Л2 Теор. основы САПР

ОСНОВЫ САПР. Лекция 2.

Содержание.

6. Методы проектирования.

7. Требования, предъявляемые к процессу проектирования.

8. Задачи автоматизации процесса проектирования.

9. Цель создания САПР.

10. Состав САПР.

Методы проектирования. Принципы создания Т-систем непрерывно изменяются и совершенствуются вследствие внедрения новых способов изготовления, усложнения их конструкции и условий сбыта, более полного учета технических, социальных и экономических вопросов. Все это требует организационно-технической дифференциации процесса создания Т-системы и разработки новых, более эффективных методов проектирования.

Существующие и разрабатываемые методы проектирования делятся на две большие группы – эвристические и алгоритмические методы.

Э в р и с т и ч е с к и е м е т о д ы способствуют мыслительной деятельности человека, направленной на решение вопросов, которые возникают при рассмотрении задачи, требующей решения. Они представляют собой упорядоченные в какой-то мере правила и рекомендации, помогающие при решении задач без предварительной оценки результата.

К наиболее распространенным эвристическим методам относятся:

• метод элементарных вопросов;

• метод аналогий;

• «от целого к частному» (принцип синергии);

• «наводящие операции»;

• коллективное спонтанное мышление (мозговой штурм) и др.

А л г о р и т м и ч е с к и е м е т о д ы относительно больше формализованы. Эти методы создают рациональный переход от замкнутого мышления к открытому рассуждению. Они используют возможности дедукции, стремятся к определению операций и их очередности, а также связей между операциями, в результате создается ряд последовательных и приближающих к цели процедур (логических и математических алгоритмов).

Наиболее распространенными принципами алгоритмизации проектных процедур являются: графы зависимостей; сетки связей; «через разделение – к целому»; элементарные комбинации; исключение избыточности; структурные карты; морфологические карты; феноменологические и математические модели; прямая минимизация при косвенном ограничении; прямая ранжированная минимизация; сложная оптимизация и др.

При проектировании сложных Т-систем методы проектирования взаимно переплетаются, дополняя друг друга. Их конкретное применение зависит от поставленной задачи.

При выборе методов решения в процессе проектирования Т-систем следует различать единичное, вариантное и оптимальное конструирование.

При единичном конструировании на основании технической характеристики необходимо искать пути решения, сравнивая полученный проект с заданием. При этом в основном с целью экономии времени различные варианты не сопоставляются.

Вариантное конструирование характеризуется тем, что разрабатывается общий принцип решения, а для решения конкретной задачи берется один из возможных вариантов общего решения. Вариации могут заключаться, например, в том, что по-разному компонуются имеющиеся унифицированные узлы одной системы унификации. Вариации принципа решения можно распространить также и на создание по установленному плану новой компоновки изделия.

Оптимальное конструирование отличается от вариантного конструирования стратегией поиска. Стратегия поиска – это алгоритм, реализующий получение альтернативных решений, улучшающихся в отношении заданной целевой функции.

Требования, предъявляемые к процессу проектирования. Для оценки эффективности применяемого метода проектирования по сравнению с другими методами имеются следующие критерии:

– качество проектирования;

– сроки разработки;

– стоимость проектирования;

– число занятых специалистов-разработчиков.

Задачи автоматизации процесса проектирования. Для определения задач автоматизации проектно-конструкторского процесса рассмотрим процентное соотношение различных проектных процедур. Статистическое обследование общемашиностроительных и станкостроительных предприятий дает результаты, показанные в таблице, приведенной ниже.

Рассмотрение этих результатов показывает, что в прямых затратах времени, которые непосредственно служат проектно-конструкторскому процессу, чертежные работы составляют более 30 %, в то время как «духовно-творческие» элементы проектных работ – только 15 %. Доля вычислительных работ по сравнению с проектными и чертежными довольно незначительна.

Проектные процедуры	Время отдельных операций, %	Затраты времени
Проектирование/конструирование	15	Прямые
Расчеты	4
Вычерчивание	33
Прочие работы	10
Составление спецификаций	5	Косвенные
Контроль чертежей	6
Поиск повторяющихся деталей	2
Составление описаний	12
Предварительное нормирование	3
Поиск аналогов проекта	1
Переписка	3
Прочие работы	6

Косвенные проектные работы, занимающие примерно 1/3 от общего времени конструирования, могут быть в основном охарактеризованы как «рутинные» работы.

