Software & Systems

Информационные модели машиностроительных изделий

Необходимое условие создания любого нового промышленного изделия — разработка его информационной модели (ИМ). Она представляет собой совокупность данных и процедур, обеспечивающих решение следующих задач:

•        наиболее точного моделирования по ведения изделия и составляющих его компонент до их изготовления из мате риалов для заданных внешних воздейст вий;

•        изготовления из материалов изделия, поведение которого наиболее точно сов падает с результатами моделирования при аналогичных внешних воздействиях.

Традиционную методологию создания ИМ промышленных изделий можно показать на примере создания объектов машиностроения. На начальной стадии разработки технического задания основные цели и требования к новому изделию формулируются исходя из прогнозируемых потребностей народного хозяйства. Далее вводятся дополнительные ограничения на параметры изделия, которые определяются планируемыми условиями эксплуатации и возможностями производящей и обеспечивающих отраслей, уточняются параметры и технико-экономические показатели. В результате появляется эскизный проект изделия, который включает, в частности, изображение внешнего облика, габариты всего изделия и основных агрегатов, уточненные значения наиболее важных характеристик и тд. Например, в случае проектирования грузового автомобиля система неравенств включает ограничения на грузоподъемность, расход топлива, мощность двигателя, собственную массу пустого автомобиля и тд. Большая часть этих неравенств формируется проектировщиками на основании данных из специальных таблиц, которые, как правило, являются общесоюзным стандартом. К этим данным относятся ограничения на габариты грузового автомобиля, которые, в свою очередь, зависят от габаритов проемов уже существующих и строящихся тоннелей и мостов, от ширины проезжей части улиц и автострад и тд.

На следующем этапе технического проектирования производится декомпозиция агрегатов на узлы и детали, создаются все данные и процедуры геометрического, прочностного, кинематического, сборочного и другах видов моделирования. Проводятся исследования этих моделей с целью подтверждения соответствия параметров будущего изделия существующим спецификациям. Результаты исследования моделей используются также для оптимизации технических решений. Например, информация, полученная в процессе прочностных исследований узлов и агрегатов, позволяет не только обнаружить зоны опасных напряжений, но и выработать рекомендации по уменьшению материалоемкости конструкций. На стадии рабочего проектирования создаются данные и процедуры, используемые непосредственно в процессе производства нового изделия.

Жизненный цикл любого промышленного изделия включает в себя следующие фазы:

•       создание информационной модели изделия;

•       создание из материалов собственно изделия в соответствии с информацион ной моделью;

•       эксплуатация изделия, результаты которой находят отражение сначала в его информационной модели, а затем в новых модификациях изделий;

•       изъятие изделия из эксплуатации.

Традиционные ручная и механизированная технологии создания информационных моделей промышленных изделий основываются на представлении этих моделей в виде бумажных документов на текстовых, графических или смешанных языках, то есть результатом любого процесса переработки информационной модели является новый бумажный документ на каком-либо языке. Техника создания таких документов аналогична традиционно используемой людьми при письменном общении: последовательное изображение отдельных элементарных символов (букв, цифр, отрезков, дуг и т.д.) с помощью механических приспособлений (ручки, линейки, циркуля, пишущей машинки и т.д.). Эта техника позволяет создавать документы практически на любом языке, т.е. является универсальной. Однако вследствие ее универсальности при создание объемных документов, отражающих достаточно сложные понятия, производятся значительные непроизводительные затраты. Так, объем текстовой документации на автомобиль ЗИЛ-4331 составляет десятки миллионов букв, цифр и служебных символов [8]. Суммарная длина всех линий на машиностроительном чертеже средней сложности составляет около era метров. Полный комплект чертежной документации на автомобиль ЗИЛ-4331 включает десятки тысяч таких чертежей.

Другим источником непроизводительных затрат при ручной подготовке документации является то, что из-за удаления (вставки) даже небольшой группы базовых символов из бумажного документа требуется частичная или полная его переделка.

