книги / Системы автоматизированного проектирования технологических процессов
..pdfФункции компонентов по отношению к системе должны носить целе сообразный характер и согласовываться во времени и пространстве, форми руя систему как целое. Выделяют субординацию и координацию функций. Субординация определяет подчиненность функций одних компонентов функциям других, указывает специфическое место и неодинаковое значение каждого из компонентов в осуществлении функций системы. Субординация предполагает, что один из взаимосвязанных компонентов является опреде ляющим в их совместном функционировании, т.е. «управляет» поведением другого. Координация (связь согласования) предполагает, что роли обоих взаимосвязанных компонентов в их совместном функционировании равно ценны.
Функциональная зависимость имеет место между компонентами дан ной системы, между компонентами и системой в целом, между рассматри ваемой системой и системой, в состав которой она входит. При рассмотрении данного аспекта важным вопросом является анализ возможности перерас пределения функций между компонентами в зависимости от конкретных си туаций.
Пример. Задачу проектирования технологического процесса механиче ской обработки можно разделить на следующие задачи: выбор оборудования и маршрута обработки; определение состава операций как совокупности пе реходов; определение компонентов перехода (режущий инструмент, режимы резания и т.д.) и др. Здесь задача выбора режущего инструмента подчиняется задаче выбора оборудования (станка), т.е. вторая задача «управляет» первой - выявляется субординация.
Интегративный аспект предполагает выделение системно образующих механизмов, придающих объединению компонентов новое ка чество, свойственное системе.
Пример. Все компоненты роботизированной линии, состоящей из стан ков, обеспечивают непрерывность производства, высокую автоматизацию процесса.
Коммуникативный аспект предполагает выделение взаимодействия системы с внешней средой, определение возмущающих факторов и взаимо связей с другими системами.
Пример. Внешней средой для станка при его работе в составе роботи зированного комплекса могут быть роботы, бункерные питатели, вибрации, связанные с работой оборудования на соседних линиях.
Исторический аспект предусматривает изучение системы на основе выделения ее ретроспективы (обозрения прошлого) и перспективы (будуще го), т.е. рассмотрение ее в непрерывном развитии. Такое рассмотрение по зволяет предусмотреть уже на этапе проектирования развитие системы, т.е. ее последующую модернизацию.
Процесс развития системы связан с ее переходом в различные состоя ния. Последовательность состояний системы составляет жизненный цикл.
Конструирование - разновидность проектирования, связанная с теми этапами, где принятое техническое решение получает конструктивное во площение.
Можно сказать, что действия с замыслами можно ограничить проекти рованием, когда его цель состоит в использовании технического средства из вестной конструкции, а в случае отсутствия желаемой конструкции проекти рование должно быть дополнено конструированием. Специалистов, зани мающихся разработкой новой техники, ориентируясь на конечный результат - конструкцию объекта проектирования, называют конструкторами.
13. Основные аспекты системного подхода к проектированию
Сложность технических систем, состоящих из многочисленных поразному взаимодействующих друг с другом и окружающей средой подсис тем, требует системного подхода и к процессу их проектирования, и к самим техническим системам. Понятие «системный объект» охватывает объекты, которые можно условно или физически расчленить на совокупность более простых частей. Каждую часть также хможно рассматривать как сложный объект, состоящий из более простых элементов. Свойства и функции систем ных объектов не сводятся непосредственно к сумме свойств и функций со ставляющих элементов. Системные объекты обладают новыми функциями и свойствами, которых может не быть у отдельных частей.
Системный подход предполагает изучение следующих шести основных аспектов системы:
-системно-компонентного, или компонентного;
-системно-структурного;
-системно-функционального;
-системно-интегративного;
-системно-коммуникативного;
-системно-исторического.
Компонентный аспект отражает изучение состава системы на основе выделения ее составных частей.
Под компонентами понимаются составные части системы, рассматри ваемые в данном исследовании. Выделяют компоненты системы двух типов: подсистемы и элементы. Подсистемы, в свою очередь, также могут состоять из компонентов. Выделение подсистем как самостоятельных компонентов является методическим приемом, удобным для некоторого этапа исследова ний. Элементы в рамках рассматриваемой задачи дальнейшему членению не подлежат.
Выделение составных частей системы, т.е. расчленение системы, еще называют декомпозицией (лат. compositio - составление).
Принципы выделения составных компонентов системы определяются объектом, задачей исследования и возможностями исследователя. При этом
ю
излишняя детализация усложняет исследование и может привести к потере критичности за счет учета дополнительных факторов, непринципиально влияющих на результаты исследования. В то же время излишнее укрупнение компонентов может привести к потере чувствительности за счет нераскрытия специфических свойств изучаемого процесса.
