Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Оборудование и технология пайки»

Курс лекций

дисциплины «Компьютерные технологии и САПР» для студентов специальностей 120500, 120507, 120700 очной, очно-заочной и заочной форм обучения

ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ САПР

Тольятти 2003 г.

УДК 621.52

Федоров А.Л. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ВНЕДРЕНИЯ САПР: Курс лекций дисциплины «Компьютерные технологии и САПР в инженерном деле» - Тольятти: ТГУ, 2003.

Рассмотрены вопросы экономического обоснования, выбора и внедрения САПР, по программе курса дисциплины «Компьютерные технологии и САПР в инженерном деле».

Для студентов технических вузов и инженерных работников.

Содержание

Введение

1. Классификация САПР

1.1 Классификация по приложениям

1.2 Классификация по характеру базовой подсистемы

1.3 Классификация по видам обеспечения

2. Решение о внедрении автоматизированного проектирования

2.1 Возможные эффекты от внедрения САПР

2.2 Расчет экономического эффекта от внедрения САПР на предприятии

3. Подготовительный этап при внедрении САПР

3.1 Создание службы САПР

3.2 Обоснование конфигурации системы

3.3 Включение в САПР систем искусственного интеллекта

3.4 Анализ рынка систем автоматизированного проектирования

3.4.1 Рынок программного обеспечения

3.4.2 Рынок информационного обеспечения

3.4.3 Рынок технического обеспечения

3.3 Выбор поставщика системы

3.4 Некоторые особенности заключения договора на поставку

3.5 Подготовительные работы на предприятии

4. Этап запуска САПР

4.1 Кадровое обеспечение проектных подразделений

4.2 Кадровое обеспечение подразделений, обслуживающих систему

4.3 Обучение персонала работе с системой

4.4 Создание баз данных

4.5 Обеспечение защиты системы

Литература

Вопросы

Введение

Всеобщая информатизация затронула и такую сферу деятельности как проектирование. Применение систем автоматизированного проектирования (САПР) позволило существенно расширить интеллектуальные возможности проектировщиков. Одними из первых встали на путь автоматизированного проектирования самолето- и ракетостроение. Системы автоматизированного проектирования были применены в самолетостроении США еще в середине 50-х годов. автоматизированный программный искусственный интеллект

В настоящее время системы САПР первого поколения, реализующие автоматизацию проектного решения с помощью ЭВМ, сходят со сцены, уступая место САПР второго поколения, реализующим концепцию комплексного проектирования и включенным в единую систему управления производством. В САПР второго поколения автоматизация чертежных работ является только одной из многих функций, которые могут охватывать все области деятельности предприятия - от учета запросов рынка до распределения продукции заказчику.

Внедрение САПР является сложным стратегическим решением и сопряжено с безусловным риском, однако, при нынешней конкуренции риск, связанный с бездействием, превышает риск от шагов в сторону автоматизации. Во всяком случае неизвестны утверждения о том, что САПР -- это скоропреходящее увлечение. В то же время, самолетостроительные фирмы, в начале 50-х годов занявшие выжидательную позицию по отношению к реактивному двигателю, оказались в проигрыше.

Согласно стандарта САПР - это организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования. Возможности автоматизированного проектирования (в дальнейшем АП) весьма широки. Например, автоматизированная система технологической подготовки производства (АС ТПП) позволяет проектировать оснастку, необходимую для изготовления изделия, разрабатывать технологические процессы, синтезировать управляющие программы для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моделировать процессы обработки, в том числе строить траектории относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, рассчитывать нормы времени обработки.

Автоматизированная система научных исследований (АСНИ) затрагивает компьютерные методы, используемые для оказания помощи инженеру при выполнении проектной работы. Как правило, сюда относят аналитическое моделирование и имитационные средства. АСНИ позволяет не только проводить вычисление объема, массы, моментов инерции и многих других свойств спроектированного объекта, но и рассчитывать действие на него нагрузок, возникающих при эксплуатации, моделировать поля физических величин, в том числе анализировать прочность, чаще всего с помощью МКЭ, рассчитывать состояния и переходные процессы на макроуровне, проводить имитационное моделирование сложных производственных систем.

Автоматизированная система управления качеством (АСУК) позволяет контролировать качество на всей технологической цепочке разработки и производства изделия, в режиме реального времени отслеживать соответствие производимого объекта требованиям и вносить соответствующие изменения в технологию.

Для перечисленных типов автоматизированного проектирования на западе приняты следующие обозначения: САПР - CAD (Computer Aided Design); АСТПП - CAM (Computer Aided Manufacturing); АСНИ - CAE (Computer Aided Engineering); АСУК - САQ (Computer Aided Quality).

1. Классификация САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы - ядра САПР.

1.1 Классификация по приложениям

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР.

2. САПР для радиоэлектроники.

3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п.

По масштабам можно классифицировать САПР следующим образом.

1. Уникальные САПР, имеющие межотраслевой характер и создаваемые для решения крупнейших хозяйственных задач.

2. Универсальные САПР отраслевого назначения с системой коллективного пользования, обеспечивающие проектирование всей номенклатуры технических изделий отрасли (подотрасли).

3. Специализированная САПР проектной организации, ориентированная на выполнение наиболее массовых проектных работ по конкретному изделию и реализованная на средних ЭВМ.

