1. Понятие проектирования

Проектирование технических изделий является широко распространенной об­ластью деятельности, направленной на создание проектов новых машин, прибо­ров, оборудования и систем. В реализации требований научно-технического про­гресса по повышению технического уровня, качества и надежности изделий про­ектированию отводится ведущая роль в едином интегрированном процессе «нау- ка-техника-производство». Именно в проекте закладываются все показатели ка­чества новой техники, которые затем в процессе производства переносятся на го­товый объект (рис. 1.1).

По общепринятой концепции процесс проектирования можно представить как целенаправленную последовательность действия по принятию и реализации про­ектных решений, приводящих к составлению на определенном языке описания, необходимого для изготовления и эксплуатации в заданных условиях еще не соз­данного объекта. Иначе, проектирование технического объекта это создание, пре­образование и представление в принятой форме образа этого еще не существую­щего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в вооб­ражении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соот­ветствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ком­пьютера.

Инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребно­сти общества в определенных технических объектах или процессах. Проектиро­вание включает в себя разработку технического предложения и (или) техническо­го задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации. Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно яв­ляется исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект - окончательное описание объекта. Таким образом, проектирование мож­но определить как процесс, заключающийся в получении и преобразовании ис­ходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения ком­плекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежу­точных описаний, подводящих итоги решения отдельных задач и используемых для обсуждения и принятия решений по окончанию или продолжению процесса проектирования.

2. Эволюция инженерного проектирования

Ретроспективный анализ отечественного проектирования начиная с 20-х годов прошлого века позволяет выделить ряд форм организации этой деятельности, от­личающихся составом средств, методов и содержанием труда проектировщиков.

Для 20-30-х годов, когда промышленностью осваивалась ограниченная но­менклатура технических устройств, состоящих из относительно небольшого чис­ла деталей и сборочных единиц, характерна безмашинная (ручная) форма органи­зации проектирования на основе оригинальных решений.

Технические средства проектирования - кульманы, логарифмические линейки, готовальни и другие - были малопроизводительны. Применялись приближенные, основанные на эмпирике методы расчетов. Расчетные формулы были насыщены коэффициентами, значения которых выбирались в широких пределах из графиков и диаграмм. Информация, использовавшаяся при проектировании, была неупоря- дочена. В этот период в каждой отрасли, а иногда и в отдельных проектно- конструкторских организациях применялись свои системы оформления и обра­щения конструкторских документаций, что затрудняло передачу из одной органи­зации в другую, тормозило распределение прогрессивных технических решений. Вместе с тем, несмотря на низкую производительность средств проектирования, труд проектировщиков был в целом творческий. Создавались технические объек­ты, основанные на оригинальных решениях. Трудоемкость рутинных, нетворче­ских работ, связанных с деталировкой, оформлением и обращением конструктор­ской документации, не превышала 30 %.

В 40-е годы резко возросла потребная номенклатура проектируемых и осваи­ваемых промышленностью изделий. Повысились требования к качеству и надеж­ности. Следствием этого явилось усложнение конструкций машин и необходи­мость их серийного и массового производства. Прежняя форма организации про­ектирования не удовлетворяла новым требованиям. Технические средства проек­тирования качественно усовершенствовать не удалось. Оставалось только одно - изменить методы проектирования.

Поиски выхода из создавшегося положения привели к новой форме организа­ции проектирования на базе типовых решений, которую можно назвать формой типового проектирования.

Благодаря работам советских ученых А. П. Соколовского, С. П. Митрофанова, И. И. Артоболевского, В. В. Бойцова были разработаны новые методы проектиро­вания, которые позволили значительно повысить уровень организации и эффек­тивность проектно-конструкторских работ. К ним относятся методы группового проектирования, агрегатирования и унификации.

Метод группового проектирования заключается в разработке семейства (ряда) конструктивно подобных исполнений машин многоцелевого назначения. Теоретиче­ской базой группового проектирования является система предпочтительных чисел.

Агрегатирование - это метод конструирования технических устройств, осно­ванный на таком членении их на составные части, при котором обеспечивается многократное использование проектов составных частей при разработке новых исполнений изделий.

Сущность унификации как метода конструирования заключается в том, что составные части машин конструируют таким образом, чтобы их номенклатура была минимальной, но достаточной для рациональной компоновки и эффективно­го функционирования изделий.

Вместе с внедрением в практику проектирования названных методов были разработаны принципы функциональной и монтажной взаимозаменяемости, со­вершенствовались методы расчета и оптимизации изделий. Стали применяться такие новые сродства малой механизации, как арифмометры, печатающие устрой­ства, средства размножения документации, а также ЭВМ для выполнения отдель­ных наиболее сложных расчетов. Началась механизация процесса проектирова­ния.

К середине 50-х годов завершился процесс упорядочения информации на базе стандартизации используемых при проектировании материалов и полуфабрика­тов, крепежных и других изделий общего применения, систем допусков и поса­док. Осуществлен переход к единой системе конструкторской документации (ЕСКД), установившей единые правила разработки изделий, оформления и обра­

щения, а также сами виды изделий и конструкторских документов. В результате постепенного совершенствования методов и отчасти средств проектирования произошел переход от ручного оригинального проектирования к частично­механизированному типовому проектированию технических устройств. Благодаря этому резко возросла номенклатура осваиваемых видов промышленных изделий, повысилась серийность, возрос уровень механизации процессов изготовления.

