Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве 12
1.1. Анализ САПР, используемых при трехмерном моделировании печатных узлов 12
1.1.1. Анализ машиностроительных САПР 13
1.1.2. Анализ САПР печатных плат 15
1.2. Анализ современных подходов для синтеза и анализа проектных решений печатных узлов в трехмерном пространстве 18
1.2.1. Процедуры синтеза и анализа в проектировании печатных узлов 18
1.2.2. Современные подходы для синтеза и анализа проектных решений трехмерного моделирования печатных узлов в САПР печатных плат
1.2.2.1. Трехмерное моделирование корпусов электронных компонентов 22
1.2.2.2. Трехмерное моделирование конструктива печатной платы
1.2.3. Анализ современных подходов трехмерного моделирования печатных узлов в машиностроительных САПР 26
1.2.4. Недостатки проектирования печатных узлов на основе трехмерного моделирования в современных САПР 29
1.3. Анализ алгоритмов размещения электронных компонентов на плате 31
1.3.1. Анализ критериев качества размещения электронных компонентов 32
1.3.2. Исследование алгоритмов размещения 35
1.4. Выводы по первой главе 37
ГЛАВА 2. Методики автоматизированного проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве 39
2.1. Расширение функциональных возможностей САПР 39
2.1.1. Расширение функциональных возможностей САПР печатных плат... 39
2.1.2. Расширение функциональных возможностей проектирования печатных узлов в машиностроительных САПР 42
2.2. Унификации прикладных протоколов информационной поддержки трехмерного моделирования печатных узлов 45
2.2.1. Реализация способов расширения функциональных возможностей САПР печатных плат 45
2.2.2. Обеспечение интероперабельности САПР, используемых для трехмерного моделирования печатных узлов 51
2.3. Модели и алгоритмы для синтеза и анализа проектных решений печатных узлов в трехмерном пространстве 59
2.3.1. Модели и алгоритмы для синтеза и анализа проектных решений печатных узлов в САПР печатных плат 59
2.3.2. Методика автоматизированного проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве интегрированной САПР печатных плат 69
2.3.3. Модели и алгоритмы для синтеза и анализа проектных решений трехмерного моделирования печатных узлов в машиностроительных САПР 75
2.3.4. Методика автоматизированного проектирования печатных узлов в машиностроительных САПР
2.4. Маршрут автоматизированного проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве 86
2.5. Выводы по второй главе 90
ГЛАВА 3. Разработка алгоритма размещения электронных компонентов 91
3.1. Постановка задачи размещения 91
3.2. Представление установочного места электронного компонента 92
3.3. Представление монтажного пространства. Критерии размещения электронных компонентов 94 3.4. Распределение электронных компонентов в зонах монтажного пространства платы 99
3.5. Алгоритм оптимального размещения электронных компонентов, адаптированный для работы в трехмерном пространстве 104
3.6. Выводы по третьей главе 110
ГЛАВА 4. Экспериментальная оценка эффективности полученных результатов 111
4.1. Экспериментальная оценка эффективности разработанного алгоритма размещения 111
4.2. Экспериментальная оценка эффективности разработанных методик проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве 120
4.3. Выводы по четвертой главе 134
Заключение 135
Список литературы 137
- Анализ современных подходов для синтеза и анализа проектных решений печатных узлов в трехмерном пространстве
- Расширение функциональных возможностей проектирования печатных узлов в машиностроительных САПР
- Представление установочного места электронного компонента
- Экспериментальная оценка эффективности разработанных методик проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве
Введение к работе
Актуальность темы.
Современные тенденции развития производства электронной аппаратуры и постоянное развитие элементной базы приводят к необходимости совершенствования систем автоматизированного проектирования (САПР) и разработки новых принципов взаимодействия системы «человек-машина» в процессе проектирования. Автоматизация проектирования электронных устройств является одним из важных факторов сокращения сроков и повышения качества проектирования.
В основе конструктивного построения современных электронных
устройств (ЭУ) лежит модульный принцип конструирования. Основным
модулем ЭУ является печатный узел (ПУ), который определяет основную
функциональную нагрузку ЭУ. Процесс проектирования ПУ является наиболее
трудоемким этапом жизненного цикла ЭУ и включает следующие этапы:
схемотехническое проектирование, конструирование с учетом
дестабилизирующих факторов и технологическую подготовку производства. В рамках данной работы под ПУ понимается печатная плата с подсоединенными к ней электрическими и механическими элементами и (или) другими печатными платами и с выполненными всеми процессами обработки, в соответствии с ГОСТ 20406-75.
