Совершенствование процесса автоматизированного выполнения чертежей

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года», утвержденных на ХХУ1 съезде КПСС, поставлена задача повышения эффективности проектно-конструкторских работ на основе их автоматизации.

Увеличение сложности объектов проектирования и повышение требований к их качеству приводит к возрастанию объема технической документации / 1,2 /. В результате конструктор занят творческой работой только 28,1% времени, а технолог — 20,2% / 3 /. Остальное время тратится на рутинную оформительскую работу. Применение ЭВМ для автоматизации вычислений еще не решает задачи сокращения сроков проектирования, так как инженер расходует на расчеты от 5 до 18% рабочего времени / 4 /. Затраты времени конструктора на выполнение чертежно-графических работ значительно больше и составляют от 30 до 40%, а в некоторых случаях, например, при проектировании приспособлений для механической обработки, достигают 84% / 5 /.

Низкий уровень автоматизации выполнения чертежей (АВЧ) при непрерывном увеличении их сложности приводит к тому, что производительность труда при выпуске рабочей документации не только не увеличивается, но даже существенно уменьшается (см. таблицу I).

Поэтому максимальная эффективность систем автоматизированного проектирования (САПР) обеспечивается при наличии в её составе подсистемы автоматизированного изготовления конструкторской документации. Это подтверждается успешным применением САПР в радиоэлектронике, где достигнута полная автоматизация графических работ по изготовлению фотошаблонов печатных плат и трафаретов микросхем / 8,9,10 /.

Таблица I.

Трудоемкость разработки рабочих чертежей деталей в станкостроении.

Группа конструктивной сложности детали.

Нормавремени^час).

1. Простые детали, не требующие! расчета !

2. Детали, требующие специаль- ! ного расчета (шестерни, валы)!

3. Простые литые детали (рычаги,! шкивы). !

4. Литые детали средней сложное-! ти (кронштейны, подшипники.).

5. Сложные литые детали (корпу- ! са редукторов.) !

6. Особо сложные детали (стани- ! ны, рамы.) ! г.

4 8 16 30 80.

4 8 8 25 50 100.

Так как при АВЧ расходуется машинное время ЭВМ и применяются дорогостоящие технические средства, то обязательным условием экономической целесообразности автоматизации графических работ является сокращение времени выполнения чертежа Та по сравнению с вычерчиванием вручную Тр. Это условие справедливо также для вычислительных задач и может быть укрупненно записано следующим образом:

Та = Троп/К + Тид + Тэвм < Тр (I) где Троп — время разработки и отладки программы;

К — количество чертежей или расчетов, выполняемых при эксплуатации программы;

Тид — время подготовки исходных данных;

Тэвм — время обработки информации в ЭВМ.

Высокая эффективность применения ЭВМ для решения вычислительных задач обеспечивается даже при больших значениях Троп (от нескольких человеко-дней до десятков человеко-лет) за счет высоких значений К и Тр и малого времени Тид. Например, большое количество оптимизационных задач сводится к задаче линейного программирования, а решение типичной задачи линейного программирования вручную занимает несколько лет. Поэтому основные усилия ученых направлены на сокращение Тэвм за счет разработки эффективных алгоритмов обработки информации* Этот подход традиционно перенесен и на графические задачи. Большинство работ в области АВЧ направлены на сокращение Тэвм за счет разработки эффективных алгоритмов решения геометрических задач и на расширение функциональных возможностей геометрических языков за счет их усложнения, что позволяет сократить Троп для чертежей, при выполнении которых решаются сложные геометрические задачи на проектирование кривых и поверхностей. Например, плазовые и проекторные чертежи, чертежи для газорезательных машин, теоретические чертежи сложных поверхностей / II, 12/. Главной особенностью этих чертежей является то, что размеры детали определяются по изображению, выполненному с высокой точностью. Здесь, как и для вычислительных задач, эффективность системы АВЧ обеспечивается благодаря большой трудоемкости и высокой стоимости изготовления точного чертежа вручную. Например, плазовый чертеж, требующий затраты 32 человекочасов, выполняется на графопостроителе Итекан-6 за 15 минут. Точность чертежа обеспечивается конструкцией графопостроителя / 12 /.

