Задачи автоматизации процесса проектирования

МЕТОДОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Конструирование машин является областью инженерВнной деятельности, наиболее сложной для автоматизации. Разработка теории и методов автоматизации конструироВнвания находится еще в начальной стадии. Автоматизированы главным образом различные вычислительные операции, связанные с конструированием. Задачей автоматизации проектирования является создание комплексных автоматизированных систем подготовки производства в машиностроении, выполняющих кроме расчета выбор наиболее рациональных технологических и конструкторВнских решений, компоновку машин из составляющих их элементов, подбор этих элементов, технологическое проВнектирование, выдачу проектной документации в готовом виде и т. п.

1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Для определения задач автоматизации проектно-конструкторского процесса рассмотрим процентное соотношеВнние различных проектных процедур.

Статистическое обследование ряда общемашиностроиВнтельных и станкостроительных предприятий показывает (табл. 1), что в прямых затратах времени, которые непоВнсредственно служат процессу конструирования, чертежные работы составляют более 30 %, в то время как творВнческие элементы проектных работтАФтолько 15%. Доля вычислительных работ по сравнению с проектными и черВнтежными работами в процентном отношении довольно незначительна. Остальные, так называемые косвенВнные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть в основВнном охарактеризованы как ВлрутинныеВ» этапы, которые по временным затратам примерно равноценны.

Распределение отдельных видов работ в фазе проектиВнрования приведено в табл. 2.

Результаты представленных обследований отчетливо показывают, что на ВлрутинныеВ» процедуры приходится

1. Соотношение между процедурами процесса конструирования

Виды процедур	Время отдельных операций, %	Виды затрат времени
Проектирование	15
Расчеты	4
Вычерчивание	33	Прямой
Прочие работ	10
Составление спецификаций	5
Контроль чертежей	6
Поиск повторяющихся деталей	2
Составление описаний	12	Косвенный
Предварительное нормирование	3
Поиск аналогов проекта	1
Переписка	3
Прочие работы	6

2. Распределение видов работ на основных этапах конструирования

Вид процедуры	Затраты времени на этапах разработки, %
	общего вида	узлов	деталей
Проектирование	6	25	5
Расчеты	2	3	3
Вычерчивание	8	23	25

большая доля временных затрат в процессе проектироВнвания, причем деталировка и в дальнейшем остается ВлрутиннойВ» работой независимо от вида и организации проВнектирования почти на всех предприятиях машиностроеВнния. Поэтому первым направлением рационализации проВнцесса проектирования было стремление автоматизировать ВлрутинныеВ» этапы с помощью средств вычислительной техВнники. На сегодняшний день наибольшие успехи достигнуты при автоматизации расчетов и разработке различного вида текстовой и табличной документации, в поиске аналогов машин и деталей. До конца не решен, из-за существенных трудностей, вопрос об автоматизации чертежно-графических работ.

Накопленный опыт показывает, что автоматизация проВнектирования тАФ это область эффективного использования ЭВМ. Но в то же время становится ясным, что главное направление здесь тАФ не автоматизация отдельных этапов проектирования, не алгоритмы инженерных расчетов, а завязка проекта, когда только прорисовываются конВнтуры будущей конструкции, которая должна отвечать исходным замыслам. Такой подход основывается на стремВнлении осуществить основную задачу тАФ повысить качество принимаемых проектных решений за счет применения меВнтодов оптимального проектирования.

Автоматизация же ВлрутинныхВ» операций освобождает конструктора для творческой деятельности и повышает производительность процесса проектирования на офорВнмительских этапах работ. Однако автоматизация только отдельных операций, например, за счет введения чертежВнных автоматов или широкого использования ЭВМ для проведения инженерных расчетов не вносит существенных изменений в сроки проектирования.

2. СХЕМА РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Основным технологическим средством автоматизации проектирования в машиностроении является цифровая ЭВМ, оперирующая с информацией, представленной в цифВнровой форме и физически существующей в виде различВнных состояний их элементов. Поэтому возникает необхоВндимость в разработке методов превращения разнообразной конструкторской документации в цифровую форму и предВнставлении всех задач и элементов процесса проектирования только в виде операций над числами и логическими выВнражениями с доведением их до алгоритмов и машинных программ. Но при автоматизации проектно-конструкторского процесса следует постоянно помнить, что ЭВМ тАФ это вспомогательное средство, а не замена конструктоВнра. Наиболее эффективно вычислительная техника может быть использована, когда имеются математические модели, описывающие объект проектирования и имитирующие его функционирование в заданной окружающей среде.

