Системный подход к проектированию технологических объектов

Системный подход — направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объекта как системы - целостного комплекса взаимосвязанных элементов.

Основные принципы системного подхода:

-Целостность, позволяющая рассматривать одновременно систему как единое целое и в то же время как подсистему для вышестоящих уровней.

-Иерархичность строения, то есть наличие множества (по крайней мере, двух) элементов, расположенных на основе подчинения элементов низшего уровня элементам высшего уровня.

-Структуризация, позволяющая анализировать элементы системы и их взаимосвязи в рамках конкретной организационной структуры.

-Множественность, позволяющая использовать множество кибернетических, экономических и математических моделей для описания отдельных элементов и системы в целом.

Системность, свойство объекта обладать всеми признаками системы.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия.

Системный подход выявляет структуру системы ее внутренние и внешние связи. Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны без системного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения.

Этапы системного подхода к проектированию; формирование требований к ПО – проектирование – реализация – тестирование – ввод в действие – эксплуатация и сопровождение.

Системный подход отличается от традиционного предположением, что целое обладает такими качествами (свойствами), каких нет у его частей. Когда части системы представляют собой системы, тогда их называют подсистемами. Подсистема обладает свойством функциональной полноты, т.е. ей присущи все свойства системы.

Системный подход к проектированию АСУ ТП заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиция системы) и учете при ее разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей между ними.

Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде известных подходов с другими названиями, которые также можно рассматривать как компоненты системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы.

Важнейшая задача науки в области проектирования – путем полного учета взаимосвязей в системе и влияния внешних факторов сократить число циклов уточнения системы и обеспечить в кратчайший срок создание системы с предельными показателями качества. Успешное достижение этой цели возможно путем перехода на системное проектирование технических решений

11. Три уровня САПР. Характеристика входящих в них систем. В зависимости от возможностей, а соответственно и стоимости, современные САПР можно условно разбить на три уровня: нижний, средний и высший. Деление на уровни в специальной литературе производят либо по их возможностям, либо по стоимости, например: до 1000 долл., от 1000 до 10 000 долл., свыше 10 000 долл. Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место. (например, AutoCAD, VersaCAD, CADKEY). Системы среднего уровня (например, Т-FLEX CAD, Solid Edge) сокращают сроки выпуска документации и время разработки проектов за счет автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, программирования 2,5-координатной обработки заготовок на станках с ЧПУ. Эти системы позволяют создать объемную модель изделия, по которой определяются инерционно-массовые, прочностные и иные характеристики, контролируется взаимное расположение деталей, моделируются все виды ЧПУ-обработки, отрабатывается внешний вид по фотореалистичным изображениям, выпускается документация. Кроме того, обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота. Экономический эффект состоит в многократном повышении производительности труда при резком сокращении ошибок и соответственно в улучшении качества изделий. имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций). Системы высшего уровня ( EDS Unigraphics, Pro/Engineer, CATIA или CADDS) - полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР.

12. Интегрированные САПР и предъявляемые к ним требования. Использование технологии PLM. Интеграции CAD и CAE, использование технологии управления информацией об изделии на протяжении его жизненного цикла затрагивает не отдельные вопросы улучшения совместной работы этих двух систем, а более глобальные задачи объединения в одно целое всех процессов проектирования, производства, модернизации и сопровождения технически сложных изделий. Основная задача PLM - это объединение отдельных участков автоматизации в едином информационном пространстве и реализация сквозного конструкторского, технологического и коммерческого цикла, от подготовки проекта до утилизации. Такой подход сулит предприятиям немалые выгоды, главные из которых:

- ускорение выпуска новых продуктов; - усиление контроля за качеством;- сокращение издержек заменой физических макетов виртуальными; - экономия за счет многократного использования проектных данных; - расширение возможностей оптимизации изделий; - экономия благодаря сокращению отходов производства; - снижение затрат с помощью полной интеграции инженерного документооборота. Но, чтобы воспользоваться преимуществами данной концепции, необходимо преодолеть серьезные технические трудности. Основная проблема, стоящая перед пользователями и разработчиками заключается в необходимости объединения разнородных систем автоматизации на предприятии и обеспечении коллективной работы персонала. Обычно каждое подразделение выдает свою информацию и по-своему ее обрабатывает. Так, отделы проектирования (использующие CAD), и анализа продукции (CAE) могут использовать совершенно разные спецификации и стандарты и принимать решения независимо друг от друга. Поэтому перед внедрением PLM должны прежде всего быть установлены корпоративные стандарты на форматы данных. Также многие предприятия для выполнения отдельных заданий производственного процесса используют программное обеспечение - ПО (чаще всего САПР) разных поставщиков. Для их интеграции в рамках PLM-среды приходится применять средства преобразования данных из одного формата в другой, что нередко вызывает ошибки и ухудшает качество информации. Наиболее очевидный способ избежать этого - внедрять PLM-продукты одного поставщика. Однако лишь немногие поставщики предлагают весь набор средств PLM, да и предприятия вряд ли захотят менять привычные САПР на новые. Единственный выход - создание открытого формата данных. Такие попытки предпринимаются, но, к сожалению, особого прогресса здесь не наблюдается. Организация ISO выпустила стандарт STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) для описания трехмерных CAD-моделей, но он не получил серьезной поддержки у поставщиков. Теперь идет разработка форматов на основе метаязыка XML. Например, компания EDS предлагает для визуализации и описания геометрии формат PLM XM.. Эти разработки еще только начинают внедряться, и пока неясно, станут ли они основой для полноценного стандарта PLM. Интегрированные САПР должны: охватывать все этапы проектирования от ввода описания проектируемого объекта до получения проектно-технической документации (интеграция по глубине); иметь на отдельных этапах альтернативные алгоритмы и программы, позволяющие формировать наиболее экономичные и достаточно адекватные математические модели в соответствии с конкретными условиями проектирования, выбирать различные математические методы для решения заданной задачи (интеграция по ширине); иметь систему управления проектированием, а также интегрированную базу данных; быть приспособленными для тиражирования в различных проектных организациях.

13. Основные классификационные характеристики САПР. Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. Но это не значит, что такие продукты мало распространены. Напротив, они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место. Системы среднего класса – надежные и многофункциональные продукты, которые содержат многие компоненты своих тяжелых собратьев, за исключением средств моделирования сложных поверхностей, встроенных подсистем инженерного анализа (CAE), подготовки производства (CAM) и специализированных приложений – многие из них можно купить у независимых разработчиков. «Середняки» поддерживают сборки, включающие от сотни до нескольких тысяч деталей, и имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций). Тяжелые системы – полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР.

14. Параллельное проектирование. Общее понятие и используемые системы. При параллельном проектировании информации относительно каких–либо промежуточных или окончательных характеристик разрабатываемого изделия формируется и предоставляется всем участникам работ, начиная с самых ранних этапов проектирования. В этом случае информация носит прогностический характер. Ее получение базируется на математических моделях и методах прогностической оценки критериев качества проектного решения. Оценка может производиться на основе аналитической модели, статистических методах и методах экспортных систем. Технология параллельного проектирования реализуется на основе интегрированных инструментальных средств прогностической оценки и анализа альтернативных проектных решений с последующим выбором базового проектного решения. Предполагается, что инженер начинает работать над проектом на высоком уровне абстракции с последующей детализацией проекта. Принципиальным отличием параллельного проектирования от сквозного проектирования (хотя параллельное проектирование получило развитие на основе сквозного) в том, что информация не просто поступает на все последующие этапы проектирования, но и по существу эти этапы начинают выполняться одновременно.Фирма MENTOR GRAPHНICS впервые создала среду параллельного проектирования на основе принципа объединения всех инструментальных средств проектирования и данных в одном непрерывном и гибком процессе создания изделия. В состав этой инфраструктуры входят:Среда управления проектированием;Система управления данными проекта;Система поддержки принятия решений (СППР).