Основной задачей, решаемой при АВЧ данного класса чертежей, является проектирование сложных кривых и поверхностей. В этой области известно большое количество работ советских и зарубежных ученых: И. Ф. Четверухина, И. И. Котова, В. С. Левицкого, С. А. Фролова, В. Л. Рвачева, В. А. Осипова, В. Е. Михайленко, А. В. Павлова, Е.А.Старо-детко, В. А. Андреева, А. М. Тевлина, В. И. Якунина, Сатерленда, Робертса, Принса, Ньюмена, Спрулла, Варнока и др.

Однако рассмотренный класс чертежей охватывает сравнительно малую часть всех чертежей, используемых в машиностроении. Большая часть (не менее 95%) чертежей не требует при их выполнении решения сложных геометрических задач. Не нужна и высокая точность изображений, так как размеры детали определяются размерными числами с предельными отклонениями. Автоматизация выполнения таких чертежей отличается от решения вычислительных задач следующими особенностями:

1. Сравнительно небольшим временем выполнения чертежа вручную Тр (см. таблицу I).

2. Сложностью обеспечения высоких значений К в связи с большим разнообразием форм деталей.

3. Большими затратами времени на подготовку исходных данных Тид.

4. Малым временем счета на ЭШ Тэвм (порядка нескольких секунд).

Таким образом, при значениях Троп того же порядка, что и для вычислительных задач, не удается обеспечить полной загрузки графопостроителя.

Современные графопостроители имеют стоимость от 20 000 до 60 000 руб. и выше. Их окупаемость, как правило, обеспечивается при полной загрузке в течение смены. В то же время существующий уровень программного обеспечения АВЧ не обеспечивает такой загрузки. Поэтому, при расчете стоимости чертежа следует амортизацию оборудования определять не по их максимальной производительности, а с учетом реальной загрузки на данном предприятии. В этом случае стоимость выполнения чертежа средстваш АВЧ оказывается выше, чем стоимость выполнения того же чертежа вручную. Отсутствие экономического эффекта не позволяет широко внедрять средства АВЧ, несмотря на наличие технического обеспечения. Поэтому автоматическое черчение деталей находит применение только в рамках интегрированных САПР, например, САПР шпиндельных коробок агрегатных станков/13/ САПР сложного режущего инструмента / 13 /, система «Автоштамп» и некоторые другие.

Попытки создания автономных систем АВЧ деталей / 14 / широкого распространения пока не получили, что позволяет утверждать необходимости исследований, направленных на совершенствование процесса АВЧ. Этот процесс включает следующие этапы:

1. Подбор близких по геометрии деталей с целью обеспечения массовости алгоритма.

2. Разработка обобщенного типового изображения для группы деталей или набора типовых элементов чертежа детали.

3. Разработка графического алгоритма и его документирование.

4. Запись программы АВЧ на графическом алгоритмическом языке.

5. Отладка программы с исправлением как синтаксических, так и графических ошибок для обеспечения результативности алгоритма.

6. Задание исходных данных для АВЧ конкретной детали.

7. Счет на ЭВМ и получение при необходимости программоносителя чертежа.

8. Автоматическое черчение на графопостроителе.

В области разработки обобщенных чертежей известны работы Брон Г. П. / 14 /, Киселевича А. Д. / 15,16 /. В работе / 15 / предложен также метод наглядного представления графических алгоритмов в виде граф-схем.

Вопросам разработки специализированных графических языков посвящены работы Горанского Г. К. / 17 /, Горелика А. Г. / 4,18 /, Зозулевича Д. М. / 13,19 /, Стародетко Е. А. /20, 21 /, Тодорой Д. Н. / 22, 23 /, Кобелева В. В. / 24 /. Зарубежный опыт в этой области обобщен в работе Банковского Ю. М. /25 /.

Наибольшую трудность с точки зрения геометрии при АВЧ представляют задачи нанесения размеров и выполнения штриховки в разрезах и сечениях.

Задача автоматизации штриховки решалась в работах Горелика А. Г. / 26 / и Зозулевича Д. М. / 13, 27 /. Нанесение размеров рассмотрено в работах Полозова B.C. / 28, 29 /, Стародетко Е. А. / 30 /, Глушкова О. И. / 30,31 /, Цветкова В. Д. / 32, 33 /. Вопросы проецирования трехмерных объектов на плоскость применительно к АВЧ решались Гореликом А. Г. / 34, 35 / и Зозулевичем Д. М. / 13 /.

