Aвтоматизированное проектирование управлением ЖЦП.

Системы CAD (computer aided design)

 

Представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов.

Сначала CAD-системы применялись лишь для трассировки печатных плат. Однако по мере развития технологии автоматизации проектирования базовые CAD отошли на второй план, а первое место заняли продукты, которые помимо физической трассировки выполняли моделирование и анализ. В результате, сейчас в электронном проектировании первую скрипку играет CAE, а CAD-системы, тесно интегрированные с CAE, занимают важное, но менее заметное положение.

Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение, используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования.

Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических прогpaмм для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа.

Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т.п.), поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах.

Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

 

Системы САD, анализ возможностей, тенденции развития. Примеры.

Рассмотрим интегрированный процесс параллельного проектирования мехатронных изделий.

В настоящее время на мировом рынке наукоемких промышленных изделий отчетливо наблюдаются три основные тенденции: повышение сложности и ресурсоемкости изделий; повышение конкуренции на рынке;

развитие кооперации между участниками жизненного цикла (ЖЦ) изделия (в т.ч., создание «виртуальных предприятий»).

Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. Синергия (греч.) – это совместное действие, направленное на достижение обшей цели). При этом принципиально важно, что составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми

свойствами.

Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. В широком смысле мехатроника изучает технические системы, агрегаты, машины и комплексы машин различного назначения с компьютерным управлением движением.

Главная методологическая идея мехатроники состоит в системном сочетании таких ранее обособленных научно-технических областей как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информационные технологии.

При традиционном проектировании машин с компьютерным управ-

лением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонент системы.

Развитие мехатроники как междисциплинарной научно-технической области помимо очевидных технико-технологических сложностей ставит и целый ряд новых организационно-экономических задач для современных предприятий, приступающих к разработке и выпуску мехатронных изделий.

Основные задачи:

• структурно-организационная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило, функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы.

• интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач,

• стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве мехатронных систем.

• подготовка «мехатронно-ориентированных» инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификация.

Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи.

Именно поэтому средние и малые предприятия, которые могут легко и

гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к

переходу к производству мехатронной продукции.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат

методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонент системы.

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению с

традиционными средствами автоматизации следует отнести:

• относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов,

• высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления,

• высокую надежность, долговечность и помехе защищённость, конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в

микромашинах),

• улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей,

• возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Рассмотрим алгоритм RFLP подхода, собирающего в одно целое Требования (Requirements), Функциональные (Functional), Логические (Logical), и Физические (Physical) определения изделия. Исходные данные: результаты предпроектного исследования, техническое задание на разработку.

Этапы реализации подхода:

1. Начало, анализ технического задания (ТЗ), формирование функциональной структуры.

2. Декомпозиция изделия на принципах мехатроники.

3. Формирование критериев качества проекта.

4. Формирование обще проектных решений (ОПР).

5. Разработка ОПР по устройству управления.

6. Определение ОПР по информационной системе.

7. Разработка ОПР по устройству управления.

8. Моделирование взаимных соответствий частей изделия в силу принятых ОПР.

9. Анализ результатов моделирования и коррекция ОПР по п. 3… п.7 данного алгоритма.

При отыскании обще проектных решений, будущее изделие целесообразно разбить на составные элементы, провести декомпозицию изделия.

Любая декомпозиция должна отвечать целям, с которыми она проводится.

Цели декомпозиции:

• упрощение анализа структуры изделия;

• применение типовых, апробированных методов синтеза;

• упрощение конструкции;

• повышение коэффициента стандартизации и/или унификации изделия;

• обеспечение технологических условий производства.

При декомпозиции должны учитываться принципы мехатроники, сформулированные выше. Например, разбиение устройства на механическую и электрическую части из условия разделения производства на механическое и электромонтажное цехи, наверняка приведет к нарушению принципов мехатроники и снижению качества изделия. Наиболее целесообразно разделение машины на модули движения, а модулей движения на характерные для мехатронных модулей движения сборочные единицы. Декомпозицию можно проводить на основании имеющегося опыта, известных аналогов и т.п., но наиболее объективна следующая схема.

 

На основании функциональной структуры ТЗ строится виртуальная

модель функциональных блоков. Виртуальный функциональный блок это

элемент, структурная единица изделия, которая выполняет группу функций проектируемого устройства. Например, для выполнения арифметическо- логических операций вводится блок "Процессор". Функции, выполняемые "Процессором" реально могут выполняться мультипроцессорной системой с иерархической или распределенной структурой, содержащей аналоговые, цифровые или конечно автоматные процессоры и т.п., но в виртуальной структуре вопросы технической реализации могут не рассматриваться. Затем виртуальная структура функциональных блоков преобразуется в архитектуру блоков, модулей узлов и т.п. которые рассматриваться как сборочные единицы будущего изделия.

