1.5 Системний підход до автоматизації проектування та створення сапр

Автоматизоване проектування

Технічний рівень і якість створюваних машин, систем зумовлюються в ході проектних, конструкторських і технологічних розробок. При цьому слід враховувати, що за останні роки різко зросла складність і трудомісткість проектованих виробів при вимушеному обмеженні термінів проектування, що приводить іноді до недостатньо глибокому опрацьовуванню проектів.

Тому необхідне широке застосування обчислювальної техніки для вирішення проектних завдань. Застосування обчислювальних машин для вирішення окремих завдань проектування почалося майже одночасно з появою ЕОМ. Зазвичай у кожному конкретному випадку інженер сам складав наново програму рішення, використовуючи традиційні методи проектування. Оскільки останні розроблялися для ручного застосування, то їх перекладення для машинного виконання не могло дати принципово нічого нового і привести до досягнення тих цілей, які в даний час ставляться перед автоматизованим проектуванням. Тому таке застосування ЕОМ для вирішення інженерних завдань ще не слід вважати автоматизацією проектування.

Під автоматизацією проектування розумітимемо систематичне застосування ЕОМ в процесі проектування при раціональному розподілі функцій між проектувальником і ЕОМ і при науково обгрунтованому виборі методів вирішення завдань на ЕОМ.

Раціональний розподіл функцій між людиною і ЕОМ має на увазі, що людина повинна вирішувати завдання, що носять творчий характер, а ЕОМ - завдання, що задовольняють вимогам можливості алгоритмізації і більшої ефективності виконання алгоритму на ЕОМ в порівнянні з ручним рішенням.

Обгрунтований вибір методів машинного вирішення завдань проектування має на увазі правильний облік можливостей обчислювальної математики і обчислювальної техніки для забезпечення прийнятного компромісу між вимогами вищої точності, ступені універсальності, малих витрат машинного часу, пам'яті, а також праці інженера-проектувальника на збір початкової інформації.

Перехід до вирішення завдань на ЕОМ дозволяє зняти багато спрощень і припущення, використовуваних в методиках ручного вирішення проектних завдань.

Визначення і завдання САПР

С А П Р - це організаційно-технічна система, що складається з комплексу засобів автоматизації проектування, що взаємодіє з підрозділами проектної організації, і що виконує автоматизоване проектування.

Функціонування системи здійснюється в процесі взаємодії комплексу з колективом розробників, а також з колективом обслуговуючого персоналу, що забезпечує працездатність і розвиток системи.

Основна функція САПР – здійснення автоматизованого проектування на всіх або окремих стадіях проектування об'єктів і їх складників на основі застосування математичних і інших моделей, автоматизованих процедур і засобів обчислювальної техніки.

САПР, в яких інформаційно і організаційно об'єднані всі стадії розробки проекту від введення первинного опису до видачі проекту з необхідним комплексом документації, називаються інтегрованими.

Завданням САПР є максимально можлива автоматизація значної частини процесів, що реалізовують проектування складних об'єктів, але і таких як:

- накопичення і обробка інформації про проектований об'єкт і його підсистеми;

- розробка варіантів проектних рішень;

- відбір раціональних варіантів для подальшого опрацьовування;

- оформлення рішень і передача їх нижні рівні для подальшої деталізації і на верхні рівні для здійснення контролю і ухвалення рішень;

- випуск технічної документації;

• управління ходом процесу розробки проектованого об'єкту.

Цілі створення і призначення САПР.

Метою створення САПР є підвищення якості і техніко-економічного рівня проектованих об'єктів, підвищення продуктивності праці проектувальників, скорочення термінів, зменшення вартості і трудомісткості проектування

САПР призначені для виконання проектних операцій (процедур) в автоматизованому режимі. САПР створюються в проектних, конструкторських, технологічних і інших організаціях і на підприємствах з метою:

• підвищення якості і техніко-економічного рівня проектованої продукції, що випускається;

• підвищення ефективності об'єктів проектування, зменшення витрат на їх створення і експлуатацію;

• скорочення термінів, зменшення трудомісткості проектування і підвищення якості проектної документації.

