Задачи автоматизации процесса проектирования

МЕТОДОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
  Конструирование машин являетсяобластью инженер­ной деятельности, наиболее сложной для автоматизации.Разработка теории и методов автоматизации конструиро­вания находится еще в начальнойстадии. Автоматизированы главным образом различные вычислительные операции,связанные с конструированием. Задачей автоматизации проектирования являетсясоздание комплексных автоматизированных систем подготовки производства в машиностроении,выполняющих кроме расчета выбор наиболее рациональных технологических иконструктор­ских решений, компоновку машин из составляющих их элементов, подборэтих элементов, технологическое про­ектирование, выдачу проектной документациив готовом виде и т. п.
1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Для определения задач автоматизациипроектно-конструкторского процесса рассмотрим процентное соотноше­ние различныхпроектных процедур.
Статистическоеобследование ряда общемашинострои­тельных и станкостроительных предприятийпоказывает (табл. 1), что в прямых затратах времени, которые непо­средственнослужат процессу конструирования, чертежные работы составляют более 30 %, в товремя как твор­ческие элементы проектных работ—только 15%. Доля вычислительныхработ по сравнению с проектными и чер­тежными работами в процентном отношениидовольно незначительна. Остальные, так называемые косвен­ные проектные работы,занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть воснов­ном охарактеризованы как «рутинные» этапы, которые по временным затратампримерно равноценны.
Распределение отдельных видовработ в фазе проекти­рования приведено в табл. 2.
Результаты представленныхобследований отчетливо показывают, что на «рутинные» процедуры приходится
1. Соотношение между процедурами процессаконструирования
 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 видовработ на основных этапах конструированияВид процедуры Затраты времени на этапах разработки, %
общего
 вида узлов деталей Проектирование 6 25 5 Расчеты 2 3 3 Вычерчивание 8 23 25
большаядоля временных затрат в процессе проектиро­вания, причем деталировка и вдальнейшем остается «рутинной» работой независимо от вида и организации про­ектированияпочти на всех предприятиях машинострое­ния. Поэтому первым направлениемрационализации про­цесса проектирования было стремление автоматизировать «рутинные»этапы с помощью средств вычислительной тех­ники. На сегодняшний день наибольшиеуспехи достигнуты при автоматизации расчетов и разработке различного видатекстовой и табличной документации, в поиске аналогов машин и деталей. До концане решен, из-за существенных трудностей, вопрос об автоматизациичертежно-графических работ.
Накопленныйопыт показывает, что автоматизация про­ектирования — это область эффективногоиспользования ЭВМ. Но в то же время становится ясным, что главное направлениездесь — не автоматизация отдельных этапов проектирования, не алгоритмыинженерных расчетов, а завязка проекта, когда только прорисовываются кон­турыбудущей конструкции, которая должна отвечать исходным замыслам. Такой подходосновывается на стрем­лении осуществить основную задачу — повысить качествопринимаемых проектных решений за счет применения ме­тодов оптимальногопроектирования.
Автоматизация же «рутинных» операций освобождаетконструктора для творческой деятельности и повышает производительность процессапроектирования на офор­мительских этапах работ. Однако автоматизация толькоотдельных операций, например, за счет введения чертеж­ных автоматов илиширокого использования ЭВМ для проведения инженерных расчетов не вносит существенныхизменений в сроки проектирования.
2. СХЕМА РЕШЕНИЯПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Основным технологическим средством автоматизациипроектирования в машиностроении является цифровая ЭВМ, оперирующая синформацией, представленной в циф­ровой форме и физически существующей в видеразлич­ных состояний их элементов. Поэтому возникает необхо­димость вразработке методов превращения разнообразной конструкторской документации вцифровую форму и пред­ставлении всех задач и элементов процесса проектированиятолько в виде операций над числами и логическими вы­ражениями с доведением ихдо алгоритмов и машинных программ. Но при автоматизациипроектно-конструкторского процесса следует постоянно помнить, что ЭВМ — это вспомогательноесредство, а не замена конструкто­ра. Наиболее эффективно вычислительная техникаможет быть использована, когда имеются математические модели, описывающиеобъект проектирования и имитирующие его функционирование в заданной окружающейсреде.