4. Индивидуальные САПР, реализованные на мини- и микро-ЭВМ, предназначенные для выполнения отдельных видов инженерных расчетов и проектных работ.

1.2 Классификация по характеру базовой подсистемы

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР.

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения. В настоящее время появились унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР (это ядра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph).

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления систем автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам АСНИ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются системы САПР/АСТПП/АСНИ в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

1.3 Классификация по видам обеспечения

По видам обеспечения средства автоматизированного проектирования можно классифицировать следующим образом: техническое; математическое; программное; информационное; лингвистическое; методическое; организационное.

Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. К компонентам технического обеспечения относят устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их сочетания, обеспечивающие функционирование комплекса средств автоматизированного проектирования.

Структура технического обеспечения может представлять локальные вычислительные сети, объединяющие в своем составе, в зависимости от задач, решаемых САПР, различные классы ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование и микропроцессорную технику, встроенную в технологическое оборудование.

Компоненты технического обеспечения должны давать возможность: кодирования и ввода информации с ее визуальным контролем и редактированием; передачи информации по различным каналам связи; хранения, контроля и восстановления информации; загрузки, хранения и исполнения программного обеспечения; оперативного предоставления запрашиваемой информации на устройства вывода.

Математическое обеспечение САПР - совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Сюда входят математические модели конкретных объектов (технологических процессов, инструментов, приспособлений и др.) и процессов проектирования, методы проектирования, а также методы и алгоритмы выполнения различных инвариантных проектных операций и процедур, связанных с оптимизацией, поиском информации, автоматизированной графики и др.

Взаимосвязи между компонентами математического обеспечения должны обеспечивать формализацию процесса проектирования, его целостность, адекватно описывать проектируемый объект, обеспечивать точность и экономичность.

Модель всегда лишь приближенно отражает некоторые свойства объекта. Адекватность имеет место, если модель отражает заданные свойства объекта с приемлемой точностью. Под точностью понимают степень соответствия оценок одноименных свойств объекта и модели. Экономичность (вычислительная эффективность) определяется затратами ресурсов, требуемых для реализации модели.

Программное обеспечение - совокупность машинных программ, необходимых для выполнения АП и предоставленных в заданной форме. Сюда включаются комплексы программ специального и общего назначения. Специальное программное обеспечение представляется в виде текстов прикладных программ, ориентированных на решение специальных задач (проектирование маршрутных и операционных технологических процессов, техническое нормирование, проектирование оснастки и т.п.). Общее программное обеспечение предназначено для управления вычислительным процессом и подготовки прикладных программ к использованию на ЭВМ. Эти функции обычно выполняют программы, входящие в состав операционных систем.

Компоненты программного обеспечения должны иметь иерархическую организацию, в которой на верхнем уровне размещается монитор управления компонентами нижних уровней - программными модулями. Программный модуль должен: регламентировать функционально законченное преобразование информации; быть написанным на одном из стандартных языков программирования; удовлетворять соглашениям о представлении данных, принятым в данной системе АП.

Информационное обеспечение - совокупность сведений, необходимых для выполнения АП и представленных в заданной форме. Основная составная часть информационного обеспечения САПР - банк данных, представляющий собой совокупность средств для централизованного накопления данных. Банк данных состоит из базы данных и системы управления базой данных.

Банки данных должны обеспечивать: информационную совместимость проектирующих и обслуживающих подсистем; независимость данных на логическом и физическом уровнях, в том числе инвариантность к программному обеспечению; возможность одновременного использования данных из различных баз данных и различными пользователями; возможность интеграции неоднородных баз данных для совместного их использования различными подсистемами; возможность наращивания баз данных; контролируемую избыточность данных.

Построение банков данных САПР - сложная задача, что обусловлено следующими особенностями САПР.

1. Разнообразие проектных данных, фигурирующих в процессах обмена как по своей семантике (многоаспектность), так и по формам представления. В частности, значительна доля графических данных.

2. Нередко обмены должны производиться с высокой частотой, что предъявляет жесткие требования к быстродействию средств обмена (полагают, что СУБД должна работать со скоростью обработки тысяч сущностей в секунду).

3. В САПР проблема целостности данных оказывается более трудной для решения, чем в большинстве других систем, поскольку проектирование является процессом взаимодействия многих проектировщиков, которые не только считывают данные, но и изменяют их, причем в значительной мере работают параллельно. Из этого факта вытекают следствия: во-первых, итерационный характер проектирования обычно приводит к наличию по каждой части проекта нескольких версий, любая из них может быть принята в дальнейшем в качестве основной, поэтому нужно хранить все версии с возможностью возврата к любой из них; во-вторых, нельзя допускать использования неутвержденных данных, поэтому проектировщики должны иметь свое рабочее пространство в памяти и работать в нем автономно, а моменты внесения изменений в общую БД должны быть согласованными и не порождать для других пользователей неопределенности данных.

4. Транзакции могут быть длительными и трудоемкими. Транзакцией называют последовательность операций по удовлетворению запроса. В САПР внесение изменений в некоторую часть проекта может вызвать довольно длинную и разветвленную сеть изменений в других его частях из-за существенной взаимозависимости компонентов проекта (многошаговость реализации запросов). В результате транзакции могут длиться даже несколько часов. При хранении компонентов проекта во внешней памяти затраты времени на обработку запросов оказываются значительно выше, чем в большинстве других автоматизированных систем.

