Системный подход к проектированию

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью учебного пособия является обобщение и систематизации учебно-методического обеспечения по дисциплине «Информационные технологии проектирования РЭС. Часть1. Основы САПР» для студентов, обучающихся по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств» специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» очной и заочной форм обучения с нормативным сроком обучения

В учебном пособии отражена методика изучения курса, изложены теоретические основы, необходимые для его успешного усвоения в комплексе с задачами, примерами, тестовыми заданиями и вопросами для самопроверки, что обеспечивает комплексную методическую поддержку самостоятельного изучения дисциплины.

В состав учебного пособия входят разделы:

- развёрнутый теоретический материал, удобно структурированный в соответствии с разделами РУП, сопровождающийся примерами, иллюстрациями и справочными материалами, а также, в необходимом объёме, вопросами для самостоятельного контроля знаний студентами;

- методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов (СРС) в ходе изучения курса, а также задания и методические указания по выполнению контрольных работ;

-      рабочая программа учебного курса (РУП);

- глоссарий по разделам учебной дисциплины;

- примерные тестовые задания для промежуточного и итогового контроля знаний студентов;

-контрольно-измерительные материалы по дисциплине в виде вопросов к экзаменационным билетам.

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования к минимуму содержания и уровню подготовки специалиста направления 210200 «Проектирование и технология электронных средств», специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» по курсу «Информационные технологии проектирования РЭС»: основы автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов РЭС; принципы автоматизации проектирования: системы автоматизированного проектирования (САПР) РЭС; виды обеспечения САПР РЭС; технические средства САПР и их развитие; математические модели объектов проектирования; методы автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов различного уровня иерархии.

Целью изучения дисциплины является овладение теоретическими знаниями, практическими навыками и умениями выполнения задач деятельности специалиста конструктора-технолога РЭС по экспериментально-статистическому исследованию, моделированию и оптимизации, обеспечению качества и надежности, а также освоение методологии автоматизированного проектирования конструкций и технологии РЭС, способов формирования и реализации основных видов обеспечения САПР.

Изучение дисциплины  ²Основы САПР² опирается   на  курсы  ²Математика², ²Физика², ²Информатика².  Выполнение  расчётных и  лабораторных  заданий  предусматривает  знание студентами   программирования и вычислительных методов, а также наличия навыков   работы с ЭВМ. Материалы данной учебной дисциплины используются при   изучении основных теоретических курсов специальности 210201, в том числе учебных дисциплин "Информационные технологии проектирования радиоэлектронных средств" ²Основы  проектирования  РЭС²,    ²Основы   автоматики и САУ², ²Технология РЭС², ²Теплофизическое проектирование РЭС².

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать архитектуру САПР, методы и средства формализованного описания конструктивных модулей РЭС с учетом заданных моделей технологических процессов, методы и средства автоматизированного проектирования конструкций РЭС и технологи

ческих процессов их изготовления, методы и способы анализа и проверки конструктивных узлов;                     

иметь представление о методах и средствах совершенствования САПР, знать принципы построения основных видов обеспечения САПР;

изучить математическую постановку задач анализа и синтеза конструкций и технологии РЭС, методы структурной и параметрической оптимизации в САПР;

знать методы автоматизации, применяемые для решения типовых задач синтеза конструкций РЭС;

иметь представление о принципах построения математических моделей и алгоритмов автоматизированного проектирования технологических процессов.

Основываясь на полученных знаниях, студенты должны уметь:

осуществлять выбор адекватной модели объекта проектирования;

решать задачи выбора наиболее эффективного метода анализа данной модели;

формировать многокритериальные модели задач оптимизации и проводить их решение на ЭВМ с учетом технико-экономических ограничений.

 

 

Основные понятия САПР

В современных условиях всё более возрастает потребность в электронных средствах с высокими технико-экономическими характеристиками, способных работать в сложных условиях при наличии различных воздействий: температуры, влаги, механических нагрузок. Это приводит к значительному усложнению РЭС и к увеличению сроков проектирования.

В условиях быстрого развития технического прогресса это приводит к быстрому старению РЭС, вплоть до того, что разработанное изделие морально устаревает до начала его серийного выпуска. Дробление задачи разработки на более простые, увеличение штата разработчиков не дают хороших результатов из-за возникающих неувязок, нестыковок и согласований, трудностей управления большим коллективом. Только применение ЭВМ позволило решить данную проблему, сократив время и повысив качество проектирования.

При этом решение проблемы автоматизации проектирования заключается не в ускорении расчетов до уровня, обеспечивающего перебор всех вариантов, а в разработке и применении методов моделирования и оптимизации (прежде всего вероятностно-статистических) для организации направленного поиска варианта, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям технического задания (ТЗ) без анализа всех возможных решений .

Поэтому актуальной задачей для будущего специалиста конструктора-технолога РЭС является овладение теоретическими знаниями, практическими навыками и умениями выполнения задач деятельности по экспериментально - статистическому исследованию, моделированию и оптимизации, обеспечению качества и надежности РЭС, а также освоение методологии автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов производства РЭС, способов формирования и реализации основных видов обеспечения САПР, а также получение навыков практического решения типовых задач конструкторско-технологического проектирования методами и средствами САПР.

Вопросы автоматизированного проектирования (САПР) - это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователями системы). Участие человека в процессе проектирования является фактором, определяющим отличие автоматизированной системы от автоматической.

Цель автоматизации проектирования - повысить качество, снизить материальные затраты, сократить сроки проектирования и ликвидировать рост количества инженерно-технических работников, занятых проектированием. Как самостоятельное научно-техническое направление автоматизация проектирования появилось сравнительно недавно. Процесс ее становления, разработка теории и методов и обобщение практических достижений продолжается и в настоящее время.

Сейчас под автоматизацией проектирования понимается систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов машинного решения задач. Наилучшая форма организации процесса автоматизации проектирования достигается при применении систем автоматизированного проектирования (САПР).

В ГОСТ 23501.0-79 "Система автоматизированного проектирования. Основные положения" дано следующее определение САПР: "САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющую автоматизированное проектирование".

