Основы автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов производства РЭС (окончание)

Проектирование технологии изготовления спроектированного объекта

На этой стадии традиционно выполняют работы в процессе технологической подготовки производства изделия или его узлов и деталей на предприятии-изготовителе.

При проектировании технологии производят:

• поиск и выбор исходной информации (об объекте, подлежащем изготовлению; о технологическом оборудовании предприятия; о технологических и трудовых нормативах);
• анализ и обработку данных в целях определения маршрутов обработки, последовательности технологических операций и режимов их проведения, потребности в инструменте и измерительном оборудовании, в создании специальной оснастки;
• оформление соответствующей технологической документации. Работы, названные в техническом задании и техническом проекте,

идентичны многим операциям при проектировании изделия. Собственно проектирование технологии требует оригинальных расчетов и решений для различных видов технологических операций. Тем не менее, методы формализации большинства таких работ существуют, следовательно, они могут быть автоматизированы.

Автоматизация операций обработки информации и процессов управления использованием информации на всех рассмотренных стадиях проектирования составляет сущность функционирования современных С АП Р.

Основное назначение САПР - решение задач эскизного и технического проектирования. На этих этапах осуществляют синтез топологии (разбиение электрической схемы на функционально законченные части, размещение элементов электрической схемы, трассировка - определение трасс между элементами), а также разработку и выпуск фотошаблонов.

В процессе синтеза топологии могут использоваться мини-ЭВМ и различные средства малой автоматизации: графические экранные пульты, координатографы и т. д. В этом случае применяются интерактивные методы. Реже используется, но более перспективно автоматизированное проектирование при синтезе топологии с применением больших ЭВМ и средств малой автоматизации.

Из рис. 3.2 следует, что формирование исходных данных для проектирования продолжается и на этапе технического задания (ТЗ), и на этапе НИР (АСНИ). На этапе НИР уточняются связи "вход-выход", осуществляется определение информативности параметров, проводится активный эксперимент, разрабатываются математические модели и алгоритмы управления технологическим процессом.

Согласно ГОСТу, научно-исследовательские работы ведутся на стадии технического задания; кроме того, эти работы допускается проводить даже на более ранних стадиях.

Проектирование системы (или устройства) состоит из двух основных этапов:

• обоснование исходных данных (технических условий, технического задания) для проектирования;
• проектирование системы для сформулированных исходных данных.

Первый этап называют внешним проектированием, а второй этап - внутренним проектированием.

При рассмотрении задачи проектирования системы необходимо задать класс допустимых исходных данных (класс технических условий), класс допустимых решений (класс проектов) и способ построения какого-либо проекта из класса допустимых решений по произвольному техническому условию из класса допустимых исходных данных. Автоматизированное проектирование тогда сводится к заданию конкретного технического условия из класса допустимых исходных данных и применению к нему алгоритма перехода к классу решений.

Исходные данные обосновываются путем всестороннего рассмотрения условий работы системы и требований, предъявляемых к системе исходя из ее назначения. Вновь создаваемая система, как правило, содержит элементы уже существующих систем, поэтому этап уяснения задачи при проектировании включает в себя обследование всего достигнутого ранее в поисках методов, аналогов и элементов для разрабатываемой системы, а также предусматривает выявление потребностей. Этот этап характеризуется тем, что превращает начальную неопределенную ситуацию в набор данных, которые позволяют сформулировать цели, определяющие весь процесс проектирования. Следовательно, уяснение задачи начинается со сбора информации, касающейся проектируемой системы. При этом необходимо проведение анализа уже существующих систем и используемых методов в них, достигнутый уровень технического и технологического развития, природное окружение, экономические условия, общественные и индивидуальные человеческие факторы - все эти условия необходимо учитывать при пр оектировании системы.

