книги / Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

ВВЕДЕНИЕ

Возможности использования достижений научно-технического про­ гресса во многом определяются способностью машиностроения гибко и опе­ ративно решать разнообразные задачи развития народного хозяйства. Это требует выполнения огромного объема проектных работ. Требования к каче­ ству проектов, к срокам их выполнения становятся более жесткими. Растет сложность изготовляемых машин, увеличивается степень многовариантно­ сти решений технологических задач, ужесточаются требования к глубине проработки проектных решений. Обеспечить выполнение этих требований за счет увеличения численности технологов и конструкторов невозможно по двум причинам.

Во-первых, такой путь оказывается преградой для роста производи­ тельности труда, а значит, прогресса и благосостояния.

Во-вторых, возможность параллельного проведения проектных работ ограничена и, следовательно, увеличение численности проектировщиков не позволяет существенно сократить сроки проектирования и освоения произ­ водства новых машин.

Решение этой проблемы возможно только с помощью автоматизации проектирования на основе использования современных вычислительной и организационной техники при выполнении проектных работ.

При выполнении рутинных, формализованных работ автоматизация позволяет повысить производительность проектирования во много раз, со­ кращая соответственно его сроки. Использование современных систем авто­ матизированного проектирования (САПР) позволяет также значительно ус­ корить решение проектных задач творческого характера. Современное гиб­ кое автоматизированное производство вообще не может быть спроектирова­ но и запущено в работу без автоматизированного проектирования и управле­ ния технологическим процессом. Поэтому автоматизация проектирования является основой комплексной автоматизации производства и его эффектив­ ной работы.

Первая глава предлагаемого пособия знакомит с основными понятия­ ми, проблемами и принципами проектирования. Следующие главы посвяще­ ны трем аспектам проектирования: функциональному, конструкторскому и технологическому. Проектные процедуры рассмотрены в последовательно­ сти их выполнения. При этом приводятся постановка задачи, ее оценка с точ­ ки зрения формализации, методы автоматизации решения, а также справоч­ ный материал, необходимый для разработки алгоритма решения задачи. По­ следняя, седьмая, глава посвящена анализу САПР. В ней рассмотрены ком­ поненты автоматизированной системы, принципы проектирования САПР, надежность программного обеспечения системы.

При написании учебного пособия использованы труды следующих ав­

торов:

В.П. Быкова, А.В. Ильичева, В.А. Вязгина, В.В. Федорова, И.П. Норенкова, М. Грувера, Э. Зиммерса и др. - главы 1-3;

з

в. центром развития механики становится Франция. Этому способствовали работы Ж.Лагранжа.

В России заметный вклад в науку о машинах внесли ученые В.И. Висковатов, С.Е. Гурьев, Д.С. Чижов, iM.B. Остршрадский, В.Я Бунековский, И.И. Сомов, А. Бетанкур.

XIX в. ознаменован многочисленными достижениями в технике, опе­ режающими развитие науки и служащими для нее благоприятной почвой. Развитие техники в XX веке столкнулось с рядом противоречий. Первое из них заключаегся в преобладании темпа роста сложности технических систем (ТС) над темпом развития методов их проектирования. Возрастание сложно­ сти ТС проявляется в увеличении количество входящих в нее подсистем и элементов (в среднем по отраслям техники число подсистем и элементов уд­ ваивается через каждые 15 лет). Растет также разделение труда и число спе­ циалистов, разрабатывающих ТС; осложняется согласование действий, теря­ ется представление о разрабатываемой ТС как о едином целом (ТС иногда оказывается малоэффективной или неработоспособной, несмотря на высокие показатели ее подсистем и элементов).

Второе противоречие проявляегся во взаимодействии таких факторов, как продолжительность разработки и срок морального старения ТС. Оба фак­ тора измеряются временем, причем срок разработки с повышением сложно­ сти ТС возрастает, а время до морального износа, из-за ускорения научнотехнического прогресса, неуклонно снижается. Устранение этого противоре­ чия может быть достигнуто, во-первых, повышением производительности труда в проектировании, во-вторых, построением ТС на основе перспектив­ ных технических решений. С начала XX в. производительность труда в про­ ектировании возросла лишь на 20 %, в то время как в производстве - на 1000 %. Поиск перспективных технических решений при использовании в условиях традиционных методов и средств проектирования осложняется изза постоянного роста объема научно-технической информации.

