Средства сквозного проектирования интеллектуальных измерительных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт комплексной безопасности и специального приборостроения (ИКБСП)

Кафедра «Приборы и информационно-измерительные системы»

ЛЕКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

По дисциплине «Средства сквозного проектирования интеллектуальных измерительных устройств»

Уровень магистратура Форма обучения очная

Направление(-я) подготовки 12.04.01 «Приборостроение»

Лектор к.ф.-м.н., доц.,

Семина Ольга Александровна



Содержание

сквозной проектирование автоматизированный система

Введение

Лекция 1 Понятие «Сквозное проектирование». Стадии, этапы и процедуры проектирования

Лекция 2 Процесс проектирования. Виды проектных работ. Проектная документация

Лекция 3 Уровни проектирования

Лекция 4 Состав и структура САПР. Подсистемы САПР

Лекция 5 Программно-методические комплексы

Лекция 6 Классификация систем автоматизированного проектирования. Подходы к автоматизированному проектированию

Лекция 7 Сквозное проектирование в Altium Designer. Состав и базовые концепции Altium Designer

Лекция 8 Проект и рабочее пространство Altium Designer. Библиотеки компонентной базы. Конфигурация графического редактора

Список используемой литературы



Введение

Спектр применений электронных устройств продолжает интенсивно расширяться. В первую очередь, это связано с тем, что современная электронная аппаратура, реализуемая на компонентах больших и сверхбольших интегральных схем (БИС/СБИС), обеспечивает эффективное управление и надежный контроль функционирования достаточно сложных технических устройств, объектов и систем - от простых образцов бытовой техники вплоть до изделий аэрокосмической промышленности.

Связанный с этим высокий спрос на электронные устройства требует от разрабатывающих компаний сокращения трудоемкости и сроков выполнения проектных работ, снижения затрат на проектирование и макетирование, повышения качества и надежности создаваемых электронных изделий с одновременным уменьшением соответствующих эксплуатационных затрат.

Существующая инженерная практика показывает, что выполнение этих требований возможно только при использовании средств автоматизации на основных этапах проектного цикла электронных ячеек (согласно терминам и определениям по ГОСТ Р 52003-2003), к которым относятся следующие:

• разработка принципиальных электрических схем;

• цифроаналоговое моделирование;

• конструирование печатных плат (ПП);

• сквозная верификация проектных данных на полноту, ссылочную целостность и непротиворечивость;

• выпуск полного комплекта конструкторской документации и формирование данных для изготовления электронного устройства;

• внесение изменений в проектные спецификации с последующим перепроектированием.

Комплексная автоматизация основных этапов проектирования на базе совместимых программных средств, функционирующих в единой среде управления и оперирующих с общей информационной моделью, составляет сквозной цикл проектирования электронных устройств.

Принцип сквозного проектирования подразумевает передачу результатов одного этапа проектирования на следующий в единой проектной среде. При этом изменения, вносимые на любом этапе, должны отображаться во всех частях проекта. Примером современных систем автоматизированного проектирования электронных устройств являются программные пакеты AutoCAD, Altium Designer и др.



Лекция 1 Стадии, этапы и процедуры проектирования

Проектирование в переводе с латинского (projectus) означает «брошенный вперед», то сеть проект - это описание того, чего еще нет. Проектирование предшествует производству и делает возможным изготовление требуемого количества приборов с заданными характеристиками. Проектирование обеспечивает составление описания, получение технической документации, которая полностью и однозначно описывает все сведения, необходимые и достаточные для изготовления приборов.

Техническая документация включает в себя схемы, чертежи, спецификации, технические описания, программы и методики испытаний, технологические карты изготовления и сборки и другое.

Проектирование представляет собой первый этап в процессе создания нового изделия и находится полностью в компетенции проектировщика, конструктора. За ним следует разработка технологического процесса. Проектирование, по-видимому, наиболее ответственный этап, поскольку здесь определяются физическая форма и технические характеристики изделия, и проверяется осуществимость самой идеи. Для успеха работы на данном этапе необходимо поручать квалифицированным инженерам-конструкторам, которые должны знать и понимать (а на мелких предприятиях и выполнять) обязанности проектировщика и художника-конструктора, исследователя технических решений, чертежника, изготовителя макетов, инженера-испытателя, экономиста, специалиста по материалам и инженера-технолога. Инженер-конструктор должен поддерживать тесные деловые взаимоотношения с производственным персоналом, службами контроля качества, сбыта, перевозок, персоналом, осуществляющим техническое обслуживание изделия и т.п. От каждого из них зависит, будет ли разработка изделия успешной или нет. Для проверки и подтверждения осуществимости идеи необходимо провести анализ. Следует отличать интуитивные суждения (которые часто приводят к большим затратам, так как на разработку изделия методом проб и ошибок требуется много времени) от формализованной оценки, основанной на расчетах оптимального использования материалов и рабочей силы и позволяющей определить соответствие изделия прогнозируемым характеристикам. Испытания представляют наиболее дорогостоящий этап, поскольку для их проведения требуется специально оборудованное место и аппаратура. Поэтому необходимо их тщательное планирование. Испытания позволяют подтвердить прогнозируемые технические характеристики, обнаружить недостатки изделия при нормальных условиях эксплуатации и проверить требуемую долговечность изделия.

