Учебное пособие 1491

37

Материалы тем 1.3.10.1-1.3.10.3 рекомендуется изучать с помощью учебного пособия /22, с. 204-226/, а также главы 8

/23/.

Рассматривая вопросы проектирования ТП студенты должны изучить цели и задачи автоматизации проектирования ТП, ознакомиться с особенностями постановки задачи оптимального проектирования ТП. Основу автоматизации технологического проектирования составляет комплекс математических моделей описания изделий и основных этапов, элементов и параметров ТП: структурные и функциональные, табличные, сетевые и перестановочные модели. Изучение математических моделей необходимо провести для ТП механической обработки и ТП в сборочно-монтажном производстве.

В результате рассмотрения методов синтеза ТП студенты должны познакомиться с принятой классификацией и уяснить назначение, преимущества и недостатки многоуровневого итерационного метода и метода преобразования процессааналога. Изучение постановки и методов решения задач оптимального проектирования ТП должно быть ориентировано на реализацию принципов блочно-иерархического подхода к проектированию (методы линейного программирования, аналитические методы и методы поиска).

Рассмотрение задач автоматизации ТПП следует начать с изучения основных понятий: технологическая подготовка производства, ее основные задачи, место ТПП в ГАП. Рассмотрев требования Единой системы технологической подготовки производства ЕСТПП студенты должны изучить порядок, структуру и организацию работ по автоматизации ТПП, а также структуру и принципы создания комплексных (интегрированных) систем САПР - АСТПП - ГАП.

38

Вопросы для самопроверки

1.Что называют интегрированной САПР?

2.Какие модели используют в технологическом проектировании для описания структуры технологического объекта?

3.Как формируют модели функционирования ТП?

4.В чем сущность методов синтеза ТП? 5. Как ставится задача параметрической оптимизации в технологическом проектировании?

6.В чем назначение обслуживающей и проектирующей подсистем АСТПП?

7.Какие виды обеспечения входят в состав обслуживающей подсистемы?

1.3.11. Тенденции и перспективы развития САПР

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При изучении темы 1.3.11 рекомендуется изучить следующую литературу /3, с. 260-285; 10, с. 305-310; 23, с. 450-455/.

При изучении данной темы следует обратить особое внимание на наиболее перспективные направления развития автоматизации проектирования, а именно:

автоматизация внешнего проектирования, включая предпроектные исследования и формирование ТЗ;

создание интегрированных САПР, включая решение схемотехнических, конструкторских и технологических задач;

формирование интерактивной среды, включая создание многооконного интерфейса, средств машинной графики и т.п.;

интеллектуализация всех этапов проектирования путем организации аппаратно-программной поддержки, использования экспертных знаний, методов оптимизации, принятия решений;

использование в комплексе технических средств САПР

39

высокопроизводительных ЭВМ, объединенные в локальные сети.

2. КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

2.1. Контрольная работа № 1

Контрольную работу № 1 студенты-заочники выполняют в 7-ом семестре. Варианты этой контрольной работы приводятся ниже. Номер варианта определяется по последней цифре шифра зачетной книжки (если последняя цифра 0, то берется 10 вариант).

Вариант 1.

Составить комплекс технических средств САПР двухуровневого типа для решения задачи трассировки соединений в диалоговом режиме. Указать типы и дать краткую характеристику этих средств.

Вариант 2.

Составить комплекс технических средств САПР одноуровневого типа для решения задачи оптимального размещения в пакетном режиме. Указать типы и дать характеристику этих технических средств.

Вариант 3.

Составить минимальный комплекс технических средств САПР трехуровневого типа по разработке и выпуску документации для оптимальной трассировки печатных плат в диалоговом режиме. Указать типы и дать краткую

40

характеристику этих средств.

Вариант 4.

Составить минимальный комплекс технических средств САПР одноуровневого типа по разработке и выпуску документации печатных плат в пакетном режиме. Указать типы и дать характеристику этих средств.

Вариант 5.

Назначение и состав АРМ, назначение и принцип работы его составных частей.

Вариант 6.

