Введение к работе
Актуальность работы. Современные САПР используют трехмерное моделирование, которое в отличие от двухмерного позволяет описывать изделие более полно. Из трехмерной модели автоматически можно создать изображения разрезов и сечений в любом перспективном виде. При этом среди таких отдельных изображений существует строгая связь, т.к. все они являются производными от общей трехмерной модели. Объемная модель состоит из конструктива (модели детали) и описания модели, которое позволяет разрабатывать сборочные конструкции из отдельных компонентов (сборочных единиц, деталей, стандартных изделий и др.).
Использование трехмерной модели дает следующие преимущества:
а) наглядность;
б) удобство и быстрота разработки, внесения изменений, модернизации;
в) автоматизированные инженерные расчеты;
г) автоматическое внесение изменении во все составляющие
электронного описания изделия при изменении какого-либо из компонентов
изделия;
д) создание прототипа изделия по Rapid Prototyping-технологии -
современной технологии быстрого прототипирования, предоставляющей
возможность получать физические детали и модели посредством послойного
наращивания материала (пластика, жидкой смолы, специальных порошков,
различных листовых материалов), путем преобразования данных, поступающих
из САПР, и реализовывать проекты в трехмерном представлении.
Необходимость реализации требований рыночной экономики заставляет предприятия постоянно улучшать потребительские свойства и качество изделий при максимальном сокращении сроков их выпуска за счет совершенствования САПР. Использование трехмерной модели позволяет наиболее быстро и качественно выполнить и реализовать проект любой продукции.
Использование двухмерной модели электронного узла (в рамках работы под электронным узлом понимается печатная плата с установленными па ней электронными компонентами) затрудняет разработку электронного устройства, что увеличивает время разработки и снижает качество проектирования электронного устройства (ЭУ) на этапах конструкторско-технологического проектирования. В связи с этим особую актуальность приобретает задача проектирования электронных устройств на основе трехмерной модели электронного узла.
Анализ различных САПР, используемых при конструкторско-технологическом проектировании (КТП) ЭУ, позволяет сделать вывод о том, что существуют возможности сокращения сроков КТП ЭУ и увеличения качества ЭУ за счет повышения эффективности САПР, в т.ч. посредством использования трехмерных моделей электронных узлов (ЭУз).
Пространственная (трехмерная) модель электронного узла включает \ трехмерную модель платы и трехмерные модели электронных компонентов, а *_,,
также трехмерные модели деталей для электронных компонентов (радиаторы, прокладки и т.д.). Размещение электронных компонентов (ЭК) на плате необходимо выполнять в трехмерном изображении, чтобы контролировать по высоте установку компонентов друг под другом. А также, установив ограничительные (запретные) зоны в соответствии с формой корпуса (или секции, или др.), можно контролировать возможность установки высоких (как правило, штыревых) ЭК. Трассировку проводников удобнее выполнять в двухмерном изображении ЭУз, при этом модель ЭУз остается трехмерной.
Актуальность работы заключается в разработке методов повышения эффективности САПР электронных устройств, в которых все составляющие, в т.ч. и электронные узлы, разрабатываются в трехмерном измерении. Разработка методов повышения эффективности САПР ЭУ позволяет значительно увеличить скорость разработки изделий, а также повысить качество ЭУ.
Предметом исследования диссертационной работы являются автоматизированные системы, используемые при КТП ЭУ, а также методы и алгоритмы конструкторско-технологического проектирования.
Основной целью диссертационной работы является разработка методов и маршрутов КТП ЭУ при сквозном цикле проектирования на основе трехмерной модели, позволяющих проектировать электронные изделия высокого качества в сравнительно быстрые сроки, а также разработка критериев и оценка качества конструкторско-технологического проектирования ЭУ.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Анализ САПР, используемых при КТП ЭУ в аспекте современных технологий: CALS и Rapid Prototyping.
Создание метода разработки трехмерной модели электронного узла.
Разработка метода автоматизированного внесения изменений в проект, включающий трехмерную модель ЭУз.
Исследование и разработка маршрутов КТП ЭУ.
Анализ форматов данных, используемых для обмена данными между САПР.
Разработка нового формата данных для обмена данными о трехмерных объектах между различными САПР.
Разработка критериев и оценка качества конструкторско-технологического проектирования ЭУ.
