Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный институт электронной техники (технический университет)»

В.К.Сырчин сапр технологического оборудования

Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по дисциплине «САПР Оборудования»

Лекционный материал

Москва 2007

Содержание

Введение

Дисциплина «САПР оборудования» состоит из двух основных частей:

• Методическое обеспечение САПР, в которой рассматриваются основы методики проектирования технических систем, а также вопросы формализации проектных процедур на различных этапах процесса проектирования.

• Организация разработки и внедрения САПР, где изучаются принципы создания САПР и рассматриваются основные компоненты и виды обеспечения систем автоматизированного проектирования.

Практическая часть данной дисциплины включает изучение примеров реализации конкретных формализованных процедур при создании различных технических объектов (определение перспективности разработки, нахождение основных целей проектирования, поиск технических решений и т.п.).

Курс САПР базируется на ранее изученных дисциплинах, в частности, разделах математики и физики, основах программирования и вычислительной технике, информатике, компьютерной графике, а также спецдисциплинах, в рамках которых изучаются процессы и оборудование производства изделий электронной техники.

Необходимость создания САПР технологического оборудования

Характерной чертой развития современной техники, особенно машиностроения, является глубокое качественное изменение продукции этой отрасли. Создание современных технических систем, к которым относится технологическое оборудование электронной и микросистемной техники, представляет собой сложный процесс, требующий привлечения многих отраслей человеческих знаний, начиная от материаловедения и кончая теорией управления и социально-экономическими вопросами. Поэтому к выполнению проектов необходимо привлекать большое количество специалистов различного профиля.

Усложнение технических систем приводит к постоянному увеличению объемов и росту сложности проектных и конструкторских работ, связанных как с созданием самого изделия, так и с технической подготовкой его производства. Прямым следствием этого является увеличение сроков разработки новой техники, а значит, и снижение темпов технического прогресса, обновления оборудования. В то же время быстрое моральное старение оборудования требует сокращения сроков проектирования и изготовления. Без разрешения этого противоречия невозможно обеспечить современные темпы технического прогресса.

Исследования показывают, что на протяжении ХХ века имели место следующие устойчивые тенденции:

- время создания новых образцов техники от идеи или технического задания (ТЗ) до серийного производства сокращалось в 2 раза через каждые 25 лет;

- число вновь разрабатываемых технических объектов удваивалось через каждые 10 лет;

- сложность изделий по числу деталей, узлов, агрегатов удваивалась через 15 лет;

- объем научно-технической информации, которую нужно проработать при создании новых образцов, удваивалась через 8 лет.

Если суммировать объем проектно-конструкторских работ, то через каждые 10 лет он возрастал на порядок. Решить эту проблему путем увеличения численности разработчиков нереально, следовательно, ТРЕБУЕТСЯ РЕЗКОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРУДА ПРОЕКТИРОВЩИКОВ. В этих условиях особое значение приобретает проблема комплексной автоматизации процессов разработки и создания систем на основе математических методов и средств вычислительной техники.

Особенно остро эта проблема стоит в микроэлектронике (МЭ). Бурное развитие технологии микроэлектронного производства вызывает быстрое моральное старение технологического оборудования (ТО). Это требует создания на базе ЭВМ методов и алгоритмов “ускоренного” проектирования. В данных условиях нерациональное решение ряда вопросов при проектировании ТО МЭ, особенно линий и комплектов оборудования (приближенный расчет структуры, интуитивное обоснование выходных параметров, несовершенная организация контроля и управления), приводит к дополнительным капитальным вложениям в процессе их эксплуатации.

Для определения задач автоматизации проектно-конструкторских работ интересно проанализировать процентное соотношение различных проектных процедур в машиностроении.

Таблица В.1 - Анализ затрат времени на разработку проекта.

Проектные процедуры	Время на операцию, %	Суммарные затраты времени, %
Проектирование/конструирование	15	Прямые
Расчеты	4	62
Вычерчивание	33
Прочие работы	10
Составление спецификаций	5	Косвенные
Контроль чертежей	6	38
Поиск повторяющихся деталей	2
Составление описаний	12
Предварительное нормирование	3
Поиск аналогов проекта	1
Переписка	3
Прочие работы	6

Из табл.В.1 видно, что более трети времени проектировщик затрачивает на косвенные работы (38 %), причем еще треть занимает вычерчивание, также относящееся в основном к “рутинным” работам. Творческие элементы проектных работ составляют только 15 %.

