Учебное пособие 1491

Н. Э. Самойленко, В.С.Скоробогатов, М.В. Скоробогатов

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Р Э С

Комплект учебно-методической документации по дисциплине

Учебное пособие

Воронеж 2002

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

Н. Э. Самойленко В. С. Скоробогатов М.В. Скоробогатов

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Р Э С

Комплект учебно-методической документации по дисциплине

Учебное пособие

Воронеж 2002

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для использования студентами заочной формы обучения и содержит полный комплект учебно-методической литературы, необходимых для изучения дисциплины Основы проектирования РЭС. Детальные методические указания по организации учебной работы студентов, по выполнению всех видов занятий, наличие вариантов заданий и вопросов для самостоятельного контроля знаний позволяют студентам выполнить програму данного учебного курса в режиме дистанционного обучения. Дистанционное обучение по дисциплине регламентировано Распоряжением по ВГТУ в 2000 г.

2

1. ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Цель преподавания и задачи изучения дисциплины

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

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать архитектуру САПР, методы и средства формализованного описания конструктивных модулей РЭС с учетом заданных моделей технологических процессов, методы и средства автоматизированного проектирования конструкций РЭС и технологических процессов их изготовления, методы и способы анализа и проверки конструктивных узлов;

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

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

знать методы автоматизации, применяемые для решения типовых задач синтеза конструкций РЭС, включая модели и алгоритмы компоновки, размещения и трассировки схем РЭС;

3

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

знать основные требования к автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации на базе стандартов ЕСКД и ЕСТД. Основываясь на полученных знаниях, студенты должны уметь:

осуществлять выбор адекватной модели объекта проектирования;

решать задачи выбора наиболее эффективного метода анализа данной модели.

1.2. Виды учебных занятий, формы контроля знаний и организация работы студентов

Студенты заочной формы обучения изучают дисциплину "Основы проектирования РЭС" в течение 7 и 8 семестров. Виды и объем учебных занятий, формы контроля знаний приведены в табл. 1.

Таблица 1

4

Темы рабочей программы и количество лекционных часов на каждую из них приведены в табл. 2. В первой колонке этой таблицы

1.3.9.Автоматизация решения типовых задач конструкторского проектирования РЭС

1.3.10.Математические модели и алгоритмы в АСТПП

1.3.11.Тенденции и перспективы развития САПР

5

Как указано в табл. 1, студенты выполняют лабораторные работы. Тематика лабораторных работ следующая.

1.Устройства ввода графической информации.

2.Графопостроители.

3.АРМ конструктора и его использование для разработки печатных плат.

4.Автоматизация оптимальной компоновки на ПЭВМ.

5.Оптимизация размещения модулей на коммутационном поле.

6.Анализ точности и стабильности конструкций РЭС.

7.Оценка параметров распределения случайных величин при проектировании РЭС и технологических процессов.

8.Методы построения кратчайших покрывающих деревьев в задачах трассировки соединений.

Организация лабораторного практикума, порядок подготовки к лабораторным занятиям, допуска к ним и отчетности по проделанным работам определены в методических указаниях по выполнению лабораторных работ (глава 4 данного пособия).

Как указано в табл. 1, студенты выполняют курсовой проект, организация выполнения которого, темы и форма отчетности определены в методических указаниях по выполнению курсового проекта (глава 5 пособия).

Необходимым условием успешного освоения дисциплины является строгое соблюдение графика учебного процесса. Консультации организуются по учебным группам, а дата, место и время их проведения указываются деканатом ФВЗО..

1.3.Программа курса, методические указания и вопросы для

самопроверки

6

1.3.1. Введение

Возникновение проблемы автоматизации проектирования. Автоматизация конструирования и технологии - основная

часть проблемы. Основные определения дисциплины. Современный уровень САПР РЭС. Вклад русских ученых в их развитие. Социальные аспекты применения САПР. САПР индивидуального и коллективного пользования.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При изучении данного раздела по литературе /1, с. 3-7; 2, с. 3- 6; 3, с. 3-6/ следует обратить внимание на причины возникновения проблемы автоматизации проектирования. Потребность в РЭС с высокими параметрами, способных работать в сложных условиях при наличии различных воздействий: температуры, влаги, механических нагрузок приводит к значительному усложнению РЭС и к увеличению сроков проектирования. В условиях быстрого развития технического прогресса это приводит к быстрому старению РЭС, вплоть до того, что разработанное изделие морально устаревает до начала его серийного выпуска. Дробление задачи на более простые и увеличение штата разработчиков не дало хороших результатов из-за возникающих неувязок, нестыковок и согласований, трудностей управления большим коллективом. Только применение ЭВМ позволило решить данную проблему, сократив время и повысить качество проектирования. При этом решение проблемы автоматизации проектирования не в ускорении расчетов до уровня, обеспечивающего перебор всех вариантов, а в разработке и применении методов моделирования и оптимизации (прежде всего вероятностно-статистических) для организации направленного поиска варианта, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям технического задания (ТЗ) без анализа всех возможных

7

решений /1, с. 9-10; 4, с. 5-8/.