Автоматизация ввода исходных данных для АВЧ рассмотрены в работах Зозулевича Д. М. / 36 /, Чеголина П. М. / 37 /, Левицкого C.B. / 38 /, Сазерленда / 39 /, Ньюмена, Спрулла / 40 /, Принса / 41/.

Технические средства для вывода графической информации (графопостроители) исследованы в работах Днепровского Е. В. / 42 /, Басова Е. П., Абрамова В. Н. / 43, 44 /, Преснухина В. В. и др. / 45, 46, 47 /. В работе Семенкова О. И. / 48 / проанализированы различные способы связи графопостроителей с ЭВМ.

Таким образом, советскими и зарубежными учеными заложены научные основы, обеспечивающие возможность практической реализации всех этапов процесса АВЧ. В то же время предприятия и НИИ интенсивно оснащаются техническими средствами АВЧ — графопостроителями серий ЕС и АЛ.

Тем не менее, несмотря на значительное количество научных работ и улучшение технического оснащения предприятий, уровень внедрения АВЧ следует признать неудовлетворительным, так как практически все чертежи деталей выполняются попрежнему вручную. Анализ приведенных выше работ показывает, что основным направлением исследований по совершенствованию процесса АВЧ является сокращение затрат машинного времени ЭВМ за счет усложнения графических языков и увеличения объема исходных данных. На практике это приводит к тому, что высокая трудоемкость выполнения чертежей вручную заменяется высокой трудоемкостью разработки программ АВЧ. Это подтверждается также работами зарубежных ученых /40,41 /, в которых машиностроительное черчение относится к задачам трудно поддающимся решению средствами машинной графики.

Анализ формулы (I) и особенностей машиностроительного чертежа показывает, что высокая эффективность, а, следовательно, и широкое внедрение АВЧ возможно только при значительном уменьшении значения Троп/ К. Следовательно, основное направление исследований должно быть перенесено с обеспечения экономии машинного времени ЭВМ на обеспечение экономии времени программиста при написании и отладке программ. Поэтому одной из задач, решаемых в диссертации, является исследование существующих графических языков с точки зрения времени написания программ АВЧ и количества допускаемых при этом ошибок и разработка на этой основе эффективного графического языка. Как известно автору, до настоящего времени подобные исследования не производились.

При существующих методах / 13,37 / время задания исходных данных Тид при АВЧ соизмеримо с временем ручного вычерчивания. Возможности сокращения этого времени с применением современных технических средств исследованы недостаточно.

Низкая экономическая эффективность процесса АВЧ определяется также высокой стоимостью и низкой надежностью серийных графопострои телей, что исключает их применение при отсутствии квалифицированного обслуживающего персонала, т. е. в условиях, характерных для предприятий, КБ и вузов. Поэтому в диссертации определены возможности упрощения конструкции графопостроителей без ухудшения их функциональных возможностей.

В настоящей работе исследован машиностроительный чертеж как объект АВЧ. Разработана модель процесса АВЧ, на которой определены основные направления повышения его эффективности: упрощение конструкции графопостроителя и сокращение времени разработки программ АБЧ.

Доказано, что упрощение графопостроителя целесообразно осуществить исключением кругового интерполятора и генератора символов, а также уменьшением разрядности линейного интерполятора до восьми. Полученные результаты использованы при модернизации устаревшего графопостроителя ДРП-ЗМ.

На основании метрической теории программ Холстеда / 49 / осуществлен анализ известных графических языков и предложен графический язык ГРАСС, обеспечивающий сокращение времени написания программы и сокращения количества ошибок в графических программах.

Транслятор с языка ГРАСС реализован на языках Ассемблер и Фортран для ЭШ серий ЕС и СМ. При разработке транслятора использована автоматная технология программирования, предложенная Кулей В. М. / 50,51 /. При разработке транслятора предложена и реализована новая методика выполнения штриховки в разрезах и сечениях. Предложена и реализована новая методика задания исходных данных АВЧ с помощью планшетного кодировщика графической информации.

На основании разработанных технических и программных средств реализованы программы АВЧ распространенных машиностроительных деталей, а также решены некоторые графические задачи в промышленности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались математическое моделирование, метрическая теория программ, теория формальных грамматик, автоматная технология программирования.

