.
Применение ЭВМ для проведения расчетов по существующим формулам проектирования началось в конце 50-х годов. Автоматизация расчетов позволила повысить точность и сократить время расчетов. К середине 70-х годов отдельные расчеты стали объединиться в комплексные системы, обеспечивающие выполнение работ от приема заказа до технического проекта и изготовления опытной партии электрических машин [4]
На современном этапе формирования САПР ЭМ происходит перестройка процесса проектирования, когда многочисленные и разнообразные по содержанию этапы проектирования объединяются в единую систему, в основе которой лежит использование универсальных цифровых ЭВМ. САПР ЭМ влияют на необходимость создания новых математических моделей проектирования, удобных для ЭВМ.
Укрупненная структурная схема САПР ЭМ показана на рис. 12.1.
Современная САПР ЭМ — это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с коллективом разработчиков электрических машин (пользователем системы). САПР ЭМ изменяют не только процесс проектирования, но и облик конструкторского и технологического отделов. Изменились рабочие места конструктора, помещения для хранения чертежно-конструкторской документации, растет престижность инженера-конструктора. Непосредственная связь ЭВМ со станками и отдельными производственными участками — будущее электромашиностроительных заводов.
Комплекс средств САПР ЭМ, как и комплекс других САПР, состоит из совокупности следующих подсистем и компонентов: методов автоматизированного проектирования
Рис. 12.1. Укрупненная структурная схема САПР
электрических машин (математическое обеспечение); технических средств для приема, обработки, хранения и передачи информации (техническое обеспечение); программ, реализующих как проектные процедуры, так и операции по управлению процессом проектирования и техническими средствами (программное обеспечение); информационной базы системы (информационное обеспечение); языков для представления объекта проектирования, для общения пользователя с системой и для программирования (лингвистическое обеспечение); документации, отражающей состав и функционирование средств автоматизированного проектирования (методическое обеспечение); организационной схемы процесса проектирования (организационное обеспечение).
Математическое обеспечение включает совокупность математических моделей и алгоритмов проектирования, представленных в заданной форме.
Техническим обеспечением является совокупность взаимосвязанных технических средств, Это ЭВМ, аппаратура сопряжения с линиями связи, средства отображения и документирования информации, аппаратура взаимодействия проектировщика с ЭВМ и САПР в целом устройства связи с производственными объектами и др.
Программное обеспечение подразделяется на системное, проблемное и сервисное.
Системное программное обеспечение предназначено для организации работы комплекса средств САПР (включая операционную систему). Проблемное программное обеспечение ориентировано на выполнение определенных проектных процедур (такие программы оформляются обычно в виде пакетов прикладных программ). Сервисное обеспечение осуществляет общение пользователя с системой, редактирование и преобразование формы представления информации.
Информационное обеспечение — совокупность в определенной форме данных. К ним относятся массивы справочно-нормативной и технологической информации, словари, отображающие понятийный состав языков, описания заданий и языков управления системы, массивы информации об объекте проектирования. При этом должна применяться единая система классификации и кодирования технико-экономической информации, унифицированная система документации и массивов данных об объекте проектирования.
Под лингвистическим обеспечением понимается совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка предметной области проектирования и методы сжатия и развертывания текстов. В настоящее время сложились три группы языков: языки программирования, языки описания объекта проектирования и языки управления проектированием.
К методическому обеспечению относят документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования.
В организационное обеспечение входят документы, устанавливающие перечень участвующих в проектировании подразделений, их функции и связи между ними, а также устанавливающие форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.
Разработка САПР ЭМ в полном объеме занимает продолжительное время, поэтому целесообразно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Постоянный прогресс электромашиностроения, вычислительной техники и вычислительной математики приводят к появлению новых, более совершенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги.
Эффективность работы САПР ЭМ существенно зависит от структуры и организации комплекса технических средств. Для обеспечения эффективности автоматизированного проектирования предусматривается возможность использования проектировщиком различных режимов работы. Такими режимами являются пакетная обработка, режим разделения времени, режим реального масштаба времени компьютерной сети.
При пакетной обработке решение задач ведется по жестким алгоритмам автоматически, без вмешательства проектировщика. При этом оператор ЭВМ формирует пакеты задач, обеспечивающие достаточно полное использование ресурсов ЭВМ.
В режиме разделения времени с ЭВМ одновременно взаимодействуют несколько пользователей (каждый со своего терминала), занятых отладкой программ, вводом данных, формированием или корректировкой модели объекта проектирования и т. д. При этом ЭВМ по очереди представляет каждому пользователю необходимые ресурсы, так что создается иллюзия монопольного владения машиной.
В режиме реального масштаба времени ЭВМ управляет технологическим оборудованием, специальными устройствами ввода и документированием графической информации, обеспечивает оперативный диалог проектировщика с ЭВМ, что важно при решении не полностью формализованных проектных задач.
Важной особенностью компьютерной сети является наличие различных программных и аппаратных средств диагностики и восстановления. Последние позволяют продолжать или восстанавливать вычислительный процесс при сбое.
Большинство задач проектирования электрических машин сочетает в себе необходимость выполнения как вычислений, так и процедур графического характера. 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 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 машинные, 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 направлений, 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 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 1 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 C++, FORTRAN, в среде Power Station, программные продукты: Math CAD, Matlab, Autocad, существенно облегчающие реализацию конкретных алгоритмов проектирования.
Средства автоматизации проектирования непрерывно совершенствуются, обеспечивая применение САПР ЭМ и отдельных ее подсистем на всех электромашиностроительных заводах.
Наибольшие достижения в создании САПР ЭМ достигнуты при создании САПР асинхронных двигателей (САПР АД). Система позволяет определить оптимальные размеры активной части машины, удовлетворяющие техническим и технологическим требованиям, выдавать отдельные чертежи конструкции (общий вид, узлы и детали) на графопостроитель, корректировать конструкторско-технологическую документацию в процессе разработки и серийного производства с минимальным использованием ручных работ. С помощью подсистемы оптимизационного расчетного проектирования, исходя из технического задания и критериев оценки технико-экономических показателей разрабатываемых двигателей, осуществляется определение оптимальных электромагнитных характеристик и геометрических размеров активной части машины. Подсистема расчетного проектирования используется также при разработке многочисленных модификаций двигателей.
При расчете двигателя используют 100 исходных данных. Часть из них предопределена требованиями эксплуатации, материалами, используемыми в производстве, опытом проектирования предшествующих серий. Другая часть устанавливается на основании предварительных исследований. К ним относятся выбор класса нагревостойкости изоляции, степени унификации различных исполнений и др.
Задача оптимального расчетного проектирования является многокритериальной. В качестве основного критерия принимают критерий минимума суммарных затрат, учитывающий стоимость изготовления двигателя и расходы на его эксплуатацию. Кроме поиска оптимальных параметров машины по основному критерию осуществляется также дополнительный поиск по минимуму размеров сердечника статора. Возможно использование и других критериев: максимума полезной мощности, минимальной стоимости машины, минимума массы и др.