Концепция построения САПР

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

Математическое, лингвистическое, информационное и программное обеспечения обычно объединяются в программно-информационное 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. Структура видов обеспечения САПР представлена на рис. 2.1.

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

Рис. 2.1. Структура видов обеспечения САПР

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, предназначенным для изготовления и контроля РЭС.

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую 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 комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования.

3. САПР - это совокупность информационно согласованных подсистем.

4. САПР - это открытая и развивающаяся система.

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

Базовыми средствами, с помощью которых реализуются другие виды обеспечения CАПР, являются технические средства, а основой технических средств является ЭВМ.

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

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

2) достаточная производительность ЭВМ для решения задач всех типов всех типов проектирования за приемлемое время;

3) возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей

4) открытость комплекса технических средств для расширения и модернизации системы по мере прогресса техники;

5) 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. Первое из указанных требований к техническим средствам (ТС) САПР обусловливает включение в комплекс ТС как стандартного комплекта внешних устройств ЭВМ, так и дополнительных устройств оперативного ввода – вывода информации. Этот комплекс 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 инженеров-конструкторов оптимальный состав внешних устройств неодинаков. Конструкторы, в частности, в значительно большей мере связаны с обработкой информации в виде чертежей, для них важно наличие развитых средств машинной гра­фики.

В общем случае 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.

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.

Эффективность применения САПР при проектировании РЭС определяется целым рядом факторов:

- уровнем теоретической подготовки и практических навыков проектировщика, использующего данную САПР;

- применением современных методов моделирования и оптимизации, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям технического задания (ТЗ);

- применением комплекса технических средств САПР, максимально отвечающим требованиям, предъявляемым к решению поставленной задачи (как правило, требуется максимальная производительность, наличие определенных интерфейсных средств и т.п.)

Основой комплекса технических средств автоматизации проектирования является ЭВМ. Любая ЭВМ, в том числе и персональная, 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.

Решение задач на ПЭВМ, т.е. 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 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.

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 и других 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.

Особенности ЭВМ, применяемых в САПР, определяются главным образом теми задачами, на решение которых ориентирована данная система.

К наиболее распространенным особенностям можно отнести: максимально высокую производительность (для сокращения сроков разработки и повышения точности) и максимальную разрешающую способность средств отображения информации (мониторов, плоттеров, принтеров).

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 наобо­рот – графического представления в данные.

Наиболее быстрые и эффективные преобразования элементов графических изображений в соответствующие им цифровые коды координат вводимых точек (дискретизация изображения) и ввод этих кодов в ПЭВМ осуществляются графическими устройствами ввода.

Процесс преобразования графической информации в цифровую форму состоит из двух этапов - считывания и кодирования (рис. 2.2).

При считывании происходит распознавание графических элементов (точка, линия, эле­ментарный фрагмент) и определяется его координата в принятой системе координат.

Рис. 2.2. Процесс преобразования графической информации

в цифровую форму

Считанная информация при кодировании по определенным правилам принимает вид цифрового кода.

Основными характеристиками графических устройств ввода яв­ляются размеры рабочего поля, скорость и точность считывания, тип интерфейсов, энергопотребление, надежность, массогабаритные характеристики, стоимость и др.

Различают аппаратную и реальную скорости преобразования информации.

Аппаратная скорость - это максимальная скорость считывания, т. е. число пар координат, формируемых графическим устройством ввода за единицу времени.

Реальная скорость преоб­разования может отличаться от аппаратной, например в полуавтоматических устройствах она определяется темпом работы пользо­вателя.

Точностными характеристиками являются погрешность считыва­ния, разрешающая способность (дискретность) и повторяемость.

Погрешность считывания определяет максимальное отклонение значений координат точки от истинного по всему рабочему полю графического устройства.

Разрешающая способность характеризует кратчайшее расстояние между двумя точками на каждой оси ко­ординат графического устройства ввода, результаты измерения ко­торых различаются на единицу младшего разряда цифрового кода.

Повторяемость - это максимальный разброс результатов изме­рения координат в любой точке рабочего поля по отношению к их среднему значению.

Минимальное значение повторяемости равно по модулю разрешающей способности.

Графические устройства ввода подразделяются по способу ввода на полуавтоматические и автоматические (рис. 2.3).

В полуавтоматических графических устройствах ввода поиск и выделение элементов изображения производятся пользователем с помощью специального органа съема - указателя координат, щупа, визиря, датчика и т.п., а преобразование выделенного пользователем элемента - кодирование - автоматически специальным электрон­ным блоком.

В автоматических устройствах преобразование производится без участия пользователя - либо сканированием всей поверхности носителя графической информации, либо слежением за линией или границей с различной яркостью и цветностью.

В настоящее время полуавтоматические устройства ввода имеют широкую номенклатуру и применяют достаточно простые методы считывания, снижающие их стоимость и повышающие на­дежность.

Рис. 2.3. Классификация графических устройств ввода

По принципу определения координат полуавтоматические устройства ввода подразделяют на электромеханические, оптомеханические, сеточные (индукционные, емкостные), резистивные, звуковые, ультразвуковые, магнитострикционные и др. По конструктивному исполнению различают электромеханические устройства с подвижной координатной системой и электронные со свободно перемещаемым ука­зателем координат (манипулятором).