Научная новизна. Предложена модель процесса автоматизированного выполнения чертежей. Разработан оптимальный кадр информации графопостроителя. Впервые для исследования характеристик графических языков использована метрическая теория программ. Разработан графический язык ГРАСС, обеспечивающий сокращение длины программы и количества ошибок по сравнению с известными языками. В языке ГРАСС применен новый метод расширения языка Фортран графическими операторами. Впервые при реализации графического языка использована автоматная технология программирования. Предложены новые алгоритмы выполнения штриховки в разрезах и сечениях, обеспечивающие экономию памяти ЭВМ по сравнению с известными методами.

Разработана новая методика использования планшетных кодировщиков графической информации для подготовки исходных данных при автоматизированном выполнении чертежей.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель процесса АВЧ позволяет выбрать для конкретных условий эксплуатации графопостроитель, обеспечивающий минимальную стоимость выполнения машиностроительных чертежей. Использование оптимальной разрядности интерполятора графопостроителя позволяет значительно упростить конструкцию графопостроителя, уменьшить его стоимость и повысить надежность, а также снизить требования к квалификации обслуживающего персонала.

Использование языка ГРАСС позволяет скоратить длину исходного текста программ АВЧ и количество ошибок в программах, уменьшить время разработки этих программ по сравнению с известнымиграфичес.

— lo ними языками. Разработанные пакеты прикладных программ позволяют увеличить производительность труда при выполнении графических работ и повысить качество чертежей.

Новая методика ввода исходных данных позволяет значительно сократить время подготовки исходных данных и время разработки прикладных программ АВЧ.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса автоматизированного выполнения. чертежей.

1 '.

2. Оптимальный кадр информации графопостроителя.

3. Специализированный графический язык ГРАСС для программирования машиностроительных чертежей. -f.

4. Метод включения графических операторов в язык Фортран. 4.

5. Алгоритм выполнения штриховки в разрезах и сечениях. -4.

6. Метод ввода исходных данных при АВЧ с использованием планшетных кодировщиков графической информации.

Диссертационная работа выполнена в Кировоградском институте сельскохозяйственного машиностроения согласно плану научно-исследовательских работ и тематике института.

Диссертационная работа общим объемом 186 стр. содержит 102 стр. машинописного текста, 42 рисунка, 9 таблиц и приложение на 26 стр.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

I. Киселевич А. Д., Цепа С. Ф. Устройства графического вывода в учебном процессе кафедры инженерной графики. Тезисы Республиканской конференции по прикладной геометрии и инженерной графике.-К.: Наукова думка, 1976, с.17−18.

Соискателем разработан и реализован проект модернизации графопостроителя ДРП-ЗМ, подготовлено 50% рукописи.

2. Киселевич А. Д., Цепа С. Ф. Алгоритмизация и программирование для ЭЦВМ типовых геометрических задач в курсах инженерного черчения и инженерной графики. В сб. Прикладная геометрия и машинное проектирование, вып. 414. М.:МАИ, 1977, с.38−39. Соискателем разработана программа черчения валов, подготовлено 60 $ рукописи.

3. Киселевич А. Д., Цепа С. Ф., Стрельникова А.Г.

Содержание и обеспечение курса «Элементы автоматизированного проектирования в инженерно^ графике». В сб. Научная организация учебного процесса в авиационном вузе, вып.454.

— М.: МАИ, 1978, с.147−152.

Соискателем разработано базовое программное обеспечение БП0−1 и проект графопостроителя, подготовлено 40% рукописи.

4. Киселевич А. Д., Цепа С. Ф. Автоматизация выполнения чертежей деталей машин с помощью ЭЦВМ и графопостроителей.

— М.: МАИ, 1979, — 46с.

Соискателем разработано базовое программное обеспечение БПО-2, его входной язык, все описанные прикладные программы, подготовлено 50% рукописи.

5. Киселевич А. Д., Левицкий B.C., Цепа С.Ф.

Система «Элементы машинного проектирования в инженерной графике». В сборнике научно-методических статей по начертательной геометрии и инженерной графике.- М.: Высшая школа, 1979, с.32−39. Соискателем разработано базовое программное обеспечение ЕП0−1, программы ПК-2, ВАЛ, ВФК-2, КЗЦ, подготовлено 30% рукописи.

6. Цепа С. Ф. Некоторые особенности построения функционального пакета графических подпрограмм на языке Фортран-1У.

В сб. Вопросы машинного проектирования и инженерной графики, вып. 512. — М.: МАИ, 1980, с.51−53. Выполнена самостоятельно.

