«УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Седов В.П., Кейн Е.И. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением Российской Федерации по образованию в области лесного ...»

Такие зависимости называет целевыми функциями. Например, если требуется определить значения передаточных чисел u1 и u2 для быстроходной и тихоходной ступеней двухступенчатого зубчатого редуктора минимальной массы, то целевая функция должна выражать собой зависимость массы редуктора от передаточных чисел ступеней, т.е.:

Если целевая функция зависит от одной переменной проектирования х1, то в плоской декартовой системе координат («плоскости проектирования») она может быть представлена некоторой кривой L(x1). В случае двух параметров проектирования x1 и x2 зависимость целевой функции от этих параметров можно изобразить в форме поверхности F(х1, х2) в пространственной прямоугольной системе координат («пространстве проектирования»).

На практике весьма сложно образовать целевую функцию для нескольких критериев оптимизации, т.к. для этого надо знать значимость каждого из них. Поэтому характеризуют целевую функции по одному главному параметру оптимизации, полагая другие параметры лежащими в допустимой области:

Например, если Xk выражает зависимость массы одноступенчатого редуктора от величины его передаточного числа, т.е. Xk=uредукт.; X2 – коэффициент полезного действия (КПД), то ищут оптимальный вариант, обеспечивающий минимум массы при заданном ограничении КПД: X2a.

После того, как образована целевая функция, задача оптимизации сводится к определению её экстремума.

6.2.3 Методы решения задач оптимального проектирования В простейшем случае (при одном варьируемом параметре) путем перебора нескольких просчитанных вручную вариантов изделия (например, редуктора с различной разбивкой передаточного отношения между ступенями) и оценкой по какому-либо критерию оптимизации (массе, габариту, стоимости и т.п.) проектировщик может выбрать наиболее приемлемый вариант. Однако уже при двух варьируемых параметрах трудно уловить влияние каждого из них на главные характеристики. Возникает многомерная проблема. Полный обсчет всех возможных вариантов проектных параметров часто произвести не удается.

В этом случае эффективным оказывается использование математических методов оптимизации, выбирающих кратчайшие пути оптимизации и сокращающих время расчета. Оптимизация на базе ЭВМ позволяет получить более высокое качество решений за счет использования более сложных моделей изделий.

Таким образом, задача оптимального проектирования состоит в определении значений X 1*, X 2,..., X n, переменных проектирования, при которых удовлетворяется ряд ограничений (функциональных, параметрических и др.), накладываемых на параметры проектируемого изделия для выполнения заданных функций, и функционал W (целевая функция) принимает экстремальное (минимальное или максимальное) значение:

Найденные в результате решения задачи значения параметров X, X,..., X n называют оптимальным решением.

Если на переменные не накладывается никаких ограничений, то решается задача по определению безусловного экстремума целевой функции.

Разработаны многочисленные методы решения задачи оптимизации при различных видах целевой функции, уравнений связи и ограничений, которые условно можно подразделить на две группы: классические (метод дифференциального исчисления, метод множителей Лагранжа, вариационное исчисление) и методы математического программирования (методы линейного и нелинейного программирования, метод динамического программирования, принцип максимума Понтрягина и др.). Указанные методы освещены в специальной литературе.

Решающим фактором того, что оптимизация конструкции стала возможной, является наличие быстродействующих ЭВМ, способных быстро выполнять математические и логические операции с большим числом данных.

7 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Одним из важных критериев качества проектирования, изготовления и эксплуатации изделий является их надежность. Основы надежности закладываются в процессе проектирования, поэтому конструктор должен знать, что характеризует надежность изделия и каковы основные пути повышения надежности и долговечности.

Недостаточная надежность оборудования приводит к огромным затратам на ремонт, простой оборудования, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и с человеческими жертвами.

Так, в России ежегодно на ремонтно-восстановительные работы расходуется пятая часть производимых черных металлов, в ремонтных цехах заняты четвертая часть станочного парка страны и более пяти млн. работников. При недостаточной долговечности, машин изготовляют в большем, чем нужно, количестве, что ведет к перерасходу металла, излишкам производственных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию. Физический срок службы машин в среднем существенно меньше срока морального износа.

