ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМЕНКЛАТУРЫ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА. АУЖЦИ ЛР1. Лабораторная работа 1 определение номенклатуры средств автоматизации проектирования и управления на этапах жизненного цикла
 Скачать 324.52 Kb.
|
|
1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМЕНКЛАТУРЫ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА Целью лабораторной работы является приобретение навыков выбора средств автоматизации и управления на этапах жизненного цикла. Теоретическая часть В процессе проектирования и производства наукоёмких изделий ис- пользуется различное программно-аппаратное обеспечение, и очень важно подобрать номенклатуру, учитывающую особенности изделий. Одним из наиболее важных направлений инновационного развития предприятий сферы радиоэлектроники и приборостроения является создание инновационных точек роста, который должен рассматриваться с учетом эта- пов разработки радиоэлектронной продукции. В радиоэлектронике и прибо- ростроении процесс деятельности можно разделить на несколько основных этапов, требующих различного объема технологических и людских ресурсов: проектирование создание опытного образца (прототипа) испытания опытного образца разработка документации для серийного производства серийное производство Проектирование – один из первых этапов создания изделия или про- дукта. На этом этапе создается схема прибора, разрабатывается его промыш- ленный дизайн, включающий потребительскую часть – удобство для потре- бителя, и технологическую – оптимизирующий изделие и снижающий его стоимость в производстве. Инструментом промышленного дизайна в прибо- ростроение являются дорогостоящие специализированные профессиональ- ные программные продукты, обычно недоступные по цене для малых пред- приятий. Этап проектирования в приборостроении занимает от недели (для простых разработок) до нескольких лет (для сложных). Наличие «правиль- ных» современных инструментов проектирования значительно сокращает сроки разработки и повышает ее конкурентоспособность. На сегодняшний день лучшие мировые практики предлагают рассмат- ривать появление нового изделия через модель «Жизненный цикл изделия» (жизненный цикл продукции) - совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. Благодаря новейшим технологиям доступно использовать при проекти- ровании изделий возможностей трехмерного моделирования: теперь ошибки можно найти и исправить на ранней стадии проектирования, до появления первых опытных образцов. Коррекция проекта на цифровой стадии несоиз- меримо дешевле, чем доработка опытного образца. По оценкам аналитиче- 2 ской компании Gartner Group стоимость исправления ошибки на различных стадиях жизненного цикла составляет: Стадия подготовки производства Стоимость исправления ошибки Концептуальное проектирование $1 Конструкторская проработка изделия $10 Изготовление макета изделия $100 Проектирование технологической оснастки $1 000 Изготовление оснастки $10 000 Выпуск установочной серии $100 000 Серийное производство $1 000 000 В таблице приведены данные исследования, которое было проведено почти 30 лет назад. На сегодняшний день, с учетом высокой степени автоматизации производств, сто- имость исправления ошибки для серийных производств продукции превышает $10 000 000 в год. Жизненный цикл продукта включает период от возникновения потребности в со- здании продукции до ее ликвидации вследствие исчерпания потребительских свойств. Ос- новные этапы жизненного цикла: проектирование, производство, техническая эксплуата- ция, утилизация. Применяется по отношению к продукции с высокими потребительскими свойствами и к сложной наукоёмкой продукции высокотехнологичных предприятий. PLM-система (англ. product lifecycle management) — прикладное программное обеспечение для управления жизненным циклом продукции. Основное назначение PLM- технологий - объединение и эффективное взаимодействие изолированных участков авто- матизации, образовавшихся в результате внедрения различных систем - CAD / CAM / CAE / PDM (EKM/ SLM/SPM/PSM/ESM) / PLM и ERP, MES, SCM и CRM - в рамках единого ин-формационного пространства, а также для реализации сквозного конструкторского, технологического и коммерческого циклов производства продукции - "от зарождения