Концептуальная модель процесса проектирования

Как всякая научная дисциплина, методология проектирования должна содержать основную концепцию, на которой воздвигается всё её сооруже­ние.

В основе этой концепции лежит представление процесса проектирова­ния как некоторого процесса распознавания объекта, отвечающего постав­ленным заказчиком целям.

Дадим следующее определение:

Пусть — бинарное отношение между элементами множеств М и N. Тогда:

1°. Срезом через элемент х₀ множества М, который обозначается сим­волом < х₀ >, называется множество всех элементов множества N, с кото­рыми х₀ находится в отношении :

2°. Срезом через множество , который обозначается символом , называется объединение совокупности S всех срезов через элемен­ты подмножества X₀ или, что то же самое, объединение семейства срезов , множеством индексов которого является подмножество X₀ , а значениями для каждого элемента подмножества X₀ — срезы через этот элемент:

Перейдём теперь к формализации процесса проектирования, построив концептуальную модель процесса проектирования.

Пусть все объекты, нужные заказчику уже созданы и находятся на некотором условном складе. Эти объекты классифицированы по определенным признакам: функциональным, конструктивным, качественным и пр. Обращаясь на этот мысленный склад, заказчик должен осознать свои цели, сопоставить их с определенными признаками, которые позволяет их выделить, и по ним отыскать необхо­димый ему объект. Если таких объектов несколько, то он должен отобрать среди них такой, который в наибольшей степени отвечает поставленным целям, руководствуясь некоторой шкалой оценок.

Распространим такой поведенческий акт на проектирование. Для этого определим его основные компоненты;

— множество целей;

— множество признаков или свойств;

— множество технических решений;

— множество оценок.

Эти компоненты связаны друг с другом бинарными отношениями, что можно изобразить в виде графа с вершинами, означающими элементы множеств целей, признаков, технических решений и оценок и ребрами изображающими отношения между этими элементами (см. рис. 1.11).

 

Рис.1 11. Схема основных компонент проектирования

Пусть есть бинарное отношение между элементами множеств А и Р, т.е. бинарное отношение между целями проектируемого объекта и его признаками. Пусть далее есть бинарное отношение между элементами множеств Р и X, т.е. бинарное отношение между признаками проектируе­мого объекта и возможными техническими решениями. Очевидно, что , где , соответствующие декартовые про­изведения множеств А и Р и Р и Х.

Пусть заказчик/проектировщик определил подмножество целей , которые необходимо достичь с помощью проектируемого объекта. Через это множество А₀ можно найти срез множества признаков Р, т.е. опреде­лить

Другими словами: имеется множество истинности с р, т.е. признаков проектируемого объекта, для которого существует, во-первых, множество элементов — целей а, такое, что и, во-вторых, пары . Аналогично можно найти срез множества технических решений Х через множество целей

Определим произведение бинарных отношений и :

Оно представляет собой множество упорядоченных пар (a,x), таких, что для них существуют элементы , с которыми а находится в отношении , а сам он, т.е. р вступает в отношение с элементом х.

Срез множества Х т.е. множества технических решений по множеству А₀ выразится теперь так:

Этот срез представляет собой множество технических решений , таких, что для них существуют признаки р, причем , а с этими признаками p связаны цели , причем

В соответствии со сказанным, процедура поиска технических решений может быть теперь определить как установление бинарных отношений между множествами признаков и технических решений, причем возможные варианты составляют подмножество возможных технических решений

где

Рассмотренную модель проектирования можно связать с рассмотренными ранее обобщенной моделью объекта проектирования и моделью проектирования на содержательном уровне.

Это множество технических решений можно связать с множеством оценок V.

Отображение среза произведения бинарных отношений на множество оценок V представляет собой функцию F, определенную на множестве и принимающую значение на множестве V. Каждый элемент множества V при этом представляет собой в общем случае n-мерный вектор, компонентами которого являются стоимостные характеристики, характеристики полезности и т.д. Эта функция F есть не что иное как функция проектирования, т.е.

Это выражение можно рассматривать как целевую функцию проектирования, которую в результате выполнения определенных операций необходимо оптимизировать:

Глава 2. Основы построения САПР

2.1. Логическая схема решения задач автоматизации

проектирования

 

Развитие систем автоматизированного проектирования опирается на прочную научно-техническую базу. Это и современные средства вычислительной техники (ПК, мощные вычислительные системы, распределенные вычислительные сети); новые способы представления и обработки информации, основанные на современных СУБД и принципах искусственного интеллекта; создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации.