ГОСТ 27.002-83 устанавливает терминологию, относящуюся к вопросам надежности.

Надежность – свойство объекта (изделия) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в требуемых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортирования. Надежность является комплексным свойством, включающим безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени наработки.

Долговечность – свойство объекта (детали или всей машины) сохранять работоспособность (с возможными перерывами для технического обслуживания и ремонта) до разрушения или другого предельного состояния (по экономичности, моральному старению и др.).

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждении и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение хранения и (или) транспортирования и после.

Технический ресурс – (ресурс) – наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновление после ремонта до наступления предельного состояния.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала, или возобновления после ремонта, до наступления предельного состояния.

Показатели надежности – количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.

Требования к надежности и долговечности деталей, сборочных единиц и машин в целом обусловлены множеством факторов и условий: назначением, степенью ответственности, стоимостью, количеством, условиями эксплуатации и многими другими.

Большое рассеяние долговечности деталей машин требует перехода в проектировании от расчетов с помощью коэффициентов запаса или безопасности (коэффициентов незнания) к расчетам по заданной вероятности безотказной работы, т.е. на новый научно-технический уровень.

Для оценки надежности используется ряд показателей, основными из которых являются следующие:

- вероятность безотказной работы P(t), т.е. вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает;

- средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта до первого отказа;

интенсивность отказов (t) - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник:

f(t) – плотность распределения наработки до отказа;

Р(t) – вероятность безотказной работы за время t.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

К важнейшим показателям долговечности относят следующие:

- гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью процентов:

= 100 P(t ) ; для многих изделий массового производства =90 %, т.е. используется девяносто процентный ресурс, характерный, например, для подшипников качения;

- средний ресурс – математическое ожидание ресурса.

Если изделие состоит из последовательно соединенных элементов (отказ одного из них влечет за собой отказ всей системы), то вероятность его безотказной работы:

где Pi(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента.

Вероятность отказа (отказ и исправное состояние являются противоположными событиями):

Процессы, определяющие надежность изделия, носят случайный характер. Количественные показатели этих процессов являются случайными величинами. Соотношения, устанавливающие связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями, называются законами распределения, которые изучаются в теории вероятностей.

Нормальное распределение является наиболее универсальным, удобным и широко применяемым для практических расчетов параметров надежности (распределение всегда подчиняется нормальному закону, если на изменение случайной величины оказывают влияние многие примерно равнозначные факторы.

Важнейшими числовыми характеристиками случайной величины являются ее среднее значение (математическое ожидание) mX и параметры, характеризующие степень разброса относительного среднего значения дисперсии DX, среднее квадратичное отклонение SX=DX и коэффициент вариации X =.

В настоящее время при оценке надежности машин сформировались два направления. Первое из них связано с так называемой эксплуатационной надежностью, главным недостатком методов исследования которой являются длительность сбора информации. Второе направление – определение вероятностно-статистическими методами при проектировании машин показателей надежности с целью оптимизации с их учетом конструкций проектируемых узлов и агрегатов.

8 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Ранее отмечалось, что проектирование (как процесс составления формализованного описания, необходимого для создания еще не существующего объекта) может быть неавтоматизированным (традиционный) и автоматизированным.

Неавтоматизированное проектирование – это проектирование, при котором все преобразования описаний объекта или (и) алгоритма его функционирования осуществляется человеком вручную.

Автоматизированное проектирование (АП) – это проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта или (и) алгоритма его функционирования осуществляются при взаимодействии человека и ЭВМ / 9 /.

8.1 Недостатки традиционного проектирования Характерной осо6енностью традиционных методов проектирования машин является, во-первых, недостаточный анализ и учет взаимосвязей между отдельными частями машин, во-вторых, проводимые инженерные расчеты включают неформальные отдельные действия проектировщика по его субъективному мнению, и, в-третьих, при ручном расчете не представляется возможным оценить различные варианты и сопоставить их.

Все это служит препятствием для разработки оптимальных конструкций в сжатые сроки.