Пример 1. Пусть объектом исследования является токарный станок. В качестве компонентов станка будут рассматриваться станина, коробка скоро стей, коробка подач, суппорт, задняя бабка, а в качестве компонентов короб ки скоростей - корпус, вал, ось, шестерня, подшипник и т.д.
Пример 2. Компоненты технологического процесса - операции. В свою очередь, каждую операцию можно рассматривать как совокупность таких компонентов, как переходы.
Структурный аспект предполагает выявление структуры системы на основе обозначения связей компонентов.
Структура - это внутренняя форма системы, определяющая способ взаимодействия составляющих ее компонентов. Она зависит от параметров элементов системы, связывает и преобразует их, придавая целостность сис теме, и обусловливает возникновение новых качеств, не присущих отдель ным компонентам системы. Установление связей компонентов системы и их изучение является одним из центральных вопросов при анализе технических систем, так как на этой основе определяются технические решения по сис темной увязке элементов. Различают структуры:
- детерминированные, для которых взаимосвязи либо не меняются, либо меняются по некоторому закону, не относящемуся к теории вероятно сти;
-вероятностные, если взаимосвязи описываются законами теории ве роятности;
-хаотические, если взаимосвязи элементов непредсказуемы.
Особое значение для исследования системных свойств имеет анализ устой чивости структуры. Структура не сразу следует за изменениями характери стик компонентов, а в определенных границах остается постоянной, сохраняя тем самым систему в целом. Накопление количественных изменений внутри системы ведет к ее последующему развитию. Структура меняется скачком в результате накопления изменений в каждом из компонентов системы.
Связь - это отношение взаимной зависимости, обусловленности, общ ности между компонентами.
Выделяют прямые и обратные связи. Прямыми являются усиливающие, ослабляющие, ограничивающие, запаздывающие, селектирующие, преобра зующие связи.
Обратные связи могут быть положительные и отрицательные. Положи тельная обратная связь интенсифицирует исходный процесс (до тех пор, пока он не выйдет на соответствующее ограничение). Отрицательная обратная связь направлена на торможение процесса, поддерживания его в определен ных пределах, т.е. является регулирующим фактором, ослабляющим свое
действие, как только основной процесс спадает.
п
2) появляется возможность распределения работ между подразделе
ниями проектной организации; 3) упрощается формализация проектирования.
I уровень
II уровень
Ш уровень
Рис. 1.3. Уровни проектирования
На уровне J сложный объект S рассматривается как система из п взаи мосвязанных компонентов 5,. Каждый компонент в описании уровня И пред ставляет подсистему состоящую из т компонентов, и т.д.
1.5.2. Нисходящее и восходящее проектирование
Проектирование называется нисходящим, если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких уровней.
Если раньше выполняются этапы, связанные с низкими иерархически ми уровнями, проектирование называется восходящим.
Укаждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества
инедостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения о их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При вос ходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше систе мы и, следовательно, предположительный характер имеют требования к эле ментам. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной инфор мации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Однако нужно помнить, что подобные отклонения неизбежны при блочно-иерархическом подходе к проектированию и что ка кой-либо приемлемой альтернативы при проектировании сложных объектов не существует. Поэтому оптимальность результатов блочно-иерархического проектирования следует рассматривать с позиций технико-экономических показателей, включающих в себя, в частности, материальные и временные затраты на проектирование.
Поскольку принимаемые предположения могут не оправдаться, часто требуется повторное выполнение проектных процедур предыдущих этапов после выполнения проектных процедур последующих этапов. Такие повто рения обеспечивают последовательное приближение к оптимальным резуль татам и обусловливают итерационный (лат. iteration - повторение) характер проектирования. Следовательно, итерационность нужно относить к важным принципам проектирования сложных объектов.
На практике обычно сочетают восходящее и нисходящее проектирова ние. Например, восходящее проектирование имеет место на всех уровнях, где используются унифицированные элементы. Очевидно, что унифицированные элементы разрабатываются раньше, чем та или иная система из этого класса.
1.5.3. Аспекты проектирования
Кроме разделения описаний по степени подробности отражения свойств объекта, порождающего иерархические уровни, используют деком позицию описаний по различным аспектам. Наиболее крупными аспектами являются:
-функциональный;
-конструкторский;
-технологический.
Решение задач, связанных с преобразованием или получением описа ний, относящихся к этим аспектам, называют соответственно функциональ ным, конструкторским и технологическим проектированием.
