книги / Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

Пространством параметров называется л-мерное пространство, со­ стоящее из точек Ар с дискретными координатами (а,,.. ап). В пространстве параметров вводят параметрические и функциональные ограничения. Пер­ вые представляют выражениями

где а'г а* - нижние и верхние границы параметра.

Ограничения (2.1) выделяют в пространстве параметров параллеле­ пипед Пг = |лр|(1)}. Для двух параметров он условно показан на рис. 2.6, а.

ах ах а}

Рис. 2.6. Пространство параметров в условиях ограничений: а - параметрических;

б- параметрических и функциональных; в - параметрических, функциональных

икритериальных

В общем случае объем параллелепипеда

^ n = (a i ~ai)'--'(an ~ап)-

В основу рассматриваемого метода оптимизации положено зондирование (исследование) параллелепипеда конечным числом пробных точек.

Функциональные ограничения в общем виде соответствуют выраже­

где f ( A p) - некоторые функции от параметров Ар (аь ..., ап), которые могут быть заданы явно, или функциональные зависимости от интегральных кри­ вых дифференциальных уравнений.

Предполагается, что fj(Ap) непрерывны в пространстве параметров. Обозначим область, принадлежащую Ц, и ограниченную^/^):

Gp = {Ap|(1), (2)}

Графическое изображение области Gp представлено на рис. 2.6, 6.

Критерии качества представляют характеристики системы, которые связаны с ее качеством монотонной зависимостью

Примем, что по условиям задачи ФХАР) стремятся минимизировать; функции Фу(Ар) предполагаются непрерывными в Пр; вводится критериаль­ ное шраничение

Ф„(Л„)£ф у ; v = l,t.

Область пространства параметров, удовлетворяющая всем трем видам ограничений,

Я„ = |лД1),(2),(3)}

Графически она изображена на рис. 2.6, в.

Решение задачи сводится к нахождению точки Ар в области £>р такой,

что

Ф(Ар) = т ш Ф(Ар),

2.3.2. Компоновка объекта проектирования на стадии эскизного проекта

На стадии эскизного проекта компоновка объекта проектирования выполняется в виде чертежа общего вида, теоретического или габаритного чертежа. Чертеж общего вида определяет конструкцию изделия, взаимодей­ ствие его основных составных частей и поясняет принцип работы изделия. Теоретический чертеж отображает геометрическую форму (обводы) изделия и координаты расположения составных частей. Габаритный чертеж содер-

жиг контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, устано­ вочными и присоединительными размерами.

Различают три вида постановки задачи при компоновке:

1)сборку графического отображения объекта из его составных час­ тей с размещением их конструктором;

2)сборку объекта из составных частей с учетом определенных ограничений (по площади, габаритным размерам, положению центра массы

идр.) в режиме диалога;

3)сборку из составных частей с оптимизацией по заданным критери­ ям в автоматическом режиме.

Во всех случаях компоновка предполагает оперирование с некоторы­ ми функциональными агрегатами или конструктивными модулями. Функ­ циональные агрегаты объединяют унифицированные узлы, типовые проект­ ные решения и проектные решения узлов объекта по предшествующим раз­ работкам. Для компоновки общего вида рационально использовать про­ граммные средства машинной графики. Функциональные агрегаты и конст­ руктивные модули включаются в базу данных.

Составными частями при компоновке общего вида могут быть:

1)конструктивные модули - функционально, конструктивно и техно­ логически законченные (без возможности внутренней доработки) унифици­ рованные сборочные единицы, все параметры которых удовлетворяют мо­ дульному ряду и обладают совместимостью;

2)агрегаты - функционально связанные составные части объекта, не обязательно конструктивно и технологически законченные, параметры кото­ рых не удовлетворяют модульному ряду, а совместимость достигается кон­

структивными доработками;

3)базовые изделия - составные части, на основе которых могут соз­ даваться семейства машин;

4)стандартные детали;

5)фафическис примитивы.

Список составляющих частей приведен в последовательности, соот­ ветствующей уменьшению эффективности применения машинной графики при компоновке объекта проектирования.

Наибольший эффект может быть достигнут при блочно-модульном проектировании, меньший - при наличии лишь базовых графических прими­ тивов (точка, линия, поверхность). Все усилия создателей САПР должны быть направлены на разработку технически обоснованных типоразмерных рядов конструктивных модулей. Достигнув этою, нужно полностью автома­ тизировать процесс компоновки. Одновременно нужно составлять струк­ турное описание по заданному функциональному описанию.