7. Киселевич А. Д., Цепа С. Ф. Некоторые вопросы совершенствования программных средств системы автоматизации выполнения чертежей и методов их изучения в курсе инженерной графики. В сб. Прикладная геометрия и машинная графика в авиастроении. — М.: МАИ, 1981, с.22−27.

Соискателем разработана методика нанесения размеров в описанных программах, подготовлено 40% рукописи.

8. Киселевич А. Д., Цепа С. Ф. ЭВМ и графопостроитель в учебном процессе кафедры инженерной графики. В сб. Использование ЭВМ и элементов САПР в учебном процессе на общеинженерных кафедрах. — М.: МАИ, 1981, с.26−36.

Соискателем предложен графический язык, методика выполнения штриховки и методика нанесения размеров на чертеже, подготовлено 40% рукописи.

9. Цепа С. Ф. Курсовое проектирование по металлорежущим станкам с применением ЭВМ. — Кировоград, КИСМ, 1981. 56с. Выполнена самостоятельно.

10. Киселевич А. Д., Стрельникова Л. Г., Цепа С. Ф. и др. Автоматизация выполнения чертежей в инженерной графике. -М.: МАИ, 1982. 54с.

Соискателем разработано программное обеспечение БП0−2М, алгоритмы штриховки и нанесения размеров, графический язык, подготовлено 10% рукописи.

11. Цепа С. Ф. Машинная графика в курсовом и дипломном проектировании. — Кировоград: КЙСМ, 1983. — 56с. Выполнена самостоятельно.

12. Система автоматизации выполнения чертежей АВЧ. Проспект международной выставки АВТШАТ03АЦИЯ-83. — М.: ЦШИТЭИприборостроения, 1983. — 2с.

Соискателем разработано программное обеспечение автоматизированного выполнения чертежей БП0−2М КИГ МАЙ, подготовлено рукописи.

13. Комплекс программ ГРАСС. — СФАП АСУ ТП и САПР Минеельхозмаш, № 172, 1984 г. 77с. 42 программы. Выполнена самостоятельно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований и выводы:

1. Предложена модель процесса автоматизированного выполнения чертежей, сочетающая принципы вещественного и математического моделирования.

2. Исследования, выполненные на модели, показали, что главными факторами, определяющими стоимость выполнения чертежа, являются стоимость графопостроителя и годовой объем выпуска чертежей.

3. Предложена формула для приближенного расчета стоимости чертежа, выполненного средствами АВЧ.

4. Разработан оптимальный кадр линейного интерполятора графопостроителя, обеспечивающий экономию до 50% программоносителя при выполнении машиностроительных чертежей.

5. При анализе графических языков использована метрическая теория программ, что позволило получить объективные числовые характеристики качества языков.

6. Разработан графический язык ГРАСС, который при программировании машиностроительных чертежей имеет следующие преимущества перед известными языками: а) меньший объем исходного текста программы и объектной программы после трансляцииб) наличие встроенных библиотек чертежей и типовых изображений и нескольких стандартных наборов символовв) возможность динамической замены наборов символов и отдельных символов при работе прикладной программыг) отсутствие зарезервированных идентификаторов для служебных слов входного языка и возможность динамической смены имен служебных слов при работе программыд) диалоговый режим взаимодействия с пользователем при работе с библиотеками и наборами символове) малый объем памяти, занимаемой программами функционального пакетаж) оригинальная методика выполнения штриховки в разрезах и сечениях и высокий уровень автоматизации программирования размеров, обозначений шероховатости поверхностей и обозначений отклонений формы и размеров поверхностей. з) автоматическое преобразование типов данных.

7. Предложен новый метод включения графических операторов в текст программ на Фортране, обеспечивающий сокращение времени редактирования.

8. С целью ускорения ввода исходных данных для автоматического выполнения чертежей разработана новая методика использования планшетных кодировщиков графической информации, которая реализована в виде базового программного обеспечения.

9. Использование автоматной технологии программирования позволяет сократить время разработки программных средств АВЧ и уменьшить их объем.

Разработанное в диссертации техническое и программное обеспечение АВЧ внедрено в промышленности и учебном процессе вузов. Фактический экономический эффект составляет 41,6 тыс. руб."ожидаемый эффект — 69 тыс. руб. Документы о внедрении представлены в приложении.