Разработка САПР – это сложная комплексная проблема, которая требует обеспечения методологического единства всех этапов процесса проектирования, тщательного учета функциональных, лингвистических и информационных потребностей проектировщиков в их взаимосвязи, проработки технологических аспектов организации аппаратно-программных средств САПР, обеспечения условий ее развития.

Сложность решения проблемы разработки и внедрения эффективных САПР может быть отражена в виде логической схемы решения задач автоматизации проектирования (см. рис.2.1).

Решение проблем автоматизации проектирования с по­мощью ЭВМ основывается на системном подходе, т. е. на создании и внедрении САПР — систем автоматизиро­ванного проектирования технических объектов, которые

 

Рис. 2.1. Логическая схема решения задач автоматизации проектирования

 

решают весь комплекс задач от анализа задания до раз­работки полного объема конструкторской и технологиче­ской документации. Это достигается за счет объединения современных технических средств и математического обес­печения, параметры и характеристики которых выби­раются с максимальным учетом особенностей задач проектно-конструкторского процесса.

История САПР в машиностроении разделяется на несколько этапов. Первый этап формирования теоретических основ САПР начался в 50-х годах прошедшего столетия. В основу идеологии были положены разнообразные математические модели, такие как теория сплайнов, моделирование кривых и поверхностей любой формы.

В этот период сформировалась структура и классификация САПР. Объекты проектирования стали рассматриваться с точки зрения различных областей науки. Базовые подсистемы САПР разделились на геометрические, прочностные, аэродинамические, тепловые, технологические и т. п. Впоследствии их стали классифицировать как CAD, CAE, САМ, PDM, PLM.

САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования (собственно CAD - Computer Aided Design) решают задачи, в которых основной процедурой проектирования является создание геометрической модели, поскольку любые предметы описываются в первую очередь геометрическими параметрами.

САПР системы технологической подготовки производства (САМ - Computer Aided Manufacturing) осуществляют проектирование технологических процессов, синтеза программ для оборудования с ЧПУ, моделирование механической обработки и т.п. в соответствии с созданной геометрической моделью.

САПР системы инженерного анализа (CAE - Computer Aided Engineering) позволяют анализировать, моделировать или оптимизировать механические, температурные, магнитные и иные физические характеристики разрабатываемых моделей, проводить симуляцию различных условий и нагрузок на детали.

Как правило, эти пакеты работают, используя метод конечных элементов, когда общая модель изделия делится на множество геометрических примитивов, например тетраэдров. Основными модулями программ анализа являются препроцессор, решатель и постпроцессор.

Исходные данные для препроцессора - геометрическая модель объекта - чаще всего получают из подсистемы конструирования (CAD). Основная функция препроцессора - представление исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т.е. в виде множества конечных элементов.

Решатель - программа, которая преобразует модели отдельных конечных элементов в общую систему алгебраических уравнений и рассчитывает эту систему одним из методов разреженных матриц.

Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это форма - графическая. Конструктор может анализировать поля напряжений, температур, потенциалов и т.п. в виде цветных изображений, где цвет отдельных участков характеризует значения анализируемых параметров.

Наконец, системы управления инженерными данными (PDM - Product Data Management) обеспечивают хранение и управление проектно-конструкторской документацией разрабатываемых изделий, ведение изменений в документации, сохранение истории этих изменений и т. п.

На первом этапе развития возможности систем в значительной мере определялись характеристиками имевшихся в то время недостаточно развитых аппаратных средств ЭВМ. Так как процесс конструирования механических изделий заключается в определении геометрии будущего изделия, то история CAD-систем практически началась с создания графической станции.

Развитие компьютерной графики сдерживалось не только аппаратными возможностями вычислительных машин, но и характеристиками программного обеспечения, которое должно было стать универсальным по отношению к использовавшимся аппаратным средствам представления графической информации. С 70-х годов прошлого века разрабатывался стандарт графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включал в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.

Параллельно с развитием CAD-систем бурное развитие получили САМ-системы автоматизации технологической подготовки производства.