Досягнення вказаних цілей створення САПР можливо за умов:

• систематизації і вдосконалення процесів проектування на основі застосування математичних методів і засобів обчислювальної техніки;

• комплексній автоматизації проектних робіт в проектній організації з необхідною перебудовою її структури і кадрового складу;

• підвищення якості управління проектування;

• застосування ефективних математичних моделей проектованих об'єктів, комплектуючих виробів і матеріалів;

• використання методів багатоваріантного проектування і оптимізації;

• автоматизації трудомістких і рутинних проектних робіт;

• заміни натурних випробувань і макетування математичним моделюванням;

• створення єдиних банків даних, що містять систематизовані відомості довідкового характеру, необхідні для автоматизованого проектування;

• уніфікації і стандартизації методів проектування.

Як закінчений виріб САПР складається з:

• технічних засобів, що забезпечують автоматизоване отримання проектних рішень;

• програм, керівників роботою технічних засобів і що виконують проектні процедури;

• даних, необхідних для виконання програм;

• документації, що містить всі необхідні відомості для виконання автоматизованого проектування з допомогою САПР.

До достоїнств САПР можна віднести:

• спрощення вироблення оптимального конструктивного рішення, а тим самим зниження вартості виробництва, експлуатації і досягнення вищої якості машин і апаратів;

• підвищення ступеня безпеки і надійності машин в результаті застосування точніших математичних моделей і інженерних методів при розробці окремих вузлів конструкції;

• значне скорочення періоду проектування, що впливає на зменшення витрат і зростання продуктивності конструкторського бюро;

• звільнення проектувальників від нетворчої роботи, завдяки чому можна краще використовувати їх творчий потенціал і підвищувати ефективність роботи;

• розширення області застосування готових проектних рішень завдяки використанню комп'ютерних баз даних;

• проведення поглиблених досліджень на етапі проектування.

Рисунок 1.6 - Процес автоматизації системного проектування та створення САПР

Рисунок 1.7 - Процес підвищення ефективності проектних процесів та якості проектних рішень

Наведемо дві основні проблеми, які мають місце під час системного проектування:

• процес автоматизації системного проектування та створення САПР (рис.1.6);

• процес підвищення ефективності проектних процесів та якості проектних рішень (рис. 1.7).

Складові системного підходу

Як узагальнений алгоритм системний підхід реалізується в три великі етапи:

• систематизація (цілей, задач, моделей, методів і т. д.) на основі проведення класифікації та впорядкування (декомпозиції);

• використання формалізованого поняття «система» (< вхід > — < перетворення > — < вихід >) та прове­дення математичних і комп'ютерних експериментів;

• застосування методології цілеорієнтування системи < цілі > ↔ < засоби >, що деталізується в більш кон­кретну структуру < цілі > ↔ < задачі моделі > ↔ < ме­тоди, алгоритми >↔< програмно-технічні засоби >.

Враховуючи те, що традиційні методи розв'язання задач систематизації загальновідомі, зупинимось на розгляді дру­гого етапу.

Для опису системи мають бути точно визначені категорії І поняття, що дають змогу уявити її через формальні засоби. з одного боку, система — це відокремлена частина середовища, яка може бути розглянута як окремий об'єкт, що виконує визначені функції; з іншого — це сукупність еле­ментів і зв'язків між ними.

Іноді елементи системи можуть розчленовуватись на більш «дрібні» елементи. Такий внутрішній розподіл систе­ми на елементи і зв'язки дає змогу спростити процес ство­рення чи дослідження системи.

Під час створення (дослідження) системи відповідно до системного підходу слід використовувати поняття «цілеорієнтованість», що розуміє проходження визначеної цілі протягом усього процесу створення чи дослідження.

