6.9. Системы автоматизированного проектирования

Деятельность научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, проектных организаций связана с разработкой новых технологий, устройств, приборов, конструкций. Проектирование сопровождается оформлением большого объема технической документации: чертежей, схем, планов.

Современные программные и технические средства вычислительной техники позволяют перейти от традиционных ручных (рутинных) методов конструирования к новым информационным технологиям проектирования использованием ЭВМ.

Для облегчения труда конструкторов, проектировщиков, изобретателей и рационализаторов разработаны системы автоматизированного проектирования (САПР). Этому термину соответствует английская аббревиатура CAD – Computer-Aided Design. Эти три буквы входят в названия многих иностранных программ, предназначенных для конструирования, черчения, трехмерного моделирования объемных объектов и оформления инженерной документации, например, P-CAD, OrCAD, AutoCAD, CADdy, ArchiCAD, T-FLEX CAD.

В отличие от автоматических систем проектирования, САПР способны решать задачи, не поддающиеся полной формализации. Проектирование в таких системах является автоматизированным и осуществляется под непосредственным контролем оператора (пользователя), чаще всего в форме человеко-машинного диалога. Режим работы, в котором часть решений принимает оператор, называется интерактивным режимом.

Наиболее широко системы автоматизированного проектирования используются в электронике, электротехнике, архитектуре, строительстве, машиностроении, автомобилестроении, нефтехимической промышленности, аэрокосмической технике.

САПР образно сравнивают с «электронным кульманом». САПР является одним из средств для перехода к безбумажной технологии делопроизводства.

В ряде САПР из области электроники заложен принцип сквозного проектирования. При этом с помощью САПР выполняют полный цикл проектирования и производства: составление технического задания, разработку объекта, моделирование его работы, автоматизированное изготовление объекта, оформление документации. По этой причине все чаще говорят о системе CAD/CAM (Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing) – системе автоматизированного проектирования и производства, которая охватывает широкий спектр задач от начального конструирования до подготовки данных, необходимых для реального производства изделия.

Системы автоматизированного проектирования не только облегчают процесс создания и описания новых объектов, но и являются удобными справочниками, которые позволяют пользователям накапливать и хранить информацию (данные о компонентах, размерах корпусов микросхем, условные графические обозначения, сведения из стандартов и т. д.). Например, в базах данных машиностроительных САПР содержатся подробные сведения о болтах, винтах, гайках, шайбах, шпильках, штифтах и т. п.

Существует большое число средств проектирования электронных устройств. Они позволяют автоматизировать разработку важного элемента радиоэлектронных устройств – печатных плат.

Печатная плата – это конструкционный элемент радиоэлектронных изделий. Печатная плата является несущей конструкцией, на которой размещаются и механически крепятся радиоэлементы (микросхемы, транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и т. п.). Электрическое соединение радиоэлементов осуществляется с помощью тонких плоских проводников, расположенных на поверхности печатной платы. Процесс составления монтажной схемы соединения радиоэлементов в соответствии с принципиальной схемой называется разводкой (трассировкой) печатной платы, а программы, которые реализуют этот процесс, называются трассировщиками.

Если говорить коротко, то печатная плата – это диэлектрическая пластина, на которой имеются медные проводники, контактные площадки и переходные отверстия для соединения проводников, расположенных на разных сторонах платы. Заметим, что печатные платы бывают односторонними, двухсторонними и многослойными.

После разводки печатной платы приступают к ее изготовлению с помощью соответствующего оборудования. Проводники формируют методами фрезерования или химического травления заготовок. При использовании технологии химического травления на заготовку наносят краской рисунок проводников. В процессе травления заготовки тонкий слой меди, который не покрыт краской, в результате химической реакции удаляется, и остаются лишь металлические проводники, необходимые для работы устройства.

Нанесение краски на заготовку может происходить вручную и автоматически с использованием технологии изготовления фотошаблонов.

С помощью печатных плат создаются многие узлы бытовой аппаратуры и ЭВМ, например, материнская (системная) плата, внутренний модем, звуковая карта и т. д.

Системы проектирования «умеют» автоматически размещать радиоэлементы на печатной плате, а затем составлять рисунок электрических проводников, соединяющих радиоэлементы в соответствии с принципиальной электрической схемой.

В большинстве программ предусмотрен режим автоматического изготовления разработанных печатных плат. Специальные плоттеры наносят на заготовки рисунки печатных плат, разработанные с помощью САПР. Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) под управлением этих программ автоматически ведут фрезерование и сверление печатных плат.

На заключительном этапе проектирования с помощью САПР осуществляется верификация разработанной конструкции (производится окончательная проверка соблюдения технологических норм, рассчитываются характеристики устройства с учетом параметров, присущих конкретной конструкции, т. е. с учетом взаимного расположения радиоэлементов и печатных проводников).

Завершается проектирование изготовлением конструкторской и технологической документации. Многие системы предусматривают автоматическую нумерацию радиоэлементов на принципиальной схеме в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Рассмотрим некоторые программы, предназначенные для проектирования радиоэлектронных изделий.

Пакет OrCAD (фирма OrCAD Inc.) представляет собой интегрированный комплекс программ для разработки электронных устройств. Он состоит из нескольких автономных модулей: SDT, VDT, PCB, PLD.

Модуль SDT (Schematic Design Tools) служит для составления электрических схем проектируемого устройства. Он содержит библиотеку элементов и комплектующих, которая может дополняться пользователем. Другими словами, SDT – это специализированный графический редактор, предназначенный для оформления электрических схем.

