Принципы и задачи проектирования
Уровни, аспекты и этапы проектирования.
Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованиями и представлением в принятой форме образа этого объекта. Образ объекта может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться по известным алгоритмам в процессе взаимодействия человека и компьютера. В любом случае проектирование начинается при наличии задания на проектирование, отображающего потребности заказчика в получении технического изделия. Это задание появляется в виде исходных (или первичных) описаний объекта. Результатом проектирования служит полный комплект документации, содержащей сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация представляет собой окончательное описание объекта.
Проектирование - процесс преобразования исходного описания объекта в окончательное, на основе комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера. Преобразование исходного описания в окончательное порождает промежуточные описания, называемые проектными решениями. Проектирование, при котором все или часть проектных решений получают путем взаимодействия человека и компьютера, называют автоматизированным, а если компьютер не используется - то неавтоматизированным.
Возможности проектирования сложных объектов обусловлены использованием ряда принципов, основными из которых являются декомпозиция и иерархичность описания объектов, многоэтапность и итерационность проектирования, типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.
Иерархические уровни описаний проектируемых объектов.
Описание технических объектов должно быть согласовано с возможностями восприятия их человеком. Это может быть реализовано только для очень простых изделий. Как правило, требуется расчленение представлений о проектируемых объектах на иерархические уровни.
Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлении о проектируемом объекте.
На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и элементов.
На верхнем уровне 1, как показано на рис. 3, подлежащий проектированию объект рассматривается как система из п элементов. Каждый из элементов верхнего уровня 1 также есть сложный объект, и представляет собой систему на уровне 2 и т.д., подобное разделение продолжается до получения на некотором уровне элементов, описание которых не подлежит дальнейшему делению. Такие элементы по отношению к объекту S являются базовыми элементами. Принцип иерархичности означает разделение представлений о проектируемом объекте по степени детальности описаний.
Рисунок 3 - Иерархические уровни объекта S
В машиностроении базовые элементы представлены деталями. Детали фигурируют в описаниях низшего иерархического уровня, на котором системой являются сборочные единицы. Сборочные единицы являются элементами агрегатов - систем следующего иерархического уровня. Далее следуют станки, комплексы и т.д.
При рассмотрении технологических процессов в машиностроении общее описание представляется принципиальной схемой технологического процесса. На следующем иерархическом уровне описываются маршруты обработки деталей (маршрутная технология), как системы, состоящие из элементов - технологических операций. Дальнейшее применение принципа иерархичности приводит к выделению уровней описаний операционных технологий и управляющих программ для станков с ЧПУ.
Аспекты описаний проектируемых объектов.
Кроме расчленения описаний объекта по степени подробности отражения его свойств, порождающего иерархические уровни, используют разделение описаний по характеру отображаемых свойств объекта. Такая декомпозиция приводит к появлению ряда аспектов описаний. Наиболее крупными являются: функциональный, конструкторский и технологический аспекты описаний.
Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объекте, и выражается в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и сопровождающих их документах.
Конструкторский аспект связан с реализацией функционального проектирования, т.е. с определением геометрических форм объектов и их взаимного расположения в пространстве.
Технологический аспект относится к реализации результатов конструкторского проектирования, и связан с описанием методов и средств изготовления объекта.
Внутри каждого аспекта возможно выделение своих иерархических уровней. Так, функциональный аспект описания машиностроительных конструкций включает в себя иерархические уровни принципиальных, функциональных и структурных схем. В то время как конструкторскому аспекту описания радиоэлектронной аппаратуры присуща своя иерархия уровней, в которой выделяют уровни деталей, узлов, агрегатов, станков и т.п.
Составные части процесса проектирования.
Проектирование как процесс, развивающийся во времени, расчленяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции. При проектировании сложных систем выделяют стадии предпроектных исследований, технического задания и технического предложения, эскизного, технического, рабочего проекта, испытаний и внедрения.
На стадиях предпроектных исследований, технического задания и технического предложения на основании изучения потребностей потенциальных заказчиков в получении новых изделий, научно-технических достижений, имеющихся ресурсов определяют назначение, основные принципы функционирования технического объекта и формируют техническое задание (ТЗ) на его проектирование. Эти этапы называют также стадиями научно-исследовательских работ (НИР).
На стадии эскизного проектирования (иначе называют опытно-конструкторские работы (ОКР)) проверяют корректность и реализуемость основных принципов и положений, определяющих функционирование будущего объекта и его эскизный проект.
На стадии технического проекта выполняются всесторонняя проработка всех частей проекта, конкретизируются и детализируются технические решения.
