Задачи автоматизации процесса проектирования

МЕТОДОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Конструирование машин является областью инженер­ной деятельности, наиболее сложной для автоматизации. Разработка теории и методов автоматизации конструиро­вания 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 конструктор­ских решений, компоновку машин из составляющих их элементов, подбор этих элементов, технологическое про­ектирование, выдачу проектной документации в готовом виде и т. п.

1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

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

Статистическое обследование ряда общемашинострои­тельных и станкостроительных предприятий показывает (табл. 1), что в прямых затратах времени, которые непо­средственно служат процессу конструирования, чертежные работы составляют более 30 %, в то время как твор­ческие элементы проектных работ—только 15%. Доля вычислительных работ по сравнению с проектными и чер­тежными работами в процентном отношении довольно незначительна. Остальные, так называемые косвен­ные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть в основ­ном охарактеризованы как «рутинные» этапы, которые по временным затратам примерно равноценны.

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

Результаты представленных обследований отчетливо показывают, что на «рутинные» 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 проектиро­вания, причем деталировка и в дальнейшем остается «рутинной» работой независимо от вида и организации про­ектирования почти на всех предприятиях машинострое­ния. Поэтому первым направлением рационализации про­цесса проектирования было стремление автоматизировать «рутинные» этапы с помощью средств вычислительной тех­ники. 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 про­ектирования — это область эффективного использования ЭВМ. Но в то же время становится ясным, что главное направление здесь — не автоматизация отдельных этапов проектирования, не алгоритмы инженерных расчетов, а завязка проекта, когда только прорисовываются кон­туры будущей конструкции, которая должна отвечать исходным замыслам. Такой подход основывается на стрем­лении осуществить основную задачу — повысить качество принимаемых проектных решений за счет применения ме­тодов оптимального проектирования.

Автоматизация же «рутинных» операций освобождает конструктора для творческой деятельности и повышает производительность процесса проектирования на офор­мительских этапах работ. Однако автоматизация только отдельных операций, например, за счет введения чертеж­ных 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 циф­ровой форме и физически существующей в виде различ­ных состояний их элементов. Поэтому возникает необхо­димость в разработке методов превращения разнообразной конструкторской документации в цифровую форму и пред­ставлении всех задач и элементов процесса проектирования только в виде операций над числами и логическими вы­ражениями с доведением их до алгоритмов и машинных программ. Но при автоматизации проектно-конструкторского процесса следует постоянно помнить, что ЭВМ — это вспомогательное средство, а не замена конструкто­ра. 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 ав­томатизированных методов и средств проектирования не­обходимо 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 ин­формации вести направленный поиск оптимальных пара­метров новых технических средств.

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

Основное внимание при традиционном проектирова­нии уделялось задачам анализа функционирования тех­нических средств с целью выявить влияние различных фак­торов на точность, производительность и экономическую эффективность их работы. В то же время методы синтеза технических средств на основе их назначения и характери­стик внешней среды, в условиях которой будет функциони­ровать новое техническое средство, исследованы еще недостаточно. Необходимо создание теории проектирова­ния, 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 особен­ностями составляющих его частей и элементов, а заклю­чена в характере связей и отношений между ними. Рас­ширение исходной базы за счет таких понятий, как, на­пример, структура, функция, организация, связь, от­ношение, обеспечивает определенные преимущества си­стемному подходу перед традиционными методами исследований и позволяет создавать более адекватные действитель­ности 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 по­становка общей задачи, при которой формулируется слу­жебное н

азначение (функция) технической системы и вырабатывается концепция проекта на основе анализа системной модели буду­щего технического сред­ства как элемента подсис­темы более высокого уро­вня иерархии. Адекватное описание такой модели возможно только при все­стороннем рассмотрении проблемы, для решения которой создается новое техническое средство. На­пример, для решения про­блемы комплексной меха­низации и автоматизации механосборочного произ­водства необходимо созда­ние целого ряда машин и механизмов, в том числе металлорежущих станков, сборочных агрегатов, тран­спортных средств, загру­зочных устройств, информационно-измерительных систем, систем инструмен­тального 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 рассмо­трения системной модели будущего технического средства выявляются связи объекта проектирования с окружаю­щей средой, определяются компоненты проектной за­дачи, ограничения и критерии выбора рациональных ва­риантов. Результаты данного этапа служат для поиска пу­тей дальнейшего хода решения проектных задач. Если уда­ется 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 изме­нена, например, разбита на подзадачи.

При проведении конструкторских работ первой опера­цией является функциональный анализ объекта проекти­рования для создания внутренней многоуровневой струк­туры объекта проектирования. Результаты этого этана не­обходимы 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 многоуров­невой 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-исследователь­ских работ, под которыми подразумевается не только ана­лиз литературных источников, но и эксперименты на на­турных образцах.

Весьма важным является следующий этап — формали­зация 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 дальней­шем пользуется одним из эвристических методов решения задачи. Когда задача формализована полностью, т. е. имеется полная математическая модель объекта проектиро­вания, 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 назы­ваемый диалоговый метод решения, включающий вариант математической модели объекта и сценарий взаимодейст­вия конструктора и ЭВМ.

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

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

Как видно из рассмотрения представленной на рис. 1 схемы, разработка процесса автоматизированного проек­тирования требует тесного сотрудничества ученых и ин­женеров разных специальностей — конструкторов, ма­тематиков, специалистов по автоматизированной обра­ботке информации, программистов, электронщиков и ор­ганизаторов 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 глубо­кие знания разработчиков по вопросам теории проекти­рования, конструирования заданного семейства машин, математического моделирования, использования вычисли­тельных методов решения проектных задач, теории ав­томатизированной переработки информации и применения современных вычислительных средств.