Традиционный чертежный метод решения сложных проектных задач состоит в том, что в каждый момент времени рассматривается лишь один ва­ риант решения. Когда рассматриваемый вариант не приводит к удовлетвори­ тельным результатам, проектировщик преобразует решение, заложенное в чертежах, и заменяет его новым решением. Следовательно, можно сказать, что в традиционных методах проектирования сложность создания проекта преодолевается выбором временного решения в качестве средства оператив­ ного исследования. Эго решение должно удовлетворять как проекту в целом, так и взаимосвязям между составными частями конструкций.

Черчение в масштабе дает конструктору возможность изменять как форму детали, так и изделие в целом. Таким образом, масштабный чертеж можно рассматривать как легко видоизменяемую модель взаимоотношений деталей и узлов, из которых состоит изделие. Благодаря тому, что эта модель легко поддается пониманию и изменению и способна хранить временное ре­ шение для одной детали, пока прорабатывается другая, проектировщик по­ лучает возможность решать задачи чрезвычайной сложности.

Самое трудное в любом проектировании - это преодоление сложностей поиска в обширном пространстве с миллионами возможных комбинаций от­ дельных узлов и деталей. При использовании традиционного способа боль­ шинство комбинаций исключается из рассмотрения и исследование ограни­ чивается единственным, выбранным «на ощупь» набором компонентов. Важ­ нейшим этапом процесса при этом является не взаимная подгонка узлов деталей друг к другу, а творческое мышление, благодаря которому достаточ­ но информированный и гибко мыслящий человек может выдвинуть на пер­ вый план одну из перспективных комбинаций узлов и деталей.

Такой метод дает прекрасные результаты при разработке отдельных частей, однако его пригодность для принятия решения на уровнях систем со­ мнительна по следующим причинам: нет средства фиксации видоизменений связей между частями; нет основы для интуитивного озарения, которое уп­ рощает задачу; выбор оценок при проектировании систем сложен. Поэтому, когда конструктор от внутренней увязки нового изделия переходит к его со­ гласованию с внешней средой, чертеж становится уже бесполезным и разра­ ботчику приходится опираться в основном на свой опыт и воображение, а также, в меньшей степени, - на расчет и испытание всех наиболее важных для работы систем параметров.

Проектирование можно разделить на два рода деятельности:

1)поиск и принятие решения;

2)описание и преобразование описаний объекта.

Весь предшествующий исторический период был связан с развитием второго рода деятельности - описания объекта. Начертательная и аналитиче­ ская геометрия, черчение, теоретическая механика, теория машин и механиз­ мов, детали машин и механизмов предоставляют научный аппарат для его выполнения. Практика настоятельно требует совершенствования методов поиска и принятия решения.

Современное системное проектирование. В 40-х гг. XX столетия бы­ ли заложены основы функционально-стоимостного анализа (ФСА), полу­ чившего в дальнейшем широкое развитие. ФСА представляет собой методи­ ческий инструмент проектирования, построенный на принципах: системно­ сти, функционального анализа и синтеза, стоимостной оценки, коллективно­ го творчества.

Принцип системности, развиваясь в дальнейшем, определил новый подход к проектированию. Этот подход стали называть системным. Кроме этого современное проектирование обладает огггимизационностью и харак­ теризуется использованием ЭВМ.

Системность подчеркивает целостность объединения компонентов в систему и появление у этого объединения новых свойств. Подробнее систем­ ный подход будет рассматриваться ниже.

Комплексный оптимизационный подход формируется следующим об­ разом. В процессе проектирования выделяются по возможности все ситуа­ ции, связанные с выбором наилучшего проектного решения. В процессе по­ становки задачи проектирования стремятся максимально расширить множе-

В.С. Корсакова, Н.М. Капустина, К.Х. Темпельгофа, X. Лихтенберга, И.А. Иващенко, А.А. Маталина, Э.В. Рыжова, В.И. Аверченкова, С.Н. Корчака, А.М. Дальского, Б.Е. Челшцева, А. Гансалес-Сабатера, Р.И. Гжирова, 11.11. Серебреницкого, О.Н. Калачева, В.Г Митрофанова, А.Г. Схиртладзе, Т.А.Гавриловой, В.Ф.Хорошевского и др. - главы 4-6;

В.В. Евдокимова, Г Майерса, А. IЛогребинского, А. Павлова, Г.А. Ти­ таренко, Н.Г Черняка, Л.В. Еремина, И.П. Норенкова, В.Б. Маничева, НЛ1. Щербакова и др. - глава 7.