Большой вклад в разработку и развитие САПР, методов, моделей и алгоритмов проектирования электронных устройств внесли Абрайтис Л.Б., Анисимов В.И., Батищев Д.И., Бершадский A.M., Герасимов И.В., Кофанов Ю.Н., Курейчик В.М., Лебедев В.Б., Лузин С.Ю., Мактас М.Я, Норенков И. П., Петухов Г.А., Рубляускас Д.А., Селютин В.А., а также другие российские и зарубежные ученые.
Одним из наиболее перспективных направлений развития приборостроения является переход к трехмерной (3D) визуализации разрабатываемого устройства. Потребность в ЗО-моделировании ПУ в процессе проектирования обусловлена: применением технологии быстрого прототипирования; проблемами разработки или компоновки ПУ в объеме конструкции модуля верхнего уровня; решением задач инженерного анализа; удобством разработки и быстротой модернизации; наглядностью; рекламными материалами. Применение в приборостроении ЗО-моделей ПУ способствует выявлению и устранению конструкторских проблем на ранних стадиях проектирования.
На сегодняшний день большинство САПР, поддерживающих возможность ЗО-моделирования, предназначены для использования в области машиностроения, а область электроники нуждается в использовании САПР печатных плат (ПП). Следует отметить, что современные САПР ПП обладают недостаточными инструментальными средствами для получения детализированных ЗО-моделей ПУ в единой программной среде. Трудности применения машиностроительных САПР (МСАПР) для ЗО-моделирования ПУ связаны с проблемами передачи информации из САПР ПП. Для уменьшения
количества ошибок и исключения потери и искажения информации при конвертации данных из САПР ПП в МСАПР, а также повышения эффективности сквозного проектирования ПУ в едином информационном пространстве и использования информации, полученной в результате обмена, необходимо повысить интероперабельность САПР. Кроме того, отсутствуют концептуальные методики, описывающие применение существующих подходов для синтеза и анализа проектных решений ПУ в САПР, позволяющие на их основе получить детализированное представление ЗО-модели ПУ в приемлемые сроки.
Таким образом, актуальной становится задача исследования, автоматизации процесса проектирования ПУ на основе ЗО-моделирования и разработки средств для синтеза и анализа проектных решений ПУ в 3D-пространстве, способствующих повышению качества и сокращения сроков проектирования.
Область исследования. Содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования: п.1. Методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР; п.З. Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП; п.6. Разработка научных основ реализации жизненного цикла проектирование - производство - эксплуатация, построения интегрированных средств управления проектными работами и унификации прикладных протоколов информационной поддержки.
Основной задачей настоящей работы является разработка моделей и алгоритмов для автоматизированного синтеза и анализа проектных решений печатных узлов в ЗО-пространстве, способствующих сокращению сроков выпуска и повышению качества разрабатываемых устройств, решение которой имеет существенное значение в области приборостроения.
Объектом исследования является процесс автоматизированного проектирования печатных узлов в ЗО-пространстве.
Предметом исследования являются модели и алгоритмы автоматизированного проектирования ПУ на основе ЗО-моделирования.
Цель исследования - сокращение сроков проектирования печатных узлов и повышение качества разрабатываемых ЭУ путем использования современных методов ЗО-моделирования, разработки моделей и алгоритмов для автоматизированного проектирования ПУ вЗО-пространстве, а также методик их применения в учебной и производственной деятельности.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
анализ современных подходов для автоматизированного синтеза и анализа проектных решений ПУ в ЗО-пространстве;
разработка способов расширения функциональных возможностей САПР, используемых при ЗО-моделировании ПУ;
разработка моделей и алгоритмов для автоматизированного синтеза и анализа проектных решений ПУ в ЗО-пространстве;
разработка средств унификации прикладных протоколов информационной поддержки автоматизированного проектирования ПУ в ЗО-пространстве;
разработка методик и маршрута автоматизированного проектирования ПУ в ЗО-пространстве;
проверка эффективности разработанных моделей и алгоритмов для синтеза и анализа проектных решений ПУ в ЗО-пространстве, путем их сравнения с известными подходами.
