Бунаков П.Ю., Рудин Ю.И., Стариков А.В. Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Современное инженерное проектирование характеризуется следующи-

ми особенностями:

• большой объем обрабатываемой информации, относящейся к раз-

личным научным направлениям;

• постоянно возрастающая сложность проектируемых объектов, что

приводит к необходимости формирования сложных математических

моделей и применения алгоритмов инженерных расчетов, требую-

щих больших вычислительных ресурсов;

• широкое использование компьютерного моделирования в силу вы-

сокой стоимости исправления субъективных ошибок, обнаруживае-

мых на завершающих этапах проектирования или в производстве;

• использование новейших результатов научных исследований и раз-

работок и учет перспектив развития данной технической области.

Проектирование технического объекта представляет собой процесс

создания и представления в требуемой форме объекта, существующего толь-

ко в виде образа в сознании проектировщика. Он реализуется посредством

последовательного принятия рациональных решений на всех стадиях созда-

ния объекта: от предпроектного исследования до изготовления. Укрупненная

общая схема процесса проектирования показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Общая схема процесса проектирования

Процесс проектирования может быть разбит на ряд этапов, на каждом

из которых решается определенный круг задач:

1. Научно-исследовательские работы (НИР):

• предпроектные исследования – сбор, анализ и обобщение инфор-

мации о состоянии в данной области науки и техники, об изделиях

и процессах, аналогичных проектируемым объектам, о состоянии

рынка и т.п.;

• разработка технического задания – документа, содержащего пере-

чень основных требований, предъявляемых к проектируемому

объекту или процессу, таких как показатели производительности и

экономической эффективности, надежности и безопасности, мощ-

ности, экологичности и т.д.;

• разработка технического предложения с целью поиска вариантов

реализации объекта, отвечающих условиям и требованиям техни-

ческого задания, а также обоснования технической и экономиче-

ской целесообразности.

2. Опытно-конструкторские работы (ОКР):

• разработка эскизного проекта, дающего общее представление об

устройстве и принципах работы объекта и его составных частей,

их основных параметрах, принципиальных инженерно-

технических и конструкторских решениях;

• разработка технического проекта с целью выполнения оконча-

тельных технических и конструкторских решений, дающих полное

представление об устройстве разрабатываемого изделия, расчета

отдельных его элементов, а также подготовки исходных данных

для разработки рабочей документации.

3. Рабочее проектирование:

• разработка рабочей документации для реализации проектируемо-

го объекта;

• изготовление опытного образца и его испытания;

• доработка конструкции объекта по результатам испытания, кор-

ректировка рабочих чертежей и технологии изготовления объекта.

Таким образом, разработка любого объекта (системы) предполагает

решение задач анализа и синтеза в процессе инженерно-технической и орга-

низационной деятельности. По этой причине проектирование разделяют на

два уровня:

• «внешнее» проектирование – разработка общей концепции и прин-

ципов функционирования будущего изделия, исследование его

свойств и поведения на математических моделях;

• «внутреннее» проектирование – формирование рабочих докумен-

тов (чертежи, спецификации, ведомости и т.д.), необходимых для

изготовления изделия на производстве.

Системный подход в проектировании можно применять на любом

уровне к каждому отдельно взятому этапу, к любой их комбинации и всему

процессу в целом. С этой точки зрения инженерное проектирование можно

разделить на ряд последовательных шагов, по ходу выполнения которых

представление о проектируемой системе изменяется в сторону последова-

тельной конкретизации ее модели. Можно выделить шесть таких обобщен-

ных шагов (операций):

1. Анализ проблемной ситуации.

2. Синтез возможных решений.

3. Оценка и выбор перспективного варианта из множества альтерна-

тив.

4. Моделирование.

5. Корректировка решений по результатам моделирования.

6. Реализация решения.

В зависимости от конкретного этапа проектирования содержание дан-

ных обобщенных операций будет изменяться.

На этапе НИР анализ проблемной ситуации (первый шаг) начинается с

анализа потребностей рынка, результатом которого должно стать определе-

ние множества пригодных решений поставленной инженерной проблемы.

Другими словами, определяются варианты исполнения технической системы,

которые будут востребованы в определенной социально-экономической сфе-

ре.

Синтез возможных решений (второй шаг) начинается с четкого опре-

деления, формулировки и исследования проектной проблемы на основе ин-

формации, полученной на предыдущем шаге, а также информации об окру-

жающей среде и общих инженерных принципах системы. Проектируемая

система при этом рассматривается как «черный ящик», у которого есть вход,

выход и законы функционирования, но содержание которого пока неизвест-

но. Исходя из такого допущения, определяются параметры системы, возмож-

ные ограничения функционирования и основные проектные критерии. Есте-

ственно, что в таких условиях можно «сгенерировать» множество вариантов

решения проектной проблемы.

