Проектирование технических устройств и систем

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование - сложный специфический вид творческой дея­тельности, в которой сочетаются искусство, наука и математика.

Главная трудность проектирования заключается в том, что про­ектировщик на основании современных данных должен прогнозировать некоторое будущее состояние, которое возникнет только в том слу­чае, если его прогнозы верны. В процессе проектирования инженер должен наглядно изобразить нечто, что предметно еще не существует, а является лишь продуктом его умственной деятельности. Это и есть творческая инженерная задача в области техники. Другими словами, проектно-конструкторский процесс творчески определяет будущее тех­ническое средств.

В основе творческой инженерной деятельности необходимо ис­ходить из диалектической формы взаимосвязи, прежде всего причин­ности - связи причины и последующего действия. Возможными являются все действия. Но будут реализованы лишь те возможности, для кото­рых созданы условия и имеются объективные предпосылки.

Автоматизированное проектирование - область прикладных иссле­дований, обусловленная необходимостью внедрения современных мате­матических методов и средств вычислительной техники в проектирова­ние различных систем и объектов. Она объединяет два основных направления работ: построение общей теории проектирования сложных систем и объектов и разработку систем автоматизированного проекти­рования (САПР) на базе современной вычислительной техники.

Первое направление включает: формирование математического ап­парата, пригодного для описания объекта проектирования и среды его функционирования; создание на основе этого аппарата математической модели объекта проектирования и среды, в которой он будет функцио­нировать; разработку методов принятия проектно-конструкторских ре­шений, цель которых - создание объекта заданного назначения. Вто­рое направление содержит: работы по созданию пакетов прикладных программ, объединенных в проблемно-ориентированные подсистемы;

разработку системного матобеспечения, объединяющего эти подсистемы в единую управляемую диалоговую систему; реализацию в этой системе определенной иерархической процедуры проектирования, удовлетворяю­щей требованиям общей теории проектирования.

Появление САПР должно привести к созданию новой технологии проектирования, суть которой состоит в представлении инженеру возможности традиционную совокупность этапов проектирования рассмат­ривать как единую задачу проектирования во всей сложности ее внут­ренних взаимосвязей. Реализация таких систем предполагает наличие мощной вычислительной техники и математического обеспечения высо­кого уровня.

Новая технология предъявляет высокие требования к уровню инже­нерной подготовки. Она позволяет концентрировать усилия инженера на решении творческих проблем в вопросах интерпретации результатов расчетов и испытаний. Исторически же обстоятельства складывались так, что с ростом сложности объектов проектирования требовалась все более узкая специализация инженеров. Такое положение противо­речит возросшим требованиям к сокращению сроков выполнения проек­тов и повышению их качества. Возникла необходимость в интегриро­ванном использовании современных математических методов на базе ЭВМ.

Создание любого нового технического средства последовательно проходит несколько этапов. Этот процесс начинается с прогнозирова­ния потребностей, на основе которого разрабатываются хозяйственные планы. Эти планы тесно увязываются с тенденциями развития техники и определяют объем капиталовложений. Методы планирования капита­ловложений опираются на результаты научных исследований, на осно­вании которых разрабатывается новая техника. Затем наступает этап технического проектирования. Технический проект служит основой для соответствующих проектных решений, на базе которых осуществляется производство новых технических средств. Их эксплуатация является проверкой правильности новых гипотез, принимаемом в творческом и производственном процессах.

При современном уровне и возможностях технологии можно быстро освоить производство практически любых изделий. В этих условиях темпы технического прогресса определяются темпами производства новых эффективных проектных решений. Следовательно, повышение качества и производительности процесса проектирования является сегодня решающим условием роста эффективности производства. Однако современному проектировщику приходится работать в сложных условиях, сталкиваясь с целым рядом проблем.

Во-первых, качественная специфика современной техники заключается в том, что технические объекты часто принимают форму сложных комплексов. Развитие автоматических технических систем приводит к превращению их в большие отраслевые объединения. Существующие традиционные методы проектирования хороши на уровне разработки отдельных процессов, агрегатов и типовых машин, когда есть основа для сравнения и число альтернатив обозримо. При создании же технических систем необходимы новые методы проектирования, позво­ляющие проанализировать и оценить большое число возможных вариан­тов с учетом не только технических, но и социально-экономических факторов.

