4. Проектирование и конструирование: определения, задачи, аспекты, уровни и этапы проектирования. Восходящий и нисходящий порядок проектирования.

Проектирование – процесс создания описания нового или модернизируемого изделия (процесса), достаточных для изготовления и дальнейшей эксплуатации этого объекта в заданных условиях. Такое описание представляет собой комплект конструкторской и технологической документации в виде схем, чертежей, спецификаций, текстовых документов, программ для программно-управляемого оборудования и т. п.

Проектирование заключается в выполнении комплекса работ исследовательского, расчетного, конструкторского характера, имеющих целью преобразования исходного описания (техническое задание) в окончательные описания (техдокументацию) и выполняется системой проектирования.

Функционирование системы проектирования представляется в виде процессов. Процесс – это динамический объект, реализующий целенаправленную деятельность по разработке изделия и управлению совместной работой коллектива разработчиков, организации работы в САПР и т.п.

Процесс проектирования состоит из стадий (этапов) и проектных процедур. Проектная процедура – часть процесса проектирования, заканчивающаяся получениемпроектного решения.Примерами проектных процедур служат структурный синтез, анализ и верификация схемы, компоновка изделия, выпуск рабочего чертежа и т. д. Составными частями проектной процедуры являютсяпроектные операции.

Проектное решение – описание или оценка проектируемого объекта или его составной части, достаточные для рассмотрения и принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения.

Стадии проектирования –наиболее крупные части проектирования как процесса, развивающегося во времени. По ЕСКД выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР), технического (рабочего проектов), изготовления и испытаний опытных образцов. Отдельная стадия – выпуск рабочей документации. Стадию НИР иногда называют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения (аванпроекта).

Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием является понятие этапа проектирования.

Стадии (этапы) проектирования составляются из частей, называемых, как указано выше, проектными процедурами.Отсюда проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей проектных процедур –маршрута проектирования.

В США разработку ТЗ на проектирование называют внешнимпроектированием, реализацию ТЗ –внутреннимпроектированием.

Аспекты, иерархические уровни и задачи проектирования.Стадии установлены стандартами ЕСКД (ГОСТ 2.103-68) полностью характеризуют весь процесс проектирования. В свою очередь, каждая стадия может разбиваться на этапы. Этап – это условно выделенная часть проектирования, выполняемая в заданном объеме и в заданные сроки.

Аспекты характеризуют ту или иную группу родственных свойств объекта. Типичные аспекты: функциональный, конструкторский и технологический. Функциональный аспект отражает работоспособность изделия, т. е. физические и (или) информационные процессы, протекающие в изделии при выполнении заданной работы. Конструкторский аспект характеризует схемную и геометрическую компоновку, т. е. состав, форму, расположение в пространстве и размеры всего изделия и его частей (деталей и сборочных единиц), а также материалы конструкции. Технологический аспект определяет технологичность конструкции – возможности изготовления изделия в заданных условиях. Иногда описание разделяют на большее число аспектов.

Представление изделия внутри каждого аспекта задают уровни: горизонтальный, вертикальный, представления и абстрагирования. Горизонтальный уровень отражает блочно-иерархический (функционально-узловой) подход к проектированию и определяет степень подробности описания (рис.2.2). Вертикальный уровень определяется по характеру учитываемых свойств объекта. Каждый вертикальный уровень отличается средствами и видами описания изделия и его составных частей. Уровень представления задается языком представления знаний и их объемом. Различают реляционные, ассоциативные, логические, ролевые, графические, геометрические и другие языки.

В реляционных языках структурными единицами являются отношения.Полное описание объекта можно представить как семантическую сеть. Ассоциации устанавливают связи между объектами, при которых актуализация (восприятие, представление) одного из них влечет за собой появление одного или нескольких других со всеми их атрибутами.

В логических языках структурные единицы – логические формулы (высказывания). Пример – исчисление предикатов первого порядка, в котором переменные, константы, предикатные и системные символы связываются в формулы с помощью логических операций, кванторов существования и общности.

