Основные цели автоматизации инженерной подготовки производства и средства их достижения

Технические системы предназначены для удовлетворения личных или общественных потребностей, определяющих цели, для достижения которых создается та или иная система. В качестве целей обычно выступает изменение таких характеристик, как трудоемкость, себестоимость, длительность цикла процесса, качество изделия и т.п. Целевое назначение системы реализуется посредством ее технических функций, которые характеризуют способность преобразовывать вход в выход. Цель находится с техническим посредством ее реализации в отношении «цель–средство».

При создании любой технической системы необходимо стремиться к экономии трех категорий трудозатрат: прошлого, или овеществленного, труда, настоящего, или живого, труда и будущего труда, связанного с развитием системы.

Основной целью создания систем компьютеризации инженерной деятельности (СКИД) является экономия живого труда проектировщиков, конструкторов, технологов для повышения эффективности процесса проектирования и планирования, а также улучшение качества результатов этой деятельности.

Однако экономия живого труда инженеров должна достигаться не любой ценой, а с учетом необходимости экономии труда, вложенного в программные средства ее разработчиками. Кроме того, каждая система имеет определенный жизненный цикл возникновения, развития и снятия с эксплуатации. Поэтому необходимо учитывать трудозатраты и на внедрение и совершенствование системы.

Проводя аналогию с материальным производством, можно сказать, что в области автоматизации инженерного труда имеется основное производство, связанное с разработкой конструкторских и технологических проектов, и вспомогательное производство, связанное с созданием и сопровождением собственных программных средств.

В связи с этим цели компьютеризации инженерной деятельности следует разбить на две группы: основные и вспомогательные.

Основные цели компьютеризации инженерной деятельности связаны с улучшением качества, сокращением трудоемкости, себестоимости и длительности цикла «проектирование–изготовление», а также затрат на натурное моделирование проектируемых объектов.

Трудоемкость проектирования измеряется чистым временем в человеко-часах, затрачиваемых на разработку и корректировку технической документации, без учета ожиданий по организационно-техническим причинам.

Для достижения цели сокращения трудоемкости необходимо располагать средствами автоматизации оформления графической и текстовой документации, средствами информационной поддержки и автоматизации принятия решений.

Исторически САПР начинались как средства автоматизации оформления графической и текстовой документации. На этом пути возникли графические редакторы, а также специализированные текстовые редакторы для оформления технологической документации.

Операции процесса проектирования можно разбить на два класса: рутинные (нетворческие) и творческие. К числу рутинных относятся расчеты по известным методикам, оформление технической документации, а также поиск информации, необходимой для выполнения процесса проектирования. Рутинные операции занимают не менее 70–75% общей трудоемкости проектирования. Поэтому СКИД должны обеспечить, прежде всего, снижение трудоемкости именно этих операций за счет использования наиболее характерных свойств информационно-вычислительных систем: хранение и быстрой обработки больших массивов данных, а также быстродействующих устройств вывода текстовой и графической информации.

Автоматизировать в полном объеме творческие операции не представляется возможным. Однако современные методы искусственного интеллекта, использующие в своей работе базы знаний, позволяют оказывать инженеру существенную помощь в принятии решений, предлагая ему на выбор допустимые альтернативы в местах, не поддающихся формализации.

Итак, для достижения максимально возможного сокращения трудоемкости проектирования системы компьютеризации инженерной деятельности должны быть интеллектуальными.

В концептуальном плане можно провести полезную аналогию между автоматизированным проектированием и строительством. Трудоемкость и себестоимость строительства зависят от используемых строительных материалов. Такими материалами могут быть бетон, кирпич, блоки, панели и целые строительные модули, например оснащенные ванные комнаты. Чем крупнее элемент, тем быстрее и дешевле строительство, но меньше простора для архитектурного и дизайнерского творчества.

При использовании бетона неделимым элементом является песчинка. Поэтому из бетона можно получать строения с причудливой скульптурной формой, однако процесс этот весьма трудоемок. В СКИД подобными «песчинками» являются геометрические элементы: точки, прямые, окружности, поверхности и т.д. До уровня таких элементов приходится опускаться, когда отсутствуют инженерные знания по синтезу более крупных конструктивных элементов.

