Выбор варианта автоматизации процесса конструирования

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ СПО Тольяттинский технический колледж ВАЗа

Курсовая работа

По дисциплине: Средства автоматизации и механизации машиностроительного производства.

Тема: Выбор варианта автоматизации процесса конструирования.

Студент: Дюмаев С.В.

Гр. ТМ-05-41

Преподаватель: Свитова С.А.

2008г

Содержание

1.Анализ проблемы

1.1 Постановка цели метода конструировании

1.2 Область применения метода конструирования

2. Пути решения проблемы

2.1 Задачи автоматизации процесса проектирования

2.2 Схема решения проектно-конструкторских задач с помощью средств вычислительной техники

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Деятельность человека направлена на то, чтобы создать больше материальных ценностей с меньшими затратами. Но обеспечить общество необходимыми товарами в достаточном количестве и требуемого качества можно только в условиях высокоразвитого производства с широким применением средств механизации и автоматизации.

Современное отечественное машиностроение должно развиваться в направлении автоматизации производства с широким использованием ЭВМ и роботов, внедрения гибких технологий, позволяющих быстро и эффективно перестраивать технологические процессы на изготовление новых деталей.

Развитие технологии производства и технологии управления привело к созданию таких производственных процессов и типов оборудования, которые невозможно рассматривать в отрыве от систем управления. Характерным примером являются станки с программным управлением, промышленные роботы, автоматические и автоматизированные технологические участки.

В настоящее время в области автоматизации управления производством сложились два относительно самостоятельных направления - автоматизация управления технологическими процессами и автоматизация управления организационно-экономической деятельностью.

Высокой эффективности производства рациональным сочетанием оборудования, организации транспортных операций и управления гибкими производственными системами. Растет выпуск станков с ЧПУ и роботов.

Современный инженер, даже непосредственно не связанный по роду своей деятельности с автоматизацией управления, должен обладать достаточно широкими знаниями в этой области.

Механизация - это полная или частичная замена ручного труда машинным, но функции управления при этом остаются за человеком. Под ручным понимается труд, когда привод осуществляется мускульной силой.

Автоматизация - это более высокий уровень механизации, при которой управление возложено на специальные устройства и системы. За человеком остается наблюдение, наладка и ремонт. Различают малую и комплексную автоматизацию. При малой автоматизации основные операции технологического процесса выполняются автоматически, а остальные вручную.

Механизацией производственного процесса называют применение энергии неживой природы в производственном процессе или его составных частях, полностью управляемых людьми, и осуществляемое в целях сокращения трудовых затрат, улучшения условий производства.

Автоматизацией производственного процесса называют применение энергии неживой природы в производственном процессе или его составных частях для их выполнения и управления ими без непосредственного участия людей.

Автоматизация производства заключается в автоматизации предметных и информационных потоков. Автоматизация предметных потоков осуществляется с применением автоматических транспортных систем, автоматических складов и накопителей, устройств автоматической загрузки и выгрузки станков, автоматического технологического оборудования: станков, промышленных роботов, сборочных и других машин. Автоматизация информационных потоков осуществляется установкой различных автоматических измерительных средств: устройств активного контроля размеров и свойств деталей, контактных- головок, координатно-измерительных машин, устройств отсчета перемещений, путевых выключателей и различных других датчиков, необходимых для получения нужной информации. Для автоматической передачи информации используют различные каналы связи; проводные, светоколонные, оптические, индуктивные, акустические, электромагнитные. Информацию можно передавать и механическим путем на различных носителях: перфолентах, перфокартах, магнитных дисках, штриховых кодовых этикетках и др. Для автоматического преобразования и использования информации применяют ЭВМ, программируемые контроллеры, различные устройства ввода и вывода информации и другие средства.

