Математическое моделирование и проектирование систем автоматики
..pdfПримером модулей у трактора являются его навесные орудия: плуги, бороны, погрузчики, стогометатели и т.д., навеска каждого из которых придает трактору новые свойства.
Взаимозаменяемость изделий как тип стандарта представ-
ляет собой некоторую совокупность приемов, с помощью которых обеспечивается бесконфликтная замена одного поколения технической системы другой, более совершенной, или бесконфликтная замена одного элемента изделия другим.
Взаимозаменяемость бывает:
1)внутренняя;
2)внешняя;
3)неполная;
4)полная;
5)структурная;
6)функциональная.
Внутренняя взаимозаменяемость – это способность внутренних элементов изделий (узлов и деталей) быть замененными в случае их поломки. Этому виду взаимозаменяемости должны удовлетворять все ремонтные комплекты или запасные части изделий.
Внешняя взаимозаменяемость – это способность готовых изделий входить в состав других более сложных изделий. Примером такой взаимозаменяемости может быть серийный автомобиль как основной элемент автокрана, бурового станка, поливочной машины или самосвала.
Неполная взаимозаменяемость – это способность изделия к замене с последующей настройкой и регулировкой его параметров. Например, замена вышедших из строя транзисторов в электронных схемах требует их дальнейшей регулировки из-за разброса параметров (даже если они одного типа).
Полная взаимозаменяемость – это возможность замены внутренних элементов изделия без их настройки и регулировки. Этот вид взаимозаменяемости стал теперь преобладающим, а тенденция к сокращению неполной взаимозаменяемости становится все более явной с каждым поколением изделий.
31
Структурная взаимозаменяемость – это способность изделия к конструктивной совместимости с другими изделиями. Например, при замене электродвигателя в некотором изделии можно подобрать двигатель другого типа, но посадочные размеры его и мощность должны быть такими же, как и у прежнего двигателя.
Функциональная взаимозаменяемость – это способность замененных составных частей изделия выполнять функции прежних элементов. Например, при выходе из строя аккумулятора у автомобиля его можно заменить другим, но не обязательно таким же (но с сохранением принципа структурной взаимозаменяемости). То же самое может быть с покрышками колес или колесными дисками.
1.12. Классификационная характеристика видов проектирования
Проектирование изделий может осуществляться двояко:
1.В ручном (традиционном) варианте.
2.В автоматизированном варианте.
1.12.1. Характеристика традиционного (ручного) проектирования
Ручное проектирование основано на использовании традиционных приемов выполнения графической части проекта на бумажном носителе (листе ватмана) с применением ручных чертежных инструментов. При выполнении расчетной части проекта в настоящее время могут быть использованы средства механизации счета (калькуляторы или компьютеры).
Последовательность ручного проектирования изображена на рис. 2.
Выполнение расчетной части проекта производится рас-
четной группой конструкторского коллектива с целью определения основных расчетных параметров элементов будущего изделия. Расчет производится с применением средств механи-
32
зации расчетных работ; выполняется по известным математическим формулам. Если же формулы определения параметров проекта не известны, проводятся необходимые научные исследования с целью определения этих параметров, в противном случае конструктор принимает эти параметры приближенно, с последующим их уточнением на этапе испытания опытного образца.
Ручное проектирование
Выполнение расчетной части проекта
Эскизное проектирование
Выполнение графической части проекта (общий вид, агрегаты и узлы, детали узлов и агрегатов)
Подготовка проекта к копированию
Размножение проектной документации
Рис. 2. Этапы ручного проектирования
Выполнение эскизного проекта производится с целью уточнения общей компоновки будущего технического объекта и для взаимоувязки узлов этого объекта. Как правило, эскизирование выполняется «от руки» без соблюдения ГОСТа. Глубина эскизной проработки небольшая, так как часто она остается незавершенной, когда становится ясной дальнейшая идея проектирования.
Окончательный рабочий проект выполняется на основе расчетной части проекта и его частичной эскизной проработки. Проект начинается с общего вида изделия (его сборочного чер-
33
тежа), который впоследствии уточняется подробной разработкой агрегатов и узлов, входящих в общую сборку. Узловая проработка проекта завершается выполнением чертежей деталей, входящих в конкретный узел. Вся графическая проработка проекта выполняется в строгом соответствии с требованиями ГОСТа. За соблюдением требований ГОСТа следит специальная служба в проектной организации, которая называется «нормоконтроль». При детальной разработке проекта конструктор должен учитывать технологические возможности современного производства. При завершении проекта составляется общая спецификация на все изделие с указанием комплектующих узлов, агрегатов и изделий, поставляемых смежными предприятиями (например подшипники, уплотнения, провода или кабели и т.д.).