Составить комплекс технических средств САПР для решения задач, имеющих много точек ветвления алгоритма и только алфавитно-цифровую информацию. Выбрать режим работы такой САПР, указать типы и дать краткую характеристику этих технических средств.

Вариант 7.

Составить комплекс технических средств САПР для решения задач, имеющих много точек ветвления алгоритма и графическую информацию. Выбрать режим работы такой САПР, указать типы и дать краткую характеристику этих технических средств.

Вариант 8.

Составить комплекс технических средств для АРМ по разработке печатных плат. Указать типы и дать краткую характеристику этих средств.

Вариант 9.

Составить комплекс технических средств для решения задач, в которых необходим ввод и вывод графической информации, отсутствуют точки ветвления алгоритма и в ходе решения нет

41

обращений к ЭВМ. Выбрать режим работы. Указать типы и дать краткую характеристику этих средств.

Вариант 10.

Принципы построения САПР. Перечислить и пояснить

их.

2.2. Контрольная работа № 2

Контрольную работу № 2 студенты-заочники выполняют в 8-ом семестре. Варианты данной контрольной работы приведены в приложении. Номер варианта определяется так же, как в контрольной работе № 1.

Задание на контрольную работу заключается в следующем.

По заданной матрице цепей T восстановить коммутационную схему (КС) РЭС. Для полученной схемы РЭС получить следующие структурные модели:

граф коммутационной схемы РЭС (ГКС); мультиграф схемы и его матрицу смежности RM ;

граф элементных комплексов (ГЭК) и его матрицу ( Q );

взвешенный граф КС РЭС и его матрицу смежности

( RB ).

При изображении КС РЭС и ее графа элементы схемы

42

следует располагать таким образом, чтобы число пересечений проводников было минимальным.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Модели схем РЭС в виде графов и матриц относятся к разряду структурных, описывающих состав изделия и взаимосвязь его элементов. Данные модели используются при решении задач структурного синтеза в конструкторском проектировании РЭС (задачи компоновки модулей, размещения элементов, трассировки соединений). При этом следует иметь в виду, что если матричные модели используют для машинного представления коммутационной схемы, то применение графов обеспечивает представление схемы РЭС проектировщику в удобной форме. Рассматривая структуру коммутационной схемы РЭС, принято выделять элементы трех множеств: множества

цепей (Е), множества контактов (С), множества элементов схемы (Х). Например, для коммутационной схемы, изображенной на рис.

1, в структурной модели используются следующие множества: E =

{l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7};

X = {x1, x2, x3, x4, x5, x0};

C = {c11, c12, c21, c22, c23, c24, c25, c31, c32, c33, c34, c41, c42, c51, c01,

c02}.

Примечание: х0 - фиктивный нулевой элемент, которому приписывают внешние выводы коммутационной схемы. При описании контактов (выводов) элементов схемы принята Наиболее полное описание коммутационной схемы РЭС обеспечивает граф коммутационной схемы (ГКС) и его матричный

аналог - матрица цепей ( T ).

43

Рис. 2.1

Всякий граф, по определению, задает отношение между множеством его вершин (элементов структуры) и множеством

ребер графа (связи между элементами).

Для ГКС элементы структуры - это элементы трех типов цепи, контакты, элементы схемы. Например, для коммутационной схемы, изображенной на рис.2.1 граф

коммутационной схемы приведен на рис. 2.2. Единственная матрица, которая полностью описывает схему

44

РЭС, это матрица цепей

Рис. 2.2

T ={tij}, i =1, n , j =1, k ,

где n - число элементов схемы,

tij - номер цепи, которой принадлежит j-ый контакт i-го элемента схемы,

45

k - максимальное число контактов у одного элемента схемы (для схемы с рис. 1 k=5).

Матрица T для коммутационной схемы (рис. 1) имеет размерность 65:tij=0, если у элемента хi нет j-го контакта.

Граф элементных комплексов (ГЭК) задает связь между элементами КС РЭС и цепями, в нем используются вершины

двух типов: элементы xi, i=1, n и цепи lj, j=1, m .

ГЭК для КС (рис. 1) приведен на рис. 2.3.