Для действительного эффективного использования авВнтоматизированных методов и средств проектирования неВнобходимо учитывать, что любой эксперт, в том числе и генеральный конструктор, обладает вполне определенными и, к сожалению, весьма ограниченными физиологическими возможностями обработки информации. Следовательно, необходима декомпозиция проблемы. Последнее означает, что для автоматизации требуется система процедур, позволяющая конструктору на основе ограниченной инВнформации вести направленный поиск оптимальных параВнметров новых технических средств.

Основная проблема автоматизации проектирования в настоящее время связана не только и не столько с воВнпросами совершенствования средств вычислительной техВнники, сколько с тем обстоятельством, что в науке о конВнструировании новых технических средств не выявлены аналитические и логические зависимости, связывающие назначение технических средств с их структурой и харакВнтеристиками. Например, в технологической науке отсутВнствуют формализованные взаимосвязи между параметрами обрабатываемой детали, структурой и характеристиками технологического процесса.

Основное внимание при традиционном проектироваВннии уделялось задачам анализа функционирования техВннических средств с целью выявить влияние различных факВнторов на точность, производительность и экономическую эффективность их работы. В то же время методы синтеза технических средств на основе их назначения и характериВнстик внешней среды, в условиях которой будет функциониВнровать новое техническое средство, исследованы еще недостаточно. Необходимо создание теории проектироваВнния, предполагающей переход от традиционных задач анализа и эмпирических классификаций к проблематике задач синтеза технических систем.

Проектирование выступает как комплексная проблема, в которой в сложной взаимосвязи переплетаются задачи синтеза, моделирования, анализа, оценки, оптимизации и отбора альтернатив. Для решения таких сложных задач необходимо применение методологии системного подхода. При использовании методологии системного подхода для формализации процесса проектирования следует исходить из того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывается особенВнностями составляющих его частей и элементов, а заклюВнчена в характере связей и отношений между ними. РасВнширение исходной базы за счет таких понятий, как, наВнпример, структура, функция, организация, связь, отВнношение, обеспечивает определенные преимущества сиВнстемному подходу перед традиционными методами исследований и позволяет создавать более адекватные действительВнности модели сложных объектов и процессов.

Исходя из основных положений системного анализа, последовательность решения многовариантных проектных задач с помощью средств вычислительной техники можно представить состоящей из ряда этапов (рис. 1).

Определяющим этапом проектирования является поВнстановка общей задачи, при которой формулируется слуВнжебное назначение (функция) технической системы и вырабатывается концепция проекта на основе анализа системной модели будуВнщего технического средВнства как элемента подсисВнтемы более высокого уроВнвня иерархии. Адекватное описание такой модели возможно только при всеВнстороннем рассмотрении проблемы, для решения которой создается новое техническое средство. НаВнпример, для решения проВнблемы комплексной мехаВннизации и автоматизации механосборочного произВнводства необходимо создаВнние целого ряда машин и механизмов, в том числе металлорежущих станков, сборочных агрегатов, транВнспортных средств, загруВнзочных устройств, информационно-измерительных систем, систем инструменВнтального обеспечения и др. Следовательно, системная модель технологической машины, например, должна отражать взаимосвязи объекта не только с подобными машинами по структуре технологического процесса, но и с загрузочными, транспортными, измерительными и другими элементами всего производственного комплекса.

На следующем этапе необходимо выполнить анализ общей задачи проектирования. Здесь на основе рассмоВнтрения системной модели будущего технического средства выявляются связи объекта проектирования с окружаюВнщей средой, определяются компоненты проектной заВндачи, ограничения и критерии выбора рациональных ваВнриантов. Результаты данного этапа служат для поиска пуВнтей дальнейшего хода решения проектных задач. Если удаВнется использовать имеющееся техническое средство, то конструкторский процесс не выполняется. Найденные аналоги могут лечь в основу будущей конструкции. Но может случиться и так, что в