идеи, создания конкурентоспособного продукта, его эксплуатации и, наконец, до его ути- лизации". Принципиально важно понимать, что основу PLM-технологий составляют CAD/CAM-, CAE- и PDM-технологии, благодаря совместному использованию которых традиционный последовательный подход к разработке новых изделий заменен современ- ным интегрированным подходом. Этот подход обеспечивает одновременное компьютер- ное проектирование изделия с помощью CAD-системы, выполнение многовариантных инженерных CAE- расчетов (компьютерный инжиниринг) и технологическую подготовку производства с помощью CAM-системы на основе совместного использования проектных данных, начиная с самых ранних стадий проектирования и инженерного анализа, одно- временно различными группами специалистов с помощью PDM-системы. Необходимо отметить, что процесс на основе PLM-систем постоянно улучшается и развивается, включая в себя все больше данных для анализа. Этому способствует несколь- ко факторов: значительное расширение спектра функциональных возможностей CAE- систем, позволяющих на основе рациональных математических / механических / конечно- элементных моделей, обладающих высоким уровнем адекватности реальным объ- ектам и физико-механическим процессам, чрезвычайно быстро выполнять компью- терное моделирование и получать достоверные результаты - об этом раньше при- ходилось только мечтать; признание ведущей роли наукоемкого компьютерного инжиниринга для ускорения выпуска новой конкурентоспособной продукции, повышения качества продукции и 3 снижения финансовых и временных затрат на разработку новых образцов, пони- мая, что во всех отраслях промышленности основной является задача - "создание глобально конкурентоспособной и востребованной на рынке продукции нового по- коления в кратчайшие сроки". V&V-процесс (Verification & Validation) - процесс тотальной верификации CAE- систем, вычислительных методов, КЭ моделей и валидации результатов КЭ реше- ний путем сопоставления КЭ результатов с результатами экспериментальных ис- следований. Этот V&V-процесс был начат в 1999 году по инициативе Американ- ской ассоциации вычислительной механики (US Association for Computational Mechanics, USACM), позднее к нему подключились Американское общество инже- неров-механиков (American Society of Mechanical Engineers, ASME), Американский институт национальных стандартов (American National Standards Institute, ANSI) и Национальное агентство конечно-элементных методов и стандартов (National Agency of Finite Element Methods and Standards, NAFEMS, Великобритания), игра- ющее роль Всемирной Ассоциации компьютерного инжиниринга (FEA, CFD, CAE), региональные отделения Международной Ассоциации вычислительной ме- ханики (International Association for Computational Mechanics, IACM) и NAFEMS. В русском языке есть термин САПР (система автоматизированного проектирова- ния), который подразумевает CAD/CAM/CAE/PDM - системы. Одним из ключевых факторов, влияющих на ожидаемый рост, является улучшение эффективности цикла разработки конкурентоспособной продукции. Сегодня инженерный анализ входит в повседневную практику разработки изделий, а САПР-системы постепен- но становится инструментом инженера - конструктора, которого разработчики вооружают лучшими практиками решения типовых расчетных задач. Рынок подобных систем посто- янно трансформируется и консолидируется, следуя общим трендам развития Hardware и Software. Фирмы-разработчики оперативно отзываются на потребности пользователей, возникающие в ходе разработки инновационных изделий, осваивают новые области при- ложения методов инженерного анализа и предлагают всё более продвинутые решения. Многие тренды, еще только набиравшие силу пять лет назад, за эти годы стали полнокровными направлениями развития CAE-рынка: например, высокопроизводитель- ные вычисления (High Performance Computing, HPC), управление CAE-процессами и CAE- данными (Simulation Process & Data Management, SPDM), новые сервисы и облачные вы- числения (Software as a Service, SaaS, Software on Demand, SoD или Cloud Computing). Задания по вариантам Подобрать средства автоматизации, согласно варианту (определяется последней цифрой студенческого билета) № вар-та Задача Задание 1 Проектирование систем автоматическо- го управления производством на