Элементный комплекс - это множество элементов схемы, принадлежащих одной цепи. Матрица элементных комплексов

Q строится по правилу:

1 - если x i l j и 0 - если x i l j . Матрица Q имеет размерность n m.

Мультиграф КС РЭС описывает связи между элементами схемы. Причем два элемента могут быть связаны более чем одним ребром (в зависимости от того, по фрагментам скольких цепей элемент хi связан с элементом хj).Мультиграф КС (рис. 1) приведен на рис. 4.

x1

x2

x5 x0

x3

x4

Рис. 2.4

46

Матрицу смежности мультиграфа ( RM ) рассчитывают по формуле:

схемы, qil, qjl - элементы матрицы элементных комплексов Q , m - число цепей КС РЭС.

Матрица смежности мультиграфа для КС (рис. 1) приведена

ниже

Матрицу смежности взвешенного графа КС РЭС RB рассчитывают по формуле:

где i=1, n , j=1, n , n - число элементов КС РЭС, m - количество

(количество элементов, принадлежащих данной цепи), qil, qjl -

элементы матрицы Q .Взвешенный граф КС РЭС отличается от

мультиграфа тем, что изображается только одно ребро графа, над которым указывают его вес. Взвешенный граф КС (рис. 2.1) приведен на рис. 2.5.

48

d4 q24 q44 d5 q25 q45 d6 q26 q46 d7 q27 q47

1 0 0 23 1 1 23 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 23 23 43.

3КУРС ЛЕКЦИЙ

3.1.Состав и назначение комплексов технических

средств автоматизации проектирования Необходимость создания аппаратуры со все более высокими

параметрами, способной работать в сложных условиях различных воздействий, привело к усложнению этой аппаратуры и увеличению сроков ее проектирования, что, в

свою очередь, в современных условиях быстрого развития науки и техники часто приводит к ―моральному‖ устареванию разработанной

49

аппаратуры до начала ее массового выпуска. Таким образом, сокращение сроков разработки сложной аппаратуры стало важной проблемой. Попытки дробления сложной задачи, проведения параллельной разработки отдельных частей сложного изделия и увеличения штата разработчиков не обеспечивают пропорционального уменьшения сроков разработки из-за возникающих неувязок, нестыковок, согласований и трудностей управления большим коллективом. Эта проблема решается путем использования средств автоматизации проектирования, систем автоматизированного проектирования (САПР), причем решение проблемы не в ускорении расчетов до уровня, достаточного для перебора всех вариантов, а в применении статистических и вероятностных методов, в разработке методов моделирования и оптимизации, позволяющих вести направленный поиск лучшего варианта и избежать анализа всех решений.

САПР - это совокупность средств методов для осуществления автоматизированного проектирования, состоящих из следующих видов обеспечения : технического, программного, математического, информационного, лингвистического, методического и организационного [1,4,6,8]. Базовыми средствами, с помощью которых реализуются другие виды обеспечения САПР, являются

технические средства, а основой технических средств является ЭВМ.

Традиционная форма использования ЭВМ, сконцентрированных в вычислительном центре и работающих в пакетном режиме, не годится для автоматизированного проектирования. ЭВМ лишь тогда станет регулярно используемым инструментом проектирования, когда инженерпроектировщик сможет оперативно обращаться к машине и

50

также оперативно получать результаты решения. При этом эффективное взаимодействие инженера с ЭВМ будет обеспечено только в случае, если форма вводимой и выводимой информации удобна для человека и не приводит к необходимости вручную выполнять обременительные и чреватые ошибками операции по кодированию или расшифровке сообщений. В зависимости от характера решаемых задач удобными формами представления информации могут быть таблицы, чертежи, графики, текстовые сообщения и т. д.

В связи с указанным, к техническому обеспечению автоматизации проектирования предъявляются следующие требования: [6]

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 мере прогресса техники;

высокая надежность, приемлемая стоимость и т. д. Удовлетворение перечисленных требований возможно только в условиях организации технического обеспечения в виде специализированной вычислительной системы, допускающей функционирование в нескольких режимах. Такое техническое обеспечение называют комплексом технических средств САПР. Первое из указанных требований к техническим средствам (ТС) САПР обусловливает включение в комплекс ТС

51

как стандартного комплекта внешних устройств ЭВМ, так и дополнительных устройств оперативного ввода-вывода информации,

в том числе в графической форме. Этот комплекc внешних устройств устанавливается в помещении проектного подразделения и называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) проектировщика.