Методы исследования. Работа выполнена с использованием следующих методов исследования: теории автоматизированного проектирования, теории графов, теории множеств, методов компьютерного геометрического моделирования, методов объектно-ориентированного программирования, методологии функционального моделирования IDEF0.
Научной новизной обладают следующие положения, выносимые на защиту:
Методика автоматизированного проектирования ПУ в ЗО-пространстве интегрированной САПРПП, на основе разработанных моделей и алгоритмов для синтеза и анализа проектных решений ПУ в ЗО-пространстве, отличающихся расширением функциональных возможностей САПР, посредством дополнения языка спецификаций, и позволяющая создавать ЗО-модели ПУ высокой точности;
Методика автоматизированного проектирования ПУ в МСАПР, на основе разработанных моделей и алгоритмов для синтеза и анализа проектных решений ПУ в ЗО-пространстве, отличающихся унификацией прикладных протоколов информационной поддержки, повышающих интероперабельность САПР;
Алгоритм решения задачи оптимального размещения электронных компонентов (ЭК) в ЗО-пространстве, позволяющий размещать ЭК в заданном объеме конструкции модуля верхнего уровня с учетом минимизации суммарной длины соединений. Отличающийся от известных тем, что в качестве критериев размещения, описывающих целевую функцию, используется помимо общеизвестных критериев предложенный критерий учета высот.
Практическая значимость. Разработанные методики, модели и алгоритмы являются методической основой для проектирования ПУ в ЗО-пространстве САПР. Прикладную программу на основе разработанного алгоритма размещения ЭК на плате, адаптированного для работы в ЗО-пространстве можно интегрировать в САПР ПП (например, Altium Designer, CADSTAR). Ценность от результатов данной работы заключается: в
повышении качества и сокращении сроков проектирования ПУ и, как следствие, ЭУ в целом.
Достоверность результатов. Достоверность и обоснованность полученных результатов, подтверждается теоретическим обоснованием, экспериментальной оценкой эффективности разработанных методик, моделей, алгоритмов и результатами внедрения в практику.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы в проектной деятельности ООО «Измерительные технологии», в конструкторском отделе ООО «НПО «Поиск» и в учебном процессе кафедры проектирования и безопасности компьютерных систем Университета ИТМО. Практическое использование результатов работы подтверждено соответствующими документами.
Апробация результатов работы. Основные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13 конференциях
различного уровня: XLI - XLV научных и учебно-методических конференциях
Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2012-2016 г.); I - IV Всероссийских
конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, 20120-2015 г.); X
Всероссийской научно-практической конференции «Современные
информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2012 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» (г. Йошкар-Ола, 2013 г.); Международные конгрессы по интеллектуальным системам и информационным технологиям «IS&IT» (пос. Дивноморское, 2013 г., 2014 г.).
Представляемая работа была выполнена при поддержке Правительства Санкт-Петербурга (гранты Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук: серия ПСП № 12186 от 12.12.2012, серия ПСП № 13236 от 13.12.2013, серия ПСП №14274 от 05.12.2014).
Личный вклад автора. Все исследования, расчеты и полученные в диссертационной работе результаты получены лично автором под руководством научного руководителя.
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 18печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК. По результатам исследований получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований и 3 приложений. Материал изложен на 153 страницах, содержит 42 рисунка и 10 таблиц.
Анализ современных подходов для синтеза и анализа проектных решений печатных узлов в трехмерном пространстве
Сущность проектирования ПУ заключается в принятии проектных решений, обеспечивающих выполнение будущим ЭУ предъявляемых к нему требований. Синтез проектных решений - основа проектирования. От успешного выполнения процедуры синтеза в определяющей мере зависят потребительские свойства ЭУ. Анализ является необходимой составной частью проектирования, служащей для верификации принимаемых проектных решений. Именно процедура анализа позволяет получить необходимую информацию для целенаправленного выполнения процедур синтеза в итерационном процессе проектирования. Поэтому синтез и анализ неразрывно связаны [21, 70].