Вторая стадия создания изделия - разработка технологического процесса - состоит из трех этапов: изготовление изделия, движение материалов и управление предприятием. Инженер-технолог, консультируясь с конструктором, разрабатывает технологию изготовления изделия и контроля его качества, а также выбирает станки, оборудование и аппаратуру, необходимые для того, чтобы изделие удовлетворяло техническим условиям и требованиям рынка. Движение материалов включает такие операции, как закупка, получение и обработка всех материалов, идущих на изготовление изделия, а также хранение и перевозка готовой продукции. Одним из наиболее трудно поддающихся прогнозированию видов деятельности является управление предприятием, поскольку оно связано с отбором, профессиональной подготовкой и распределением кадров, контролем за рабочей силой, материалами и оборудованием



Лекция 2 Процесс проектирования. Виды проектных работ. Проектная документация

Проект содержит техническое описание прибора, необходимое и достаточное для его производства, то есть совокупность схем, чертежей, описаний технических процессов и т.д. Любое производство соответствующего профиля и уровня, точно следуя проекту, должно быть в состоянии изготовить прибор или серию приборов, которые будут обладать именно теми значениями характеристик, которые были указаны в техническом задании [1].

Проект описывает устройство прибора, определяя, из каких частей он состоит, как взаимодействуют между собой эти части, как они изготавливаются и собираются, как прибор настраивается и проверяется.

Основными видами проектных работ по созданию приборов являются научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИР и ОКР). НИР выполняются с целью решения проблемных вопросов, поиска принципиальных возможностей построения структуры прибора, исследования новых принципов его функционирования и получения исходного материала для ОКР. Основной объем НИР составляет функциональное проектирование. Конструирование обычно выполняется упрощенно.

Результатом такого проектирования является макет прибора. Он позволяет провести экспериментальные испытания. Объем технологического проектирования в процессе НИР существенно сокращен. Важными этапами НИР являются исследование и испытание макетов отдельных узлов и макета в целом (экспериментирование). Это позволяет получить заключение о возможности создания прибора и сформулировать техническое задание на ОКР.

НИР завершается составлением отчета, с изложением всех сведений, полученных при ее проведении.

ОКР выполняется с целью разработки конструкторской документации, изготовления и испытания опытного образца. По результатам испытания опытного образца дается заключение о возможности изготовления установочной серии приборов с последующим переходом к серийному или массовому производству в зависимости от потребностей.

Порядок выполнения проектных работ регламентируется целым рядом стандартов. На территории России проектирование приборов ведется в соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), которая представляет собой комплекс государственных стандартов, устанавливающих единый порядок разработки, оформления и обращения конструкторской документации. В соответствии с ЕСКД (ГОСТ 2.103-68) проектирование приборов может быть представлено в виде последовательности следующих этапов:

- техническое задание;

- техническое предложение;

- эскизный проект;

- технический проект;

- рабочая документация.

Исходные данные для начала процесса проектирования формулируются в специальном документе - техническом задании. Техническое задание (ТЗ) устанавливает, какими свойствами или характеристиками должен обладать прибор При этом различают следующие характеристики:

- функциональные;

- конструктивные;

- технологические;

- экономические;

- эксплуатационные;

- эргономические;

- эстетические.

Функциональные характеристики определяют принципиальные возможности выполнения прибором его главной задачи. Например, для многих измерительных приборов типичными функциональными характеристиками являются разрешающая способность или точность измерения, диапазон измерений и т. п.

Конструктивные характеристики определяют такие свойства конструкции прибора, как габариты, масса, число деталей, сложность их формы, степень стандартизации и унификации, материалоемкость и т. д. Под конструктивными характеристиками понимают нс описание конструкции, что является задачей проекта, а лишь описание свойств конструкции, важных для прибора.

Технологические характеристики определяют качество процесса изготовления, сборки и испытания прибора для заданного типа производства.

Технологичность прибора характеризуется удельной трудоемкостью, числом и типом средств изготовления, простотой подготовки производства, рациональностью выбора заготовок и др.

Экономические характеристики определяют экономическую целесообразность производства и эксплуатации прибора.

Эксплуатационные характеристики определяют простоту и удобство эксплуатации, возможность перенастройки, устойчивость к влиянию окружающей среды, ремонтопригодность.

Эргономические характеристики определяют удобство и безопасность взаимодействия человека с прибором.

Эстетические характеристики определяют качество восприятия человеком (пользователем) внешнего вида прибора, включая такие оценки прибора как привлекательность, современность, гармоничность сочетания элементов, совершенство конструкции и формы, цвет, преемственность стилей и другие.