1.Анализ проблемы

Рассматривая появление новых технических изделий на рынке, пусть это будет сравнительно простой технический предмет потребления или сложная электронно-вычислительная машина, можно отметить, что их появлению должно быть, предшествовало множество замыслов для того, чтобы обеспечить их возникновение в этой полноте. При современном высоком уровне совершенства технических изделий в их соперничестве на рынке зачастую проявляются лишь некоторые "мелочи", которые обеспечивают удачную конструкцию изделия. Роль общественного продукта промышленной державы, а так же успех предприятия, между прочим, в значительной степени зависят от качества и конкурентоспособности произведенных изделий. Условием для этого является эффективность научного исследования, конструирования и технологии в соответствующей стране или на соответствующем предприятии. Исходя из этого, в целом можно определить важность конструирования для экономики страны и человечества.

Поэтому, исходя из этого значения, кажется необходимым исследовать процесс конструирования и, при известных условиях, выразить его правила для того, чтобы со все возрастающим объемом научных выводов получать постоянно совершенствующийся "инструмент" для создания более лучших изделий. Описание процесса конструирования при помощи алгоритмов и правил, а так же наличие электронных устройств для обработки данных являются условиями для рационализации и автоматизации процесса конструирования (Конструирование на основе вычислительных машин). Например, имеет мало смысла разрабатывать особую программу вычислительной машины для определения конструкции системы, намного лучше, в результате методического подхода производить систематическое вычисление всех существующих разновидностей конструкций, чтобы, таким образом, сделать предпосылку для разработки универсальной программы.

Существует еще другая, вполне обоснованная причина для разработки и применения метода конструирования. Технические изделия в настоящее время во многих областях уже достигли такой высоты степени совершенства, что их усовершенствование при интуитивном методе работы оказывается возможным с весьма большой затратой времени даже в случае, если помышляют лишь о маленьких шагах. Поэтому в будущем во все возрастающей степени неизбежно придется возвращаться к систематическим методам. Хотя люди с начала своей истории занимаются конструированием для того, чтобы создать для себя вспомогательные средства для обеспечения и упрощения необходимых видов труда, эти виды деятельности до недавнего времени производились преимущественно интуитивно. Некоторые гениальные инженеры прошлого, Архимед, Леонардо и др., по крайней мере передали потомству результаты своих мыслей применительно к аспекту конструирования. В более позднее время это был Уайт (1778г.) и Бэббидж, разработавший первый черновой набросок цифровой вычислительной машины (1833г.), выводы в области конструирования которых также переданы потомству. Примерно 100 лет спустя, благодаря Дузе, ряд открытий привели к созданию первой цифровой вычислительной машины, вспомогательному средству для автоматизации канцелярского труда, в то время как изобретение паровой машины, как известно, заложило основы для автоматизации ручных видов труда.

Ни в одном из названных или подобных примеров нам неизвестна какая - либо информация о методах, которые привели к таким крупным техническим достижениям. Они являлись лишь средствами для достижения цели, и считали, что не стоит труда передавать информацию о методах. Лишь в последнее время Франке, Хансен, Кессельринг, Роденакер, Вёгербауэр и другие занимались процессами синтеза машин и пытались описать эти виды деятельности.

В прежнее время были склонны рассматривать конструирование, в частности, нахождение новых решений для технических задач как творческую деятельность, которая, соответственно оставляла привилегию на конструирование за одаренными конструкторами. Естественно, даже самый оптимальный метод конструирования никогда не сможет полностью заменить способности гениального или даже пусть средне одаренного инженера, но, благодаря методическому подходу, то и другое в их эффективности в значительной мере поддерживается и стимулируется. В случае, если бы оказалось возможным создавать новые конструкции в чистой системе, то конструирование потеряло бы очень многое в своей привлекательности.

1.1 Постановка цели метода конструировании

Цели метода конструирование, в конечном счете, следующие:

- получение более лучших и более экономичных изделий;

- рационализация и создание предпосылки для автоматизации процесса конструирования (конструирование на основе вычислительных машин);

- создание теории для быстрой и лучшей подготовки конструкторов, а также, наконец

- создание основы для более лучшего обзора постоянно расширяющейся области знаний, машиноведения, разветвляющейся на многие специальные области.