Во-вторых, НТР привела к устойчивым изменениям таких показа­телей развития техники в ведущих отраслях промышленности, как рез­кое увеличение числа различных технических систем, рост объема на­учно-технической информации, используемой в проектных разработках, сокращение сроков создания новых изделий и уменьшение времени их морального старения.

Совместное влияние всех этих факторов приводит к тому, что объем необходимых проектных работ, возрастает примерно в 10 раз че­рез каждые 10 лет. Такими темпами, разумеется, число проектировщи­ков расти не может. Возникает и все более усугубляется дефицит между необходимым и фактическим объемом проектных работ. Поэтому большинство проектов новых технических средств все менее прораба­тываются, что ведет к снижению их качества.

В-третьих, проектирование - это, пожалуй, единственная об­ласть деятельности человека, в которой с момента ее зарождения до наших дней достигнуты самые скромные результаты в повышении произ­водительности труда. Если в производстве она выросла более чем на 1000%, то в проектировании - менее чем на 20%.

Из различных путей повышения качества и производительности проектно-конструкторского труда самым эффективным является автома­тизация на базе современных средств вычислительной техники. Она позволяет методически вооружить современного проектировщика, выс­тупающего главной творческой фигурой претворения результатов науч­ных исследований в новые средства производства.

Сегодня инструментом высококвалифицированного проектировщика все чаще становится САПР. Их разработка представляет собой большую научно-техническую задачу, решение которой затруднено из-за отсутствия теории разработки таких систем. К сожалению, пока рано говорить и о теории автоматизированного проектирования, так как практически отсутствует общая теория проектирования. В настоящее время речь можно вести о становлении методологии создания САПР. Экспериментальные данные, накопленные в процессе разработки и экс­плуатации этих систем, позволяют сделать некоторые обобщения и выводы.

1. Создание САПР технических систем связано не только с воз­можностями вычислительной техники, но и с глубиной наших знаний в области проектирования как сферы творческой деятельности человека, в области технологии производства, в области современных математи­ческих методов, применение которых помогает принимать рациональные и оптимальные решения.

2. Без эффективной теории проектирования строить развитые и эффективные САПР нельзя.

3. Эффективными могут быть только те САПР, объекты, исследования которых имеют серьезную формализованную теоретическую базу, основанную на системном подходе и имеющую развитый математико-ло­гический аппарат.

4. САПР - это инструмент высококвалифицированного проектиров­щика, предназначенный для решения сложных научно-технических задач.

Другими словами, при разработке САПР технических систем, опре­деляющая роль принадлежит будущим пользователям, которые полнотой формализации процесса проектирования закладывают качество будущих проектов, создаваемых с помощью ЭВМ.

Успех взаимодействия проектировщика с ЭВМ лежит в его кропотливой совместной работе с математиками, специалистами по автоматизированной обработке информации и программистами над алгоритмизацией проектных процедур, над созданием новой технологии автоматизированного проектирования.

Требования, предъявляемые к проектам новых технических средств

В процессе проектно-конструкторской деятельности стре­мят­ся создать технические средства, дающие наибольший экономический эффект. При этом стремятся к получению высоких технико-экономических и эксплуатационных показателей. В насто­ящее время используют следующие виды показателей ка­чества технических средств:

- показатели функционирования, характеризующие полезный эффект от использования технического средства по служебному назначению и определяющие область его применения;

- показатели надежности, определяющие свойство технического средства сохранять свою работоспособность во времени;

- показатели технологичности, характеризующие эффективность конструкторско-технических решений для обеспечения высокой произ­водительности труда при изготовлении и ремонте технических средств;

- эргономические показатели, характеризующие систему человек-изделие-среда и учитывающие комплекс гигиенических, антропологических, физиологических и психофизиологических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых условиях;

- эстетические показатели, характеризующие внешние свойства технического средства: выразительность, оригинальность, гармоничность, целостность и т.д.;

- показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень использования в техническом средстве стандартных изделий и уровень унификации составных его частей;

- патентно-правовые показатели, отражающие степень патентной защиты конструктивных решений в стране и за рубежом, а также его патентную чистоту;

- экономические показатели, характеризующие затраты на разра­ботку, изготовление и эксплуатацию технического средства, а также экономическую эффективность его эксплуатации.