1.Как определить потребность в проектировании нового объекта?

2.Какие методы прогнозирования используются для составления

сценария?

3.Что такое граф целей?

4.Какие признаки объекта относятся к основным?

5.Как можно представить отношения между множеством целей и

множеством признаков объекта?

6.Какие процедуры выполняются на стадии технического предло­

жения?

7.Назовите методы поиска вариантов технических решений.

8.Дайте определение и назовите методы описания функциональных

моделей.

9.Приведите пример И-ИЛИ дерева структурного описания объекта проектирования.

10.Какие методы анализа варианта технических решений вы знаете?

11.Охарактеризуйте микро-, макро- и метауровни объекта проекти­ рования при анализе технических решений.

12.Какие математические методы применяются при функциональном анализе объекта проектирования?

J3. Что такое эквивалентная схема?

14.Когда применяется корреляционный анализ?

15.В чем сущность метода Соболя - Статникова при определении параметров объекта проектирования?

ГЛАВА 3. КОНСТРУКТОРСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

3.1. Задачи конструкторского проектирования

Результатом конструкторского проектирования являются технический проект и рабочая документация.

Технический проект содержит совокупность конструкторской доку­ ментации, отражающей окончательные технические решения, дающие пол­ ное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные дан­ ные для разработки рабочей документации.

Обязательными документами технического проекта являются: чертеж общего вида, пояснительная записка, ведомость технического проекта. До­ полнительно, в зависимости от характера, назначения или условий произвол ства изделия, могут составляться: теоретический и габаритные чертежи, рас­ четы, таблицы, схемы, ведомость покупных изделий, ведомость согласования применения покупных изделий, технические условия, программа и методика испытаний, патентный форму1ляр, карта технического уровня и качества про­ дукции.

Инженер-технолог, участвуя в разработке технического проекта, отра­ батывает конструкцию на технологичность, добиваясь наилучших значений ее показателей. Художник-конструктор проводит окончательную компоновку машины, прорабатывает конструкцию рабочих мест, средств обеспечения условий обитаемости. Патентными исследованиями обосновывается воз­ можность использования технических решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами; вновь создаваемые конструкции проверяются на патентоспособность, оформляются заявки на изобретения.

Рабочая документация является основной документацией проектной организации. Состав технического проекта и рабочей документации опреде­ лен Единой системой конструкторской документации (ЕСКД) ГОСТ 2.102-68.

Основным средством конструирования является чертеж, изображаю­ щий изделие в прямоугольных проекциях. В некоторых случаях при проек­ тировании сложных деталей используется изображение в аксонометрии. Для проектирования изделий, имеющих большие размеры и сложную форму (корпуса судов, самолетов), применяется плазовый метод. 11а чертеже в крупном масштабе изображаются следы пересечения определенным образом ориентированных плоскостей с поверхностью изделий (ГОСТ 2.419-68).

Из всех показателей качества проектируемого изделия на этапе конст­ руирования решающее значение имеют: технологичность, надежность, со­ блюдение эргономических требований и эстетическое оформление. Основные показатели качества к моменту конструирования уже выбраны. Это было сделано на стадии технического задания специальной процедурой. Теперь необходимо реализовать их в конструкции машины.

Отработка на технологичность связана со снижением трудоемкости и себестоимости изготовления изделия, технического обслуживания и ремонта.

Требуемые показатели надежности при конструировании достигаются:

окончательным выбором структурной схемы; использованием резервирова­ ния; обеспечением необходимой прочности деталей и рациональной их гео­ метрией, исключающей концентрации напряжений; правильным выбором по­ садок, точности изготовления, шероховатости поверхностей; обеспечением смазки трущихся поверхностей и др.

Каждый объект имеет функциональное назначение и соответственно показатели, определяющие качество функционирования. Анализу функцио­ нальных показателей и определению параметров объекта, лучшим образом отвечающих этим показателям, посвящен этап функционального проектиро­ вания, включающий в себя стадию технического предложения и процедуру анализа на микро-, макро- и метауровнях. Однако существует ряд показате­ лей, конкретных для данных классов объектов, в которых функциональные показатели зависят от выбранных конструктивных (геометрических) пара­ метров проектируемого объекта. Так возникает связь функционального и конструкторского проектирования и итеративный характер проектных про­ цедур. В подобных ситуациях правильность выбранных конструктивных па­ раметров необходимо проверять на функциональных математических моде­ лях, т.е. повторять функциональный (инженерный) анализ объекта.