Синтез подразделяют на параметрический и структурный. Проектирование начинается со структурного синтеза (СС), при котором генерируется принципиальное решение (например, облик будущего ЭУ, принцип его действия или функциональная схема). Прежде чем приступить к верификации проектного решения, нужно задать или рассчитать значения необходимых параметров, то есть, выполнить процедура параметрического синтеза (ПС). Например, результатами ПС могут быть геометрические размеры корпусов ЭК, деталей или параметры ЭК в электронной схеме и др.
Часто задача ПС может быть сформулирована как задача определения значений параметров элементов, наилучших с позиций удовлетворения требований ТЗ при неизменной структуре проектируемого ПУ. Тогда ПС называют параметрической оптимизацией (оптимизацией). Процедуры ПС в САПР либо выполняются человеком в процессе многовариантного анализа (в интерактивном режиме), либо реализуются на базе формальных методов оптимизации (в автоматическом режиме). К вспомогательным средствам относятся базы типовых проектных решений, системы обучения проектированию, программно-методические комплексы верификации проектных решений, унифицированные языки описания ТЗ и результатов проектирования [18].
Задачи СС проектируемых объектов являются трудно формализуемыми. Структурный синтез, как правило, выполняют в интерактивном режиме при решающей роли разработчика, а САПР играет вспомогательную роль. Задачи конструкторского проектирования ПУ являются примерами успешной автоматизации структурного синтеза. СС заключается в преобразовании описаний проектируемого ПУ: исходное описание содержит информацию о требованиях к свойствам ПУ, об условиях его функционирования, ограничениях на элементный состав и т.п., а результирующее описание должно содержать сведения о структуре, то есть о составе элементов и способах их соединения и взаимодействия.
Методы решения задач СС в связи с трудностями формализации не достигли степени обобщения и детализации, свойственной математическому обеспечению процедур анализа. Достигнутая степень обобщения выражается в установлении стандартной последовательности действий и используемых видов описаний при их преобразованиях в САПР. Как правило, это ТЗ на проектирование, по нему составляют описание на некотором формальном языке, являющемся входным языком используемых САПР.
Для развития подсистем синтеза в САПР одной из важных задач является разработка и унификация языков представления описаний (спецификаций). Каждый язык, поддерживая выбранную методику принятия решений, формирует у пользователей САПР – разработчиков технических объектов – определенный стиль мышления; особенности языков непосредственно влияют на особенности правил преобразования спецификаций. Примером унифицированного языка описания проектных решений является язык Express – универсальный язык спецификаций для представления и обмена информацией в компьютерных средах.
Процедуры анализа заключаются в исследовании проектируемого ПУ или его описания, направленном на получение полезной информации о свойствах ПУ. Цель анализа – проверка работоспособности ПУ. К МО анализа относятся математические модели, численные методы, алгоритмы выполнения проектных процедур.
Вычислительный процесс при анализе состоит из этапов формирования модели и ее исследования (решения). В свою очередь, формирование модели включает две процедуры: во-первых, разработку моделей отдельных компонентов, во-вторых, формирование модели системы из моделей компонентов. Первая из этих процедур выполняется предварительно по отношению к типовым компонентам вне маршрута проектирования ПУ. Как правило, модели компонентов разрабатываются специалистами в прикладных областях, причем знающими требования к моделям и формам их представления в САПР.
Процесс конструкторского проектирования ПУ в САПР, как правило, проводится в интерактивном режиме при оперировании геометрическими моделями, то есть математическими объектами, отображающими форму элементов, состав сборочных узлов и различные дополнительные параметры (масса, момент инерции, цвета поверхности и т. п.). Под математическим обеспечением (МО) геометрического моделирования в САПР, понимаются, прежде всего, модели, методы и алгоритмы для геометрического моделирования и подготовки проектных решений к визуализации.
В ЗО-моделировании различают каркасные (проволочные), поверхностные и твердотельные (объемные) модели. Для 3О-моделирования составляющих ПУ используются твердотельные модели. Они отличаются тем, что в них в явной форме содержатся сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по отношению к объекту пространству.
К БЭФ относятся заранее разработанные модели простых тел, это модели параллелепипеда, цилиндра, сферы, призмы и др. Типичными теоретико-множественными операциями являются объединение, пересечение, вычитание. Метод на основе БЭФ часто называют методом конструктивной геометрии. Это основной способ конструирования сборочных узлов в современных МСАПР [70].