За последние три десятилетия, по оценке специалистов, сложность продукции машиностроения возросла в среднем в 7...8 раз. В то же время производительность труда конструкторов при традиционном «чертежном» проектировании существенно не изменилась. Таким образом, возникают противоречия между тенденцией усложнения машин и устаревшими малопроизводительными методами и средствами проектирования машин. Решение этой проблемы возможно только с использованием комплекса средств и методов автоматизированного проектирования.

8.2 Цели, задачи автоматизированного проектирования В конце 50-х годов в Массачусетском технологическом институте (США) впервые зародилось понятие САD (Computer Aided Design), введенное в обращение в своих лекциях основоположником этого научного направления профессором А. Сазерлендом. Смысл этого понятия можно представить как проектирование и конструирование с помощью ЭВМ. В нашей стране это понятие отождествляется с понятием «автоматизированное проектирование» (АП).

АП является качественно новым процессом проектирования машин, требующим системного подхода и новых широкомасштабных научных разработок. Применение ЭВМ при проектировании – это не перевод традиционных формул на машинный язык, а качественно новый процесс.

Ручное и автоматизированное проектирование – процессы далеко не адекватные.

При ручном проектировании деление конструкции на части и установление связей между ними выражается в неявной форме. При АП эти связи, выделяемые мысленным расчленением, необходимо формализовывать и математически описывать, т.е. составлять математические модели. Таким образом, АП, с одной стороны, требует наличия строгих аналитических зависимостей, адекватных реальным взаимосвязям, а с другой стороны, позволяет использовать математический аппарат наилучшим образом для оптимизации конструкций.

Важным этапом АП является расчет конструкций. Однако и на этом этапе возникают затруднения, которые объясняются тем, что традиционные закономерности, выраженные в ряде случаев эмпирическими зависимостями, не могут быть использованы при формализации задач оптимизации, т.е. требуются новые направленные научные и инженерные разработки.

Использование ЭВМ вскрыло прежде всего методологическую неподготовленность к постановке и решению задач проектирования (и в т.ч. оптимизации конструкций машин), т.е. выполнению комплекса проектных процедур, характерных для системного проектирования / п. 1.2. /.

АП, основу которого составляет алгоритм, требует точной последовательности операций, четких логических положений в части постановки задачи и строгую формализацию задачи.

8.3 Системы автоматизированного проектирования (САПР) Возможности АП реализуются в рамках организационно-технической системы средств автоматизированного проектирования – САПР.

Таким образом, САПР – это комплекс средств автоматизации проектирования КСАП, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователям системы), выполняющим автоматизированное проектирование (ГОСТ 23501.101-87).

Данному определению соответствует структура САПР, представленная на рис.8.

САПР – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование с помощью комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП), т.е. САПР – это не замена проектировщика, а его эффективный инструмент.

8.3.1 Виды обеспечения САПР КСАП – это совокупность различных видов обеспечения автоматизированного проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

8.3.1.1 Возможности, функции САПР зависят прежде всего от состава и структуры комплекса технических средств (КТС) – технического обеспечения данной системы. Первоначально основу технического обеспечения САПР составляли ЭВМ общего назначения, в настоящее время используются специализированные ЭВМ, ориентированные на применение в САПР. В последние годы все шире используются автоматизированные рабочие места (АРМ) на основе микропроцессорной техники, которые могут функционировать автономно или в составе распределительной сети, включающей более мощную ЭВМ, обслуживающую большое количество специализированных АРМ.

Функциональные возможности АРМ постоянно расширяются – осуществляется переход от простых устройств, выполняющих ввод и обработку графической информации, к более сложным, способным решать задачи моделирования и контроля ошибок. Повышение интеллектуального уровня АРМ достигается в результате совершенствования программного обеспечения, а такие за счет развития технических средств.

В последнее время в качестве основы технической реализации АРМ широко используются высокопроизводительные персональные и профессиональные ЭВМ.

АРМ обычно оснащаются дисплеями с высокой разрешающей способностью, алфавитно-цифровой клавиатурой с разнообразными функциональными клавишами, световым пером и координатными ручками для позиционирования курсора. Дополнительно подключается большое количество цифровых преобразователей для конструирования графических проектов, а также устройства управления курсором, в том числе типа «мышь», иногда – устройства речевого ввода информации. Все эти устройства образуют широкую номенклатуру средств машинной графики.