5. Иерархическая структура проектных данных и, следовательно, отражение наследования в целях сокращения объема базы данных.

Лингвистическое обеспечение - совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для автоматизирования проектирования и представленных в заданной форме.

Компоненты лингвистического обеспечения должны быть согласованными с компонентами обеспечения других видов, быть относительно инвариантными к конкретному содержанию баз данных, предоставлять компактной форме средства для описаний всех объектов и процессов заданного для системы класса с необходимой степенью детализации и без существенных ограничений на объект описания, быть рассчитанными, в основном, на диалоговый режим их использования.

Поскольку созданием программ для программируемых контроллеров обычно занимаются не профессиональные программисты, а заводские технологи, такие языки программирования должны быть достаточно простыми, обычно построенными на визуальных изображениях ситуаций. Например, используются различные схемные языки. Ряд языков стандартизован и представлен в международном стандарте I ЕС 1131-3.

Методическое обеспечение - совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения АП и необходимых для решения проектных задач.

К компонентам методического обеспечения относят: утвержденную документацию инструктивно-методического характера, устанавливающую технологию автоматизированного проектирования; правила эксплуатации комплекса средств АП; нормативы, стандарты и другие руководящие документы, регламентирующие процесс и объект проектирования.

Компоненты методического обеспечения должны размещаться на машинных носителях информации, позволяющих осуществлять как долговременное хранение документов, так и их оперативный вывод в форматах, установленных соответствующими стандартами.

Организационное обеспечение - совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения АП.

Компоненты организационного обеспечения должны устанавливать организационную структуру системы и подсистем, включая взаимосвязи ее элементов; задачи и функции службы САПР и связанных с нею подразделений организации; права и ответственность должностных лиц по обеспечению создания и функционирования АП порядок подготовки и переподготовки пользователей.

2. Решение о внедрении автоматизированного проектирования

2.1 Возможные эффекты от внедрения САПР

Предприятие внедряет АП если подтверждена целесообразность и обеспечены необходимые экономические, технические и организационные условия. Эффект от внедрения АП может быть экономический, социальный и технический.

Полный экономический эффект от внедрения АП на предприятии Эп складывается из следующих составляющих:

Эп = Эпт + Эпр + Энтпп,

где Эпт - экономический эффект, полученный на этапе потребления изделий, обладающими улучшенными потребительскими свойствами благодаря тому, что их свойства сформулированы технологиями спроектированными средствами САПР; Эпр - экономический эффект, полученный на этапе использования в серийном и опытном производствах технологий, которые, благодаря тому, что они спроектированы средствами АП, обладают улучшенными производственно-технологическими показателями; Энтпп - экономический эффект, получаемый непосредственно на этапе проектирования изделий и технологий.

Точная оценка Эпт, для предприятия, внедряющего АП проблематична, так как эффект получается у потребителя изделий. Однако предприятие - производитель получает возможность успешного продвижения продукции на рынке, расширения сбыта и сохранения конкурентноспособности. Эпр и Энтпп рассчитываются по стандартным методикам.

Получаемый за счет снижения текущих расходов и увеличения сбыта доход должен быть достаточен для обеспечения приемлемого возврата капитальных затрат на внедрение АП. Коэффициент сравнительной экономической эффективности по всей промышленности принят 0,35. Следовательно затраты на внедрение системы АП должны окупиться в течение примерно 3-х лет. Вместе с тем, если система АП единственная возможность для выживания предприятия, то срок может быть существенно большим.

При этом следует учитывать, что внедрение системы машинного черчения (САПР) позволяет до 3-х раз увеличить производительность труда конструктора (подразумевается двумерное проектирование). В случае внедрения интегрированной системы САПР/АСТПП, которая требует трехмерного проектирования, оценить экономию сложнее. Не всегда производительность труда конструктора увеличивается столь значительно, и в общем случае легче получить и измерить экономию при разработке технологии, чем при проектировании объекта. Причина в том, что трехмерное моделирование требует больших временных затрат, чем двумерное черчение. Однако трехмерная модель содержит больше информации об объекте чем двумерный проект, хотя двумерные чертежи богаты размерными и текстовыми пояснениями, трехмерная модель может быть использована при проектировании оснастки, приспособлений, форм.

Следует отметить, что внедрение более совершенных типов АП требует возрастающих затрат, как временных, так и финансовых. Например, компания SolidWorks Russia предлагает программное обеспечение (ПО) для систем САПР/АСТПП/АСНИ (CAD/CAM/CAE) SolidWorks. Стоимость ПО для одной рабочей станции системы твердотельного моделирования (CAD) составляла в сентябре 2000 года $7000, системы механообработки (САМ) $7000, и системы инженерных расчетов (САЕ) $7790. Кроме того, возможны дополнительные расходы при закупке различных специализированных приложений. Так, стоимость ПО для создания трехмерных моделей печатных плат составляла $1795, для трехмерной разводки кабелей, жгутов и технологии их изготовления - $5995, для проектирования прессформ - $5995, для анализа проливаемости литьевых форм с учетом литника - $14950.

Внедрение АП позволяет получить ряд социально-экономических эффектов, важнейшими из которых являются: снижение степени зависимости (чувствительности) уровня организации и реализации результатов проектирования от изменения коллектива субъектов проектирования; сокращение доли нетворческих, репродуктивных, рутинных работ в общем балансе рабочего времени субъектов проектирования, обладающих высокой профессиональной квалификацией; повышение продуктивности интеллектуальных ресурсов, организаций, реализующих процессы проектирования; повышение квалификации субъектов проектирования и престижности их труда; изменение социальной и профессионально-квалификационной структуры коллектива субъектов проектирования.