Для снижения непроизводительных затрат при ручной и механизированной технологии изготовления документов применяется метод аппликаций, суть которого состоит в том, что основная чаегь нового документа компонуется из фрагментов типовых или ранее созданных графических и/или текстовых документов. Эти фрагменты могут содержать сотни и тысячи элементарных графических и/или текстовых символов. Те части чертежа, для которых не нашлось подходящих заготовок, вычерчиваются обычным способом — с помощью отрезков, дуг, лекальных кривых.

Естественным источником аппликаций являются созданные ранее графические и текстовые документы или их отдельные фрагменты. Например, в машиностроении в большинстве случаев при создании чертежа нового изделия используется один из ранее созданных образцов, который берется за основу.

Разновидностью метода аппликаций являются бланки — типовые тексто-гра-фические фрагменты, содержащие пустые графы, заполнение которых и означает создание нового документа. Бланки фактически представляют собой параметризованные аппликации, применение которых значительно снижает трудозатраты и на форматирование документа, хотя процесс разработки и создания бланка намного сложнее и длительнее процесса создания простой аппликации, в частпости, из-за типографского способа изготовления бланков.

Несмотря на эффективность метода аппликаций, применение его в рамках ручной и механизированной технологий создания бумажных документов ограничено по следующим причинам.

Чем больше элементарных символов (графических и/или текстовых) содержит апгшикация, тем сильнее эффективность ее использования. В свою очередь, увеличение объема текстового или графического фрагмента уменьшает возможную область его применения, т.е. класс документов, создаваемых с его помощью. Во избежание этого надо иметь достаточно большую картотеку типовых фрагментов. Тенденция к росту объема картотеки усиливается также в связи- с невозможностью изменить какие-либо метрические характеристики (размеры символов, расстояния между ними и тд.) как всего бумажного фрагмента, так и изображенных на нем отдельных графических и/или текстовых символов. Поэтому необходимо создавать множество однотипных фрагментов, различающихся, например, размерами отдельных символов. Увеличение объема картотеки типовых фрагментов грозит еще большими затратами на поиск какого-либо фрагмента, чем даже те, которые необходимы для его ручного изготовления.

Иерархия понятий и представлений информационной модели.

Классификация систем автоматизации труда инженера

Информационную модель промышленного изделия можно рассматривать как совокупность трех се представлений, соответствующих трем основным уровням используемых при ее создании понятий.

Первый уровень, который в дальнейшем будет называться прикладным, включает содержательные базовые по-пятия, специфические для каждого конкретного вида изделий. Например, для автомобиля это — кузов, капот, двигатель, дверь и т.д. С помощью таких понятий создается прикладной уровень представления информационной модели, описывающий структуру и функции изделия с точки зрения пользователя. Создание модели этого уровня завершается на этапе разработки эскизного проекта изделия.

Необходимым условием универсальности методологии создания информационных моделей изделий является наличие инвариантного (относительно конкретного вида изделий) набора понятий, в терминах которых описывалась бы внутренняя структура модели и взаимодействие ее отдельных компонент.

Второй уровень понятий, который в дальнейшем будет называться концептуальным, включает (с точностью до терминологии) следующие инвариантные понятия: изделие состоит из агрегатов, агрс!аты — из узлов, а узлы — из деталей. На этапе техническою проектирования концептуальный уровень представления информационной модели создается путем выражения прикладных понятий через концептуальные.

Ручная технология создания информационных моделей не позволяет осуществлять непосредственные операции с прикладными и" концептуальными объектами, поэтому возникла необходимость в еще одном уровне примитивных понятий, которыми может непосредственно оперировать человек. Этот третий уровень понятий (в дальнейшем называемый документационным) включает буквы, цифры, служебные символы, строки символов, отрезки, дуги и тд-, т.е. именно то, чем оперирует человек, создавая текстовые или графические документы. К этому уровню относится и понятие аппликации, позволяющее более эффективно создавать документационные представления прикладных и кон центу альвых понятий.

Наличие трех уровней понятий и соответствующих им уровней представления информационных моделей изделий позволяет классифицировать системы, автоматизирующие процесс создания этих моделей в зависимости от того уровня понятий, которыми непосредственно может оперировать пользователь той или иной системы автоматизации.