Главы 1, 4 и 7 написаны Е.А. Евсиным и Л.Х. Зубаировой, главы 2 и 3 Л.Х. Зубаировой и главы 5 и 6 Е.А, Евсиным.

Авторы благодарны за оказанную помощь А.А. Белых, А.С. Иванову, А.В. Кубышкину, Э.В. Любимову, О.И. Мухину.

ГЛАВА 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1.Становление науки о проектировании

Вразвитии методов проектирования можно выделить следующие эта­

пы:

-кустарный промысел;

-проектирование с использованием чертежей;

-современное системное проектирование.

Кустарный промысел. Прежде чем что-то создать, человек формирует в своем воображении субъективную модель предмета труда. Дальнейшая его деятельность заключается в ее реализации. Если в трудовом процессе участ­ вует один человек, то модель предмета труда может замыкаться внутри его собственных представлений и понятий. Так было в эпоху ремесленного про­ изводства, когда изделия создавались мастером кустарным способом без ка­ кой-либо видимой подготовки; так бывает и теперь, если предмет труда представляет собой несложный объект. Как только в трудовой процесс во­ влекается другой участник, там появляется необходимость передать ему ин­ формацию о предмете труда. Делается это в том или ином условном коде - форме речи, словесного или графического описания.

Процесс составления описания еще не существующего объекта и назы­ вается проектированием.

Проектирование с использованием чертежей. До появления пись­ менности формами проектирования и конструирования были устные описа­ ния и модель. Начало использования чертежей на Руси относят к XJ в. В то время они представляли собой чертежи-рисунки, чертежи-схемы. Широкое использование чертежей при конструировании началось в период мануфак­ тур в XVIII в. Чертежи стали выполнять в масштабе. Позднее в изображениях появились «профили» и разрезы. В России преподавание черчения в специ­ альных технических школах было введено по указу Петра 1. Одну из таких школ окончил И.И.Ползунов. Сохранились чертежи многочисленных слож­ ных механизмов и станков, выполненные И.П.Кулибиным. Несмотря на за­ метные успехи в проекционном черчении, основной формой конструирова­ ния оставалась модель, а чертежи составлялись уже по ней. Модели были достаточно больших размеров, зачастую действующими.

В XVIII в. появились книги, содержащие некоторые сведения о расче­ тах механизмов. Среди них «Арифметика» Л.Ф.Магницкого, включающая в себя задачи о зубчатых передачах. Теоретические основы проектирования механизмов были заложены академиком Л.Эйлером (вторая половина XVIII в.), создавшим теорию эвольвентного зацепления, ременных передач, лен­ точных тормозов. Им же была предпринята попытка изучения машин с уче­ том динамики. До этого динамика была чисто теоретической наукой. Вслед за трудами Л.Эйлера появились труды Я.П.Козелъского и С.К.Котельникова, в которых механизмы рассматривались с позиций динамики. К концу XVIII

ство решений. Далее в каждой ситуации определяется оптимальное решение по выбранным критериям. Рассматриваются три уровня оптимизации:

1)принцип действия объекта;

2)структура объекта;

3)параметры объекта.

Наибольший эффект приносит оптимизация на первом уровне, но для этого уровня нет хорошо организованных методов и алгоритмов, наимень­ ший эффект - на третьем уровне, и здесь есть хорошо отработанные методы.

В настоящее время в проектировании используется теория искусствен­ ного интеллекта, применяются экспертные системы, являющиеся разновид­ ностью искусственного интеллекта.

Проектирование - это и наука, и искусство (искусство потому, что оно связано с творчеством; наука потому, что опирается на знания), В разные эпохи доли того и другого начала были различны. Развитие методов проек­ тирования свидетельствует о том, что неуклонно возрастает число операций, переходящих в разряд формализованных, выполняемых по определенным ал­ горитмам. Формализация дает возможность использования ЭВМ и автомати­ зации процесса проектирования. Степень автоматизации может быть различ­ ной. Она оценивается долей 8 проектных работ, выполняемых на ЭВМ без участия человека. При 5 ~ 1 проектирование называется автоматическим, при О < б < 1- автоматизированным, при 6 = 0 - неавтоматизированным или руч­ ным.

Автоматизация проектирования предполагает систематическое исполь­ зование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов машинного решения задач. Рациональное распределение функций между че­ ловеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен в основном решать зада­ чи творческого характера, а ЭВМ - задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с традиционным ручным способом.

