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.