Основные сведения об автоматизированном проектировании.

Качество проектирования в значительной степени определяет темпы технического прогресса.

Прогресс производства в современных условиях связывают с достижениями в области автоматизации производства. Поскольку проектирование и разработка технологии являются ступенью производства (логическим уровнем), то прогресс на этой ступени также должен определяться автоматизацией.

При неавтоматизированном проектировании результаты во многом определяются инженерной подготовкой конструкторов, их производственным опытом, профессиональной интуицией и другими факторами.

Автоматизированное проектирование позволяет значительно сократить субъективизм при принятии решений, повысить точность расчетов, выбрать наилучшие варианты для реализации на основе строгого математического анализа всех или большинства вариантов проекта с оценкой технических, технологических и экономических характеристик производства и эксплуатации проектируемого объекта, значительно повысить качество конструкторской документации, существенно сократить сроки проектирования и передачи конструкторской документации в производство, эффективнее использовать технологическое оборудование с программным управлением.

Автоматизация проектирования способствует более полному использованию унифицированных изделий в качестве стандартных компонентов проектируемого объекта.

Применение ЭВМ при проектировании различных объектов с течением времени претерпевает значительные изменения. С появлением вычислительной техники был сделан переход от традиционных “ручных” методов проектирования к реализации отдельных задач проектирования на ЭВМ. Этот подход, характеризовавший использование ЭВМ на первом этапе, носит название “позадачного” и заключается в том, что каждая вновь возникающая задача решается с помощью автономно создаваемой программы, которая функционируем независимо от других программ данной предметной области.

Коренной недостаток такого подхода заключается в том, что подобные программы строятся по принципу “натурального хозяйства”, когда для решения отдельной задачи требуется полная подготовка вспомогательных средств (технических, информационных, программных и т.д.. Поскольку проектирование объекта, как правило, предполагает и его оптимизацию, то машинная программа в этом случае представляет “симбиоз” модели проектируемого объекта и некоторого алгоритма оптимизации. Естественно, что в этом случае ни модель, ни алгоритм оптимизации не могут использоваться для других целей (например, чтобы провести оптимизацию модели трансформатора с помощью другого алгоритма, необходимо разработать новую программу).

Однако применение ЭВМ на этом этапе, несмотря на отмеченный недостаток, позволило перейти от упрощенных методов расчета и проектирования с субъективным выбором “лучшего” варианта к научно обоснованным методам, обеспечивающим рассмотрение всего многообразия технически приемлемых вариантов с учетом заданных условий и ограничений и объективный выбор среди них оптимального.

По мере совершенствования ЭВМ акцент в использовании вычислительной техники постепенно смещался от факта применения ЭВМ в качестве электронного арифмометра в сторону более эффективного и производительного использования ЭВМ в системах с режимом “ЭВМ — человек”.

С появлением вычислительной техники новых поколений и совершенствованием методов ее использования наметился новый системный подход к организации процесса проектирования на ЭВМ, заключающийся в создании крупных программных комплексов в виде пакетов программ (ПП) и САПР, ориентированных на определенный класс задач. Такие комплексы строятся по модульному принципу с универсальными информационными и управляющими связями между модулями, при решении задач данного класса используются единые информационные массивы, организованные в банки данных.

Объединение нескольких ПП в единую систему, предназначенную для реализации вполне определенных функций, позволяет говорить о новом, более высоком уровне в иерархии программных комплексов, т.е. САПР. При этом качественные изменения претерпевают и организация информационного, технического и других видов обеспечения, и, что особенно важно, условия обмена информацией между человеком и ЭВМ. Как правило, эти изменения направлены на повышение гибкости и универсальности системы, улучшение характеристик взаимодействия проектировщика с ЭВМ, повышение качества получаемого результата и снижение времени его получения. Собственно САПР могут в качестве подсистемы входить в системы более высокого уровня, например АСУП (автоматизированных систем управления производством).

Дадим формальное определение САПР, определяющее ее главные особенности: САПР — человеко-машинная система, использующая современные математические методы, средства электронно-вычислительной техники и связи, а также новые организационные принципы проектирования для нахождения и практической реализации наиболее эффективного проектного решения существующего объекта.

Процесс проектирования на базе САПР можно разделить на следующие укрупненные этапы:

1. Поиск принципиальных проектных решений.

2. Разработка эскизного варианта конструкции и его оптимизация.

3. Уточнение и доработка выбранного варианта конструкции, выполнение полного детального расчета.

4. Разработка полного комплекта чертежей.

Особенности этих этапов определяют эффективность применения ЭВМ на каждом из них. На первом этапе значительна роль эвристических действий. Полная автоматизация этого этапа возможна лишь в некоторых специальных случаях. Применение ЭВМ здесь наиболее целесообразно и эффективно при организации диалога между конструктором и ЭВМ, где конструктору отводятся функции выбора и принятия решений, а ЭВМ — выполнение действий по заданным алгоритмам, прежде всего представлении необходимой информации и ее обработка в соответствии с заданием.