Существенное преимущество машинных методов проектирования со­ стоит в возможности проводить на ЭВМ эксперименты на математических моделях объектов проектирования, отказавшись от дорогостоящего матери­ ального (предметного) моделирования или значительно сократив его.

Автоматизированное проектирование осуществляется в рамках САПР. Система автоматизированного проектирования (САПР) - это комплекс программных и технических средств, предназначенных для автоматизации

процесса проектирования.

1.2. Основные понятия процесса проектирования

Проектирование - это процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.

С информационной точки зрения проектирование - процесс преобразо­ вания входной информации об объекте проектирования с использованием знаний в рассматриваемой области, опыта проектирования объектов анало­ гичного назначения в выходную информацию в виде проектно­ конструкторской и технологической документации, выполненной в заданной форме и объеме и содержащей описание объекта, необходимое для его прак­ тической реализации, т.е. производства.

С точки зрения принятия решения это процесс принятия проектно­ конструкторских решений, результат которого - получение удовлетворяюще­ го техническое задание описания технической системы заданной степени де­ тализации.

Подход к проектированию с позиции теории познания позволяет отне­ сти этот процесс к распознаванию. Под распознаванием понимается приня­ тие решения о принадлежности того или иного объекта или процесса к опре­ деленному классу. Распознавание при проектировании отличается лишь тем, что необходимо узнать, не каков объект, а каким он должен быть. Здесь для раскрытия сущности проектирования используют понятия: субъект и объект проектирования, воображение и интуиция, познавательный образ (субъек­ тивная модель объекта проектирования), ценность и оценка. Особое внима­ ние уделяется роли символов для формирования познавательных образов в актах творчества, необходимых для передачи информации. Символы - это графические изображения (чертежи), схемы, элементы языка проектирова­ ния.

Объектами проектирования могут быть технические системы (напри­ мер, станок, двигатель внутреннего сгорания, ЭВМ) или процессы (техноло­ гические, вычислительные).

Техническая система - совокупность функционально связанных ком­ понентов, объединенных для выполнения задачи.

Методология проектирования - это учение о структуре, логической ор­ ганизации, методах и средствах поиска и принятия решения о принципе дей­ ствия и составе еще не существующего объекта, наилучшим образом удовле­ творяющего определенные потребности, а также о составлении описания, не­ обходимого для его создания в заданных условиях.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования.

Алгоритм проектирования - совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования.

Язык проектирования - язык, предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании.

Проектная процедура - совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.

Проектная операция - действие или совокупность действий, состав­ ляющих часть проектной процедуры.

Особое значение имеет взаимосвязанное действие положительной и от­ рицательной обратных связей, которое может оказывать сильное формирую­ щее влияние на поддержание процессов на определенном уровне при слу­ чайных внешних воздействиях.

Примеры. В качестве прямой ослабляющей связи между электродвига­ телем и шпинделем станка можно рассматривать редуктор, в качестве поло­ жительной обратной связи - силовые приводы, обеспечивающие контакт рез­ ца с обрабатываемой деталью, в качестве отрицательной обратной связи - систему управления, поддерживающую параметры резания (усилия, температуру) в заданных пределах.

Взаимосвязанные компоненты системы удобно представить в виде ие­ рархической структуры (рис. 1.1). В машиностроении базовыми элементами являются детали (винт, шпонка, вал, зубчатое колесо).

Детали (см. рис. 1.1, а) рассматриваются как элементы, фигурирующие в описаниях низшего иерархического уровня, на котором системами являют­ ся сборочные единицы (например, редуктор станка, карбюратор двигателя внутреннего сгорания). Сборочные единицы - это компоненты агрегатов (на­ пример, станков, гидравлических прессов).

Рис. 1.1. Иерархические структуры систем

Как было отмечено, принцип выделения компонентов определяется за­ дачей исследования и одна и та же система может быть представлена различ­ ными структурами. Так, станок расчленяется на сборбчные единицы (редук­ тор, шпиндельный узел и др.), при другом способе тот же станок разделяется на механические, электрические и другие узлы (см. рис. 1.1, б). Иерархиче­ ское описание объектов является одним из главных принципов проектирова­ ния. Подробно сведения об этом приводятся ниже.

Функциональный аспект предполагает выделение функций каждого компонента и функциональных взаимосвязей в системе на основе определе­ ния координации и субординации компонентов.