Подготовка проекта к копированию заключается в том,
что весь проект, включая описательную и расчетную его части, переносится на специальную вощеную бумагу – кальку. Копирование проекта на кальку производится специальными чер- тежниками-копировщиками, которые используют для этой цели специальные чернила и копировочные инструменты (рейсфедеры и перья). Копирование производится методом наложения кальки на оригинальный чертеж, после чего методом обводки выполняется копирование. Скопированный чертеж или расчет проверяются создателем оригинала и после исправления ошибок подписываются им. После копирования оригиналы всей проектной документации хранятся в архиве проектной организации как особо важные документы.
Размножение проектной документации производится с калек на специальную светочувствительную бумагу, называемую «синькой». Это копирование выполняется на светокопировальных машинах. Количество копий ограничивается только износом калек, поэтому кальки требуют особого способа обращения с ними и их хранения.
34
1.12.2. Характеристика автоматизированного проектирования
Автоматизированное проектирование стало возможным только тогда, когда возможности вычислительных машин ЭВМ позволили загружать прикладные программы, позволяющие им выполнять не только расчетные, но и графические операции.
Первые системы автоматизированного проектирования (САПР) появились в 60-х годах пошлого века в США первоначально как элементы проектирования агрегатов в автомобилестроении, а затем в авиации и других отраслях производства.
Последовательность автоматизированного проектирования представлена на рис. 3.
Подготовка (доработка) рабочих пакетов программ для выполнения конкретного пакета производится с целью выбора необходимых программных средств, которые бы удовлетворяли характеру и особенностям предстоящего проектирования, особенностям технического задания и типу исходной базы данных.
Выбранные пакеты должны удовлетворять следующим требованиям:
1.Обеспечивать автоматизированный безошибочный ввод исходных данных для проекта.
2.Обеспечивать автоматическое выполнение и хранение расчетных данных проекта.
3.Обеспечивать автоматическое выполнение графической части проекта на основе расчетных данных, справочных и нормативных материалов, а также соблюдать необходимые стандарты как при выполнении графики, так и при оформлении всего проекта в целом.
Подготовка исходных данных проекта выполняется на ЭВМ по специальной программе в интерактивном режиме, при котором пользователь программы делает минимальное число вводов параметров этих данных, а остальные параметры он выбирает из вариантов, предоставленных для этой цели ЭВМ. Это
35
позволяет уменьшить вероятность появления ошибки при вводе исходных данных и значительно повысить точность расчета.
Автоматизированное проектирование
Подготовка (доработка) рабочих программ
Подготовка исходных данных (базы) проекта
Выполнение расчетной части проекта
Выполнение графической части проекта (общий вид, агрегаты и узлы, детали узлов и агрегатов)
Размножение проектной документации
Рис. 3. Этапы автоматизированного проектирования
Выполнение расчетной части проекта производится ав-
томатически на ЭВМ по заранее введенной программе. Эта программа обязательно потребует все необходимые исходные параметры и закономерности предстоящего расчета. И если таких закономерностей нет, то необходимо их получить в результате специальных научных исследований. Опыт конструктора в этом случае может быть учтен только в процессе диалога машины с проектировщиком, но только на последующем этапе в процессе выполнения графической части проекта.
Выполнение графической части проекта также произво-
дится автоматически на ЭВМ в одном из двух возможных режимов: пакетном или диалоговом.
Пакетный режим проектирования предполагает ввод необходимых программных пакетов и исходной базы данных. После запуска программного пакета ЭВМ автоматически про-
36
изводит выполнение проекта без вмешательства в этот процесс проектировщика. Проектировщик может оценить конечный результат проектирования только по завершению работы программы проекта. В этом состоит серьезный недостаток пакетного режима проектирования.
Диалоговый режим автоматизированного проектирования состоит в том, что на определенной стадии проектирования ЭВМ выдает проектировщику несколько вариантов промежуточного результата, из которых он выбирает наиболее рациональный исходя из своего опыта. Таким образом, в процессе автоматизированного проектирования учитывается опыт квалифицированных конструкторов.
Законченный проект технического объекта при автоматизированном проектировании получается в электронном виде и хранится в форме файлов. Для практического использования содержание этих файлов переносят на бумажный носитель.