Практически для всех объектов, функционирование которых связано с распространением энергии в непрерывных средах, возникает подобная необ­ ходимость, поскольку смена геометрических параметров вызывает изменение граничных условий и соответственно параметров объекта.

Отметим, что функциональные показатели зависят лишь от некоторых геометрических параметров деталей. В процессе конструирования основная конструкция дополняется большим числом деталей, а основные геометриче­ ские параметры - большим числом новых параметров, связанных с конструк­ торским оформлением.

Примером может служить электрическая машина, С точки зрения ее функционирования имеют значение несколько геометрических параметров башмака и якоря, определяющих границы сред и соответственно распределе­ ние магнитных полей. При конструкторском проектировании необходим вы­ бор большого числа деталей, свойственных машинам: валов, подшипников, прокладок, корпусов, крепежных деталей.

В процедурной модели (см. табл. 1.1) выделены две стадии: конструи­ рование объекта и конструирование сборочных единиц и деталей. Учитывая итерационность проектирования и повторный функциональный анализ, сово­ купность задач, решаемых на этих стадиях, можно разделить на три группы:

1)геометрическое моделирование;

2)функциональный анализ и оценка проектных решений;

3)автоматическое изготовление чертежей.

Геометрическое моделирование относится к процедуре синтеза, в рам­ ках которой объект проектирования принимает конкретную форму. Далее выполняется функциональный (инженерный) анализ и оцениваются проект­ ные решения. Для автоматического изготовления чертежей требуется преоб­ разование данных о будущем объекте в документальную форму в виде конст­

рукторских чертежей. Автоматизированное конструкторское проектирование выполняется с использованием систем автоматизированного проектирования изделий (САПР И) или CAD - Computer Aided Design (проектирование с по­ мощью компьютера).

3.2. Геометрическое моделирование

Геометрическое моделирование связано с получением математическо­ го описания геометрических свойств объекта. При наличии такого описания образ проектируемого объекта можно воспроизвести на экране графического терминала и манипулировать им посредством сигналов.

Известны следующие методы геометрического моделирования:

-каркасное;

-твердотельное - объемное представление монолитных тел.

При построении каркасной модели ребра объекта изображаются ли­ ниями. Для объектов, имеющих криволинейные поверхности, могут добав­ ляться контурные линии, отвечающие контурам объекта. Изображение объ­ екта в данном случае напоминает проволочный каркас, что и Отражено в на­ звании этого типа моделей.

Существует три вида каркасного моделирования:

1.Двумерное (типа 2D) - для плоских объектов.

2.Двухсполовиноймерное (типа 2 1 /2D), позволяющее воспроизводить трехмерные объекты, не имеющие конструктивных элементов на боковых стенках.

3.Трехмерное (типа 3D), дающее возможность моделировать сложные геометрические объекты в трехмерном отображении.

Однако иногда даже трехмерного каркасного представления объекта недостаточно для надлежащего отображения сложных форм. Поэтому суще­ ствуют различные методы, расширяющие возможности каркасного модели­ рования. Возможно, например, отображение внутренних, невидимых снаружи ребер объекта штриховыми линиями или вообще полное «стирание» скрыт­ ных линий.

Каркасным моделям свойственны также ограничения, связанные с принятым во многих из них способом описания модели в базе данных, может, например, возникнуть неясность в отношении того, какая из сторон поверх­ ности является внутренней. Ограничения этого типа препятствуют исчерпы­ вающему' и однозначному описанию объекта в автоматизированной системе.

Шагом вперед по сравнению с каркасными моделями как в отношении реалистичности с точки зрения пользователя, так и описания в ЭВМ, является метод конструирования объемных монолитных моделей (твердотельное мо­ делирование). В этом методе модели представляются наблюдателю в виде объемного тела, риск ошибочной интерпретации которого очень мал. Если изображение цветное, то оно выглядит поразительно реалистичным.

Широкому использованию объемных моделирующих систем способ-

собствуют два обстоятельства. Первое - понимание ограничений, свойствен­ ных системам каркасного моделирования. Второе обстоятельство - это не­ прерывное развитие вычислительной техники и программного обеспечения, которое делает объемное моделирование возможным. Объемные модели­ рующие системы требуют больших вычислительных мощностей как в плане быстродействия, так и в плане памяти.