Процесс обоснования исходных данных ( внешнее проектирование ) существенно зависит от того, является ли проектируемая система частью более сложной системы, т. е. подсистемой (или устройством), или она задумана автономной, т. е. может использоваться заказчиком самостоятельно. В том случае, когда разрабатываемая система будет составляющей (подсистемой) более сложной системы, перед тем как формулировать исходные данные для таких составляющих, надо систему разбить на эти части. Для сложных объектов выполнить одновременно оптимальное проектирование для всех частей не удается. Особенно это относится к тем случаям, когда требуется не только выбрать параметры системы, но и синтезировать ее структуру. Поэтому при проектировании систем средней и особенно большой сложности их обычно разбивают на подсистемы или сегменты.

Чем на большее число частей разбита система, тем труднее правильно сформулировать исходные данные для каждого сегмента, но тем легче провести оптимизацию для тех исходных данных, которые для него установлены. Поэтому в каждом конкретном случае проектирования определяют наиболее целесообразное число сегментов, на которое следует разбить систему, чтобы получить решение, наиболее близкое к оптимальному. Нередко это целесообразное число частей удается получить лишь в процессе совместного проведения ряда последовательных этапов внешнего и внутреннего проектирования.

При обосновании исходных данных для проектирования системы необходимо учитывать реальные ограничения. Эти ограничения сформулированы в ряде работ.

Исходные данные (исходное описание) не должны нести избыточной информации. В то же время должны быть заданы все основные параметры и характеристики будущей системы и технические условия проектирования, ограничивающие проектные решения. Если процесс проектирования разбивается на этапы, исходные данные каждого этапа должны содержать минимально необходимую информацию для его прохождения.

Язык представления исходных данных (в том числе язык исходных данных каждой из подсистем) должен быть близок к системе понятий, употребляемой инженерами-проектировщиками.

Внешний вид записи исходных и конечных данных на каждом этапе должен быть близким к обычно применяемым проектировщиками техническим описаниям. Например, готовый проект должен представлять совокупность описаний в виде чертежей, смет, пояснительных записок, содержащих всю технико-экономическую информацию, необходимую для изготовления, отладки и сдачи системы в эксплуатацию, и делиться на отдельные специализированные части: функциональные схемы, структурные схемы, спецификации, сметы, принципиальные схемы, алгоритмы управления, программы управления.

Всю исходную информацию, подготовленную для разработки технологических процессов, подразделяют на базовую, руководящую и справочную.

Базовая информация состоит из конструкторской документации на изделие и программы выпуска этого изделия.

Руководящая информация включает данные, содержащиеся в следующих документах:

• отраслевых стандартах, устанавливающих требования к технологическим процессам и методам управления ими, а также стандартам на оборудование и оснастку;
• документации на действующие единичные, типовые и групповые технологические процессы ;
• классификаторах технико-экономической информации;
• материалах по выбору технологических нормативов (режимов, норм расхода материалов и т. д.);
• документации по технике безопасности и промышленной санитарии.

Справочная информация включает данные, содержащиеся в следующих документах:

• технической документации опытного производства;
• описаниях прогрессивных методов изготовления и ремонта;
• каталогах, паспортах, справочниках, альбомах компоновок прогрессивных средств технологического оснащения;
• методических материалах по управлению технологическими процессами ;
• планировках производственных участков.

Итак, для выполнения проектов систем автоматизированных технологических комплексов должны быть представлены следующие исходные данные и материалы:

• уточненные технологические схемы с характеристиками оборудования;
• перечни контролируемых и регулируемых параметров с необходимыми требованиями (например, нормами, контрольными границами регулирования и т. д.);
• чертежи производственных помещений с расположением технологического оборудования;
• чертежи технологического оборудования, на котором предусматривается установка приборов и средств автоматизации;
• требования к надежности систем автоматизации;
• результаты НИР и ОКР, содержащие рекомендации по проектированию систем и средств автоматизации;
• техническая документация по типовым и проектным решениям и др. Основными рекомендациями, выдаваемыми в результате проведения

НИР и ОКР, должны быть, как уже говорилось, перечень наиболее информативных (контролируемых и регулируемых) параметров, математические модели и алгоритмы управления, эскиз проектируемой системы.