На третьем шаге из этого множества возможных альтернативных ре-

шений должны выбираются потенциально пригодные решения. Пока еще они

является абстракцией, которая учитывает только основные факторы, но со-

всем не учитывает способы реализации, экономическую эффективность и

многое другое. А ведь именно эти, «второстепенные» факторы имеют ре-

шающее значение при выяснении возможности или невозможности реализа-

ции данного решения. Оценка их влияния производится на двух последую-

щих шагах.

На четвертом шаге определяется возможность физической реализации

каждого варианта, а на пятом – из этих решений выбираются экономически

рентабельные решения, а также оценивается финансовая возможность их реа-

лизации.

Реализация решения (шестой шаг) представляет собой множество при-

годных решений, информация о которых оформляется в виде технического

предложения.

На этапе ОКР (предварительное проектирование) фактически выбира-

ется наилучший проектный вариант, для которого и будет детальное проек-

тирование. На первом шаге во множестве пригодных решений определяется

наиболее перспективный вариант, который и принимается за предваритель-

ное решение проектной проблемы. Этот вариант не обязательно будет окон-

чательным, поскольку при реализации последующих шагов в нем могут об-

наружиться существенные недостатки. Тогда, отбросив его, в оставшемся

множестве снова определяем наиболее перспективный вариант и повторяем

шаги.

Второй шаг предполагает разработку математических моделей проек-

тируемой системы, которые будут являться не только основой выполнения

всех последующих шагов данного этапа, но и использоваться при рабочем

проектировании. Отметим, что использование единой математической моде-

ли изделия или процесса на всех этапах жизненного цикла называется CALS-

технологией проектирования [10].

Выполнение третьего, четвертого и пятого шагов производится парал-

лельно, поскольку все они связаны с моделированием отдельных проектных

параметров и состояний системы с целью всестороннего анализа выбранного

решения. Перед переходом к этапу реализации (разработка эскизного или ра-

бочего проекта) необходима четкая уверенность в соответствии выбранного

решения поставленной проблеме и возможности его технической, экономи-

ческой и финансовой реализации. Для этого выполняются следующие виды

анализа и моделирования системы:

• анализ чувствительности: определение диапазона критических

параметров чувствительности (минимальных входных воздействий,

которые вызывают изменениям выходных параметров);

• анализ совместимости: поскольку любая система состоит из под-

систем и является частью надсистемы, то параметры, полученные в

результате анализа чувствительности отдельных элементов, должны

быть отредактированы с точки зрения их взаимной согласованности

по всей структуре системы;

• анализ стабильности, или исследование поведения системы в кри-

тических ситуациях: система функционирует в динамическом ре-

жиме и необходима уверенность, что изменение параметров окру-

жающей среды (естественно, в допустимых пределах) не станет

причиной необратимых последствий;

• оптимизация проектного решения: окончательный выбор наи-

лучшего решения среди нескольких альтернативных вариантов, по-

казавших приемлемые результаты проведенных анализов;

• моделирование развития ситуации (иногда его называют «проек-

цией в будущее»): учет и анализ влияния на выбранное решение с

точки зрения его развития и модернизации тенденций технического

развития данной области знаний и смежных областей, а также бу-

дущих социально-экономических условий (конкуренция, изменение

предпочтений потребителей и т.д.);

• анализ сложности: определение возможностей устранения излиш-

ней сложности проектного решения.

Задача рабочего (детального) проектирования – довести отработан-

ную идею до физической реализации, т.е. разработать окончательную конст-

рукцию системы и зафиксировать это комплектом конструкторско-

технологической документации. К началу данного этапа разработана общая

идея системы, определены ее структура и основные параметры, сформирова-

ны математические модели, т.е. при наличии финансов, специалистов и вре-

мени проект можно довести до производства. Исходя из этого, анализ про-

блемной ситуации заключается в планировании проектных работ и обосно-

вании их бюджета.

Остальные шаги в целом соответствуют этапу предварительного про-

ектирования, только меняются приоритеты видов анализа и понижается уро-

вень абстрагирования (иногда это называют «проектированием в исполни-

тельных координатах»). Например, на данном этапе анализ совместимости

накладывает на проектные решения значительно более жесткие ограничения

и играет более важную роль, чем анализ стабильности.