Кроме приведенных выше показателей в настоящее время предс­тавляется необходимым введение и такого, как показатель рациональ­ной ликвидации технического средства. Этот вопрос становится актуальным в связи с проблемой вовлечения в экономику вторичных ресурсов. Срок службы технических средств постоянно сокращается из-за их морального старения. Поэтому в их конструкции необходимо предусматривать возможность расчленения устаревших экземпляров на агрегаты, которые могут быть повторно использованы в других систе­мах. Следует подчеркнуть, что только учет всего многообразия фак­торов, их тщательный анализ дает основание конструктору выбирать из большого числа возможных вариантов решение, близкое к оптималь­ному. Насколько сложна сегодня работа проектировщика-конструктора, можно судить по тому, что при конструировании действуют и учитываются более 300 только общемашиностроительных параметров.

Показатели качества - это комплекс критериев, используемых для оценки принимаемых решений на различных этапах создания технических средств. Вследствие специфических условий производства и эксплуатации эти критерии могут быть различны, что приводит к много вариантности проектных решений.

При проектировании технических средств в первую очередь нахо­дят разрешение противоречия между требованиями эксплуатации и тре­бованиями производства. С точки зрения стабильности они не одноз­начны. Требования эксплуатации, как и требования производства, в большинстве случаев могут быть представлены несколькими вариантами. Аналогичное положение имеет место при рассмотрении каждого ва­рианта требований, так как ему может соответствовать некоторое множество вариантов конструкции технического средства, из которых выбирается оптимальный. Между отдельными видами требований эксплу­атации и требованиями производства имеются взаимосвязи.

Следовательно, совокупности, с которыми приходится иметь дело проектировщикам, существенно комбинаторны, т.е., как правило, пос­ледовательно необозримы, хотя и перечислимы теоретически. В част­ности это означает, что переход от простых систем к более сложным системам сопровождается настолько быстрым ростом числа возможных вариантов технических средств, что даже вычисление этого числа ва­риантов становится самоцелью.

Из изложенного ясно, что в настоящее время проектировщику сложных систем приходится иметь дело не просто со сложными требо­ваниями, а с комплексными требованиями, в основе которых лежат процессы разной природы.

ГЛАВА 2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Структура и состав САПР

Составными структурными частями САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами системы и создаваемые как самостоятельные системы. По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы выполняют проектные процедуры и операции, например подсистема проектирования частей зданий и сооружений; подсистема технологического проектиро­вания и т. п. Обслуживающие подсистемы предназначены для поддержа­ния работоспособности проектирующих подсистем, например: подсисте­ма графического отображения объектов проектирования; подсистема документирования; подсистема информационного поиска. Проектная про­цедура - формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением. Например, прогнозирование, опти­мизация, корректировка, моделирование и т.п. Проектная операция - действие или формализованная совокупность действий, составляющая часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур. Например, вычисление, ввод и вывод данных, составление таблиц и т.п.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида проектирующих подсистем: объектно-ориентированные (объек­тные) и объектно-независимые (инвариантные). Объектные подсистемы выполняют одну или несколько проектных процедур или операций, не­посредственно зависимых от конкретного объекта проектирования. Ин­вариантные подсистемы выполняют унифицированные проектные процеду­ры. Под унифицированной проектной процедурой понимается проектная процедура, алгоритм которой остается неизменным для различных объ­ектов проектирования или различных стадий проектирования одного и того же объекта.

Подсистема состоит из компонентов САПР объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией, обеспечивающих функционирова­ние этой подсистемы. Компонент представляет собой элемент обеспечения, выполняющий определенную функцию в подсистеме:

Введение структурного понятия "компонент" как некоторого эле­ментарного "кирпичика" системы позволяет раскрыть внутреннюю стру­ктуру подсистемы и указать конкретные связи между подсистемами не только иерархические, но и методические, информационные и т.д. При этом структурное единство подсистемы САПР обеспечивается связями между компонентами различных средств обеспечения САПР, образующими подсистему, а структурное объединение подсистем в систему - связя­ми между компонентами САПР, входящими в систему. Комплекс средств автоматизации проектирования включает техническое, методическое, математическое лингвистическое, информационное, программное и организационное обеспечение.

Техническое обеспечение представляет собой совокупность взаимосвязующих технических средств и делится на группы средств программной обработки, подготовки и ввода данных, отображения и документирования, архива проектных решений, передачи данных.