В машинной памяти 3 D-модели обычно хранятся в векторной форме, то есть в виде координат совокупности точек, задающих элементы модели. Операции конструирования также выполняются над моделями в векторной форме. Наиболее компактной моделью является 3 D-модель в виде совокупности связанных БЭФ, которая преимущественно и используется для хранения и обработки информации в САПР.
САПР ПП позволяют визуализировать различные проектные решения ПУ в 3D-пространстве, а также отслеживать совместимость ПУ между собой и с корпусом проектируемого ЭУ, но они не обладают достаточными инструментальными средствами для полноценного проектирования ПУ на основе методов 3D-моделирования, поэтому для проектирования ПУ в 3 D-пространстве необходимо совершенствовать САПР ПП либо использовать МСАПР, обладающие широким спектром возможностей 3D-моделирования [77, 78].
Расширение функциональных возможностей проектирования печатных узлов в машиностроительных САПР
Также, в результате анализа современных методов для синтеза и анализа проектных решений ПУ в МСАПР, выполненного в 1 главе, были выделены недостатки проектирования ПУ, устранение которых позволит повысить степень эффективности МСАПР. Для устранения существующих недостатков необходимо улучшить процесс обмена данными между МСАПР и САПР ПП, что будет способствовать улучшению, как интеграции, так и интероперабельности различных САПР. Способы расширения функциональных возможностей проектирования ПУ в МСАПР: преобразование данных импортированных в формате IDF (проверка наличия высот, имен ЭК, обозначений отверстий ассоциированных как элемент ЭК), как наиболее популярного и поддерживаемого различными САПР формата; увеличение объема информации о ПУ при передаче данных из одной САПР в другую (передача графических элементов платы (дорожек проводников, контактных площадок, ПТМ, шелкографии) для ускорения процесса ориентации 3D-моделей и повышения наглядности); автоматизированное формирование элементов чертежа платы в соответствии с ГОСТ 2.417-91 [24] и ЕСКД (присвоение символов отверстиям различных диаметров, формирование таблицы отверстий (каждому отверстию присваивается символ, который накладывается на основной вид при формировании чертежа), координатной сетки); автоматизированное формирование разреза многослойной печатной платы (стек слоев) в соответствии с ГОСТ 23751-86 [27]; формирование новых библиотек в МСАПР (стандартных корпусов ЭК и установочных изделий).
Расширить функциональные возможности проектирования ПУ в МСАПР возможно посредством улучшения свойств интероперабельности САПР. Реализация данных возможностей позволит: сократить сроки проектирования ПУ в 3 D-пространстве, уменьшить количество итераций при проектировании ПУ, повысить качество разрабатываемых ПУ, упростить и ускорить процесс оформления конструкторской документации, повысить точность и эффективность проектирования ЭУ в целом, а также позволит повысить как интероперабельность, так и эффективность МСАПР, используемых для проектирования ПУ в 3 D-пространстве. 2.2. Унификации прикладных протоколов информационной поддержки трехмерного моделирования печатных узлов
Расширение функциональных возможностей САПР ПП предлагается осуществить посредством дополнения языка спецификаций САПР ПП, за счет описания операторов необходимых для реализации существующих методов 3D-моделирования объектов в единой программной среде, посредством применения унифицированного языка Express, для единообразного описания и интерпретации данных в САПР. 3D-моделирование корпусов ЭК, конструктива ПП, установочных изделий и крепежных деталей в интегрированной САПР ПП предлагается осуществлять посредством описания на языке Express необходимых инструментальных возможностей для реализации методов 3D-моделирования в САПР ПП [59].
Информационная модель на языке Express описывает с высокой степенью полноты множество сущностей, вместе с их атрибутами и выраженными средствами языка Express, для формирования детализированных 3D-моделей ПУ в среде САПР ПП. Модель состоит из нескольких частей, называемых Express схемами и обменного файла (согласно ГОСТ Р ИСО 10303-21 [29]). Модель включает следующие составляющие: описание базовых элементов формы (БЭФ) в 3D-пространстве (конус, параллелепипед, пирамида); описание процесса формирования 3D-моделей посредством метода конструктивной геометрии и кинематического метода; описание операций редактирования (отсечения, вырезания, выдавливания, формирования скруглений и фасок).