Размножение проектной документации из файлов произ-
водится путем печати на бумажный носитель с помощью специальных печатных устройств типа графопостроитель или принтер. Количество копий при этом не ограничено. В отдельных случаях в этом процессе используются копирующие устройства типа «Xeroх».
1.12.3. Структура САПР
Структурно система автоматизированного проектирования состоит из технических и программных средств. В целом эта структура утвердилась с момента появления САПР и остается неизменной по мере независимого совершенствования каждой из ее частей.
Технические средства САПР определяют возможности для совершенствования программных средств, в то время как сами программные средства определяют возможности автоматизированного проектирования, особенно в диалоговом режиме.
37
1.12.3.1. Структура технических средств САПР
Структура технических средств САПР может быть представлена следующей схемой (рис. 4).
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА САПР
Вычислительная сеть САПР
Центральный процессор
Устройства ввода информации
Устройства вывода информации
Устройства хранения информации
Рис. 4. Структура технических средств САПР
История развития САПР тесно связана с историей развития вычислительной техники. Возможности первых ЭВМ позволяли им только участвовать в процессе выполнения отдельных расчетных работ при проектировании технических объектов. По мере совершенствования вычислительных машин возрастали их технические возможности, прежде всего, по объему оперативной памяти и быстродействию, а это позволяло применять все более емкие и, следовательно, более эффективные программные пакеты. САПР стала системой проектирования только тогда, когда ЭВМ получили возможность создавать, а следовательно, и распечатывать графические файлы. Еще больше возможностей у САПР появилось с момента появления первых вычислительных сетей, в которых проектирование распределялось по отдельным ЭВМ, объединенным
38
в общую вычислительную сеть. В этой сети каждая ЭВМ представляла отдельное автоматизированное рабочее место АРМ, которое выполняло отдельную часть всего проекта.
Структура (топология) вычислительной сети в САПР показана на рис. 5. В центре этой структуры находится мощная ЭВМ с большим ресурсом памяти и высоким быстродействитем. Эта ЭВМ называется ЭВМ-сервером. Основное ее назначение – хранение информации для ее обмена с другими ЭВМ, объединенными в вычислительную сеть. Остальные ЭВМ – это вычислительные машины автоматизированных рабочих мест (АРМ). Основная их функция – выполнение отдельных частей проекта на основе информации, полученной с сервера или от ЭВМ других АРМов. Все ЭВМ автоматизированных рабочих мест связаны с сервером по радиальной схеме, в то время как между собой они могутобмениваться информацией покольцевойсхеме.
Под центральным процессором в САПР понимают ЭВМ,
на основе которой строится конкретная система автоматизированного проектирования. От центрального процессора (т.е. ЭВМ) требуются высокое быстродействие и большой объем оперативной памяти, так как от этих параметров в основном зависит эффективность работы программных средств САПР.
Рис. 5. Структура вычислительной сети в САПР
Устройства ввода информации предназначены для пере-
вода обычной конструкторской документации (справочники,
39
ГОСТы, технические требования и т.д.) на язык, понятный для ЭВМ. К устройствам ввода информации относят: клавиатуру, сканеры, световые и планшетные перья и устройства считывания спецдокументов.
Устройства вывода информации предназначены для обратного перевода информации, записанной в памяти ЭВМ в форме файлов, в форму, привычную для потребителей проекта. К устройствам вывода информации относят: принтеры, плоттеры (графопостроители), мониторы. Попутно применяют средства копирования материалов проекта. К ним относят устройства типа «Ксерокс», которые могут применяться для копирования документов проекта в необходимом формате.
Устройства хранения информации предназначены для хранения результата проектирования в форме файлов. Для этой цели используют средства магнитной записи (жесткие и гибкие магнитные диски), лазерные диски или флеш-диски. Естественным параметром устройств для хранения информации является их информационная емкость. Чем выше этот параметр, тем эффективнее это средство для хранения информации.
1.12.3.2. Структура программных средств САПР
Программа – это одна из форм отображения алгоритма автоматизированного проектирования, которая представлена последовательнойсовокупностью командязыка программирования.
В свою очередь алгоритм − это система формальных правил, однозначно приводящих к искомому результату.
Программа может быть записана на машинно-ориенти- рованном языке (языке машинных команд) или на языке высокого уровня программирования (языке проблемных задач).
Машинно-ориентированные языки понятны для исполне-
ния любой ЭВМ, в то время как пользователям ЭВМ эти языки малопонятны.
Языки высокого уровня по принципу построения программ приближены к языку математического описания задач, поэтому
40