Лекция 3

1.3 Основные задачи и принципы сапр тп

Под автоматизацией проектирования понимают систематическое использование ЭВМ в процессе проектирования при обоснованном распределении функций между человеком и ЭВМ и обоснованном выборе методов автоматизированого решения технологических задач.

Режимы проектирования в САПР. По характеру и степени участия человека и использования ЭВМ различают четыре вида проектирования.

При неавтоматизированном (ручном) проектировании все преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на разных языках осуществляет человек.

При автоматическом режиме все проектирование ведется по формальным алгоритмам на ЭВМ без вмешательства человека в ход решения.

Автоматизированное проектирование является частично автоматизированным, если часть проектных процедур выполняется человеком вручную, а часть – с использованием ЭВМ. Такой режим обычно отражает невысокую степень автоматизации проектирования.

При диалоговом (интерактивном) режиме все процедуры в маршруте выполняются с помощью ЭВМ, а участие человека проявляется в оперативной оценке результатов проектных процедур или операций, в выборе продолжений и корректировке хода проектирования. Если инициатором диалога является человек, которому предоставлена возможность в любой момент прервать автоматические вычисления на ЭВМ, то диалог называется активным. Если прерывания вычислений происходят по командам исполняемой на ЭВМ программы, т.е. проектировщик не выступает инициатором диалога, то такой диалог называют пассивным.

Развитие САПР происходит, в частности, в направлении повышения степени автоматизации проектирования. Однако работа в режиме диалога в САПР остается необходимой в связи с тем, что полностью процесс проектирования сложных систем формализовать не удается, и что участие человека в ряде случаев позволяет ускорить принятие решения.

При автоматизированном проектировании проектировщик должен решать творческие задачи, а ЭВМ – задачи, функции которых связаны в основном с выполнением нетворческих или умственно-формальных процессов при проектировании. Дальнейшее развитие теории проектирования и вычислительной техники позволяет постепенно передавать ЭВМ решение и творческих задач.

Блочно-иерархический подход к процессу проектирования. Если проектируемая система является достаточно сложной и не доступна для понимания одним человеком, то она расчленяется на иерархические уровни. На высшем уровне используется наименее детализованное представление, отражающее только общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности рассмотрения возрастает; при этом система рассматривается не в целом, а отдельными блоками. Это позволяет на каждом уровне формулировать и решать задачи приемлемой сложности, поддающиеся уяснению и пониманию человеком и решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разделение на блоки должно быть таким, что бы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком.

Часто названия этапов проектирования совпадают с названиями соответствующих иерархических уровней. Так при проектировании технологических процессов различают несколько уровней (этапов): разработку принципиальной схемы ТП, проектирование технологического маршрута обработки, проектирование технологических операций, разработку управляющих программ для оборудования с ЧПУ.

При проектировании сложных систем иногда приходится оперировать описаниями, в которых одновременно представлены два иерархических уровня, например i и (i +1). В этом случае применяют термины система, подсистема и элементы, относя их соответственно к системе i-ого уровня, системам и элементам (i +1)-го уровня.

Нисходящее и восходящее проектирование. Если при создании сложного объекта проектирование начинается с задач высшего иерархического уровня с последующей детализацией и разработкой задач низших уровней («сверху вниз»), то такое проектирование называется нисходящим. Если раньше выполняются этапы на низших иерархических уровнях, затем идут к укрупнению решаемых задач, т.е. «снизу вверх», то такое проектирование называют «восходящим».

У каждого из этих методов имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается когда элементы еще не определены и, следовательно, сведения об их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предположительный характер имеют требования к элементам. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей информации возможны отклонения от оптимальных технических результатов. Поскольку принимаемые решения могут не оправдаться, то часто требуется повторное выполнение проектных процедур предыдущих этапов.

На практике обычно сочетают восходящее и нисходящее проектирование. Например, восходящее проектирование применяют на тех иерархических уровнях, где используются унифицированные элементы. Очевидно, что унифицированные элементы разрабатываются раньше, чем конкретная система.

Унификация проектных решений и процедур. Обычно унификация объектов выполняется с целью улучшения технико-экономических показателей производства и эксплуатации изделий. Использование типовых и унифицированных проектных решений приводит также к упрощению и ускорению проектирования: так, типовые элементы разрабатываются однократно, но в различных проектах применяются многократно.

Однако унификация целесообразна только в тех случаях, когда из сравнительно небольшого числа деталей (элементов) предстоит спроектировать и изготовить большое число разнообразных систем.

Для сложных систем иногда в каждом конкретном случае приходится заново выполнять многоуровневое иерархическое проектирование. В этих случаях целесообразно ставить вопрос не об унификации изделий, а об унификации средств их проектирования и изготовления, в частности об унификации проектных процедур в рамках САПР. Наличие средств автоматизированного выполнения типовых проектных процедур позволяет оперативно создавать проекты новых изделий, а в сочетании со средствами изготовления в условиях ГАП осуществлять оперативное изготовление новых оригинальных изделий.

Проектные процедуры. Составные части этапа проектирования называют проектными процедурами. Проектная процедура ­– часть этапа, выполнение которой заканчивается получением проектного решения. Каждой проектной процедуре соответствует некоторая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры.

Примеры проектных процедур: выбор типовой детали для разработки технологического процесса ее изготовления, расчет допусков на составляющие звенья размерной цепи, расчет припусков на механическую обработку детали, оформление чертежа детали или маршрутной карты технологического процесса и т.п.

Проектная операция. Более мелкие составные части процесса проектирования, входящие в состав проектных процедур, называют проектными операциями. Например: расчет припуска на один переход, расчет силы резания, вычерчивание типового графического изображения (режущего инструмента, обозначения баз и т.д.).