Рисунок 8 - Структура САПР 8.3.1.2 Лингвистическое обеспечение представлено совокупностью языков программирования, применяемых для описания процедур проектирования / п. 1.2. / и проектных решений.

8.3.1.3 Методическое о6еспечение составляют документы, характеризующие состав, правила отбора и эксплуатации КСАП, а также принципы и методы проектирования.

8.3.1.4 К компонентам математического обеспечения относят методы математического моделирования объектов и процессов проектирования, алгоритмы решения задач в процессе проектирования.

При проектировании широко используются различные типы проектных моделей (эвристические, лингвистические, графические, физические, математические, комбинированные).

Математическая модель образуется на основе формализованных описаний, аналогичных моделируемому оригиналу (объекту, процессу) по формализованной математической трактовке его сущности, выступающей в виде различных математических отношений (формул, систем уравнений, функций, матриц и операторов, алгоритмов), доступных для исследования математическими, аналитическими, численными или машинными методами.

По своему содержанию математические модели могут быть функциональными, физическими, технико-экономическими и др.

Изменяя параметры математической модели, можно без значительных материальных затрат исследовать множество самых различных вариантов проектируемых объектов, процессов, систем и выбрать наилучший из них по тому или иному критерию или по совокупности критериев оптимизации. Вот почему математическое моделирование обладает наибольшей «притягательной» силой, хотя при проектировании новых образцов сложных технических систем переоценка достоверности этого типа моделей сопряжена с большим риском.

Исключительно важным этапом реализации математической модели является оценка ее адекватности. Модель считается адекватной, если она с требуемой точностью отражает заданные свойства объекта. На рисунке 9 представлены основные этапы моделирования на ЭВМ.

Несмотря на то, что еще иногда и сегодня расчеты с использованием математических моделей и ЭВМ ассоциируются с очень точными результатами, действуют гипнотически и вызывают мистическое уважение, общеизвестно: результат никогда не может быть по своей значимости лучше самой модели, полностью определяется ее совершенством, корректностью вводимых исходных данных и не зависит от применяемых вычислительных средств. Бесспорен тот факт, что ЭВМ позволяет с большой скоростью обрабатывать громоздкие математические модели, влияя тем самым на точность результатов, однако, это не значит, что они не могут быть получены (пусть медленней) и другими способами.

Пользуясь математическими моделями, никогда нельзя упускать из вида принципиально важный вопрос о допустимых условиях (ограничениях) и правомочности их применения. Неправомочное использование «изящных» математических моделей (особенно тогда, когда в проектируемый образец закладываются недостаточно изученные и апробированные решения) чревато серьезными просчетами, если их своевременно не подкрепить другими известными типами моделей.

Вот почему создание корректных математических моделей – весьма длительный процесс, который при разработке образцов сложных изделий и технических систем не всегда удается окончательно завершить даже на этапе этапе эскизного проектирования.

8.3.1.5 Информационное обеспечение составляют документы, содержащие описание типовых элементов, комплектующих изделий, материалов, типовых проектных решений, стандартных размеров конструкций и их элементов, проектных процедур, хранящиеся, как правило, в базе данных АРМ или центрального процессора.

8.3.1.6 Хотя возможности САПР и определяются техническим обеспечением, реализуются они благодаря программному обеспечению, разрабатываемому на основе методического, математического и лингвистического обеспечений и согласующемуся с информационным обеспечением САПР. На практике в ряде случаев они объединяется в программно-информационное обеспечение, на разработку которого приходится более 80 % трудоемкости АП. Программное обеспечение состоит из двух частей: общая – операционные системы, предназначенные для управления проектированием, и специальная – прикладные программы, программные модули, пакеты прикладных программ (ППП).