Проблема

Системная модель

1. Постановка общей задачи проектирования

Описание функции, системная модель

2. Анализ общей задачи проектирования

Компоненты, ограничения, факторы

окружающей среды, критерии

Можно ли использовать Поиск готового

нет существующие технические да технического решения

решения? Техническое средство

3.Функциональный анализ объекта проектирования

Многоуровневая структура объекта проектирования

4. Разбиение задачи проектирования на части

Стратегия проектирования,

структура САПР

5. Постановка частных задач

Системная модель

6. Исследование объекта проектирования

Формализованные связи системной модели

Могут ли быть использованы нет Научно-исследовательские

существующие зависимости работы

да

7. Формализация объекта проектирования

Математическая модель

8. Выбор методов решения задачи

Эвристические или алгоритмические методы решений

Есть ли готовые решения? Нет Разработка новых методов решения

9. Формализация задачи проектирования

Алгоритмы проектирования

10. Разработка информационного обеспечения

Информационно-логическая модель проектирования

11. Разработка программного обеспечения

12. Разработка технического обеспечения

13. Опытная эксплуатация

14. Достоверны ли результаты?

15. Ввод в действие САПР

Рис. 1

в процессе анализа задачи проектирования выявится невозможность использования существующих технических возможностей для решения проблемы. Тогда постановка задачи должна быть измеВннена, например, разбита на подзадачи.

При проведении конструкторских работ первой операВнцией является функциональный анализ объекта проектиВнрования для создания внутренней многоуровневой струкВнтуры объекта проектирования. Результаты этого этана неВнобходимы в первую очередь для объективного разбиения задачи проектирования на части и определения стратегии решения общей задачи.

Каждый элемент структуры объекта проектирования представляется в виде системной модели; его служебное назначение описывается как функция элемента многоуровВнневой системы. Затем проводится исследование объекта проектирования, т. с. выявляются и описываются внешние и внутренние связи его системной модели. При этом требуется проведение целого ряда научно-исследовательВнских работ, под которыми подразумевается не только анаВнлиз литературных источников, но и эксперименты на наВнтурных образцах.

Весьма важным является следующий этап тАФ формалиВнзация объекта проектирования. От полноты формального описания объекта зависит выбор метода решения задачи, а, следовательно, определяется возможность применения при проектировании средств вычислительной техники. Если задача не формализована, то конструктор в дальнейВншем пользуется одним из эвристических методов решения задачи. Когда задача формализована полностью, т. е. имеется полная математическая модель объекта проектироВнвания, ее можно решать с помощью ЭВМ автоматически. Если же задача формализована частично, т. е. не все связи системной модели удалось выразить в виде аналитических и логических зависимостей, то разрабатывается так назыВнваемый диалоговый метод решения, включающий вариант математической модели объекта и сценарий взаимодейстВнвия конструктора и ЭВМ.

После выбора одного из алгоритмических методов решеВнния весь процесс проектирования можно формализовать и разработать алгоритмы автоматизированного конструиВнрования.

Перед программированием больших проектно-конструкторских задач необходима разработка информационВнного обеспечения автоматизированного проектирования, которое должно снабжать все проектные процедуры треВнбуемой постоянной и переменной информацией для безостановочной работы программ ЭВМ. После программиВнрования проектной задачи выбираются необходимые технические средства, на которых и решается задача. РеВнзультаты проектно-конструкторского процесса докуменВнтируются в виде текстовых и графических материалов.

Как видно из рассмотрения представленной на рис. 1 схемы, разработка процесса автоматизированного проекВнтирования требует тесного сотрудничества ученых и инВнженеров разных специальностей тАФ конструкторов, маВнтематиков, специалистов по автоматизированной обраВнботке информации, программистов, электронщиков и орВнганизаторов производства (рис. 2).

Техническое задание

Рис. 2

Идеализированная схема разработки и функционирования процесса автоматизированного проектирования

Следовательно, для наиболее полного и эффективного использования вычислительной техники в проектно-конструкторской деятельности инженеров необходимы глубоВнкие знания разработчиков по вопросам теории проектиВнрования, конструирования заданного семейства машин, математического моделирования, использования вычислиВнтельных методов решения проектных задач, теории авВнтоматизированной переработки информации и применения современных вычислительных средств.

Вместе с этим смотрят:

80386 процессор

Access

Arvutite ja interneti kasutamine eesti elanike hulgas

Intel

Internet