Архитектурно-строительные возможности кирпича меньше, чем у бетона, однако он позволяет с удовлетворительной трудоемкостью создавать великолепные дворцы. В автоматизированном проектировании аналогом «кирпичей» являются функциональные (концептуальные) элементы деталей, информация о которых содержится в конструкторских справочниках. Эти элементы делятся на три класса: конструкторские, технологические и информационные.

К числу конструкторских элементов относятся рабочие, присоединительные и промежуточные элементы.

Функции рабочих элементов заключаются в обеспечении взаимодействия изделия со средой. Присоединительные рабочие элементы необходимы для формирования сборочных единиц. Промежуточные рабочие элементы обеспечивают целостность, прочность, жесткость, гладкость поверхностей и уменьшение массы деталей.

Технологические элементы деталей необходимы для обеспечения базирования их в процессе обработки, а также для выхода инструмента в конце прохода обработки и облегчения сборки изделия.

Последний класс функциональных элементов деталей составляют информационные элементы (таблички, надписи, указатели), предназначенные для обеспечения человека необходимой информацией.

Функциональные элементы деталей в совокупности со знаниями о технологии их изготовления формируют конструкторско-технологические модули, необходимые для автоматизированной генерации технологических процессов.

Аналогом крупноблочного строительства в СКИД является использование стандартных и унифицированных деталей. Такие детали имеют фиксированную структуру, то есть набор функциональных элементов и связей между ними. Также как и элементы, они обладают параметризованными геометрическими и графическими моделями, а также базами знаний по их геометрическому синтезу. Стандартные детали, кроме того, имеют базы данных, содержащие допустимые наборы значений параметров. К числу стандартных деталей относятся, например, крепежные, а унифицированными в редукторах могут быть зубчатые колеса, валы-шестерни и промежуточные валы.

«Панельное строительство» конструкций осуществляется с помощью унифицированных узлов. Например, применительно к редукторам, в их число входят узлы валов быстроходных, промежуточных и тихоходных.

Подобные узлы должны обладать базами знаний по структурному и параметрическому синтезу.

Наконец, самыми крупными строительными компонентами при автоматизированном проектировании являются комплектующие сборочные единицы, унифицированные изделия (собственного изготовления и покупные).

Очевидно, что минимальная трудоемкость достигает в случае, когда минимальному набору исходных данных инженер с помощью СКИД может автоматически сгенерировать интересующий его проект. В данном случае зубчатое колесо представляет собой интеллектуальный объект или агент, который обладает знаниями о функциональных зависимостях между своими параметрами и геометрическими знаниями о вариантах своей конструкции. Желательно, чтобы интеллектуальными были объекты как можно более высокого уровня из числа перечисленных выше. Например, подобным агентом может быть редуктор, в состав узлов которого входит зубчатое колесо. В таком случае деталировщику не нужно будет даже вводить исходные данные: они будут получены от вышестоящего объекта.

Длительность цикла измеряется календарным временем от получения задания до его завершения с учетом всех ожиданий по организационно-техническим причинам. Сокращение длительности цикла «проектирование– изготовление» обеспечивается применением средств совмещенного проектирования (concurrent engineering) и виртуальных бюро.

Совмещенное проектирование дает возможность максимального параллелизации процессов проектирования. Каждый специалист приступает к работе над проектом, как только в системе появляются необходимые ему исходные данные.

Для реализации совмещенного проектирования необходимо создание интегрированных систем. Интеграция – это вторая основная концепция систем компьютеризации инженерной деятельности в XXI веке. Для ее воплощения необходимо использование единой концептуальной конструкторско-технологической модели данных.

Третья основная концепция систем XXI века – индивидуализация. Эта концепция направлена на минимизацию экономического показателя: отношение стоимости программно-технических средств к эффективности системы. Для достижения оптимума каждое рабочее место, имеющее определенное функциональное назначение, должно быть оснащено техническими средствами, обладающими производительностью, потребной для выполнения этого назначения, а также необходимыми и достаточными программными средствами. Последнее означает, что персональные компьютеры должны иметь и персональные программные средства.