Математическое обеспечение САПР объединяет математические модели проекти­руемых объектов, методы и алгоритмы выполнения проектных процедур. Программное обеспечение объединяет собственно программы для систем обра­ботки данных на машинных носителях и программную документацию. ПО делится на общесистемное, базовое и прикладное.

Информационное обеспечение объединяет данные, представленные в виде до­кументов на различных носителях, содержащие сведения справочного характера о типовых проектных решениях, параметрах элементов и комплектующих изделий и т.п. Основу ИО составляет банк данных, представляющий совокупность сред­ств для накопления и коллективного пользования данными в САПР. Банк данных (БНД) состоит из базы данных (БД) и системы управления ею. БД - это собст­венно данные, находящиеся в запоминающих устройствах и структурированные в соответствии с принятым в данном БНД правилами. СУБД представляет собой совокупность программных средств, обеспечивающих запись данных в БНД, их выборку по запросам пользователей или прикладных программ, защиту данных от искажений и несанкционированного доступа к ним.

Лингвистическое обеспечение - совокупность языков, применяемых для описа­ния процедур автоматизированного проектирования.

Методическое обеспечение - совокупность документов, характеризующих сос­тав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектиро­вания.

Организационное обеспечение включает положения, инструкции, приказы и др. документы, регламентирующие структуру подразделений проектной организации и порядок взаимодействия комплексов средств между собой и подразделениями организации.

Комплексы средств САПР обеспечивают: автоматизацию проектирования СЭС; заданный научно-технический уровень проектных решений; документиро­вание результатов проектирования; простоту и удобство работы пользовате­ля в пакетном и диалоговом режиме.

 

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование - сложный специфический вид творческой дея­тельности, в которой сочетаются искусство, наука и математика.

Главная трудность проектирования заключается в том, что про­ектировщик на основании современных данных должен прогнозировать некоторое будущее состояние, которое возникнет только в том слу­чае, если его прогнозы верны. В процессе проектирования инженер должен наглядно изобразить нечто, что предметно еще не существует, а является лишь продуктом его умственной деятельности. Это и есть творческая инженерная задача в области техники. Другими словами, проектно-конструкторский процесс творчески определяет будущее тех­ническое средств.

В основе творческой инженерной деятельности необходимо ис­ходить из диалектической формы взаимосвязи, прежде всего причин­ности - связи причины и последующего действия. Возможными являются все действия. Но будут реализованы лишь те возможности, для кото­рых созданы условия и имеются объективные предпосылки.

Автоматизированное проектирование - область прикладных иссле­дований, обусловленная необходимостью внедрения современных мате­матических методов и средств вычислительной техники в проектирова­ние различных систем и объектов. Она объединяет два основных направления работ: построение общей теории проектирования сложных систем и объектов и разработку систем автоматизированного проекти­рования (САПР) на базе современной вычислительной техники.

Первое направление включает: формирование математического ап­парата, пригодного для описания объекта проектирования и среды его функционирования; создание на основе этого аппарата математической модели объекта проектирования и среды, в которой он будет функцио­нировать; разработку методов принятия проектно-конструкторских ре­шений, цель которых - создание объекта заданного назначения. Вто­рое направление содержит: работы по созданию пакетов прикладных программ, объединенных в проблемно-ориентированные подсистемы;

разработку системного матобеспечения, объединяющего эти подсистемы в единую управляемую диалоговую систему; реализацию в этой системе определенной иерархической процедуры проектирования, удовлетворяю­щей требованиям общей теории проектирования.

Появление САПР должно привести к созданию новой технологии проектирования, суть которой состоит в представлении инженеру возможности традиционную совокупность этапов проектирования рассмат­ривать как единую задачу проектирования во всей сложности ее внут­ренних взаимосвязей. Реализация таких систем предполагает наличие мощной вычислительной техники и математического обеспечения высо­кого уровня.

Новая технология предъявляет высокие требования к уровню инже­нерной подготовки. Она позволяет концентрировать усилия инженера на решении творческих проблем в вопросах интерпретации результатов расчетов и испытаний. Исторически же обстоятельства складывались так, что с ростом сложности объектов проектирования требовалась все более узкая специализация инженеров. Такое положение противо­речит возросшим требованиям к сокращению сроков выполнения проек­тов и повышению их качества. Возникла необходимость в интегриро­ванном использовании современных математических методов на базе ЭВМ.