ВСАПР И используются:

1)моделирование из стандартных блоков;

2)параметрическое моделирование;

3)адаптивное конструирование.

Моделирование из стандартных блоков позволяет пользователю стро­ ить модель из обычных графических примитивов (элементов), например из прямоугольных блоков, кубов, сфер и пирамид. Самым распространенным методом структурирования объемных моделей является использование буле­ вых операций.

В ходе проектирования элементы запрашиваются пользователем и до­ бавляются один к другому до получения нужной модели. Следует рассмот­ реть несколько аспектов такой организации процесса конструирования. Вопервых, пользователь может задавать размеры, положение и ориентацию ка­ ждого нового элемента после того, как он вызван, но до момента его добав­ ления в модель. Во-вторых, над элементами графики можно производить не только действия сложения, но и вычитания, т.е. модель может формировать­ ся как из положительных, так и отрицательных элементов. В-третьих при по­ строении геометрических моделей несколько элементов могут группировать­ ся в блоки. Блок может быть вызван из памяти системы для использования в различных частях модели. Например, если какой-то блок многократно ис­ пользуется при конструировании модели механического сборочного узла, то этот узел можно представить как блок и вставить затем в любую часть моде­ ли. Графические блоки являются удобным средством построения геометри­ ческих моделей.

Параметрическое моделирование предусматривает взаимосвязи меж­ ду элементами (линиями, поверхностями) модели объекта. Изменение како­ го-либо одного размера или зависимости, определяющей взаимосвязь, при­ водит к пересчету размеров по всей цепочке и к соответствующему измене­ нию геометрии модели. При моделировании элементов могут быть заданы:

-вертикальность, горизонтальность, параллельность, перпендику­ лярность элементов;

-выравнивание характерных точек по вертикали и горизонтали;

-зеркальная симметрия;

-равенство дуг и окружностей, длин отрезков;

-касание кривых, перпендикулярность точек кривой;

-имя переменной для размера;

-аналитические зависимости (уравнения и неравенства) между пере­ менными.

4. Построение линии, проходящей через некоторую точку параллель либо перпендикулярно другой линии-

s. Построение линии, касательной к двум кривым.

6. Построение линии, касательной к кривой и параллельной или пе пендикулярной другой линии.

Методы определения дуг и окружностей:

1.Задание центра и радиуса.

2.Задание центра и точки на окружности.

3.Построение круга, проходящего через три заданные точки.

4.Построение круга, касательной к трем линиям.

5.Задание радиуса и построение круга, касательной к двум линиям либо кривым.

Методы определения конических сечений:

1.Задание пяти точек на данном элементе.

2.Задание трех точек и условия касания.

Методы определения кривых. Для построения кривой, проходящей через заданные точки, используются математические методы интерполяции. Например, при кубической интерполяции между каждой парой смежных ис­ ходных точек строится полиномиальный сегмент третьего порядка. Другие применяемые в машинной графике способы формирования кривых основы­ ваются на использовании кривых Безье и методов В-сплайнов. И при том и при другом подходе применяется процедура смешивания, которая обеспечи­ вает сглаживание влияния заданных точек. Результирующая кривая при этом не обязательно проходит через все заданные точки. При использовании про­ цедуры смешивания необходимо задавать не только точки, но и метод сгла­ живания, с помощью которого будет строиться кривая.

Для математического описания поверхностей могут использоваться рассмотренные выше методы построения кривых. В автомобилестроении эти методы служат для представления рельефных поверхностей автомобильных кузовов из литого металла. К числу методов определения поверхностей отно­ сятся, в частности:

1.Задание поверхности, образуемой вращением некоторой прямой и (или) кривой вокруг заданной оси.

2.Задание линии пересечения двух поверхностей. Этот мешд, напри­ мер, можно использовать для построения поперечного разреза детали путем рассечения плоскостью с нужной ориентацией.

Описанные выше элементы сохраняются в базе данных в математиче­ ской форме в трехмерной системе координат. Точка, например, может опре­ деляться просто своими координатами х, у и z; многоугольник обычно задает­ ся упорядоченным множеством угловых точек, а круг - центром и радиусом. Для круга на плоскости х, у можно написать уравнение

( x - m f + ( y - b f = r 2,

где г - радиус окружности; т, п - координаты центра окружности. В каждом