Существует ряд проблем, решение которых средствами АП невозможно. Хотя в какой-то степени системы АП корректируют небрежную работу исполнителей, недобросовестные и низкоквалифицированные сотрудники могут сделать некорректной работу самой системы. Система АП не производит конечную продукцию, и ее эксплуатация в сочетании с низкопроизводительным оборудованием и устаревшими технологиями не приведет к получению ожидаемого эффекта. Внедрение системы является стратегической задачей и неприемлемо для предприятий, балансирующих на грани банкротства или малых предприятий, ориентированных на быстрый оборот капитала.

2.2 Расчет экономического эффекта от внедрения САПР на предприятии

Расчет необходимого количества рабочих станций вычислительного комплекса может быть произведен по формуле

,

где А₂ - общее количество проектируемых в год изделий, технологий и т.д.;

Ф_Э - годовой эффективный фонд времени работы вычислительного комплекса;

Т_МАШ - машинное или экранное время при проектировании одного изделия, технологического процесса и т.д.

Численность проектировщиков:

,

где Ф_ЭР -годовой эффективный фонд времени одного работника; Т_ПР -трудоемкость проектирования единицы изделия, технологии с использованием САПР.

Расчет дополнительных капитальных вложений на вычислительную технику, затрат на проектирование САПР и на площадь помещения комплекса ВТ.

Капитальные вложения в вычислительную технику:

К_ВТ =(Ц_РСН_РС + Ц_ПУ )К_З

где Ц_РС - стоимость рабочей станции; К_З - коэффициент загрузки комплекса; Ц_ПУ - цена периферийных устройств.

Капитальные вложения в площадь помещения для размещения ВТ:

К_ПОМ =Н_РСПЦ_ПЛК_З,

где П - площадь занимаемая рабочей станцией;

Заработная плата проектировщиков САПР:

З_ПР=Т_ПРОЕКТЗ_ЧАС,

где Т_ПРОЕКТ - затраты времени на проектирование САПР; З_ЧАС - часовая заработная плата, основная и дополнительная.

Общие дополнительные капитальные вложения на создание САПР:

К_ДОП =К_ВТ+К_ПОМ +З_ПР.

Расчет себестоимости одного часа машинного времени работы ЭВМ

1. Расходы на заработную плату проектировщиков:

З_ПЛ = Р_ПРЗ_ЧАСК_О.

где К_О - коэффициент отчислений единого социального налога.

2. Расходы на амортизацию ВТ:

,

где Ц_ВТ - общая стоимость вычислительной техники; Н_А - норма амортизации;

К_З - коэффициент загрузки комплекса ВТ; Ф_ПОЛ - время полезной работы ЭВМ.

3. Расходы на электроэнергию:

Р_Э =МЦ_ЭК_М,

Где М - мощность, потребляемая вычислительной техникой;

Ц_Э - цена электроэнергити;

К_М - коэффициент использования мощности.

4. Расходы на текущий ремонт и профилактическое обслуживание вычислительной техники:

,

где К_Р - коэффициент затрат на ремонт и профилактическое обслуживание ЭВМ.

5. Расходы на содержание производственной площади, занятой ЭВМ:

,

где Ц_ПЛ - цена одного квадратного метра площади

6. Расходы на содержание площади рабочих мест проектировщиков:

,

где П_УД - площадь, занимаемая одним рабочим местом проектировщика;

Н_РС - количество рабочих станций.

7. Возмещение износа быстроизнашивающихся и малоценных деталей:

,

где К_ИЗН - коэффициент затрат на возмещение износа малоценных и быстроизнашивающихся деталей ЭВМ.

8. Прочие расходы, связанные с эксплуатацией ЭВМ:

,

где К_ПРОЧ - коэффициент прочих затрат по эксплуатации ЭВМ.

Итого, себестоимость работы одного машиночаса ЭВМ:

С_МЧ = З_ПЛ +Р_А +Р_Э +Р_Р +Р_ПЛ.ВТ +Р_ПЛ +Р_ИЗН +Р_ПРОЧ.

Расчет годовых производственных затрат по проектированию с помощью САПР.

З_ГОД = С_МЧ Т_МАШ А₂

Дополнительная прибыль (условно-годовая экономия) от снижения расходов на заработную плату проектировщиков:

Э_ЗПЛ = (Т_ПРБ -Т_ПР)А₂З_ЧАСК_О,

где З_ЧАС -средняя часовая заработная плата;

К_О - коэффициент отчислений единого социального налога;

Т_ПРБ -трудоемкость проектирования единицы изделия, технологии без использования САПР (ручное проектирование).

Расчет дополнительной прибыли (условно-годовой экономии) от снижения себестоимости проектирования единицы изделия, технологии:

П_Р.ДОП = Э_ЗПЛ - З_ГОД.

Расчет чистой прибыли, за вычетом налога на прибыль:

П_Р.ЧИСТ = П_Р.ДОП - П_Р.ДОПН_ПР,

где Н_ПР - налог на прибыль.

Определение расчетного срока окупаемости:

.

