О дисциплине

Автоматизация проектирования (АП) занимает особое место среди информа­ционных технологий. АП - комплексная дисциплина, составными частями кото­рой являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных тех­нологий, персональных компьютеров и рабочих станций. Математическое обес­печение САПР отличается разнообразием методов вычислительной математики, математического программирования, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных информаци­онных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows-2000/ХР, различных универсальных и специальных языках программирования. Они разра­батываются с помощью программных сред САПР (CASE), реализуются в совре­менных технологиях виртуального проектирования (СALS-технологии), основан­ных на стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных сетях.

Знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами се­годня насыщены проектные подразделения предприятий: конструкторские и тех­нологические бюро. Работа конструктора за обычным кульманом и расчеты с по­мощью калькулятора стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или с малой степенью их применения, оказываются неконкурентоспособ­ными как вследствие больших материальных и временных затрат на проектирова­ние, так и из-за невысокого качества проектов.

Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в нашей стране относится к началу 60-х годов прошедшего века. Дальнейшее раз­витие САПР шло по пути разработки аппаратных и программных средств машин­ной графики, повышения вычислительной эффективности программ проектиро­вания, моделирования и анализа, совершенствования пользовательского интер­фейса, расширения областей применения САПР, внедрения в АП элементов ис­кусственного интеллекта.

К настоящему времени создано и используется большое число программно­методических комплексов автоматизированного проектирования с различной сте­пенью специализации и прикладной ориентации. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров раз­ных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.

Подготовка инженеров в области САПР включает в себя базовую и специаль­ную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизиро­ванного проектирования [1-3] входят в программу курса, посвященного основам САПР, детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных машиностроительных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

1. Введение в инженерное проектирование

Прогресс науки и техники, потребности человечества в новых сложных про­мышленных изделиях обусловливают необходимость выполнения проектных ра­бот большого объема. Проектирование технических объектов является много­этапным динамическим процессом. Как правило, проектирование машин осуще­ствляется большим коллективом различных специалистов с использованием мно­гочисленных расчетных, экспериментальных, эвристических методов и приемов.

Современная практика проектирования свидетельствует о том, что для дости­жения успеха в этой деятельности инженер должен хорошо ориентироваться в следующих вопросах:

• в объекте проектирования;

• в аппарате обработки и анализа входной и выходной информации об объек­те и внешней среде;

• в математическом моделировании, т. е. в вопросах постановки и формализа­ции проектной задачи, которое заключается в переводе технического задания с языка проблемно-содержательного на язык математических моделей и далее в программное обеспечение;

• в методах поиска оптимального решения;

• в соответствующем программном обеспечении систем автоматизированного проектирования (назначении, функциях, банках данных, базах знаний и др.);

• в средствах вычислительной техники.

Современные требования, предъявляемые к качеству проектов, срокам их вы­полнения, оказываются все более жесткими по мере увеличения сложности про­ектируемых объектов и повышения важности выполняемых ими функций. Работа отечественной промышленности в условиях рыночной экономике выявила причи­ны несоответствия между' традиционными методами проектирования и требова­ниями сокращения сроков, повышения качества, уменьшения стоимости проект­ных работ.

Во-первых, специфика современных технических объектов заключается в том, что они часто принимают форму сложных комплексов. Сложившиеся же методы проектирования предназначены для разработки отдельных процессов, агрегатов и типовых машин, когда есть основа для сравнения и число вариантов обозримо.

Во-вторых, научно-технический прогресс (НТП) привел к резкому увеличению числа различных технических обектов, росту объема научно-технической инфор­мации, используемой в конструкторских разработках, сокращению сроков созда­ния новых изделий и уменьшению времени их морального старения. В результате этого объем проектных работ возрастает примерно в 10 раз через каждые десять лет, а такими темпами число проектировщиков расти не может.

В-третьих, проектирование - это такая область деятельности человека, в кото­рой с момента ее зарождения до наших дней достигнуты весьма скромные резуль­таты в повышении производительности труда.

