Завдання автоматизації процесу проектування

МЕТОДОЛОГІЯ РІШЕННЯ ПРОЕКТНИХ ЗАВДАНЬ ЗА ДОПОМОГОЮ ЗАСОБІВ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ

ТЕХНІКИ

Конструювання машин є областю інженерної діяльності,найбільш складною для автоматизації. Розробка теорії та методівавтоматизації конструювання знаходиться ще в початковій стадії.
Автоматизовані головним чином різні обчислювальні операції,пов'язані з конструюванням. Завданням автоматизації проектування єстворення комплексних автоматизованих систем підготовки виробництва вмашинобудуванні, що виконують крім розрахунку вибір найбільш раціональнихтехнологічних і конструкторських рішень, компонування машин зі складовихїх елементів, підбір цих елементів, технологічне проектування, видачупроектної документації в готовому вигляді і т. п.

1. ЗАДАЧІ АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ ПРОЕКТУВАННЯ

Для визначення завдань автоматизації проектно-конструкторського процесурозглянемо процентне співвідношення різних проектних процедур.

Статистичне обстеження ряду загальномашинобудівного іверстатобудівних підприємств показує (табл. 1), що в прямих витратахчасу, які безпосередньо служать процесу конструювання, креслярськіроботи становлять понад 30%, у той час як творчі елементи проектнихробіт-тільки 15%. Частка обчислювальних робіт в порівнянні з проектними такреслярські роботи у відсотковому відношенні досить незначна.
Решта, так звані непрямі проектні роботи, які займають приблизноодну третину загального часу на конструювання, можуть бути в основномуохарактеризовано як «рутинні» етапи, які по тимчасових витратахприблизно рівноцінні.

Розподіл окремих видів робіт у фазі проектування наведено втабл. 2.

Результати представлених обстежень чітко показують, що на
«Рутинні» процедури доводиться

1. Співвідношення між процедурами процесу конструювання

2. Розподіл видів робіт на основних етапах конструювання
| | Витрати часу на етапах розробки,% |
| Вид процедури | |
| | Загального | вузлів | деталей |
| | Виду | | |
| Проектування | 6 | 25 | 5 |
| Розрахунки | 2 | 3 | 3 |
| Викреслювання | 8 | 23 | 25 |

велика частка тимчасових витрат в процесі проектування, причому деталюванняі надалі залишається «рутинної» роботою незалежно від виду та організаціїпроектування майже на всіх підприємствах машинобудування. Тому першийнапрямком раціоналізації процесу проектування було прагненняавтоматизувати «рутинні» етапи за допомогою засобів обчислювальної техніки.
На сьогоднішній день найбільші успіхи досягнуті при автоматизації розрахунківі розробки різного виду текстової та табличної документації, у пошукуаналогів машин і деталей. До кінця не вирішене, через істотних труднощів,питання про автоматизацію креслярсько-графічних робіт.

Накопичений досвід показує, що автоматизація проектування - цеобласть ефективного використання ЕОМ. Але в той же час стає зрозумілим,що головний напрямок тут - не автоматизація окремих етапівпроектування, не алгоритми інженерних розрахунків, а зав'язка проекту, колитільки прорисовуються контури майбутньої конструкції, яка повинна відповідативихідним задумам. Такий підхід грунтується на прагненні здійснитиосновне завдання - підвищити якість прийнятих проектних рішень за рахунокзастосування методів оптимального проектування.

Автоматизація ж «рутинних» операцій звільняє конструктора длятворчої діяльності та підвищує продуктивність процесупроектування на оформлювальних етапах робіт. Проте автоматизація тількиокремих операцій, наприклад, за рахунок введення креслярських автоматів абоширокого використання ЕОМ для проведення інженерних розрахунків не вноситьістотних змін у терміни проектування.

2. СХЕМА РІШЕННЯ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИХ ЗАВДАНЬ ЗА ДОПОМОГОЮ ЗАСОБІВ
Обчислювальної техніки

Основним технологічним засобом автоматизації проектування вмашинобудуванні є цифрова ЕОМ, що оперує з інформацією,представленої в цифровій формі і фізично існуючої у вигляді різнихстанів їх елементів. Тому виникає необхідність у розробціметодів перетворення різноманітної конструкторської документації в цифровуформу та представленні всіх завдань та елементів процесу проектування тількиу вигляді операцій над числами і логічними виразами з доведенням їх доалгоритмів і машинних програм. Але при автоматизації проектно -конструкторського процесу слід постійно пам'ятати, що ЕОМ - цедопоміжний засіб, а не заміна конструктора. Найбільш ефективнообчислювальна техніка може бути використана, коли єматематичні моделі, що описують об'єкт проектування і імітують йогофункціонування в заданій навколишньому середовищу.

