Тема 6. Автоматизация конструкторского проектирования 6.1. Классификация задач конструкторского проектирования

Тема 6. Автоматизация конструкторского проектирования
6.1. Классификация задач конструкторского проектирования
Основная цель конструкторского проектирования – реализация принципиальных схем, полученных на этапе функционального проектирования. При
этом производятся конструирование отдельных деталей, компоновка узлов из
деталей и конструктивных элементов, агрегатов из узлов, после чего оформляется техническая документация на объект проектирования.
Задачи конструкторского проектирования делятся на две группы:
1. Определение геометрических параметров конструкции – геометрическое проектирование.
2. Синтезирование структуры (топологии) конструкции с учётом её
функциональных характеристик – топологическое проектирование.
Классификация задач конструкторского проектирования показана на рис.
6.1.
Задачи конструкторского проектирования
Многовариантный анализ
Топологический
анализ
Одновариантный анализ
Трассировка
Топологический
синтез
Размещение
Оформление графической документации
Оформление
конструкторской
документации
Оформление текстовой документации
Метрические задачи
Геометрическое
моделирование
Позиционные задачи
Синтез формы (облика) изделий
Синтез геометрических объектов
Геометрический
синтез
Топологическое проектирование
Компоновка (покрытие, разбиение)
Геометрическое проектирование
Рис. 6.1. Классификация задач конструкторского проектирования
6.2. Задачи геометрического проектирования
6.2.1. Задачи геометрического синтеза
Задача синтеза геометрических объектов (ГО) состоит в формировании
сложных ГО из элементарных ГО заданной структуры. Такая задача возникает,
например, при оформлении деталировочных чертежей.
Основным критерием геометрического синтеза является точность воспроизведения требуемой формы ГО.
Решение задачи синтеза формы (облика) изделия обеспечивает получение оптимальной или рациональной формы деталей, узлов или агрегатов, влияющей на качество функционирования объекта проектирования. Такие задачи
возникают на ранних стадиях проектирования, например, при определении
конфигурации корпуса судна, автомобиля, летательного аппарата и т.д. Часто
встречаются задачи этой группы, связанные с синтезом формы корпусов узлов
с учётом максимальной теплоотдачи (корпуса электродвигателей).
6.2.2. Задачи геометрического моделирования
К типовым позиционным задачам относят:
– определение принадлежности точки к плоской области, ограниченной
замкнутыми контурами;
– определение координат точки пересечения прямой с криволинейным
контуром или поверхностью;
– установление факта пересечения контуров и вычисление координат их
точек пересечения;
– определение взаимного расположения плоских или пространственных
областей.
На основе типовых позиционных решаются следующие конструкторские
задачи:
– определение факта касания или столкновения движущихся деталей;
– определение факта наложения деталей;
– проверка гарантированных зазоров между деталями;
– оценка погрешности обработки контуров и поверхностей деталей на
станках с ЧПУ.
К метрическим задачам относят:
– вычисление длины отрезка;
– вычисление периметра и площади плоских и пространственных областей;
– определение центра масс плоских контуров и объёмных тел;
– определение массы, моментов инерции и моментов сопротивления;
– определение напряжений и деформаций.
6.2.3. Задачи оформления конструкторской документации
В текстовой конструкторской документации содержатся:
– описательная часть (служебное назначение изделия);
– характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов;
– ТУ на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию изделий;
– спецификации и экспликации.
К графической конструкторской документации относятся:
– деталировочные и сборочные чертежи;
– схемы структурные, функциональные и принципиальные (электрические, электронные, пневматические, гидравлические и др.);
– графики структурных сеток кинематических цепей;
– циклограммы и зависимости для выбора параметров режимов работы
агрегатов и устройств.
6.3. Задачи топологического проектирования
6.3.1. Задачи топологического синтеза
Решение задачи компоновки состоит в формировании конструктивных
элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня. Это наиболее трудоёмкая часть конструкторского проектирования.
Задача компоновки машиностроительных узлов и систем обычно состоит
из двух частей: эскизной и рабочей. При решении эскизной части задачи компоновки по функциональной схеме разрабатывают общий вид конструкции узла. На основе эскизной компоновки решают задачу рабочей компоновки, т.е.
составляют рабочую компоновку узла или агрегата с более детальной проработкой конструкции.