Система Altium Designer позволяет использовать такие БЭФ как сфера и цилиндр, которых не достаточно для формирования 3D-моделей таких ЭК, как: разъемы, средства индикации, проводники, кнопки, переключатели, микросхемы, установочные изделия и крепежные детали. Для построения ЭК сложной формы необходимо добавить в САПР ПП такие БЭФ, как: конус, параллелепипед, пирамида. В системе Altium Designer есть возможность создавать параллелепипед посредством метода экструзии, но данная процедура в сравнение с предлагаемым подходом является более трудоемкой и не позволяет в приемлемые сроки создавать сложные 3D-модели ЭК.
Представление установочного места электронного компонента
Конструктивное представление современных ЭУ основано на модульном принципе проектирования. Основным модулем ЭУ является печатный узел, который определяет функциональную нагрузку ЭУ. Поэтому этап проектирования ПУ является самым трудоемким и важным при проектировании всего ЭУ в целом. Большинство ЭУ выполняются в виде блоков, в состав которых входят несколько конструктивных узлов.
Для полноценного проектирования ПУ необходимо привлечение, как минимум, двух пакетов различных групп САПР, таких как САПР ПП и МСАПР. В настоящее время развитие интегрированных информационных систем, основанных на CALS-технологиях, позволяет осуществлять комплексное проектирование электронных средств в ЕИП. Обмен данными в ЕИП между группами САПР ПП и МСАПР осуществляется с помощью PLM-технологий и CALS-стандартов, за счет использования стандартизированных форматов обмена данными (наиболее популярные форматы: IDF, STEP, IGES) [68]. При проектировании ПУ в ЕИП существует проблема, связанная с конвертацией данных, неизбежно приводящей к потере информации, ошибкам различного рода и увеличению времени разработки, что существенно осложняет этапы проектирования ПУ в 3D-пространстве.
Процесс автоматизированного проектирования ПУ строится на основе типовых проектных процедур. Количество процедур и их последовательность определяются как спецификой разрабатываемого ПУ так и методологией проектирования, основанной на принципах проектирования ПУ с применением САПР. Автоматизированное проектирование ПУ предполагает определенную последовательность проектных процедур. Маршрут автоматизированного проектирования должен отвечать следующим основным принципам: расчленение сложной задачи синтеза проектных решений ЭУ на ряд простых; чередование процедур синтеза и верификации; итерационность проектирования. На рисунке 2.17. представлен разработанный маршрут проектирования ПУ в
3D-пространстве, основанный на применении CALS-технологий и принципов ИПИ. Проектные процедуры на представленном маршруте изображены в виде блоков, а связи между ними в виде информационных потоков. Нумерация блоков отображает последовательность выполнения автоматизированных проектных процедур. Каждый блок взаимосвязан с последующим, а ряд блоков оказывает непосредственное влияние друг на друга. Информационные потоки (ТЗ1-ТЗ7) отображают требования технического задания, к определенным характеристикам разрабатываемого ПУ (электрические, надежностные, массо-габаритные) и различные дестабилизирующие факторы (температурные, механические воздействия и т.д.).
Блок 1. На первом этапе разрабатывается структурная и функциональная схемы ПУ. Структурная схема необходима для отображения концепции разрабатываемого устройства, а функциональная схема для описания процессов, протекающих в отдельных функциональных цепях или в устройстве в целом.
Блок 2. На данном этапе осуществляется симулирование электрических процессов, протекающих в схеме разрабатываемого устройства. Полученные данные сравниваются с требованиями ТЗ (ТЗ2) и являются приближенными.
Блок 3. На данном этапе разрабатываются 3D-модели установочных изделий и крепежных деталей. Разработка осуществляется в среде МСАПР. Затем разработанные модели импортируются в САПР ПП для дальнейшего проектирования устройства. Импорт данных осуществляется посредством стандартизированных форматов обмена данными.
Блок 4. Этап проектирования ПУ в САПР ПП является одним из наиболее трудоемких и осуществляется средствами САПР ПП. Процесс проектирования ПУ подробно рассмотрен в разработанной методике автоматизированного проектирования ПУ в 3D-пространстве САПР ПП.