На втором этапе, где рассматриваются различные конструктивные решения с выполнением большого количества операций расчета и оптимизации, целесообразно использование ЭВМ путем создания систем диалога с запрограммированным процессом конструирования и расчетной оптимизации, при этом сам конструктор направляет поиск оптимального варианта конструкции и принимает решения на основании выполненных расчетов.

Поскольку третий и четвертый этапы требуют самых значительных затрат времени и средств (до 60%), причем расчетно-конструкторская деятельность на этих этапах достаточно просто алгоритмизируется, целесообразно применение на этих этапах ЭВМ в комплексе со средствами ввода-вывода графической информации.

Сложным объектом проектирования считается изделие или сооружение, которое характеризуется следующими признаками:

· состоит из большого количества элементов (деталей конструкции и комплектующих изделий);

· отличается противоречивостью требований, предъявляемых к его качествам;

· отличается неразработанностью формализованных зависимостей показателей его качеств от принимаемых решений или отсутствием однозначных критериев оценки этих решений;

· имеет совокупность свойств, определяемых не только свойствами элементов, но и характером взаимодействия между элементами;

· отличается новизной технических решений;

· предназначается для эксплуатации в составе многокомпонентной системы или в меняющихся (не вполне определенными образом) условиях;

· изготавливается с привлечением большого числа предприятий или с использованием индивидуальной технологии.

Очень высокие требования предъявляются и к конкретному проектировщику или группе проектировщиков сложного технического объекта. В настоящее время продолжительность проектирования большинства сложных объектов превышает разумные пределы, определяемы сроками морального износа, утратой конкурентоспособности изделий и др. Поскольку сложность объектов будет возрастать, а время проектирования должно сокращаться, можно сделать вывод, что единственной разумной альтернативой неавтоматизированному проектированию может быть широкое использование САПР.

Основываясь на рассмотрении процесса проектирования различных сложных объектов и существа решаемых при этом проектных и проектно-технологических задач, можно утверждать, что системы автоматизированного проектирования должны:

1. Автоматически выявлять наилучшие проектные и проектно-технологические решения во всех случаях, когда оптимизационные задачи поддаются формализации.

2. Автоматически вводить в процессе работы системы информации во все взаимосвязанные программы, использующие соответствующую информацию в качестве исходной.

3. Автоматически проверять совместимость решений, принимаемых по разным частям и элементам проектируемого объекта, и осуществлять (когда это возможно) корректировку несовместимых решений без учета проектировщика.

4. Автоматически выдавать в привычной для проектировщика форме некоторые промежуточные результаты.

5. Выдавать любые промежуточные результаты по запросу проектировщика.

6. Предоставлять проектировщику возможность вносить произвольные коррективы в первоначально принятые системой решения.

7. Давать возможность изолированного решения отдельных задач по задаваемым проектировщиком исходным данным.

8. Накапливать опыт проектирования.

9. Выдавать по запросу любые сведения, хранящиеся в банке данных системы.

10. Обеспечивать возможность совершенствования и развития системы без ее коренной переделки.

Все эти требования могут быть сведены к двум важнейшим качествам системы: информированность и адекватность. Именно они практически полностью определяют успех внедрения и эксплуатации САПР.

Структура САПР

Система автоматизированного проектирования представляет собой организационно-технический комплекс, состоящий из большого числа подсистем и компонентов. Подсистемы являются основными структурными звеньями САПР и различаются по назначению и по отношению к объекту проектирования.

Существующий отечественный и зарубежный опыт в области автоматизации проектирования свидетельствует о том, что разработка, внедрение и эффективное использование программных комплексов, предназначенных для автоматизации процесса проектирования и реализуемых на базе современных ЭВМ, требуют комплексного решения широкого спектра проблем: организационных, технических, математических, программных, лингвистических, информационных и др. Решение тих проблем базируется на соответствующих видах обеспечения.

САПР включает в себя следующие виды обеспечения:

· техническое — устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетания;

· математическое — методы, модели, алгоритмы;

· программное — документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы;

· информационное — документы, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов;

· методическое — документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования;

· лингвистическое — языки проектирования, терминология;

· организационное — положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования.

Основными структурными элементами САПР являются подсистемы, которые подразделяются на проектирующие и обслуживающие. К проектирующим относят подсистемы, выполняющие проектные процедур и операции, например расчетную, чертежно-графическую, подсистему подготовки носителей для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и автоматизированных линий (например, раскроя листов электротехнической стали или сварки металлоконструкций баков в трансформаторостроении). К обслуживающим относят подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например подсистему управления данными и др.

В зависимости от отношения к объекту проектирования также различают объектно-ориентированные и объектно-независимые инвариантные) системы.