3. Основные тенденции развития проектного конструирования

Изучение истории развития и совершенствования проектирования машин позволяет выделить несколько характерных этапов.

Доиндустриалъный этап характерен соединением в одном лице проектировщика, изготовителя и пользователя технических устройств. На этом этапе отсутствовал метод геометрического моделирования изделия с помощью чертежа, а совершенствование изделия и его составных элементов происходило в результате длительной эволюции методом проб и ошибок.

Индустриальный этап. В период становления машинного производства, с одной стороны, во много раз увеличилась потребность в самых разнообразных машинах и механизмах, а с другой — постоянно возрастала необходимость сокращения сроков их создания. По мере усиления этого противоречия, а также в связи с резким увеличением объема знаний по созданию техники, возникла необходимость в разделении функции проектировщика, изготовителя и пользователя. Принципиальным отличием рассматриваемого этапа совершенствования процесса проектирования от предыдущего является перенесение значительной части работ по созданию новых машин и механизмов на масштабный чертеж. Этап чертежного проектирования является одним из наиболее плодотворных. В этот период была создана методология проектирования, включая разработку унифицированных методов геометрического моделирования изделия на основе обеспечения основных критериев работоспособности. В эволюции чертежного способа проектирования среди наиболее значительных событий можно выделить создание унифицированных методов расчетов, использование стандартных деталей, узлов, агрегатов, создание чертежей из отдельных и сборных элементов типовых решений, специализацию конструктора и технолога. Отмеченные обстоятельства, а также механизация вычислительных работ с помощью простейших счетных устройств (логарифмической линейки, арифмометров, простейших калькуляторов), по оценкам экспертов, позволили поднять производительность проектировочных работ лишь на 15-25%, в то время, как в материальном производстве производительность труда возросла в сотни раз. Наметившиеся противоречия усугублялись необходимостью создания на рассматриваемом этапе научно-технического прогресса не просто работоспособной конструкции, а конструкции, оптимально отвечающей определенным критериям. Естественно, что оптимизация проектного решения существенно увеличивала объем работ и время выполнения проекта. Таким образом, в рамках традиционного способа проектирования разрешение противоречия между усложнением процесса и потребностями сокращения его сроков практически исключалось.

Этап автоматизации расчетов и проектирования. Становление нового этапа процесса проектирования связано с созданием и широким внедрением в инженерную деятельность ЭВМ. Первоначально были разработаны автоматизированные методы расчетов элементов машин и механизмов и технологических режимов их изготовления, включая оптимизацию, а затем, по мере совершенствования технических средств, методов программирования, с появлением возможности автоматизации графических работ были созданы системы автоматизированного проектирования (САПР) машин, механизмов и технологии их изготовления.

Параллельно с созданием САПР в последние десятилетия в промышленности все более широкое распространение получали автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), базирующиеся на управлении технологическим процессом с помощью ЭВМ. В самостоятельно существующих САПР и АСТПП обмен информацией между системами производится проектировщиками, конструкторами, технологами и изготовителями с помощью традиционных форм передачи технической информации (чертежей, спецификаций, технологических карт и т.п.). При этом каждый из участников создания новой техники, использующий ЭВМ, переводит информацию с традиционной формы на машинный язык, и после решения задачи выдает ее вновь в общепринятом виде. Многократный перевод информации сильно увеличивает прямые затраты времени и приводит к дополнительным потерям времени на исправление неизбежных при этих переводах ошибок. Именно по этим причинам затраты времени на проектирование с использованием САПР и АСТПП по сравнению с потребным временем проектирования традиционным способом, снижаются, как правило, не более чем в 2-3 раза.

Создание быстродействующих электронных вычислительных средств со значительными объемами памяти запоминающих устройств, разработка методов и средств обработки графической информации обусловили возникновение интегрированных систем автоматизированного проектирования и технологии подготовки производства (САПР/АСТПП) [5].

В интегрированных системах основной объем информации передается на уровне межсистемного обмена на машинном языке. Для контроля и возможности вмешательства в процесс проектирования информация в любой из моментов времени может быть выведена из электронных технических средств в традиционной, в том числе графической форме с помощью дисплеев, плоттеров и т.п. Создание интегрированных САПР/АСТПП позволило сократить время проектирования и освоение новой техники в десятки раз по сравнению с традиционной формой их осуществления.

Описанный интегрированный подход к производству новой техники в последние десятилетия получил новую поддержку разработкой систем CAD/CAM/CAE, занимающихся новейшими автоматизированными технологиями отмеченных выше этапов создания технических объектов. Поскольку предмет изучения настоящего пособия касается лишь проблем проектирования ТО, то остановимся несколько подробнее на CAD системах и тех новациях, которые неоспоримо можно отнести к принципиальному совершенствованию освещаемого процесса.

Первым, и пожалуй наиболее важным, позитивом систем CAD является переход от противоестественного для человека представления реальных объемных объектов с помощью плоских проекций к трехмерному моделированию. Разработанный в последние годы метод твердотельного объемного моделирования геометрии объекта впервые предоставляет конструктору возможность корректного описания ТО в реальном объемном виде с помощью набора элементарных типовых примитивов. Такая технология кроме более качественного восприятия проектируемого объекта всеми участниками процесса предоставляет возможность более быстрого моделирования за счет использования готовых файлов отмеченных примитивов, широкого использования библиотек объемных типовых деталей, узлов, агрегатов (макросов), а также применение высокопроизводительного механизма параметрического синтеза геометрии проектируемого объекта. Далее следует отметить, что твердотельное моделирование позволяет без дополнительного математического и программного описания получение любых плоских проекций, разрезов, сечений и т.п. приемов традиционной технологии двухмерного проектирования, используя весь инструментарий, накопленный за вековой опыт ее применения. Отмеченный метод моделирования позволяет производить имитацию движения проектируемого объекта по отношению к окружающей среде, отдельных его элементов относительно друг друга и проведение качественного динамического и кинематического анализов. К другим важным достоинствам CAD систем с использованием твердотельного моделирования относятся возможность сборки изделия в целом из отдельных элементов и установление на стадии проектирования возможных нежелательных контактов и пересечений отдельных элементов конструкций, решение вопросов удобства монтажных и демонтажных операций, эргономических требований. Наконец, немаловажным достоинством твердотельного моделирования является возможность получения фотореалистичного цветного изображения, которое наряду с упрощением восприятия объекта позволяет решение задач эстетического плана.

Во-вторых, принципиально важным для CAD систем является использование операционных систем (ОС), которые способны резервами быстродействия, оперативной памяти и возможностям периферии комплексно автоматизировать процесс проектирования несложных и средней сложности технических объектов, начиная от формирования технического задания до получения полного комплекта необходимой конструкторской документации и передачи необходимой информации в САМ системы на электронном уровне.