Анализ распределения отдельных видов работ на этапе конструирования (табл.В.2) показывает, что большая доля работ также приходится на “рутинные” операции, одной из которых является деталировка. Поэтому первым направлением рационализации процесса проектирования было стремление автоматизировать “рутинные” операции с помощью средств вычислительной техники, а затем приступили к комплексной автоматизации процессов разработки технических систем.

Широкая автоматизация проектно-конструкторских работ стала возможной в результате разработки современных электронно-вычислительных комплексов, специальных графических устройств ввода-вывода, средств моделирования и программирования. Все это, естественно, требует перестройки технологии и организации проектирования, т.е. создания новых методик проектирования, а также систем, позволяющих осуществлять автоматизированное проектирование.

Автоматизированная система проектирования (АСП) – это человеко-машинная система проектирования, главными элементами которой являются, с одной стороны, проектировщик (коллектив проектировщиков), а с другой, - система автоматизации проектирования (САПР).

Таблица В.2 - Анализ затрат времени на конструирование.

Виды работ	Расходы на конструирование, %
	Общий вид	Узлы	Детали	Всего на этап
Проектирование	6	25	5	36
Расчет	2	3	3	8
Вычерчивание	8	23	25	56

Что такое САПР?

Аббревиатура САПР означает Система Автоматизированного Проектирования. В общепринятом виде она не очень корректна, но добавление от последнего слова двух начальных букв устраняет неблагозвучное сочетание. Английский аналог САПР – CAD (Computer Aided Design – проектирование с помощью компьютера).

В соответствии с ГОСТ 23501.0-79 САПР определяется как организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование.

Определение САПР можно дать с акцентом на основные составные части комплекса средств автоматизации проектирования: «САПР – это система, предназначенная для совершенствования процесса проектирования, которая образуется в результате взаимодействия технического, алгоритмического, программного и информационного компонентов».

Из определений следует, что автоматизированное проектирование предполагает тесное взаимодействие человека-проектировщика с комплексом средств автоматизации проектирования, и это взаимодействие должно быть эффективно организовано путем рационального распределения функций между человеком и машиной. Научно обоснованное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи творческого характера (формировать и выбирать наилучшие проектные решения и т.п.), а ЭВМ - обеспечивать возможность алгоритмизации и быстрого, качественного выполнения алгоритмов формирования множества проектных решений (с большей эффективностью по сравнению с ручными методами).

В эволюции применения компьютерной техники в проектировании в зависимости от распределения функций между проектировщиком и САПР можно выделить следующие уровни автоматизации проектирования.

1. САПР не принимает и не формирует проектных решений. Она используется в основном для расчета трудоемких задач, что обеспечивает проектировщику ускорение вычислительных процессов. Для этого уровня характерно то, что САПР не используется по своему прямому назначению, т.е. для формирования множества проектных решений, в некотором смысле оптимальных, что особенно важно в условиях многовариантности проектов. Человек же в силу своих природных возможностей не может сформулировать все многообразие вариантов. Отсюда интуитивность и порой нерациональность проектных решений.

Итак, на первом уровне организации САПР ЭВМ используется лишь как средство машинного анализа в помощь проектировщику. Технология же проектирования по-прежнему остается “ручной”.

2. САПР формирует оптимальные решения, а проектировщик осуществляет общую постановку задачи и оценку полученных результатов. Проектировщику остается только принять полученное решение или отказаться от него. Этот уровень организации САПР характеризуется тем, что роль человека принижается, он не участвует в процессе формирования решений и их оптимизации. Его опыт, знания, интеллект нужны только для экспертной оценки.

3. Проектировщик в процессе диалога с САПР осуществляет творческое конструирование, формирует и выбирает наилучшие проектные решения. Именно при такой организации процесса проектирования используется вся мощь интеллекта человека, с одной стороны, и возможность быстрого, качественного формирования множества проектных решений с помощью САПР - с другой.

Третий уровень организации САПР удовлетворяет требованиям научно обоснованного распределения функций между проектировщиком и ЭВМ.

История развития САПР

В развитии САПР условно можно выделить три этапа.

Первый этап (50-е годы) - характерен развитием теоретических исследований возможности использования машинной графики в автоматизированном проектировании. Идея ее применения была изложена в работе И.Сазерленда из лаборатории имени Линкольна в Массачусетском технологическом институте (США). Уже в середине 50-х годов появились публикации о воспроизведении на экранах электронно-лучевых трубок цифр и букв при подаче параметрически меняющихся напряжений, что послужило основой создания дисплеев. Широкое распространение получили и аналоговые координатные самописцы, на базе которых в 1958 г. была создана программно-управляемая чертежная установка, которая могла выполнять точные чертежи сечений фюзеляжа самолета или других криволинейных элементов, математическое представление которых хранилось в памяти ЭВМ. Первыми пользователями таких установок были авиационные фирмы “Боинг” и “Локхид”.