В формировании и функционировании прикладной части программного 1 Постановка задачи и выбор критерия оптимальности Выявление основных особенностей взаимосвязей и 5 Программирование алгоритма решения 7 Планирование и выполнение машинных экспериментов Рисунок 9 - Основные этапы моделирования на ЭВМ обеспечения принимает участие общесистемная, операционная часть, базирующаяся на операционной системе конкретной ЭВМ. Компоненты всех видов обеспечения объединяются в подсистемы САПР программными средствами, используемыми специалистами в диалоговом режиме работы с КСАП.

В машиностроении к проектирующим подсистемам относят выполняющие, например, следующие проектные процедуры: проектирование деталей, сборочных единиц, схем управления, компоновка машины, технологическое проектирование. Обслуживающими называют подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих, например, подсистемы информационного поиска, графического отображения объектов проектирования, документирования и др.

Объектными считают подсистемы, выполняющие проектные процедуры, содержание которых зависит от конкретного объекта проектирования, а инвариантными – осуществляющие унифицированные проектные процедуры, не зависящие от объекта проектирования.

8.3.1.7 Организационно-экономическое обеспечение САПР (а не «организационное» – как его принято называть!) включает документы (положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования), регламентирующие организационною структуру подразделения, работающего в САПР, и его взаимодействие с КСАП, а также методики расчета себестоимости, цены и экономической эффективности как объекта проектирования, так и самой САПР, реализуемые в подсистеме технико-экономических расчетов.

8.3.2 Возможности САПР Сегодня АП охватывает практически все сферы инженерной деятельности в машиностроении. Созданы и развиваются САПР конструирования деталей и узлов сложных машин и механизмов, электротехнических устройств, радиоэлектронной аппаратуры, технологических процессов, подготовки программ для станков с ЧПУ (числовым программным управлением) и др.

САПР, по сравнению с традиционным проектированием, обладает рядом существенных преимуществ: повышается качество проектирования, сокращаются сроки разработки изделий, уменьшается стоимость разработки проекта, что дает значительный экономический и социальный эффект.

8.3.2.1 Качество проектирования повышается благодаря:

- рассмотрению все более сложных совокупностей взаимосвязей явлений, факторов;

- увеличению количества рассматриваемых вариантов технических решений;

- возможности решать принципиально новые проектные задачи с всесторонним моделированием на ЭВМ сложных процессов и систем;

- вооружению проектировщиков новыми методами, способами и инструментом, расширяющими и углубляющими диапазон действий в творческом процессе синтеза и оптимизации новых изделий.

Ярким примером новых возможностей АП является использование метода конечных элементов (МКЭ) в расчете инженерных конструкций сложной конфигурации, подвергаемых различным нагрузкам. Традиционные методы, предполагающие строгое теоретическое обоснование, с успехом можно применять лишь для ограниченного класса задач и известных условий нагружения.

Однако в большинстве случаев ситуация бывает далеко не очевидной, это заставляет конструкторов увеличивать коэффициенты запаса, т.е. расходовать больше материалов, что, в свою очередь, приводит к увеличению стоимости изделий.

МКЭ позволяет конструкторам успешно решать задачи расчета сложных деталей путем разбивки их на более мелкие части – конечные элементы, после чего дальнейшие расчеты проводятся уже для отдельных конечных элементов.

Основные принципы МКЭ были известны еще в ХIХ веке, однако из-за сложности математических вычислений широкое распространение метод получил только в последние годы.

МКЭ предусматривает многократное выполнение трудоемких матричных операций, что стало практически возможно только с появлением быстродействующих микропроцессоров. МКЭ является классическим примером, когда плодотворной идее, родившейся раньше времени, пришлось ждать появления соответствующих технических средств для своей реализации. В настоящее время МКЭ получил особенно широкое распространение в авиа- и автопромышленности, где требуется постоянное повышение экономичности при одновременном снижении материалоемкости изделий. Наряду с основным назначением МКЭ – анализом прочности и деформаций – он используется в таких областях, как гидро- и термодинамика. МКЭ требует ввода большого количества данных (несколько миллионов байт), при этом на выходе получают потоки информации объемом уже в несколько миллиардов байт. До недавнего времени возможностью обработки таких массивов обладали исключительно универсальные ЭВМ и мини-компьютеры, однако, благодаря достижениям в области микропроцессорной техники, несколько хороших пакетов программ, основанных на МКЭ, были успешно реализованы для 16–разрядных микрокомпьютеров.

