Аспекты описаний проектируемых объектов и уровни абстрагирования

По понятным причинам все наши разговоры будут касаться только проектирования различного рода технических систем, состоящих из машин, приборов и т. п.

Когда мы рассматриваем объект в определенном аспекте (с определенной точки зрения), мы сознательно ограничиваем свое поле зрения только некоторыми из его свойств, считая остальные несущественными. Это возможно, если рассматриваемые свойства сильно связаны между собой и слабо – с остальными.

Каждый из аспектов предполагает использование различных методов анализа и синтеза, наиболее эффективных именно в его рамках.

Таким образом, сложный объект представляется в виде суперпозиции более простых, и это существенно облегчает задачу его проектирования.

В представлении об объекте можно выделить несколько основных аспектов.

Аспект, связанный с описанием принципов действия и процессов функционирования объекта, так и называют – функциональным.

В более или менее сложном объекте сочетаются процессы, имеющие различную физическую природу. На этой основе функциональный аспект может быть разделен на несколько более узких аспектов, каждый из которых связан с физически однородными процессами: механический, электрический, оптический, пневматический, гидравлический, тепловой и т. д.

К примеру, в одном из костромских машиностроительных конструкторских бюро в лучшие годы существовали как отделы, проектирующие механические узлы, так и отдел электропривода и автоматики, отдел аспирации и пневматики и ряд других служб и подразделений, каждая из которых соответствовала тому или иному аспекту представления о текстильной машине.

В некоторых случаях эти аспекты могут быть также разделены уже по более тонким признакам. В частности, механический аспект может быть разделен на кинематический, статический, динамический, прочностной, аспект трения и износа и др.

К основным аспектам следует отнести также конструкторский и технологический.

Понятно, что в реальности выделение тех или иных аспектов условно, поскольку взаимосвязи все равно остаются, и ими можно пренебрегать только до определенного момента.

Вульгарный пример: конструктора-электрики, разрабатывая систему управления, прокладывают свои провода и кабели в определенных местах, добиваясь оптимума в рамках своего аспекта, так же поступают гидравлики или механики, и вдруг оказывается, что кабели и трубопроводы налезают друг на друга, и вообще там, где они проложены, предполагается какой-нибудь маховик.

Уровни абстрагирования.

Если мы имеем дело с достаточно сложным объектом, то в любом из аспектов его описания неизбежно приходится выделять несколько уровней абстрагирования, отличающихся степенью детализации представления об объекте – очень похоже на взгляд сначала издалека, потом поближе, потом через увеличительное стекло и т.д.

В каждом аспекте число уровней и их смысл различны, обычно это складывается естественным образом. Такой подход, так же, как и выделение различных аспектов, обусловлен стремлением разбить одну слишком сложную задачу на несколько, имеющих уже приемлемую сложность.

Возьмем функциональный аспект.

Верхний уровень абстрагирования в рамках конкретной задачи называется системным, или структурным.

Следующий называется функционально-логическим, и объекты, воспринимаемые как целое на этом уровне, на структурном уровне воспринимаются как элементы. В качестве элементов на функционально-логическом уровне воспринимаются функциональные узлы.

Следующий уровень – схемотехнический, здесь в качестве целого воспринимаются уже функциональные узлы, а элементами являются компоненты.

В принципе детализация может быть продолжена, если это необходимо, скажем, можно рассматривать в качестве элементов физические процессы, происходящие внутри компонентов и т. д., а то, что считается целым на системном уровне, в рамках более широкой задачи тоже может восприниматься как элемент, в общем, специфика задачи определяет и число уровней абстрагирования, и их содержание.

Конструкторскому аспекту присущ свой подход, выражающийся в так называемой иерархии конструктивов (подробности – в следующем семестре), технологическому – свой, в котором различным уровням абстрагирования соответствуют расцеховки, маршруты, технологические процессы, описания переходов и т. п.

Процесс проектирования, как правило, имеет итерационный характер.

В результате выполнения некоторых проектных процедур получается описание объекта, которое уже можно подвергнуть анализу, а затем определить направления работы по улучшению характеристик объекта и их приближению к заданным.