               2. Концепция построения САПР

САПР состоит из нескольких составных частей (видов обеспечения), называемых (ГОСТ 22.487-77): математическое, программное, лингвистическое, информационное, техническое, методическое и организационное обеспечение.

Математическое, лингвистическое, информационное и программное обеспечения обычно объединяются в программно-информационное обеспечение, которое в конечном итоге воплощается в виде программ и сопровождающей документации. На практике на программно-информационное обеспечение, как правило, приходится основная трудоемкость разработки САПР (до 75%). Организационное обеспечение и методическое обеспечение часто объединяют вместе и называют организационно-методическое обеспечение. Оно включает в себя весь комплекс обеспечивающих мероприятий, а также техническую документацию, регламентирующую и организующую процесс автоматизированного проектирования применительно к условиям конкретной проектной организации. Структура видов обеспечения САПР представлена на рис. 2.1.

По назначению САПР, в общем случае, подразделяют на следующие: уникальные, универсальные, комплексные и специализированные.

Уникальные САПР - это САПР, создаваемые для проектирования сложных объектов (например, для проектирования ЭВМ с предельными характеристиками) и выполняющие задачу обеспечения заданных сроков и качества разработки.

Универсальные САПР - это САПР, создаваемые для проектирования широкого класса объектов (например, блоков и стоек РЭС). Такие САПР могут быть настраиваемыми по

ряду характеристик (по виду технологии изготовления, по виду базовой конструкции) и "жесткой" структуры, рассчитанной на определенные характеристики проектируемых изделий. Универсальность таких САПР подразумевает наличие в них типового ядра, которое может

 

 

Рис. 2.1. Структура видов обеспечения САПР

 

адаптироваться к условиям различных предприятий при той или иной степени доработки.

Комплексные САПР - это САПР, предназначенные для проектирования изделий высокой функциональной и технологической сложности (например, элементной базы РЭС). При этом центр тяжести проблемы перемещается на разработку моделей физических процессов, происходящих в изделиях, в то же время необходимо сопряжение с технологическим оборудованием, на котором производится изготовление изделий.

Специализированные САПР - это САПР, создаваемые под отдельные виды работ (например, проектирование печатных плат или микросборок и т.д.). Они носят наиболее массовый характер и могут строиться на различных средствах вычислительной техники, но всегда увязываются с технологическим оборудованием, предназначенным для изготовления и контроля РЭС.

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, внедрение САПР требует значительных капиталовложений. В настоящее время уже создан ряд САПР: системы, функционирующие в радиопромышленности, в электронной промышленности, в машиностроении, в строительстве и в других отраслях. Опыт разработки САПР позволяет выделить следующие принципы их построения:

1. САПР - это человеко-машинная система.

2. САПР - это иерархическая система, реализующая комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования.

3. САПР - это совокупность информационно согласованных подсистем.

4. САПР - это открытая и развивающаяся система.

5. САПР - это система, совмещающая традиционное и автоматизированное проектирование.

Базовыми средствами, с помощью которых реализуются другие виды обеспечения CАПР, являются технические средства, а основой технических средств является ЭВМ.

В связи с указанным, к техническому обеспечению автоматизации проектирования предъявляются следующие требования:

1) удобство использования  инженерами- проектировщиками, возможность оперативного взаимодействия инженеров с ЭВМ;

2) достаточная производительность ЭВМ для решения задач всех типов всех типов проектирования за приемлемое время;

3) возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей

4) открытость комплекса технических средств для расширения и модернизации системы по мере прогресса техники;

5) высокая надежность, приемлемая стоимость и.т.д.

Удовлетворение перечисленных требований возможно только в условиях организации технического обеспечения в виде специализированной вычислительной системы, допускающей функционирование в нескольких режимах. Первое из указанных требований к техническим средствам (ТС) САПР обусловливает включение в комплекс ТС как стандартного комплекта внешних устройств ЭВМ, так и дополнительных устройств оперативного ввода – вывода информации. Этот комплекс внешних устройств устанавливается в помещении проектного подразделения и называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) проектировщика.

Состав АРМ зависит от характера задач, решаемых в проектном подразделении. Так, для инженеров, занятых функционально - логическим проектированием, и инженеров-конструкторов оптимальный состав внешних устройств неодинаков. Конструкторы, в частности, в значительно большей мере связаны с обработкой информации в виде чертежей, для них важно наличие развитых средств машинной гра­фики.

В общем случае комплекс технических средств предназначен для решения в процессе проектирования следующих задач: ввод исходной информации об объекте и необходимых процедурах проектирования, отображения, преобразования и хранения информации, создание условий для эффективного диалога пользователя системой, документирование проектных решений и некоторых других. 

Значительное увеличение вычисли­тельной мощности (быстродействия, объема памяти, снижения стоимости) персональных ЭВМ, наличие высококачественного программного обеспечения привело к резкому изменению такого положения в области технических средств САПР, то есть привело к широкому использованию ПЭВМ для автоматизации проектирования. Были разработаны и выпускаются различные периферийные устройства с высокими техническими характеристиками.

Эффективность применения САПР при проектировании РЭС определяется целым рядом факторов:

- уровнем теоретической подготовки и практических навыков проектировщика, использующего данную САПР;

- применением современных методов моделирования и оптимизации, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям технического задания (ТЗ);

- применением комплекса технических средств САПР, максимально отвечающим требованиям, предъявляемым к решению поставленной задачи (как правило, требуется максимальная производительность, наличие определенных интерфейсных средств и т.п.)

Основой комплекса технических средств автоматизации проектирования является ЭВМ. Любая ЭВМ, в том числе и персональная, представляет собой сложную систему взаимосвязанных технических средств, спо­собных принимать, хранить, перерабатывать и выдавать информа­цию с помощью вычислительных и логических операций по опре­деленному алгоритму или программе.