15. Сквозная система проектирования и подготовки производства. САПР были изначально предназначены для автоматизации черчения. Но уже долгое время на предприятиях используют трехмерные системы моделирования CAD, в основе которых лежат параметрические объемные 3D-модели. Эти системы изменили в корне подход к проектированию. Создание новой продукции значительно ускорилось, затраты и число ошибок сократились, процесс разработки стал более творческим. Основным недостатком плоского черчения является сложность представления изделия в пространстве, так как конструктору приходится опираться только на виды, а саму модель формировать в «голове», вследствие чего возникают недочеты, которые рождают в дальнейшем крупные ошибки. 3D-системы превосходят плоское черчение, благодаря возможности смоделировать изделие до создания чертежей или опытных образцов, при этом позволяют увидеть результат моделирования на любом шаге проектирования. Визуализация изделия - это одно из основных преимуществ 3D-моделирования. Использование трехмерной технологии позволяет проектировать изделие необходимого качества за короткие сроки, благодаря сокращению возможности появления ошибок и снижению затрат на их исправление. Для проверки проектируемых конструкций визуализации не достаточно, для этого в 3D CAD-системах заложены необходимые инструменты. Для всестороннего анализа изделия созданные модели можно передавать в системы инженерных расчетов CAE, где она проверяется на функциональность, устойчивость, прочность, жесткость, безопасность, долговечность и т.д. По моделям автоматически вычисляются массово-инерционные характеристики, объем и другие важные физические параметры проектируемых деталей и сборок. Анализ виртуальных макетов позволяет оптимизировать конструкцию путем проработки вариантов исполнения с учетом различных физических свойств изделия и выбрать оптимальное решение при минимальных затратах на исполнение. Одно из достоинств трехмерных моделей заключается в том, что их можно передавать в системы подготовки УП ЧПУ (Управляющих программ для станков с Числовым программным управлением) CAM, которые автоматически создают программы для станков с ЧПУ. Благодаря точной и полной передачи данных об изделии сокращается количество возможных ошибок в документации, при этом повышается качество чертежей, конструкторских спецификаций и взаимосвязи между ними. На базе 3D-модели возможно применение технологии сквозного проектирования. Данная технология позволяет связать воедино все этапы разработки и постановки продукции в производство. От конструкторской модели изделия до УП ЧПУ на изделие и оснастку, а также при создании технологических процессов используется единая 3D-модель. Зародившись у конструктора, 3D-модель доходит до производства, проходя все фазы КТПП, что повышает эффективность процесса проектирования в разы. При построении интегрированной информационной системы (ИИС) КТПП 3D-модель закладывается в основу и является объектом управления внутри ИИС КТПП. применение сквозного проектирования позволяет: - значительно повысить качество выпускаемой продукции; - ускорить выход продукции на рынок - на 20-90%;- сократить время на разработку изделия - на 30-70%; - сократить время на внесение изменений - на 65-90%; - сократить затраты на подготовку изделия к производству - на 5-50%;- ускорить окупаемость затрат на 20-85%. Этапы сквозного проектирования: - проектирование изделия (создание трехмерной геометрической модели); - технологическая подготовка производства (разработка необходимой ТД и КД на оснастку); - создание управляющих программ для станков с ЧПУ (формирование программы под конкретный станок); - изготовление оснастки и изделия (передача готовой программы непосредственно в систему ЧПУ станка и ее выполнение). Использование сквозного проектирования на базе 3D-моделирования в единой информационной системе КТПП (Конструкторско-Технологической Подготовки Производства) позволяет избежать многочисленных ошибок при подготовке производства и его сопровождении, а также выпускать продукцию с требуемым качеством и потребительскими свойствами, которые соответствуют условиям эксплуатации и отвечают техническим, экономическим и технологическим требованиям, в кратчайшие сроки.

16. Уровни систем инженерного анализа

CAE (Computer-Aided Engineering) — комплекс программных продуктов, которые способны дать пользователю характеристику того, как будет вести себя в реальности разработанная на компьютере модель изделия. По-другому CAE можно назвать системами инженерного анализа. В своей работе они используют различные математические расчеты: метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов. При помощи CAE инженер может оценить работоспособность изделия, не прибегая к значительным временным и денежным затратам.

Дата добавления: 2014-01-04