Методы проектирования

Под автоматизацией проектирования понимают систематическое использование компьютеров для решения технологических задач.

Различают проектирование трех видов: неавтоматизированное, автоматизированное и автоматическое. При неавтоматизированном проектировании все преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках осуществляет человек. При автоматизированном проектировании все вышесказанное осуществляется в результате взаимодействия человека и компьютера, а при автоматическом проектировании - без участия человека.

При автоматизированном проектировании проектировщик должен решать творческие задачи, а компьютер - задачи, функции которых связаны в основном с выполнением нетворческих или умственно-формальных процессов при проектировании.

Дальнейшее развитие теории проектирования и вычислительной техники позволяет постепенно передавать компьютеру (ЭВМ) решение и творческих задач.

Производительность труда технолога-проектировщика повышается:

1) совершенствованием системы проектирования, включая систематизацию самого процесса проектирования и улучшение труда проектировщиков;

2) комплексной автоматизацией нетворческих функций проектировщика в процессе проектирования;

3) разработкой имитационных моделей для автоматического воспроизведения деятельности человека, его способности принимать решения в условиях полной и частичной неопределенности создавшихся ситуаций.

По степени углубленности разработок различают несколько уровней проектирования:

разработку принципиальной схемы технологического процесса,

проектирование технологического маршрута обработки детали,

проектирование технологических операций,

разработку управляющих программ для оборудования с числовым программным управлением.

Технологический процесс механосборочного производства и его элементы являются дискретными, поэтому задача синтеза заключается в определении их структуры. Если среди вариантов структуры ищут наилучший в некотором смысле, то такую задачу синтеза называют структурной оптимизацией.

Расчёт оптимальных параметров технологического процесса или операции (перехода) при заданной структуре с позиции некоторого критерия называют параметрической оптимизацией. Возможности постановки и решения задач структурной оптимизации ограничены, поэтому под оптимизацией часто понимают только параметрическую оптимизацию. Следовательно, параметрическая оптимизация - это определение таких значений параметров х, при которых некоторая функция F(x), называемая целевой, или функцией эффективности, принимает экстремальное значение.

На каждом уровне процесс технологического проектирования (проектирование технологических процессов и их оснащение) представляется как решение совокупности задач (рис 5.1)

Рис 5.1. Схема процесса проектирования на i - м уровне

При решении технологической задачи взаимодействие технолога-проектировщика с ЭВМ представляет процесс обмена информацией в определенном режиме. Различают два основных режима пакетный (автоматический) и диалоговый (оперативный).

При пакетном режиме технолог-пользователь и программист, как правило, не имеют прямой связи с ЭВМ Тексты программ, результаты их проверки и решения технологической задачи передаются через оператора машине. Пакет прикладных программ представляет комплекс программ, работающих под управлением программы-монитора, и предназначенных для решения определенного класса близких друг другу технологических задач, например проектирование технологического маршрута обработки деталей определенного класса (группы), сборки узлов и сборочных операций заданного типа.

При оперативном режиме технолог-проектировщик - пользователь непосредственно связан с ЭВМ через индивидуальный терминал или абонентский пункт (пишущую машинку,телетайп, дисплей). Он получает сообщения ЭВМ достаточно быстро, через интервал времени, не нарушающий естественного хода его мысли. Диалоговый режим целесообразно применять тогда когда этот метод является единственным или он эффективен.

Диалоговый режим эффективен при решении творческих задач, когда требуется эвристический подход (распознавание геометрических образов деталей, размерных и топологических связей между элементарными геометрическими образами с целью оптимального выбора схем базирования, проектирования маршрута обработки, сборки и др.) Эти и многие другие задачи могут быть решены эффективно лишь путем синтеза творческих процессов человека и «способностей» машинных программ.

Вместе с тем при диалоговом режиме значительно увеличиваются затраты на создание программного обеспечения, возрастают затраты на проектирование Можно создавать пакеты программ, позволяющих накапливать опыт проектирования и формировать алгоритмы классификации генерирования понятий поведения. Поэтому возникла и решается задача создания автоматизированных систем проектирования технологических процессов в режиме диалога с последующим переходом к пакетному (автоматическому) режиму более высокого уровня путём использования программ обучения.