Решение задач на ПЭВМ, т.е. вычислительный процесс, проводится по определенным правилам. Любая задача, подготавливаемая для решения на ПЭВМ, представляется в виде одной или многих ма­тематических зависимостей. Кроме исходных данных, вводимых в ПЭВМ при решении задачи, возникает необходимость в использо­вании алгоритма - совокупности точных предписаний (правил), определяющих вычислительный процесс. Программа, представляю­щая собой алгоритм решения задачи, записанный на каком-либо формализованном языке, определяет, какие действия и в какой последовательности должна выполнить машина над исходными дан­ными и промежуточными результатами.

В необходимых случаях, например в профессиональных ПЭВМ, рабочих станциях, комплект технических средств может быть расширен путем подключения дополнительных устройств, как центральных, так и периферийных. К дополнительным пери­ферийным устройствам обычно относят:

1) графические устройства ввода, включая манипуляторы раз­личных типов, обеспечивающие ввод графических координат для последующей обработки средствами машинной графики, а также графические планшеты и сканеры;

2) графопостроители, используемые для построения чертежей и других графических и текстовых документов с высокой точностью отображения;

3) устройства получения твердой копии, позволяющие получать на бумаге копии изображений (в том числе и цветных) с экрана дисплея;

4) модемы для связи ПЭВМ с линиями передачи данных;

5) контроллеры локальных сетей и др.

Современные технические сред­ства ПЭВМ позволяют создавать достаточно мощные вычислитель­ные системы самого разного назначения: автоматизированной об­работки данных, управления, автоматизации проектирования и про­изводства, обучения и т. д.

Особенности ЭВМ, применяемых в САПР, определяются главным образом теми задачами, на решение которых ориентирована данная система.

К наиболее распространенным особенностям можно отнести: максимально высокую производительность (для сокращения сроков разработки и повышения точности) и максимальную разрешающую способность средств отображения информации (мониторов, плоттеров, принтеров).

Важное значение для профессиональных ПЭВМ имеет возможность использования в них средств машинной графики, т. е. аппаратуры, методов и приемов для преобразования с помощью ПЭВМ данных в графическое представление, и наобо­рот – графического представления в данные.

Наиболее быстрые и эффективные преобразования элементов графических изображений в соответствующие им цифровые коды координат вводимых точек (дискретизация изображения) и ввод этих кодов в ПЭВМ осуществляются графическими устройствами ввода.

Процесс преобразования графической информации в цифровую форму состоит из двух этапов - считывания и кодирования (рис. 2.2).

      При считывании происходит распознавание графических элементов (точка, линия, эле­ментарный фрагмент) и определяется его координата в принятой системе координат.

 

 

 

Рис. 2.2. Процесс преобразования графической информации

в цифровую форму

 

 

Считанная информация при кодировании по определенным правилам принимает вид цифрового кода.

Основными характеристиками графических устройств ввода яв­ляются размеры рабочего поля, скорость и точность считывания, тип интерфейсов, энергопотребление, надежность, массогабаритные характеристики, стоимость и др.

Различают аппаратную и реальную скорости преобразования информации.

Аппаратная скорость - это максимальная скорость считывания, т. е. число пар координат, формируемых графическим устройством ввода за единицу времени.

Реальная скорость преоб­разования может отличаться от аппаратной, например в полуавтоматических устройствах она определяется темпом работы пользо­вателя.

Точностными характеристиками являются погрешность считыва­ния, разрешающая способность (дискретность) и повторяемость.

Погрешность считывания определяет максимальное отклонение значений координат точки от истинного по всему рабочему полю графического устройства.

Разрешающая способность характеризует кратчайшее расстояние между двумя точками на каждой оси ко­ординат графического устройства ввода, результаты измерения ко­торых различаются на единицу младшего разряда цифрового кода.    

Повторяемость - это максимальный разброс результатов изме­рения координат в любой точке рабочего поля по отношению к их среднему значению.

Минимальное значение повторяемости равно по модулю разрешающей способности.

Графические устройства ввода подразделяются по способу ввода на полуавтоматические и автоматические (рис. 2.3).

В полуавтоматических графических устройствах ввода поиск и выделение элементов изображения производятся пользователем с помощью специального органа съема - указателя координат, щупа, визиря, датчика и т.п., а преобразование выделенного пользователем элемента - кодирование - автоматически специальным электрон­ным блоком.

В автоматических устройствах преобразование производится без участия пользователя - либо сканированием всей поверхности носителя графической информации, либо слежением за линией или границей с различной яркостью и цветностью.

В настоящее время полуавтоматические устройства ввода имеют широкую номенклатуру и применяют достаточно простые методы считывания, снижающие их стоимость и повышающие на­дежность.

 

 

Рис. 2.3. Классификация графических устройств ввода

 

 

По принципу определения координат полуавтоматические устройства ввода подразделяют на электромеханические, оптомеханические, сеточные (индукционные, емкостные), резистивные, звуковые, ультразвуковые, магнитострикционные и др. По конструктивному исполнению различают электромеханические устройства с подвижной координатной системой и электронные со свободно перемещаемым ука­зателем координат (манипулятором).

Один из простых способов оцифровывания графической информации для ввода ее в ПЭВМ - применение в качестве указателя координат манипуляторов, например типа «мышь», «трекболл».

Основным недостатком полуавтоматических графических уст­ройств ввода является резкое снижение скорости оцифровывания при вводе графической информации в большом объеме или большой плотности. Эта зависимость от объема и плотности информации значительно уменьшается при использовании автоматических гра­фических устройств ввода.

В автоматических графических устройствах ввода используется следящий или сканирующий (развертывающий) метод преобразо­вания. В первом случае рабочий орган устройства ввода отслеживает границу заданной кривой, перемещаясь с постоянной скоростью по оси абсцисс. Во втором случае рабочий орган осуществляет сканирование изо­бражения с некоторым шагом по оси абсцисс, в результате фикси­руются ординаты точек пересечения сканирующим лучом заданной кривой. В настоящее время широкую популярность приобрели сканирующие устройства ввода - сканеры. Обязательными компонентами сканеров являются рабочий орган считывания, система закрепления или перемещения вводимого документа, устройство управления (контроллер), про­граммные средства.

