Файл: Системы автоматизированного проектирования технологических процессов..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 206
Скачиваний: 0
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
Пермский государственный технический университет
Е.Л. Евсин, JI.X. Зубаирова
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
2-е издание стереотипное
Допущено учебно-методическим объединением вузов по образованию
вобласти автоматизированного машиностроения (УМО AM)
вкачестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств»
Пермь 2005
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.