1.8. Типовая функциональная схема процесса проектирования

Типовая функциональная схема процесса проектирования (ПП) объектов в условиях функционирования САПР - это упорядоченная совокупность проектных процедур и операций, приводящих к составлению описания ПО на определенном языке.

Типовая схема ПП объектов на уровне проектных процедур представляет собой упорядоченную совокупность проектных процедур, направленных на получение множества инвариантных элементов ПО.

В общем случае в области проектирования, как отмечалось выше, можно использовать три подхода к решению задачи:

- от целого к его частям (нисходящее проектирование);

- от частей к целому (восходящее проектирование);

- смешанный (итерационный).

Для машиностроительных ПО характерен смешанный подход.

Типовой ПП строится по схеме от целого. Любой ПО можно представить в виде иерархических структур, включающих как минимум три уровня: объект в целом, сборочные единицы, детали.

На рис.1.5 представлена типовая схема ПП на уровне проектных процедур для трехуровневой иерархической структуры. Проектирование начинается с задания на проектирование, которое содержит целевые требования и граничные условия к ПО.

Для объекта в целом процесс проектирования включает пять проектных процедур:

П₁^о - выработка требований среды к ПО и упорядочение исходных данных (формулируются наиболее существенные требования среды к создаваемому объекту, учитываются цели его создания, определяющие функции и показатели качества);

П₂^о - определение функций ПО (определяются основные и вспомогательные действия ПО, обеспечивающие выполнение им необходимых требований);

П₃^о - выбор физического принципа действия ПО (формулируется структура совместимых и объединенных физических эффектов, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия в конечный результат);

П₄^о - выбор рационального технического решения ПО (конструктивно реализуется физический принцип действия. При этом одновременно по рекомендуемому техническому решению создаются методики проектирования, стандарты, математические модели);

П₅^о - формирование состава, структуры и параметров ПО (осуществляется разработка сборочных единиц, деталей, определяются условия их взаимодействия и параметры, требования к ним, т.е. осуществляется итерационная процедура последовательного формирования вариантов структуры и параметров).

Проектное решение по структуре и параметрам ПО является основой процесса проектирования сборочных единиц (СЕ). На этапе проектирования сборочных единиц последовательно проводятся четыре проектные процедуры:

П₁^с - упорядочение исходных данных и определение функций СЕ (учитываются цели создания объекта, определяющие показатели качества, основные и вспомогательные действия, обеспечивающие выполнение функций ПО);

П₂^с - выбор физического принципа действия СЕ, т.е. физических эффектов, обеспечивающих преобразование входных воздействий в конечный результат;

П₃^с - выбор рационального технического решения (конструктивно реализуется физический принцип действия).

При выполнении четвертой проектной процедуры осуществляется выбор конструкции ПО после оценки исходной информации о нем в информационном обеспечении САПР. В общем случае возможны три альтернативных пути проектирования СЕ и деталей в зависимости от степени заимствования существующих технических решений:

1) проектирование на основе полностью заимствованных решений (ПЗР);

2) проектирование на основе модификации существующих решений (М);

3) оригинальное проектирование (ОП) - при отсутствии в информационном массиве технических решений, удовлетворяющих требованиям к ПО.

В зависимости от степени заимствования выбирается одна из трех процедур:

П₄^с - проверка качества заимствованной структуры и параметров СЕ (осуществляется в первом случае);

П₅^с - уточнение структуры и параметров СЕ (осуществляется во втором случае);

П₆^с - формирование структуры и параметров СЕ (выполняется в третьем случае, когда определяются условия взаимодействия составляющих ее элементов и параметров и формулируются требования к ним).

Далее осуществляется переход к проектированию деталей, где последовательно повторяются три проектные процедуры:

П₁^д - определение функций детали (находятся основные и вспомогательные функции, обеспечивающие выполнение функций СЕ или ОП в целом);

П₂^д - выбор рациональных технических решений (определяется форма, размеры, материал, а также чистота обработки поверхностей, условия взаимодействия с другими деталями или СЕ (допуски, посадки и т.п.)).