Вместе с тем были выявлены недостатки, свойственные данной форме органи­зации проектирования. Изменился характер труда проектировщиков и конструк­торов. Уменьшилась доля творческого труда в общем объеме проектирования. Инженер «утонул» в море справочников, стандартов и других нормативных доку­ментов. Рутинные работы по вычерчиванию типовых изображений, по ручному поиску информации о стандартных элементах, материалах и ранее спроектиро­ванных конструкциях составляли более 60 % трудоемкости проектно-конст­рукторских работ. Снизилась привлекательность труда, резко увеличилась числен­ность среднего звена инженерно-технических работников. Все это не могло не ска­заться на сроках проектирования и качестве технических объектов. Сроки проекти- рования объектов сравнялись, а зачастую и превзошли сроки нахождения их в про­изводстве и эксплуатации.

В 60-е годы стало ясно, что без качественной перестройки проектной деятель­ности невозможно коренным образом повысить технический уровень и качество технических устройств и систем, а также сократить сроки и трудоемкость проек­тирования. Нужна качественно новая автоматизированная форма организации проектирования на базе математических методов, программных средств и вычис­лительной техники с сохранением всех преимуществ типового проектирования.

Программное управление и вычислительные устройства к этому времени за­воевали прочные позиции во всех отраслях промышленности. Стала очевидной необходимость применения вычислительной техники и на стадии подготовки производства. Автоматизировать интеллектуальный труд стало возможным толь­ко с разработкой мощных вычислительных средств, позволяющих резко ускорить цикл проектирования и повысить качество технической подготовки производства.

Это обстоятельство побудило как у нас в стране, так и за рубежом всерьез за­няться созданием систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе вычислительной и периферийной техники. Автоматизация инженерного труда с применением математических методов и средств вычислительной техники в сфе­ре технической подготовки производства - единственный путь повышения эф­фективности подготовки производства. Одновременно САПР являются средства­ми оптимизации конструкций, повышения надежности и технологичности изде­лий, снижения их металлоемкости.

1.3 БАЗОВЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Автоматизация проектирования сформировалась на основе достижений кон­кретных технических дисциплин, вычислительной математики и вычислительной техники.

В конкретных технических дисциплинах зародились и получили развитие принципы построения технических объектов, приемы и последовательность вы­полнения проектных задач, системы основных понятий, терминов, классифика­ций, оценок проектируемых объектов. Многие положения, принципы и приемы традиционного инженерного проектирования совместимы с требованиями авто­матизации и оказали определенное влияние на методологию современного АП.

Однако при традиционном проектировании ориентация на ручной счет не по­зволяет положить расчетные методы в основу большинства проектных процедур. Поэтому в процессе неавтоматизированного проектирования преимущественно ис­пользуются эмпирические методы исследования и оценки качества проектных ре­шений, получаемых на основе производственных экспериментов, инженерного опыта и интуиции без привлечения формальных методов. С ростом сложности про­ектируемых объектов сроки и стоимость такого проектирования оказываются чрезмерно большими. Поэтому возникла необходимость в переходе от физического экспериментирования к математическому моделированию, замене эвристических подходов к принятию решений, определению параметров и оформлению докумен­тации, алгоритмизированными процедурами.

Вычислительная математика дала возможность алгоритмизировать и автома­тизировать ряд проектных процедур, для которых имеется математическая интер­претация. Часто математическая постановка для многих проектных процедур не­очевидна, а их последующая алгоритмизация существующими математическими методами не всегда удовлетворительна. Поэтому формализация задач, выбор и разработка математических моделей, методов и алгоритмов выполнения проект­ных процедур в значительной мере определяют содержание теории АП.

Необходимое условие реализации алгоритмов проектирования - наличие вы­числительной техники и периферийных устройств. Приспособление задач к воз­можностям имеющегося технического обеспечения происходит, во-первых, на ос­нове специальных приемов разделения процессов проектирования на ряд иерархических уровней и аспектов, во-вторых, благодаря сохранению за человеком в САПР тех функций, которые не могут быть выполнены формальными методами с приемлемыми затратами времени и средств. В результате процесс АП сводится к необходимости решения конечной последовательности задач приемлемой сложно­сти в режиме взаимодействия человека и программной системы.

Кроме устройств программной обработки данных, необходимы устройства оперативного обмена информацией, документирования и архивации проектных решений, хранения информации в виде базы знаний, отражающей накопленный опыт проектирования. Вопросы организации совместного функционирования раз­нообразных и многочисленных технических средств в составе САПР образуют важный раздел науки АП. Эти вопросы касаются не только аппаратных средств, но даже в большей мере - средств программного обеспечения САПР.

Направление работ, связанное с созданием САПР, занимает сегодня промежу­точное положение между математическим, чисто вычислительным направлением, и направлением, называемым «искусственным интеллектом», так как ЭВМ проек­тирует по определенным математическим моделям, но решает при этом задачи задачи сложной сферы интеллектуальной деятельности, существенно или полно­стью заменяя инженера при проектировании. Сейчас совершенно ясно, что даль­нейшее увеличение отдачи инженера связано с широким применением систем ав­томатизированного проектирования.

Автоматизация проектирования как научно-техническая дисциплина включает в себя:

• методологию инженерного проектирования;

• концепцию автоматизации жизненного цикла изделия на основе CAD/C АМ/С АЕ систем;

• структуру и виды обеспечений систем автоматизированного проектирования.

1.4. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и компьютера, называют автоматизированным, в отличие от ручного (без использования компьютера) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Система, реализующая автома­тизированное проектирование - система автоматизированного проектирования. В англоязычном написании-CAD System (Computer Aided Design System).

Превалирующим в настоящее время является автоматизированное проектиро­вание. Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных слу­чаях для сравнительно несложных объектов, но за ним будущее.

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принци­пов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики проектирова­ния сложных изделий и систем.