Определение общей текущей стоимости денежных доходов в пределах расчетного срока окупаемости, приведенных к текущему времени (времени начала осуществления затрат) через коэффициент дисконтирования:

,

где Т - расчетный срок окупаемости;

- средняя прибыль за месяц;

Е - месячная ставка дохода на капитал;

t - 1-й, 2-ой и т.д. месяц.

Определение интегрального экономического эффекта:

Э_ИНТ = Д_{ОБЩ.ТЕХ.} - К_ДОП.

Если Э_ИНТ >0 - внедрение САПР эффективно.

Определение индекса доходности:

.

Срок окупаемости капитальных затрат:

.

Внедрение САПР считается эффективным, если ИД> 0,42, где 0,42 - нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности. Однако, если внедрение САПР единственный способ выжить для предприятия, то возможно внедрение и при меньших значениях индекса доходности.

3. Подготовительный этап при внедрении САПР

3.1 Создание службы САПР

Работы по внедрению САПР продвигаются наиболее успешно, если в них заинтересовано руководство предприятия. Поскольку внедрение АП, особенно систем САПР/АСТПП является стратегической задачей, затрагивающей структуру предприятия и интересы различных групп сотрудников, следует быть готовым к сопротивлению не желающих изменений. Особую опасность представляет убежденность сотрудников в том, что автоматизация приведет к сокращению рабочих мест. Это не совсем так. Опыт внедрения систем АП на крупнейшем предприятии России АО АвтоВАЗ показывает, что сокращения рабочих мест при этом не происходило. Даже проектировщики предпенсионного возраста с солидным опытом и стажем, обладающие определенным консерватизмом и слабыми знаниями в области информатики не уходили с завода и успешно осваивали в том числе и трехмерное проектирование. Как - поговорим чуть позже.

На подготовительном этапе на предприятии создают службу (отдел) САПР и назначают руководителя проекта из числа сотрудников, имеющих инженерную подготовку. Руководитель проекта должен уметь работать с людьми, хорошо ориентироваться в межличностных отношениях на предприятии, обладать политическими навыками. В службе САПР следует создать бюро (подотдел) внедрения и бюро управления. В бюро внедрения включить инженеров и конструкторов из всех структур предприятия, затрагиваемых проектом. Желательно также, включить специалистов, имеющих опыт работы с компьютерами, и специалистов, имеющих опыт АП. Предпочтительно включать в бюро опытных специалистов со стажем работы на предприятии. Сотрудникам бюро внедрения следует ознакомиться с новейшими достижениями в области АП, посещая семинары, презентации, общаясь с поставщиками.

В бюро управления должны быть представители от каждой прикладной области, затрагиваемой АП. Это позволит наиболее полно информировать руководство предприятия о состоянии дел и внедрить систему, соответствующую требованиям предприятия. На бюро управления возлагаются задачи обоснования затрат на внедрение системы, взаимодействие с руководством предприятия, обеспечения соответствия параметров и структуры системы АП требованиям предприятия.

Служба САПР разрабатывает и утверждает план подготовительных работ по внедрению системы АП, назначает ответственных лиц за подготовку к внедрению специализированных подразделений. Первый этап плана включает выбор и обоснование системы АП применительно к конкретному предприятию.

Прежде всего, необходим анализ производственной и управленческой структуры предприятия. Какая продукция выпускается предприятием. Какой вид производства (массовое, единичное). Имеется ли на предприятии система АП и какая. Какие и сколько имеется на предприятии станков с ЧПУ, гибких производственных систем, роботизированных комплексов. Сколько работников предприятия знакомы или обучаются работе с АП. Сколько работников выполняют ручную работу в области проектирования и производства и их труд нуждается в автоматизации. Имеется ли достаточная площадь для установки технического обеспечения АП.

Для достижения эффективной работы системы АП необходимо согласовать ее конфигурацию с экономической деятельностью предприятия. Следует отметить, что отвечает за обеспечение такого соответствия покупатель, а не поставщик.

Архитектура системы АП должна быть увязана со структурой коллектива пользователей. Это обеспечит эффективность работы системы. Уровень централизации системы следует увязывать с уровнем централизации коллектива пользователей.

Централизованные системы АП предпочтительны в следующих случаях: персонал сосредоточен внутри помещения или одного здания; уже выполнен большой объем проектных работ; для внедрения в производство потенциальной продукции не требуется выполнения больших объемов работ.

Преимущества централизованных систем: облегчена связь между станциями; упрощена подготовка рабочих площадей для размещения вычислительной техники; обеспечивается высокий коэффициент использования оборудования; облегчается обслуживание и ремонт.

Децентрализованные системы АП предпочтительны в следующих случаях: проектный или производственный персонал рассредоточен по разным зданиям или помещениям; охват АП нескольких подразделений предприятия; имеющийся опыт работы с АП пользователями; необходимость перехода на твердотельное моделирование в проектных подразделениях.

Существуют три типа децентрализации:

1) децентрализованные рабочие станции, остальная система централизована;

2) децентрализованные рабочие станции и вычислительные комплексы (серверы), управление централизовано;

3) децентрализованные рабочие станции, вычислительные комплексы и управление.

Децентрализация рабочих станций может снизить скорость обмена информацией. Особенно это актуально, если технические средства рассредоточены в различных зданиях или для коммуникации используются телефонные линии. Рекомендуется упорядочить рабочие станции в небольшие группы (2-3). Это позволит новому пользователю быстрее освоить систему.