Системы автоматизации первого тина основываются на представлении информационной модели изделия в виде совокупности документов на текстовых и графических языках, поэтому пользователи этих систем имеют прямой доступ к тому же набору документационных объектов (графических и/или текстовых), что и при ручной технологии. Понятие макро представляет собой произвольный набор текстовых и/или графических символов, обеспечивающий свободное оперирование ранее созданными документами, чертежами и их фрагментами, т.е. в конечном счете является аналогом аппликации при использовании ручной технологии. Макросы являются мощным универсальным средством обработки документов как на текстовых, так и на графических языках, однако эффективность их применения в каждом конкретном случае зависит от объема работ по контролю орфографии, синтаксиса и семантики, который должен выполнить пользователь.

Обязательным для систем этого типа является наличие средств автоматизированного форматирования графической и/или текстовой документации и средств создания печатных представлений документов.

Примерами таких систем являются диалоговые графические редакгирую-щие системы типа AUTOCAD [2], а также универсальные экранные текстовые редакторы типа МИКРО-МИР [9] или SED [3], с помощью которых можно готовить графическую и текстовую документацию для машиностроения, строительства, электротехники, программирования и т.д. Ориентация на конкретную область применения в подобных системах осуществляется за счет создания банка типовых графических или текстовых макро, представляющих либо содержательные (нормаль, микросхема), либо концептуальные (деталь, процедура, документ) понятия.

В итоге можно отметить, что системы первого типа обеспечивают автоматизацию рутинных работ при создании представлений объектов концептуального и прикладного уровней информационной модели с помощью текстовых и графических языков. Ориентация этих универсальных систем на конкретную область применения (строительство, машиностроение, вычислительная техника, программирование и т.д.) и на технологию создания изделий осуществляется путем накопления типовых решений с помощью аппарата макро.

Системы автоматизации второго типа основываются на представлении информационной модели изделия в виде совокупности компьютерных структур данных и процедур. Пользователи этих систем оперируют объектами концептуального уровня. Например, ядром систем автоматизации инженерного труда в машиностроении является универсальная подсистема геометрического моделирования, с помощью которой создаются геометрические модели деталей, узлов и агрегатов. Эти модели могут быть использованы другими универсальными подсистемами прочностного, кинематического, динамического и других видов моделирования, а также подсистемой подготовки чертежной документации. Все процедуры моделирования универсальны и не ориентированы на конкретный вид изделий — например, с помощью одной и гой же процедуры прочностного моделирования J7} можно рассчитать напряжения в рамс автомобиля, лыжном ботинке, строительной конструкции и т.д. Механизм накопления и использования типовых решений реализуется в этих системах на уровне концептуальных понятий, поэтому объем операций контроля при использовании этого механизма намного меньше, чем при использовании макро. Наличие этого механизма обеспечивает, во-первых, накопление инженерных знании, во-вторых, возможность ориентации универсальной машиностроительной системы автоматизации на построение информационных моделей конкретного вида изделий. Примером систем автоматизации этого типа является система BRAVO-3 [1].

Рассматриваемые системы позволяют создать более адекватную информационную модель с меньшими, чем системы первого типа, затратами благодаря тому, что пользователь при этом оперирует концептуальными понятиями. Однако необходимо отметить, что из этого следует сужение области возможных применений по сравнению с системами первого типа. Например, AUTOCAD и МИКРО-МИР применимы и в машиностроении, и в радиоэлектронике, a BRAV0-3 — только в машиностроении.

Системы автоматизации третьего типа, как и второго, основываются па представлении информационной модели изделия в виде совокупности компьютерных структур данных и процедур, но пользователи этих систем оперируют объектами прикладного (а не концептуального) уровня. Как следствие, все подсистемы моделирования могут быть ориентированы на какой-то конкретный вид изделий. Неотъемлемая часть таких систем — механизм накопления и использования типовых решений, который в данном случае будет служип, средством накопления и формализации инженерных знаний лишь для определенного вида изделий и конкретной технологии их производства. Пример — система автоматизации проектирования и изготовления кузовов SYRKO фирмы "Дапмлер-Бенц" в области автомобилестроения.