Характеристики и основные принципы создания системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП)

К числу наиболее сложных и наукоемких систем в современной технике относят системы автоматизированного проектирования (САПР), разработка которой включает следующие основные задачи:

1. анализ процессов технологического проектирования (разработка технологических процессов ТП и средств оснащения) алгоритмизация проектных задач на базе методов оптимизации, математического моделирования, дискретной математики, искусственного интеллекта;

2. разработка программных комплексов для решения задач проектирования производственных и технологических систем, создание программы САПР, включая выбор и адаптацию программных и технических средств, разработку операционных сред САПР.

Всё рассмотренное выше является комплексом задач, решаемых разработчиком САПР при участии специалиста в предметной области (технолога-машиностроителя).

При создании систем автоматизированного проектирования (САПР) в том числе проектирования технологических процессов, учитывая ряд положений.

САПР создается как система, в которой проектирование ведется с помощью ЭВМ.

САПР строится как открытая развивающаяся система. САПР разрабатывают продолжительное время, поэтому экономически целесообразно вводить её в эксплуатацию по частям по мере готовности. Созданный базовый вариант системы может расширяться. Кроме того, возможно появление новых, более совершенных математических моделей и программ, обновляются также и объекты проектирования.

САПР создается как иерархическая система, реализующая комплексный подход к автоматизации на всех уровнях проектирования. Так, в САПР технологических процессов обычно включают подсистемы структурного, рационально-логического и элементного проектирования (разработки принципиальной схемы технологического процесса проектирования маршрута, проектирования операции, разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ) Иерархическое построение САПР относится также к специальному программному обеспечению и к техническим средствам (центральный вычислительный компьютер и автоматизированные рабочие места).

САПР представляет собой совокупность информационно-согласованных подсистем. Обслуживание всех или большинства последовательно решаемых задач ведется информационно-согласованными программами. Плохая информационная согласованность приводит к тому, что САПР превращается в совокупность автономных программ.

САПР должна быть инвариантной системой, т.е. универсальной или типовой. Структурными частями САПР являются подсистемы Система - выделяемая часть системы, с помощью которой можно получить законченные результаты проектирования. Каждая подсистема содержит элементы обеспечения. Предусматриваются следующие обеспечения автоматизированного (автоматического) проектирования:

методическое обеспечение - совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования,

информационное обеспечение - совокупность сведений, необходимых для выполнения проектирования, представленных в заданной форме

математическое обеспечение - совокупность математических методов математических моделей и алгоритмов, необходимых для проектирования, представленных в заданной форме,

лингвистическое обеспечение - совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для проектирования, представленных в заданной форме,

программное обеспечение - совокупность машинных программ, необходимых для проектирования, представленных в заданной форме, программное обеспечение делят на две части

1) общее программное обеспечение (операционная система), которое необходимо для функционирования ЭВМ,

2) специальное программное обеспечение, которое включает все программы решения конкретных проектных задач,

техническое обеспечение - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для проектирования. К техническому обеспечению предъявляются следующие требования достаточность вычислительных ресурсов (производительность и ёмкость памяти) для решения всех основных проектных задач, приближенность к рабочим местам проектировщиков, создание дружественного интерфейса пользователь-ЭВМ, обеспечение коллективного выполнения проектирования. Главное направление ускорения вычислений в современных ЭВМ - распараллеливание вычислений. Высокопроизводительные вычисления требуются, в частности, для обработки графической информации в интерактивном (в реальном масштабе времени) режиме при разработке конструкторско-технологической документации,

организационное обеспечение - совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и её подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения проектирования.

Основные виды перечисленных обеспечений требуют разработки баз данных и, как следствие, их дальнейшего развития и интеллектуализации - разработку баз знании

База данных (БД) - структурированная совокупность данных. Наименьшая единица описания данных называется элементом описания. Совокупность элементов описания, объединенных отношением принадлежности к одному описываемому объекту, называемому записью. Если элементы описания соответствуют отдельным свойствам объекта, то запись описывает объект в целом. Например, код типа операции, логическая функция, коэффициент разветвления в совокупности составляют запись и описывают свойства конкретного объекта - технологической операции.

Система управления базами данных (СУБД) состоит из языковых и программных средств, предназначенных для создания и использования базы данных прикладными программами, а также непосредственно пользователями-непрограммистами.