Длядействительного эффективного использования ав­томатизированных методов исредств проектирования не­обходимо учитывать, что любой эксперт, в том числе игенеральный конструктор, обладает вполне определенными и, к сожалению, весьмаограниченными физиологическими возможностями обработки информации.Следовательно, необходима декомпозиция проблемы. Последнее означает, что дляавтоматизации требуется система процедур, позволяющая конструктору на основеограниченной ин­формации вести направленный поиск оптимальных пара­метров новыхтехнических средств.
Основнаяпроблема автоматизации проектирования в настоящее время связана не только и нестолько с во­просами совершенствования средств вычислительной тех­ники, сколькос тем обстоятельством, что в науке о кон­струировании новых технических средствне выявлены аналитические и логические зависимости, связывающие назначениетехнических средств с их структурой и харак­теристиками. Например, втехнологической науке отсут­ствуют формализованные взаимосвязи междупараметрами обрабатываемой детали, структурой и характеристиками технологическогопроцесса.
Основноевнимание при традиционном проектирова­нии уделялось задачам анализафункционирования тех­нических средств с целью выявить влияние различных фак­торовна точность, производительность и экономическую эффективность их работы. В тоже время методы синтеза технических средств на основе их назначения и характери­стиквнешней среды, в условиях которой будет функциони­ровать новое техническоесредство, исследованы еще недостаточно. Необходимо создание теории проектирова­ния,предполагающей переход от традиционных задач анализа и эмпирических классификацийк проблематике задач синтеза технических систем.
Проектированиевыступает как комплексная проблема, в которой в сложной взаимосвязипереплетаются задачи синтеза, моделирования, анализа, оценки, оптимизации и отбораальтернатив. Для решения таких сложных задач необходимо применение методологиисистемного подхода. При использовании методологии системного подхода для формализациипроцесса проектирования следует исходить из того, что специфика сложныхобъектов и процессов не исчерпывается особен­ностями составляющих его частей иэлементов, а заклю­чена в характере связей и отношений между ними. Рас­ширениеисходной базы за счет таких понятий, как, на­пример, структура, функция,организация, связь, от­ношение, обеспечивает определенные преимущества си­стемномуподходу перед традиционными методами исследований и позволяет создавать болееадекватные действитель­ности модели сложных объектов и процессов.
Исходяиз основных положений системного анализа, последовательность решениямноговариантных проектных задач с помощью средств вычислительной техники можнопредставить состоящей из ряда этапов (рис. 1).
Определяющимэтапом проектирования является по­становка общей задачи, при которойформулируется слу­жебное назначение (функция) технической системы и вырабатывается концепция проекта на основе анализа системной модели буду­щего техническогосред­ства как элемента подсис­темы более высокого уро­вня иерархии. Адекватноеописание такой модели возможно только при все­стороннем  рассмотрении проблемы,для решения которой создается новое техническое средство. На­пример, длярешения про­блемы комплексной меха­низации и автоматизации механосборочногопроиз­водства необходимо созда­ние целого ряда машин и механизмов, в том числеметаллорежущих станков, сборочных агрегатов, тран­спортных средств, загру­зочныхустройств, информационно-измерительных систем, систем инструмен­тальногообеспечения и др. Следовательно, системная модель технологической машины,например, должна отражать взаимосвязи объекта не только с подобными машинами поструктуре технологического процесса, но и с загрузочными, транспортными,измерительными и другими элементами всего производственного комплекса.
Наследующем этапе необходимо выполнить анализ общей задачи проектирования. Здесьна основе рассмо­трения системной модели будущего технического средства выявляютсясвязи объекта проектирования с окружаю­щей средой, определяются компонентыпроектной за­дачи, ограничения и критерии выбора рациональных ва­риантов.Результаты данного этапа служат для поиска пу­тей дальнейшего хода решенияпроектных задач. Если уда­ется использовать имеющееся техническое средство, токонструкторский процесс не выполняется. Найденные аналоги могут лечь в основубудущей 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?                                                          Техническоесредство
/>