Требуемые значения или приемлемые интервалы значений всех необходимых характеристик прибора составляют содержание и сущность технического задания. Техническое задание оформляется в соответствии с общими правилами оформления технической документации. Типовое ТЗ на приборы включает следующие разделы:

1. Общие сведения (состояние вопроса, цели и основания разработки).

2. Определение, назначение и область применения прибора.

3. Технические (функциональные) характеристики (в зависимости от типа прибора).

4. Структура и взаимосвязь основных функциональных узлов.

5. Желательные габаритные размеры и масса.

6. Условия эксплуатации, ремонтопригодность, устойчивость к воздействию окружающей среды, помехам и другие.

7. Требования к стандартизации, унификации.

8. Экологические требования, требования безопасности и эргономики.

9. Условия транспортировки и хранения.

10. Требования патентной чистоты, конкурентоспособности и другие.

Техническое предложение выполняется в соответствии с ГОСТ 2.118-73 на основании анализа ТЗ и различных вариантов возможных решений прибора с целью технико-экономического обоснования целесообразности разработки прибора, а также выявления дополнительных или уточненных требований, не отраженных в ТЗ. Типичными видами работ в рамках технического предложения являются:

1. Сбор и изучение материалов по проекту.

2. Установление главных отличительных признаков прибора, улучшающих его свойства.

3. Функциональное проектирование на высших и средних уровнях, определение технических решений, обеспечивающих достижение заданных значений функциональных характеристик прибора.

4. Упрощенное конструирование на высших уровнях (упрощенные чертежи общего вида) с оценкой возможностей разработки конструкции прибора.

5. Технико-экономическое обоснование и сравнение различных возможных вариантов.

6. Формулировка окончательного ТЗ.

Пояснительная записка на этапе технического предложения, должна соответствовать ГОСТ 2.106-96 и иметь следующие разделы, общие для всех этапов проектирования:

- введение;

- назначение и область применения проектируемого прибора;

- технические характеристики;

- описание и обоснование конструкции;

- необходимые расчеты;

- ожидаемые технико-экономические показатели и др.

К записке прикладывается конструкторская документация (обобщенные схемы, чертежи общего вида, габаритный чертеж прибора и другие.).

Эскизное проектирование в соответствии с ГОСТ 2.119-73 предназначено для нахождения принципиальных (функциональных, схемных, конструкторских, технологических) решений прибора, дающих общее представление о принципе работы и устройстве прибора. На этом этапе выполняется функциональное проектирование всех функциональных устройств и элементов, электрических и кинематических схем. Типичными расчетами для электромеханического прибора являются прочностные расчеты и расчет эксплуатационных характеристик, для оптического - энергетические и точностные расчеты, габаритные и аберрационные расчеты оптики.

Схемы должны давать полную информацию о принципе работы и структуре прибора, типе его элементов, их характеристик и взаимосвязей. Одновременно начинается конструирование устройств и блоков. В результате выпускаются чертежи общего вида и отдельных устройств с максимальными упрощениями. При эскизном проектировании рассматривают возможную стандартизацию и унификацию, вопросы технологичности, осуществляют проверку на патентную чистоту и конкурентоспособность.

Техническое проектирование осуществляют после утверждения эскизного проекта. В соответствии с ГОСТ 2.120-73 на этом этапе выполняется тщательная проработка всех схемных, конструктивных и технологических решений, дающих полное представление о приборе. Выполняемые здесь расчеты позволяют установить окончательные требования к узлам и элементам прибора, в частности, уточнить значения погрешностей на основе принятых конструктивных решений.

В процессе технологического проектирования производится анализ конструкции прибора, его узлов и наиболее ответственных деталей на технологичность, определение технологического оборудования и специальной оснастки для их изготовления и испытания. В результате выполнения технического проекта выпускаются сборочные чертежи прибора и его узлов, чертежи всех схем, пояснительная записка и различные приложения. После утверждения заказчиком технического проекта приступают к выполнению рабочего проекта.

Рабочий проект является обязательным этапом проектирования, на котором разрабатывается рабочая документация, предназначенная для изготовления и испытаний опытного образца. Основной объем этого этапа составляет технологическое проектирование, в ходе которого выполняются детальная разработка конструктивных решений прибора и его узлов с указанием технологических требований к сборке и настройке; выпуск рабочих чертежей всех деталей; доработка всех схем до рабочего состояния; выпуск рабочих чертежей оснастки и приспособлений; составление спецификаций и ведомостей покупных и стандартных изделий; составление технического описания, технических условий.

Рабочие чертежи деталей и сборочные чертежи являются основной документацией, необходимой и достаточной для изготовления опытного образца. После внесения необходимых изменений, а также проверки на соответствие ГОСТ 14.206-73 «Технологический контроль конструкторской документации», рабочий проект утверждается и передается в опытное производство.