3.3. Системный подход к решению задач АСНИ

При анализе и проектировании сложных процессов, когда не представляется возможным найти внутренние связи в системе, используется известный в кибернетике принцип "черного ящика". Этот принцип заключается в том, что, не имея информации о существе и внутренней структуре процесса, для его математического описания используют лишь зависимость выходных величин от входных.

Понятие " черный ящик " относится к основным понятиям кибернетики и помогает при изучении поведения систем, т. е. реакций на различные внешние воздействия, абстрагироваться от их внутреннего устройства. Многие системы, особенно большие, оказываются настолько сложными, что, даже имея полную информацию о состоянии их элементов, практически невозможно связать ее с поведением системы в целом. В таких случаях представление такой сложной системы в виде некоторого "черного ящика", функционирующего аналогично, облегчает построение упрощенной модели. Анализируя поведение модели и сравнивая его с поведением системы, можно сделать ряд выводов о свойствах самой системы и при их совпадении со свойствами модели выбрать рабочую гипотезу о предполагаемом строении исследуемой системы.

Всякая система общается с внешней средой, имеет входы X и выходы P из нее (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Простейшая структура объекта проектирования

Входами могут быть: состав комплектующих элементов с их параметрами; параметры пленки при производстве транзисторов и т. д.; выходами могут быть показатели качества готовой продукции (надежность РЭС, процент выхода годных приборов и т. п.).

Система обычно подвержена возмущениям Z; для их компенсации, для того чтобы система работала в нужном режиме, используют управляющие воздействия U (электрические непрерывные и дискретные сигналы, различные механические воздействия и т. д.).

Наблюдая достаточно долго за поведением такой системы и, если потребуется, выполняя активные эксперименты над ней, т. е. изменяя некоторым определенным образом входные воздействия, можно достигнуть такого уровня знаний свойств системы, чтобы иметь возможность предсказать изменение ее выходных показателей при любом заданном изменении входных.

Метод, использующий " черный ящик ", широко применяют для решения задач моделирования управляемых систем (особенно при исследовании сложных технических объектов) в тех случаях, когда представляет интерес поведение системы, а не ее строение.

В этих ситуациях зачастую единственно пригодными оказываются статистические методы оптимизации, поскольку ни технолог, ни управляющая ЭВМ в ряде случаев не способны в ходе процесса учесть суммарный эффект действия множества различных факторов, часто связанных сложными зависимостями. Кроме того, на процессах могут сказываться явления, недоступные контролю по физическим или техническим причинам. Следовательно, производственная информация носит стохастический характер. Этим объясняется применение для исследования и управления технологическим процессом статистических методов.

При использовании статистических методов возникают две основные задачи: построение модели и нахождение стратегии оптимального управления. Для решения этих задач разработан ряд эффективных статистических методов.

При создании математических моделей универсальным является метод регрессионного анализа. В этом случае зависимость каждого выходного параметра (показателя качества) процесса от различных факторов представляется в виде многочлена, включающего рассматриваемые факторы и их комбинации. Коэффициенты при отдельных слагаемых многочлена (коэффициенты регрессии) определяются путем статистической обработки экспериментальных данных. Стремление учитывать влияние многих факторов приводит к необходимости сбора и обработки больших массивов информации. С целью значительного сокращения объема работы в настоящее время широко применяется метод многофакторного эксперимента. Существо метода состоит в том, что взамен традиционного исследования влияния отдельных факторов при неизменных остальных при каждом опыте исследуется влияние одновременного изменения нескольких факторов. Даже при небольшом числе исследуемых переменных метод позволяет значительно уменьши ть объем экспериментов при условии, что их чередование выполняется по определенному плану. Эффективность метода возрастает с увеличением сложности исследуемого процесса.

При наличии разработанной модели задача оптимизации сводится к прогнозированию хода процесса при различных комбинациях воздействий и выбору оптимального варианта. Имеется ряд методов, позволяющих осуществлять целенаправленный поиск вариантов в направлении возрастания целевой функции, в частности, так называемый симплекс-метод и его модификации, пригодные для линейных регрессионных моделей. Реализация таких методов наиболее эффективна в системах управления на основе ЭВМ.