основе ПЛК Omron Подобрать необходимое программ- ное обеспечение и, при необходимо- сти, отладочные комплексы. Необ- ходимо автоматизировать полный процесс разработки: от разработки принципиальной схемы и программ- ного обеспечения, до конструктор- ской документации. Исходить из ав- томатизации следующих рабочих 2 Проектирование систем автоматическо- го управления производством на основе ПЛК Siemens 3 Проектирование систем автоматическо- го управления на базе интеллектуаль- ных реле Zen Omron 4 4 Проектирование систем автоматическо- го управления производством на основе ПЛК Овен мест: разработчик схемы и ПО – 1 человек, конструктор – 1 человек. Дать описание программных продук- тов и отладочных комплексов и под- считать их общую стоимость, вклю- чая стоимость рабочих станций. 5 Проектирование радиоэлектронных средств на ПЛИС Spartan-6 6 Проектирование радиоэлектронных средств на ПЛИС Virtex-6 7 Проектирование радиоэлектронных средств на ПЛИС Artix-7 8 Разработка программного обеспечения уровня предприятия для группы разра- ботчиков на базе средств разработки компании Microsoft, среди которых: 4 разработчиков на языке C#, одни разра- ботчик базы данных (MS SQL Server), два тестировщика, один архитектор проекта. Подобрать необходимое программ- ное обеспечение, исходя из парамет- ров, представленных на сайте ком- пании Microsoft. Представить харак- теристики выбранных средств разра- ботки. Обосновать выбор. Привести общую стоимость средств разработ- ки. Привести номенклатуру аппаратного обеспечения (компьютеры, сервер, оргтехника) и их стоимость. В случае использования облачных технологий – абонентскую плату за год. Привести общую стоимость про- граммно-аппаратных средств (аренда помещений, сервисное обслужива- ние и электроэнергия не учитывают- ся) 9 Разработка программного обеспечения уровня предприятия для группы разра- ботчиков на базе средств разработки компании Microsoft, среди которых: 6 разработчиков на языке C#, одни разра- ботчик базы данных (MS SQL Server), три тестировщика, один архитектор проекта. 10 Разработка программного обеспечения уровня предприятия для группы разра- ботчиков на базе средств разработки компании Microsoft, среди которых: 6 разработчиков на языке C#, два разра- ботчика базы данных (MS SQL Server), два тестировщика, один архитектор проекта. Пример выполнения Задание: определить номенклатуру программного обеспечения для проектирования СВЧ-модулей, включая корпусирование и разработку антен- но-фидерных устройств, работающих в диапазоне 8 – 12 ГГц, выполненных в микрополосковом исполнении. Проектны решения должны быть максималь- но совместимы с зарубежными системами подготовки производства (CAM). Вычислить стоимость программного обеспечения из расчета одного рабочего места разработчика и одного рабочего места конструктора. Так как необходимо автоматизировать процесс разработки СВЧ- модулей, работающих в диапазоне 8 – 12 ГГц, и выполненных в микрополос- ковом исполнении, необходимы соответствующие САПР. Обычные схемо- технические САПР не подходят, так как ориентированы на разработку 5 устройств, работающих в НЧ и ВЧ диапазонах. Поэтому выбираем САПР AWR Microwave Office. AWR Microwave Office – это комплекс мощных и гибких программ для проектиро- вания ВЧ/СВЧ оборудования. Созданный на основе уникальной проектной среды AWR и расширенной базы данных аналоговых и цифровых компонентов, пакет Microwave Office предлагает беспрецедентную открытость в интеграции со сторонними системами проек- тирования, интуитивность использования и способность объединять лучшие в своем клас- се системы, подключаемые на различных этапах разработки. Объектно-ориентированная база данных AWR постоянно синхронизирована с ре- дактором схем, мастером моделирования и топологическим редактором, что обеспечивает пользователя исчерпывающей информацией на всех этапах разработки устройств: от идеи до реализации. Последняя версия пакета Microwave Office предлагает разработчикам новые воз- можности, сокращающие время проектирования и выхода изделия на рынок. Ключевые возможности Полная интеграция с программой APLAC®, использующей электродинамические методы проектирования, с включением представления схемы в виде списка соеди- нений, которые используются в APLAC, и поддерживаются в библиотеке