Изготовленные опытные образцы приборов подвергаются всесторонним испытаниям (предварительным, государственным), которые проводятся в соответствии с нормативными документами. По окончании испытаний составляется акт, в котором дается заключение о возможности запуска прибора в производство. В нем же указываются выявленные недостатки, которые должны быть устранены в процессе подготовки документации к производству.

Заключительным этапом проектирования является доработка документации и подготовка се для запуска прибора в условиях серийного или массового производства. Основной объем этого этапа составляет технологическое проектирование, называемое обычно технологической подготовкой производства.

Лекция 3 Уровни проектирования

1. Функциональное проектирование

Функциональное, или схемное, проектирование как ветвь проектирования r целом имеет достаточно сложную иерархическую структуру. Оно может быть представлено в виде нескольких уровней. Выделяют следующие уровни функционального проектирования, представленные на рисунке 1:



Рисунок 1 Иерархическая структура функционального проектирования

Высшим уровнем функционального проектирования является информационно-логический. На этом уровне прибор рассматривается и проектируется как совокупность функциональных устройств (ФУ), между которыми происходит обмен информацией в виде различного рода данных и команд.

На информационно-логическом уровне проектирования определяется конкретная структура прибора, которая может и отличаться от приведенного на рис. 1, устанавливаются связи функциональных устройств между собой, формулируются требования к ним, а также к сигналам и командам, вырабатываемым тем или иным устройством, исходя из требований технического задания на прибор в целом. Эти требования составляют технические задания на проектирование отдельных функциональных устройств. Таким образом, проектирование на этом уровне состоит сначала из построения структуры проектируемого объекта, а затем r определении оптимальных значений параметров этой структуры

На системотехническом уровне функционального проектирования производится собственно проектирование отдельных функциональных устройств, состоящих из функциональных узлов (ФУЗ). При этом процесс разбивается на ветви, каждая из которых соответствует определенному устройству. Последнее рассматривается как структура, состоящая из взаимосвязанных функциональных блоков (ФБ). Для каждого функционального устройства определяется оптимальный состав блоков и их параметры. Как правило, на этом уровне рассматривается преобразование сигналов отдельными блоками устройств.

На системотехническом уровне проектирования отдельные блоки безотносительно к их внутреннему устройству рассматриваются как преобразователи сигналов.

На схемотехническом уровне производится проектирование отдельных блоков, входящих в состав функциональных устройств, в соответствии с техническими заданиями, сформулированными на предыдущем уровне. При этом каждому блоку соответствует своя ветвь. Принципиально важно, что, начиная с этого уровня, ветви имеют различную специализацию. Она зависит от физической природы блоков, игнорируемой на предыдущем уровне.

Схемотехнический уровень функционального проектирования требует, как правило, наибольшего объема работы. Именно на этом уровне определяются основные параметры различных схем прибора, обеспечивающие в конечном счете его правильную работу и соответствие техническому заданию.

На элементном функциональном уровне проектирования проектировщики имеют дело с внутренним устройством тех функциональных элементов (ФЭ), которые реализуют схемы, рассмотренные на схемотехническом уровне.

2. Конструкторское проектирование

Конструкторское проектирование, или конструирование, проводится обычно параллельно функциональному, иногда с некоторым отставанием от него.

При конструировании определяются материал, форма, размеры отдельных деталей, сборочных единиц и всего прибора в целом.

Различие между функциональным проектированием и конструированием может быть наглядно выражено фразой: проектирование отвечает на вопрос, как устроен прибор, а конструирование - как прибор построен. Другими словами, проектирование отвечает на вопрос, в чем состоят принципы работы прибора, а конструирование - на вопросы, из каких частей он состоит, из каких материалов сделаны детали, как они скреплены между собой.

Конструирование, как и функциональное проектирование, разделяется на уровни. На верхнем уровне определяется общая компоновка всего прибора, взаимное расположение его отдельных узлов, это - компоновочный уровень.

Далее идет уровень, на котором разрабатываются конструкции отдельных частей прибора. В зависимости от сложности прибора, таких уровней может быть несколько. Это - уровни узлов (сборочных единиц). И, наконец, последним идет уровень, на котором разрабатываются и выпускаются рабочие чертежи отдельных деталей. Он называется соответственно уровнем деталей.

Пример структуры изделия представлен на рисунке 2.



Рисунок 2 Структура изделия

3. Технологическое проектирование

На ветви технологического проектирования производится разработка технологических процессов изготовления прибора. Качество изготовления приборов существенно зависит как от качества разработки технологических процессов, так и от технического уровня применяемого оборудования, включая специальное, а также от квалификации рабочих.

На низших уровнях технологического проектирования разрабатываются технологические процессы изготовления отдельных деталей. На верхних уровнях этой ветви выделяют испытания, настройку, сборку. На ветви испытаний разрабатываются методики испытаний прибора на соответствие каждому из разделов технического задания. Далее идет уровень настройки. На нем разрабатываются методики настройки прибора. Затем следует уровень сборки всего прибора. Далее процесс разветвляется по отдельным узлам (сборочным единицам). На этих уровнях разрабатываются техпроцессы сборки, настройки, контроля различных сборочных единиц прибора.