Конечно, каждая система подобного типа будет неизбежно дублировать некоторые функциональные возможности аналогачных систем или более универсальных систем второго типа, что повлечет неоправданные затраты на мною-кратную программную реализацию ол-них и тех же функций. Один из путей решения этой проблемы состоит в использовании перспективной технологии реализации профаммных изделий, основанной на свободном оперировании созданными ранее параметризованными программными единицами, храняшимися во вторичной (внешней) памяти ЭВМ [5].

Типовые решения

К числу основных понятий методологии создания информационных моделей следует отнести понятия типового решения (фрагмент текста, чертежа, геометрической модели, программы и тд.) и накопления типовых решений. Средства создания и накопления типовых решений являются неотъемлемой частью любой универсальной системы, автоматизирующей процесс создания информационной модели. Наличие этих средств позволяет, во-первых, настроить такую систему на конкретный вид изделий и технологию их производства и, во-вторых, обеспечить гарантированный рост производительности труда при создании информационных моделей по мере накопления типовых решений во вторичной памяти ЭВМ. Кроме того, многократное использование способствует увеличению уровня отлаженное™ типового фрагмента (текстового, графического, программы и т.д.), поэтому такая технология работ, помимо снижения сроков и стоимости создания информационных моделей, значительно увеличивает их надежность.

Для систем автоматизации, основанных на понятиях документацию иного уровня, распространенным решением этой проблемы является реализация механизма создания макрообъектов на основе базовых объектов и операций над ними. С точки зрения пользователя такой системы, использование макрообъектов, или макро, практически эквивалентно использованию аппликации при создании текстовых документов или при черчении за кульманом [4]. Макрообъекты фактически представляют собой информацию о конкретных значениях параметров и взаимном расположении определенного числа базовых объектов. Например, геометрический макрообъект определяет взаимное расположение и параметры (размеры, координаты точек, углы и тд.) конечной совокупности базовых объектов типа точка, отрезок, дуга и тд., находящихся внутри заданного прямоугольника на плоскости. Текстовой макро определяет положение некоторой совокупности строк литер внутри прямоугольника, содержащего определенное число строк конечной длины. Это означает, что макрообъект не является частью какой-либо конкретной модели, а представляет собой механизм создания копий конкретных (^параметризованных фрагментов (геометрических, текстовых, программных и тд.), которые включаются в ту или иную геометрическую модель, текстовой или программный файл. При этом включенный фрагмент становится неразличимым извне, и никаких связей между ним н породившим его макрообъектом не сохраняется, т.е. традиционный макромеханизм не обеспечивает какой-нибудь эффективной возможности структуризации создаваемой геометрической модели, текстового или программного файла [5, 6]. Таким образом, наиболее существенным недостатком макрообъектов и макроопераций является то, что их создание не является созданием нового понятия (типа): геометрического, лексического, синтаксического и тд. Отсюда вытекает невозможность реализации эффективного объектно-ориентированного интерфейса, поскольку в этом случае практически невозможно реализовать режим прямого указания небазового объекта на экране видеотерминала.

В системах автоматизации, основанных на концептуальных понятиях, обычно используется значительно более мощный, чем макросредства, аппарат параметризованных процедур, обеспечивающий заметное снижение уровня непроизводительных затрат пользователя, в том числе и в машиностроительных системах геометрического моделирования [4,6,8]. Виды и сечения определяют не единичный экземпляр геометрического объекта, а множество таких объектов и операций над ними, т.е. некоторый геометрический тип данных. Определяя конкретные значения параметров, пользователь создает конкретный экземпляр объекта данного типа с помощью процедуры генерации. Для каждого типа путем конкретизации части параметров можно определить множество его подтипов. Аналогичную операцию можно проделать и над подтипами, в результате чего получится некоторое множество типов, на котором определена структура типа дерево. С каждым типом и его подтипами может быть связана система неравенств, ограничивающих область допустимых значений параметров.