Один из простых способов оцифровывания графической информации для ввода ее в ПЭВМ - применение в качестве указателя координат манипуляторов, например типа «мышь», «трекболл».

Основным недостатком полуавтоматических графических уст­ройств ввода является резкое снижение скорости оцифровывания при вводе графической информации в большом объеме или большой плотности. Эта зависимость от объема и плотности информации значительно уменьшается при использовании автоматических гра­фических устройств ввода.

В автоматических графических устройствах ввода используется следящий или сканирующий (развертывающий) метод преобразо­вания. В первом случае рабочий орган устройства ввода отслеживает границу заданной кривой, перемещаясь с постоянной скоростью по оси абсцисс. Во втором случае рабочий орган осуществляет сканирование изо­бражения с некоторым шагом по оси абсцисс, в результате фикси­руются ординаты точек пересечения сканирующим лучом заданной кривой. В настоящее время широкую популярность приобрели сканирующие устройства ввода - сканеры. Обязательными компонентами сканеров являются рабочий орган считывания, система закрепления или перемещения вводимого документа, устройство управления (контроллер), про­граммные средства.

Сканеры выполняются в основном в четырех различных ва­риантах. В первом используется плоский планшет. Страница вво­димого документа закрепляется на плате из стекла, а рабочий орган движется вдоль страницы. Плоские сканеры удобны при вводе графики, так как страница может быть нестандартного размера. В этом случае точность считывания зависит от точности перемещения рабочего органа. Однако плоские сканеры занимают достаточно много места возле ПЭВМ. В сканерах второго типа рабочий орган неподвижен, а вводимый документ перемещается перед окном рабочего органа. Для движения документа исполь­зуются различные механизмы: барабанного типа, «тракторного» и др. Такие сканеры удобны для ввода многостраничных доку­ментов, поскольку они «чувствуют» страницы. Барабанные ме­ханизмы перемещения уменьшают габаритные размеры и массу сканеров. Достоинством является также возможность ввода до­кументов с рулонного носителя. Все более популярным становится третий тип - «ручные» сканеры. Рабочим органом в них является малогабаритный датчик, размещаемый в руке, который, подобно манипулятору типа «мышь», можно двигать или катить по бумаге. Такие сканеры сравнительно дешевы и позволяют вводить в ПЭВМ информацию со сложных поверхностей реальных объектов. В сканерах четвертого типа датчик считывания включается в регистрирующий орган печатающего устройства или графопо­строителя.

Недостатком автоматических графических устройств ввода яв­ляется то, что при считывании наряду с необходимой информацией вводятся и дефекты оригинала, особенно при считывании старых чертежей.

Графопостроители - уст­ройства вывода информации из ЭВМ, предназначенные для преоб­разования и записи данных в графической форме на носителе данных. Графическая форма (чертежи, образы, графики, диаграммы, гистограммы и т. п.) представления информации – одна из наиболее распространенных и удобных для человека и по сути единственная, применяемая в качестве технической документации.

По конструктивному исполнению выделяют три основных вида графопостроителей: планшетные, ба­рабанные и роликовые.

По размеру выводимых графических изображений различают крупноформатные (форматы носителя АО, А1 по ГОСТ 2.301-68), среднеформатные (форматы А1, А2) и малоформатные (форматы A3 и А4) графопостроители. В зависимости от производительности все графопостроители подразделяют на графопостроители высокой и средней производительности, для ПЭВМ профессио­нального применения, для ПЭВМ массового применения.

К устройствам оперативного отображения информации относятся главным образом мониторы используемых ЭВМ, но это так же могут быть световые индикаторы, индикаторные табло и т.п. устройства различных специализированных автоматизированных систем, используемых при проектировании.

В процессе проектирования, производства, а также для обеспечения эксплуатации и ремонта РЭС выпускают различные технические документы. Всю эту документацию можно разделить на три основные группы: конструкторскую, технологическую и нормативно-технологическую (рис. 2.4).

Конструкторская документация – это совокупность документов, которые полностью и однозначно определяют все необходимые и достаточные данные для изготовления, наладки, приёмки, эксплуатации и ремонта как изделий в целом, так и всех её составных частей.

При автоматизированном конструировании изделий основной комплект конструкторских документов, как правило, не изменяется. Однако для обеспечения автоматизированного

Рис. 2.4. Структура проектной документации

изготовления и контроля изделий могут создаваться документы как в традиционном виде (на бумаге, кальке), так и в нетрадиционном – на магнитных носителях (перфоленте, магнитной ленте, дисках).

Технологические документы в отдельности или в совокупности определяют технологический процесс изготовления (сборки), ремонта изделия и его составных частей, а также содержат необходимые достаточные данные для организации производства.

Разнообразие технологических процессов, используемых при производстве (от изготовления электронных элементов до печатных плат, электромонтажа и сборки изделий), приводит к необходимости учёта этого обстоятельства при разработке технической документации.