Результатами работы на ветви технологического проектирования являются технологические карты, методики настройки и контроля, данные для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких автоматизированных производств (ГАП).

Автоматизация проектирования, CALS, CAD, CAM, CAE технологии

Для обеспечения конкурентоспособности продукта при проектировании и производстве изделий стали широко применяться компьютерные технологии, или «CALS-технологии» (Continuous Acquisition and Life cycle Support). CALS-технологии - развивающееся понятие, которое определяет современную методологию ведения бизнеса, построенную на основе новейших информационных технологий и строгого следования международным стандартам в области совместного использования и обмена информацией.

Применение компьютеров для решения производственных задач началось еще в эпоху ранних послевоенных моделей универсальных компьютеров, а первые образцы современного оборудования САПР (CAD) существовали уже в середине 50-х годов. Известно, что аббревиатуру CAD впервые использовал основоположник этого научного направления Айвен Сазерленд в своих лекциях, прочитанных в Массачусетском технологическом институте в начале 60-х годов

Широкое распространение САПР обусловлено активным развитием микропроцессорной техники, предоставившей возможности автоматизировать труд инженера по конструированию изделия, инструмента и проектированию технологической подготовки.

Под автоматизацией проектирования понимается такой способ выполнения процесса разработки проекта, когда проектные процедуры и операции осуществляются проектировщиком при тесном взаимодействии с компьютером. Автоматизация проектирования предполагает систематическое использование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и компьютером и обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Рациональное распределение функций между человеком и компьютером подразумевает, что человек должен в основном решать задачи творческого характера, а компьютер - задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с традиционными ручными способами.

Цель автоматизации проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и числа проектировщиков, повышение производительности их труда.

Система автоматизированного проектирования (САПР) - это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования и обеспечивающая автоматизированное проектирование на всех этапах разработки прибора - от предпроектных исследований, проектирования до подготовки производства.

Наилучшая форма организации процесса проектирования достигается при применении САПР - комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации и выполняющего автоматизированное проектирование.

Системы автоматизированного проектирования предназначены для выполнения проектных процедур в автоматизированном режиме [20]. САПР создаются в проектных, конструкторских, технологических и других организациях и на предприятиях с целью:

повышения качества и технико-экономического уровня проектируемой и выпускаемой продукции;

- повышения эффективности объектов проектирования;

- уменьшения затрат на их создание и эксплуатацию;

- сокращения сроков, уменьшения трудоемкости проектирования и повышения качества проектной документации.

Достижение этих целей возможно при условиях: систематизации и совершенствования процессов проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники;

комплексной автоматизации проектных работ в проектной организации с необходимой перестройкой се структуры и кадрового состава;

-повышения качества управления проектированием; применения эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов;

- использования методов многовариантного проектирования и оптимизации;

- автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ;

замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;

- создания единых банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов;

- унификации и стандартизации методов проектирования.

Часто САПР понимают ограниченно. Под САПР понимают только чертежно-конструкторские графические редакторы с ограниченными наборами функций проектирования и автоматизированного проектирования технологических процессов общемашиностроительного назначения. Еще САПРом называют расчет или моделирование с помощью компьютера какого-то одного параметра или группы параметров либо синтез структуры разрабатываемого устройства (в лучшем случае какую-то одну проектную процедуру) Автоматизированное проектирование отождествляется с проектированием с применением компьютера для решения отдельных инженерных задач. При этом не учитывается, что для САПР объектом автоматизации является весь жизненный цикл изделия - от прсдпросктных исследований, выпуска конструкторской документации до утилизации.

Современная система САПР должна быть способна обеспечить автоматизированную поддержку работ проектировщиков на всех стадиях цикла проектирования и изготовления новой продукции (рисунок 3).



Рисунок 3 Стадии цикла проектирования

Особенностью использования CALS-технологий является использование ЗD-моgели на всех этапах производства изделия. Используемые на различных этапах проектирования и производства автоматизированные системы можно подразделить в соответствии со сложившейся отечественной классификацией на следующие группы:

САПР -- системы автоматизированного проектирования, которые включают в себя создание геометрической модели изделия и инженерный анализ ее будущих свойств (например, построение ЗD-модели, валка прокатного стана и расчет его прочностных свойств в программе Unigraphics);

АСТПП -- автоматизированная система технологической подготовки производства, которая позволяет обеспечить подготовку различных средств, необходимых для осуществления технологического процесса;

АСУТП -- автоматизированная система управления технологическими процессами. Основой этого класса систем является управление конкретной производственной единицей, в качестве которой может выступать как отдельный станок или пресс, так и автоматическая поточная линия. АСУТП -- это непосредственное управление оборудованием (например, управление прокатным ста ном с целью получения тонкой полосы с жестким допуском по толщине);

АСУП -- автоматизированные системы управления производством -- это средства, позволяющие автоматизировать управление производством на уровне взаимодействия различных служб и отделов.