Методы исследования. Разработка методов и маршрутов
конструкторско-технологического проектирования ЭУ основана на: теории САПР, теории множеств, теории графов, методах моделирования автоматизированных систем. Разработка формата данных основана на стандартах ГОСТ Р ИСО 10303.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- Предложен метод разработки трехмерной модели ЭУз на основе
модульного принципа конструирования.
- Разработан оригинальный метод автоматизированного внесения
проектных изменений во все составляющие электронного описания ЭУ.
Разработан новый формат данных для обмена информацией между различными САПР, в т.ч. ориентированной на использование трехмерной модели (на основе разработанной функциональной схемы потоков данных при КТП ЭУ и выдвинутых требований к формату данных).
Разработано семейство взаимосвязанных иерархических маршрутов КТП на основе современных технологий проектирования изделий (CALS-технологий, RP-технологий): маршрут конструкторско-технологического проектирования ЭУ (с распараллеливанием процессов КТП); маршрут конструкторско-гехнологического проектирования ЭУз; маршрут конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП) ЭУз;
Предложена оригинальная комплексная оценка качества проекта на основе разработанных критериев КТП ЭУ.
Практическая ценность. Разработанные в диссертационной работе методы и маршруты КТП могут быть использозаны для оптимизации различных САПР, используемых при КТП ЭУ, а также для разработки новой САПР ЭУз. При КТП электронных устройств рекомендуется использовать предложенный в работе метод разработки трехмерной модели электронного узла с автоматизированным внесением проектных изменений во все составляющие электронного описания ЭУ. Автоматизированное внесение изменений и обмен информацией между различными программными модулями можно осуществлять посредством формата данных, разработанного в диссертации. Маршрут КТПП ЭУз и маршрут конструкторско-технологического проектирования ЭУз позволят разработчикам программного обеспечения оптимизировать САПР ЭУз.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Измерительные технологии СПб», в ООО «НПО «ПОИСК» и в учебный процесс на кафедре «Проектирования компьютерных систем» СПбГУ ИТМО. На основе маршрутов КТП был разработан цикл лабораторных работ по дисциплине «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств»; методические рекомендации по выполнению цикла лабораторных работ и курсовому проектированию изложены в учебном пособии «Технология проектирования печатных плат в САПР P-CAD-2006» (СПбГУ ИТМО, 2009).
Апробация работы. Обсуждение и доклады производились на:
XXXII научной и учебно-методической конференции СПбГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб, 2003г.
XXXIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО. СПб, 2004г.
Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные САПР (CAD-2004)», пос. Дивноморское, 2004г.
Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные САПР (CAD-2005)», пос. Дивноморское, 2005г.
Политехническом симпозиуме: .Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона». СПб, 2005г.
XXXV научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО. СПб, 2006г.
Политехническом симпозиуме: Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона». СПб, 2006г.
XXXVI научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава СПбГУ ИТМО. СПб, 2007г.
XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, посвященной 100-летию со дня рождения выдающего ученого и талантливого педагога М.М.Русинова. СПб, 2009г.
Эффект от использования результатов данной работы заключается в сокращении сроков КТП ЭУ и повышении качества электронных изделий. Основные положення (результаты работы), выносимые на защиту:
Метод разработки трехмерной модели ЭУз.
Метод автоматизированного внесения изменений во все составляющие электронного описания ЭУ.
Новый формат данных, разработанный на основе функциональной схемы потоков данных при КТП ЭУ и выдвинутых требований к формату данных для обмена данными между различными САПР.
Маршрут конструкторско-технологического проектирования ЭУ.
Маршрут конструкторско-технологического проектирования ЭУз.
Маршрут КТПП ЭУз.
Критерии качества КТП электронных устройств.
Оценка качества КТП электронных устройств.
Разработанные методы и маршруты КТП ЭУ используются при решении таких задач как: сквозное проектирование ЭУ в едином информационном пространстве; формирование прототипов деталей и конструкций ЭУ.
Разработанные методы позволяют оптимизировать КТП ЭУ с увеличением качества ЭУ и сокращением сроков проектирования. По представленным маршрутам КТП возможна разработка и оптимизация программных модулей различных САПР электронных и других устройств.
Структура и объем диссертации.
