1.3. Процедурная модель проектирования
Процесс создания новых технических систем можно разделить на пять этапов, включающих несколько последовательно выполняемых стадий, на каждом из которых САПР должна решать вполне определенные задачи.
1. Поисковое проектирование, включающее три стадии: предпроектные научно-технические исследования, формирование ТЗ, формирование технического предложения.
На этапе поискового проектирования проводятся фундаментальные и прикладные исследования по поиску новых конструктивных признаков. На этом этапе САПР должна решать задачи общенаучного характера, которые направлены на углубление и расширение наших познаний о том или ином классе технологического оборудования. Для решения этих задач САПР должна обладать искусственным интеллектом.
2. Конструирование, включающее три стадии: эскизное, техническое и рабочее проектирование.
На этапе проектно-конструкторской разработки САПР решает задачи общетехнического характера. Целью разработки при использовании САПР на данном этапе является получение интегрированной модели проектируемого объекта. САПР должна обеспечить поиск оптимального варианта структуры оборудования и его формы, детальную проработку выбранной конструкции, проведение технико-экономического анализа и др.
3. Технологическая подготовка производства, включающая две стадии: отработку конструкции на технологичность и разработку техпроцессов ее изготовления. На этапе технологической подготовки производства экспериментального образца задачей САПР является создание технологической модели производственного процесса.
Созданная на этом этапе с помощью САПР технологическая модель производства является необходимой основой, на которой строится АСУТП и АСУП.
4. Изготовление экспериментальных образцов включает две стадии: изготовление, а затем отладка и испытание. Цель - проверка правильности основных проектно-конструкторских решений и отработка технологической документации.
На стадии испытаний экспериментального образца (или модели) задачей САПР является планирование эксперимента, сбор и обработка результатов экспериментов, интерпретация результатов испытаний. При этом решаются две основные задачи:
- определяются фактические характеристики объекта;
- устанавливается степень адекватности использованных на втором этапе (проектно-конструкторской разработки) математических моделей объекта.
5. Освоение производства, в процессе которого достигаются требуемое качество (эксплуатационные характеристики), проектная трудоемкость изготовления и объем выпуска.
На этапе эксплуатационного контроля задачей САПР является сбор и обработка статистических данных по эксплуатации технологического оборудования, степени соответствия его реальным требованиям. Главная цель состоит в прогнозировании характеристик и параметров данного типа оборудования на основе полученных статистических данных, чтобы обеспечить преемственность разработок.
На каждом из перечисленных этапов, особенно на первых трех, применение САПР дает существенный эффект. Собственно процесс проектирования реализуется на первых двух этапах, и качество решений, принимаемых в процессе проектирования, оказывает основное влияние на процесс создания технических систем.
Согласно ЕСКД, процесс проектирования делится на пять основных этапов: техническое задание (ТЗ), техническое предложение (ТП), эскизный проект (ЭП), технический проект, рабочий проект.
ГОСТ не обязывает выполнять все этапы. Проблема состоит в том, чтобы научиться обоснованно выбирать этапы разработки с учетом сложности объекта, степени его новизны, последствий возможных ошибок при проектировании.
На практике процесс проектирования принято разбивать на три этапа.
1. Поисковое проектирование (предварительное конструирование) - связано с поиском принципиальных возможностей построения проектируемого объекта, исследованием новых принципов, структур, обоснованием наиболее общих решений. Результатом выполнения данного этапа является техническое предложение.
2. Эскизное проектирование (этап НИР) - производится детальная проработка возможностей построения проектируемого объекта. Результатом является эскизный проект, изготавливается экспериментальный образец, по результатам испытания которого вносятся необходимые изменения в проектную документацию.
3. Рабочее проектирование (этап ОКР) - выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений. Обычно проводится изготовление и испытания опытного образца.
Учитывая практику проектирования и последовательность выполняемых этапов и процедур, можно разработать логическую схему проектирования и представить ее в виде процедурной модели проектирования. Процедурная модель проектирования, согласуемая со стадиями разработки в соответствии с ЕСКД, реализует системный подход к проектированию (рис.1.3).
Проектирование начинается с определения потребности в создании нового объекта. Потребность диктуется состоянием общественного производства и отражается в перспективных планах директивных органов.
Ответственной процедурой является определение целей проектирования, задача которой состоит в распознавании общих черт объекта и условий взаимодействия его с окружающими объектами и внешней средой. Источниками информации для выполнения процедуры служат прогнозы развития самого объекта, а методами организации решения являются составление сценариев и построение графа целей, поскольку какой-либо четкой методики решения задачи распознавания объектов нет. Удобным аппаратом для анализа и синтеза информации является инженерное прогнозирование.
После выбора целей проектирования приступают к процедуре определения основных признаков объекта. Она состоит в построении среза бинарных отношений между элементами множества целей A и множества признаков P по выбранному подмножеству целей A0. Подмножество целей и подмножество признаков включаются в техническое задание.
На следующем этапе выполняется процедура принятия решения. Она в настоящее время уже достаточно формализована на основе матричных методов (применение матрицы решений, генеральной определительной таблицы и др.).
После выбора варианта решения проводится его анализ на проверку работоспособности и возможности технического воплощения. Методами решения выступают: моделирование, кинематический и динамический анализы. При неудовлетворительном результате анализа происходит возврат к этапу принятия решения и выбирается другой вариант. Окончательным оформлением принятого решения является техническое предложение.
Для удачного воплощения технического решения осуществляется выбор оптимального сочетания параметров и режимов работы. Выбор параметров относится к классу экстремальных задач. По результатам процедуры выбора параметров может быть составлен эскизный проект, представляющий собой совокупность конструкторской и технической документации, дающих представление в общих чертах о принципе работы проектируемой машины.
Получив данные о принципе действия и параметрах машины, приступают к ее конструированию. При этом используются опыт конструктора и достижения современной науки. Завершенная проектная разработка оформляется в виде технического проекта и рабочей документации по ЕСКД.
Приведенная процедурная модель отражает проектирование принципиально нового объекта. При совершенствовании и модернизации существующих объектов нет необходимости выполнять все этапы проектирования.
Основными чертами современной методики проектирования является системный подход, многокритериальная оптимизация, автоматизация выполнения проектных процедур и операций на основе широкого использования вычислительных методов и алгоритмов.