ГЛАВА 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1.Становление науки о проектировании

Вразвитии методов проектирования можно выделить следующие эта­

пы:

-кустарный промысел;

-проектирование с использованием чертежей;

-современное системное проектирование.

Кустарный промысел. Прежде чем что-то создать, человек формирует в своем воображении субъективную модель предмета труда. Дальнейшая его деятельность заключается в ее реализации. Если в трудовом процессе участ­ вует один человек, то модель предмета труда может замыкаться внутри его собственных представлений и понятий. Так было в эпоху ремесленного про­ изводства, когда изделия создавались мастером кустарным способом без ка­ кой-либо видимой подготовки; так бывает и теперь, если предмет труда представляет собой несложный объект. Как только в трудовой процесс во­ влекается другой участник, там появляется необходимость передать ему ин­ формацию о предмете труда. Делается это в том или ином условном коде - форме речи, словесного или графического описания.

Процесс составления описания еще не существующего объекта и назы­ вается проектированием.

Проектирование с использованием чертежей. До появления пись­ менности формами проектирования и конструирования были устные описа­ ния и модель. Начало использования чертежей на Руси относят к XJ в. В то время они представляли собой чертежи-рисунки, чертежи-схемы. Широкое использование чертежей при конструировании началось в период мануфак­ тур в XVIII в. Чертежи стали выполнять в масштабе. Позднее в изображениях появились «профили» и разрезы. В России преподавание черчения в специ­ альных технических школах было введено по указу Петра 1. Одну из таких школ окончил И.И.Ползунов. Сохранились чертежи многочисленных слож­ ных механизмов и станков, выполненные И.П.Кулибиным. Несмотря на за­ метные успехи в проекционном черчении, основной формой конструирова­ ния оставалась модель, а чертежи составлялись уже по ней. Модели были достаточно больших размеров, зачастую действующими.

В XVIII в. появились книги, содержащие некоторые сведения о расче­ тах механизмов. Среди них «Арифметика» Л.Ф.Магницкого, включающая в себя задачи о зубчатых передачах. Теоретические основы проектирования механизмов были заложены академиком Л.Эйлером (вторая половина XVIII в.), создавшим теорию эвольвентного зацепления, ременных передач, лен­ точных тормозов. Им же была предпринята попытка изучения машин с уче­ том динамики. До этого динамика была чисто теоретической наукой. Вслед за трудами Л.Эйлера появились труды Я.П.Козелъского и С.К.Котельникова, в которых механизмы рассматривались с позиций динамики. К концу XVIII

ство решений. Далее в каждой ситуации определяется оптимальное решение по выбранным критериям. Рассматриваются три уровня оптимизации:

1)принцип действия объекта;

2)структура объекта;

3)параметры объекта.

Наибольший эффект приносит оптимизация на первом уровне, но для этого уровня нет хорошо организованных методов и алгоритмов, наимень­ ший эффект - на третьем уровне, и здесь есть хорошо отработанные методы.

В настоящее время в проектировании используется теория искусствен­ ного интеллекта, применяются экспертные системы, являющиеся разновид­ ностью искусственного интеллекта.

Проектирование - это и наука, и искусство (искусство потому, что оно связано с творчеством; наука потому, что опирается на знания), В разные эпохи доли того и другого начала были различны. Развитие методов проек­ тирования свидетельствует о том, что неуклонно возрастает число операций, переходящих в разряд формализованных, выполняемых по определенным ал­ горитмам. Формализация дает возможность использования ЭВМ и автомати­ зации процесса проектирования. Степень автоматизации может быть различ­ ной. Она оценивается долей 8 проектных работ, выполняемых на ЭВМ без участия человека. При 5 ~ 1 проектирование называется автоматическим, при О < б < 1- автоматизированным, при 6 = 0 - неавтоматизированным или руч­ ным.

Автоматизация проектирования предполагает систематическое исполь­ зование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов машинного решения задач. Рациональное распределение функций между че­ ловеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен в основном решать зада­ чи творческого характера, а ЭВМ - задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с традиционным ручным способом.

Существенное преимущество машинных методов проектирования со­ стоит в возможности проводить на ЭВМ эксперименты на математических моделях объектов проектирования, отказавшись от дорогостоящего матери­ ального (предметного) моделирования или значительно сократив его.

Автоматизированное проектирование осуществляется в рамках САПР. Система автоматизированного проектирования (САПР) - это комплекс программных и технических средств, предназначенных для автоматизации

процесса проектирования.

1.2. Основные понятия процесса проектирования

Проектирование - это процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.

С информационной точки зрения проектирование - процесс преобразо­ вания входной информации об объекте проектирования с использованием знаний в рассматриваемой области, опыта проектирования объектов анало­ гичного назначения в выходную информацию в виде проектно­ конструкторской и технологической документации, выполненной в заданной форме и объеме и содержащей описание объекта, необходимое для его прак­ тической реализации, т.е. производства.

С точки зрения принятия решения это процесс принятия проектно­ конструкторских решений, результат которого - получение удовлетворяюще­ го техническое задание описания технической системы заданной степени де­ тализации.

