- •Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
- •Введение
- •1. Основные понятия сапр
- •2. Концепция построения сапр
- •3. Системный подход к проектированию
- •4. Математическое моделирование рэс и технологических процессов
- •4.1. Свойства и классификация математических моделей
- •4.2. Оценки параметров распределений случайных величин и процессов
- •4.3. Планирование и обработка результатов пассивного эксперимента методами регрессионного анализа
- •4.4. Методы анализа полей в конструкциях рэс
- •5. Вероятностные методы исследования разброса параметров
- •6. Оптимизация параметров рэс
- •6.1. Постановка задач параметрической оптимизации
- •6.2. Методы поисковой оптимизации
- •7. Автоматизация решения типовых задач структурного синтеза
- •8. Современные сапр рэс
- •8.1. Особенности применения современных сапр
- •8.2 Применение Altium Designer при проектировании печатных плат
- •8.3. Применение программного комплекса Pro|Engineer в автоматизированном проектировании
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
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.
Рис. 2.1. Структура видов обеспечения САПР
Универсальность таких САПР подразумевает наличие в них типового ядра, которое может 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.
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.
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
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. 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.).