Классификация типовых процедур (задач) проектирования. Проектная процедура называется типовой, если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов.

Различают проектные процедуры анализа и синтеза. Синтез заключается в создании описания объекта, анализ – в определении свойств и исследовании работоспособности объекта по его описанию, т.е. при синтезе создаются, а при анализе оцениваются проекты объектов.

При проектировании технологических процессов методом синтеза создается последовательность операций изготовления детали взятых из набора имеющихся типовых решений, например, операций механической обработки.

Основу этого метода составляют локальные типовые решения. Решение общей задачи, например проектирование технологического процесса, в этом случае формируется (синтезируется) из решений частных задач, определяющих элементы технологического процесса. Локальные типовые решения могут быть многоэлементными, например множество планов обработки поверхностей.

Поскольку локальные типовые решения обладают большей универсальностью, при применении метода синтеза можно учесть индивидуальные особенности детали. Для технологических про­цессов, разработанных с помощью системы автоматизированного проектирования на базе метода синтеза, применимо название единичных.

Методом синтеза часто создается типовой технологический процесс.

Типовой технологический процесс как объект теории автомати­зированного технологического проектирования - это упорядо­ченный (по последовательности выполнения) набор описаний технологических операций, достаточный для изготовления группы деталей с общими конструктивными и технологическими признаками. Для выбора типового технологического процесса организуется алгоритм выбора из группы ТП по конструктивным признакам детали. Для формирования из него технологического про­цесса изготовления конкретной детали необходимо организовать второй алгоритм, в результате которого останутся лишь те опера­ции, которые необходимы для изготовления данной детали. Такой метод проектирования, основанный на полных многоэлементных типовых решениях, называют методом анализа или адреса­ции.

Методом анализа создается техпроцесс обработки конкретной детали на основании типового техпроцесса, содержащего избыточное количество всевозможных операций. Т.е. выполняется анализ конструкции конкретной детали и удаление ненужных операций из типового ТП.

Процедуры анализа делятся на процедуры одно- и многовариантного анализа. При одновариантном анализе задаются строго определенные значения параметров, при многовариантном задается некоторое множество значений. Такой анализ требует многократного решения систем уравнений (многократного выполнения одновариантного анализа).

Синтез бывает структурным и параметрическим. При структурном синтезе определяется структура объекта – тип, состав элементов, и связи между ними. Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров при заданных структуре и условиях работоспособности.

Схема процесса технологического проектирования. На рис.2.3 представлена типичная последовательность проектных процедур на одном из этапов нисходящего проектирования.

Предположим, что на предыдущем этапе при решении задачи k-го иерархического уровня, одним из результатов решения стало ТЗ на проектирование системы (k+1)-го уровня.

Проектирование системы начинается с синтеза исходного варианта ее структуры. Для оценки этого варианта создается модель: математическая – при автоматизированном проектировании, экспериментальная или стенд – при неавтоматизированном проектировании. После выбора исходных значений параметров элементов выполняется анализ варианта, по результатам которого делается его оценка. Обычно оценка заключается в проверке условия работоспособности сформулированного в ТЗ. Если условие работоспособности выполняется, то полученное проектное решение принимается и система (k+1)-го уровня описывается в принятой форме и формулируется ТЗ на проектирование элементов данного уровня (т.е. системы следующего уровня). Если же проектное решение неудовлетворительно, то выбирается один из возможных путей улучшения проекта.

Обычно проще всего изменить числовые значения параметров элементов, т.е. модифицировать параметры. Если модификации целенаправленны и подчинены стратегии поиска наилучшего решения, то процедура параметрического синтеза называется оптимизацией. Возможно, что путем параметрического синтеза не удается добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности. Тогда прибегают к модификации структуры.

Формулировка ТЗ

Корректировка ТЗ

Синтез структуры

Создание модели

Выбор исходных значений параметров

АНАЛИЗ

Модификация параметров

Оформление документации

Формулировка ТЗ на элементы

Получено

требуемое проектное

решение

Выбор

способа улучшения

проекта

Изменение структуры

Рис. 2.3 Схема процесса проектирования

Уровень k+1

Уровень k

СИНТЕЗ

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

Да

Нет

Новый вариант структуры синтезируется, и для него повторяются процедуры формирования модели и параметрического синтеза. Если не удается получить приемлемое проектное решение и в этот раз, то ставится вопрос о корректировке ТЗ, сформулированного на предыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур k-го иерархического уровня, что и обуславливает итерационный характер проектирования.

Из схемы на рис.2.3 видна взаимосвязь проектных процедур анализа и синтеза, которая имеет характер вложенности процедуры анализа в процедуру оптимизации (параметрического синтеза) и процедуры оптимизации в процедуру синтеза, объединяющую синтез структурный и параметрический. Вложенность процедур показана на рис.2.4.

СИНТЕЗ

ОПТИМИЗАЦИЯ

АНАЛИЗ МНОГО-ВАРИАНТНЫЙ

АНАЛИЗ ОДНО-ВАРИАНТНЫЙ

Рис.2.4 Вложенность процедур проектирования

Вложенность означает, во-первых, что анализ входит как составная часть в оптимизацию, а оптимизация – в синтез, во-вторых, что однократное выполнение процедуры оптимизации требует многократного выполнения процедуры анализа, а однократное решение задачи синтеза – многократного решения задачи оптимизации. Очевидно, что такой же характер взаимодействия имеет процедура анализа – однократный многовариантный анализ основан на многократном одновариантном анализе. Нетрудно подсчитать, что синтез проектного решения на очередном этапе проектирования может потребовать выполнения чрезмерно большого количества вариантов анализа.

Приведенный пример свидетельствует о большой трудоемкости проектирования и о необходимости поиска путей сокращения этой трудоемкости.