Распределение отдельных видов работ в фазе конструирования приведено в следующей таблице:

Этапы работ	Расход времени на конструирование, %
	Общий вид	Узлы	Детали
Проектирование	6	25	5
Расчет	2	3	3
Вычерчивание	8	23	25

Результаты представленных обследований отчетливо показывают, что в процессе проектирования большая доля работ приходится на «рутинные» операции. Деталировка также остается «рутинной» работой, независимо от вида и организации работ, почти на всех предприятиях машиностроения. Поэтому первым направлением рационализации процесса проектирования было стремление автоматизировать «рутинные» операции с помощью средств вычислительной техники.

Наибольшие успехи достигнуты при автоматизации расчетов и оформлении различного вида текстовой и табличной документации, в поиске аналогов машин и деталей.

Накопленный опыт показывает, что автоматизация проектирования – это область наиболее эффективного использования ЭВМ. Но в то же время становится ясным, что главное направление здесь – это не автоматизация отдельных этапов проектирования, а автоматизация получения завязки проекта, т. е. контуров будущей конструкции, которая должна отвечать исходным замыслам. Такой подход к созданию САПР основывается на стремлении осуществить основную задачу – повысить качество принимаемых проектных решений, применяя методы оптимального проектирования. Следует, однако, сознавать, что САПР – это вспомогательное средство, а не замена конструктора.

Цель создания САПР. Под автоматизацией проектирования понимают систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и научно обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Цель автоматизации – повысить качество, снизить материальные затраты, сократить сроки проектирования и ликвидировать рост числа инженерно-технических работников, занятых проектированием и конструированием.

Научно обоснованное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи творческого характера, а ЭВМ – задачи, удовлетворяющие двум требованиям: 1) возможности алгоритмизации; 2) большей эффективности исполнения алгоритма на ЭВМ по сравнению с ручным решением.

Существенное отличие машинного метода проектирования от немашинных состоит в возможности замены дорогостоящего и длительного физического моделирования математическим моделированием. При этом следует иметь в виду, что при проектировании число альтернатив необозримо. Поэтому нельзя ставить задачу создания универсальной САПР, а необходимо решать вопросы автоматизации проектирования для конкретного семейства машин.

Для достижения целей создания САПР необходимы:

• совершенствование проектирования на основе при­менения математических методов и средств вычислитель­ной техники;

• автоматизация процесса поиска, обработки и выдачи информации;

• использование методов оптимизации и многовариантного проектирования;

• применение эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов;

• создание банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов;

• повышение качества оформления проектной документации;

• повышение творческой доли труда проектировщиков за счет автоматизации нетворческих работ;

• унификация и стандартизация методов проектирования;

• подготовка и переподготовка специалистов;

• взаимодействие с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

Комплекс средств автоматизации проектирования включает в себя методическое, лингвистическое, математическое, программное, техническое, информационное и организационное обеспечение.

Состав САПР. Система автоматизированного проектирования – система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования. В САПР обеспечивается удобство использования программ за счет применения средств оперативной связи инженера с ЭВМ, специальных проблемно-ориентированных языков и информационно-справочной базы.

Структурными составляющими САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы.

По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.

К п р о е к т и р у ю щ и м относятся подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции:

• компонования машины;

• проектирования сборочных единиц; проектирования деталей;

• проектирования схемы управления; технологического проектирования и т.п.

К о б с л у ж и в а ю щ и м относятся подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем:

• графического отображения объектов проектирования;

• документирования;

• информационного поиска и др.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают проектирующие подсистемы

• объектно-ориентированные (объектные);

• объектно-независимые (инвариантные).

К объектным подсистемам относят подсистемы, выполняющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования, например подсистема:

• проектирования технологических систем;

• моделирования динамики, проектируемой конструкции и др.

К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, например расчеты:

• деталей машин;

• режимов резания и др.

Структурное единство подсистем САПР обеспечивается строгой регламентацией связей между компонентами различных видов обеспечения, объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией. Компонент представляет собой элемент обеспечения, выполняющий определенную функцию в подсистеме:

• методическое обеспечение – документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования;

• лингвистическое обеспечение – языки проектирования, терминология;

• математическое обеспечение – методы, математические модели, алгоритмы;

• программное обеспечение – документы с текстами программ, эксплуатационные документы;

• техническое обеспечение – устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их сочетания;

• информационное обеспечение – документы, содержащие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные;

• организационное обеспечение – положения и инструкции, приказы, штатные расписания и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования.

Структурное объединение подсистем в систему обеспечивается связями между компонентами, входящими в подсистемы.