Составленная схема может быть выведена на принтер или плоттер, а полученный файл является исходным для обработки другими модулями пакета.

Модуль VST (Digital Simulation Tools) предназначен для моделирования работы цифровых устройств. Исходным файлом является схема, составленная при помощи модуля SDT. Модуль VST моделирует работу устройства и вычерчивает диаграммы напряжений в контрольных точках.

Модуль PCB (PC Board Layout Tools) предназначен для разводки печатных плат. Исходным файлом для него является схема, составленная с помощью модуля SDT.

Модуль может выводить данные в стандарте, пригодном для работы со станками с числовым программным управлением. При этом автоматически просверливаются отверстия, изготавливаются фотошаблоны и т. д.

Модуль PLD (Programmable Logical Design Tools) предназначен для проектирования устройств на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). ПЛИС представляют собой матрицы логических элементов, соединенных проводниками. Пережигая соответствующий проводник, можно получить компактный функциональный узел, который при дискретной технологии будет состоять из нескольких корпусов микросхем.

Пакет P-CAD (фирма Accel Technologies) предназначен для разработки электронных устройств, начиная от составления принципиальной схемы и вплоть до подготовки документации на разработанное устройство.

Первое представление о возможностях популярной в России САПР PCAD-4.5 дает перечисление основных программ, входящих в этот пакет.

P-CAD 4.5 содержит графический редактор PC-CAPS, предназначенный для графического ввода и редактирования электрических схем и схемных символов (библиотечных элементов); программу обслуживания библиотечных элементов РС-СОМР, позволяющую редактировать библиотечные элементы; графический редактор PC-PLACE, предназначенный для размещения радиоэлементов на печатной плате; графический редактор PC-CARDS, используемый для трассировки печатной платы; программу PC-DRILL, служащую для управления сверлильным станком с ЧПУ.

В начале 1996 г. появилась Windows-версия программы P-CAD, названная Accel EDA, совмещающая в себе возможности P-CAD с наглядным интерфейсом Windows.

Пакет Accel EDA включает следующие функциональные модули: библиотечный диспетчер, редактор принципиальных схем, редактор печатных схем и трассировщик.

Библиотечный диспетчер (Library Manager) позволяет подготавливать библиотеки, содержащие информацию о типовых элементах, из которых строится схема. В библиотеку можно включать условное графическое обозначение элемента, возможные варианты корпусов и дополнительную текстовую информацию.

ACCEL Schematic – редактор принципиальных схем, a ACCEL P-CAD РСВ – графический редактор печатных плат.

Модуль SPECTRA производит трассировку печатных плат как в автоматическом режиме, так и в интерактивном (диалоговом) режиме.

На предыдущем рисунке показан фрагмент печатной платы с несколькими радиоэлементами, которые припаиваются к контактным площадкам. Соединение между контактными площадками осуществляется с помощью печатных проводников.

Среди программ аналогичного назначения можно отметить отечественный трассировщик (программа для разводки печатных плат) F-router, который работает совместно с графическими редакторами программ P-CAD, OrCAD и др. Программа характеризуется невысокой стоимостью и возможностью модернизации условных графических обозначений с учетом отечественных стандартов.

Программа AutoCAD фирмы Autodesk является лидером среди инженерных графических пакетов.

При построении чертежей система позволяет использовать графические примитивы: точку, отрезок, окружность, дугу, фигуру, полилинию. Полилиния – это линия, состоящая из нескольких прямых и дуг.

Система позволяет легко изменять масштаб изображения, производить панорамирование (плавное перемещение видимой части изображения по большому чертежу).

Детали, поэтажные планы здания и другие объекты можно прорисовывать разным цветом на различных слоях чертежа, что дает возможность отслеживать их совместимость и взаимосвязь при общей компоновке.

AutoCAD «умеет» не только разрабатывать двумерные плоские чертежи, но и моделировать сложные трехмерные каркасные, полигональные (поверхностные) и объемные (твердотельные) конструкции.

Система обеспечивает автоматическое построение диметрической, изометрической, косоугольной и аксонометрической проекций агрегатов, узлов и деталей.

Система CADdy (немецкая фирма ZIEGLER-Informatics GmbH) имеет модульную структуру, причем каждый модуль предназначен для ведения проектных работ в своей предметной области. Перечислим некоторые области применения системы: геодезия, картография, водопроводные и газовые сети, дороги, двумерное и трехмерное проектирование зданий, проектирование систем отопления, водоснабжения и канализации, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, систем электроснабжения и слаботочных систем зданий, автоматическая разводка 16-слойных печатных плат, создание электрических принципиальных схем, создание технологических схем промышленных установок.

Библиотека символов CADdy включает графические символы для каждой из прикладных областей (всего около 6000 символов). Для радиотехнических проектов в библиотеке имеются символы диодов, тиристоров, транзисторов, логических элементов, интегральных схем (около 350 символов).

На рисунке слева приведены результаты трехмерного моделирования с помощью системы CADdy. Проектировщик в состоянии наглядно представить внешний вид здания и интерьер созданного помещения. При этом легко сменить угол обзора, посмотреть на здание с другой стороны.

Программа 3D-Dream House Designer позволяет проектировать офис (дом, квартиру) в трехмерном виде. Вокруг созданного жилища можно обустроить приусадебный участок. Есть возможность заглянуть в созданный дом через окно и, наоборот, осмотреть ландшафт с балкона. Созданный дом можно оснащать мебелью, радиоаппаратурой, картинами, наклеивать на стены разнообразные обои.