Задачи автоматизации процесса проектирования

МЕТОДОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Конструирование машин является областью инженер¬ной деятельности, наиболее сложной для автоматизации. Разработка теории и методов автоматизации конструиро¬вания 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 конструктор¬ских решений, компоновку машин из составляющих их элементов, подбор этих элементов, технологическое про¬ектирование, выдачу проектной документации в готовом виде и т. п.

1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Для определения задач автоматизации проектно-конструкторского процесса рассмотрим процентное соотноше¬ние различных проектных процедур.

Статистическое обследование ряда общемашинострои¬тельных и станкостроительных предприятий показывает (табл. 1), что в прямых затратах времени, которые непо¬средственно служат процессу конструирования, чертежные работы составляют более 30 %, в то время как твор¬ческие элементы проектных работ—только 15%. Доля вычислительных работ по сравнению с проектными и чер¬тежными работами в процентном отношении довольно незначительна. Остальные, так называемые косвен¬ные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть в основ¬ном охарактеризованы как «рутинные» этапы, которые по временным затратам примерно равноценны.

Распределение отдельных видов работ в фазе проекти¬рования 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 проектиро¬вания, причем деталировка и в дальнейшем остается «рутинной» работой независимо от вида и организации про¬ектирования почти на всех предприятиях машинострое¬ния. Поэтому первым направлением рационализации про¬цесса проектирования было стремление автоматизировать «рутинные» этапы с помощью средств вычислительной тех¬ники. 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 про¬ектирования — 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 кон¬туры будущей конструкции, которая должна отвечать исходным замыслам. Такой подход основывается на стрем¬лении осуществить основную задачу — повысить качество принимаемых проектных решений за счет применения ме¬тодов оптимального проектирования.

Автоматизация же «рутинных» операций освобождает конструктора для творческой деятельности и повышает производительность процесса проектирования на офор¬мительских этапах работ. Однако автоматизация только отдельных операций, например, за счет введения чертеж¬ных 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 циф¬ровой форме и физически существующей в виде различ¬ных состояний их элементов. Поэтому возникает необхо¬димость в разработке методов превращения разнообразной конструкторской документации в цифровую форму и пред¬ставлении всех задач и элементов процесса проектирования только в виде операций над числами и логическими вы¬ражениями 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 конструкто¬ра. 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 ав¬томатизированных методов и средств проектирования не¬обходимо 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 ин¬формации вести направленный поиск оптимальных пара¬метров новых технических средств.

Основная проблема автоматизации проектирования в настоящее время связана не только и не столько с во¬просами совершенствования средств вычислительной тех¬ники, сколько с тем обстоятельством, что в науке о кон¬струировании новых технических средств не выявлены аналитические и логические зависимости, связывающие назначение технических средств с их структурой и харак¬теристиками. Например, в технологической науке отсут¬ствуют формализованные взаимосвязи между параметрами обрабатываемой детали, структурой и характеристиками технологического процесса.

Основное внимание при традиционном проектирова¬нии уделялось задачам анализа функционирования тех¬нических средств с целью выявить влияние различных фак¬торов на точность, производительность и экономическую эффективность их работы. В то же время методы синтеза технических средств на основе их назначения и характери¬стик внешней среды, в условиях которой будет функциони¬ровать новое техническое средство, исследованы еще недостаточно. Необходимо создание теории проектирова¬ния, 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 особен¬ностями составляющих его частей и элементов, а заклю¬чена в характере связей и отношений между ними. Рас¬ширение исходной базы за счет таких понятий, как, на¬пример, структура, функция, организация, связь, от¬ношение, обеспечивает определенные преимущества си¬стемному подходу перед традиционными методами исследований и позволяет создавать более адекватные действитель¬ности 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 по¬становка общей задачи, при которой формулируется слу¬жебное назначение (функция) технической системы и вырабатывается концепция проекта на основе анализа системной модели буду¬щего технического сред¬ства как элемента подсис¬темы более высокого уро¬вня иерархии. Адекватное описание такой модели возможно только при все¬стороннем рассмотрении проблемы, для решения которой создается новое техническое средство. На¬пример, для решения про¬блемы комплексной меха¬низации и автоматизации механосборочного произ¬водства необходимо созда¬ние целого ряда машин и механизмов, в том числе металлорежущих станков, сборочных агрегатов, тран¬спортных средств, загру¬зочных устройств, информационно-измерительных систем, систем инструмен¬тального 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 рассмо¬трения системной модели будущего технического средства выявляются связи объекта проектирования с окружаю¬щей средой, определяются компоненты проектной за¬дачи, ограничения и критерии выбора рациональных ва¬риантов. Результаты данного этапа служат для поиска пу¬тей дальнейшего хода решения проектных задач. Если уда¬ется использовать имеющееся техническое средство, то конструкторский процесс не выполняется.