Очень важной группой технических документов, используемых при проектировании и производстве, является группа нормативно-технических документов. Они обеспечивают: единство подхода к разработке, изготовлению и эксплуатации изделий; техническую, информационную и программную совместимость; необходимые качественные показатели изделий и удешевление последних; сокращения сроков проектирования и производства и т.п.

Группа нормативно-технических документов, используемая в пределах одной разработки, представляет собой комплекс взаимосвязанных стандартов различного уровня (государственных, республиканских, отраслевых, предприятия), а также руководящих материалов.

При проектировании и производстве используются как стандарты относящиеся непосредственно к производимой технике, так и стандарты устанавливающие во всех организациях и предприятиях независимо от объёма проектирования и производства единые правила оформления документации, подготовки производства и т.п.

Особую роль в группе нормативно-технических документов при конструировании и производстве играют государственные стандарты, входящие в Единую систему конструкторской документации (ЕСКД), Единую систему технологической документации (ЕСТД), Единую систему программной документации (ЕСПД). Их основное назначение заключается в установлении во всех организациях и на всех предприятиях единых правил выполнения документации.

ЕСКД – комплекс Государственных стандартов, устанавливающий виды изделий, виды и комплектность конструкторских документов и требований к ним. К ЕСКД относятся графические и текстовые документы, определяющие в отдельности или в совокупности состав и устройство изделия, контроля, эксплуатации и ремонта. Стандарты ЕСКД определяют комплектность и формы документов на всех этапах разработки изделия.

ЕСТД – комплекс Государственных стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения текстовой и технологической документации.

Правила составления и оформления программных документов на ЭВМ устанавливаются ЕСПД.

Основные требования к САПР по выпуску конструкторско-технологической документации:

1) при выборе форм и форматов выходных документов необходимо максимально учитывать стандарты, принятые в ЕСКД и ЕСТД;

2) система должна по возможности выдавать весь набор конструкторско-технологической документации, который получается при неавтоматизированном проектировании, и еще дополнительно конструкторско-технологическую докумен-тацию для этапов контроля изделия;

3) машинные формы конструкторско-технологической документации должны обеспечивать не только автома-тизированные, но и ручные методы обращения документации и изготовления оборудования (т.е. учет, хранение, внесение изменений, поиск, передача и т.д.);

4) основные графические документы целесообразно выполнять базовым способом.

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

– документы, содержащие только буквенно-цифровую 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 электронном виде для управления технологическим оборудованием для изготовления и контроля печатных плат. Сюда относятся файлы управления координатографом для изготовления фотооригиналов печатных плат, сверлильным автоматом, устройством контроля печатного монтажа.

По способам оформления КД разделяют на схемную и чертежную (графическую), табличную и описательную (текстовую). Одна из важнейших проблем совершенствования ЕСКД и ЕСТД – разработка правил, учитывающих специфику автоматизированного проектирования.

Для организации архива документов особенно перспективны устройства для микрофильмирования. Оно позволяет создать фонды документов, занимающих малые объемы с использованием ручного и автоматизированного поиска. Благодаря компактности архивов на микроносителях имеется возможность создания страховых фондов, систем автоматизированного поиска, копирования, внесения изменений, выдачи и дистанционной передачи документов.

В целом высокая эффективность автоматизации выпуска КД в САПР объясняется следующим:

1) проектировщик освобождается от утомительных графических работ, не требующих инженерной квалификации, и получает возможность непосредственно контролировать реализацию и точность выполнения своего проекта;

2) появляется возможность оперативного внесения изменений в проект путем редактирования данных в памяти ЭВМ с последующей автоматической выдачей модифицированных документов.

В процессе проектирования и производства используются различные виды конструкторских и технологических документов.

К графическим конструкторским документам относятся следующие виды чертежей: чертёж детали, сборочный чертёж, чертёж общего вида, теоретический чертёж, габаритный чертёж, электромонтажный чертёж, монтажный чертёж, схема, спецификация.

Кроме указанных выше в состав конструкторской документации входят также текстовые документы: различные ведомости, например ведомости спецификаций ссылочных документов, покупных изделий, разрешения применения покупных изделий, держателей подлинников и др. Важными документами, входящими в состав конструкторской документации являются также: пояснительная записка, технические условия, программа и методика испытаний, таблицы, расчёты, эксплуатационные документы, ремонтные документы, инструкции.

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, и некоторые другие.

В зависимости от назначения технологические документы подразделяют на основные и вспомогательные. К основным относятся документы, полностью и однозначно определяющие технологический процесс (операцию) изготовления или ремонта, а также содержащие сводную информацию, необходимую для решения инженерно-технических, планово-экономических и организационных задач. Вспомогательные документы применяются при разработке, внедрении и функционировании технологических процессов и операций.

Состав применяемых видов документов определяется предприятием – разработчиком в зависимости от стадий разработки технологической документации, типа и характера производства. ГОСТ 3.1102–81 предусматривает следующие виды графических и текстовых технологических документов: карты технологического процесса (маршрутная, операционная, комплектовочная, эскизов и др.); технологическую инструкцию; различные ведомости (например, ведомости материалов, оборудования, оснастки и т.п.).