Перейти к основному содержанию
ИТарктика
УДК 004.42
Селиверстова Анастасия Сергеевна
магистрант, кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств, Арзамасский политехнический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Разработка программного обеспечения для интегрированной САПР приборостроительного предприятия
Аннотация:

В статье представлен краткий обзор программного обеспечения, необходимого для разработки технической документации, проведено исследование влияния человеческого фактора на проектирование электронных устройств с применением информационных технологий, в котором было рассмотрено два метода ввода исходных данных при формировании конструкторской документации.

Ключевые слова: трехмерное моделирование, преимущества трехмерного моделирования, проектирование электрорадиоэлементов, 3D-сборка, библиотеки компонентов, использование таблицы семейств, временная база данных компонентов, утвержденная база данных компонентов.

Введение

Перевооружение производственной базы и технологии в области новейших разработок продукции приборостроения, модернизация оборудования, с одной стороны, уменьшают длительность производственного цикла, повышают производительность труда, что частично решает проблему нехватки основных производственных рабочих. С другой стороны, значительное влияние на решение вышеперечисленных задач оказывает использование информационных технологий в организации производства и управлении всеми бизнес-процессами предприятия [1,2]. Решение задач алгоритмизации и автоматизации процессов обеспечения подготовки производства, а также формирование производственной документации в электронном виде – это первые шаги в поэтапном построении «Цифрового предприятия».

Как правило, информации, участвующей в подготовке производства много, она разнопланова, разнородна, частично хранится в электронном виде, частично - на бумажных носителях, частично - в памяти сотрудников. Чтобы работать с таким количеством информации необходимо понимать ее структуру, то есть знать, какого рода знания имеются на предприятии, к каким категориям и предметным областям относятся, где и в каком виде хранятся.

В человеческой природе заложено право на ошибку, так как человек – не автомат, и он не может отключать влияние своих эмоций и темперамента, а также окружающей среды и т.д. на свою деятельность. Влияние человеческого фактора проявляется и на всех стадиях жизненного цикла конструкторской деятельности, начиная с замысла ее создания, то есть когда ставятся цели. Значит, надо пытаться создавать систему, минимизирующую человеческие риски [3].

С внедрением информационных технологий руководитель становится заложником исполнителя-расчетчика, использующего электронно-вычислительную машину (ЭВМ), и ставит свою подпись, не вдаваясь в подробности полученных результатов. Оценивают их правильность чаще всего субъективно качественно: кривые графиков ведут себя сообразно знаниям руководителя или нет. Говорить в этом случае о качестве человеческого фактора очень сложно. В эпоху тотальной компьютеризации ни один руководитель предприятия физически не в состоянии прочитать все выпускаемые документы и оценить их профессионально.

При традиционной технологии раздельной разработки документов нередки случаи, когда при корректировке какого-либо документа в другом документе эта же информация остается в старой редакции.

При разработке технической документации интересен принцип создания единого источника данных. Суть - в хранении в базе данных фиксированных порций информации, из которых набираются все требуемые документы: электрические схемы, печатные узлы, сведения об электрорадиоэлементах (ЭРЭ) и т.д. Эта технология позволяет существенно уменьшить влияние человеческого фактора при разработке документации. Технология единого источника данных в зародыше уничтожает возможность подобной ошибки человека.

 Из всего вышесказанного вытекает проблема возникновения ошибок и некорректности введения записей при формировании конструкторской документации, включающей ЭРЭ.

В рабочем плане решение этой проблемы связано с необходимостью совершенствования рабочего процесса и построение методики для автоматизированного формирования конструкторской документации. Поэтому целью данной работы является совершенствование рабочего процесса и построение методики для автоматизированного формирования конструкторской документации на основе сборочного узла для ЭРК.

В качестве объекта исследования рассмотрен рабочий процесс проектирования печатных узлов инженером-конструктором на предприятии АО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина».

Общая характеристика интегрируемых программных средств

Охарактеризуем основные модули и возможности систем Altium Designer (AD), Creo Parametric и пакет программ ОДО Интермех, а также особенности их использования на предприятии АО «АПЗ им П.И. Пландина» при проектировании печатных узлов.

В системе AD на предприятии разрабатываются электрические схемы, печатные платы и узлы, а также микросборки, причем схемы и конструкции разрабатывают разные подразделения.