8.3.2.2 Сроки разработки изделий сокращаются вследствие:

- совершенствования и ускорения обработки, анализа и наглядного представления исходной информации;

- широкого использования методов многовариантного проектирования и оптимизации для поиска наиболее эффективных решений;

- ускорения трудоемких инженерных расчетов (статических, кинематических, динамических, прочностных и др.);

- автоматизации моделирования проектируемых объектов;

- повышения доли творческого труда проектировщиков за счет их освобождения от рутинных работ.

8.3.2.3 Стоимость разработки проекта уменьшается благодаря:

- повышению качества проектной документации, сокращению затрат на различного рода переделку, доводку;

- сокращению числа специалистов, занятых вспомогательными работами (чертежников, нормировщиков, сметчиков и др.);

- замене дорогостоящих физических экспериментов моделированием на ЭВМ.

Гигантские возможности повышения качества проектирования, сокращения сроков и стоимости проектирования заложены в современных средствах машинной графики («наезды», многократное использование стандартных и унифицированных элементов конструкций, средства 2-х и 3-х мерного черчения, каркасное, поверхностное и твердотельное моделирование и т.д.).

Будущие разработки по визуализации могут быть связаны с применением голографии – особого способа получения «реального» 3-х мерного изображения без использования экрана.

8.3.2.4 Повышается удовлетворенность трудом конструкторов и технологов, возрастает научный уровень исследований и проектирования, инженерный труд становится более социально значимым и престижным.

8.3.2.5 Все вышеизложенное приводит к значительному экономическому эффекту от применения САПР. Включение в состав САПР подсистем технико-экономических расчетов (ТЭР) дает возможность использовать на всех этапах проектирования метод функционально-стоимостного анализа (ФСА) для нахождения наиболее экономичных путей реализации функций нового изделия, вариантов конструкции и технологии, что позволяет сформировать единую целенаправленную систему технико-экономического проектирования оптимального нового изделия.

ФСА позволяет выделить при анализе «лишние» и «дорогие» функции, оценить стоимость выполнения каждой функции.

Применение ФСА обеспечивает органическое соединение инженерного и экономического подхода. Только в условиях САПР можно преодолеть взаимное непонимание разработчиков и экономистов, провести одновременно инженерное и экономическое проектирование. При этом технико-экономическое проектирование выполняется как единый итеграционный процесс, сходящийся к оптимальному варианту нового изделия.

8.3.3 Оценка эффективности САПР Следует различать эффективность создания САПР и эффективность ее функционирования.

Создание САПР требует значительных капвложений.

Так, одной из проблем при достижении эффективности САПР является тщательный выбор средств автоматизации. Например, дорогостоящими излишествами могут являться быстродействие, абсолютная точность, средства искусственного интеллекта, многоцветная графика, универсальность системы и др. Однако нельзя считать излишними средства, обеспечивающие простой и надежный ввод большого объема данных (препроцессоры ввода), средства измерения, диагностики, резервирования и др., повышающие качество комплекса средств автоматизации проектирования (КСАП).

Значительной статьей расходов при создании и функционировании САПР являются затраты на математическое обеспечение, которые составляют нередко полторы стоимости ЭВМ, и, судя по всему, следует ожидать дальнейшего относительного удорожания математического обеспечения.

В связи с этим можно утверждать, что предметом приобретения для предприятий является именно математическое обеспечение, а ЭВМ – это тара, упаковка.

С учетом вышеизложенного, при решении вопроса создания САПР для использования его в конкретном проектировании требуется тщательный расчет ожидаемой экономической эффективности, методика которого изложена в специальной литературе / 10 /.

8.4 Перспективы САПР Кроме ранее перечисленных достоинств САПР, обеспечивающих высокое качество проектирования, интенсификацию труда проектировщиков и сокращение сроков разработки проектов /9/, следует отметить возможности САПР более тесного взаимодействия со смежными инженерными подразделениями по сравнению с традиционной организацией проектирования. То есть современные высококачественные средства коммуникации позволяют обеспечить интеграцию проектирования с другими видами инженерной деятельности на основе их автоматизации.