В соответствии с современной западной системой классификации выделяют следующие классы систем проектирования и производства:

CAD (Computer Aided Design) -- системы конструкторского проектирования геометрии изделия (Solid Works, Solid Edge, Power Shape и др.);

CAM (Computer Aided Manufacturing) -- системы проектирования технологии обработки (Power Mill, Simatron и др.);

CAE (Computer Aided Engineering) -- системы автоматизированного инженерного анализа деталей машин и процессов (Ansys, Nastran и др.) [25];

PDM (Product Data Management) -- системы автоматизированного управления базами данных об изделии (IMAN, Optegra, Enivia и др.);

Project Management -- автоматизированные системы управления процессом проектирования и системы планирования (WorkFlow, DocFlow);

MRP (Material Requirements Planing) -- автоматизированные системы управления производством (SAP R/3, BAAN, Галактика и др.).

Представление о современном предприятии как о единой производственной системе предполагает соответствующий подход к его автоматизации. Основным базовым модулем при автоматизации выступает бизнес-процесс. Под бизнес-процессом понимается упорядоченное множество технологических и организационных переходов и видов деятельности. Он начинается с одного или нескольких видов деятельности и заканчивается созданием продукции (материальной или интеллектуальной), ориентированной на заказчика или другой бизнес-процесс.

Важнейшим элементом современного комплексного подхода является объединение систем проектирования, планирования и управления производством в систему автоматизированного проектирования и автоматизации производственных процессов (САПР/ АПП), или интеграция в CAD/CAM/CAE/PDM-системы.

Автоматизированное сквозное проектирование -- это технология использования вычислительных средств для оказания помощи проектировщику в выработке, модификации, анализе и оптимизации проектных решений, а также передаче их на другие этапы проекта. Вычислительная система представляет собой комплекс технических и программных средств.

Автоматизация производственных процессов (АПП) -- это применение вычислительных систем для планирования, управления и контроля производственных процессов и операций.

Выделяют два основных направления АПП:

— оперативно-диспетчерское управление, когда ЭВМ непосредственно включается в производственный процесс для осуществления контроля и управления;

— обслуживание производственного процесса, когда ЭВМ производятся необходимые расчеты для обеспечения производственных операций.

В свою очередь, системы оперативно-диспетчерского управ ления делятся на системы централизованного контроля и системы диспетчерского управления.

Оперативно-диспетчерское управление может предполагать и непрямое взаимодействие ЭВМ и процесса, когда интерфейс между ними реализуется человеком как необходимым звеном управления.

Лекция 4 Состав и структура САПР. Подсистемы САПР

Составными структурными частями САПР, жестко связанными с организационной структурой предприятия, являются подсистемы, в которых при помощи специализированных комплексных средств решается функционально законченная последовательность задач САПР

По назначению подсистемы разделяют на проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап (стадию) проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач. Примерами проектирующих подсистем могут быть подсистемы, реализующие эскизное проектирование изделий, проектирование корпусных деталей, проектирование технологических процессов механической обработки.

Обслуживающие подсистемы имеют общесистемное применение и обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и вывод полученных в них результатов. Примерами обслуживающих подсистем являются автоматизированный банк данных, подсистема документирования, подсистема графического ввода-вывода.

Виды обеспечения автоматизированного проектирования

Средства автоматизации проектирования группируют по видам обеспечения автоматизированного проектирования.

Математическое обеспечение САПР. Основу математического обеспечения САПР составляют алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР. Элементы математического обеспечения САПР чрезвычайно разнообразны. Среди них имеются инвариантные элементы принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.

По назначению и способам реализации математическое обеспечение САПР делится на две части: 1) математические методы и построенные на их основе математические модели, описывающие объекты проектирования; 2) формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Способы и средства реализации первой части математического обеспечения наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей объектов проектирования. Что касается второй части математического обеспечения, то формализация процессов автоматизированного проектирования в комплексе оказалась более сложной задачей, чем алгоритмизация и программирование отдельных проектных задач. При решении этой задачи должна быть формализована вся логика технологии проектирования, в том числе логика взаимодействия проектировщиков друг с другом на основе использования средств автоматизации Методы и положения общей теории систем, которая более исего подходит для решения такого рода задач, пока не нашли применения в рассматриваемой области. Работы по автоматизации проектирования во многих случаях выявили несовершенство методологии самого проектирования и привели к необходимости одновременного решения задач по совершенствованию процессов проектирования. Взгляды различных авторов на концепции совершенствования и развития методологии проектирования в одном полностью сходны: в основе проектирования должен лежать системный подход. Математическое обеспечение САПР должно описывать во взаимосвязи объект, процесс и средства автоматизации проектирования. Так как в настоящее время установившейся теоретической базы для решения этой задачи нс существует, то практически происходит процесс интеграции в единый комплекс средств моделирования сложных систем и различных математических методов.