Отметим некоторые из возможностей AD  [4]:

  • простой, интуитивно понятный пользовательский интерфейс: возможность его настройки в соответствии с требованиями конкретного пользователя, а также меню с командами на русском языке и множество «горячих» клавиш позволяют научиться эффективно работать с программой менее чем за две недели;
  • возможность коллективной работы над проектом;

поддержка совместимости со многими старыми и современными популярными системы автоматизированного проектирования (САПР) радиоэлектронных средств (РЭС) (ECAD)  [5] и механическими САПР (MCAD);

  • возможность переключения в проекте систем измерения (дюймовая/метрическая), а также большое количество других настроек снимают практически все ограничения при оформлении проекта в соответствии с требованиями ГОСТ и ЕСКД;
  • все действия, совершаемые пользователем вручную, могут быть описаны с помощью макросов и выполнены автоматически, что открывает широкие возможности для автоматизации рутинных операций процесса создания принципиальных схем и проектирования печатных плат;
  • к программе прилагается набор документации на русском языке, в том числе — специальные методические указания для начинающих. Базовая программа обучения рассчитана на пять дней и позволяет пользователям выработать правильные навыки работы в системе;
  • Satellite Vaults: интеллектуальная платформа для управления данными проекта, в том числе — жизненным циклом изделия;
  • все настройки пользователя могут храниться в «облаке», а при переносе и открытии проекта на другом персональном компьютере (ПК) система автоматически извлекает их и создает пользователю подобное рабочее место [6].

Creo Parametric – это современный программный инструмент для поиска новых инженерных решений. Система характеризуется широкими возможностями для гибридного твердотельного и поверхностного моделирования, разработки листовых деталей, сборок любой сложности и проектирования деталей в контексте сборки. Обладает мощными средствами нисходящего проектирования. Выпуск инженерной документации осуществляется в соответствии со стандартами ЕСКД.

Функционал включает следующие возможности: 

  • твердотельное 3D-моделирование с полной оцифровкой модели;
  • прямое моделирование без использования параметрических связей для точечных изменений в импортированных деталях;
  • эффективные средства для разработки сборок (больших и очень больших сборок);
  • детальную проработку изделия, включая 2D- и 3D-чертежи;
  • разработку поверхностных моделей;
  • построение креативных поверхностей с помощью дизайнерского функционала;
  • моделирование конструкций из листового металла с автоматическим созданием разверток и необходимой в листовых деталях технологической геометрии;
  • моделирование сварных соединений и ферменных конструкций;
  • функции конструкторского анализа;
  • графика и встроенная анимация работы сложных конструкций; 
  • разработки для аддитивного производства (3D-печать);
  • модельно-ориентированное проектирование;
  • обмен данными с PLM-системой без отвлечения от конструкторского процесса; встроенный функционал для разработки программ ЧПУ по конструкторской модели.

Пакет программ ОДО Интермех [7] предназначен для разработки и внедрения систем автоматизации процессов конструкторской и технологической подготовки производства на машиностроительных и приборостроительных предприятиях. Применение данной программы обеспечит предприятию повышение эффективности, сокращение сроков и стоимости технической подготовки производства.

Основные модули Интермех представлены на рисунке 1.

;lk

Рис.1.  Структура ОДО Интермех

Взаимодействие модулей представлено на рисунке 2.

lk

Рис.2. Взаимодействие модулей ОДО Интермех

На базе АО «АПЗ им. П.И. Пландина» инженерами-конструкторами для разработки печатных плат и сборки на их основе печатных узлов применялся метод проектирования изделий и формирование конструкторской документации без расширенного функционала «Интермех», с которым работали многие службы. Существуют следующие этапы разработки печатных плат и сборки на их основе печатных узлов с применением данного метода:

1. Формирование проекта печатной платы (печатного узла), в который входит проект Altium и принципиальная электрическая схема, на основе которой формируется перечень элементов (состоит из условно-геометрических элементов).

2. Размещение данного проекта в Search.

3. Передача из Altium Designer 3D модели посредством импорта (STP файл) в Creo (Pro/ENGINEER);

4. Сборка и размещение печатной платы, добавление крепежных элементов к детали и т.д. (проводится в Creo (Pro/ENGINEER)).

5. Сдача проекта Creo (Pro/ENGINEER) (сборка 3D модели) в Search (в архив).

6. Формирование спецификации на основе перечня элементов печатной платы (узла) и сборки, проведенной в Creo (Pro/ENGINEER). Перечень элементов делается ручным способом.

7. Документация и файлы, размещенные в Search, передаются для регистрации в отдел ОТД.

При построении проекта Altium инженер-конструктор сам формирует наименование элементов, формируются файлы проекта на основе этого узла, в котором у него существуют свои компоненты под своими названиями, данный файл проекта является единичным для данного пользователя. Спецификацию инженер-конструктор вводит вручную, с помощью программных средств Компас, Excel, основываясь на данных перечня элементов и состава сборки.

В ходе работы было выявлено, что ручной метод обеспечивает небольшое количество введенных элементов и большое количество возможных ошибок заполнения всех полей спецификации при небольшой производительности ввода: вероятность ошибки ввода данных могла доходить до 0,29.