Хорошая связь – это ключ к эффективной организации. Реализация всех преимуществ САПР возможна в том случае, если в ее состав включить такую организационную структуру, в которой любая информация легко доступна или обеспечена ее автоматическая передача между отдельными составными частями структуры (подразделениями фирмы).

При традиционной организации проектирования и производства фирма Состоит из изолированных друг от друга подразделений, отвечающих за решение отдельных проблем (рис. 10).

Рисунок 10 - Традиционная организация производства На рисунке 11 представлены те же подразделения, но оснащенные ЭВМ, однако, без прямых коммуникаций между собой.

Здесь проектирование осуществляется в рамках САПР. Под АСТПП (Автоматизированная Система Технологической Подготовки Производства) понимают любой автоматизированный производственный процесс, которым

САПР АСТПП

Рисунок 11 - Компьютеризованная организация производства управляет компьютер. Первые АСТПП появились в начале 50-х годов, когда начали развиваться средства механической обработки с числовым управлением, которые в 60-х годах получили название ЧПУ (Числовое Программное Управление).

Параллельные разработки в области программно-управляемых роботов и автоматизированных производств обусловили развитие цельных производственных единиц, контролируемых центральными компьютерными системами и организованных по принципу ГПС (Гибких Производственных Систем).

Таким образом, термин АСТПП применяется как общее название для всех аналогичных разработок в области программно-управляемой промышленной технологии.

Высокая производительность при автоматизации отдельных, не связанных между собой компьютеризованных подразделений может быть достигнута лишь в отдельных подразделениях и никак не повлияет на общую эффективность производства конечного продукта. Подобная схема являет пример того, как новое содержание пытаются втиснуть в старые организационные рамки:

каждое подразделение выбирает системы автоматизации для решения собственных задач, не заботясь о получении выигрыша для всей фирмы. При некоординированных спецификациях приобретенного оборудования трудно (а порой и невозможно) обеспечить его совместимость при создании интегрированных систем.

Очевидно, что связь проектирования и производства с системами ЧПУ, имеющими непосредственный интерфейс с графическими станциями, может быть достигнута в системах САПР/АСТПП (или в интегрированных машиностроительных системах).

При такой интеграции, например, на экране УВО (Устройство Визуального Отображения), может быть изображено изделие, графические данные которого затем передаются в виде кодированных электрических сигналов по линиям коммуникации и связи в производственную систему, где это изделие может быть изготовлено на станке с ЧПУ.

Однако в дальнейшем могут возникнуть новые препятствия из-за отделения систем САПР/АСТПП от систем планирования и финансирования и АСУП (Автоматизированных Систем Управления Производством) (рис.12).

Очевидным развитием интегрированного процесса САПР/АСТПП является связывание САПР и АСТПП с другими компьютерными системами в интегрированные машиностроительные системы (ИМС).

САПР АСТПП

Рисунок 12 - Определение интегрированных систем САПР/АСТПП от АСУП планирования и финансирования На рисунке 13 представлены принципы организации идеальной ИМС.

Видно, что системы САПР/АСТПП и система АСУП, планирования, финансирования, снабжения и сбыта, управляемые совместимыми между собой процессорами, непосредственно соединены между собой.

Основная цель ИМС – достижение эффективности использования потока, состоящего из продукции и информации.

ИМС может позволить:

а) инженеру-проектировщику оперативно получать информацию о стандартных узлах, стоимости сырья и инструментов;

б) управляющему производством в реальном времени контролировать ход выполнения работ по сложным проектам;

в) менеджеру по заключению сделок быстро получать ответы о текущем состоянии рынка;

г) финансистам и экономистам иметь последние данные о стоимости отдельных работ;

д) фирме в целом быстрее реагировать на требования потребителей.

Несмотря на блестящие перспективы автоматизированного проектирования и производства, сегодня и в обозримом будущем требуется взвешенный подход к использованию и выбору средств автоматизации.