Затем оценивается степень заимствования существующих технических решений, в результате чего выбирается одна из трех процедур:

П₃^д - проверка качества заимствованных технических решений детали;

П₄^д - уточнение технического решения детали;

П₅^д - синтез технического решения детали.

Таким образом, процесс проектирования содержит одиннадцать инвариантных проектных процедур, которые в общем случае могут многократно повторяться при проектировании сложных технических объектов.

На основе схемы процесса проектирования на уровне проектных процедур можно построить схему процесса проектирования на уровне проектных операций. Схема строится исходя из предположения, что на каждой из инвариантных процедур процесса проектирования поэтапно принимаются и реализуются решения, причем типовая последовательность принятия и реализации проектных решений включает семь этапов:

Э₁ - выработка основных понятий (концепций);

Э₂ - формирование множества возможных вариантов;

Э₃ - формирование исходных данных, требований и ограничений;

Э₄ - формирование множества допустимых вариантов;

Э₅ - моделирование и выбор оптимального варианта;

Э₆ - формирование информационной модели (описания);

Э₇ - оценка качества и принятие решения по окончании проектирования.

Если на каждой из процедур процесса проектирования будут проходить все этапы принятия и реализации проектных решений, то теоретическое множество проектных операций, входящих в процесс проектирования, составит 117 = 77. Однако ряд операций удается объединить, и количество операций в типовой схеме процесса проектирования на уровне проектных операций, представленной на рис.1.6, составляет 57. Пояснения проектных операций оформлены в виде табл.1.1.

Таблица 1.1. - Пояснения к рис. 1.6.

№ п/п	Обозначение	Содержание проектной операции
1	Р1(1)	Выработка концепции взаимодействий ПО со средой
2	Р1(2)	Формирование множества возможных вариантов взаимодействия ПО со средой
3	Р1(3)	Формирование исходных данных, требований и ограничений к взаимодействию ПО со средой
4	Р1(5)	Моделирование и выбор оптимального варианта взаимодействия ПО со средой
5	Р1(7)	Оценка качества и принятие решения по окончанию проектирования взаимодействия ПО со средой
6	Р2(1)	Выработка понятий, положений о функциях ПО
7	Р2(2)	Формирование множества возможных функций ПО
8	Р2(3)	Формирование исходных данных, требований и ограничений по составу функций ПО
9	Р2(4)	Формирование множества допустимых функций ПО
10	Р2(5)	Моделирование и выбор оптимального количества и состава функций ПО
11	Р2(7)	Оценка качества выбранных функций ПО
12	Р3(1)	Выработка концепций физического принципа действия (ФПД) ПО
13	Р3(2)	Формирование множества возможных вариантов ФПД ПО
14	Р3(3)	Формирование требований и ограничений к ФПД ПО
15	Р3(4)	Формирование множества допустимых вариантов ФПД ПО
16	Р3(5)	Моделирование и выбор оптимального варианта ФПД ПО
17	Р3(7)	Оценка качества выбранного ФПД ПО
18	Р4(1)	Выработка концепций технического решения (ТР) ПО
19	Р4(2)	Формирование множества возможных вариантов ТР ПО
20	Р4(3)	Формирование требований и ограничений к ТР ПО
21	Р4(4)	Формирование множества допустимых вариантов ТР ПО
22	Р4(5)	Моделирование и выбор оптимального ТР ПО
23	Р4(6)	Реализация выбранного ТР в виде проекта (описания) ПО
24	Р4(7)	Оценка качества и принятие решения по окончанию проектирования ТР ПО
25	Р5(2)	Формирование множества возможных вариантов состава, структуры и параметров (ССП) ПО на уровне СЕ
26	Р5(3)	Формирование исходных данных, требований и ограничений к ССП СЕ
27	Р5(4)	Формирование множества допустимых вариантов ССП СЕ
28	Р5(5)	Моделирование и выбор оптимального варианта ССП СЕ
29	Р5(6)	Реализация выбранного ССП СЕ в виде описания (проекта)
30	Р5(7)	Оценка качества решения по ССП СЕ и принятие решения по окончанию их проектирования
31	Р6(4)	Формирование функций СЕ
32	Р6(6)	Описание функций СЕ
33	Р6(7)	Оценка качества решения по функциям СЕ
34	Р7(3)	Формирование требований и ограничений к ФПД СЕ
35	Р7(4)	Формирование множества допустимых вариантов ФПД СЕ
36	Р7(5)	Моделирование и выбор оптимального варианта ФПД СЕ
37	Р7(6)	Реализация выбранного ФПД СЕ
38	Р7(7)	Оценка качества выбранного ФПД СЕ
39	Р8(3)	Формирование требований и ограничений к ТР СЕ
40	Р8(4)	Формирование множества допустимых вариантов ТР СЕ
41	Р8(5)	Моделирование и выбор оптимального варианта ТР СЕ
42	Р8(6)	Реализация выбранного варианта ТР СЕ
43	Р8(7)	Оценка качества ТР СЕ
44	Р9(3)	Формирование исходных данных, требований и ограничений к ССП СЕ
45	Р9(4)	Формирование множества допустимых вариантов ССП СЕ
46	Р9(5)	Моделирование и выбор оптимального варианта ССП СЕ
47	Р9(6)	Реализация выбранного ССП СЕ в виде описания (проекта)
48	Р9(7)	Оценка качества реализованного ССП СЕ
49	Р10(3)	Формирование исходных данных, требований и ограничений к функциям детали
50	Р10(5)	Моделирование функции детали
51	Р10(6)	Описание функции детали
52	Р10(7)	Оценка качества решения по функциям детали
53	Р11(3)	Формирование исходных данных, требований и ограничений к ТР детали
54	Р11(4)	Формирование ТР детали
55	Р11(5)	Моделирование ТР детали
56	Р11(6)	Реализация ТР детали в виде описания
57	Р11(7)	Оценка качества ТР детали