На стадии рабочего проекта формируется вся необходимая документация для изготовления изделия. Далее создается и испытывается опытный образец или пробная партия изделий, по результатам испытаний вносят необходимые коррективы в проектную документацию, после чего осуществляется внедрение в производство и выпуск серийной партии изделия.
Этап проектирования - это часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требуемых описаний объекта. Обычно названия этапов совпадают с названиями соответствующих иерархических уровней. Так, проектирование технологических процессов расчленяют на этапы разработки принципиальных схем технологического процесса, маршрутной технологии, операционной технологии, получения управляющей информации на машинных носителях для программно-управляемого оборудования (станков с ЧПУ).
Составные части этапа проектирования называют проектными процедурами. Проектные процедуры - это часть этапа проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения. Более мелкие составные части процедур называют проектными операциями, примеры проектных процедур - оформление чертежа, расчет прочности рамы, выбор электродвигателя и т.п., а пример проектных операций - вычерчивание зубчатого колеса, решение систем уравнений и т.п.
Понятие уровня и аспекта относятся к разделению представлений о проектируемом объекте, а понятие этапа - к расчленению самого процесса проектирования.
Нисходящее и восходящее проектирование.
Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называется нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называется восходящим.
У каждого из этих видов проектирования есть свои недостатки и преимущества. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены, следовательно, требования о их возможностях носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы и, следовательно, предположительный характер имеют требования к системе. В обоих случаях возможны отклонения от оптимальных технических результатов. Поскольку требуемые предположения могут не оправдаться, часто требуется повторное выполнение проектных процедур. Такие повторения обеспечивают последовательное приближение к оптимальным результатам и обуславливают итерационный характер проектирования. На практике обычно сочетают восходящее и нисходящее проектирование.
Внешнее и внутреннее проектирование.
При нисходящем проектировании формулировка ТЗ на разработку элементов относится к проектным процедурам того же иерархического уровня. Иначе дело обстоит с разработкой ТЗ на систему высшего иерархического уровня или на унифицированную систему элементов, предназначенную для многих применений. Здесь разработка ТЗ является самостоятельным этапом проектирования, называемым внешним проектированием. В отличие от него этапы проектирования объекта по сформулированным ТЗ называют внутренним проектированием.
Основа внешнего проектирования - правильный учет современного состояния техники, а также возможностей технологии и прогноз их развития. На начальных стадиях проектирования сложных систем имеет место итерационный процесс, в котором поочередно выполняются процедуры внешнего и внутреннего проектирования - формулировка ТЗ, его корректировка, оценка выполнимости, прогноз материальных и временных затрат на проектирование и изготовление.
Унификация проектных решений и процедур.
Использование типовых и унифицированных проектных решений приводит к упрощению и ускорению проектирования. Однако унификация целесообразна только в таких классах объектов, в которых из небольшого числа разновидностей элементов проектируется большое число систем. Эти разновидности и подлежат унификации. При проектировании сложных систем в каждом конкретном случае приходится заново выполнять многоуровневое иерархическое проектирование. В этом случае нецелесообразно унифицировать не изделия, а унифицировать средства их проектирования и изготовления. Наличие средств автоматизированного выполнения типовых проектных процедур позволяет оперативно создавать проекты новых изделий.
Виды описаний проектируемых объектов и классификация их параметров.
Окончательное описание проектируемого объекта представляет собой полный комплект документации, оформленной по ЕСКД. Для промежуточных описаний, предназначенных для использования при проектировании, допускаются специфические формы представления, принятые в конкретной системе проектирования. Описания могут принимать разную языковую форму, и находиться на различных запоминающих устройствах САПР. Важным видом описаний являются математические модели - системы математических объектов (чисел, функций, матриц, множеств и т.п.) и отношений между ними, отражающих свойства объекта, существенные с точки зрения проектирования. Фазовые переменные характеризуют физическое или информационное состояние объекта, а их изменение во времени выражает переходные процессы в объекте. Фазовые переменные могут быть либо переменными типа потенциала (давления, скорости), либо типа потока (силы, расхода).
Среди множества свойств проектируемого объекта различают свойства системы, свойства её элементов и внешней среды. Количественное выражение этих свойств называют параметрами. Величины, характеризующие свойства внешней среды, называют внешними параметрами, свойства элементов системы - внутренними, а свойства самой системы - выходными параметрами.
Исходные описания проектируемых объектов часто представляют собой ТЗ на проектирование. Часто в ТЗ формулируют технические требования к выходным параметрам уi, представляющие собой границы допустимых диапазонов изменения выходных параметров ti. Требуемые соотношения между уi и ti называют условиями работоспособности, выражаемые в виде неравенств:
уi < ti ; уi > ti ; ti' < уi < ti