Децентрализация рабочих станций и вычислительных комплексов характеризуется наличием нескольких вычислительных комплексов в различных местах. Данный вариант обеспечивает лучшее соотношение затрат и производительности, так как вычислительные комплексы размещаются в тех подразделениях, которые обслуживают.

При децентрализованных рабочих станциях, вычислительных комплексах и управлении каждый вычислительный комплекс с рабочими станциями является автономной вычислительной системой. Данные системы соединяются из-за необходимости обмена информацией и могут быть от разных поставщиков. Ответственность за обеспечение защиты информации в данном случае возлагается на каждую систему. Данный вариант реализуется в случае необходимости обмена данных для широко разветвленных сетей, например, для предприятий с многочисленными подразделениями и дочерними филиалами. Он менее эффективен, чем два предыдущих, но без него не обойтись, если имеется много систем и нужно обеспечить их взаимосвязь.

3.2 Обоснование конфигурации системы

На этапе выбора и обоснования системы АП необходимо помнить о наличии базовых функций для системы АП. Возможно, для обеспечения эффективной деятельности вашего предприятия понадобятся не все составляющие, или не все сразу. Однако для создания эффективной системы САПР/АСТПП/АСНИ они будут нужны все. Кроме того, у вас может быть ряд специальных требований, необходимых только для вашего предприятия.

Можно выделить следующие базовые функции для системы САПР/АСТПП/АСНИ.

Трехмерное моделирование. Представляет возможность создания логически последовательной, полной и обладающей всей полнотой информации о проектируемом объекте трехмерной модели, необходимой для передачи задач в проекте между подсистемами. Модель может быть каркасной, поверхностной или твердотельной. Последняя содержит наибольшее количество информации.

Двумерное черчение и подготовка чертежей обеспечивают возможность создавать готовую для использования на производственных участках чертежную документацию, как правило, с использованием в качестве входных данных трехмерной модели.

Контроль и управление данными позволяют пользователям управлять данными в системе, обеспечивают доступ к данным, работу с базами данных.

Контроль за внесениями изменений в проект.

Система АСУ определяет взаимодействие.

Сеть связи определяет, как подсистемы САПР, связаны с АСУ, друг другом и иными производственными системами.

Реляционная база данных обеспечивает хранение связей между элементами внутри проектов и между проектами. Данные связи способствуют обеспечению данных для функционирования других подсистем, особенно входящих в АСУ.

Семейство типовых деталей позволяет посредством поиска в базе данных избежать повторного проектирования.

Средства анализа используют как для оценки проекта, существующего в виде модели, так и для выполнения прототипа.

Подготовка данных для гибких производственных систем (ГПС) обеспечивает на основе результатов моделирования и анализа разработку программ, используемых ГПС.

Возможность конвертирования данных. Система АП должна быть связана с другими системами в рамках глобальных сетей, например, с поставщиками, поэтому должна быть обеспечена связь с другими системами в общепринятом формате данных.

Возможность параметрического программирования позволяет пользователям приспособить систему для своих нужд.

Связанные в комплекс базовые функции образуют интегрированную систему САПР/АС ТПП/АСНИ рис. 3.1.

Первоначально под термином «интеграция» понимали объединение конструкторского отдела и отдела технолога, их совместную работу над проектом. Затем сюда включили функционирующие в масштабе реального времени средства управления производственными процессами, подсистемой материально-технического обеспечения.

Для выбора конфигурации системы необходимо определить количество графических рабочих станций, алфавитно-цифровых терминалов, программно-управляемого оборудования, которые потребуются для достижения требуемого экономического результата деятельности предприятия. Чтобы сделать это требуется оценить планируемый объем выпуска продукции предприятием, объем проектных работ, выполняемых системой АП. Нецелесообразно перепоручать выполнение этой работы поставщику системы. Его цели отличаются от ваших.

Анализ деятельности предприятия за истекшие несколько лет позволит получить данные о количестве выполненных проектов, их средней трудоемкости. При экстраполяции этих данных на будущее следует учесть планируемые изменения в экономической деятельности. Кроме того, необходимо учитывать, что переход на двумерное черчение позволит получить выигрыш в производительности на стадии проектирования до 3-х раз. Внедрение трехмерного моделирования может не дать выигрыша на стадии проектирования изделия, но время на разработку технологии и проведение расчетов модели может быть сокращено до 2-х раз. Результатом будет годовое количество часов функционирования рабочих станций, которое потребуется для выполнения планируемого объема работы. Если такая оценка собственными силами затруднена, следует изучить опыт других предприятий или проектных учреждений - пользователей систем АП.

Затем годовое количество часов делится на количество рабочих дней и на количество смен работы оборудования. В результате получим требуемое количество рабочих станций. Не следует планировать трехсменную работу, особенно на начальной стадии эксплуатации системы АП. При планировании двусменной работы 16 часов в сутки выделяется на проектирование, и 8 часов на работу обслуживающего персонала. Кроме того, работа в три смены нарушает физиологический цикл функционирования организма человека. При двусменной работе проектировщики будут меньше перегружены.

Определить требуемый объем внешней памяти системы можно оценив какой объем памяти будет занимать типовой проект и сколько времени он должен находиться в оперативном режиме. Владея этими сведениями можно определить объем внешней памяти. При этом следует учитывать, что на дисках должна быть размещена операционная система и иные служебные программы. Если планируется создание экспертной системы или параметрических программ необходимо зарезервировать место для баз данных или знаний. Системные программы и базы обычно данных занимают 1/3…1/4 всего объема памяти, отведенной под системы АП. Следует планировать резерв около 40% от расчетного, для дальнейшего развития системы.