Чтобы удовлетворять всем этим требованиям, целью соответствующего метода конструирования является создание общеупотребительного метода, не связанного с объектом, который одинаково хорошо применим в машиностроении, приборостроении и аппаратостроении. Правила использования данного метода должны представлять гарантию того, что для определенной постановки вопроса они дадут все существующие решения, для того, чтобы быть уверенным в том, что возможно, более лучшее решение не будет упущено из вида. Наконец, подобный метод должен так же иметь правила, которые обеспечивают возможность объективного выбора самого оптимального решения из поля альтернативных решений или, по крайней мере, облегчают этот выбор. К тому же важным условием для определенной постановки задачи является знание всех решений. Примечательно то, что математические методы для решения задач, которые можно изложить на языке математики, всегда раскрывают все решения, существующие для данной постановки задачи. В математике не известны методы, которые дают лишь определенное решение, если задача имеет фактически несколько решений. В противоположность математике, число решений в задачах конструирования во много раз больше, чем в задачах, которые можно изложить на я зыке математики. Поэтому было бы желательно разрабатывать такие методы конструирования, которые дают самое оптимальное решение. Последнее является целью, которая, по всей вероятности, может быть реализована лишь не в полном объеме. Поэтому ближайшей целью является создание вспомогательных средств для систематического отыскания решений, а так же для рационализации и автоматизации всего процесса конструирования.

1.2 Область применения метода конструирования

В ходе развития в области машиностроения сформировались три больших отдельных отрасли: энерготехника, техника сигнализации, соответственно, информационная техника и технология, и материаловедение. Технические устройства в этих областях в общепринятом словоупотреблении называются машинами, приборами и аппаратами. Соответственно этому должны быть приняты следующие определения:

- машины - это технические системы, которые главным образом характеризуются потоком энергии и превращением энергии;

- приборы - это технические системы, которые главным образом характеризуются потоком и обменом информации;

- аппараты - это технические системы, которые, главным образом, характеризуются потоком и превращением веществ.

2.Пути решения проблемы

Конструирование машин является областью инженерной деятельности, наиболее сложной для автоматизации. Разработка теории и методов автоматизации конструирования находится еще в начальной стадии. Автоматизированы главным образом различные вычислительные операции, связанные с конструированием. Задачей автоматизации проектирования является создание комплексных автоматизированных систем подготовки производства в машиностроении, выполняющих кроме расчета выбор наиболее рациональных технологических и конструкторских решений, компоновку машин из составляющих их элементов, подбор этих элементов, технологическое проектирование, выдачу проектной документации в готовом виде и т. п.

2.1 Задачи автоматизации процесса проектирования

Для определения задач автоматизации проектно-конструкторского процесса рассмотрим процентное соотношение различных проектных процедур.

Статистическое обследование ряда общемашиностроительных и станкостроительных предприятий показывает (табл. 1), что в прямых затратах времени, которые непосредственно служат процессу конструирования, чертежные работы составляют более 30 %, в то время как творческие элементы проектных работ -- только 15%. Доля вычислительных работ по сравнению с проектными и чертежными работами в процентном отношении довольно незначительна. Остальные, так называемые косвенные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть в основном охарактеризованы как «рутинные» этапы, которые по временным затратам примерно равноценны.

Распределение отдельных видов работ в фазе проектирования приведено в табл. 2.

Результаты представленных обследований отчетливо показывают, что на «рутинные» процедуры приходится большая доля временных затрат в процессе проектирования, причем деталировка и в дальнейшем остается «рутинной» работой независимо от вида и организации проектирования почти на всех предприятиях машиностроения. Поэтому первым направлением рационализации процесса проектирования было стремление автоматизировать «рутинные» этапы с помощью средств вычислительной техники. На сегодняшний день наибольшие успехи достигнуты при автоматизации расчетов и разработке различного вида текстовой и табличной документации, в поиске аналогов машин и деталей. До конца не решен, из-за существенных трудностей, вопрос об автоматизации чертежно-графических работ.

Таблица 1. Соотношение между процедурами процесса конструирования

Таблица 2. - Распределение видов работ на основных этапах конструирования

Накопленный опыт показывает, что автоматизация проектирования -- это область эффективного использования ЭВМ. Но в то же время становится ясным, что главное направление здесь -- не автоматизация отдельных этапов проектирования, не алгоритмы инженерных расчетов, а завязка проекта, когда только прорисовываются контуры будущей конструкции, которая должна отвечать исходным замыслам. Такой подход основывается на стремлении осуществить основную задачу -- повысить качество принимаемых проектных решений за счет применения методов оптимального проектирования.