Программное обеспечение для работы

В результате анализа рынка в части ввода параметров элементов, просмотра сайтов производителей на рынке готового продукта не было выявлено, тем самым, показана необходимость самостоятельной реализации данного продукта. Было решено разрабатывать программу для выполнения согласования идентичности записи между двумя системами, которую мы назвали – редактор базы данных ЭРЭ Altium Designer.

Алгоритм создания и использования 3D-модели ЭРЭ представлен на рисунке 3.

kj

Рис.3. Алгоритм создания и использования 3D-моделей ЭРЭ

kj

Рис.4. Схема связи с объектом ADO в C++

На машине клиента (рисунок 4) располагаются связные компоненты TADOConnection и компоненты-наборы данных TADOTable, TADOQuery, а также компоненты-наборы TADODataSet. Каждый из этих компонентов может связываться с провайдером данных либо с помощью связного компонента TADOConnection, либо минуя его и используя собственное свойство ConnectionString. Таким образом, TADOConnection играет роль концентратора соединений с источником данных компонентов-наборов. Компоненты-наборы с помощью хорошо известных по предыдущим версиям C++ компонентов-источников TDataSource и визуализирующих компонентов TDBGrid, TDBMemo, TDBEdit и т.п. обеспечивают необходимый интерфейс с пользователем программы.

Алгоритм работы по проектированию печатных узлов полуавтоматизированным методом

Существуют следующие этапы разработки сборки печатных плат программным методом:

1. Формирование проекта печатной платы (печатного узла) идет аналогично ручному методу.

2. Размещение данного проекта в Search.

3. На основе схемы электрической принципиальной, в Search автоматически генерируется перечень элементов данной платы, с указанием их количества, наименования и размещение их на плате.

4. Передача 3D-модели посредством импорта в Creo (Pro/ENGINEER).

5. Сборка и размещение печатной платы, добавление крепежных элементов к детали и т.д.

6. Сдача проекта Creo (Pro/ENGINEER)  в Search (архивами).

7. Передача сборочного узла посредством PDM-браузера в Search, в виде иерархии компонентов и на основе этого сборочного узла формируется автоматически спецификация.

8. Передача перечня элементов в спецификацию посредством модуля AVS с автоматической проверкой записей по полю «Наименование» в Imbase (в Imbase формируется однозначно правильно сформированная запись элемента согласованная с ОНПП (отдел нормативной подготовки производства))

9. Передача для регистрации в отдел ОТД всей документации и файлов, размещенных в Search.

Новая методика - полуавтоматический режим для человека, фактически мгновенное формирование, как перечня элементов, так и ряда разделов в спецификации: прочие изделия, стандартные изделия, сборки и детали.

В результате было получено, что, хотя все элементы прошли через проверку Imbase, но в силу того, что некоторые элементы не были обнаружены, наименование не отобразилось. Выходом из сложившейся ситуации является то, что конструктору необходимо лично вводить данные, тем самым, рискуя сделать ошибку и потерять время.

Было проведено исследование влияния человеческого фактора на ввод исходных данных как при ручном, так и при полуавтоматизированном методе формирования конструкторской документации.

В ходе данного исследования был проведен хронометраж работы трёх специалистов из отдела главного конструктора специальной продукции.  Данное исследование проводилось в моменты формирования ведомости спецификации, за основу были взяты 5 рабочих дней и те периоды, когда конструктор работал только с документацией.

Показателем безошибочности является вероятность безошибочной работы. Данный показатель находится по следующей формуле:

Pj=Nj-njNj               

где Pj – вероятность безошибочного выполнения операций j-го типа;

Nj, nj – общее число выполненных операций j-го вида и допущенное при этом число ошибок.

В исследовании принято за переменные Nj– общее количество введенной позиции в спецификации, в которую входит номер, наименование, количество и позиция на чертеже j-го вида и допущенное при этом число ошибок nj.

Для удобного сравнения метода проектирования изделий и формирования конструкторской документации без расширенного функционала «Интермех» и полуавтоматизированного метода, мы построили диаграммы общего числа введенных записей от времени, количества неверно введенных записей от времени и показателей безошибочности (рисунки 5 – 7).

;k

Рис.5. Диаграмма количества введенных записей N от времени

;lk

kjh

Рис. 7. Диаграмма средних значений показателя вероятности безошибочного выполнения операций от времени

Проанализировав данную диаграмму, мы видим, что общее количество веденных позиций при формировании конструкторской документации без расширенного функционала «Интермех» значительно меньше, чем при использовании программного полуавтоматизированного метода проектирования изделий, а показатель безошибочности на всех интервалах времени при программном полуавтоматизированном способе выше, чем при использовании метода без применения расширенного функционала «Интермех», что свело к минимуму влияние человеческого фактора при формировании конструкторской документации.

