5.5. Микропроцессорная и вычислительная техника

при проектировании машин

Трудно назвать другую сферу человеческой деятельности, которая развивалась столь стремительно как программирование на ЭВМ, информатизацию и компьютеризацию общества. Еще несколько лет назад бесспорным казался лозунг "Программирование- вторая грамотность", под которым подразумевалось умение каждого образованного человека создавать и программировать алгоритмы в своей сфере на языках FORTRAN, BASIC, PASCAL, C++ и т.д. Мощная лавина современных программных продуктов буквально за 1-2 года создала ситуацию, когда в большинстве приложений "кустарное" программирование не только стало ненужным, но и невозможным. Программирование становится на промышленную основу, им занимаются западные фирмы, которые поставляют программы с необходимой атрибутикой: наличие документации и нормальной упаковки; представление хотя бы минимального сопровождения, в первую очередь горячей линии (hot-line), для оперативного консультирования легальных пользователей программ; активную и массовую рекламу наиболее перспективных продуктов, обеспечивающих знакомство потенциальных пользователей.

Естественно применение современных методов стимулирования творческого процесса побуждает создателей машин выйти за пределы привычного круга мыслей, а также предохраняет от искушения использовать первую попавшуюся идею. При этом проектировщик вырабатывает настолько большое количество решений, что исследовать их для выбора оптимального решения, на базе синтеза и оценки вариантов множества технического решений возможно лишь с помощью ЭВМ.

Средством реализации информационного обеспечения, необходимого для поиска возможных технических решений уже на стадии формирования технического предложения и разработки технического задания, может быть автоматизированная система синтеза рациональных технических решений (АСТР), которая позволяет решать следующие задачи:

поиски допустимых технических решений, удовлетворяющих техническому заданию;

формирование наиболее эффективного технического задания и соответствующих ему допустимых решений;

поиск новых патентоспособных технических решений.

Система АСТР может быть использована как основа для построения САПР различных технических объектов. При проектировании с использованием САПР важнейшей составной частью процесса является разработка или формирование конструктивного образца технического объекта, который определяется его математической моделью. В свою очередь, математическая модель представляет собой совокупность математических зависимостей и ограничений, связывающих характеристики состояний процесса с рабочими параметрами машины и заданными условиями эксплуатации.

В процессе проектирования машин и оборудования формирование образа объекта осуществляется на стадии предварительного проектирования, включающей этапы разработки технического задания и технического предложения.

В системе автоматизированного проектирования при разработке моделирующих алгоритмов и программ формирования образа машины решаются следующие задачи:

разработка математической модели проектируемой машины;

установление связей между техническими параметрами машины как системы и характеристиками условий её эксплуатации;

установление рациональных значений основных параметров объекта, необходимых и достаточных для формирования чертежей общего вида и технических параметров на этапе предварительного проектирования;

оценка технического уровня и технико-экономической эффективности проектируемого объекта (машины);

разработка блок-схемы моделируемого алгоритма, формирования образа машины для САПР;

разработка (подбор) программ расчета основных технических параметров и составление чертежей проектируемого объекта.

В значительной степени решение этих задач определяется постановкой задачи на проектирование машины. Возможны три постановки задачи.

1. Создание машин, основанных на традиционных методах воздействия на среду. При этом известны возможные конструктивные решения, математическое описание рабочего процесса и условия однозначности, условия эксплуатации. В этом случае, при проектировании конструктивно-размерно-подобных машин, целесообразно создание моделирующего алгоритма базировать на положениях теории подобия и анализа моделей эффективности машин в подобных условиях эксплуатации.

В качестве примера здесь можно проанализировать создание новых машин для измельчения каменных материалов, основанных на известных способах воздействия их рабочих органов на среду: раздавливание, истирание, удар и др.

2. Создание машин, основанных на новых физических эффектах и методах воздействия на среду. При этом постановка задачи характеризуется отсутствием конструктивно подобного решения, наличием приближенного математического описания рабочего процесса либо его основных параметров, отсутствием сведений об эксплуатации создаваемой машины. Теоретическую основу алгоритма в этом случае могут составлять математические модели протекания физического явления, лежащего в основе принципа действия машины. Модели определяются на базе предварительного исследования физического эффекта, основу которого составляют методы математического, физического и комбинированного моделирования. Примером постановки задачи подобного типа может служить создание машин для эффективного измельчения с использованием ультразвука, высоко термического воздействия и других нетрадиционных способов.

3. Создание машин, основанных на комбинировании традиционных решений и новых физических эффектов. В этом случае могут быть известны конструкция традиционной части машины и её математическое описание, но отсутствовать сведения об эксплуатации машины и конструктивных особенностей её подсистемы, основанной на новом физическом эффекте. В задачах этого типа алгоритмы проектирования составляются на основе положений о моделировании сложных систем. При этом алгоритм, описывающий традиционную часть машины, базируется на теории подобия, а подсистема машины, основанная на новом физическом эффекте, проектируется по моделям, установленным экспериментально. Результат соединения двух подсистем (традиционной и новой) выявляется на основании положения о подобии сложных систем, а формирование моделирующего алгоритма далее рассматривается как и при проектировании конструктивно-размерно-подобных машин.