Для массового и крупносерийного высокоавтоматизированного и механизированного производства система АП должна обеспечивать: двумерное черчение; твердотельное моделирование; технологическую подготовку производства; проведение исследований твердотельных моделей; оценку объема сбыта и обмен информацией с потребителями продукции; возможность анализа электронных схем.

Для мелкосерийного и единичного высокотехнологичного производства система АП должна обеспечивать: твердотельное моделирование; технологическую подготовку производства с выдачей управляющих программ для оборудования; проведение исследований твердотельных моделей в том числе и возможность моделирования движения; проектирование печатных плат.

Для массового производства с низкой степенью механизации и автоматизации система АП должна обеспечивать: двумерное проектирование; твердотельное моделирование; проведение исследований твердотельных моделей; технологическую подготовку производства.

Для мелкосерийного и единичного производства с низкой степенью механизации система АП должна обеспечивать: двумерное проектирование; технологическую подготовку производства.

Например, АО АвтоВАЗ, предприятие с массовым высокоавтоматизированным и механизированным производством, для двумерного проектирования практически во всех подразделениях внедрил систему AutoCAD. Твердотельное моделирование, технологическая подготовка производства и исследование моделей осуществляется в т.н. «тяжелых» системах Unigraphics, Pro\Engineer, CATIA. Систему CATIA применяют для создания твердотельной модели автомобиля, Unigraphics - для проектирования оснастки в опытно-промышленном производстве, Pro\Engineer - для проектирования сварочной оснастки. Обращает внимание, что завод не остановил свой выбор на какой-то одной системе. Это безусловное неудобство, признаваемое как производственным персоналом, так и руководством предприятия. Внедрить какую-то одну систему в рамках завода не получилось из-за масштабов и сложности организации производства.

Двумерное проектирование приобретает особое значение, если проектируется продукция, подлежащая сборке из покупных изделий, и не предусматривается применение роботов для сборки. В этом случае программно-управляемое оборудование не используется, и трехмерная модель, необходимая для разработки программ для станков с ЧПУ, не играет важной роли. Однако системы, обладающие мощными средствами создания трехмерных моделей, в некоторых случаях испытывают затруднения при построении двумерных чертежей. Иногда меньше времени уходит на разработку таких чертежей за кульманом. В то же время при разработке, например, штампов обработка сложных поверхностей производится на станках с ЧПУ. При этом нет особой необходимости в двумерных чертежах. Система АП должна соответствовать потребностям предприятия, и незачем переплачивать за ненужные функции.

3.3 Включение в САПР систем искусственного интеллекта

Отдельно определяется необходимость использования систем искусственного интеллекта и экспертных систем. Искусственный интеллект и методы его программирования в принципе отличаются от обычных программных систем и приемов программирования. Возможности системы, содержащей элементы искусственного интеллекта, отличаются от возможностей обычных систем программного обеспечения. Системы искусственного интеллекта могут:

- решать класс проблем, требующих различных методов или способов решения (не одним алгоритмом);

- делать выводы по проблемам, не разрешаемым на основе существующих моделей или здравого смысла;

- логически делать выводы из данных при наличии неполной или статистически ограниченной информации;

- обучать операторов (человека) и оценивать их производительность и качество работы;

- превосходить человека по производительности при решении определенного класса задач;

- приобретать новые способности т.е. обучаться.

В производственной практике наиболее широко применяются системы искусственного интеллекта в робототехнике для распознавания образов, программирования роботов. Особое место уделяется методам распознавания образов. Алгоритмы, реализующие эти методы, являются основной частью систем машинного или технического зрения.

Экспертные системы (ЭС) являются самостоятельным направлением в рамках искусственного интеллекта. Задачи этого направления - исследование и разработка программ, использующих знания для решения задач, являющихся трудными для людей-экспертов.

Экспертные системы манипулируют знаниями, в отличие от обычных программ, манипулирующих данными. Они должны хранить знания профессионалов-экспертов в некоторой предметной области и передавать их тем, у кого таких знаний нет. Экспертная система должна иметь глубокие знания, она должна эффективно работать в узкой предметной области, содержащей трудные, нетривиальные задачи. Знания в экспертных системах принимают форму фактов или правил. Иногда существует некоторая степень неуверенности в достоверности факта или точности правила. Экспертные системы могут делать ошибки, но, если для решения той же задачи применить традиционную программу, она тоже сделает ошибку. Однако такую ошибку чрезвычайно трудно исправить.

Экспертные системы создаются для решения разного рода проблем, но основные типы их деятельности можно сгруппировать в следующие категории.

1. ЭС, выполняющие интерпретацию как правило, используют информацию от датчиков для описания ситуации. Например, интерпретацию показаний измерительных приборов для определения состояния процесса. Интерпретирующие системы имеют дело не с четкими символьными представлениями проблемной ситуации, а непосредственно с реальными данными. Они сталкиваются с затруднениями, которых нет у систем других типов, т.к. им приходится обрабатывать информацию зашумленную, недостаточную, неполную, ненадежную или ошибочную.