Вопросы автоматизированного проектирования (САПР) - это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или

коллективом специалистов (пользователями системы). Участие человека в процессе проектирования является фактором, определяющим отличие автоматизированной системы от автоматической. Место САПР в отраслевых автоматизированных системах и их связь с системами автоматизации других видов изучается по /11, с. 16-19; 13, с. 13/. Социологические аспекты применения САПР рассматриваются в /12, с. 3/.

Вопросы для самопроверки

1.Назовите основные причины возникновения проблемы автоматизации проектирования и способы решения этой проблемы.

2.Перечислите знания и умения, приобретаемые студентами при изучении дисциплины.

3.Перечислите положительные факторы применения САПР, в том числе и социологические.

4.Связь САПР с другими системами автоматизации.

1.3.2. Концепция построения САПР

1.3.2.1.САПР - как качественно новый этап в проектировании РЭС. Структурная модель САПР. Подсистемы

иобеспечение. Типовые структуры САПР. Классификация САПР.

1.3.2.2.Принципы построения САПР. Основные понятия технического обеспечения САПР. Состав комплекса технических средств САПР (КТС САПР). Одноуровневые и

8

многоуровневые КТС. Режимы работы КТС. 1.3.2.3. Автоматизированные рабочие места

проектировщика РЭС. Их состав и основные особенности. Вычислительные системы и сети САПР.

1.3.2.4 Эффективность применения САПР. Повышение качества проектов, сокращение сроков проектирования, снижение трудоемкости и стоимости проектирования и социологические факторы при использовании САПР.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Цель автоматизации проектирования - повысить качество,

снизить материальные затраты, сократить сроки проектирования и ликвидировать рост количества инженерно-технических работников, занятых проектированием. Как самостоятельное научно-техническое направление автоматизация проектирования появилось сравнительно недавно. Процесс ее становления, разработка теории и методов и обобщение практических достижений продолжается и в настоящее время. Сейчас под автоматизацией проектирования понимается систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов машинного решения задач. Наилучшая форма организации процесса автоматизации проектирования достигается при применении систем автоматизированного проектирования (САПР).

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

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

9

методическое и организационное обеспечение. Математическое, лингвистическое, информационное и программное обеспечения обычно объединяются в программно-информа-ционное 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.

Разработка САПР представляет собой крупную научнотехническую 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

3.САПР - это совокупность информационно согласованных подсистем.

4.САПР - это открытая и развивающаяся система.

5.САПР - специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей.

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

10

При изучении тем 1.3.2.1 /3, с. 20-23; 5, с. 47-48; 11, с. 64-66/ и 3.2.2 /5, с. 35-42; 12, с. 7-27; 14, с. 85-87/ следует обратить внимание

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

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

Универсальные САПР - это САПР, создаваемые для проектирования широкого класса объектов (например, блоков и стоек РЭС). Такие САПР могут быть настраиваемыми по ряду характеристик (по виду технологии изготовления, по виду базовой конструкции) и "жесткой" структуры, рассчитанной на определенные характеристики проектируемых изделий. Универсальность таких САПР подразумевает наличие в них типового ядра, которое может 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,

11

предназначенным для изготовления и контроля РЭС. Вопросы классификации САПР, варианты конфигураций комплексов САПР и режимы их работы достаточно подробно рассматриваются в /3, с. 25-29; 5, с. 42-46; 12, с. 5-8; 13, с. 54;

14, с. 89-92, 107-108/. При рассмотрении этих вопросов следует обратить внимание на выбор вариантов конфигураций комплекса САПР для решения той или иной конкретной задачи. Вопросы темы 3.2.3 рассматриваются в /5, с. 87-92; 12, с. 91-96, 114-125; 13, с. 13-20; 14, с. 111-121/.

Вопросы для самопроверки

1.Дайте определение САПР.

2.Перечислите принципы построения САПР.

3.Перечислите и охарактеризуйте виды обеспечения

САПР.

4.Дайте классификацию САПР по назначению и по

уровням.

5.Назовите режимы работы КТС и обоснуйте предпочтительность того или иного режима.

6.Назовите состав АРМов для решения различных задач проектирования.

7.Расскажите о тенденциях развития САПР.

1.3.3. Техническое обеспечение САПР

1.3.3.1. Подготовка и ввод алфавитно-цифровой и графической информации. Устройства ввода, машинные носители информации, методы кодирования. Автоматические и полуавтоматические устройства ввода графической информации. Их классификация, структура, принципы действия, основные технические характеристики.

12

1.3.3.2. Устройства вывода алфавитно-цифровой и графической информации. Ударные и безударные устройства вывода алфавитно-цифровой информации. Их структура, принципы действия и основные технические характеристики.

Классификация устройств вывода графической информации. Их структура, принципы действия и основные технические характеристики.

1.3.3.3.Устройства оперативного отображения информации. Алфавитно-цифровые дисплеи. Графические дисплеи. Многоцветные дисплеи. Их структура, принципы действия и основные технические характеристики. Принципы выбора дисплеев для решения различных задач проектирования РЭС.