В развитии этого процесса можно выделить два перспективных направления:

- развитие методов получения оптимальных проектных решений, в том числе ориентированных на автоматизированное проектирование;

- совершенствование и типизация самих процессов автоматизированного проектирования, инвариантных к видам проектируемых объектов.

Важным результатом совершенствования и типизации технологии процессов автоматизированного проектирования явилась разработка методических указаний Госстандарта «САПР. Типовые функциональные схемы проектирования изделий в условиях функционирования систем». В них подчеркивается, что процесс автоматизированного проектирования по составу и последовательности процедур, содержанию и формам проектной документации качественно отличается от традиционного процесса проектирования. Вместе с тем в процессе автоматизированного проектирования можно выделить определенное число процедур, инвариантных к объектам проектирования. Перспективной в совершенствовании и типизации технологии процессов автоматизированного проектирования является разработка математического аппарата моделирования типового процесса проектирования и выпуск базовых программно-методических комплексов, реализующих такие модели.

Программное обеспечение САПР. Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение делится на общесистемное и специальное (прикладное).

Общесистемное программное обеспечение предназначено для организации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов, и представлено операционными системами ЭВМ и вычислительных комплексов (ВК). Общесистемное ПО обычно создастся для многих приложений и специфику САПР нс отражает.

В специальном (прикладном) программном обеспечении реализуете математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур. Прикладное программное обеспечение обычно имеет форму пакетов прикладных программ, каждый из которых обслуживает определенный этап процесса проектирования или группу однотипных задач внутри различных этапов.

Возможности, предоставляемые пользователям современными вычислительными средствами, в большей степени определяются их операционными системами, чем техническими устройствами. Операционная система организует одновременное решение различных задач, динамическое распределение каналов передачи данных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательность их решения с учетом установленных критериев, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса. Однако операционная система требует для своей работы определенных ресурсов: процессора, внешней и основной памяти. Чем большими возможностями обладает операционная система, тем больше требуется для нес ресурсов. Операционные системы можно генерировать применительно к определенным конфигурациям технических средств вычислительного комплекса и кругу решаемых задач.

Важным компонентом общесистемного программного обеспечения является базовое программное обеспечение. Базовое программное обеспечение нс является объектом разработки при создании программного обеспечения САПР. Примером может служить базовое программное обеспечение для обработки геометрической и графической информации, для формирования и использования баз данных. Использование автоматизированных рабочих мест, в состав которых включено подобное базовое программное обеспечение, реализующее стандартные проектные процедуры, существенно снизит трудоемкость создании программного обеспечения САПР. Однако во всех случаях за создателями САПР останется разработка прикладного программного обеспечения. С расширением области применения вычислительной техники и усложнением задач автоматизации процессов проектирования возрастают сложность и трудоемкость программирования.

Информационное обеспечение САПР. Основу информационного обеспечения САПР составляют данные, которыми пользуются проектировщики в процессе проектирования непосредственно для выработки проектных решений Эта данные могут быть предстанпены r ииде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов и т. п.

При этом данные, являющиеся результатом одного процесса преобразования, могут быть исходными для другого процесса. Совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР, составляет информационный фонд САПР. Основная функция информационного обеспечения САПР - ведение информационного фонда, т. с. обеспечение создания, поддержки и организации доступа к данным. Таким образом, информационное обеспечение САПР есть совокупность информационного фонда и средств его ведения.

В состав информационного фонда САПР входят:

программные модули, которые хранятся в виде символических и объектных текстов. Как правило, эти данные мало изменяются в течение жизненного цикла САПР, имеют фиксированные размеры и появляются на этапе создания информационного фонда;

- исходные и результирующие данные, которые необходимы при выполнении программных модулей в процессе преобразования. Эти данные часто меняются в процессе проектирования, однако их тип постоянен и полностью определяется соответствующим программным модулем. При организации промежуточных данных возможны конфликтные ситуации в процессе согласования между собой данных различных типов;

нормативно-справочная проектная документация, включающая в себя справочные данные о материалах, элементах схем, унифицированных узлах и конструкциях. Эти данные, как правило, хорошо структурированы. К нормативно-справочной проектной документации относятся также государственные и отраслевые стандарты, руководящие материалы и указания, типовые проектные решения, регламентирующие документы;

- текущая проектная информация, отражающая состояние и ход выполнения проекта. Как правило, эта информация слабо структурирована, часто изменяется в процессе проектирования и представляется в форме текстовых документов.

При выборе способов ведения информационного фонда САПР важно сформулировать принципы и определить средства ведения информационного фонда, структурирования данных, выбрать способы управления массивами данных

Различают следующие способы ведения информационного фонда САПР: использование файловой системы; построение библиотек; использование банков данных; создание информационных программ- адаптеров.