AWR XML. Компоненты также можно создавать в данной программе, используя макро- сы. Автоматическая экстракция электрической схемы из топологии мастером AСЕ™ для быстрого и точного моделирования. Интеграция с верификатором VSS RF Inspector™ для моделирования в частотной области с целью оценки конверсии, гармоник, интермодуляций и шумов. Интеллектуальные связи (Intelligent Nets™, iNets) элементов схем на уровне печатных плат, монолитных интегральных микросхем и блоков. Технология iNets и мастер экстракции схемы ACE избавляют разработчика от вре- менных затрат на полное электромагнитное моделирование устройства. Интерфейс EM Socket™ EM поддерживает интеграцию с ведущими программами электромагнитного моделирования. 6 Фирменные компоненты Xmodels доступны через интерфейс EM Socket. Синтез СВЧ фильтров с помощью модуля Nuhertz Filter Synthesis компании Nuhertz Technologies. Разработка антенно-фидерных устройств СВЧ-диапазона может быть выполнена в программе HFSS – программа трехмерного электромагнитного моделирования для проектиро- вания СВЧ структур. HFSS (High Frequency Structure Simulator) – это мощный пакет про- грамм, который вычисляет многомодовые S-параметры и электромагнитные поля для трехмерной пассивной структуры произвольной формы. Она имеет интуитивный интер- фейс, упрощающий описание проекта, мощную программу расчета электромагнитного поля, адаптивную к требуемой точности решения, и мощный постпроцессор для беспре- цедентного представления электромагнитных характеристик. Эта программа устраняет традиционное макетирование методом “Cut-and-try” (проб и ошибок), ускоряя и улучшая качество проектирования. HFSS реализует мощь метода конечных элементов (finite element method FEM), ис- пользуя методы типа автоматического адаптивного генерирования и деления ячеек, метод конечных элементов для векторов поля и адаптивную развертку (Adaptive Lanczos Pade Sweep, ALPS). HFSS автоматически вычисляет кратные адаптивные решения до определя- емого пользователем критерия сходимости. Решения для поля, найденные из уравнений Максвелла, точно предсказывают все дисперсионные характеристики, существующие ти- пы волн, преобразования типов волн, потери в материалах и на излучения. Ускоряя цикл проектирования, заменяя дорогостоящие и отнимающие много вре- мени методы “cut-and-try”, HFSS становится эффективным автоматизированным макети- рованием. Анализ антенн, СВЧ линий передачи, переключающих схем, волноводных эле- ментов, фильтров ВЧ и трехмерных неоднородностей сводится к черчению структуры, точному определению материала, идентификации портов и характеристик поверхностей. HFSS автоматически генерирует решения поля, портовые характеристики и S-параметры. Результаты расчетов S-параметров могут экспортироваться для использования в программах анализа линейных и нелинейных схем, в частности, в Serenade Ansoft. HFSS, разработанная в фирме Ansoft в 1990 году – первая коммерческая програм- ма, которая моделирует сложные трехмерные конфигурации произвольной формы. После этого программа только увеличила свою популярность, потому что она показала инжене- рам проектировщикам широкие возможности расчета на электродинамическом уровне. Начиная с 1990 года, многочисленные улучшения позволили рассчитывать ближние и дальние зоны диаграммы направленности антенн, введены частотные развертки для ши- рокополосного моделирования, ферритовые материалы для невзаимных приборов. HFSS содержит FEM решающее устройство шестого поколения с доказанной надежностью для верных и точных результатов. Проектирование с использованием HFSS показывает высокую гарантию того, что разработки будут иметь такие же характеристики, как моделируются. Адаптивный метод разбиения на блоки делает FEM метод практичным. Начальная ячейка — или подразбиение геометрии в тетраэдральные ячейки — создана на основании структуры, введенной в виде чертежей с помощью пакета CAD. Эта начальное разбиение на ячейки сразу предоставит информацию о решении поля, выделяя области с высокой напряженностью поля или с большими градиентами. Разбиение на ячейки затем уплотня- ется только там, где необходимо, уменьшая вычислительные затраты при максимизации точности. Если необходимо, пользователи могут ввести адаптивное решение, используя интерфейс программы. Встроенный блок черчения пространственных моделей ACIS , 100% совместимый с AutoCAD. 