Функциональное проектирование предназначено для отработки струк туры и функциональной схемы объекта при работе в реальной физической среде. Основу этапа функционального проектирования составляют физиче ские модели. Физическая модель определяется:
1)типом протекающих в объекте процессов (электрические, магнит ные, оптические, тепловые);
2)природой среды (электрическая, диэлектрическая, полупроводнико
вая);
3)структурой среды (непрерывная, дискретная, однородная или неод нородная), в которой происходят физические процессы;
4)типом рассматриваемого процесса (статический и динамический). Комбинации рассмотренных реквизитов определяют классификацию
физических моделей. Физическая модель основана на фундаментальных за конах физики. Дальнейшая интерпретация этих моделей на основе инженер ных знаний обеспечивает создание функциональных моделей, описывающих процессы, и необходимых для реализации проектных задач. Результатом функционального проектирования являются принципиальные, функциональ ные, структурные схемы и сопровождающая их документация. Автоматиза ция функционального проектирования осуществляется в рамках автоматизи рованной системы научных исследований (АСНИ) или CAE (Computer Aided Engineering - инженерный анализ с помощью компьютера).
17
1.4. Структура жизненного цикла технической системы
Под жизненным циклом технической системы (ТС) понимается струк тура процесса ее разработки, производства и эксплуатации, охватывающего время от возникновения идеи создания системы до снятия ее с эксплуатации. Жизненный цикл (рис. 1.2), как правило, включает в себя следующие фазы:
I. Формирование требований к системе и разработку технического за-
Рис. 1.2. Жизненный цикл технической системы
И. Проектирование (П).
III. Технологическую подготовку производства.
IV. Изготовление, испытание и доводку опытных образцов ТС. V. Серийное производство.
VI. Эксплуатацию, целевое применение.
Фазу I называют внешним проектированием. Здесь выясняются цели, ради достижения которых создается система, уточняется круг решаемых ею задач, исследуются свойства внешней среды, определяются характеристики ее воздействия на систему.
Фазу II называют внутренним проектированием. Здесь определяются структура системы, технические решения относительно ее компонентов, их конструкция, параметры, режимы эксплуатации и ремонта. Цель внутреннего проектирования состоит в разработке всей необходимой проектно-
PNRPU
конструкторской документации, составляющей рабочий проект системы, ко торый удовлетворяет требованиям внешнего проектирования.
Фаза III - технологическая подготовка производства, в период которой выполняется отработка компонентов системы и системы в целом на техноло гичность, определяются методы изготовления, проектируются технологиче ские процессы, разрабатываются и изготавливаются специальная оснастка и оборудование.
Вфазах I, II и III выполняются научно-исследовательские работы, в фа зах II, III и IV - опытно-конструкторские и технологические работы (ОКР); таким образом, в фазах I - IV проводится весь цикл научноисследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ (НИОКР).
Фаза IV завершает разработку системы. Далее идут фазы производства (изготовления) и эксплуатации.
Кроме рассмотренных фаз в жизненный цикл можно включить (как его продолжение) модернизацию (изменение сис'гемы соответственно требова ниям современности) и последующую эксплуатацию.
Вфазе II (внутреннее проектирование), в свою очередь, выделяют сле
дующие стадии проектирования:
1.Предварительное (предэскизное).
2.Эскизное.
3.Техническое.
4.Рабочее.
Названные стадии являются компонентами процесса проектирования с точки зрения системного подхода.
1.5.Разновидности проектирования
1.5.1.Блочно-иерархическая модель проектирования
Системно-компонентный и структурный подходы к объекту проекти рования предполагают расчленение объекта на компоненты и указание их связей.
При блочно-иерархическом подходе к проектированию на высшем уровне иерархии используется наименее детализированное представление, отражающее только общие черты и особенности проектируемого объекта. На следующих уровнях степень подробности рассмотрения возрастает; при этом объект рассматривается не в целом, а по отдельным компонентам.
Совокупность описаний некоторого уровня с постановками задач и ме тодами получения этих описаний называют иерархическим уровнем проек тирования (рис. 1.3).
Представление объекта в виде иерархической структуры имеет сле дующие преимущества:
1) оно легче воспринимается человеком;
15
Этапы конструкторского проектирования обеспечивают конструктор ское оформление всех решений, принимаемых на предыдущих этапах. При проектировании механических конструкций этот этап является центральным и предполагает использование функциональных моделей для проверки от дельных аспектов синтезируемых конструкторских решений. Конструктор ское проектирование автоматизируется с использованием системы автомати зированного проектирования изделий (САПР И). САПР И еше называют САПР конструктора.