Блок 5. Этап проектирования 3D-модели ПУ осуществляется средствами либо САПР ПП либо в МСАПР. Более подробно данный процесс будет рассмотрен ниже. Блок 6. Этап инженерного анализа разработанного ПУ осуществляется с применением 3D-модели ПУ. Инженерный анализ включает следующие виды расчетов: электромагнитные, механических и климатических параметров. Для моделирования теплового режима ПУ могут быть использованы данные о: воздействующих температурах, допустимых перегревах ЭК, виде охлаждения и др. параметры. В результате проведения инженерного анализа могут быть внесены изменения в 3D-модель ПУ. Для осуществления электромагнитного анализа ПУ учитываются конструктивные параметры и электрические характеристики ЭУ и печатной платы. Блок 7. Этап разработки конструкции модуля верхнего уровня осуществляется в МСАПР. Основные требования к конструкции модуля верхнего уровня задаются в ТЗ. Блок 8. Этап сборки ЭУ осуществляется либо в МСАПР либо в САПР ПП. Разработанную в МСАПР конструкцию модуля верхнего уровня можно импортировать в САПР ПП и осуществить процесс упаковки 3D-модели ПУ в 3D-модель модуля верхнего уровня, если САПР ПП обладает данной возможностью. Блок 9. Электрический монтаж можно осуществить в различных МСАПР. Электрический монтаж, выполняемый проводами и кабелями, осуществляется с использованием 3D-модели сборки ЭУ. Блок 10. Инженерный анализ ЭУ в целом включает следующие виды: тепловой режим ЭУ, моделирование механических режимов работы устройства (учитываются виды механических воздействий и их параметры), а также анализ показателей надежности и качества разрабатываемого устройства. Блок 11. Для изготовления прототипов 3D-модели ПУ или 3D-модели ЭУ по RP-технологии необходимо формирование модели в формате STL. Блок 12. Автоматизированное формирование конструкторской документации средствами МСАПР. Разработанный маршрут можно использовать для распараллеливания работ проектировщиков, что приведет к уменьшению трудоемкости выполнения проекта.
Экспериментальная оценка эффективности разработанных методик проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве
В качестве дополнительного показателя оценки эффективности используется время работы алгоритмов. Сравнительный анализ времени работы от числа размещаемых ЭК разработанного алгоритма и алгоритмов авторазмещения в системе Altium Designer представлены на рисунке 4.4.
Для определения величины показателя оценки реализованных соединений (W) построение трасс соединений между компонентами, размещенными по каждому из алгоритмов, проводилось с помощью автотрассировки системы Altium Designer. На рисунке 4.5 представлены результаты оценки качества реализованных соединений в зависимости от числа размещенных ЭК. Для разработанного алгоритма размещения оценка производилась до и после процедуры распределения (переразмещения) ЭК. Экспериментальные исследования показали, что алгоритм размещения, адаптированный для работы в 3D-пространстве обеспечивает: оптимальный вариант размещения ЭК за более приемлемый срок, чем алгоритмы авторазмещения системы Altium Designer, что доказано сопоставлением результатов представленных на графиках, отражающих временя работы алгоритма от числа размещаемых ЭК. При использовании предложенных критериев время размещения ЭК в среднем сокращается на 25%; количество реализованных соединений на 15 % выше, чем количество, полученных соединений при размещении ЭК посредством алгоритмов системы Altium Designer; что доказано сопоставлением результатов представленных на графиках, отражающих изменение величины реализованных соединений от числа ЭК; плотную расстановку ЭК, что доказано высоким значением показателя занятой площади МП в результате сопоставления результатов представленных на графиках зависимости Р =/(ПР). В результате эксперимента доказано, что разработанный алгоритм позволяет получить оптимальный вариант размещения для ПУ различной категории сложности. Проведенная оценка эффективности модифицированного последовательного алгоритма размещения ЭК, адаптированного для работы в 3D-пространстве, показала, что разработанный алгоритм эффективен и конкурентоспособен.
Экспериментальная оценка эффективности разработанных методик проектирования печатных узлов в трехмерном пространстве
Для экспериментальной оценки эффективности разработанной методики проектирования ПУ в 3D-пространстве интегрированной САПР ПП были построены 3D-модели десяти ПУ различной категории сложности (сложность увеличивается по возрастанию порядковых номеров). Подробное описание ПУ приведено в таблицах 4.1 и 4.2.
Основными этапами проектирования ПУ на основе 3О-моделирования в интегрированной САПР ПП, требующими значительных временных затрат являются, этапы разработки: библиотеки ЭК, ЗБ-моделей установочных изделий и крепежных деталей (прокладки, радиаторы, уголки, держатели и др.), 3D-модели конструктива платы, размещения ЭК в 3О-пространстве, ЗБ-модели сборки ПУ, конструкторской документации.