Состав АРМ зависит от характера задач, решаемых в проектном подразделении. Так, для инженеров, занятых функционально - логическим проектированием, и инженеровконструкторов оптимальный состав внешних устройств неодинаков. Действительно, конструкторы в значительно большей мере связаны с обработкой информации в виде чертежей, для них важно наличие развитых средств машинной графики.

В расширенном составе АРМ, кроме самой ЭВМ должны присутствовать следующие технические средства: устройства ввода и вывода как алфавитно-цифровой, так и графической информации; запоминающие устройства на магнитных дисках (НМД) и магнитной ленте (НМЛ); алфавитно-цифровой дисплей; графический дисплей; графопостроитель и некоторые другие по мере необходимости.

Комплекс технических средств предназначен для решения в процессе проектирования следующих задач: ввод исходной информации об объекте и необходимых процедурах проектирования, отображения, преобразования и хранения информации, создание условий для эффективного диалога пользователя системой, документирование проектных решений и некоторых других.

До недавнего времени основная масса задач автоматизации проектирования решалась на машинах класса мини-ЭВМ. Большие машины применялись заметно реже из-за

52

снижения эффективности их работы в интерактивном режиме, используемом для обеспечения диалога проектировщика с ЭВМ, а персональным ЭВМ (ПЭВМ) не хватало

вычислительных ресурсов для решения таких задач [4]. Значительное увеличение вычислительной мощности (быстродействия, объема памяти, снижения стоимости) персональных ЭВМ, наличие высококачественного программного обеспечения привело к резкому изменению такого положения в области технических средств САПР, то есть привело к широкому использованию ПЭВМ для автоматизации проектирования. Были разработаны и выпускаются различные периферийные устройства с высокими техническими характеристиками.При написании пособия использовались некоторые материалы и рисунки справочника ―Технические средства ПЭВМ‖ авторов Русака И.М. и Луговского В.П., а также других источников, указанных в списке литературы.

3.2. Общая характеристика ПЭВМ и их технических средств

Основой комплекса технических средств автоматизации проектирования является ЭВМ. Любая ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, представляет собой сложную систему взаимосвязанных технических средств, способных принимать, хранить, перерабатывать и выдавать информацию с помощью вычислительных и логических операций по определенному алгоритму или программе. Здесь и далее под техническими средствами понимается оборудование ПЭВМ, участвующее в автоматизированной обработке данных.

Решение задач на ПЭВМ (вычислительный процесс) проводится по определенным правилам. Любая задача, подготавливаемая для решения на ПЭВМ, представляется в виде одной или многих математических зависимостей. Кроме исходных данных, вводимых в ПЭВМ при решении задачи, возникает

53

необходимость в использовании алгоритма - совокупности точных предписаний (правил), определяющих вычислительный процесс. Программа, представляющая собой алгоритм решения задачи, записанный на каком-либо формализованном языке, определяет, какие действия и в какой последовательности должна выполнить машина над исходными данными и промежуточными результатами. Информация обычно представляется и обрабатывается двоичными словами конечной длины - 8, 16 или 32 бит.

Для выполнения процесса вычислений в состав ПЭВМ включаются устройства, каждое из которых имеет вполне определенные функции, т. е. является функционально законченной частью системы технических средств (рис.3.1). Данные устройства принято разделять на центральные и периферийные. Процессор и основная память являются центральными устройствами ПЭВМ.

Рис.3.1. Упрощенная структурная схема ПЭВМ

Процессор - основная часть ПЭВМ, непосредственно осуществляющая обработку данных и управление ею. Обрабатываемые процессором данные и программы их обработки последовательности команд) хранятся в основной памяти (оперативной или постоянной).

54

В ПЭВМ может использоваться несколько процессоров, один из которых является центральным (ЦП).