Сканеры выполняются в основном в четырех различных ва­риантах. В первом используется плоский планшет. Страница вво­димого документа закрепляется на плате из стекла, а рабочий орган движется вдоль страницы. Плоские сканеры удобны при вводе графики, так как страница может быть нестандартного размера. В этом случае точность считывания зависит от точности перемещения рабочего органа. Однако плоские сканеры занимают достаточно много места возле ПЭВМ. В сканерах второго типа рабочий орган неподвижен, а вводимый документ перемещается перед окном рабочего органа. Для движения документа исполь­зуются различные механизмы: барабанного типа, «тракторного» и др. Такие сканеры удобны для ввода многостраничных доку­ментов, поскольку они «чувствуют» страницы. Барабанные ме­ханизмы перемещения уменьшают габаритные размеры и массу сканеров. Достоинством является также возможность ввода до­кументов с рулонного носителя. Все более популярным становится третий тип - «ручные» сканеры. Рабочим органом в них является малогабаритный датчик, размещаемый в руке, который, подобно манипулятору типа «мышь», можно двигать или катить по бумаге. Такие сканеры сравнительно дешевы и позволяют вводить в ПЭВМ информацию со сложных поверхностей реальных объектов. В сканерах четвертого типа датчик считывания включается в регистрирующий орган печатающего устройства или графопо­строителя.

Недостатком автоматических графических устройств ввода яв­ляется то, что при считывании наряду с необходимой информацией вводятся и дефекты оригинала, особенно при считывании старых чертежей.

Графопостроители - уст­ройства вывода информации из ЭВМ, предназначенные для преоб­разования и записи данных в графической форме на носителе данных. Графическая форма (чертежи, образы, графики, диаграммы, гистограммы и т. п.) представления информации – одна из наиболее распространенных и удобных для человека и по сути единственная, применяемая в качестве технической документации.

По конструктивному исполнению выделяют три основных вида графопостроителей: планшетные, ба­рабанные и роликовые.

По размеру выводимых графических изображений различают крупноформатные (форматы носителя АО, А1 по ГОСТ 2.301-68), среднеформатные (форматы А1, А2) и малоформатные (форматы A3 и А4) графопостроители. В зависимости от производительности все графопостроители подразделяют на графопостроители высокой и средней производительности, для ПЭВМ профессио­нального применения, для ПЭВМ массового применения.

К устройствам оперативного отображения информации относятся главным образом мониторы используемых ЭВМ, но это так же могут быть световые индикаторы, индикаторные табло и т.п. устройства различных специализированных автоматизированных систем, используемых при проектировании.

В процессе проектирования, производства, а также для обеспечения эксплуатации и ремонта РЭС выпускают различные технические документы. Всю эту документацию можно разделить на три основные группы: конструкторскую, технологическую и нормативно-технологическую (рис. 2.4).

Конструкторская документация – это совокупность документов, которые полностью и однозначно определяют все необходимые и достаточные данные для изготовления, наладки, приёмки, эксплуатации и ремонта как изделий в целом, так и всех её составных частей.

При автоматизированном конструировании изделий основной комплект конструкторских документов, как правило, не изменяется. Однако для обеспечения автоматизированного

 

 

Рис. 2.4. Структура проектной документации

 

изготовления и контроля изделий могут создаваться документы как в традиционном виде (на бумаге, кальке), так и в нетрадиционном – на магнитных носителях (перфоленте, магнитной ленте, дисках).

Технологические документы в отдельности или в совокупности определяют технологический процесс изготовления (сборки), ремонта изделия и его составных частей, а также содержат необходимые достаточные данные для организации производства.

Разнообразие технологических процессов, используемых при производстве (от изготовления электронных элементов до печатных плат, электромонтажа и сборки изделий), приводит к необходимости учёта этого обстоятельства при разработке технической документации.

Очень важной группой технических документов, используемых при проектировании и производстве, является группа нормативно-технических документов. Они обеспечивают: единство подхода к разработке, изготовлению и эксплуатации изделий; техническую, информационную и программную совместимость; необходимые качественные показатели изделий и удешевление последних; сокращения сроков проектирования и производства и т.п.

Группа нормативно-технических документов, используемая в пределах одной разработки, представляет собой комплекс взаимосвязанных стандартов различного уровня (государственных, республиканских, отраслевых, предприятия), а также руководящих материалов.

При проектировании и производстве используются как стандарты относящиеся непосредственно к производимой технике, так и стандарты устанавливающие во всех организациях и предприятиях независимо от объёма проектирования и производства единые правила оформления документации, подготовки производства и т.п.

Особую роль в группе нормативно-технических документов при конструировании и производстве играют государственные стандарты, входящие в Единую систему конструкторской документации (ЕСКД), Единую систему технологической документации (ЕСТД), Единую систему программной документации (ЕСПД). Их основное назначение заключается в установлении во всех организациях и на всех предприятиях единых правил выполнения документации.

ЕСКД – комплекс Государственных стандартов, устанавливающий виды изделий, виды и комплектность конструкторских документов и требований к ним. К ЕСКД относятся графические и текстовые документы, определяющие в отдельности или в совокупности состав и устройство изделия, контроля, эксплуатации и ремонта. Стандарты ЕСКД определяют комплектность и формы документов на всех этапах разработки изделия.

ЕСТД – комплекс Государственных стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения текстовой и технологической документации.

Правила составления и оформления программных документов на ЭВМ устанавливаются ЕСПД.

Основные требования к САПР по выпуску конструкторско-технологической документации:

1) при выборе форм и форматов выходных документов необходимо максимально учитывать стандарты, принятые в ЕСКД и ЕСТД;

2) система должна по возможности выдавать весь набор конструкторско-технологической документации, который получается при неавтоматизированном проектировании, и еще дополнительно конструкторско-технологическую докумен-тацию для этапов контроля изделия;

3) машинные формы конструкторско-технологической документации должны обеспечивать не только автома-тизированные, но и ручные методы обращения документации и изготовления оборудования (т.е. учет, хранение, внесение изменений, поиск, передача и т.д.);

4) основные графические документы целесообразно выполнять базовым способом.