В ролевых языках структурные единицы – фреймы и слоты. Фрейм представляет собой логическую запись,каждому полю которой соответствует свое характерное смысловое содержание. Поля фрейма называются слотами и могут быть связаны известными отношениями, реализованными в виде процедур.

Графические языки – это языки черчения. Причем грамматикой черчения является начертательная геометрия. В настоящее время, в САПР – теория компьютерной графики. Следующий по важности язык конструирования – геометрический – служит для описания и представления геометрических моделей изделия в соответствии с размерностью пространства на основе базовых наборов геометрических элементов (образов) путем преобразования и формирования их средствами вычислительной геометрии.

Рассмотрим еще два уровня. Уровень представления отражает степень знания и понимания проблемы самим разработчиком. Английский инженер по радиолокации Уатсон Уатт писал: “Идеального решения не бывает никогда, лучшее приходит последним”. Уровень абстрагирования определяет степень формализации задачи для моделирования объектов с заданной детальностью и точностью. На уровне абстракций формируются обобщенные образы конструкций, позволяющие выделить в ней значимые для функционирования связи и отношения, ограничив их от других.

Генеральные задачи проектирования РЭА и ЭВА.В процессе системного проектирования и последующей конструкторской разработки решаются задачи, которые определяют основу создания и определения главных параметров изделия. Эти задачи называют генеральными. В их состав входят задачи: габаритная, массово-инерционная, формирования облика, разбиения на блоки и агрегаты, геометрической компоновки.

Задачи конструкторского проектирования РЭА и ЭВА.Конструкторское проектирование – один из важнейших аспектов проектирования изделий и их элементной базы частного применения (например, микросборок). Исходными данными для конструкторского проектирования являются результаты структурного, функционального схемотехнического проектирования. В свою очередь, результаты конструкторского проектирования, т. е. конструкторская документация и программы для программно-управляемого оборудования служат для технической подготовки производства.

Конструкторское проектирование включает в себя решение следующих групп задач: коммутационно-монтажного проектирования; проектирования несущих конструкций; разработки элементов системы “человек-машина”; конструирования мехатронных узлов и блоков; изготовления конструкторской документации. Взаимосвязь задач дана на рис.1.1. Рассмотрим подробнее состав задач коммутационно-монтажного проектирования.

Основные задачи коммутационно-монтажного (топологического) проектирования.Это наиболее массовые задачи разработки РЭА и ЭВА. Для любого уровня проектирования конструкции коммутационно-монтажное проектирование выполняет объединение модулей предшествующего уровня в уровень текущей компоновки, что обеспечивает физическое воплощение заданной функциональной схемы в конструкцию требуемого исполнения. Первая задача коммутационно-монтажного проектирования – задача схемной компоновки. Различают варианты компоновки: разрезание (разбиение), типизация, покрытие. В большинстве случаев при схемной компоновке задается функциональная схема объекта.

При разрезании необходимо разделить эту схему на части, соответствующие конструктивам данного иерархического уровня. При этом надо минимизировать или число таких конструктивов, или число соединений между ними, или суммарный объем, занимаемый получающейся конструкцией. Если требуется минимизировать количество типов используемых при компоновке конструктивов, то имеем процедуру типизации, если множество допустимых типов конструктивов заранее задано, то функциональная схема разделяется на части, соответствующие заданным типам конструктивов, и компоновка называется покрытием.

Покрытие функциональной схемы узла схемой соединения конструктивных типовых элементов является преобразованием функциональной схемы соединений базовых логических элементов в схему соединения МС и дискретных электрорадиоэлементов конструктивных узлов, т. е. принципиальную электрическую схему. Например, распределение по субблокам компонентов и формирование принципиальной электрической схемы этого субблока. Эти задачи решаются совместно.

Вторая задача коммутационно-монтажного проектирования – задача размещения, т. е. определение точного местоположения модулей в монтажном пространстве конструктива более высокого уровня. После размещения элементов в конструктиве решается задача трассировки, заключающаяся в определении точных путей печатных проводников на плате или проводных соединений в объеме.