Это промежуточное описание может быть получено в рамках только одного аспекта (чаще всего именно так и происходит) и одного или нескольких соседних уровней абстрагирования. В этом случае анализу подвергается не сам объект, а лишь его модель – математическая или натурная (макет).

Такая последовательность действий может выполняться несколько раз, и в конечном счете появится возможность анализировать уже весь объект (классический пример – испытания опытного образца).

Теперь попробуем подобраться ближе к автоматизации.

Напомню, что автоматизация имеет целью повышение эффективности той или иной деятельности путем замены человеческого труда работой технических средств. Она возможна лишь в тех случаях, если возможно исчерпывающее формальное описание процессов и объектов, вовлеченных в эту деятельность. При прочих равных в первую очередь подвергаются автоматизации процессы, являющиеся «узким местом», или требующие бόльших трудозатрат, или имеющие более простое формальное описание – в общем, во всех случаях наиболее важным критерием является соотношение затрат и результата.

Несмотря на то, что попытки создания САПР начались практически с самого начала широкого использования ЭВМ, истинного расцвета САПР достигли с распространение персональных компьютеров.

Еще 15 лет назад средства САПР представлялись следующим образом: на одной очень большой машине устанавливается необходимое программное обеспечение, к ней подключаются АРМы – автоматизированные рабочие места и некоторое количество устройств вывода. Все это должно было работать в многопользовательском режиме.

К великому сожалению, для этого требовались достаточно большие машины, которые были страшно дефицитны, поэтому САПРом баловались те, ради кого с затратами не считались – институты и конструкторские бюро, работавшие на военных. Ну и к слову – при том уровне надежности и при тех вычислительных возможностях САПРы давали ощутимый эффект при решении большого количества однотипных задач невысокой сложности, что характерно для больших проектных организаций. В остальных случаях традиционные методы проектирования выигрывали. Многие идеи по тем же причинам оставались нереализованными. Тем не менее разработки велись, вычислительная техника совершенствовалась, и в конечном счете с широким распространением ПК наступил настоящий прорыв.

Теперь вернемся к началу.

Должен заметить, что сегодня сам термин САПР постепенно отходит в прошлое, поскольку не вполне отражает суть вещей – ей более соответствуют такие термины, как CAD (Computer Aided Design – проектирование с компьютерной поддержкой) и САМ (Computer Aided Manufacturing – изготовление с компьютерной поддержкой).

Ближе всего к САПР как по звучанию, так и по внутреннему содержанию термин EDA (Electronic Design Automation – автоматизация проектирования электронных устройств).

Первые САПРы были ориентированы главным образом на уменьшение трудоемкости разработки документации. В основе эффекта лежала, строго говоря, не автоматизация, а компьютерная поддержка – по сути, замена бумаги, линейки и карандаша монитором и устройствами ввода графической информации.

Это ускорило и сделало более точным выполнение собственно чертежных операций и геометрических построений, значительно облегчило редактирование чертежей и в значительной степени изменило саму технологию их создания.

Это очень существенно упростило использование одних документов или их фрагментов в качестве «сырья» для других, дало возможность создания и широкого использования самых разнообразных библиотечных элементов – бланков, типовых текстов и конструктивных элементов, изображений крепежных изделий, условных графических изображений элементов схем и др., устранив необходимость в копировальной машине, ножницах и клее, значительно облегчило простановку размеров и т. д.

Использование устройств вывода графической информации резко улучшило качество оригиналов и в корне изменило технологию тиражирования документов, очень существенно уменьшив трудоемкость этого процесса и затраты на материалы.

В большинстве случаев и сегодня именно эти моменты дают основной эффект при использовании в проектировании компьютеров и CAD-систем, хотя это еще не все.

В области проектирования электронных устройств все начиналось с компьютерной поддержки создания схем: создания специализированных графических редакторов, средств создания библиотечных элементов и организации библиотек. То же было сделано и в области конструирования печатных узлов. Следующий естественный шаг - обеспечение переноса информации об электрических связях, содержащейся в принципиальной схеме, в конструкцию узла. (Должен заметить, что при выполнении этой совершенно рутинной операции при ручном проектировании возникает основная масса ошибок). Следующий шаг – компьютерная поддержка разработки топологии проводящего рисунка печатных плат – создание программ, которые называются автотрассировщиками. Параллельно решалась задача автоматического размещения компонентов на печатных платах. Два последних момента интересны тем, что результаты автоматической компоновки и трассировки отличаются от окончательных примерно так же, как подстрочник от настоящего литературного перевода, но основную массу черной работы все-таки удалось переложить на компьютер.