2. ЭС, осуществляющие прогноз, определяют вероятные последствия заданных ситуаций. Системы прогнозирования иногда используют имитационное моделирование, т.е. программы, которые отражают причинно-следственные взаимосвязи в реальном мире, чтобы сгенерировать ситуации или сценарии, которые могут возникнуть при тех или иных входных данных. Специалисты ИИ пока что разработали сравнительно мало прогнозирующих систем, возможно потому, что очень трудно взаимодействовать с имитационными моделями и создавать их.

3. ЭС, выполняющие проектирование, разрабатывают конфигурации объектов с учетом набора ограничений, присущих проблеме. В проектировании систем часто используются синтез для разработки отдельных частей проекта и имитационное моделирование с целью верификации и тестирования идей, заложенных в проект. Учитывая то, что проектирование столь тесно связано с планированием, многие проектирующие системы содержат механизмы разработки и уточнения планов для достижения желаемого проекта. Система проектирования может избежать ненужных поисков, создавая планы разработки желаемой конфигурации и оценивая их в контексте проблемных требований.

4. ЭС, занятые планированием, проектируют действия; они определяют полную последовательность действий, прежде чем начнется их выполнение. Планирующие ЭС зачастую должны иметь способность к возврату, т.е. отвергать некоторую последовательность рассуждении или часть плана из-за нарушения ограничений задачи и возвращать управление назад к более ранней точке или ситуации, из которой анализ должен начаться заново. В некоторых планирующих системах задача планирования разбивается на подпроблемы и делается попытка упорядочить их так, чтобы избежать перепланирования, начинающегося с точки, в которой был сделан неудачный выбор.

5. Экспертные системы, которые осуществляют наблюдение, сравнивают действительное поведение с ожидаемым поведением системы. Наблюдающие ЭС подыскивают наблюдаемое поведение, которое подтверждает их ожидания относительно нормального поведения или их предположения о возможных отклонениях. Наблюдающие ЭС по самой своей природе должны работать в режиме реального времени.

6. ЭС, выполняющие отладку, находят рецепты для исправления неправильного поведения устройств. Многие существующие отладочные системы работают с простыми таблицами связей между типами неисправностей и предлагаемыми рецептами их исправления, но общая проблема отладки очень трудна и требует проектирования рецептов восстановления и их оценивания через прогнозирование их эффективности. Отладочные системы часто включают диагностические компоненты для определения причин неисправностей.

7. ЭС, реализующие ремонт, следуют плану, который предписывает некоторые рецепты восстановления. Пока что было разработано очень мало ремонтных ЭС отчасти потому, что необходимость фактического выполнения ремонтных процедур на объектах реального мира дополнительно усложняет задачу. Ремонтным системам также необходимы диагностирующие, отлаживающие и планирующие процедуры для производства ремонта.

8. ЭС, выполняющие обучение, подвергают диагностике, «отладке» и исправлению («ремонту») поведение обучаемого. Обучающие системы создают модель того, что обучающийся знает и как он эти знания применяет при решении проблемы. Системы диагностируют и указывают обучающемуся его ошибки, анализируя модель и строя планы исправлений указанных ошибок. Они исправляют поведение обучающихся, выполняя эти планы с помощью непосредственных указаний обучающимся.

9. ЭС, осуществляющие управление, адаптивно руководят поведением системы в целом. Управляющие ЭС должны включать наблюдающие компоненты, чтобы отслеживать поведение объекта на протяжении времени, но они могут нуждаться также и в других компонентах для выполнения любых или всех из уже рассмотренных типов задач: интерпретации, прогнозирования, диагностики, проектирования, планирования, отладки, ремонта и обучения.

Все вышесказанное может создать представление, что экспертные системы -- это нечто глобальное, предназначенное для решения сложнейших задач, и ориентированное, скорее, на научно-исследовательские организации. Это не совсем так. Например, экспертная система ASWARE, разработанная институтом электросварки им. Патона Национальной академии наук Украины, позволяет подобрать наплавочный материал и режимы электродуговой наплавки для восстановления обширной номенклатуры изношенных деталей. Стоимость экспертной системы ASWARE в пределах $3000, для ее функционирования достаточно маломощного персонального компьютера с оперативной памятью 16 МВ и более, на жестком диске система занимает 10 МВ. Таким образом, любое ремонтное предприятие в состоянии приобрести систему ASWARE и успешно ее эксплуатировать.

На этапе выбора архитектуры системы важно учесть интересы всех подразделений предприятия, затронутых АП. Поэтому необходимо обеспечивать открытый обмен информацией между подразделениями, службой САПР и руководством предприятия.

3.4 Анализ рынка систем автоматизированного проектирования

3.4.1 Рынок программного обеспечения

На втором этапе необходим тщательный и исчерпывающий анализ рынка средств АП. Временные рамки данного этапа для различных видов АП могут составлять от нескольких месяцев до года. Наиболее широко рынок предлагает системы автоматизации чертежных работ. Так обзор московского рынка программных продуктов, проведенный в мае 2001 года, выявил наибольшее предложение AutoCAD R14/2000, разработка фирмы Autodesk. Хотя AutoCAD 2000 имеет возможности трехмерного моделирования, в основном его функции касаются двумерного моделирования. Для поддержки AutoCAD 2000 рынок предлагает значительное число приложений: проектирование электрооборудования; проектирование гидро- и пневмосетей; средства общения конструкторов в реальном времени проектирования с возможностью одновременной работы над одним чертежом и т.д.

...