В результате применения данной методики количество операций и скорость их выполнения увеличились, а вероятность возникновения ошибок уменьшилась. В ходе применения данной методики обнаружились некоторые недочеты: поскольку проверка компонентов происходит по базе Imbase, то некоторые компоненты могут быть не найдены, поэтому наименование не отражено, это может быть обусловлено ошибкой при разработки печатной платы. Для решения данной проблемы пользователю необходимо будет найти не найденный элемент, указать его, если его нет в базе, то есть ввести в базу.

Заключение

Построение новой методологии при разработке конструкторской документации с использованием дополнительных возможностей ОДО «Интермех» позволило сэкономить время, снизить влияние человеческого фактора, тем самым значительно повысить качество выполненных работ:

1.  Производительность работы инженера-конструктора увеличилась на 288 %.

2.  Количество ошибок снизилось на 25 %.

3. Разработка редактора базы данных электрорадиоэлементов привела к увеличению вероятности безошибочного ввода исходных данных на 21%.

4.Создание единого информационного поля позволило минимизировать ошибки и сократить временные затраты на подготовку конструкторской документации.

Список литературы

  1. Жилина, С. Б. Организация подготовки производства приборостроительного предприятия с непрерывно поступающими изменениями в конструкторской и технологической документациях [Электронный ресурс] : дис. канд. техн. наук : 08.12.2017 / С. Б. Жилина ; Казанский нац. исслед. техн. ун–т им. А. Н. Туполева. – Режим доступа: http://old.kai.ru/science/disser/.
 

      2. Володин, В.Я. LTspice: компьютерное моделирование электронных схем [Текст] / В. Я. Володин. – Санкт–Петербург : BHV, 2010. – 400 c.

  1. Сабунин, А. Е. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств [Текст] / А. Е. Сабунин. – Москва  : СОЛОН–ПРЕСС, 2009. – 432 с.
  2. Hayt, W. H. Engineering circuit analysis [Текст] / W. H. Hayt,  Kemmerly,  J. E., Durbin. – New York : McGraw–Hill, 2002. – 781 p.
  3. Sedra, A. S. Microelectronic circuits [Текст] / A. S. Sedra, K. C. Smith. – New–York :  Oxford, Oxford University Press, 2004.
  4. Суходольский, В. Ю. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer 6 [Текст] : учеб. пособие / В. Ю. Суходольский. – Санк–Петербург : Изд–во СПбГЭТУ. – ЛЭТИ, 2008. – 148 с.
  5. Комплексная автоматизация конструкторской и технологической подготовки производства [Электронный ресурс]   // ИНТЕРМЕХ. – Режим доступа: www.intermech.org.
  6. Павлова, А. С. Редактор базы данных электрорадиоэлементов Altium Designer [Текст] / Павлова А. С.// Информационные технологии и прикладная математика: Всерос. межвузовский сб. аспирантских и студ. науч. работ. Выпуск 7/ Отв. ред. Л.С. Широков; Арзамасский филиал ННГУ. – Арзамас: Арзамасский филиал ННГУ, 2017. – С. 142–150.

References

1. Zhilina, S. B. organization of production preparation of instrument–making enterprise with continuous changes in design and technological documentation [Electronic resource]: dis. kand. tech. Sciences : 08.12.2017 / S. B. Zilina, Kazan NAT. research. tech. UN–t im. A. N. Tupolev. – Mode of access: http://old.kai.ru/science/disser/.

2. Volodin, V. Ya.LTspice: computer simulation of electronic circuits [Text] / V. Ya. Volodin. – St. Petersburg: BHV, 2010. – 400 C.

3. Shabunin, A. E. Altium Designer. New solutions in designing electronic devices [Text] / A. E. Sabanin. – Moscow : SOLON–PRESS, 2009. – 432 p.

4. Hayt, W. H. Engineering circuit analysis [Text] / W. H. Hayt, Kemmerly, J. E., Durbin. – New York: McGraw–Hill, 2002. – 781 p.

5. Sedra, A. S. Microelectronic circuits [Text] / A. S. Sedra, K. C. Smith. – New–York: Oxford, Oxford University Press, 2004.

6. Sukhodolsky, V. Yu. End–to–end design of functional nodes RES on printed circuit boards in CAD Altium Designer 6 [Text] : ucheb. manual / V. Y. Sukhodolsky. – Sank–Petersburg : publishing house of Etu. – Lath, 2008. – 148 p.

7. Complex automation of design and technological preparation of production [Electronic resource] / / INTERMECH. – Access mode: www.intermech.org Oh.

8. Pavlov, A. S. database Editor electronic components Altium Designer [Text] / Pavlov, A. S.// Information technology and applied mathematics: vseros. interuniversity collection of post–graduate and student. science. works'. Issue 7 / Resp. edited by L. S. Shirokov; Arzamas branch of Nizhny Novgorod state University. – Arzamas: Arzamas branch of Nizhny Novgorod state University, 2017. – P. 142–150.