Обратите внимание, что нет и намека на автоматическую разработку конфигурации детали или автоматическое создание принципиальной схемы. Очевидно, что эти задачи в значительной степени являются творческими, несмотря на огромное количество типовых решений, и алгоритмизация их практически невозможна, или, скажем мягче, нецелесообразна.

Один из чрезвычайно важных моментов – это возможность использовать в качестве источника информации при разработке технологических процессов и программ для технологического оборудования с ЧПУ непосредственно первичный конструкторский документ. Последнее, кстати, является уже областью применения CAM-систем, хотя в области проектирования и производства печатных плат эта возможность была встроена во все CAD-системы с самого начала.

Представление информации в виде компьютерных файлов позволяет организовать безбумажный документооборот и существенно сужает номенклатуру используемых документов, позволяет практически мгновенно пересылать их не только из одного подразделения в другое, но и вообще на край света. Дошло даже до работы над одним документом в режиме диалога двух разработчиков, находящихся на разных берегах океана.

Правда, эти возможности порождают и некоторые проблемы. В частности, проблема ограничения доступа, проблема подписей, проблема контрольного экземпляра и неучтенных копий и т. п., но выигрыш велик, а проблемы не имеют стратегического характера и в конце концов будут решены, поскольку системы автоматизации документооборота существуют и развиваются.

Моделирование.

Как выше уже говорилось, расчеты и моделирование являются чрезвычайно важными проектными процедурами.

Естественно, относительно несложно встроить в машиностроительную CAD-систему средства расчетов периметров, площадей, моментов инерции, положений центра масс, объемов – необходимый математический аппарат существует с древних времен, и это, конечно, было сделано еще на ранних стадиях.

Гораздо сложнее решаются вопросы компьютерной поддержки моделирования, как в механическом, так и в электрическом аспектах, однако с развитием математического аппарата конструктора получили в свое распоряжение возможности моделирования поведения конструкций под действием сил с тем, чтобы оценить возникающие при этом напряжения и в конечном счете – прочность конструкции.

Появилась возможность заставить механизм работать на экране монитора.

И механизм при этом не просто крутится, но зазоры выбираются так, как это происходит в реальности, и могут быть оценены такие вещи, как трение и износ, выявляются возможные резонансы и т. п.

В области проектирования электронных устройств сегодня имеются возможности компьютерного моделирования поведения схем, и не просто неких идеализированных моделей, но с учетом разброса параметров элементов, с учетом изменяющейся температуры, с учетом паразитных параметров, вносимых конструкцией, и довольно много другого. Кроме этого, в EDA-системах имеются богатые возможности получения вольтамперных, амплитудно-частотных, фазо-частотных характеристик, спектра сигнала, а также всевозможных расчетов.

Существуют специализированные CAD-системы, предназначенные для проектирования технологической оснастки и инструмента, включающие в себя и необходимые средства моделирования. В частности, одна из систем для проектирования прессформ [H-CAM] включает в себя средства моделирования температурных полей. Это позволяет так спректировать прессформу, что деформации деталей при остывании сводятся к минимуму.

Известна система Cosmos, предназначенная для конечно-элементного анализа конструкций. Предметами исследования могут выступать:

▪ тепловое и напряженно-деформированное состояние элементов конструкций;

▪ устойчивость и частотные характеристики объектов;

▪ динамический отклик;

▪ усталость;

▪ электромагнитные процессы (ВЧ и НЧ);

▪ динамика жидких сред.

Трудно ошибиться в оценке экономии времени, труда и денег при замене натурного моделирования и анализа макетов моделированием и анализом на экране монитора.

Должен заметить, что сегодняшние средства моделирования и анализа позволяют получить практически достоверные результаты.