Следующий этап развития ознаменовался началом использования графических рабочих станций под управлением ОС Unix.

В этот период математический аппарат плоского геометрического моделирования был хорошо "доведен", способствуя развитию плоских CAD-систем и обеспечивая точность геометрии до 0,001 мм в метровых диапазонах при использовании 16-битной математики. Появление 32-разрядных процессоров полностью обеспечило потребности плоских CAD-систем для решения задач любого масштаба.

Развитие CAD-систем следовало двум подходам к плоскому моделированию, которые получили название твердотельный и чертежный. Чертежный подход оперирует такими основными инструментами как отрезки, дуги, полилинии и кривые. Операциями моделирования на их основе являются продление, обрезка и соединение. В твердотельном подходе основными инструментами являются замкнутые контуры, а остальные элементы играют вспомогательную роль. Главными операциями моделирования являются булевы объединение, дополнение, пересечение.

В 80-е годы прошлого века характеристики использовавшегося для САПР вычислительного оборудования значительно различались. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного объемного моделирования применительно к деталям и сборочным узлам из многих деталей. Идеология систем объемного моделирования базируется на объемной мастер-модели; при этом определяется геометрия поверхности не по проекциям отдельных сечений, а интегрально - для всей спроектированной поверхности. Используя модель, можно получить информацию о координатах любой точки на поверхности, а также сформировать плоские изображения: виды, сечения и разрезы. Геометрическая модель позволяет легко получить такие локальные характеристики как нормали, кривизны и интегральные характеристики - массу, объем, площадь поверхности, момент инерции.

Системы объемного моделирования также базируются на двух подходах к построению поверхностей модели: поверхностном и твердотельном. При использовании поверхностного моделирования конструктор определяет изделие семейством поверхностей. При твердотельном способе конструктор представляет изделие семейством геометрических примитивов, таких как куб, шар, цилиндр, пирамида, тор. В отличие от чертежа модель является однозначным представлением геометрии и количественного состава объекта. Если в сборочном чертеже болт представляется несколькими видами, то в объемной сборке - одним объектом, моделью болта.

Поверхностное моделирование получило большее распространение в инструментальном производстве, а твердотельное - в машиностроении. Современные системы, как правило, содержат и тот, и другой инструментарий и позволяют работать как с телами, так и с отдельными поверхностями, используя булевы и поверхностные процедуры.

В области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического моделирования привела к созданию универсальных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР.

Необходимость обмена данными между различными системами на различных этапах разработки продукции способствовала стандартизации описаний геометрических моделей. Для этого в системах используются графические форматы для обмена данными, представляющие собой описание изображения в функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Графический формат (метафайл) обеспечивает возможность запоминания графической информации, передачи ее между различными системами и интерпретации для вывода на различные устройства.

Работы по стандартизации были направлены на расширение функциональности графических языков и систем, включение в их состав средств описания не только данных чертежей и 3D- моделей, но и других свойств и характеристик изделий.

Третий этап развития начинается развитием микропроцессоров, что привело к возможности использования CAD/CAM-систем верхнего уровня на персональных ЭВМ. Это заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях.

Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.

Сложность управления проектными данными, необходимость поддержания их полноты, достоверности и целостности, необходимость управления параллельной разработкой привели в 80-е годы к созданию системам управления проектными данными PDM (Product Data Management).

Принципы построения САПР

Разработка САПР представляет собой крупную на­учно-техническую проблему, а ее внедрение требует зна­чительных капиталовложений. Накопленный опыт позво­ляет выделить следующие основные принципы построе­ния САПР.

1. САПР — человеко-машинная система. Все создан­ные и создаваемые системы проектирования с помощью ЭВМ являются автоматизированными, важную роль в них играет человек — инженер, разрабатывающий проект тех­нического средства.

В настоящее время и по крайней мере в ближайшие годы создание систем автоматического проектирования не предвидится, и ничто не угрожает монополии человека при принятии узловых решении в процессе проектирова­ния. Человек в САПР должен решать, во-первых, все задачи, которые не формализованы, во-вторых, задачи, решение которых человек осуществляет на основе своих эвристических способностей более эффективно, чем со­временная ЭВМ на основе своих вычислительных воз­можностей. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в про­цессе проектирования — один из принципов построения и эксплуатации САПР.

