7.3. Механизация и автоматизация проектно-конструкторских работ

Усложнение конструкций изделий за счет повышения степени механизации и автоматизации выполняемой этими изделиями работы, увеличение их номенклатуры вызывает резкое возрастание объема проектно-конструкторских работ. Увеличивается время на проведение научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, что, в свою очередь, удлиняет сроки освоения новых изделий в производстве. В то же время быстрое моральное старение техники ставит задачу ускорения процесса подготовки производства и внедрения новых изделий. Важным звеном этого ускорения является сокращение сроков разработки.

Одним из путей интенсификации проектных работ может служить привлечение дополнительного конструкторского персонала и соответствующей техники для выполнения поставленных задач (средств организационной техники, средств бескопировочного размножения конструкторской документации и др.). Практика показывает, что указанные традиционные способы интенсификации конструкторских работ в основном исчерпали себя. В проектных организациях наблюдается дефицит рабочих кадров, в том числе высококвалифицированных проектировщиков и конструкторов. Выход из создавшегося положения следует искать в новом подходе к процессу разработки, используя в нем достижения конкретных технических дисциплин, математики и вычислительной техники. Именно автоматизация проектирования (АП) способна решать назревшие проблемы разработки на современном уровне. Практическая реализация целей и идей АП происходит в рамках систем автоматизированного проектирования (САПР). Если технология изготовления новых изделий в последнее десятилетие далеко шагнула вперед, то процесс разработки изделий и конструкторской документации на них изменился мало. В настоящее время в проектных, конструкторских, технологических и проектно-изыскательных организациях все шире начинают использовать САПР. В основу САПР положено математическое

моделирование процессов проектирования, которое позволяет составлять программы на выполнение проектных работ. Программы системы обеспечивают полноту и всесторонность проработки возможных вариантов и выбор наилучшего из них, максимально учитывающего взаимосвязь между изделием, условиями его работы и выполняемыми операциями. САПР включает в себя комплекс мер, среди которых важное место занимает автоматизация проектирования, производства и эксплуатации, автоматизация процессов управления, оптимизация результатов и др.

САПР создана для решения конкретных технических задач и должна обладать свойствами, характеризующими систему как предпочтительную перед другими видами проектирования. Она должна способствовать повышению качества и технического уровня разработок, в том числе и качества оформления проектной документации; обеспечивать существенное повышение производительности конструкторского труда на всех стадиях разработки; сокращать цикл конструкторской и технологической подготовки производства; совершенствовать проектирование на основе применения математических методов и средств вычислительной техники. С целью более глубокой проработки информации широко используется системный подход при постановке задачи г. метод оптимизации при определении основного варианта; быть универсальной в пределах одного вида проектирования на основе унификации и стандартизации методов разработки; освобождать конструктора от выполнения рутинной работы, что способствует повышению творческого характера и престижности его труда; быть рациональной, т. е. использовать минимальный объем памяти ЭВМ для получения координат любой точки самого сложного геометрического элемента конструкции.

Использование ЭВМ для механизации и автоматизации расчетов является начальным этапом внедрения САПР практически во всех конструкторских организациях. Созданные в конце 40-х годов ЭВМ заложили основу развития автоматизации трудоемких вычислений. Использование ЭВМ в технике для выполнения проектных и конструкторских расчетов (кинематических, силовых, прочностных, геометрических, тепловых и др.) создает базу для решения основных вопросов автоматического проектирования. Автоматизация расчетов дает значительный экономический

эффект. Она не только повышает производительность труда проектировщика, но и значительно повышает надежность разработанной конструкции. Обычно внедрение ЭВМ начинается с разработки автономных программ, автоматизирующих расчет отдельных деталей, механизмов или характеристик разрабатываемого изделия. Программа позволяет выполнять необходимые операции и получать интересующие разработчика выходные данные.

Механизации и автоматизации при помощи ЭВМ подвергаются, в первую очередь, сложные расчеты, которые невозможно выполнить без применения вычислительной техники и которые легко поддаются математической формализации. Программы расчета составляются на типовые расчетные операции, например программы по сиповым и прочностным расчетам, программы по расчету деформаций, по геометрическим расчетам и др. Программы расчета обычно составляются так, чтобы результаты вычислений могли быть использованы в разработке без их преобразования. Каждая программа охватывает какой-то один вид расчетов. Может быть создана программа для проведения проверочного расчета изделия, в которую вводятся все данные,полученные при проведении частных расчетных операций. Если разрабатываемое изделие не удовлетворяет заданным требованиям, например прочности или жесткости, то на выходе (на печать) выдается соответствующее сообщение.

