Предпосылки автоматизации проектирования станков

Процесс проектирования можно рассматривать как совокупность процедур переработки информации, в результате чего возникает конечный продукт этого процесса в виде проекта технического объекта, например, металлорежущего станка, промышленного робота, автоматической линии и т. п. Таким образом, проект — это информационный аналог реального технического объекта.

Технический объект представляет собой систему, состоящую из элементов и характеризующуюся собственными структурой и параметрами. Например, такая ситема, как станок, состоит из элементов (узлов), которые, в свою очередь, можно.рассматривать как системы, элементами которых являются детали и т.д.

Структура системы — это совокупность элементов, из которых она состоит, и их связи между собой. Два шпинделя токарного станка, один — на опорах качения, другой — на гидростатических подшипниках — системы различной структуры. Также различную структуру будут иметь шпиндели, если применить подшипники качения, но смонтировать их по различным схемам. В первом случае различия порождаются различием природы элементов (гидростатические опоры и опоры качения), во втором — различием связей , между элементами. В машиностроении результатом синтеза структуры обычно является эскизный проект системы.

Параметры системы — это некоторые характеристические, величины, определенные значения которых выделяют данный объект из совокупности ему подобных. Так, диаметр шпинделя, расстояние между его опорами, конус на переднем конце и т. п. — параметры системы «шпиндельный узел».

Техническое решение всегда реализуется для достижения определенных целей. На пути к этим целям, как правило, имеются ограничения. Обычно цели и ограничения формулируются достаточно строго. Например: создать гидроцилиндр, развивающий усилие в 5000 Н и имеющий наружный диаметр не более 200 мм. Решение, которое обеспечивает достижение цели и удовлетворяет ограничениям, является допустимым. Нахождение хотя бы одного допустимого решения и есть основная задача конструктора.

Если ограничения не слишком жесткие, то можно обычно найти несколько допустимых решений и из них выбрать оптимальное. Различные допустимые варианты технического решения создают за счет варьирования структуры и параметров объекта. Выбор оптимального варианта возможен в том случае, если есть количественная мера оценки вариантов. Такой мерой могут служить проектные критерии — характеристики качества работы объекта. Выраженные количественно через значения параметров технического объекта, их называют целевыми функциями; они служат основой для выбора оптимального варианта. Например, применительно к шпиндельному узлу, величина жесткости на переднем конце шпинделя, представленная в виде зависимости от параметров узла, может выступать в качестве целевой функции. Автоматизация процесса проектирования технического объекта предполагает определение структуры и параметров элементов и всего объекта в целом в условиях систематического применения ЭВМ, что позволяет получить вариант проекта, близкий к оптимальному.

Возвращаясь к упомянутым выше процедурам, переработки информации в процессе проектирования, отметим, что их можно разделить на две группы — формальные и неформальные процедуры. К первым (они могут быть полностью переданы ЭВМ) условимся относить такие, при которых переработка информации поддается алгоритмизации, т. е. производится по правилам, задающим строго определенную последовательность операций, приводящих к искомому результату. Ко вторым — все остальные процедуры.

Рассматривая любой проект и процесс его создания, легко видеть, что формальные процедуры занимают большую часть общей его трудоемкости. Например, при проектировании металлорежущего станка, согласно действующим нормам Минстанкопрома на выполнение конструкторских работ, трудоемкость формальных процедур (сбор информации, различные расчеты, разработка рабочей конструкторской документации) составляет около 60 % общей трудоемкости проекта.

Следует отметить, что, несмотря на существенную долю в общем объеме работ, эти процедуры не определяют основные качественные характеристики технического объекта, т. е. его проектные критерии, хотя и улучшают проект, главным образом, за счет существенного уменьшения ошибок. Большой объем формальных процедур при проектировании является первой объективной предпосылкой автоматизации процесса проектирования, хотя в силу неопределяющего, в смысле качества объекта, характера этих процедур указанная предпосылка сама по себе недостаточна для того, чтобы ожидать существенного эффекта от автоматизации проектирования. Действительно, резкое повышение качества проекта (кратное сокращение сроков проектирования, получение изделия, превосходящего уровень лучших имеющихся образцов, существенное сокращение сроков отладки опытной партии и т. п.) с помощью автоматизации только формальных процедур принципиально недостижимо. Подобные результаты могут быть получены лишь при построении автоматизированной системы проектирования, включающей как формальные, так и неформальные процедуры. Автоматизация последних при этом подразумевает диалог проектировщика и ЭВМ, в результате которого находится оптимальное техническое решение. Возможность нахождения такого решения является второй, очень важной предпосылкой автоматизации процесса проектирования, так как только применение ЭВМ позволяет сравнить различные варианты решения на основе количественной оценки их качества.

Проектирование таких сложных технических систем, как станки, всегда ведется в условиях, когда и объект проектирования, и сам процесс проектирования расчленяются на иерархические уровни. Такими уровнями применительно к объекту являются агрегаты, узлы, детали и т. п. Уровнями процесса проектирования являются его стадии: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, рабочий проект. Указанные условия определяют такую специфику проектирования, когда на каждом уровне ведется работа по синтезу системы, элементы которой полностью не определены. Например, компоновка станка должна быть выбрана до того, как конструктивно разработаны его узлы.

Аналогичное положение имеет место на всех уровнях проектирования. Это приводит к тому, что при подробной разработке элементов, как правило, возникает возможность улучшения системы. Однако эта возможность чаще всего не используется из-за большого объема изменений проекта. Автоматизация проектирования позволяет вносить изменения в проект практически на любой стадии и без ограничения их объема. Это обстоятельство является третьей объективной предпосылкой автоматизации процесса проектирования. Наконец, в качестве четвертой предпосылки можно отметить тот факт, что хранение, переработка и использование огромного количества справочной информации, которая при проектировании необходима конструктору, наилучшим образом могут быть организованы с помощью ЭВМ.