2. САПР — иерархическая система, реализующая ком­плексный подход к автоматизации всех уровней проекти­рования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения САПР в виде иерархии подсистем.

Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспе­чения комплексного характера САПР, так как автома­тизация проектирования лишь на одном из уровней ока­зывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех уровней. Иерархическое построение относится не только к специальному программному обес­печению, но и к техническим средствам САПР, разделяе­мых на центральный вычислительный комплекс и авто­матизированные рабочие места проектировщиков.

3. САПР — совокупность информационно-согласован­ных подсистем. Этот очень важный принцип должен отно­ситься не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач про­ектирования обслуживаются информационно согласован­ными программами. Две программы являются информа­ционно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих програм­мах, входят в числовые массивы, не требующие измене­ний при переходе от одной программы к другой. Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка общего массива с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изме­няет числовые значения отдельных параметров, то про­граммы информационно не согласованы. Ручная пере­компоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому уменьшает спрос на услуги САПР. Информационная несогласован­ность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.

4. САПР — открытая и развивающаяся система. Существует, по крайней мере, две веские причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта, как САПР, занимает продолжительное время, и экономи­чески выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс техники, проектируемых объектов, вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных мате­матических моделей и программ, которые должны заме­нять старые, менее удачные аналоги. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т. е. обладать свойством удобства использования новых методов и средств.

5. САПР — специализированная система с максималь­ным использованием унифицированных модулей. Требо­вания высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Применительно к САПР это положение сохраняет свою силу. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Очевидно, что при этом растет число различных САПР. Чтобы сни­зить расходы на разработку многих специализирован­ных САПР, целесообразно строить их на основе макси­мального использования унифицированных составных ча­стей. Необходимым условием унификации является поиск общих черт и положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов.

Существенным отличием автоматизированного проекти­рования от неавтоматизированного является возможность замены дорогостоящего и занимающего много времени физического моделирования — математическим моделиро­ванием. При этом следует иметь в виду одно важнейшее обстоятельство: при проектировании число вариантов необозримо. Поэтому нельзя ставить задачу создания универсальной САПР, а необходимо решать вопросы проектирования для конкретного семейства машин.

Для создания САПР необходимо:

· совершенствовать проектирование на основе примене­ния математических методов и средств вычислительной техники;

· автоматизировать процессы поиска, обработки и вы­дачи информации;

· использовать методы оптимального и вариантного про­ектирования; применять эффективные, отражающие су­щественные особенности, математические модели проек­тируемых объектов, комплектующих изделий и мате­риалов;

· создавать банки данных, содержащих систематизиро­ванные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов;

· повышать качество оформления проектной докумен­тации;

· повышать творческую долю труда проектировщиков за счет автоматизации нетворческих работ;

· унифицировать и стандартизовать методы проекти­рования;

· подготавливать и переподготавливать специалистов;

- реализовывать взаимодействие с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

Результаты проектирования должны быть представ­лены в виде, удобном для восприятия человеком, и содер­жать информацию, на основе которой инженер мог бы вынести суждение о результатах проектирования.

Схема процесса автоматизированного проектирования представлена на рис. 1.

 

Ограничения

Получение проектных решений

 

Входные Варьируемые Проектные Проектные

данные параметры процедуры решения

 

 

Оценка результатов проектирования

 

Выходная документация

 

 

Рис. 1. Схема процесса автоматизированного проектирования

 

2.3. Стадии создания САПР

 

Создание и развитие САПР осуществляется самой про­ектной организацией с привлечением (при необходимости) других организации-соисполнителей, в том числе научно-исследовательских институтов и высших учебных заведе­ний. Следует подчеркнуть, что создание САПР — слож­ная и трудоемкая работа, выполнение которой под силу только большому высококвалифицированному коллек­тиву разработчиков.

Процесс создания САПР включает в себя восемь ста­дий:

-предпроектные исследования,

- техническое задание,

- техническое предложение,

- эскизный проект,

- технический проект,

-рабочий проект,

- изготовление,

- отладка и испыта­ние,

- ввод в действие.

Руководство разработкой, внедрением, эксплуатацией и модернизацией систем и компонентов САПР в проектной организации должно заниматься специализированное под­разделение, включающее группы специалистов соответ­ствующих направлений.