Для дійсного ефективного використання автоматизованихметодів і засобів проектування необхідно враховувати, що будь-який експерт, втому числі і генеральний конструктор, має цілком визначеними і, нажаль, досить обмеженими фізіологічними можливостями обробкиінформації. Отже, необхідна декомпозиція проблеми. Останняозначає, що для автоматизації потрібна система процедур, що дозволяєконструктору на основі обмеженою інформації вести спрямований пошукоптимальних параметрів нових технічних засобів.

Основна проблема автоматизації проектування в даний час пов'язанане тільки і не стільки з питаннями вдосконалення засобів обчислювальноїтехніки, скільки з тією обставиною, що в науці про конструювання новихтехнічних засобів не виявлено аналітичні та логічні залежності,пов'язують призначення технічних засобів з їх структурою іхарактеристиками. Наприклад, в технологічній науці відсутніформалізовані взаємозв'язку між параметрами оброблюваної деталі,структурою і характеристиками технологічного процесу.

Основна увага при традиційному проектуванні приділялася завданняманалізу функціонування технічних засобів з метою виявити впливрізних факторів на точність, продуктивність і економічнуефективність їх роботи. У той же час методи синтезу технічних засобівна основі їх призначення та характеристик зовнішнього середовища, в умовах якоїбуде функціонувати новий технічний засіб, досліджені щенедостатньо. Необхідне створення теорії проектування, що припускаєперехід від традиційних завдань аналізу та емпіричних класифікацій допроблематики завдань синтезу технічних систем.

Проектування виступає як комплексна проблема, в якій у складнійвзаємозв'язку переплітаються завдання синтезу, моделювання, аналізу, оцінки,оптимізації та відбору альтернатив. Для вирішення таких складних завданьнеобхідне застосування методології системного підходу. При використанніметодології системного підходу для формалізації процесу проектуванняслід виходити з того, що специфіка складних об'єктів і процесів невичерпується особливостями його складових частин та елементів, аукладена в характері зв'язків і відносин між ними. Розширення вихідноїбази за рахунок таких понять, як, наприклад, структура, функція, організація,зв'язок, відношення, забезпечує певні переваги системного підходуперед традиційними методами досліджень і дозволяє створювати більшеадекватні дійсності моделі складних об'єктів і процесів.

Виходячи з основних положень системного аналізу, послідовністьрішення багатоваріантних проектних завдань за допомогою засобів обчислювальноїтехніки можна уявити що складається з ряду етапів (рис. 1).

Визначальним етапом проектування є постановка загальної задачі, приякої формулюється службове призначення (функція) технічної системи івиробляється концепція проекту на основі аналізу системної моделімайбутнього технічного засобу як елемента підсистеми більш високогорівня ієрархії. Адекватне опис такої моделі можливе лише завсебічний розгляд проблеми, для вирішення якої створюється новетехнічний засіб. Наприклад, для вирішення проблеми комплексноїмеханізації та автоматизації механоскладального виробництва необхідностворення цілого ряду машин і механізмів, у тому числі металорізальнихверстатів, складальних агрегатів, транспортних засобів, завантажувальних пристроїв,інформаційно-вимірювальних систем, систем інструментального забезпечення таін Отже, системна модель технологічної машини, наприклад,повинна відображати взаємозв'язки об'єкта не тільки з подібними машинами поструктурі технологічного процесу, але і з завантажувальними, транспортними,вимірювальними та іншими елементами всього виробничого комплексу.