Автоматизация же «рутинных» операций освобождает конструктора для творческой деятельности и повышает производительность процесса проектирования на оформительских этапах работ. Однако автоматизация только отдельных операций, например, за счет введения чертежных автоматов или широкого использования ЭВМ для проведения инженерных расчетов не вносит существенных изменений в сроки проектирования.

2.2 Схема решения проектно-конструкторских задач с помощью средств вычислительной техники

Основным технологическим средством автоматизации проектирования в машиностроении является цифровая ЭВМ, оперирующая с информацией, представленной в цифровой форме и физически существующей в виде различных состояний их элементов. Поэтому возникает необходимость в разработке методов превращения разнообразной конструкторской документации в цифровую форму и представлении всех задач и элементов процесса проектирования только в виде операций над числами и логическими выражениями с доведением их до алгоритмов и машинных программ. Но при автоматизации проектно-конструкторского процесса следует постоянно помнить, что ЭВМ -- это вспомогательное средство, а не замена конструктора. Наиболее эффективно вычислительная техника может быть использована, когда имеются математические модели, описывающие объект проектирования и имитирующие его функционирование в заданной окружающей среде.

Для действительного эффективного использования автоматизированных методов и средств проектирования необходимо учитывать, что любой эксперт, в том числе и генеральный конструктор, обладает вполне определенными и, к сожалению, весьма ограниченными физиологическими возможностями обработки информации. Следовательно,

необходима декомпозиция проблемы. Последнее означает, что для автоматизации требуется система процедур, позволяющая конструктору на основе ограниченной информации вести направленный поиск оптимальных параметров новых технических средств.

Основная проблема автоматизации проектирования в настоящее время связана не только и не столько с вопросами совершенствования средств вычислительной техники, сколько с тем обстоятельством, что в науке о конструировании новых технических средств не выявлены аналитические и логические зависимости, связывающие назначение технических средств с их структурой и характеристиками. Например, в технологической науке отсутствуют формализованные взаимосвязи между параметрами обрабатываемой детали, структурой и характеристиками технологического процесса.

Основное внимание при традиционном проектировании уделялось задачам анализа функционирования технических средств с целью выявить влияние различных факторов на точность, производительность и экономическую эффективность их работы. В то же время методы синтеза технических средств на основе их назначения и характеристик внешней среды, в условиях которой будет функционировать новое техническое средство, исследованы еще недостаточно. Необходимо создание теории проектирования, предполагающей переход от традиционных задач анализа и эмпирических классификаций к проблематике задач синтеза технических систем.

Проектирование выступает как комплексная проблема, в которой в сложной взаимосвязи переплетаются задачи синтеза, моделирования, анализа, оценки, оптимизации и отбора альтернатив. Для решения таких сложных задач необходимо применение методологии системного подхода. При использовании методологии системного подхода для формализации процесса проектирования следует исходить из того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывается особенностями составляющих его частей и элементов, а заключена в характере связей и отношений между ними. Расширение исходной базы за счет таких понятий, как, например, структура, функция, организация, связь, отношение, обеспечивает определенные преимущества системному подходу перед традиционными методами исследований и позволяет создавать более адекватные действительности модели сложных объектов и процессов.

Исходя из основных положений системного анализа, последовательность решения многовариантных проектных задач с помощью средств вычислительной техники можно представить состоящей из ряда этапов.

Определяющим этапом проектирования является постановка общей задачи, при которой формулируется служебное назначение (функция) технической системы и вырабатывается концепция проекта на основе анализа системной модели будущего технического средства как элемента подсистемы более высокого уровня иерархии. Адекватное описание такой модели возможно только при всестороннем рассмотрении проблемы, для решения которой создается новое техническое средство. Например, для решения проблемы комплексной механизации и автоматизации механосборочного производства необходимо создание целого ряда машин и механизмов, в том числе металлорежущих станков, сборочных агрегатов, транспортных средств, загрузочных устройств, информационно-измерительных систем, систем инструментального обеспечения и др. Следовательно, системная модель технологической машины, например, должна отражать взаимосвязи объекта не только с подобными машинами по структуре технологического процесса, но и с загрузочными, транспортными, измерительными и другими элементами всего производственного комплекса.