Подход к проектированию с позиции теории познания позволяет отне­ сти этот процесс к распознаванию. Под распознаванием понимается приня­ тие решения о принадлежности того или иного объекта или процесса к опре­ деленному классу. Распознавание при проектировании отличается лишь тем, что необходимо узнать, не каков объект, а каким он должен быть. Здесь для раскрытия сущности проектирования используют понятия: субъект и объект проектирования, воображение и интуиция, познавательный образ (субъек­ тивная модель объекта проектирования), ценность и оценка. Особое внима­ ние уделяется роли символов для формирования познавательных образов в актах творчества, необходимых для передачи информации. Символы - это графические изображения (чертежи), схемы, элементы языка проектирова­ ния.

Объектами проектирования могут быть технические системы (напри­ мер, станок, двигатель внутреннего сгорания, ЭВМ) или процессы (техноло­ гические, вычислительные).

Техническая система - совокупность функционально связанных ком­ понентов, объединенных для выполнения задачи.

Методология проектирования - это учение о структуре, логической ор­ ганизации, методах и средствах поиска и принятия решения о принципе дей­ ствия и составе еще не существующего объекта, наилучшим образом удовле­ творяющего определенные потребности, а также о составлении описания, не­ обходимого для его создания в заданных условиях.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования.

Алгоритм проектирования - совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования.

Язык проектирования - язык, предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании.

Проектная процедура - совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.

Проектная операция - действие или совокупность действий, состав­ ляющих часть проектной процедуры.

Особое значение имеет взаимосвязанное действие положительной и от­ рицательной обратных связей, которое может оказывать сильное формирую­ щее влияние на поддержание процессов на определенном уровне при слу­ чайных внешних воздействиях.

Примеры. В качестве прямой ослабляющей связи между электродвига­ телем и шпинделем станка можно рассматривать редуктор, в качестве поло­ жительной обратной связи - силовые приводы, обеспечивающие контакт рез­ ца с обрабатываемой деталью, в качестве отрицательной обратной связи - систему управления, поддерживающую параметры резания (усилия, температуру) в заданных пределах.

Взаимосвязанные компоненты системы удобно представить в виде ие­ рархической структуры (рис. 1.1). В машиностроении базовыми элементами являются детали (винт, шпонка, вал, зубчатое колесо).

Детали (см. рис. 1.1, а) рассматриваются как элементы, фигурирующие в описаниях низшего иерархического уровня, на котором системами являют­ ся сборочные единицы (например, редуктор станка, карбюратор двигателя внутреннего сгорания). Сборочные единицы - это компоненты агрегатов (на­ пример, станков, гидравлических прессов).

Рис. 1.1. Иерархические структуры систем

Как было отмечено, принцип выделения компонентов определяется за­ дачей исследования и одна и та же система может быть представлена различ­ ными структурами. Так, станок расчленяется на сборбчные единицы (редук­ тор, шпиндельный узел и др.), при другом способе тот же станок разделяется на механические, электрические и другие узлы (см. рис. 1.1, б). Иерархиче­ ское описание объектов является одним из главных принципов проектирова­ ния. Подробно сведения об этом приводятся ниже.

Функциональный аспект предполагает выделение функций каждого компонента и функциональных взаимосвязей в системе на основе определе­ ния координации и субординации компонентов.

Функции компонентов по отношению к системе должны носить целе­ сообразный характер и согласовываться во времени и пространстве, форми­ руя систему как целое. Выделяют субординацию и координацию функций. Субординация определяет подчиненность функций одних компонентов функциям других, указывает специфическое место и неодинаковое значение каждого из компонентов в осуществлении функций системы. Субординация предполагает, что один из взаимосвязанных компонентов является опреде­ ляющим в их совместном функционировании, т.е. «управляет» поведением другого. Координация (связь согласования) предполагает, что роли обоих взаимосвязанных компонентов в их совместном функционировании равно­ ценны.

Функциональная зависимость имеет место между компонентами дан­ ной системы, между компонентами и системой в целом, между рассматри­ ваемой системой и системой, в состав которой она входит. При рассмотрении данного аспекта важным вопросом является анализ возможности перерас­ пределения функций между компонентами в зависимости от конкретных си­ туаций.

Пример. Задачу проектирования технологического процесса механиче­ ской обработки можно разделить на следующие задачи: выбор оборудования и маршрута обработки; определение состава операций как совокупности пе­ реходов; определение компонентов перехода (режущий инструмент, режимы резания и т.д.) и др. Здесь задача выбора режущего инструмента подчиняется задаче выбора оборудования (станка), т.е. вторая задача «управляет» первой - выявляется субординация.

Интегративный аспект предполагает выделение системно­ образующих механизмов, придающих объединению компонентов новое ка­ чество, свойственное системе.

Пример. Все компоненты роботизированной линии, состоящей из стан­ ков, обеспечивают непрерывность производства, высокую автоматизацию процесса.

Коммуникативный аспект предполагает выделение взаимодействия системы с внешней средой, определение возмущающих факторов и взаимо­ связей с другими системами.

Пример. Внешней средой для станка при его работе в составе роботи­ зированного комплекса могут быть роботы, бункерные питатели, вибрации, связанные с работой оборудования на соседних линиях.

Исторический аспект предусматривает изучение системы на основе выделения ее ретроспективы (обозрения прошлого) и перспективы (будуще­ го), т.е. рассмотрение ее в непрерывном развитии. Такое рассмотрение по­ зволяет предусмотреть уже на этапе проектирования развитие системы, т.е. ее последующую модернизацию.

Процесс развития системы связан с ее переходом в различные состоя­ ния. Последовательность состояний системы составляет жизненный цикл.