Понижение уровня абстрагирования означает, что на этапе рабочего

проектирования специалист имеет дело с конкретными элементами (фурни-

турой, облицовочными материалами и т.д.), которые имею строго определен-

ные характеристики. Результаты проектирования отдельных компонентов и

системы в целом фиксируются в рабочих и сборочных чертежах, специфика-

циях, маршрутных и операционных картах, операционных эскизах, ведомо-

стях и других документах. Часть этих документов формируется традицион-

ным путем (на бумаге), другая часть – в электронном виде (например, про-

граммы для станков с ЧПУ).

Как и любой процесс проектирования, рабочее проектирование носит

итерационный характер. Например, при подготовке сборочных чертежей мо-

жет потребоваться коррекция рабочих чертежей отдельных элементов. Отме-

тим, что при использовании современных САПР мебельных изделий многие

шаги рабочего проектирования выполняются с высокой степенью автомати-

зации: автоматически формируются комплект чертежей и спецификаций,

карты раскроя материалов, смета затрат на изготовления и т.д.

Выше были рассмотрены этапы проектирования изделий и процессов,

однако применение системного подхода не ограничивается только ими. Есть

еще планирование производства, управление ресурсами, реализация продук-

ции, гарантийное и послегарантийное сопровождение и множество других

задач. С точки зрения системного подхода их также можно представить в ви-

де процесса, состоящего из той же последовательности шагов. Это говорит

об универсальности системного проектирования, в котором инженерная дея-

тельность представляет собой лишь один из его аспектов, связанный с проек-

тированием технических объектов. И в дальнейшем сфера применения сис-

темного подхода будет неуклонно расширяться.

Вопросы для контроля

1. В чем отличие инженерно-технического и системного подхода к проекти-

рованию?

2. Объясните основные понятия системного подхода: система, границы сис-

темы, компонент, параметр, состояние, синтез и анализ системы.

3. В чем состоит системный подход к проектированию и каковы его основ-

ные принципы?

4. Назовите основные особенности современного инженерного проектирова-

ния.

5. Расскажите о применении системного подхода на этапе научно-

исследовательских работ.

6. Расскажите о применении системного подхода на этапе опытно-

конструкторских работ.

7. Расскажите о применении системного подхода на этапе рабочего проекти-

рования.

Глава 3

Классификация САПР

Основная цель автоматизации любого предприятия заключается в за-

мене ручного способа выполнения трудоемких и рутинных операций, встре-

чающихся при проектировании изделий и технологических процессов, авто-

матизированным способом. Поскольку проектирование является итерацион-

ным, многоэтапным процессом, существует большое количество разнообраз-

ных систем автоматизированного проектирования для выполнения каждого

из этапов.

Классификация САПР необходима для анализа различных систем,

сравнения между собой их функциональных возможностей и выбора на ос-

нове такого анализа той системы, которая наилучшим образом подходит для

конкретного предприятия. Существует несколько вариантов классификации

САПР в зависимости от используемых критериев.

3.1. Принципы классификации и примеры различных видов

САПР

По уровню автоматизации (формализации) выполняемых задач выде-

ляют следующие виды систем [6]:

• автоматические системы, реализующие полностью формализуе-

мые методы решения проектных задач;

• автоматизированные системы, работающие в человеко-машинном

режиме и предназначенные для автоматизации проектных работ, не

допускающих полной формализации поставленных задач;

• поисковые системы, позволяющие организовать поиск решения

творческих проектных задач, не имеющих в настоящее время аппа-

рата формального описания.

Обычное неавтоматизированное проектирование предполагает, что че-

ловек без использования каких-либо средств автоматизации выполняет все

проектные операции на каждом этапе. Причем для каждой конкретной задачи

процесс проектирования выполняется заново.

В автоматических САПР процесс проектирования выглядит совсем

иначе: задача человека заключается в формировании исходных данных, на

основании которых будет сгенерирован требуемый объект или процесс. По-

сле этого ему остается только оценить полученное решение и в случае полу-

чения неудовлетворительного результата внести необходимые коррективы в

исходные данные. При использовании подобных систем никогда нельзя зара-

нее знать, сколько и каких проектных операций и применительно к каким

объектам будет реализовано в окончательном решении.

Автоматические системы структурно состоят из трех подсистем: пре-

процессора для формирования входной информации, процессора, решающего

поставленную задачу, и постпроцессора для формирования выходной ин-

формации. Они работают в многовариантном режиме, т.е. допускают по-

вторное проектирование в случае, если полученный результат не устраивает

проектировщика. Программное обеспечение таких систем очень объемное,

интерфейс сложен и понятен только специалистам, но это окупается высокой

скоростью генерации проектных решений и их безошибочностью.