С точки зрения формирования всю выпускаемую техническую документацию можно классифицировать следующим образом:

– документы, содержащие только буквенно-цифровую информацию (цифры, буквы, символы). К ним относятся ведомости и спецификации;

– документы, содержащие наряду с буквенно-цифровой информацией и графическую информацию. Сюда относятся сборочные чертежи, чертежи печатных плат, схемы;

– технологические документы в электронном виде для управления технологическим оборудованием для изготовления и контроля печатных плат. Сюда относятся файлы управления координатографом для изготовления фотооригиналов печатных плат, сверлильным автоматом, устройством контроля печатного монтажа.

По способам оформления КД разделяют на схемную и чертежную (графическую), табличную и описательную (текстовую). Одна из важнейших проблем совершенствования ЕСКД и ЕСТД – разработка правил, учитывающих специфику автоматизированного проектирования.

       Для организации архива документов особенно перспективны устройства для микрофильмирования. Оно позволяет создать фонды документов, занимающих малые объемы с использованием ручного и автоматизированного поиска. Благодаря компактности архивов на микроносителях имеется возможность создания страховых фондов, систем автоматизированного поиска, копирования, внесения изменений, выдачи и дистанционной передачи документов.

       В целом высокая эффективность автоматизации выпуска КД в САПР объясняется следующим:

       1) проектировщик освобождается от утомительных графических работ, не требующих инженерной квалификации, и получает возможность непосредственно контролировать реализацию и точность выполнения своего проекта;

2) появляется возможность оперативного внесения изменений в проект путем редактирования данных в памяти ЭВМ с последующей автоматической выдачей модифицированных документов.

В процессе проектирования и производства используются различные виды конструкторских и технологических документов.

К графическим конструкторским документам относятся следующие виды чертежей: чертёж детали, сборочный чертёж, чертёж общего вида, теоретический чертёж, габаритный чертёж, электромонтажный чертёж, монтажный чертёж, схема, спецификация.

Кроме указанных выше в состав конструкторской документации входят также текстовые документы: различные ведомости, например ведомости спецификаций ссылочных документов, покупных изделий, разрешения применения покупных изделий, держателей подлинников и др. Важными документами, входящими в состав конструкторской документации являются также: пояснительная записка, технические условия, программа и методика испытаний, таблицы, расчёты, эксплуатационные документы, ремонтные документы, инструкции.

Кроме перечисленных окончательных документов в САПР КТД дополнительно может быть предусмотрена выдача ряда промежуточных документов, используемых для корректировки результатов отдельных этапов в диалоговом режиме. К ним относятся: сведения о результатах контроля исходной информации, список нереализованных цепей, и некоторые другие.

В зависимости от назначения технологические документы подразделяют на основные и вспомогательные. К основным относятся документы, полностью и однозначно определяющие технологический процесс (операцию) изготовления или ремонта, а также содержащие сводную информацию, необходимую для решения инженерно-технических, планово-экономических и организационных задач. Вспомогательные документы применяются при разработке, внедрении и функционировании технологических процессов и операций.

Состав применяемых видов документов определяется предприятием – разработчиком в зависимости от стадий разработки технологической документации, типа и характера производства. ГОСТ 3.1102–81 предусматривает следующие виды графических и текстовых технологических документов: карты технологического процесса (маршрутная, операционная, комплектовочная, эскизов и др.); технологическую инструкцию; различные ведомости (например, ведомости материалов, оборудования, оснастки и т.п.).

 

 

Системный подход к проектированию

Практические задачи автоматизации проектирования требуют глубокого изучения отдельных объектов. Большое число задач связано с исследованием сложных систем, таких, которые включают множество элементов, каждый из которых представляет собой достаточно сложную систему, и эти системы тесно взаимосвязаны с внешней средой. Изучение таких систем в естественных условиях ограничено их сложностью, а иногда бывает невозможным ввиду того, что нельзя провести натурный эксперимент или повторить тот или иной эксперимент.

В этих условиях порой единственным возможным методом исследования является моделирование (физическое, логическое, математическое). Без модели нет познания. Любая гипотеза - это модель. И правильность гипотезы о будущем состоянии объекта зависит от того, насколько правильно определили параметры исследуемого объекта и их взаимосвязи между собой и внешней средой.

Однако научное описание никогда не охватывает всех деталей, оно всегда выделяет существенные элементы структур и связей. Поэтому такое описание содержит обобщенную модель явлений. В настоящее время термин "общая теория систем" по предложению Л.Берталанфи трактуется в широком и узком смысле. Общая теория систем, понимаемая в широком смысле, охватывает комплекс математических и инженерных дисциплин, начиная с кибернетики и кончая инженерной психологией.
Аналогичная ситуация складывается и с теорией развития сложных систем. Ее также можно понимать в широком и узком смысле. В широком смысле теория развития сложных систем - это естественнонаучная конкретизация общей теории развития - материалистической диалектики. В рамках этой же теории должны быть объединены основные положения о поведении сложных систем, разработанные в различных областях научного знания, в результате чего может быть построена концептуальная модель процессов развития сложных систем различной природы. Более узкое понимание теории развития предполагает построение математических моделей развития конкретных систем (инженерных, биологических, экологических, экономических, социальных и т.п.). В этом случае объект исследования выделяется и анализируется конкретной научной дисциплиной.
   Особенность простых систем - в практически взаимной независимости их свойств, позволяющей исследовать каждое из них в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента; особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств (иногда она даже применяется как определение сложной системы).
Обычное для теории простых систем требование адекватности модели оригиналу для моделей сложных систем приводит к непомерному росту их размерности, приводящему к их неосуществимости. Математические модели любых систем могут быть двух типов - эмпирические и теоретические. Эмпирические модели - это математические выражения, аппроксимирующие (с использованием тех или иных критериев приближения) экспериментальные данные о зависимости параметров состояния системы от значений параметров влияющих на них факторов. Для эмпирических математических моделей не требуется получения никаких представлений о строении и внутреннем механизме связей в системе. Вместе с тем задача о нахождении математического выражения эмпирической модели по заданному массиву наблюдений в пределах выбранной точности описания явления не однозначна. Существует бесконечное множество математических выражений, аппроксимирующих в пределах данной точности одни и те же опытные данные о зависимости параметров.
Теоретические модели систем строятся на основании синтеза обобщенных представлений об отдельных слагающих их процессах и явлениях, основываясь на фундаментальных законах, описывающих поведение вещества, энергии, информации. Теоретическая модель описывает абстрактную систему, и для первоначального вывода ее соотношений не требуется данных о наблюдениях за параметрами конкретной системы.

