Л2 Теор. основы САПР
.docОСНОВЫ 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.