Предпроектные исследования проводятся для выявле­ния готовности конкретной проектной организации к вне­дрению автоматизированных методов. Основу этой ра­боты составляет системное обследование объекта проек­тирования и используемых в инженерной практике тра­диционных методов и приемов проектирования, а также объема технической документации, разрабатываемой в про­цессе проектирования. Процесс обследования осуще­ствляется главным образом опросом опытных проекти­ровщиков и конструкторов.

В результате обследования определяется необходимость и экономическая эффективность создания автоматизиро­ванной системы. При этом учитывается объем проектно-конструкторских работ, их периодичность, общие за­траты инженерного труда, возможность создания адекват­ного математического описания и оптимизационных про­цедур, необходимость повышения качественных показа­телей проектируемого изделия, сокращение сроков про­ектирования.

Существенным фактором при решении вопроса о це­лесообразности создания САПР является подготовленность соответствующего проектного подразделения к соз­данию и внедрению САПР. Подготовленность может быть оценена по следующим критериям:

· возможность формализации проектно-конструкторских задач и реализации математических методов их решения;

· наличие требуемых технических средств и необходи­мость приобретения и установки дополнительных агре­гатов;

· подготовленность информационных фондов и техниче­ских средств хранения и обработки информации.

Кроме того, важно выявить факторы оценки подготов­ленности кадров для эксплуатации САПР, к которым можно отнести следующие:

· соответствие внедряемой системы принятой организа­ции проектных работ;

· наличие в проектно-конструкторской организации кад­ров для эксплуатации и поддержания работоспособности САПР;

· отношение руководства организации к созданию си-темы и уровень организации этих работ;

· психологическая подготовленность коллектива к вне­дрению САПР.

Техническое задание (ТЗ) является исходным доку­ментом для создания САПР и должно содержать наиболее полные исходные данные и требования. Этот документ разрабатывает головной разработчик системы. ТЗ на создание САПР должно содержать следующие основные разделы:

«.Наименование и область применения», где указы­вают полное наименование системы и краткую характе­ристику области ее применения;

«Основание для создания», где указывают наименование директивных документов, на основании которых создается САПР;

«Характеристика объектов проектирования», где при­водят сведения о назначении, составе, условиях примене­ния объектов проектирования;

«Цель и назначение», где перечисляют цель создания САПР, ее назначение и критерий эффективности ее функ­ционирования;

«Характеристика процесса проектирования», где при­водят общее описание процесса проектирования, требо­вания к входным и выходным данным, а также требования по разделению проектных процедур (операции), выполняемых с помощью неавтоматизированного и автоматизи­рованного проектирования;

«Требования к САПР», где перечисляют требования к САПР в целом и к составу ее подсистем, к применению в составе САПР ранее созданных подсистем и компонен­тов и т. п.;

«Технико-экономические показатели», где оценивают затраты на создание САПР, указывают источники полу­чения экономии и ожидаемую эффективность от приме­нения САПР.

На стадиях технического предложения, эскизного и рабочего проектирования выбираются и обосновываются варианты САПР, разрабатываются окончательные реше­ния. При этом выполняются следующие основные виды работ:

· выявление процесса проектирования (его алгоритм), т. е. принятие основных технических решений;

· разработка структуры САПР и ее взаимосвязи с дру­гими системами (определение состава проектных проце­дур и операции по подсистемам; уточнение состава под­систем и взаимосвязи между ними; разработка схемы функционирования САПР в целом);

· определение состава методов, математических моделей для проектных операций и процедур; состава языков про­ектирования; состава информации (объем, способы ее организации и виды машинных носителей информации); состава общего, специализированного общего и специ­ального программного обеспечения;

· формирование состава технических средств (ЭВМ пе­риферийные устройства и другие элементы);

· принятие решений по математическому, информацион­ному, программному и техническому видам обеспечения по САПР в целом и отдельно по подсистемам;

· расчет технико-экономических показателей САПР.

Оформление всей документации, необходимой для создания и функционирования САПР, выполняют на стадии рабочего проектирования.

На стадии изготовления, отладки и испытания произ­водят монтаж, наладку и испытание комплекса техниче­ских средств автоматизации проектирования, на тестовых примерах доводят программное обеспечение и подготавли­вают проектную организацию к вводу в действие САПР.

Ввод в действие системы осуществляют после опытного функционирования и приемочных испытаний у заказчика.