В настоящее время автоматические системы разработаны только для

решения отдельных узкоспециальных проектных задач. Гораздо чаще подоб-

ные системы встречаются в виде отдельных элементов систем автоматизиро-

ванного проектирования, которые получили наибольшее распространение.

Автоматизированные системы, в отличие от автоматических, исполь-

зуются при решении проектных задач, не имеющих полного формального

описания. Они изначально предполагают участие человека в процессе проек-

тирования в качестве лица, принимающего решения. Человек осуществляет

непосредственный контроль в интерактивном режиме и берет на себя приня-

тие решений в тех случаях, когда проектная операция не поддается форма-

лизации или оценка проектного решения не имеет количественного выраже-

ния. Это позволяет активно использовать профессиональные знания и опыт

проектировщика.

Системы, помогающие человеку находить решения творческих, не-

формализуемых задач (разработка концепции изделия, дизайн мебельного

ансамбля и т.д.), относятся к группе поисковых (эвристических) САПР. Ме-

тоды инженерного творчества подразделяются на две группы: эвристические

методы, основанные на использовании разработанных методик и правил по-

иска новых технических решений, и компьютерные методы (поисковое кон-

струирование), которые начали разрабатываться и применяться в 60-х годах

прошлого века. Различие между ними заключается в том, что в первом случае

задача решается методом «проб и ошибок», возможно и с использованием

компьютера. Системы же поискового конструирования, использующие эле-

менты искусственного интеллекта, автоматизируют процесс поиска решений.

Количество задач, которые могут быть решены с помощью подобных систем,

со временем будет расти.

По функциональному назначению можно выделить следующие виды

САПР:

• расчетно-оптимизационные системы;

• графоаналитические системы;

• обработки результатов экспериментальных исследований;

• системы компьютерного моделирования;

• информационные и информационно-поисковые;

• комплексные системы;

Популярность расчетно-оптимизационных САПР объясняется тем,

что исторически самые первые применения ЭВМ в проектировании были

связаны с различными расчетами, на основании результатов которых выпол-

нялся поиск оптимальных характеристик и параметров изделий и процессов.

В основе таких САПР лежат пакеты прикладных программ, работающие, как

правило, в диалоговом режиме. В состав их часто входит графический интер-

претатор, предназначенный для визуализации конечных или промежуточных

проектных данных на устройствах графического вывода.

Наиболее широкое распространение получили графоаналитические

САПР. При работе в их среде проектировщик на экране графического дис-

плея в интерактивном режиме формирует математическую модель изделия

(процесса) или расчетную схему объекта. Затем он обрабатывает введенную

в компьютер информацию с помощью различных расчетных модулей или

оценивает ее визуально. Для удобства работы проектировщика предусмотре-

ны различные способы наглядного представления результатов: эпюры, гра-

фики, трехмерные изображения и т.д. Далее, в зависимости от поставленной

задачи и полученных результатов, проектировщик вносит изменения в мо-

дель или исходные данные и повторяет указанный процесс. Таким образом,

он последовательно приближается к оптимальному проектному решению. К

классу графоаналитических САПР относятся, к примеру, широко распро-

страненные мебельные системы: БАЗИС, bCAD Мебель, К3-Мебель и другие

[11]. В отличие от расчетно-оптимизационных систем в графо-аналитических

системах задача поиска оптимального решения стоит перед проектировщи-

ком, а не перед компьютером.

Автоматизированные системы обработки результатов эксперимен-

тальных исследований относятся к активно развивающемуся направлению

САПР. Это объясняется тем, что экспериментальные исследования новой яв-

ляются неотъемлемым этапом проектирования, а с развитием вычислитель-

ной техники появились возможности создания специализированных про-

граммно-экспериментальных комплексов для автоматизации эксперимен-

тальных исследований. В связи с этим на крупных предприятиях организо-

вываются замкнутые системы получения, обработки и передачи эксперимен-

тальной информации на вход других подсистем САПР. При этом образуется

эффективная система проектирования изделия, что в свою очередь позволяет

производить оценку тех аналитических или численных методов, которые бы-

ли заложены в основе других подсистем, и дает толчок к совершенствованию

последних.

Автоматизированные системы компьютерного моделирования в на-

стоящее время является одним из самых мощных инструментов проектиро-

вания. Они дают возможность инженеру экспериментировать с объектами в

тех случаях, когда проектируемого объекта физически еще не существует. В

системах компьютерного моделирования реальный объект заменяется его

математической моделью – уравнениями, системами уравнений, таблицами и

другими математическими понятиями, которые в совокупности с достаточ-

ной степенью точности описывают свойства и поведение объекта.