7 Всесторонняя база данных материалов включает диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость, электрические, и магнитные тангенсы угла потерь для всех материальных сред. Пользователи могут включать однородные, неоднородные, анизо- тропные, проводящие, резистивные, и полупроводниковые материалы при моделирова- нии. Программное обеспечение также включает возможность моделирования ферритов для невзаимных приборов. Феррит может иметь однородное статическое подмагничива- ние или, как дополнительный режим, пользователи могут сначала найти магнитостатиче- ское FEM решение, используя трехмерное решающее устройство Maxwell 3D Field фирмы Ansoft. Ansoft HFSS включает большую библиотеку, которая может использоваться для параметризации, определяя стандартные структуры типа: микрополосковое T разветвление линии, связанные по широкой стороне срезанные и несрезанные повороты линий радиальные и несимметричные изгибы коаксиальные линии с заданным волновым сопротивлением круглая и квадратная спираль Т-мост плоские антенны спиральные конфигурации. Связанные граничные условия (Linked Boundary Conditions, LBC) дают возмож- ность решения нового класса задач, включая активные приборы, которые моделируются, задавая связь полей между двумя или больше границами. LBC экономят компьютерное время и память при моделировании длинных, однородных структур и периодических структур. Периодические LBC обеспечивают многократные сдвигаемые границы, необхо- димые для фазового сдвига при проектировании антенных фазовых решеток. Проектировщики могут теперь анализировать отдельную ячейку антенной решет- ки, чтобы выделить коэффициент активности элемента и полное сопротивление. Исследуя новые проекты, можно обнаружить мертвые зоны антенной решетки, свойство поляриза- ции, и лепестки решетки. Пользователи могут сводить сложное черчение и моделирование к простому чте- нию программой файла макрокоманд. Тогда параметрическое моделирование может вы- полняться, осуществляя автоматическую запись и повторение, используя встроенный макроязык. Макрокоманды обеспечивают быструю замену геометрических размеров во время пересчета, позволяя пользователям создавать библиотеку конфигураций — осно- ванных на номинальной структуре, — которая позже моделируется, чтобы обеспечить требуемые характеристики, чувствительность к изменению геометрических размеров и оптимальный дизайн. Возможности проектирования антенн: Вычисляются антенные характеристики типа коэффициента усиления, направлен- ности, сечения диаграммы направленности в дальней зоне, трехмерных графиков с дальней зоной и ширина луча по уровню 3dB. Рассчитываются характеристики поляризации, включая сферические компоненты поля, сферические компоненты поля поляризации, компоненты третьей производ- ной поля Людвига (Ludwig’s third definition field components) , и осевой коэффици- ент (axial ratio). Моделирование половины, четверти, или симметричной восьмой части устройства и автоматическое вычисление ДН в дальней зоне. Новый метод быстрой частотной развертки, Adaptive Lanczos Pade Sweep (ALPS) был включен для эффективного широкополосного моделирования. ALPS может умень- шить время моделирования на порядок для структуры, которая справедлива в широком 8 частотном диапазоне, вычисляя полюсы и ноли системы. ALPS учитывает дисперсию портов, для определения зависимости уровня входной мощности от частоты и точного по- ведения на скате частотной характеристики вне диапазона: Обеспечивает анимацию для любого поля, в виде векторов, контуров или заштри- хованных контуров. Обрабатывает статические и оживляемые чертежи на любой поверхности, включая поверхности сечения объектов, трехмерных поверхностей объектов и на трехмер- ных пространственных поверхностях. Выполняет анимацию векторов поля, скалярного поля или любой заданной вели- чины, используя калькулятор поля. Анимация динамической поверхности позволяет видеть чертежи пошагово через циклы вращения и смещения одного кадра за другим. Новейшие способы рисования трех- мерной диаграммы направленности, используя “туман” или мягкие переходы цвета позво- ляют Вам просмотреть поведение поля с беспрецедентной ясностью. Пользователи могут вращать геометрию