Реалізація методології системного підходу дає можливість представити модельовані процеси у вигляді деякої сукупності моделей:

• «частина—ціле», тобто машинобудівна модель (морфо­логічна структура), що відображає властивості будови системи — машини, пристрою, агрегата, виробу і т. д. (цільова категорія);

• функціонування — модель динаміки, що відображає властивості (стійкість, оптимальність, надійність і т. д.) функціонування як процесу досягнення цілей;

• витрати ресурсів — модель ресурсної динаміки (про­цесів використання — експлуатації);

• модель розвитку (адаптація, пристосування, самоор­ганізація, функціонування з використанням усіх видів змін, спрямованих на підтримку працездатності (зна­чень величин, параметрів структури, функції, мети і т. д.).

Слід зазначити, що вся сукупність відношень як у межах кожної моделі, так і між моделями може бути подана у ви­гляді системної моделі. Наприклад, процес побудови (роз­бирання) складного виробу з погляду цілепокладання (ціледосягнення) можна представити моделлю у вигляді деякої деревоподібної мережі — графу, що складається з ребер відношень частина—ціле, результатів застосування операції об'єднання (збирання):

Е = U Еi ,

i  I

де i пробігає індексну множину I, що є сукупністю об'єдна­них частин Еi у ціле (систему виробу).

Для складної машинобудівної конструкції характерна «багатоярусна піраміда», що може бути основою побудови інформаційної (комп'ютерної) моделі. Наприклад, у робо­тизованому виробництві найвищий рівень автоматизації по­лягає в тому, що робот-автомат повинен «знати» лише кінцевий результат — зібрану конструкцію. Сам же процес збирання реалізується за допомогою алгоритму, який має визначатися після виконання кожної операції.

Поки що мова йшла про неорієнтоване дерево.

Відомо, що якщо стрілки на ребрах спрямовані в бік ко­реневої вершини — це модель збирання (композиції). Якщо ж стрілки спрямовані в протилежний бік — це процес роз­бирання (декомпозиції) і як результат — модель складу сис­теми або її структур.

Зазначена модель відображає тільки сукупність фактів. Якщо нас цікавить більш докладна інформація, то маємо поопераційну модель, що відображає деякі підсумкові ха­рактеристики, так звану укрупнену динаміку процесу зби­рання об'єкта автоматизації. Моделлю такого процесу може слугувати мережна модель «гамачного» типу, що використо­вується у відомих системах РЕRТ (американський сітковий графік). Ця модель дає змогу описати послідовність робіт (подій) — вершини і поєднуючі їх ребра — переходів із по­значенням затрачуваного ресурсу (часу, грошей, трудоресурсів ) на кожному з них. Використовуючи поняття шляхів на сітковому графіку як деякі послідовності переходів, у то­му числі «початок процесу» і «кінець процесу», можна виділити шляхи, що володіють властивостями оптималь-ності, припустимості, бажаності і т. д.:

n

Lk = ∑ l _ki => opt

i=1

де l _ki , — елементарні ребра, сукупності ребер, підшляхи.

При цьому можна здійснювати процеси планування (цілепокладання побудови мережі) і керування (ціледосягнення) реалізацією заданих переходів уздовж шляху, що володіє заданими властивостями. Так описуються логічні, а не фізичні процеси, які можуть супроводжувати роботизо-наний процес.

Завершує логічну інтерпретацію автоматизованого про­цесу так звана алгоритмічна модель (французький сітковий графік) — послідовність операторів, що здійснюють опе­рації і використовують плановий ресурс, наприклад час (динамічна інтерпретація).

Моделі фізичних процесів керування, тобто моделі функціонування технологічного устаткування, що реалізує матеріальну технологію автоматизованого виробництва, мо­жуть бути такі:

• роботи-маніпулятори — пристосування, оснащення, інструменти, вироби, що збираються, й устаткування для реалізації інформаційних технологій;

• ЕОМ технологічного застосування — реальний час, засо­ би з'єднання з робототехнічним комплексом і людиною.