Создание любого нового технического средства последовательно проходит несколько этапов. Этот процесс начинается с прогнозирова­ния потребностей, на основе которого разрабатываются хозяйственные планы. Эти планы тесно увязываются с тенденциями развития техники и определяют объем капиталовложений. Методы планирования капита­ловложений опираются на результаты научных исследований, на осно­вании которых разрабатывается новая техника. Затем наступает этап технического проектирования. Технический проект служит основой для соответствующих проектных решений, на базе которых осуществляется производство новых технических средств. Их эксплуатация является проверкой правильности новых гипотез, принимаемом в творческом и производственном процессах.

При современном уровне и возможностях технологии можно быстро освоить производство практически любых изделий. В этих условиях темпы технического прогресса определяются темпами производства новых эффективных проектных решений. Следовательно, повышение качества и производительности процесса проектирования является сегодня решающим условием роста эффективности производства. Однако современному проектировщику приходится работать в сложных условиях, сталкиваясь с целым рядом проблем.

Во-первых, качественная специфика современной техники заключается в том, что технические объекты часто принимают форму сложных комплексов. Развитие автоматических технических систем приводит к превращению их в большие отраслевые объединения. Существующие традиционные методы проектирования хороши на уровне разработки отдельных процессов, агрегатов и типовых машин, когда есть основа для сравнения и число альтернатив обозримо. При создании же технических систем необходимы новые методы проектирования, позво­ляющие проанализировать и оценить большое число возможных вариан­тов с учетом не только технических, но и социально-экономических факторов.

Во-вторых, НТР привела к устойчивым изменениям таких показа­телей развития техники в ведущих отраслях промышленности, как рез­кое увеличение числа различных технических систем, рост объема на­учно-технической информации, используемой в проектных разработках, сокращение сроков создания новых изделий и уменьшение времени их морального старения.

Совместное влияние всех этих факторов приводит к тому, что объем необходимых проектных работ, возрастает примерно в 10 раз че­рез каждые 10 лет. Такими темпами, разумеется, число проектировщи­ков расти не может. Возникает и все более усугубляется дефицит между необходимым и фактическим объемом проектных работ. Поэтому большинство проектов новых технических средств все менее прораба­тываются, что ведет к снижению их качества.

В-третьих, проектирование - это, пожалуй, единственная об­ласть деятельности человека, в которой с момента ее зарождения до наших дней достигнуты самые скромные результаты в повышении произ­водительности труда. Если в производстве она выросла более чем на 1000%, то в проектировании - менее чем на 20%.

Из различных путей повышения качества и производительности проектно-конструкторского труда самым эффективным является автома­тизация на базе современных средств вычислительной техники. Она позволяет методически вооружить современного проектировщика, выс­тупающего главной творческой фигурой претворения результатов науч­ных исследований в новые средства производства.

Сегодня инструментом высококвалифицированного проектировщика все чаще становится САПР. Их разработка представляет собой большую научно-техническую задачу, решение которой затруднено из-за отсутствия теории разработки таких систем. К сожалению, пока рано говорить и о теории автоматизированного проектирования, так как практически отсутствует общая теория проектирования. В настоящее время речь можно вести о становлении методологии создания САПР. Экспериментальные данные, накопленные в процессе разработки и экс­плуатации этих систем, позволяют сделать некоторые обобщения и выводы.

1. Создание САПР технических систем связано не только с воз­можностями вычислительной техники, но и с глубиной наших знаний в области проектирования как сферы творческой деятельности человека, в области технологии производства, в области современных математи­ческих методов, применение которых помогает принимать рациональные и оптимальные решения.

2. Без эффективной теории проектирования строить развитые и эффективные САПР нельзя.

3. Эффективными могут быть только те САПР, объекты, исследования которых имеют серьезную формализованную теоретическую базу, основанную на системном подходе и имеющую развитый математико-ло­гический аппарат.

4. САПР - это инструмент высококвалифицированного проектиров­щика, предназначенный для решения сложных научно-технических задач.

Другими словами, при разработке САПР технических систем, опре­деляющая роль принадлежит будущим пользователям, которые полнотой формализации процесса проектирования закладывают качество будущих проектов, создаваемых с помощью ЭВМ.

Успех взаимодействия проектировщика с ЭВМ лежит в его кропотливой совместной работе с математиками, специалистами по автоматизированной обработке информации и программистами над алгоритмизацией проектных процедур, над созданием новой технологии автоматизированного проектирования.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