1917—1977 34

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В МАШИНОСТРОЕНИИ:

СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Кандидат технических наук О. И. СЕМЕНКОВ

Для современного машиностроения характерны глубокие качественные перемены: увеличение единичных мощностей машин и их рабочих ско­ростей, форсирование режимов работы и снижение металлоемкости, повы­шение надежности, точности и качества обработки, автоматизация опера­ций по управлению машинами. Объектом разработок в машиностроении все чаще становятся технические системы (сложные комплексы техниче­ских изделий), объединенные общей функциональной целью. Проектиро­вание новой продукции становится сложным процессом, для проведения которого необходимо привлекать разные области знания — от материало­ведения до теории управления сложными системами. Комплексы взаимо­связанных задач возникают при освоении нового или модернизации вы­пускаемого изделия, при увеличении объема производства уже освоенной продукции или реконструкции предприятия.

Значительная доля затрат труда и времени при решении перечислен­ных проблем падает на стадию проектирования. Автоматизация проекти­рования позволит резко сократить сроки создания проектов, что особенно важно в такой крупной отрасли промышленности, как машиностроение.

Уровень научно-технических знаний в каждой конкретной области машиностроения определяет различную степень готовности для выполне­ния задания на проектирование изделия, а следовательно, возможности и границы применения ЭВМ для автоматизации проектирования.

В машиностроении весьма распространены изделия с установивши­мися принципиальными конструктивными схемами. Задача проектиров­щиков состоит в определении параметров базовой схемы, которые удовлет­воряли бы специфические требования заказчика. Нередко для нахожде­ния таких оптимальных параметров конструкции приходится использо­вать сложные математические модели, связывающие характеристики ма­шины с конструктивными параметрами ее узлов и деталей. Использова­ние ЭВМ позволяет осуществить многовариантное проектирование изде­лия, применяя сложный многоаспектный математический эксперимент с

Автоматизация проектирования в машиностроении 35

помощью прикладных программ для расчета прочности, теплоообмена, аэро - и гидродинамики, системы управления и т. д.

Особую роль играет геометрическое проектирование, в ходе которого находят формы и взаимное расположение элементов (узлов, деталей) машины в пространстве. Если пространственное расположение элементов зависит от выбранной принципиальной конструктивной схемы машины, то форма каждой детали определяется ее функцией. Условия, которые диктуют форму и размеры деталей, связаны с прочностью, жесткостью конструкции при заданных нагрузках, а также с конструктивно-техноло­гическими и эстетическими соображениями.

Будучи определенной, геометрия детали, в свою очередь, служит ис­ходной предпосылкой для решения множества задач анализа машины, а также проектирования технологической подготовки производства, в том числе программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Автоматизация геометрического проектирования — весьма пер­спективная область применения ЭВМ.

Разнообразие форм и размеров деталей требует решения сложных задач на этапе планирования технологических процессов и проектирова­ния их оснащения — режущих и мерительных инструментов, штампов, оснастки и т. д. Автоматизация проектирования технологических процес­сов и оснастки с помощью ЭВМ возможна на базе стандартных и типовых компонентов.

Следует указать на важный социальный аспект автоматизации в этой области. Обычно на предприятиях некоторые проектные работы инженеры считают рутинными, они часто не вызывают у специалистов профессио­нального интереса. Их автоматизация высвободит большой творческий потенциал для решения более сложных производственных задач.

Весьма важная область применения математических методов и средств вычислительной техники — автоматизация обработки данных и управле­ние испытаниями опытных образцов машин в производственных условиях и в условиях эксплуатации. Сочетание вычислительных систем реального времени для регистрации и первичной обработки данных на борту маши­ны со стационарными ЭВМ, обладающими развитыми средствами накоп­ления и обработки информации (включая методы спектрального анализа динамики, вибрации, шума и т. д.) позволяет комплексно автоматизиро­вать процессы управления испытаниями машин для получения информа­ции, необходимой для доработки конструкции и разработки новых об­разцов.

Процесс разработки изделия — это сложный комплекс взаимосвязан­ных работ, который условно можно разбить на четыре части: проектирова­ние, технологическая подготовка производства, управление технологиче­скими процессами и испытания опытных образцов. Принципы системного анализа требуют рассматривать весь этот комплекс операций как единую систему, обеспечивающую проектирование полного цикла изделия. В этом комплексе уже сегодня существуют области эффективного применения ЭВМ. Однако задача состоит в том, чтобы сделать ЭВМ не только сред­ством реализации частных моделей проектирования и расчетов на различ­ных этапах проектирования, но и превратить ее в средство объединения моделей в единую систему автоматизации проектирования (САПР) на ос­нове общности методологической, информационной и программно-техни­ческой базы.

Принципиальное отличие САПР от простого объединения частных программ заключается в существовании общего для всех программ образа проектируемого объекта. Без такого общего образа разные описания одних и тех же свойств объекта в различных программах, их информационная

1917—1977

36

несовместимость, сложность внесения изменений в эти описания приво­дят к нарушению целостности образа объекта и, в конечном счете, к иска­жению получаемых результатов.