Использование файловой системы и построение библиотек широко распространено в организации информационного обеспечения вычислительных систем, так как поддерживается средствами операционной системы. В приложениях к САПР эти способы применяют при хранении программных модулей в символических и объектных кодах, диалоговых сценариев поддержки процесса проектирования, начального ввода крупных массивов исходных данных, хранения текстовых документов. Однако они малопригодны для быстрого доступа к справочным данным, хранения меняющихся данных, ведения текущей проектной документации, поиска необходимых текстовых документов, организации взаимодействия между разноязыковыми модулями.

Техническое обеспечение САПР. Создание и использование компьютеров позволило значительно снизить трудоемкость и продолжительность вычислительных работ. Но в процессе проектирования изделий и технологических процессов доля собственно вычислительных работ не превышает 15%. Автоматизация проектирования потребовала выпуска специализированных средств САПР. Техническое обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

К техническому обеспечению САПР предъявляются следующие требования:

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

¦ достаточная производительность и объем оперативной памяти ЭВМ для решения задач всех этапов проектирования за приемлемое время;

¦ возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей для эффективной деятельности всего коллектива разработчиков;

¦ открытость комплекса технических средств для расширения и модернизации системы по мерс совершенствования и развития техники;

¦ высокая надежность, приемлемая стоимость и т. д.

Удовлетворение перечисленных требований возможно только и условиях организации технического обеспечения r виде специализированной вычислительной сети, допускающей функционирование в нескольких режимах. Такое техническое обеспечение называют комплексом технических средств САПР.

Традиционная форма использования ЭВМ, сконцентрированных в вычислительном центре и работающих только в пакетном режиме, не годится для современных САПР. ЭВМ лишь тогда станет эффективным регулярно используемым инструментом проектирования, когда инженер сможет оперативно обращаться к машине и так же оперативно получать результаты решения. Поэтому в комплексе технических средств должна быть развита I'pynna внешних устройств ввода-вывода информации, причем должен быть включен как стандартный комплект внешних устройств ЭВМ, так и дополнительные устройства оперативного ввода- вывода информации, в том числе в графической форме. Этот комплект внешних устройств устанавливается в помещении проектного подразделения и называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) проектировщика Состав АРМ зависит от характера задач, решаемых в проектном подразделении.

В АРМ могут входить следующие устройства: запоминающие устройства на магнитных дисках (НМД); видеомониторы или графические дисплеи; плоттеры или графопостроители (перьевые, струйные, электростатические); кодировщик графической информации (считыватель координат) или сканеры; принтеры (матричные, струйные, лазерные, цветные лазерные), модемы.

Наличие в одной САПР многих АРМ, возможности одновременной работы на аппаратуре АРМ нескольких пользователей и размещения АРМ на территориях проектных подразделений диктуют необходимость иерархического построения комплекса технических средств с выделением в нем по крайней мерс двух уровней ЭВМ. На высшем уровне находится одна или несколько ЭВМ большой производительности. Эти ЭВМ составляют центральный вычислительный комплекс (ЦВК), предназначенный для решения сложных задач проектирования, требующих больших затрат машинных времени и памяти. На низшем уровне находятся входящие в АРМ мини-ЭВМ (персональные компьютеры). Мини- ЭВМ в АРМ управляет работой комплекта внешних устройств, обменом информацией между АРМ и ЦВК; решает сравнительно несложные по затратам машинных времени и памяти проектные задачи.

С увеличением возможностей современных высокопроизводи- гельных компьютеров, базирующихся на двухъядерных процессорах, возможно построение САПР на базе 1-2 компьютеров.

Лингвистическое обеспечение САПР. Основу лингвистического пбеспечения САПР составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения - языки общения человека с компьютером. Проблемно-ориентированные языки проектирования аналогичны алгоритмическим языка программирования (ФОРТРАН, ПЛ/1 и др.). В одних случаях проблемно-ориентированные языки строят таким образом, что описание любой задачи или задание на ее решение в основном содержит оригинальные термины физического и функционального содержания. Переход от физического и функционального описания задачи к программам для компьютера реализуется далее автоматически с помощью транслятора. В других случаях, например при решении геометрических задач инженерного типа, проблемно-ориентированные языки соединяет в себе средства алгоритмического языка высокого уровня для решения вычислительных математических задач и специальные языковые средства моделирования геометрических объектов. Транслятор алгоритмического языка высокого уровня дополнен необходимыми специальными программами.

Методическое обеспечение САПР. Под методическим обеспечением САПР понимают входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Причем документы, относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Так как документы методического обеспечения носят в основном инструктивный характер и их разработка является процессом творческим, то о специальных способах и средствах реализации данного компонента САПР говорить нс приходится.

Организационное обеспечение САПР. Стандарты по САПР требуют выделения в качестве самостоятельного компонента организационного обеспечения, которое включает в себя положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.

Функции сквозного проектирование будут осуществляться только при наличии и взаимодействии перечисленных средств автоматизированного проектирования.

Лекция 5 Программно-методические комплексы