В 60-е годы наступил второй этап в развитии САПР. Началась разработка методов, алгоритмов и программ для решения отдельных графических задач на различных этапах проектирования и создание технических средств для их реализации, а также разработка специальных языков программирования.

В начале 60-х годов была разработана диалоговая графическая система для проектирования линз, базой которой был графопостроитель, позволяющий вычерчивать пути прохождения оптических лучей через комбинации линз. Начались также работы по автоматизации процесса проектирования кораблей. Конечной целью было получение с экрана электронно-лучевых трубок рабочих чертежей, выполненных в соответствии с существующими стандартами.

В 70-х годах разрабатываются и внедряются САПР по отраслям промышленности. САПР первого поколения позволили автоматизировать почти все этапы (выполнение инженерных расчетов, поиск необходимой информации, оптимизацию параметров заданных технических решений, составление чертежей и другой проектно-технологической документации, испытание экспериментальных образцов и др.), кроме выбора улучшенных и новых проектно-конструкторских решений. Время выполнения чертежей сократилось от 2 до 10 раз в зависимости от их сложности.

На современном этапе уже успешно решается проблема автоматизации поискового конструирования, т.е. создания САПР нового поколения, использующих искусственный интеллект в машинном проектировании. САПР нового поколения обладает повышенным творческим потенциалом. Есть основание утверждать, что в ближайшем будущем в большинстве случаев только САПР, включающие подсистемы поискового конструирования, позволят создать новые изделия на уровне лучших мировых образцов.

САПР в нашей стране начали разрабатываться с середины 60-х годов. Таким образом, САПР развиваются в нашей стране более 40 лет, и в условиях научно-технического прогресса в период научно-технической революции это срок немалый. Для сравнения можно вспомнить интервалы времени между первыми фундаментальными открытиями новых физических явлений и широким внедрением в промышленность устройств, процессов и приборов на их основе: телевидение - 12 лет; ядерная энергетика - 10 лет; полупроводниковая радиоэлектроника - 5 лет; лазерная техника - 4 года.

И то, что проблемы САПР в полном объеме еще не решены до настоящего времени, указывает на их сложность, комплексность, теоретические и практические трудности. В то же время практические работы по САПР успешно развиваются, внедряются и приносят значительный экономический эффект в различных отраслях промышленности: машиностроении, авиации, строительстве, судостроении, транспорте, полиграфии и др.

Современные технологии автоматизации производства

В настоящее время речь идет уже не просто об автоматизации процесса проектирования, а о комплексной автоматизации производства. Реальный эффект от внедрения информационных технологий обеспечивает не «лоскутная» автоматизация отдельных областей деятельности предприятия, а интегрированные комплексы, объединяющие системы автоматизированного проектирования (Computer Aided Design - CAD), технологической подготовки производства (Computer Aided Manufacturing - САМ), инженерного анализа (Computer Aided Engineering - САЕ), управления инженерными данными (Product Data Management - PDM) и управления ресурсами предприятия (Enterprise Resource Performance - ERP). В настоящее время разработаны информационные системы управления взаимодействия с поставщиками (SCM), управления взаимодействия с заказчиками (CRM), которые совместно с ERP направлены на оптимизацию потоков материальных ресурсов и финансовых средств предприятия.

Например, сравнительно давно уже не разделяют системы конструкторского и технологического САПР, объединяя их в единую систему конструкторско-технологической подготовки производства CAD/CAM, а сравнительно недавно – в систему CAD/CAM/САЕ (конструкторско-технологической подготовки производства и инженерного анализа).

Современной тенденцией в экономике является построении на промышленных предприятиях единого информационного пространства (ЕИП), т.е. комплексных систем, выстроенных вокруг единой базы данных, содержащей всю информацию об изделии (т.н. Полное Электронное Определение Изделия), начиная от его разработки и кончая прекращения его производства. Такая комплексная система получила название Система управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management - PLM). Основной идеей PLM-системы является интеграция всех данных, создаваемых на протяжении жизненного цикла изделия – от разработки до утилизации, и организация коллективной работы над изделием. Сейчас ведущие игроки рынка САПР выпускают интегрированные продукты, так или иначе реализующие идею PLM.