Приведенная типовая схема ПП на уровне проектных процедур (см. рис.1.5) не отражает итерационности, имеющей место в процессе проектирования, когда на высших уровнях сначала принимаются неокончательные решения, на нижних уровнях доопределяются структура и параметры объекта, а затем осуществляется соответствующий возврат для принятия окончательного решения.

На каждом иерархическом уровне итерационный процесс проектирования представляется как решение совокупности задач анализа и синтеза. Этот процесс можно проиллюстрировать схемой, приведенной на рис.1.7.

Разработка очередной подсистемы по ТЗ, предъявленному от предыдущего уровня проектирования, начинается с синтеза структуры. Исходный вариант структуры генерируется, а затем оценивается с позиции удовлетворения условий работоспособности.

Для каждого варианта структуры разрабатывается модель объекта (математическая или физическая). Модель должна быть адекватна ПО в отношении основных параметров. Численные значения параметров элементов модели устанавливаются на основании предварительных расчетов или интуиции и опыта инженера.

Далее для каждого варианта структуры предусматривается оптимизация параметров путем многократного анализа. Если для очередного варианта достигнуто выполнение условий работоспособности с заранее оговоренным запасом, то задача синтеза считается решенной. Результаты проектирования оформляются в виде необходимой технической документации и ТЗ на разработку следующей подсистемы.

Если условия работоспособности не выполняются, то изменяются управляемые параметры, и модель анализируется при новых значениях параметров. Если перебор многих параметров не приводит к успеху, то проверяют адекватность модели и при возможности корректируют ее, а в противном случае производят генерацию новой структуры.

Если перебор многих вариантов структуры не приводит к успеху, то ставится вопрос о пересмотре ТЗ, что влечет за собой, как правило, возвращение к предыдущему уровню проектирования и пересмотр принятых на нем решений. В связи с итерационным характером проектирования процедуры по приведенной схеме могут выполняться многократно.