Примером автоматизации проектировочных расчетов с использованием ЭВМ может служить система проектирования приводов оборудования. Эта система предусматривает разделение функций между конструктором и ЭВМ в процессе эскизного проектирования, при котором конструктор выполняет операции, требующие творческого подхода, а с помощью ЭВМ осуществляются операции, носящие рутинный характер. Конструктор задает, например, «немую» кинематическую схему проектируемого привода, а также его основные параметры (мощность и частоту вращения двигателя, частоту вращения выходного вала, требуемые размеры). С помощью ЭВМ производится подбор параметров всех деталей привода (валов, колес, шпоночно-шлицевых соединений, подшипников), причем сочетание зтих параметров должно быть оптимальным. Подбор параметров производится исходя из условий жесткости, уровня шума, размеров и т. п.

Использование ЭВМ при недостаточной информации о проектируемом объекте затруднено, так как не удается полностью математически описать связи исследуемого объекта с другими объектами. В этом случае наиболее предпочтительным вариантом поиска оптимального решения является диалог «человек—ЭВМ». Этот процесс не охвачен общим алгоритмом и носит творческий характер. Многократное обращение к ЭВМ позволяет выяснить все условия решения задачи, в которой окончательное принятие решения остается за разработчиком. Объединение крупных машинных баз данных и информации с методом анализа «человек—ЭВМ» позволяет существенно расширить и углубить творческие способности конструктора.

Начальным этапом внедрения АП является автоматизация отдельных проектирующих расчетов с последующим переходом к комплексной автоматизации проектирования, т. е. когда создаются САПР. Оба этих процесса имеют много общих черт. Как для автоматизации проектирующих расчетов, так и для комплексной автоматизации проектирования используется одна и та же вычислительная техника и исходные данные (информационные данные о разрабатываемом изделии, комплектующих изделиях, нормативно-технической документации и др.). Автоматизированное проектирование, в отличие от подобного использования ЭВМ, характеризуется автоматизацией операций, выполняемых при помощи программ, рассчитанных на многократное применение при решении определенного класса проектных задач.

Использование САПР в наши дни ограничено. Она охватывает такие группы изделий, которые имеют конструктивную, технологическую и эксплуатационную преемственность. САПР целесообразно применять при проектировании типовых, многократно повторяющихся конструкций разных типоразмеров. Подсистемы автоматизированного проектирования могут быть применены при разработке штампов, проектировании разных изделий и механизмов, например зубчатых передач, редукторов, насосов, виброустройств, двигателей и др. В некоторых случаях САПР целесообразно применять для выполнения отдельных проектных процедур: проверочных расчетов, оптимизации параметров и т. п. (Проектными процедурами называют составные части этапа проектирования, которые заканчиваются получением проектного решения.)

Система САПР постоянно совершенствуется. Многие отраслевые проектные организации разрабатывают все новые системы, на ЭВМ выполняется все больше проектных операций. Сегодня не все зависимости проектирующих объектов поддаются формализации, стало быть на них невозможно создать автоматизированную систему проектирования. Ученые во всем мире исследуют возможности использования САПР и расширения ее границ. Но уже можно прийти к выводу, что всеохватывающая система автоматизированного проектирования вряд ли будет создана.

Использование САПР в наши дни накопило уже значительный опыт, так что можно выделить следующие «поколения» САПР:

первое поколение САПР — создание систем на базе единой серии ЭВМ с ограниченными возможностями работы в диалоговом (интерактивном) режиме;

второе поколение САПР — создание систем на базе единой серии ЭВМ с широким использованием работы в режимах разделения времени и диалоговом, причем ЭВМ используется практически на всех ступенях конструирования;

третье поколение САПР — создание интегрированных систем, включающих в себя центральную ЭВМ большой мощности и связанных с ней персональных ЭВМ конструкторов.

Система автоматизированного проектирования (САПР) определена в ГОСТ 23501.0—79 как организационно техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации и выполняющая автоматизированное проектирование.

Автоматизированное проектирование обеспечивается средствами, которые можно сгруппировать следующим образом.

Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Оно включает в себя устройства ЭВМ (процессоры, запоминающие устройства); средства подготовки, ввода, отображения и документирования данных; средства архива проектных решений.

Математическое обеспечение САПР

объединяет в себе математические модели проектируемых объектов, методы и алгоритмы выполнения проектных процедур, используемые при автоматизированном проектировании.

Программное обеспечение САПРобъединяет собственно программы для систем обработки данных на машинных носителях и программную документацию, необходимую для эксплуатации программы.

Информационное обеспечение САПР объединяет всевозможные данные, необходимые для выполнения автоматизированного проектирования. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов и др. Основная составная часть информационного обеспечения САПР — банк данных, представляющий собой совокупность средств для централизованного накопления и коллективного использования данных в САПР. Банк данных (БНД) состоит из базы данных (самих данных, находящихся в запоминающих устройствах ЭВМ) и системы управления базой данных.

Лингвистическое обеспечение САПРпредставлено совокупностью языков, применяемых для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений.

Методическое обеспечение САПР составляют документы, характеризующие состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования.

Организационное обеспечение САПР включает положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.

Автоматизированное проектирование, являющееся разновидностью общего проектирования, заключается в создании образа разрабатываемого объекта в общепринятой форме. Оно заключается в преобразовании исходного описания объекта разработки в окончательное описание. Исходным первичным описанием изделия является техническое задание. Окончательным описанием является

комплект конструкторской документации, по которой изготовляется изделие и который содержит все необходимые для этого сведения. Преобразование исходного описания в окончательное порождает промежуточные описания, именуемые проектными решениями. Автоматизированное проектирование заключается в разработке проектных решений при помощи программы осуществления проектных процедур.

Чтобы произвести проектирование средствами автоматизированных систем, проектируемый объект должен быть представлен в виде описания, которое проектирующие системы «опознают» и могут использовать в своей работе.

Описание проектируемых объектов, особенно сложных, удается только при расчленении их на некоторые составные части и описании каждой части в отдельности, например иерархические уровни описаний проектируемых объектов. Описания объекта проектирования могут различаться также в зависимости от аспекта, с которого описываются его отображаемые свойства. Наиболее крупными являются функциональный, конструкторский и технологический аспекты.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объекте, и находит выражение в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и сопровождающих их документах.

Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального проектирования, т. е. с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве. Описание геометрии объекта проектирования является сложным и громоздким процессом. Для некоторых объектов проектирования представление изделия может быть обеспечено при помощи классификатора, в других — при помощи специальных языков.

Технологический аспект относится к реализации результатов конструкторского проектирования, т. е. связан с описанием методов и средств изготовления объектов. К ним можно отнести параметры обрабатываемого объекта и режимы обработки (геометрические размеры, конфигурация расположение относительно ссей станка и др.).

В автоматизации проектирования и чертежно-графических работ важное значение имеет представление информации машиностроительного чертежа. Машиностроительный чертеж — один из наиболее сложных и объемных документов машиностроительного производства. Он ориентирован на визуальное восприятие человеком,которое существенно превосходит возможности современных автоматизированных систем по распознаванию сложных многосвязных графических структур. Автоматизация чертежиографических работ является актуальной проблемой, так как около половины своего рабочего времени конструктор тратит именно на эти работы. Но в то же время автоматизация чертежно-графических работ является достаточно сложной задачей, связанной с большими затратами на разработку прикладных программ и приобретением дорогостоящего оборудования (ЭВМ и автоматических графических устройств).

При автоматизации деталировочных работ применяют различные принципы описания детали: иногда выделяют основной контур детали, составляемый из дробных объемных элементов и вспомогательных объемных конструкторско-технологических элементов. В других случаях детали разбивают на группы по сходству основного контура, причем выделяют основной контур и вспомогательные конструкторско-технологические элементы или же дробные объемные элементы и вспомогательные конструкторско-технологические элементы, а также элементы системы размеров и технических требований.

Чертежно-графическая информация изделия может быть представлена посредством принципиального комплексного чертежа, например «зубчатое колесо», «втулка», «фланец» и др. Объектами кодирования являются геометрические фигуры: элементарные (прямоугольник, окружность, дуга и др.), сложные (проекция, разрез, вид), изображаемые условно технические требования (размер, шероховатость поверхностей, предельные отклонения и др.).