Модель строится на основе обобщения априорных представлений о структуре системы и механизма связей между ее элементами. Для некоторых систем единственная возможность оценить правильность теоретической модели состоит в проведении численных экспериментов с использованием математических моделей. Поведение модели не должно противоречить общим представлениям о закономерностях поведения процессов.

Теоретическая модель описывает не конкретную систему, а класс систем. Поэтому проверка теоретической модели возможна при исследовании конкретных частично или полностью наблюдаемых систем. Затем проверенную таким образом теоретическую модель можно применять для описания и изучения конкретных ненаблюдаемых систем, относящихся к тому же  классу.

Большинство процессов столь сложно, что при современном состоянии науки очень редко удается создать их универсальную теорию, действующую во все времена и на всех участках рассматриваемого процесса. Вместо этого нужно посредством экспериментов и наблюдений постараться понять ведущие (определяющие) факторы, которые определяют поведение системы. Выделив эти факторы, следует абстрагироваться от других, менее существенных, построить более простую математическую модель, которая учитывает лишь выделенные факторы. К внешним факторам будем относить такие, которые влияют на параметры изучаемой модели, но сами на исследуемом временном отрезке не испытывают обратного влияния. Известно, что материальное единство мира находит свое отражение во взаимосвязи целого и его частей. До недавнего времени в естествознании преобладающим был подход, согласно которому часть всегда рассматривалась как более простое, чем целое. Новое направление - синергетика описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей. Она рассматривает окружающий материальный мир как множество локализованных процессов различной сложности и ставит задачу отыскать единую основу организации мира как для простейших, так и для сложных его структур. В то же время синергетика не утверждает, что целое сложнее части, она указывает на то, что целое и часть обладают различными свойствами и в силу этого отличны друг от друга.
В синергетике делается попытка описать развитие мира в соответствии с его внутренними законами развития, опираясь при этом на результаты всего комплекса естественных наук. Для нашего анализа представляется важным то, что одним из основных понятий синергетики является понятие нелинейности. Не только в процессе научного познания, но и в своей повседневной практике мы фактически сталкиваемся с различными проявлениями нелинейных закономерностей. Поведение нелинейных систем принципиально отличается от поведения линейных. Наиболее характерное отличие - нарушение в них принципов суперпозиции. В нелинейных системах результат каждого из воздействий в присутствии другого оказывается иным, чем в случае отсутствия последнего.
Математические исследования природы линейности и нелинейности так или иначе обусловливались потребностями развития физики и техники. Постановка задачи о нелинейности связана с именами Рэлея, Д'Аламбера, Пуанкаре, которые исследовали математическую модель струны и другие модели при помощи систем дифференциальных уравнений.
В 30-е годы XX в. на первое место в области обыкновенных дифференциальных уравнений встают проблемы качественной теории. Значительное влияние на ее развитие оказывают потребности физики, особенно нелинейной теории колебаний. Физикам Андронову и Мандельштаму принадлежит здесь целый ряд важных математических идей и разработок. Мандельштам первым обратил внимание на необходимость выработки в физике нового "нелинейного мышления". До его работ существовали лишь отдельные частные подходы к анализу отдельных нелинейностей в различных физических задачах. Роль Мандельштама состоит в том, что он отчетливо понял всеобщность нелинейных явлений, сумел увидеть, что возможности линейной теории принципиально ограничены, что за ее пределами лежит огромный круг явлений, требующих разработки новых нелинейных методов анализа.
Возникают вопросы: какова роль нелинейности, зачем необходимо разрабатывать нелинейные модели, если большое количество физических процессов можно объяснить с помощью линейных моделей или же свести нелинейные задачи к линейным? Ответ на эти вопросы состоит в следующем: линейные задачи рассматривают лишь рост, течения процессов, нелинейность же описывает фазу их стабилизации, возможность существования нескольких типов структур. В то же время нелинейность выражает тенденцию различных физических процессов к неустойчивости, тенденцию перехода к хаотическому движению. Таким образом, сочетание линейности и нелинейности (даже пока еще далеко не диалектическое) дает более адекватное отражение реальных процессов, так как с их помощью выражается единство устойчивости и изменчивости, являющееся ядром сущности всякого движения.
Синергетика, используя единство линейности и нелинейности, выражает в теории те аспекты материального единства мира, которые связаны с общими свойствами саморазвития сложных систем. Нелинейные уравнения, составляющие основу этой теории, позволяют с помощью достаточно простых моделей описывать самые различные материальные процессы. Причем, даже не решая этих уравнений, можно выработать представление о качественно новых чертах тех процессов, которые этими уравнениями описываются.
 Для выявления наиболее общих закономерностей поведения нужны макромодели, которые имеют наиболее высокий уровень обобщения. Возможно, такой моделью может быть модель процесса развития, построенная на основе информационной концепции. Построение такой модели проводилось в несколько этапов: концептуальная модель; модель процесса самоорганизации; собственно математическая модель, т.е. уравнение, описывающее поведение системы; машинная модель, реализующая алгоритм решения этого уравнения.

Современный научно-технический прогресс неизбежно приводит к повышению сложности РЭС. С другой стороны, ужесточаются требования к качеству и надежности, а также к срокам проектирования. В этих условиях традиционные методы неавтоматизированного (ручного) проектирования, которые основаны на приближенных (грубых) расчетах, интуиции разработчика РЭС и технологических процессов (ТП) их изготовления с обязательной последующей доработкой проекта по результатам испытаний макета или опытного образца, связаны с большими затратами времени и средств. Это происходит в основном из-за того, что трудно учесть взаимное влияние множества различных факторов, от которых зависит качество и надежность РЭС.