Примером PLM системы является Единая Интегральная Система Разработки Изделия (Product Development System - PDS) фирмы РТС (Parametric Technology Corp. - www.ptc.com). Система обеспечивает полное решение задач, связанных с созданием детальной электронной модели изделия, обеспечением коллективной работы всех участников процесса, а также осуществлением контроля, управления и автоматизации важных процессов, таких, как подготовка производства, управление изменениями и оптимизация проекта. Такой подход позволяет еще до начала дорогостоящего физического процесса производства иметь завершенное и стабильное представление об изделии на всем его жизненном цикле, начиная с проекта и кончая перспективами его производства и сбыта.

Среди современных разработок можно отметить продукт фирмы «АНД Проджект» (www.andproject.ru), представляющий собой интегрированное решение, объединяющее ERP-систему (MBS Axapta) с САПР (CAD/CAM/САЕ) и поддерживающее непрерывный конструкторско-производственный цикл. Кстати такой подход, заключающийся в расширении функциональности ERP, является одним из путей создания PLM–систем.

Задачу создания ЕИП позволяет решить новая программная разработка компании «Аскон» (www.ascon.ru) – комплекс «Компас», центральной частью которого, помимо системы трехмерного проектирования (3D-проектирования), является система управления инженерными данными и жизненным циклом изделия «ЛОЦМАН: PLM». Для планирования и управления производством с ними сопрягается ERP–система MBS Axapta.

Нельзя не отметить и разработку Unigraphics NX2 компании Electronic Data Systems (EDS), представляющую собой очередную версию интегрированного пакета САПР, включающую средства автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (САМ) и инженерного анализа (САЕ).

Примером современной PDM–системы является разработка фирмы UGS под названием Solid Edge Insight, которая встраивается в САПР Solid Edge (SE) и поддерживает весь процесс проектирования, включая отслеживание изменений, управление версиями документов и взаимосвязи между проектами.

Настоящий бум отмечается в области САЕ (программ инженерного анализа), одним из главных поставщиков которых является фирма Ansys. Их использование позволяет виртуальное проектирование вести параллельно с физическим, что повышает точность виртуальных методов.

Основой графического моделирования являются системы трехмерного проектирования (3D-проектирование). Примерами таких систем являются САПР Solid Works (www.solidworks.com) и Pro/Engineer (фирма PTC), Компас-3D, Solid Edge, Autodesk Inventor (фирма Autodesk)и др.

Из современных решений для обработки конструкторской документации можно отметить цифровую систему копирования Xerox 8825 DDS.

В заключение следует отметить, что в настоящее время ведущие игроки рынка САПР выпускают интегрированные продукты, так или иначе реализующие концепцию PLM. Прогнозируется рост рынка PDM. Их внедрение в САПР превращает эти САПР в мини-PLM. Широкому внедрению пока мешает несовместимость форматов разных САПР.

Таким образом, основными тенденциями современного этапа развития САПР являются:

1. Создание более удобного пользовательского интерфейса.

2. CAD-системы среднего класса все более интегрируются с САМ и PDM и даже содержат некоторые элементы САЕ.

3. В состав САПР входят утилиты для обнаружения ошибок и исправления наиболее распространенных ошибок данных, возникающих при передаче моделей из одной системы в другую.

4. Модели становятся все более фотореалистичными, а отдельные объекты – интеллектуальными.

5. Растет роль Интернета в качестве средства обмена инженерной информацией, упрощения проектирования.

САПР в электронной промышленности

В настоящее время САПР нашли широкое применение в электронной промышленности, прежде всего в проектировании СБИС, как полупроводниковых, так и гибридных, а также в разработке технологии их производства. Более того, проектирование СБИС в настоящее время уже немыслимо без использования САПР.

При разработке ИС применяется система, отвечающая принципу сквозного проектирования, когда в САПР вводятся исходные данные о проектируемом изделии, а конечным результатом является конструкторская и технологическая документация. При этом принципе организации САПР достигается наибольшая эффективность от ее внедрения.