Повысить производительность труда в промышленности можно за счет сле­дующих факторов: новой технологии, автоматизации и механизации технологиче­ских процессов, новых методов и средств организации производства. Первым двум фактором на протяжении десятилетий уделялось больше внимания. В резуль­тате были разработаны новые технологии обработки материалов, созданы станки- автоматы и станки с числовым программным управлением, комплексные автома­тические линии, механизированы и автоматизированы многие тяжелые и трудоем­кие работы. Все это позволило сократить затраты тяжелого физического труда, по­высить производительность в производстве. Производительность же инженера ос­талась практически неизменной. Возник разрыв между ростом производительно­сти труда в сфере производства и в сфере его подготовки. Первое растет во много раз быстрее, чем производительность инженерного труда. В условиях же рыноч­ных отношений и требований быстрейшего внедрения достижений науки в произ­водство особое значение приобретают сроки морального старения изделий, по­стоянно возрастающая сложность конструкций новых машин, технологических процессов их изготовления. Это нередко приводит к тому, что подготовленное к выпуску изделие уже не соответствует требованиям сегодняшнего дня.

Для сокращения сроков создания новых изделий требуется все большее коли­чество трудовых и материальных ресурсов, Однако рост производительности тру­да, улучшение качества производимой продукции должны определяться не только увеличением численности занятых работников или интенсификацией их умствен­ных и физических возможностей, но и степенью использования современных на­учных знаний и технических достижений.

Темпы обновления техники во многом обусловлены оперативностью проект­но-конструкторских работ, уровнем организационно-технической оснащенности труда инженера. Попытки разрешить эту проблему за счет механизации проектно­конструкторских работ путем создания новых и совершенствования существую­щих технических средств для выполнения чертежных и организационных работ хотя и позволили повысить производительность труда конструкторов на 10...20 % и несколько улучшить качество разрабатываемых проектов, в целом задачи не решали.

Выход из создавшейся ситуации был найден не в частичной автоматизации от­дельных элементов и сторон проектирования, не в совершенствовании отдельных алгоритмов инженерных расчетов, а в комплексной автоматизации процесса соз­дания новой техники на базе использования современных программных средств, вычислительной и периферийной техники.

Автоматизация проектирования относится сегодня к основным направлениям НТП. С автоматизацией проектирования связаны принципиальные возможности создания все более усложняющихся технических объектов. Это основной путь повышения производительности труда специалистов, занятых проектированием.

Практическая реализация идей и целей АП связана с созданием и применени­ем САПР. Системы сквозного автоматизированного проектирования (CAD/CAM/CAE) сегодня рассматривают как средство, способное придать прин­ципиально новые импульсы производству товаров для человека. Одновременно это направление проектирования продолжает оставаться сложнейшим звеном в общей цепи автоматизации производственных процессов. Принимая на себя зада­чи, выполняемые конструкторами и проектировщиками, данные системы направ­лены на сосредоточение проектно-конструкторских работ в руках наиболее квали­фицированных специалистов, упраздняя вспомогательный персонал, выполняю­щий рутинную малоинтеллектуальную работу.

Важным свойством САПР, гарантирующим их неизбежное широкое внедрение в машиностроение, является также то, что только такие средства проектирования могут принять от человека эстафету дальнейшего повышения качества и гаранти­рованной надежности изделий при быстром реагировании на постоянно меняю­щиеся потребности современного общества.

Однако внедрение САПР, как и других средств автоматизации, идет не гладко, т. к. часто производственные потребности пользователя не перекрываются про­граммным обеспечением приобретаемой системы. Это создает дополнительные трудности — снижает эффективность, затягивает полное внедрение САПР.

Эффективность использования САПР в значительной степени зависит от того, насколько охватывается общий объем проектирования, насколько автоматизация направлена на узкие места этого процесса. При этом важно насколько были отла­жены и организованы процессы проектирования до применения программной системы. Опыт освоения систем АП показывает, что в 3...5 раз ускоряется про­цесс подготовки производства с помощью САПР таких сложных изделий, как са­молет, автомобиль, трактор, двигатель. При проектировании отдельных узлов и деталей часто достигается ускорение в десятки раз.

Проблема создания и успешной эксплуатации САПР может быть решена толь­ко при наличии соответствующих инженерных кадров. Задача инженеров- разработчиков САПР - создание новых или адаптация существующих средств АП в различных отраслях промышленности. Для эффективного использования САПР нужны инженеры - пользователи систем АП для различных профессиональных областей деятельности. В связи с этим одна из актуальных задач высшей школы - подготовка дипломированных специалистов, знающих основы АП, умеющих ис­пользовать программные средства для автоматизированного проектирования объ­ектов, в том числе технических [1,2].