1.3.3.4.Особенности ЭВМ, применяемых в САПР, их основные технические характеристики.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Техническим обеспечением САПР называется совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств,

предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Технические средства САПР делятся на пять групп:

средства программной обработки данных; включают универсальные или специализированные ЭВМ, осуществляющие прием данных с устройств ввода или каналов связи, их обработку, накопление и выдачу на устройства отображения и в каналы связи;

средства подготовки и ввода данных; используются для подготовки, ввода и редактирования в алфавитно-цифровой и графической форме, включают устройства подготовки данных на различных носителях информации и ввода данных с этих носителей; алфавитно-цифровые и графические дисплеи, пишущие машинки, кодировщики графической информации;

13

средства отображения и документирования; служат для вывода результатов и оформления технической документации, включают различные печатающие устройства, графопостроители, координатографы, устройства для микрофильмирования, фотонаборные установки для изготовления фотошаблонов;

средства передачи данных; служат для связи удаленных друг от друга технических средств.

Структура, принципы действия и основные технические характеристики технических средств САПР рассматриваются в

/1, с. 17-19; 2, с. 315-348, 360-362; 3, с. 24-33; 4, с. 25-29, 45-47, 65-77; 5, с. 42-46, 85-87; 12, с. 5-8, 20-26; 13, с. 20-54; 14, с. 8992; 15, с. 28-35/.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите и охарактеризуйте машинные носители информации.

2. Назовите основные методы кодирования графической информации.

3.Изложите структуру, принципы действия и основные технические характеристики устройств ввода информации.

4.Изложите структуру, принципы действия и основные технические характеристики устройств вывода

информации.

5.Назовите принципы действия и основные технические характеристики дисплеев.

6.Назовите особенности ЭВМ, применяемых в САПР.

7.Перечислите и дайте характеристику технических средств, входящих в состав АРМ конструктора.

1.3.4.Документирование результатов проектирования

14

РЭС

1.3.4.1.Основные требования при выпуске конструкторской и технологической документации. Требования САПР и стандарты ЕСКД и ЕСТД.

1.3.4.2.Основные требования к САПР КТД. Техническое и программное обеспечение САПР КТД. Документация САПР КТД.

1.3.4.3.Этап разработки конструкторской и технологической документации в САПР.

Выполнение документов в табличной и графической форме. Основные требования, предъявляемые при выпуске электрических схем автоматизированным способом. Особенности выполнения документации для различных модулей РЭС.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Внедрение САПР и выпуск автоматизированным способом конструкторской и технологической документации сопряжено с изменением функций, структуры и взаимоотношений отдельных подразделений, занимающихся разработкой, проверкой и оформлением документации. Учитывая эти технические и организационные соображения, можно так сформулировать основные требования к САПР по выпуску конструкторско-техноло-гической документации:

при выборе форм и форматов выходных документов необходимо максимально учитывать стандарты, принятые в ЕСКД и

ЕСТД; система должна по возможности выдавать весь набор

конструкторско-технологической документации, который получается при неавтоматизированном проектировании, и еще дополнительно конструкторско-технологическую документацию для этапов контроля изделия;

машинные формы конструкторско-технологической

15

документации должны обеспечивать не только автоматизированные, но и ручные методы обращения документации и изготовления оборудования (т.е. учет, хранение, внесение изменений, поиск, передача и т.д.);

основные графические документы целесообразно выполнять базовым способом.

Комплекс алгоритмов и программ, используемых в настоящее время в САПР КТД, обеспечивает выпуск таких конструкторских документов:

ведомость покупных изделий; чертежи и спецификации на сборочные единицы;

дискеты с результатами размещения и трассировки для автоматического получения сборочного чертежа печатных проводников платы на графопостроителе (или вывод этих результатов непосредственно на графопостроитель или АЦПУ); дискеты с результатами проектирования для автоматического изготовления фотооригинала и фотошаблона

печатной платы с применением координатографа; дискеты для автоматической сверловки и контроля

печатных плат.

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, сборочный чертеж на АЦПУ и

некоторые другие.

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

документы, содержащие только буквенно-цифровую

16

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 виде перфолент для управления технологическим оборудованием для изготовления и контроля печатных плат. Сюда относятся перфоленты управления координатографом для изготовления фотооригиналов печатных плат, сверлильным автоматом, устройством контроля печатного монтажа.

Вопросы тем 1.3.4.1 - 1.3.4.3 подробно рассматриваются в /1,

с. 357-360; 2, с. 247-259; 3, с. 250-260; 13, с. 339-349; 16, с. 141-161; 17, с. 16-25/.

Вопросы для самопроверки

1.Сформулируйте основные требования к САПР КТД.

2.Какие трудности возникают при автоматизации выпуска

КТД?

3.Какой набор технических средств должна содержать современная САПР КТД?

4.Какие средства машинной графики могут быть использованы в САПР КТД? Дайте их краткую характеристику.

5.Какие допущения делаются при выпуске текстовых и графических документов в САПР?

6.Выпуск каких конструкторских документов обеспечивает в настоящее время САПР КТД?

7.Какие требования предъявляются при выпуске электрических схем автоматизированным способом?

8.Какой Вы представляете САПР КТД в будущем?

1.3.5. Системный подход к проектированию как основа