Модели человек применяет издавна, поскольку они более доступны для

изучения, чем реальные объекты. В любой области человеческой деятельно-

сти: в науке, образовании, производстве, быту обязательно есть элементы

моделирования. Например, если взять студента перед экзаменом, на экзамене

и после него, то мы получим три совершенно разные модели поведения. Ма-

тематическое (информационное) моделирование – это сложный и наукоем-

кий процесс исследования объектов проектирования. Математические моде-

ли, используемые при этом, настолько сложны, что исследовать их можно

только при помощи компьютера. Компьютерное моделирование сочетает в

себе достоинства теоретических исследований и практических эксперимен-

тов и позволяет быстро, подробно и без существенных затрат изучать проек-

тируемые объекты в любых ситуациях. Применение автоматизированных

систем компьютерного моделирования имеет ряд преимуществ перед экспе-

риментами с физическими объектами:

• значительная экономия средств за счет отказа от изготовления опыт-

ных образцов проектируемых изделий;

• возможность наглядного представления результатов в числовом и

графическом виде, включая трехмерные, цветные и анимационные

изображения;

• высокая скорость и точность проведения экспериментов и оформле-

ния результатов в виде документов.

Выбор методов моделирования объектов, а, соответственно, и степени

детализации математических моделей зависят от этапа проектирования. При

разработке технического задания на проектирование моделирование исполь-

зуется в основном для того, чтобы наглядно и наиболее полно представить

информацию о проектируемом объекте или процессе. На этапах разработки

технического и рабочего проектов моделирование решает оптимизационные

задачи: выбор оптимального варианта из множества возможных в соответст-

вии с определенными критериями и имеющимися ограничениями. Здесь же

исследуются возможные ситуации будущей эксплуатации объекта для при-

нятия обоснованных решений.

Информационные системы предназначены для обработки и хранения

больших объемов информации, а также для ее передачи в различные подсис-

темы в нужное время или по требованию проектировщика. Поскольку объем

информации на предприятии постоянно увеличивается, роль и значение ин-

формационных систем постоянно возрастает. Они используются как на уров-

не предприятия, так и в рамках отдельных САПР. Одно из основных назна-

чений информационных систем – обеспечить каждого специалиста любого

подразделения предприятия всей необходимой ему информацией, естествен-

но, в пределах его компетенции. Для этого необходима единая интегриро-

ванная база данных предприятия, локальная вычислительная сеть и компью-

теры на каждом рабочем месте.

Следует отметить, что решение технических вопросов (установка ком-

пьютеров, организация сети, приобретение программ и т.п.) далеко не гаран-

тирует получение положительного эффекта от автоматизации. Необходимо

перестроить всю информационную структуру предприятия, в частности, ор-

ганизовать информационный фонд САПР – совокупность всех необходимых

для функционирования САПР данных, хранящихся в электронном виде. В

его состав входят [12]:

• нормативно-справочная информация: сведения о материалах, типо-

вых маршрутах обработки, станках, инструментах и т.д.;

• временно записываемые данные, являющиеся результатом работы

одной подсистемы САПР и входной информацией для другой пол-

системы (например, информация о количестве и геометрических па-

раметрах щитовых элементов мебельного изделия является входной

информацией для САПР листового раскроя);

• программные модули отдельных подсистем, в частности, подпро-

граммы для разработки управляющих программ для станков с ЧПУ;

• чертежи инструментов и приспособлений, операционные эскизы,

типовые технологические процессы;

• шаблоны для ввода информации и оформления документов, напри-

мер, технологических карт, спецификаций, ведомостей, инструкций

и т.п.

Существует три способа организации данных:

• размещение данных непосредственно в теле программы (рис.3.1);

• запись данных в файлы (рис. 3.2);

• использование баз данных (рис. 3.3).

Рис. 3.1. Данные в программе Рис. 3.2. Данные в файлах на диске

При организации информационного фонда САПР используются все три

способа хранения данных, поскольку каждый из них имеет как достоинства,

так и недостатки. Главное состоит в том, чтобы знать их и обоснованно ис-

пользовать тот или иной способ организации данных.

Размещение данных в теле программы обеспечивает наиболее быструю

их обработку. Однако этот способ имеет очень существенный недостаток:

неизбежность модификации программы в случае обновления или реоргани-

зации данных. Например, если информация о характеристиках форматно-

раскройного станка будет находиться непосредственно в программе раскроя,