в реальном масштабе времени с виртуально мгновенными модифика- циями графика. Подключаемый калькулятор поля допускает комплексные арифметические, триго- нометрические расчеты, операции на поверхности и в объеме, вычисление касательных к кривым линиям и нормали к любой кривой поверхности. Этот мощный калькулятор поз- воляет манипулировать с полем непосредственно, чтобы вычислить характеристики типа рассеяния мощности, сохраненной энергии и добротности отдельного резонатора. Как во всех других панелях программы, макросы записи и создания сценария и интерактивная справка доступны в постпроцессоре. HFSS имеет мощный макрокомандный язык с возможностью автоматической запи- сью и модификации. Эти возможности используются для автоматизации процесса проек- тирования, включая параметрический анализ, оптимизацию и планирование эксперимен- та. Для автоматизации проектирование корпусов необходим механическая САПР. Для решение данной задачи могут быть использованы Компас 3D, SolidWorks, AutoCAD. Учитывая требование обеспечения максимального уровня совместимости с зарубежными системами подготовки производства, наиболее рациональным решением является SolidWorks, ставшая де-факто промышленным стандартом. SolidWorks - программный комплекс САПР для автоматизации работ промышлен- ного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производ- ства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Работает в среде Microsoft Windows. Раз- работан компанией SolidWorks Corporation, ныне являющейся независи- мым подразделением компании Dassault Systemes (Франция). Программа появи- лась в 1993 году и составила конкурен- цию таким продуктам, как AutoCAD и Autodesk Mechanical Desktop, SDRC I- DEAS и Pro/ENGINEER. Решаемые задачи: Конструкторская подготовка про- изводства (КПП): 9 3D проектирование изделий (деталей и сборок) любой степени сложности с учётом специфики изготовления. Создание конструкторской документации в строгом соответствии с ГОСТ. Промышленный дизайн. Реверсивный инжиниринг. Проектирование коммуникаций (электрожгуты, трубопроводы и пр.). Инженерный анализ (прочность, устойчивость, теплопередача, частотный анализ, динамика механизмов, газо/гидродинамика, оптика и светотехника, электромаг- нитные расчеты, анализ размерных цепей и пр.). Экспресс-анализ технологичности на этапе проектирования. Подготовка данных для ИЭТР. Управление данными и процессами на этапе КПП. Технологическая подготовка производства (ТПП): Проектирование оснастки и прочих средств технологического оснащения. Анализ технологичности конструкции изделия. Анализ технологичности процессов изготовления (литье пластмасс, анализ процес- сов штамповки, вытяжки, гибки и пр.). Разработка технологических процессов по ЕСТД. Материальное и трудовое нормирование. Механообработка: разработка управляющих программ для станков с ЧПУ, верифи- кация УП, имитация работы станка. Фрезерная, токарная, то- карно-фрезерная и электроэрози- онная обработка, лазерная, плаз- менная и гидроабразивная резка, вырубные штампы, координатно- измерительные машины. Управление данными и процес- сами на этапе ТПП. Управление данными и процес- сами: Работа с единой цифровой моде- лью изделия. Электронный технический и рас- порядительный документообо- рот. Технологии коллективной разработки. Работа территориально-распределенных команд. Ведение архива технической документации по ГОСТ. Проектное управление. Защита данных. ЭЦП. Подготовка данных для ERP, расчет себестоимости. Система включает программные модули собственной разработки, а также сертифи- цированное ПО от специализированных разработчиков (SolidWorks Gold Partners). Цена на программное обеспечение № Продукт Цена за шт., руб. Кол-во Общая це- на, руб. Microwave Office 1 200 000 1 1 200 000 10 1 800 000 1 1 800 000 SolidWorks 2015 Premium Edition 740 000 1 740 000 Итого: 3 740 000 Конфигурация вычислительной техники № Продукт Цена за шт., руб. Кол-во Общая це- на, руб. 1 Рабочая станция HP Z840, Intel Xeon E5-2680 v3, DDR4 32Гб, 512Гб(SSD), DVD-RW, Win- dows 7 Professional 385 000 3 1 155 000 2 Дисплей ASUS ROG Swift PG348Q 128 000 3 384 000 3 Источник бесперебойного питания 30 570 3 91 710 Итого: 1 630 710 Итого программное + аппаратное обеспечение: 3 740 000 + 1 630 710 = 5 370 710 рублей. |