На наступному етапі необхідно виконати аналіз загального завданняпроектування. Тут на основі розгляду системної моделі майбутньоготехнічного засобу виявляються зв'язку об'єкта проектування з навколишньогосередовищем, визначаються компоненти проектної задачі, обмеження та критеріївибору раціональних варіантів. Результати даного етапу служать для пошукушляхів подальшого ходу вирішення проектних завдань. Якщо вдається використовуватинаявне технічний засіб, то конструкторський процес не виконується.
Знайдені аналоги можуть лягти в основу майбутньої конструкції. Але можестатися і так, що в

Проблема

Системна модель

1. Постановка загальної задачі проектування

Опис функції, системну модель

2. Аналіз загальної задачі проектування

Компоненти, обмеження, фактори навколишнього середовища, критерії

Чи можна використовувати
Пошук готового

немає існуючі технічні та технічногорішення рішення?
Технічне засіб

3.Функціональний аналіз об'єкту проектування

Багаторівнева структура об'єкта проектування

4. Розбиття задачі проектування на частини

Стратегія проектування, структура САПР

5. Постановка приватних завдань

Системна модель

6. Дослідження об'єкту проектування

Формалізовані зв'язку системної моделі

Чи можуть бути використані немає Науково -дослідні

існуючі залежності роботи так

7. Формалізація об'єкта проектування

Математична модель

8. Вибір методів рішення задачі

Евристичні або алгоритмічні методи рішень

Чи готові рішення? Ні Розробка нових методів вирішення

9. Формалізація задачі проектування

Алгоритми проектування

10. Розробка інформаційного забезпечення

Інформаційно-логічна модель проектування

11. Розробка програмного забезпечення

12. Розробка технічного забезпечення

13. Дослідна експлуатація

14. Чи достовірні результати?

15. Введення в дію САПР

Рис. 1

в процесі аналізу задачі проектування виявиться неможливістьвикористання існуючих технічних можливостей для вирішення проблеми.
Тоді постановка задачі повинна бути змінена, наприклад, розбита напідзадачі.

При проведенні конструкторських робіт першою операцією єфункціональний аналіз об'єкту проектування для створення внутрішньоїбагаторівневої структури об'єкта проектування. Результати цього етанунеобхідні в першу чергу для об'єктивного розбиття завданняпроектування на частини і визначення стратегії розв'язання загальної задачі.

Кожен елемент структури об'єкта проектування представляється у виглядісистемної моделі; його службове призначення описується як функція елементабагаторівневої системи. Потім проводиться дослідження об'єктапроектування, т. з. виявляються і описуються зовнішні і внутрішні зв'язкийого системної моделі. При цьому потрібне проведення цілої низки науково -дослідних робіт, під якими мається на увазі не тільки аналізлітературних джерел, а й експерименти на натурних зразках.

Дуже важливим є наступний етап - формалізація об'єктапроектування. Від повноти формального опису об'єкта залежить вибірметоду розв'язання задачі, а, отже, визначається можливістьзастосування при проектуванні засобів обчислювальної техніки. Якщо завданняне формалізована, то конструктор надалі користується одним зевристичних методів вирішення задачі. Коли завдання формалізована повністю,тобто є повна математична модель об'єкта проектування, її можнавирішувати за допомогою ЕОМ автоматично. Якщо ж завдання формалізована частково,тобто не всі зв'язки системної моделі вдалося виразити у вигляді аналітичних талогічних залежностей, то розробляється так званий метод діалоговийрішення, що включає варіант математичної моделі об'єкта і сценарійвзаємодії конструктора та ЕОМ.

Після вибору одного з алгоритмічних методів вирішення весь процеспроектування можна формалізувати та розробити алгоритмиавтоматизованого конструювання.

Перед програмуванням великих проектно-конструкторських задачнеобхідна розробка інформаційного забезпечення автоматизованогопроектування, яке повинно забезпечувати всі проектні процедури необхідноїпостійною і змінною інформацією для безупинної роботи програм
ЕОМ. Після програмування проектної задачі вибираються необхіднітехнічні засоби, на яких і вирішується завдання. Результати проектно -конструкторського процесу документуються у вигляді текстових і графічнихматеріалів.

Як видно з розгляду представленої на рис. 1 схеми, розробкапроцесу автоматизованого проектування вимагає тісної співпрацівчених і інженерів різних спеціальностей - конструкторів, математиків,фахівців з автоматизованої обробки інформації, програмістів,електронників і організаторів виробництва (рис. 2).

Технічне завдання

Рис. 2

Ідеалізована схема розробки та функціонування процесу автоматизованого проектування
Отже, для найбільш повного і ефективного використанняобчислювальної техніки в проектно-конструкторської діяльності інженерівнеобхідні глибокі знання розробників з питань теорії проектування,конструювання заданого сімейства машин, математичного моделювання,використання обчислювальних методів вирішення проектних завдань, теоріїавтоматизованої переробки інформації і застосування сучаснихобчислювальних засобів.