Преодолеть эти трудности позволяет применение принципов системного подхода к проектированию РЭС и ТП и использование вычислительных возможностей ЭВМ при проектировании. Основная идея системного подхода к проектированию заключается в том, что объект проектирования (ОП) рассматривается как сложная система, то есть в виде совокупности большого числа взаимосвязанных элементов. При этом сложная задача проектирования РЭС или ТП сводится к несколько более простым задачам проектирования их отдельных частей (элементов).

Основные принципы системного подхода к проектированию заключаются в следующем.

1. Если ОП рассматривается как сложная система, то каждый из его элементов может быть представлен в виде еще более простых элементов. И наоборот, сам ОП можно рассматривать как часть более сложной системы.

2. Система должна быть полной (замкнутой), т.е. связи между элементами, входящими в систему, должны быть более сильными, чем связи с элементами, не прошедшими в систему. Данное свойство обеспечивает автономное функционирование системы.

3. Свойства, которыми обладает система в целом, не есть простая сумма свойств ее элементов. Система всегда обладает новыми свойствами, не присущими ни одному из элементов. Это свойство называют свойством эмерджентности.

РЭС – наиболее общее название для изделий радиоэлектроники: означает техническое изделие, в основе которого лежат принципы радиотехники и радиоэлектроники. Любой ОП можно разбить на элементы по функциональной сложности, по конструктивной сложности, по виду задач, решаемых при проектировании.

Функциональные уровни сложности РЭС приведены на рис. 3.1.

 

 

Рис. 3.1. Функциональные уровни сложности РЭС

 

Радиоэлектронное устройство (РЭУ) – это РЭС виде функционально законченной сборочной единицы, которая выполнена на несущей конструкции и реализует функции приема, преобразования и передачи информации (пример – бортовой радиолокатор, состоящий в свою очередь из других РЭУ: антенной, передающее и приемное устройства, устройства обработки и отображения информации).

Радиоэлектронный комплекс (РЭК) – это РЭС в виде совокупности функционально связанных РЭУ, обладающим свойством изменения структуры в целях сохранения работоспособности (пример – радиолокационный комплекс, состоящий из дальномера, высотомера, устройства опознавания объекта, и при выходе из строя одного из них изменяются связи между этими устройствами так, чтобы сохранить работоспособность хотя бы при пониженной точности определения параметров).

Радиоэлектронная система (РЭ система) – это РЭС в виде совокупности функционально взаимодействующих автономных РЭК и РЭУ, обладающая свойством изменения структуры в целях наиболее полного использования входящих в нее средств нижних уровней (пример – система управления воздушным движением, включающая бортовой РЭК, наземный локационный и вычислительный комплексы, при этом в зависимости от условий воздушной обстановки выбирается оптимальная совокупность работающих РЭС).

 

 

Рис. 3.2. Классификация по виду задач, решаемых

при проектировании РЭС

 

 

Нулевой конструктивный уровень сложности (нулевой уровень) составляют изделия электронной техники (ИЭТ) и электротехнические изделия (ЭТИ) – микросхемы.

Первый уровень – радиоэлектронные ячейки или кассеты (типовые элементы замены (ТЭЗ) на ПП или ячейки).

Второй уровень – радиоэлектронные блоки или рамы, которые могут включать в себя и ячейки (кассеты), ИЭТ,ЭТИ.

Третий уровень – радиоэлектронные шкафы, пульты и стойки, в которые входят конструкции как второго, так и первого.

Классификация по виду задач, решаемых при проектировании РЭС, представлена на рис. 3.2.

Технологические системы разбивают на элементы двумя способами:

1) по организационному признаку: отдельные технологические агрегаты, автоматические линии, участки производства, цехи и т.д., например, автоматическая линия подготовки ЭРЭ к монтажу включает в себя отдельные станки-автоматы для обрезки, формовки и лужения ЭРЭ, транспортные и загрузочные устройства и т.п.;

2) по функциональному признаку: технологический процесс включает в себя метод обработки, применяемое оборудование, последовательность технологических операций (ТО), режимы обработки, методы контроля (рис. 2.7).

 

 

Рис. 3.3. Классификация технологических процессов

по функциональному признаку

При системном анализе РЭС и ТП рассматривают как ОП в виде «черного ящика», то есть применяется кибернетический подход к ОП.

В настоящее время применяется кибернетический подход к объекту проектирования, при котором он рассматривается как «чёрный ящик» (рис. 3.4).

Выходные характеристики Y = ( Y ₁ , …, Y_m ) – это параметры системы в целом, обычно показатели надежности и качества РЭС и ТП.

Внутренние параметры x = ( x ₁ , …, x_n ) – это параметры отдельных элементов, из которых состоит проектируемая система.

Например, при исследовании электрических процессов в РЭС выходными характеристиками могут быть коэффициент передачи, АФЧХ, импульсная и переходная характеристики, а внутренними параметрами будут проводимости, емкости, индуктивности и другие параметры элементов, входящих в эквивалентную схему РЭС .

На функционирование РЭС и ТП оказывают влияние различные электромагнитные, тепловые и механические возмущения. Принято их разделять на входные воздействия и внешние факторы.

 

 

 

Рис. 3.4. Эквивалентная схема РЭС

 

Входные воздействия W = ( W ₁ , …, W_S ) – переменные физические величины, которые вызывают появление или изменение рассматриваемого физического процесса в РЭС или ТП; при этом изменяются значения только тех параметров, которые зависят от переменных величин рассматриваемого процесса. Т.е. входное воздействие имеет ту же физическую природу, что и рассматриваемый процесс в ОП.

Например, для электрических процессов в РЭС входные воздействия – прикладываемые напряжения и токи; для механических процессов в РЭС входные воздействия – силовые ударные воздействия – температура окружающей среды и тепловой мощности, выделяемые радиоэлементами.