Примером крупной САПР в электронной промышленности может служить САПР БИС, имеющая трехуровневую структуру. Достаточно отработанной является САПР радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для проектирования ГИС и микросборок на печатных платах. САПР производит расчет параметров пленочных элементов, выбор их формы и размеров, а также размеров подложки, строит схемы взаимного размещения элементов и проводников, проводит синтез топологии, изготавливает чертежи и фотооригиналы. Причем схемы, спроектированные САПР, более качественные по сравнению с разработанными обычными “ручными” неавтоматизированными методами. Примерами САПР РЭА является система РАПИРА и ее дальнейшее развитие система ПРАМ. Приведенные системы проектирования решают широкий круг задач проектирования РЭА: моделирование принципиальных и функциональных схем; конструирование печатных плат, СВЧ-узлов и ГИС; оформление конструкторской документации (КД) и т.п.

Интенсивно развиваются и машиностроительные САПР, однако отечественные САПР ТО МЭ находятся на стадии развития. Наиболее отработанной считается САПР летательных аппаратов, состоящая из нескольких проектирующих подсистем: формирования конфигурации, прочностных расчетов, конструирования и машинной графики, технологической подготовки производства и др. Можно отметить САПР “Гидрооборудование” для проектирования насосов, гидродвигателей и т.п., а также САПР для металлорежущих станков, реализующую типовой маршрут проектирования от процедур формирования ТЗ и последующего синтеза компоновочной схемы до проведения геометрического моделирования и оформления КД.

В нашей стране в целях централизации снабжения проектных организаций программными средствами был создан специализированный фонд, хранящийся в НПО “Центрпрограммсистем” (г. Тверь). Среди программных систем можно отметить систему формирования алгоритмов конструкторско-инженерных расчетов “ФАКИР”, предназначенную для решения задач проектирования сложных машиностроительных объектов; инструментальный диалоговый монитор “ФАУСТ”, являющийся средством создания операционных систем (ОС) САПР. На базе многомашинного комплекса разрабатывается система комплексной автоматизации проектирования “КАПРИ”, ориентированная на разработку и изготовление изделий машиностроения (включает типовые узлы и детали, а также реализует технологию, управление техпроцессами и планирование производства).

Если САПР ИС и РЭА достаточно хорошо проработаны и уже широко используются в электронной промышленности, то САПР ТО МЭ находятся на начальной стадии развития. Это связано с рядом факторов:

- широкой номенклатурой ТО МЭ и быстрым его моральным старением, приводящим к появлению новых технологических процессов и конструкций;

- сложностью и малоизученностью ряда процессов, слабой теоретической базой, отсутствием математического аппарата для расчета конструктивно-технологических параметров большинства ТО с достаточной точностью;

- большим количеством факторов и параметров, влияющих на выходные характеристики системы, которые не всегда даже можно выявить и учесть;

- сложностью формализации технологических процессов и создания имитационных моделей, связывающих значения конструктивных параметров объекта с характеристиками поведения той системы, частью которой он является;

- низким уровнем стандартизации и унификации конструктивных элементов, создания типовых конструкций.

Поскольку САПР представляет собой совокупность информационных ресурсов, моделей проекта и информационно-вычислительной системы, автоматизирующей процессы создания объектов, то для внедрения САПР ТО МЭ необходимо решение трех основных задач:

1) создать информационное обеспечение в виде банка стандартных справочных данных, используемых при проектировании (данные ЕСКД, спецификации, стандартные детали, узлы, агрегаты и подсистемы проектируемого ТО и т.п.), а также банка научно-технической и патентной информации о существующих перспективных разработках по тематике проектирования;

2) создать математическое и программное обеспечение, для чего:

- разработать методы расчета и модели процессов и устройств ТО, на базе которых создать модели математической формализации задач оптимального проектирования;

- создать банк пакетов прикладных программ (ППП) для анализа, синтеза и оптимизации проектов на моделях;

- построить общую информационную развивающуюся модель оптимального проектирования ТО с учетом структурно-иерархической реализации отдельных элементов, совместимую с ППП и представленную в памяти ЭВМ в цифровой форме;

3) создать информационно-вычислительную систему, комплексно автоматизирующую процессы построения и эволюции цифровой модели проекта, его оптимизации, доступа к информационным ресурсам и взаимодействия групп специалистов.

В процессе решения этих задач осуществляется выбор и разработка главных компонентов САПР: информационных ресурсов, комплекса технических средств и операционной системы, реализующей построение модели проекта и управление системой в целом.

В настоящее время САПР все шире охватывают самые различные отрасли народного хозяйства. В большинстве отраслей промышленности уже электронный “мозг” стал неотъемлемой частью каждого НИИ, КБ, лаборатории. Решение же проблемы создания САПР ТО МЭ в электронном машиностроении является актуальной задачей сегодняшнего дня.

Раздел первый Методическое обеспечение САПР