Поэтому главный принцип, на котором должна базироваться концеп­ция интегрированной системы,— единство информационной модели проек­та как системо-организующего фактора на всех этапах процесса разра­ботки изделия.

Реализация этого принципа на практике предполагает:

а) наличие в системе средств создания информационных структур,
характеризующих модель проекта на всех этапах функционирования си­
стемы;

б) организацию в системе процессов, в результате которых возможно
развитие этих информационных структур в соответствии с общей схемой
проектирования;

в) наличие в системе определенного запаса информационных ресурсов
(формализованных знаний) в виде пакетов прикладных программ и бан­
ков данных, необходимых для построения и развития модели проекта
путем последовательного принятия проектировщиками проектных реше­
ний и фиксации их в информационной структуре модели проекта.

В связи с этим САПР можно определить как совокупность взаимосо­гласованных и увязанных друг с другом моделей стандартных и типовых (программируемых) процедур, образующих логическую схему построения проекта (ЛСПП) и предназначенных для принятия проектных решений на основе математических методов и средств вычислительной техники. Следовательно, процесс автоматизированного проектирования есть не что иное как процесс построения в памяти ЭВМ развивающейся структуры данных, отображающей информационную (цифровую) модель проекти­руемого объекта, а автоматизированная система проектирования (АСП) — это система проектирования, использующая САПР в качестве своей ме­тодологической основы.

Из изложенного следуют три важных вывода:

1.  Необходимо нацеливать разработчиков САПР на анализ процесса проектирования с целью выделения и формализации функционально пол­ного множества проектных процедур и синтеза на их основе логической схемы построения проекта.

2.  Основа реализации САПР — математические модели объектов и про­цессов проектирования, а также средства вычислительной техники.

3.  Цель функционирования САПР состоит в построении цифровой мо­дели проекта.

Отсюда непосредствено вытекает второй принцип построения систе­мы — принцип принятия проектных решений на основе проведения мате­матического эксперимента с моделью проектируемого объекта. Схема орга­низации выполнения проектной процедуры в САПР показана на рис. 1.

Автоматизация проектирования в машиностроении

:?7


1917-1977

38


Автоматизация проектирования в машиностроении 39

1917-1977

40


Автоматизация проектирования в машиностроении 41

Как показывает опыт, реализация в полном масштабе интегрированной системы требует, во-первых, глубокого технико-экономического обоснова­ния и, во-вторых, проведения в существующих неавтоматизированных системах комплекса мероприятий, обеспечивающих достижение высокого организационно-технологического уровня. Этот уровень определяется ха­рактером и формой организации процесса в целом, насыщенностью его современными методами и моделями принятия проектных решений, сте­пенью унификации и стандартизации проектных процедур и проектируе­мых изделий, состоянием информационной базы и т. д. Чем выше орга­низационно-технологический уровень проектной организации, тем более она подготовлена к автоматизации процесса проектирования с помощью математических методов и средств вычислительной техники. Отсюда сле­дует четвертый принцип — соответствие организационно-технологического уровня проектной организации уровню автоматизации проектирования.

Для оценки этого уровня используются методы системного анализа проектной организации 2, результатом применения которых являются све­дения, необходимые как для рационализации самого процесса проекти­рования, так и для разработки САПР.

Повышение эффективности существующих систем проектирования и технологической подготовки производства начинается с упорядочения и систематизации всего комплекса работ и объектов. Уже на этом началь­ном этапе может быть получен существенный эффект.

Анализ показывает, что до 80% конструкторских решений переходит от изделия к изделию. В связи с этим отбор лучших решений, их унифи­кация и стандартизация на всех этапах технической подготовки произ­водства с целью многократного использования в переналаживаемом про­изводстве — необходимая предпосылка для проектирования с помощью ЭВМ3.

У нас в стране разработана система государственных стандартов, определяющая единую методологическую основу организации и управле­ния технологической подготовки производства в машиностроении и при­боростроении. Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП) предусматривает широкое применение прогрессивных типовых технологических процессов, стандартизованных технологического обору­дования и оснастки средств механизации и автоматизации инженерно-технических и управленческих работ4. Базируясь на опыте передовых предприятий, эта система служит не только основой работ по созданию и внедрению САПР, но и средством их межотраслевой координации.

Институт технической кибернетики АН БССР как межотраслевая головная организация в стране по применению математических методов и средств вычислительной техники для автоматизации технической под­готовки производства в машиностроении уделяет значительное внимание координации работ по этой проблеме. Особое внимание уделяется тесному взаимодействию с головными отраслевыми организациями в решении про­блем, которые носят межотраслевой характер, с целью самого широкого применения полученных результатов.

2 См.: О. И. С е м е н к о в, . Диагностический анализ систем
проектирования. Минск, 1975.