5.5.1. Составление моделирующего алгоритма формирования образа машины и характеристика его основных этапов

Моделирующий алгоритм формирования образа машины представляет собой модель-интерпретацию действий, конечным результатом которой на этапе составления технического предложения является получение технической характеристики проектируемой машины и чертежей её общего вида. При этом различают три этапа:

составление содержательного описания моделирующего алгоритма, включающего необходимый и достаточный материал для выражения в словесной форме основных качественных и количественных характеристик машины;

составление формализированной схемы как системы формул и ограничений, определяющих функционирование машины, при этом возможны дополнительные экспериментальные исследования и теоретические обоснования дополнительных ограничений;

составление моделирующего алгоритма формирования образа машины, представляющего собой систему зависимостей, связывающих параметры машины с главными показателями эффективности и условиями эксплуатации, с обязательным выделением параметров, характеризующих геометрические размеры и форму.

Моделирующий алгоритм включает в себя ряд этапов и подготовительных программ в виде отдельных блоков, представляющих, в свою очередь, алгоритмы и программы подготовки и ввода исходной информации, ограничений и расчета вспомогательных величин. Блок-схема моделирующего алгоритма формирования образа машины может быть следующей:

		Постановка задачи на проектирование
да нет да		Создание конструктивно-подобного объекта	I
		Ввод данных о главном параметре, условиях эксплуатации и показателях эффективности	II
		Составление математической модели объекта (уравнения движения, взаимодействия рабочего органа со средой и др.)	III
		Необходимость определения прочностных размеров элементов подсистем	IV
		Формирование критериев подобия
		Установление формул связи между параметрами	V
		Проверка соответствия полученных зависимостей существующим для конструктивно-подобных машин	VI
1 1		Выявление машины-эталона с нормативными показателями эффективности	VII
		Расчет коэффициентов пропорциональности в формулах связи по системе в целом и подсистемах	VIII
7 нет да ,10		Соответствие показателей эффективности показателям машины-эталона
		Формирование уточненных формул связи с численным значением коэффициентов пропорциональности по системе в целом и подсистемам
		Необходимость составления программы формирования чертежей машины	IX Распечатка таблицы основных параметров
		X
		Составление программы выполнения чертежно-графических работ

На 1-м и 2-м этапах, в случае создания машины на основе нового физического эффекта, необходимо формировать новый моделирующий алгоритм. Блок I обозначает подсистему формирования образа конструктивно-размерно-неподобной машины с исходной информацией и данными о характере процесса, основу которого составляет новый физический эффект.

На 3-м этапе должны использоваться вспомогательные программы, источником которых является блок III. При этом, в качестве главного параметра машины назначают величины, регламентируемые ГОСТом или другими требованиями (например, производительность, скорость движения, ёмкость, грузоподъёмность и др.).

На 4-м этапе необходимо использовать ряд вспомогательных алгоритмов и программ, основу которых могут составить материалы экспериментальных исследований. При этом блок III определяет порядок, состав и структуру формирования математической модели объекта.

На 5-м этапе выявляется необходимость ввода в математическую модель зависимостей, устанавливающих напряженное состояние в элементах подсистем машины и используемых для прочностных расчетов элементов под действием внешних нагрузок. При этом модели и программы блока IV используются на этапе эскизного проектирования в виде вспомогательных зависимостей и ограничений.

На 6-м этапе методами анализа уравнений, составляющих модель машины и сформированных на 4-м и 5-м этапах, устанавливают критерии подобия.

На 7-м этапе на базе анализа критериев подобия устанавливают зависимости между основными параметрами и главным параметром машины, используя вспомогательные расчеты параметров подсистем машины, определяемые блоком V.

На 8-м этапе блок VI характеризует операции, связанные с оценкой соответствия полученных зависимостей аналогичным соотношениям, имеющимся для существующих конструктивно-размерно-подобных машин.

На 9–м этапе проводят операции по составлению моделирующего алгоритма выявления машины-эталона, определяя при этом показатель эффективности, по величине которого устанавливают наиболее эффективную в заданных условиях эксплуатации машину. В качестве показателя эффективности могут использоваться, например, приведенные удельные затраты, отношение энергоемкости к удельной производительности и др. В итоге составляют таблицу параметров, характеризующих машину-эталон и используемых для расчета коэффициентов пропорциональности формирования образа проектируемой машины на 10-м этапе.

Если при сравнении на 11-м этапе показатель эффективности проектируемой машины окажется меньше или равен показателю машины-эталона, то переходят к следующему этапу расчета; если этот показатель больше, то необходимо вернуться на 7-й и 10-й этапы и уточнить формулы связи и величину коэффициента пропорциональности, рассчитав их в соответствии с другими эталонами.

На 12-м этапе моделирующего алгоритма выполняют работу по уточненному определению параметров проектируемой машины в соответствии с численным значением коэффициентов пропорциональности после их уточнения. Алгоритм должен содержать оценку полученных параметров по величине обобщенного показателя эффективности.

Заключительный этап алгоритма пояснений не требует.

На основании моделирующего алгоритма составляют программу проектирования, которая включает две основные подпрограммы; определение рациональных параметров машины с их распечаткой, выполнение чертежей общего вида машины не менее чем в двух проекциях.

Программа должна предусматривать вывод графической информации через графический дисплей на чертежно-графический автомат, а также работу конструктора с этим материалом в интерактивном режиме, т.е. анализ результатов моделирующего алгоритма на различных этапах и его корректировка при необходимости.

Лекция № 12