Внешние факторы Z = ( Z ₁ , …, Z_l ) – это физические величины, имеющие физическую природу, отличную от рассматриваемого физического процесса в ОП. При этом они вызывают изменяют параметров ОП независимо от входных воздействий.

Например, для электрических процессов внешними факторами, изменяющими электрические параметры РЭС, являются тепловой фактор (температурные потенциалы РЭ) и механический фактор (механические ускорения и внутренние механические напряжения и деформации), изменяющие значения физико-механических параметров конструкции; для тепловых процессов механически фактор – деформационные зазоры от вибраций между соприкасающимися поверхностями деталей конструкции РЭС (при этом увеличиваются контактные тепловые сопротивления).

Кроме того, для всех физических процессов действуют такие внешние факторы, как технологический фактор (разбросы значений параметров при изготовлении РЭС) и временной факторов (постепенные изменения в ОП из-за старения и износа). Эти факторы так же необходимо учитывать при проектировании.

Блочно-иерархический подход к проектированию является выражением системного подхода.

ОП разбивают на элементы (блоки), каждый из которых тоже разбивают на блоки и т.д. (рис. 3..5).

 

 

 

Рис. 3.5

 

Исходные данные для проектирования определяются на основе анализа техническое задания (ТЗ) на разработку РЭС или ТП.

В ТЗ всегда содержатся технические требования к проекту в виде желаемых значений для выходных характеристик Y_j , которые обозначим TTj ,  , m – количество выходных характеристик ОП. Кроме того, обычно задаются допустимые отклонения от желаемых значений (обозначим их Δ j).

Тогда требования ТЗ можно записать в виде

 

                (3.1)

 

Теоретически возможны два подхода к проектированию. В обоих случаях исходные данные для проектирования – ТЗ на разработку ОП в целом.

При восходящем подходе проектирование начинают с рассмотрения самых простых блоков (блоков нижнего уровня), а затем из них составляют блоки более высоких уровней. Однако при этом приходится задавать ТЗ на разработку этих простейших блоков ОП, что невозможно сделать с хорошей точностью (ведь ОП – сложное РЭС или сложный ТП, для которых спрогнозировать требования к элементам – сложная задача). И поэтому очень часто при восходящем проектировании оказывается, что спроектированные таким образом РЭС и ТП не удовлетворяют тем требованиям, которые ТЗ изначально предъявляло к ОП, а при автоматизированном проектировании процесс приходится повторять с самого начала при других ТЗ на блоки нижнего уровня, что нецелесообразно.

Поэтому в настоящее время используют нисходящее проектирование. При этом начинают проектирование с блоков самого высокого уровня (ОП в целом). На основе моделирования блока высшего уровня получают ТЗ на блоки следующего уровня и так далее. Но данный подход также не лишен недостатков: так как сложно моделировать ОП в целом, то на начальных стадиях проектирования, когда рассматриваются блоки высших уровней, приходится использовать упрощенные модели, и следовательно, как и при восходящем проектировании, возможны ошибочные решения. Однако здесь меньше риск ошибки (ведь если в восходящем проектировании нужно по ТЗ на весть ОП получить ТЗ на самые простые его блоки (нулевого уровня), то в нисходящем проектировании решается более простая задача: по ТЗ на блок k-го уровня когда выясняется, что эти требования невозможно выполнить, то производится возврат на проектирование предыдущего уровня и исправляется допущенная ошибка (в восходящем проектировании процесс повторяют с самого начала).

Можно сказать, что в восходящем и нисходящем подходах процесс проектирования имеет итерационный характер, что является их недостатком. Ведь итерация – это повтор одних и тех же действий, что связано с дополнительными затратами времени и средств.

Однако с ростом вычислительных возможностей все более сложные задачи моделирования становятся решаемыми, и поэтому вероятность ошибок при нисходящем проектировании будет уменьшаться, и следовательно, в ходе проектирования можно будет выполнять все меньше итераций.

Последовательность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений, называют маршрутом проектирования. Основные принципы построения маршрутов проектирования заключаются в расчленении сложной задачи на более простые, чередовании процедур синтеза и анализа, итерационности проектирования, повышения точности анализа по мере приближения к окончательному варианту проектного решения.

В процессе проектирования многократно выполняются такие проектные процедуры как синтез, анализ и оптимизация.

Автоматизация решения этих задач проводится на основе математического моделирования.

Рассмотрим более подробно последовательность задач синтеза, анализа и оптимизации при конструкторско-технологическом проектировании РЭС.

1. Анализ ТЗ на разработку конструкции и ТП (выделение основных воздействующих факторов, синтез вариантов структуры ОП).

2. Анализ и выбор лучшего варианта структуры ОП на основе выбранного критерия чувствительности характеристик к внешним воздействиям и синтеза расчетных моделей и моделей чувствительности.

3. Параметрическая оптимизация на основе выбранного критерия оптимальности и сформированных ограничений на параметры.

4. Анализ, синтез и оптимизация допусков на параметры на основе выбранных ограничений на допуски и критерия оптимизации допусков.

5. Расчет и анализ технологической серийно пригодности на основе данных по технологическим разбросам параметров и в соответствии с выбранными показателями серийно пригодности.

6. Расчет и анализ эксплутационной стабильности и надежности на основе данных по зависимостям свойств материалов и деталей от воздействий и в соответствии с выбранными показателями стабильности и надежности.

7. Анализ необходимости и эффективности защиты РЭС от внешних воздействий на основе выбранного способа и средств защиты и с использованием данных о физико-конструктивных параметрах средств защиты.

8. Синтез системы регулировок, настроек и контроля работоспособности на основе выделения управляемых параметров и доступных для контроля сигналов, а также элементов и узлов с малыми запасами работоспособности.

9. Синтез программы испытаний РЭС, то есть постановка задач испытаний и подготовка данных по условиям проведения испытаний.

При этом задачи 4, 5, 6, 7 имеют вероятностный характер. 

 

 

---

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 322; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!