Глава 36. ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Широкое внедрение электронных вычислительных машин (ЭВМ), быстрое совершенствование их параметров оказывает все возрастающее влияние на современную науку и технику. Существенно расширились возможности решения задач вычислительного характера (сложных задач математической физики, построения математических моделей процессов и т. д.). Коренные изменения произошли в прикладной математике и других областях знаний, возникли иовые эффективные методы численных решений (метод конечных элементов и др.). Современные ЭВМ позволяют решать логические задачи (оптимального управления, распозиаваиия образов, постановки диагноза и т. п.). Широкое распространение получили станки с программным управлением, существенно увеличивающие производительность труда; автоматические устройства, роботы и др. Будущее развитие техники связано с автоматизированным производством, основанным на широком использовании ЭВМ.

СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Автоматизированным (машинным) производством будем называть производство с помощью электронных вычислительных машин. При этом главные решения все же остаются за коллективом специалистов, руководящим автоматизированной системой.

Производство современных машии разбивается на четыре последовательных, взаимосвязанных этапа: проектирование, конструирование, изготовление и испытание. Если на каждом из этапов предусматривается широкое внедрение ЭВМ, то следует говорить об автоматизированном проектировании, автоматизированной технологии и т. д. Общая схема автоматизированного производства показана на рис. 1.

Автоматизированное проектирование представляет собой оптимальное проектирование путем синтеза математических моделей. Оптимальное проектирование подразумевает отыскание иаилучшего, в определенном смысле, варианта проекта. В результате автоматизированного проектирования создается эскизный проект изделия, содержащий его основные параметры, характеристики, скелетную схему конструкции, и математическая модель изделия.

Автоматизированное конструирование осуществляет оптимальный синтез конструктивных элементов с помощью ЭВМ. При конструировании за основу принимают скелетную схему конструкции, полученную на этапе автоматизированного проектирования. Схему дополняют конструктивной и технологической разработкой отдельных элементов (соединительных и переходных элементов, уплотнений), определяют размеры, допуски, посадки и т. п.

В результате автоматизированного конструирования выпускается техническая документация, необходимая для технологической подготовки производства. Техническая документация содержит чертежи, получаемые на чертежных автоматах по разработанным программам, и технические условия (условия сборки, контроля и т. п.). В производство передается «машинный образ» конструкции в виде пакета программ, содержащий необходимую информацию для изготовления изделия.

Рис. 1. Общая схема автоматизированного производства

Автоматизированная технология представляет собой оптимальную технологию, осуществляемую с помощью ЭВМ. На этом этапе разрабатывают оптимальный технологический процесс (выбирают оборудование, инструмент, оснастку, режимы обработки и т. п.). Создают программы для станков, информационных и управляющих систем производства и т. д.

Автоматизированные испытания состоят в экспериментальном подтверждении параметров математической модели. На этом этапе разрабатывают оптимальный план доводочных испытаний, способы идентификации (определения) параметров моделей по данным опыта.

Особенностью автоматизированных испытаний является не только проведение эксперимента с реальным изделием, но и с его математической моделью. Во втором случае оказывается возможным оценить поведение элемента, узла и всей машины в целом при различных внешних условиях, нагрузках и т. п. Это позволяет более полио определить надежность системы, выбрать систему диагностики и т. д.

Ограничимся рассмотрением проблем автоматизированного (машинного) проектирования.

СТРУКТУРА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Математической моделью условимси называть совокупность уравнений, условий и ограничений, описывающих функционирование элемента, узла или всей машины в целом.

Общая модель должна отражать следующие основные факторы:

1) работоспособность (взаимодействие с внешней средой и другими элементами);

2) энергетический баланс, коэффициенты полезного действия;

3) надежность (запасы прочности, долговечность и др.);

4) экономическую эффективность (стоимость производства и эксплуатации, технологичность и др.).

Общая модель обычно содержит частные подмодели, отражающие отдельные факторы функционирования системы. Структурная схема математической модели (в системе автоматизированного проектирования) показана на рис. 2.

Модель осуществляет преобразование входных параметров, отражающих условия нагружения, среды и т. д., в параметры выхода, характеризующие процессы и состояние самой системы.

Например, при расчете лопатки газовой турбины в качестве входных параметров используют частоту вращения ротора, давление, скорость, температуру и расход газа на входе в турбину, радиусы корневого и концевого сечения и др. Параметры выхода включают показатели, характеризующие состояние газа на выходе из турбины, напряжения и температуру в лопатке, геометрию профилей сечения лопатки на различных радиусах и т. д.

Блоки преобразования содержат блоки и модули, каждый из которых осуществляет физически определенную часть преобразования (например, расчет напряжений в лопатке и т. п.).

Входные параметры подразделяют на заданные (приходящие из модели более общей системы) и управляющие. Именно управляющие или внутренние параметры позволяют осуществить процесс оптимизации. Последний реализуется с помощью блока внутренней оптимизации. В этом блоке содержатся наиболее простые и универсальные условия оптимизации (минимум массы, максимум коэффициента полезного

Рис. 2. (см. скан) Структура математической модели

действия), позволяющие достичь локального оптимума. Важную роль играет блок ограничений, устанавливающий область возможных значений управляющих и выходных параметров.

Модель содержит банк данных, хранящий необходимую для работы информацию, и блок управления. Последний позволяет воздействовать на упрочняющие параметры, осуществлять переключение вариантов и др, В модели предусмотрен блок визуализации, с помощью которого формируются изображения и графическая информация. Все блоки модели связаны между собой, сама модель может являться частью более сложной модели.

Работа модели осуществляется по принципу последовательных приближений. Сначала принимают начальные значения управляющих параметров Они вместе с заданными поступают в блок преобразований, где формируются параметры выхода. Выходные параметры направляются в блоки оптимизации и ограничений, в которых вырабатываются указания об изменении исходных значений управляющих параметров. Далее переходят к следующему приближению, причем циклы продолжаются до завершения процесса оптимизации.

Окончательные результаты поступают в банк данных и на вход следующих моделей системы.

УРОВНИ И КЛАССЫ МОДЕЛЕЙ

В процессе автоматизированного проектирования создается большое число математических моделей отдельных процессов, элементов, узлов и т. п. Будем различать уровни и классы моделей.

Уровень модели характеризует ее «качество» — степень глубины и полноты отображения связей, существующих между параметрами входа и выхода.

Различают модели нулевого, первого, второго и более высоких уровней. Разделение на уровни является условным и зависит от назначения, структуры модели, требований точности и других факторов. Часто используют модели следующих уровней: нулевого — модели, основанные на статистической обработке параметров предшествующих или аналогичных изделий; первого — модели, использующие простейшие одномерные теории при ряде упрощающих предположений; второго — модели, включающие все инженерные расчеты, проводимые для

рассматриваемого элемента, узла и т. п.; третьего — сложные модели, использующие двухмерные и трехмерные теории, специальные численные методы типа метода конечных элементов и т. п.

В системе автоматизированного проектирования целесообразно использовать модели нескольких уровней: более простые модели для предварительного отбора вариантов, более сложные — для формирования окончательной математической модели.

Класс модели — определяется ее «объемом», т. е. числом элементов, узлов и т. д., функционирование которых описывает модель. Часто оказывается удобным разбиение на три класса моделей: А — изделия; Б — узла; В — элемента.

Например, если класс А представляет собой модель всего двигателя, то модели класса Б — модели компрессора, турбины и т. д., класса В - модели лопаток и т. д. При необходимости могут быть введены подклассы для автономного описания отдельных частей системы.