Автоматический синтез

информационной модели

Методологически создание информационной модели любого изделия, в том числе и программного, — это построение последовательности все более детальных ее представлений на неформальных и/вли формальных языках в условиях ограничений, которые определяются финансовыми, коммерческими и техническими требованиями к собственно изделию и окружению, в котором оно должно эксплуатироваться. Традиционная методология создания ИМ основывается на том, что на каждом шаге детализации построение очередного, более точного представления выполняется человеком неформально — либо вручную, либо с помощью одной из описанных систем автоматизации. Другими словами, в рамках традиционного подхода человек, опираясь на свои знания, опыт и интуицию, строит неформальным способом один из вариантов уточненной модели, требования и ограничения к которому должны быть эквивалентны предыдущему представлению, а также дает оценку оптимальности выбранного решения. Например, одно из требований к машиностроительному узлу может состоять в том, чтобы все его детали выдерживали предельные нагрузки при определенных ограничениях на их массу. Проверить выполнение этого условия для конкретной детали можно, например, с помощью системы прочностного моделирования на ЭВМ. Если условие не выполнено, то конструктор должен разработать новый вариант этой детали. К сожалению, подобные исследования каждого последующего представления ИМ не гарантируют ее полной эквивалентности предыдущему представлению, что может обнаружиться на более поздних этапах ее создания, а в случае промышленного производства изделий — и на этапе изготовления.

Обнаружение подобной неэквивалентности означает повторное построение всех промежуточных представлений ИМ, начиная с первого ошибочного, что, конечно, увеличивает сроки разработки и стоимость изделия.

В случае обнаружения ошибки на этапе производства промышленного изделия дополнительные расходы будут еще больше за счет необходимости изменения производственного цикла.

Один из эффективных путей сокращения непроизводительных затрат, связанных с ликвидацией последствий неэквивалентных и неоптимальных преобразований ИМ, — разработка формальных методов и средств описания и преобразования модели на всех этапах ее создания. Для некоторых видов изделий эту задачу удалось частично решить: например, разработаны методы и средства, позволяющие по тактико-техническим и коммерческим требованиям рассчитать все наиболее существенные параметры и построить внешний облик самолета [10].

В целом же применение подобного рода систем носит экспериментальный характер; одной из основных, причин этого можно назвать необходимость наличия достаточно представительной базы параметризованных типовых решений для практического применения методов и систем автоматического синтеза какого-либо конкретного вида информацион-ныхмоделей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Applicon BRAVO-3. User's Guide. А-23445-003. - 1986

2.   AUTOCAD Reference Manual. - Autodesk Limiled Inc. - April, 1985.

3.  DG AOS/VS SED Text Editor. User's Manual. - 1982.

4.  Бетелин В.Б. Интерактивная машинная графика в системах автоматизации проектирования // Се миотика и информатика. 1985. N 26. С. 5-23.

5.  БетелнЕ) В.Б. Системы автоматизации труда программиста. - Препрннт/НСК АН СССР. - М„ 1986.

6.      Бетелнн В.Б., Грюнталь А.И. Методы пара метризации геометрических объектов. — Пре прннт/НСК АН СССР. - М., 1987.

7.      Велихов Е.П., Бетелнн В.Б., Вишняков Ю.С., Кальнер В.Д., Ставицкни А.И. Система автомати зации прочностных расчетов // Прикладная инфор матика. 1985. N 6. С. 22-44.

8.      Велихов Е.П., Ьетелин В.Б., Вишняков Ю.С., Кальнер В.Д., Ставицкин А.И. Создание интерак тивной системы обработки графической информа ции в машиностроении. — М.: НЙИНавтопром, 1984.

9.      Кушниренко А.Г., Лебедев Г.В., Дымченко А.Г., Варсанофьев Д.В. Практическое программирова ние. Проектирование и разработка диалоговых сис тем. Нетрадиционный подход. — М.: Иид-во МГУ, 1985.

10.  Моисеев Н.Н. Математика ставит эксперимент. М.: Наука, 1979.