Так, при всех достоинствах САПР внедрение ее в производство может иметь катастрофические последствия для той или иной фирмы. При вложении крупных средств и вовлечении значительных людских ресурсов некорректная спецификация или неправильный выбор системы могут привести к краху фирмы. Кроме того, при внедрении САПР необходимы не только значительные затраты на оснащение конструкторских бюро специальной техникой и переквалификация специалистов, но и, самое главное, поднятие на качественно новую

САПР АСТПП

Рисунок 13 - Принципы ИМС ступень развития теории проектирования (как ее содержательной, так и формальной части). Без обоснованных, объективных общих и частных алгоритмов и строгих формализаций автоматизация проектных работ не имеет практического смысла.

Сегодня имеются определенные успехи в области машинного конструирования образцов ТС малой сложности, которое строится на диалоговых (интерактивных) режимах работы конструктора с ЭВМ и средствами машинной графики. Но уже сейчас очевидно, что внедрение САПР сопряжено с весьма высокой трудоемкостью подготовительных работ, и в этом она уступает традиционным конструкторский методам.

При повышении сложности ТС и использовании нетрадиционных конструкторских решений задачи машинного синтеза при современном уровне развития ЭВМ и их программного обеспечения наталкиваются на значительные методологические трудности, и едва ли возможно полностью поручить ЭВМ решения такого рода проектных задач в ближайшем будущем.

Не стала более оптимистичной и точка зрения на проблему полной автоматизации проектирования образцов сложных ТС американских специалистов, которые были большими оптимистами в быстрой ее разрешимости.

В зарубежной литературе по поводу полной автоматизации проектирования образцов сложных ТС стали встречаться высказывания, что машинное решение в сложных системах – это скорее исключение, чем правило.

Искусственное форсирование внедрения формализованного проектирования образцов сложных ТС современной техники, которое, хотя и является весьма прогрессивной целью, может привести к стереотипным, шаблонным проектным решениям. Последние, если их не ограничивать разумными рамками, вступят в противоречие с оригинальными, перспективными проектными решениями, без внедрения которых немыслимо совершенствование современной техники.

Реальный процесс проектирования образцов сложных ТС с использованием современной инженерно-кибернетической методологии еще долгие годы будет строиться на рациональном сочетании интеллектуального потенциала проектантов и возрастающих возможностей ЭВМ (т.е. не по автоматической, а по автоматизированной схеме) с сохранением главенствующей роли в этом процессе за проектантом, который будет вносить в него творческое начало, и с постоянной тенденцией максимальной передачи ЭВМ той части проектной работа, которая будет поддаваться достаточно корректной формализации, а, значит, и автоматизации.

Библиографический список 1. Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирование: Пер. с англ. – М.: Мир, 1976. - 374 с.

2. Гузенков П.Г. Детали машин: Учеб. для вузов. – 4-е изд., испр. – М.

Высш. шк., 1986. - 359 с.

3. Кононенко В.Г. и др. Оценка технологичности и унификации машин. – М.: Машиностроение, 1986. - 160 с.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3т.-Т.2. – 5-е изд. – М.: Машиностроение, 1978. - 559 с.

5. Лазарев Е.Н. Дизайн машин. – Л.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

6. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов. – М.: Мир, 1968. - 518 с.

7. Нугаев Р.Я., Федоров В.А. Эргономика при бурении и ремонте скважин. – М.: Недра, 1988. - 124 с.

8. Риклефс Р. Основы обшей экологии: Пер. с англ. – М.: Мир, 1979. с.

9. Гельмерих Р., Швиндт П. Введение в автоматизированное проектирование: Пер. с нем. – М.: Машиностроение, 1990. - 176 с.

10. Беклешов В.К., Морозова Г.А. Методы оценки эффективности систем автоматизированного проектирования. – Л.: Машиностроение, 1987. - 224 с.

11. Орлов П.И. Основы конструирования. Кн. 1 – М.: Машиностроение, 1988. – 560 с.

Редактор К.В. Пименова Лицензия ЛР № 020827 от 29.09. План 2001г., позиция 7. Подписано в печать 24.12.01 г.

Компьютерный набор. Гарнитура Times New Roman. Формат 6084 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 2,7. Уч.-изд. л. 3,0. Тираж 120 экз. Заказ № 130.

Ухтинский государственный технический университет,