/>       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 либыть использованы           нет          Научно-исследовательские
/>           существующие зависимости                             работы
/>/>/>                                           да                                                                                                                                                                                                                                                          
/>       7. Формализация объекта проектирования
/>

       Математическая модель
/>

/>             8. Выбор методов решения задачи
/>

       Эвристические или алгоритмические методырешений
/>

/>/>
      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 САПРРис. 1
впроцессе анализа задачи проектирования выявится невозможность использования существующихтехнических возможностей для решения проблемы. Тогда постановка задачи должнабыть изме­нена, например, разбита на подзадачи.
Припроведении конструкторских работ первой опера­цией является функциональныйанализ объекта проекти­рования для создания внутренней многоуровневой струк­турыобъекта проектирования. Результаты этого этана не­обходимы в первую очередь дляобъективного разбиения задачи проектирования на части и определения стратегиирешения общей задачи.
Каждыйэлемент структуры объекта проектирования представляется в виде системноймодели; его служебное назначение описывается как функция элемента многоуров­невойсистемы. Затем проводится исследование объекта проектирования, т. с. выявляютсяи описываются внешние и внутренние связи его системной модели. При этомтребуется проведение целого ряда научно-исследователь­ских работ, под которымиподразумевается не только ана­лиз литературных источников, но и эксперименты нана­турных образцах.
Весьмаважным является следующий этап — формали­зация объекта проектирования. Отполноты формального описания объекта зависит выбор метода решения задачи, а,следовательно, определяется возможность применения при проектировании средств вычислительнойтехники. Если задача не формализована, то конструктор в дальней­шем пользуетсяодним из эвристических методов решения задачи. Когда задача формализованаполностью, т. е. имеется полная математическая модель объекта проектиро­вания,ее можно решать с помощью ЭВМ автоматически. Если же задача формализованачастично, т. е. не все связи системной модели удалось выразить в видеаналитических и логических зависимостей, то разрабатывается так назы­ваемыйдиалоговый метод решения, включающий вариант математической модели объекта исценарий взаимодейст­вия конструктора и ЭВМ.
Послевыбора одного из алгоритмических методов реше­ния весь процесс проектированияможно формализовать и разработать алгоритмы автоматизированного конструи­рования.
Передпрограммированием больших проектно-конструкторских задач необходима разработкаинформацион­ного обеспечения автоматизированного проектирования, которое должноснабжать все проектные процедуры тре­буемой постоянной и переменной информациейдля безостановочной работы программ ЭВМ. После программи­рования проектнойзадачи выбираются необходимые технические средства, на которых и решаетсязадача. Ре­зультаты проектно-конструкторского процесса докумен­тируются в видетекстовых и графических материалов.
Каквидно из рассмотрения представленной на рис. 1 схемы, разработка процесса автоматизированногопроек­тирования требует тесного сотрудничества ученых и ин­женеров разныхспециальностей — конструкторов, ма­тематиков, специалистов по автоматизированнойобра­ботке информации, программистов, электронщиков и ор­ганизаторов производства(рис. 2).
/>               Техническое задание
/>/>

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 2
Идеализированная схема разработки и функционированияпроцесса автоматизированного проектирования
Следовательно,для наиболее полного и эффективного использования вычислительной техники впроектно-конструкторской деятельности инженеров необходимы глубо­кие знанияразработчиков по вопросам теории проекти­рования, конструирования заданного семействамашин, математического моделирования, использования вычисли­тельных методоврешения проектных задач, теории ав­томатизированной переработки информации иприменения современных вычислительных средств.