Технологическое проектирование обеспечивает формирование техно логического процесса производетва объекта на основе конструкторской до кументации с учетом имеющегося оборудования, инструмента, оснастки и исходных заготовок. Автоматизированное проектирование ТП выполняется с использованием САПР технологических процессов (САПР ТП).
Необходимо отметить, что не всегда возникает необходимость выпол нения всех рассмотренных выше этапов проектных работ. Так, функциональ ное проектирование может иметь самостоятельное значение при синтезе тех нических решений, например в радиоэлектронике. И, как было отмечено, функциональные модели могут быть средствами оценки проектов, выпол няемых на других этапах, например средствами анализа аэродинамических свойств, тепловых режимов, вибрационных нагрузок при синтезе решений на конструкторском этапе.
Обязательными являются этапы конструкторского и технологического проектирования, поскольку на этих этапах формируется объект в конструк тивных элементах исполнения и выпускается комплект конструкторскотехнологической документации, необходимый для производства.
1.5.4. Эвристическое и алгоритмическое проектирование
Эвристические методы (греч. heureka - я нашел) разработаны для сти мулирования творчества проектировщика. В них определяющее значение имеют ассоциативные способности, интуитивное мышление и способы управления мышлением. Эти методы представляют собой упорядоченные в какой-то мере общие правила и рекомендации, помогающие решению твор ческих задач без предварительной оценки результатов. Смысл эвристических методов различен, но ни один из них не следует игнорировать.
Известно более трех десятков подобных методов, из которых наиболее широко применяются следующие; мозговой штурм, метод элементарных во просов, метод аналогий, метод «от целого к частному», наводящие операции. Эти методы использованы при формировании специального фонда эвристи ческих приемов, обеспечивающих преобразование прототипов проектируе мых объектов в искомые по техническому заданию.
Алгоритмические методы относительно формализованы. К этим мето дам относятся логические и математические алгоритмы, которые можно оп ределить как последовательность указаний, касающихся процедур решения задач. Они используют возможность дедукции (умозаключение от общего к
18
частному), стремятся к определению операций и их очередности, а также свя зей между операциями.
Авторы алгоритмических методов проектирования исходят из того, что конструктор всегда вполне осознает свои действия и их причины. Считается, что процесс проектирования может быть объяснен до конца, даже если сами практики и не в состоянии убедительно обосновать каждое из принимаемых ими решений.
Наиболее полно формализованные методы опираются на формальную логику и математическое моделирование. При проектировании эти методы наиболее успешно используются при создании концепций, т.е. области воз можных решений и при оптимизации конструкций технических средств. Ал горитмические методы облегчают применение ЭВМ при проектировании и конструировании.
В настоящее время проектировщики используют матрицы различных типов, графы зависимостей, сетки связей, метод элементарных комбинаций, структурные карты, методы оптимизации, таблицы решений и т.д.
Алгоритмические методы характеризуются следующими особенностя
ми:
-цели, переменные и критерии задаются заранее;
-поиску решения предшествует проведение анализа;
-оценка результатов дается в основном в словесной форме и строится на логике, а не на эксперименте;
-заранее фиксируется стратегия решения.
1.6. Принципы проектирования
Основным свойством современного проектирования мы назвали сис темность. Рассмотренное блочно-иерархическое представление, разделение проектирования по различным аспектам является результатом системно компонентного и структурного подхода. Далее был отмечен итерационный характер проектных процедур с целЬю получения оптимальных проектных решений. Проектирование также характеризуется многократным использова нием типовых проектных решений и процедур. Типовое проектное решение - это существующее проектное решение, многократно используемое при про ектировании. Например, это известные крепежные соединения, подшипники, технологические переходы, режущий и измерительный инструмент.
Проектная процедура (алгоритм нахождения проектных решений) на зывается типовой, если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов. Типовые проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа.
Синтез (греч. synthesis - соединение, сочетание, составление) - это создание, составление описания объекта проектирования, анализ (греч. analy sis - разложение, расчленение) - определение свойств и исследование рабо-
тоспособности объекта по его описанию, т.е. при синтезе создаются, а при анализе оцениваются проекты объектов.
Процедуры синтеза делятся на процедуры сгруктурного и параметри ческого синтеза. Целью структурного синтеза является определение структу ры объекта. Параметрический синтез заключается в определении значений параметров компонентов и объекта в целом для составленной структуры.
На рис. 1.4 представлена типичная последовательность проектных про цедур на одном из этапов нисходящего проектирования.
Рис. 1.4. Схема процесса проектирования