Например, процесс компоновки зубчатого редуктора выполняется по его
кинематической схеме. Эскизная компоновка редуктора разрабатывается после
расчёта передаточных чисел ступеней. Рабочая компоновка заключается в
установке в редуктор спроектированных валов и зубчатых колёс, обеспечивающих заданные передаточные отношения, подшипников, уплотнений и других
конструктивных элементов. Критериями компоновки редуктора могут быть его
масса, габаритные размеры, удобство ремонта и обслуживания и др.
Другие разновидности задачи компоновки и остальные типы задач топологического синтеза в наибольшей степени формализованы при конструировании электронной аппаратуры.
Задача покрытия заключается в преобразовании функциональной схемы
соединений логических элементов электронного узла в схему соединений типовых конструктивных элементов (модулей). Критериями качества при решении
задачи покрытия могут быть суммарная стоимость и общее количество модулей, количество типов используемых модулей, количество связей между модулями, общее количество неиспользованных логических элементов в модулях и
др.
При решении задачи разбиения осуществляется разделение схемы соединений конструктивных элементов на конструктивно обособленные части (узлы)
на некотором иерархическом уровне. Основными критериями качества при решении задачи разбиения являются: длина внешних связей, характеризуемая или
количеством межузловых соединений, или количеством внешних выводов всех
узлов, количество образующихся узлов, количество различных типов узлов.
Типичной задачей размещения в проектировании электронных устройств
является определение оптимального пространственного расположения элементов на заданной поверхности (коммутационном поле). Критерии и ограничения
при решении задачи размещения можно разделить на метрические и топологические. К метрическим относятся: размеры элементов и расстояния между ними, размеры коммутационного поля, расстояния между выводами элементов,
допустимые длины соединений; к топологическим – количество пространственных пересечений соединений, количество межслойных переходов, близость расположения друг к другу тепловыделяющих элементов или электромагнитно несовместимых элементов и соединений. Если связи между соединениями осуществляются проводным монтажом, то основным критерием оптимальности решения задачи размещения является суммарная взвешенная длина
соединений.
Задача трассировки заключается в определении геометрии соединений
конструктивных элементов электронных устройств. Различают три вида трассировки: проводных, печатных и пленочных соединений. Критериями оптимальности решения задачи трассировки могут быть: минимальная суммарная
длина соединений, минимальное количество слоев монтажа, минимальное количество переходов из слоя в слой, минимальные наводки в цепях связи элементов и т.д.
С решением задач размещения и трассировки сталкиваются не только при
проектировании радиоэлектронных устройств, но и при проектировании объектов других отраслей техники: при размещении технологического оборудования
в цехе, размещении элементов гидросистемы станка, трассировке транспортных
потоков в цехе, прокладке нефте-, газо- и продуктопроводов, прокладке дорог и
т.д.
6.4. Математические модели задач топологического проектирования
6.4.1. Метод проб и ошибок. Эвристические приёмы
Основным традиционным методом, которым пользуется конструктор в
процессе получения технических решений, является метод проб и ошибок.
Суть этого метода заключается в том, что на первом этапе формулируется исходное предложение (гипотеза), по разрабатываемой конструкции в виде её
схемы или эскиза. Конструктор лишь интуитивно предполагает, что данный вариант окажется работоспособным. На втором этапе проверяется (с помощью
моделирования или экспериментальных исследований) качество предложенного варианта. Обычно после первой пробы не удаётся получить требуемое проектное решение. Тогда формируется второе предложение, которое учитывает
ошибки, допущенные в первом предложении и т.д.
Метод проб и ошибок часто используется следующим образом: задаются
каким-либо значением неизвестного конструктивного параметра, а затем в результате вычислений других конструктивных параметров оценивают приемлемость принятого значения первого параметра. Эту процедуру повторяют до тех
пор, пока не будет найдена совокупность значений конструктивных параметров, соответствующих ограничениям на параметры и качественным показателям конструкции.
Основой для формирования проектных гипотез обычно служит базовая
модель, т.е. действующий образец конструкции машины или отдельного узла.
Повышение эффективности поиска новых конструктивных решений
обеспечивается применением эвристических приемов изобретательской деятельности: инверсии, аналогии, метода "мозгового штурма" и др.
Инверсия предполагает изменение на обратные каких-либо функций,
форм, способов расположения деталей конструкции.
В результате инвертирования конструкция по сравнению с исходной может приобрести новые эксплуатационные и технологические свойства.
Аналогия опирается на подобие конструкций в природе и технике. Аналогия широко применятся в робототехнике при разработке механических
устройств роботов и их органов чувств.
Метод "мозгового штурма" – метод коллективного генерирования технических решений.