При оценке исследования методики проектирования ПУ в 3О-пространстве интегрированной САПР ПП критериями были выбраны: время и точность построения 3Б-моделей: конструктива платы, корпусов ЭК, установочных изделий и крепежных деталей. В таблице 4.3 представлены этапы проектирования и примеры, на которых использовались предложенные способы расширения функциональных возможностей САПР ПП.
Разработка библиотеки ЭК (УГО, ПТМ, 3D-модель) Разработка 3D-модели с помощью: БЭФ, метода конструктивной геометрии, кинематического метода, инструментов редактирования (отсечение, добавление резьбы, выдавливания, фаски и скругления). Использование готовых библиотек 3D-моделей. Для проектирования 3D-моделей: разъемов (D-SUB, WF, DC, PWL, SMA, S-A, JD и др.), кнопок, переключателей (SPST), средств индикации, трансформаторов, резонаторов, транзисторов, генераторов.
Разработка 3D-моделей установочных изделий и крепежных деталей Для проектирования 3D-моделей: подставок, уголков, радиаторов, втулок, стоек, рамок и других изделий.
Разработка 3D-модели конструктива платы Применение: БЭФ, метода конструктивной геометрии, кинематического метода, инструментов редактирования (отсечение, добавление резьбы, выдавливания, фаски и скругления). Для разработки сложных конструктивов ПП в САПР ПП (например, материнские платы для ноутбуков)
Размещение ЭК в 3D-пространстве Размещение по разработанному алгоритму размещения, адаптированному для работы в 3D-пространстве Для размещения ЭК в монтажном пространстве платы с учетом высоты и дальнейшей упаковки ПУ в корпус ступенчатой формы Разработка 3D-модели корпуса блока модуля верхнего уровня Разработка 3D-модели с помощью: БЭФ, метода конструктивной геометрии, кинематического метода, инструментов редактирования (отсечение, добавление резьбы, выдавливания, фаски и скругления). Для разработки 3D-моделей корпусов блоков, для упаковки в них 3D-моделей ПУ.
Оформление дизайна 3D-модели Градиентная заливка. Для оформления дизайна 3D-моделей (ЭК, радиаторов, микросхем, резисторов).
Формирование конструкторско й документации Оформление чертежей в соответствии с ГОСТ 2.417-91 и ЕСКД в том числе таблиц, размеров, шероховатостей, штриховок. Масштабирование модели ПУ для оформления конструкторской документации и автоматизированного формирования сечений и разрезов ПУ в соответствии с ГОСТ 23751-86. Для автоматизированного оформления конструкторской документации в интегрированной САПР ПП.
Также в САПР ПП произведена оценка точности построения 3 D-моделей конструктива платы, установочных изделий и крепежных деталей, корпусов ЭК используемых в качестве элементной базы в различных ПУ. Под точностью построения понимается степень совпадения полученной в процессе построения 3D-модели ЭК с реальным объектом.
Точность построения 3 D-модели зависит от степени сложности реального объекта. Для объектов, которые имеют простую форму и не нуждаются в высокой степени детализации (резисторы, конденсаторы, резонаторы, микросхемы) точность и время построения модели на основе разработанной методики и с помощью известных подходов имеют практически равные значения. Чем сложнее модель реального объекта (разъемы, средства индикации, полупроводники, установочные изделия, крепежные детали), чем больше требуется проработка мелких деталей, тем больше времени уходит на построение 3 D-модели.
В рамках работы были рассмотрены случаи, когда 3D-модель объекта построена в соответствие с линейными размерами и ориентирована так, как устанавливается на плату (вертикально или горизонтально). Считается, что 3D-модель, включающая в свой состав больше трех элементов считается сложной (сл), а при количестве элементов меньше или равное трем простой (пр.). Элемент - это результат декомпозиции соответствующей 3D-модели на простые части. Оценка точности построения 3 D-моделей, разработанных в 3 D-пространстве интегрированной САПР ПП, осуществляется в результате сравнения 3D-моделей созданных с помощью разработанной методики (РМ) и существующих подходов (СП) с эталонной 3 D-моделью, созданной в МСАПР поочередно.