Банк данных (БНД) - совокупность базы данных и системы управления базами данных (например, нормативно-технологическая информация)

Переход от данных к знаниям - логическое следствие развития и усложнения информационных структур, обрабатываемых на ЭВМ (например, методики выбора маршрутов обработки, параметров технологических операций и т.д.). Основными отличиями знаний и данных являются

1) интерпретируемость означает то, что данные, помещенные в ЭВМ, могут содержательно интерпретироваться лишь соответствующими программами. В отрыве от программы данные не несут никакой содержательной информации. Знания отличаются тем, что возможность содержательной интерпретации присутствует в них всегда;

2) наличие классифицирующих отношений заключается в следующем: несмотря на разнообразие форм хранения данных, возможности компактного описания всех связей между различными типами данных ограничены;

3) ситуативные связи определяют ситуативную совместимость отдельных событий или фактов, хранимых или вводимых в память, и позволяют строить процедуры анализа знаний.

При автоматизированном проектировании оптимальных технологических процессов механосборочного производства нужно учитывать:

1) системность автоматизированного проектирования на основе характера и взаимосвязи факторов, влияющих на построение технологического процесса, определяющих обеспечение заданного качества изготовляемых изделий и экономическую эффективность разрабатываемой технологии;

2) оптимизацию проектируемого технологического процесса, предусматривающую комплексную взаимосвязь его структуры, параметров качества изготовляемого изделия и режимов обработки;

3) рациональное сочетание типовых и индивидуальных технологических решений на всех уровнях проектирования.

Повышение уровня типизации, унификации и стандартизации при разработке технологических процессов во многом определяет эффективность автоматизированного проектирования.

Автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП) включает проектирование технологических процессов, как заготовительного производства, так и обработки резанием и сборки, проектирование технологической оснасти, специального инструмента и нестандартного оборудования.

Под рабочим процессом в информационной системе понимают преобразование входных данных в выходные. В данной подсистем это означает преобразование информации с детали, представленной в виде чертежа, в технологическую документацию. Обычно этот процесс включает:

· разработку принципиальной схемы технологического процесса, проектирование технологического маршрута обработки детали;

· проектирование технологических операций с выбором оборудования, приспособления и инструмента, а также с назначением режимов резания и норм времени, разработку управляющих программ для станков с ЧПУ;

· расчет технико-экономических показателей технологических процессов;

· разработку необходимой технологической документации

Непосредственное участие проектировщика позволяет принимать решения об оптимальном распределений функций между ЭВМ и человеком Другим важным и необходимым элементом рабочего процесса является информационное обеспечение - характеристика обрабатываемых материалов, каталоги станочного оборудования, режущего и измерительного инструмента и т д.

Функционирует множество систем проектирования ТП:

· информационно-поисковые системы основанные на адресации деталей к инфицированным ТП (типовым и групповым ТП) которая позволяет формировать базы данных по технологическому оснащению типовым деталям и т.п.;

· большая группа систем основана на синтезе структуры ТП из обобщённой структуры.

Автоматизированное проектирование технологических процессов сборки машин наиболее эффективно в диалоговом режиме. Это обусловлено тем, что в машиностроении существует большое многообразие изделий и сборочных единиц, которые отличаются составом деталей, способами и последовательностью их соединения, а также организационной формой процесса сборки. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов сборки (САПР ТПС) в пакетном режиме без участия технолога не могут охватить всю номенклатуру изделий машиностроительного предприятия. Диалоговый же режим позволяет проектировать технологические процессы сборки для сборочных единиц любого типа при любой организационной форме сборочного процесса.

Автоматизированное проектирование технологических процессов сборки в диалоговом режиме включает следующие этапы:

1) ввод исходных данных, содержащих сведения об изделии и сборочных единицах;

2) ввод общих сведений на проектируемый технологический процесс;

3) формирование структуры технологического процесса

сборки;

4) выбор оборудования и средств технологического оснащения;

5) настройка параметров технологического процесса;

6) формирование текстовой и графической технологической документации.

Рассмотрим основные этапы проектирования технологического процесса сборки на примере подсистемы САПР ТПС, которая входит в учебно-исследовательскую интегрированную автоматизированную систему технологической подготовки производства «КАСКАД», созданную на кафедре «Технология машиностроения» Белорусско-Российского университета.