На следующем этапе необходимо выполнить анализ общей задачи проектирования. Здесь на основе рассмотрения системной модели будущего технического средства выявляются связи объекта проектирования с окружающей средой, определяются компоненты проектной задачи, ограничения и критерии выбора рациональных вариантов. Результаты данного этапа служат для поиска путей дальнейшего хода решения проектных задач. Если удается использовать имеющееся техническое средство, то конструкторский процесс не выполняется. Найденные аналоги могут лечь в основу будущей конструкции. Но может случиться и так, что в процессе анализа задачи проектирования выявится невозможность использования существующих технических возможностей для решения проблемы. Тогда постановка задачи должна быть изменена, например, разбита на подзадачи.

При проведении конструкторских работ первой операцией является функциональный анализ объекта проектирования для создания внутренней многоуровневой структуры объекта проектирования. Результаты этого этана необходимы в первую очередь для объективного разбиения задачи проектирования на части и определения стратегии решения общей задачи.

Каждый элемент структуры объекта проектирования представляется в виде системной модели; его служебное назначение описывается как функция элемента многоуровневой системы. Затем проводится исследование объекта проектирования, т. с. выявляются и описываются внешние и внутренние связи его системной модели. При этом требуется проведение целого ряда научно-исследовательских работ, под которыми подразумевается не только анализ литературных источников, но и эксперименты на натурных образцах.

Весьма важным является следующий этап -- формализация объекта проектирования. От полноты формального описания объекта зависит выбор метода решения задачи, а, следовательно, определяется возможность применения при проектировании средств вычислительной техники. Если задача не формализована, то конструктор в дальнейшем пользуется одним из эвристических методов решения задачи. Когда задача формализована полностью, т. е. имеется полная математическая модель объекта проектирования, ее можно решать с помощью ЭВМ автоматически. Если же задача формализована частично, т. е. не все связи системной модели удалось выразить в виде аналитических и логических зависимостей, то разрабатывается так называемый диалоговый метод решения, включающий вариант математической модели объекта и сценарий взаимодействия конструктора и ЭВМ.

После выбора одного из алгоритмических методов решения весь процесс проектирования можно формализовать и разработать алгоритмы автоматизированного конструирования.

Перед программированием больших проектно-конструкторских задач необходима разработка информационного обеспечения автоматизированного проектирования, которое должно снабжать все проектные процедуры требуемой постоянной и переменной информацией для безостановочной работы программ ЭВМ. После программирования проектной задачи выбираются необходимые технические средства, на которых и решается задача. Результаты проектно-конструкторского процесса документируются в виде текстовых и графических материалов.

Как видно из рассмотрения представленной на рис. 1 схемы, разработка процесса автоматизированного проектирования требует тесного сотрудничества ученых и инженеров разных специальностей -- конструкторов, математиков, специалистов по автоматизированной обработке информации, программистов, электронщиков и организаторов производства

Следовательно, для наиболее полного и эффективного использования вычислительной техники в проектно-конструкторской деятельности инженеров необходимы глубокие знания разработчиков по вопросам теории проектирования, конструирования заданного семейства машин, математического моделирования, использования вычислительных методов решения проектных задач, теории автоматизированной переработки информации и применения современных вычислительных средств.

Заключение

Таким образом, проанализировав возможность автоматизации процесса конструирования с помощью внедрения средств вычислительной техники, можно сказать, что автоматизация приобретает огромное значение не только в промышленности, но для простых людей, делая их жизнь проще. Благодаря внедрению автоматизации всё в мире развивается с большими темпами.

Список используемой литературы

1. Журнал средство автоматизации 45 вып. “СТА” 2003г. 47 стр. с ил.

2. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных специальностей вузов / А.А. Гусев и др. - М.: Машиностроение, 1986. - 480 с.