Большинство автоматизированных систем управления технологическими процессами из-за специфических особенностей технологии производства электронных приборов могут быть созданы только на основе методов статистического управления. Это обусловило переход от простейших методов статистического управления к более сложным, и в первую очередь - к методам корреляционно-регрессионного анализа и составления регрессионных уравнений как математико-статистических моделей процессов.

Методология системного анализа достаточно универсальна и может быть использована как для процесса проектирования в целом, так и для отдельных стадий и этапов проектирования. При переходе от общего проектирования к отдельным стадиям будет меняться содержание целей, альтернатив и решений, но общая последовательность этапов анализа будет сохраняться.

При проектировании АТК с помощью ЭВМ составляется, прежде всего, задание на проектирование. Задание составляется генпроектиров-щиком или заказчиком с участием той организации, которая будет разрабатывать проект.

Задание на проектирование включает в себя целый ряд пунктов:

• основание для проектирования;
• перечень производств, цехов, установок, охватываемых проектами систем автоматизации, с указанием для каждого особых условий (при их наличии), например, класс взрыво- и пожароопасности помещений, наличие влажности окружающей среды и т. д.;
• стадийность проектирования;
• требования к разработке вариантов проекта (части проекта);
• планируемый уровень капитальных затрат на автоматизированное проектирование и примерных затрат на научно-исследовательские работы ( НИР ), опытно-конструкторские работы ( ОКР ) и проектирование с указанием источников финансирования и др.

Например, основанием для разработки той или иной радиосистемы или элемента может быть необходимость использования его в более крупной системе или его преимущества по сравнению с имеющимися (известными) аналогами. А основанием для автоматизированного проектирования АТК являются, как правило, сокращение сроков проектирования и внедрения, уменьшение количества ошибок при проектировании, обеспечение возможности изменения проектных решений, сокращение сроков тестирования микросхем.

По мере усложнения системы (например, для РЭС: ИС, БИС, микросхем, радиосистем и т. д.) резко возрастает время разработки и внедрения, увеличиваются трудозатраты. Соответственно, происходит пропорциональный рост расходов на разработку и внедрение. Этот фактор необходимо учитывать уже на стадии формулирования основания для проектирования и непосредственно использовать при проведении расчетов по технико-экономическому обоснованию.

Формирование внешних условий по отношению к проектируемому объекту необходимо потому, что они должны быть учтены уже на самых первых этапах проектирования. Например, одни и те же технологические операции на различных установках в одних и тех же условиях могут иметь некоторый разброс значений выходных параметров; аналогично, одна и та же установка будет иметь разброс значений при различных условиях окружающей среды и т. д. Исследование такого рода влияния - одна из задач научно-исследовательской работы, поскольку указанные факторы влияют и на сам технологический процесс, и на адекватность математических моделей, описывающих этот процесс.

Стадийность создания систем автоматизированного проектирования регламентируется стандартами, поясняется в нормативной документации и специальной литературе. Не останавливаясь подробно на всех положениях, принятых в указанных источниках, обратим внимание на содержательную сторону начальных стадий создания, поскольку в практических, производственных условиях именно содержательная сторона оказывается "узким местом" при формальном соблюдении гостированных этапов.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность системного подхода к автоматизированному проектированию технологического процесса?
2. Что представляет собой АТК?
3. Что является ТОУ?
4. Как расшифровывается АСУТП?
5. Что является управляемой системой?
6. Что является управляющей системой?
7. В чем сущность блочно-иерархического подхода к проектированию?
8. Какие принципы требуется учитывать при проектировании АТК?
9. Какие пункты включает в себя задание на проектирование?
10. Опишите стадии разработки сложных технических систем.
11. Что называется внешним проектированием?
12. Что называется внутренним проектированием?
13. Что включает в себя руководящая информация?
14. В чем заключается принцип "черного ящика"?