3 . Проблемы подготовки производства и пути их решения.
«Стандарты и качество», 1975, № 6.

4 , Ю. Д. А м и р о в. ЕСТПП — система управления подго­
товкой производства в машиностроении и приборостроении. «Стандарты и качество»,
1975, № 1.

1917-1977

42

В содружестве с Минским заводом автоматических линий разработана и внедре­на система автоматизации проектирования и обработки шпиндельных коробок агре­гатных станков. Проектирование шпиндельных коробок ведется на базе стандарти­зованных узлов и деталей. Высокая степень унификации (до 98%), большой опыт проектирования, значительная доля сравнительно легко формализуемых этапов проектирования позволили разработать формальные методы решения основных задач на ЭВМ. На основе исходных данных ЭВМ воспроизводит кинематическую схему коробки, определяет положение осей шпинделей и промежуточных валов, а также выполняет кинематические и прочностные расчеты. После этапа конструирования данные, находящиеся в памяти ЭВМ, используются для технологической подготовки производства. На основе этих данных, а также данных, описывающих логические ог­раничения, ЭВМ проектирует технологический процесс, обеспечивающий требуемые чертежом точность размеров, формы и взаимное расположение поверхностей, чистоту обработки и физико-механические свойства деталей с наименьшой себестоимостью изготовления.

В результате обобщения опыта создания подобных систем и на других предприятиях в институте разработан пакет программ по проектирова­нию зубчатых передач, охватывающий прочностные и геометрические расчеты, определение измерительных размеров и допускаемых отклоне­ний для всех видов передач. Пакет программ для расчета геометрии цилиндрических передач утвержден в качестве государственного стан­дарта СССР. Годовой экономический эффект от внедрения только одного этого стандарта превышает 4 миллиона рублей.

Другой пример — система «Автоштамп», предназначенная для автома­тизации проектирования штампов. Разработка и внедрение системы ведется совместно с рядом приборостроительных предприятий. Автомати­зированное проектирование здесь также базируется на широкой унифи­кации и типизации деталей, узлов и конструкций штампов.

Исходные данные для автоматизированного проектирования включают сведения об операционном чертеже штампуемой детали, номер детали, номер штампа, пара­метры раскроя заготовки, указание о нужном варианте конструкции штампа и т. д. Эти данные преобразуются в спецификации деталей штампа и их характеристики, определяющие для каждой из штампуемых деталей вариант типовой конструкции штампа, размеры, материал. Все это накапливается в памяти ЭВМ.

Полученное цифровое описание может быть преобразовано в управляющие про­граммы для последующего изготовления оригинальных деталей штампа на станках с ЧПУ и выпуска конструкторской документации.

Использование автоматизированной системы для проектирования штампов поз­воляет повысить производительность труда конструктора в 1,5-2 раза и на 30-40% снизить себестоимость проектирования.

В институте разработана также система автоматизации проектирова­ния инструментальной подготовки производства, обеспечивающая осна­щение технологических процессов нормализованным инструментом, проектирование новых специальных инструментов, разработку технологи­ческих процессов изготовления новых специальных инструментов и под­готовку технико-экономических данных для планирования инструмен­тального производства.

Система может быть использована на машиностроительных предприя­тиях с различным характером и масштабом производства, различными видами выпускаемой продукции.

Автоматизация проектирования в машиностроении 43

Эффективным средством координации разработок, внедрения и обмена опытом в области САПР стала Ассоциация пользователей автоматизиро­ванной чертежно-графической системы «ИТЕКАН», разработанной в Институте технической кибернетики АН БССР. Эта система представ­ляет собой семейство чертежно-графических автоматов вместе с комплек­сом базового и прикладного программного обеспечения, ориентированных на автоматизацию чертежно-графических работ в САПР - В ассоциацию входит уже свыше пятидесяти предприятий и проектно-конструкторских организаций страны. Назрел вопрос о расширении границ ее деятельно­сти с охватом и других систем автоматизации чертежно-графических работ для унификации и стандартизации языков и аппаратурно-про-граммных комплексов.

Опыт показывает, что внедрение систем автоматизации проектирования позволяет сократить сроки разработки проекта и повысить качество проект­ной документации, за счет применения математических моделей улучшить качество проектных решений, добиться существенной экономии средств и материалов в сфере производства, особенно за счет сокращения потерь при отработке первых образцов изделия и ускорения перестройки техноло­гической схемы предприятия.

Создание и внедрение САПР — принципиально новый подход к орга­низации инженерного труда. На этом пути стоит еще много нерешенных проблем5. Речь идет о реализации широкой программы по отбору, система­тизации и формализации знаний, накопленных во многих отраслях науки и техники, с целью превращения этих знаний с помощью ЭВМ в эффек­тивный инструмент проектной и конструкторской деятельности инженера.

УДК 002/001.12

5 М. А. Г а в р и л о в. Автоматизация проектирования. «Вестник Академии наук СССР», 1976, № 12.