Системотехника, научно-техническая дисциплина, охватывающая вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем (больших систем, систем большого масштаба, large scale systems).

При разработке сложных систем возникают проблемы, относящиеся не

только к свойствам их составных частей (элементов, подсистем), но также и к закономерностям функционирования объекта в целом (общесистемные проблемы); появляется широкий круг специфических задач, таких, как оп-

ределение общей структуры системы, организация взаимодействия между

подсистемами и элементами, учёт влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление системой и т. д.

По мере усложнения систем всё более значительное место отводится общесистемным вопросам, они и составляют основное содержание Системотехника Научной, главным образом математической, базой Системотехника служит сравнительно новая научная дисциплина — теория сложных систем.

Для сложных систем характерна своеобразная организация проектирования — в две стадии: макропроектирование (внешнее проектирование), в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом, и микропроектирование (внутреннее проектирование), связанное с разработкой элементов системы как физических единиц оборудования. Системотехника объединяет точки зрения, подходы и методы по вопросам внешнего проектирования сложных систем.

Макропроектирование начинается с формулировки проблемы, кото-

рая включает в себя по крайней мере 3 основных раздела:

• определение целей создания системы и круга решаемых ею задач;

• оценка действующих на систему факторов и определение их характеристик;

• выбор показателей эффективности системы.

Цели и задачи системы определяют, исходя из потребностей их практического использования, с учётом тенденций и особенностей технического прогресса.

 

Проектировщики сложных систем — специалисты широкого профиля, инженеры-системотехники, обладающие достаточными знаниями в конкретной области техники (например, в машиностроении, электронике пищевой промышленности, авиации), имеющие повышенную математическую подготовку, а также знающие основы вычислительной техники, автоматизации управления, исследования операций и особенности их практического применения. Помимо них в группу внешнего проектирования сложных систем обычно включают специалистов по системному анализу и математическому моделированию, а также инженеров, способных организовать взаимодействие между элементами системы.

Существенные особенности имеют испытания сложных систем. Натурный эксперимент в чистом виде используется только для оценки параметров важнейших элементов системы. В комплексных же испытанияхсистемы значительную роль играют имитационные модели. В частности, на их основе строят имитаторы воздействий внешней среды, генераторы фиктивных сигналов и сообщений, формируют реализации процессов функционирования элементов, участие которых в натурном эксперименте нецелесообразно.

На основании исходных данных для проектирования формулируют

потребность в новом изделии в виде предварительного набора технических

характеристик, параметров изделия.

Для решения вопроса об уточненных технических требованиях к вновь создаваемому изделию привлекаются следующие сведения:

• данные об устройствах, которые будут работать с вновь создаваемым

образцом;

• данные о необходимой доработке устройств, которые будут работать с вновь создаваемым образцом;

• степень влияния параметров вновь создаваемого образца на параметры процессов, в которых создаваемый образец будет участвовать;

• данные о среде, на которую ориентирован создаваемый образец;

• данные о влиянии новых качеств создаваемого образца на организационно-экономические параметры производства (коэффициент сменности, форму специализации, тип производства, систему оперативного планирования, материально-техническое снабжение и т.п.), быта или другой среды использования изделия;

• данные о социальных последствиях использования новых качеств проектируемого образца на производстве (потребность в квалификации персонала, требования к возрасту, образованию, стажу работы, измене-

ния в интенсивности труда, влияние на заработную плату и т.п.);

• данные о влиянии новых качеств создаваемого образца на существующие конструкции предметов труда и технологическую подготовку производства или другие параметры среды использования;

• данные о влиянии характеристик нового образца на компоновку или планировку среды использования, возможность их наладки и ремонта;

• данные о влиянии характеристик нового образца на параметры автоматизированной системы управления и других систем, обеспечивающих функционирование среды использования;

• данные о влиянии характеристик нового образца на безопасность жизнедеятельности в среде использования;

• данные о результатах социологических исследований по изделиям потребительского назначения;

• лимитная цена образца и лимитная стоимость проектирования.

В результате анализа этих сведений формируют

технико-экономическое обоснование создания нового образца;

• исходные данные для разработки технического задания на проектирование;

• заявку на проектирование или контракт.

Таким образом, суть мехатронного (системного) подхода заключается в тесной взаимосвязи указанных компонент на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его проектирования и маркетинга и заканчивая производством и эксплуатацией заказчиком.

Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машины, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве иэксплуатации машины.

 

 

Лекция 7