С помощью периферийных устройств осуществляется связь центральных устройств ПЭВМ с различными «поставщиками» и «потребителями» информации. Функции периферийных устройств достаточно сложны, однако среди них можно выделить две основные: хранение информации на различных носителях данных и преобразование ее согласно функциям, выполняемым устройством. В перифер ийные устройства включают устройства ввода-вывода и внешнюю память.

Ктехническим средствам ввода информации в ПЭВМ относятся клавиатура - устройство ввода текста, чисел и управляющей информации в основную память, а также устройства ввода алфавитно-цифровой, графической и речевой информации, например манипуляторы, планшеты, сканеры и др.

Ктехническим средствам вывода информации из ПЭВМ относятся знакорегистрирующие и графические регистрирующие устройства - устройства печати и графопостроители, а также устройства вывода информации в речевой форме - синтезаторы речи. Устройства отображения информации - дисплеи (видеомониторы) на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) или на других индикаторах - предназначены для отображения визуальной информации (текстов, чисел, графических изображений или других результатов работы).

Устройства внешней памяти ПЭВМ также выполняют функции двустороннего обмена информацией и служат для постоянного хранения программ и данных.

Однако они представляют область памяти, к которой процессор непосредственно обращаться не может. Для того чтобы использовать информацию, хранящуюся во внешней памяти, ее необходимо предварительно передать в основную (внутреннюю) память. К техническим средствам внешней памяти относятся накопители на гибких (НГМД) и жестких (НЖМД)

55

магнитных дисках, магнитных лентах (НМЛ), магнитных картах (НМК), запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) и др. Такие устройства называют также внешними (ВЗУ).

Связь всех функциональных устройств ПЭВМ определяется совокупностью правил и средств, устанавливающих единые принципы их взаимодействия, - интерфейсами.

Устройства объединены внутрисистемным интерфейсом

ивзаимодействуют по адресному принципу: все подчиненные устройства и их составные части имеют конкретные адреса, по которым к ним обращаются устройства, выполняющие функции управлений. Для связи процессора с периферийными устройствами используются специальные устройства сопряжения и обмена - адаптеры (каналы). По каналам осуществляется передача сигналов между частями ПЭВМ. Общий канал для всей ПЭВМ часто называют системной шиной, подчеркивая, что по данному каналу взаимодействуют все устройства, входящие в вычислительную систему [7].

Центральной частью ПЭВМ является системное устройство (системный блок), состоящее из центрального процессора, оперативной и постоянной памяти, адаптеров. Кроме него в базовый (минимальный) комплект ПЭВМ входят также периферийные устройства: клавиатура, видеомонитор, накопители информации, печатающее устройство. Поскольку без вышеперечисленных периферийных устройств нормальное функционирование ПЭВМ невозможно, то эти устройства также называют системными. Более того, в большинстве конструкций ПЭВМ системное устройство реализуется совместно с накопителями в едином конструктивном блоке, а в некоторых случаях в состав системного блока включают также клавиатуру

идисплей.

56

В необходимых случаях, например в профессиональных ПЭВМ, рабочих станциях, комплект технических средств может быть расширен путем подключения дополнительных устройств, как центральных, так и периферийных. К дополнительным периферийным устройствам обычно относят:

1)графические устройства ввода, включая манипуляторы различных типов, обеспечивающие ввод графических координат для последующей обработки средствами машинной графики, а также графические планшеты и сканеры;

2)графопостроители, используемые для построения чертежей

идругих графических и текстовых документов с высокой точностью отображения;

3)устройства получения твердой копии, позволяющие получать на бумаге копии изображений (в том числе и цветных) с экрана дисплея;

4)модемы для связи ПЭВМ с линиями передачи данных;

5)контроллеры локальных сетей и др.

Современные технические средства ПЭВМ позволяют создавать достаточно мощные вычислительные системы самого разного назначения: автоматизированной обработки данных, управления, автоматизации проектирования и производства, обучения и т. д.

3.3. Устройства ввода графической информации

3.3.1. Общие сведения

Важное значение для профессиональных ПЭВМ имеет возможность использования в них средств машинной графики, т. е. аппаратуры, методов и приемов для преобразования с помощью ПЭВМ данных в графическое представление, и