автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Интегрированные технологии подготовки производства электронной аппаратуры

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

На правах рукописи

005054410

Федосов Юрий Валерьевич

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 НОЯ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005054410

Работа выполнена на кафедре технологии приборостроения Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Соболев

Сергей Фёдорович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Меткин

Николай Павлович, Генеральный директор Санкт-Петербургской ассоциации предприятий радиоэлектроники

кандидат технических наук, доцент Акимов Сергей Викторович, кафедра Автоматизации предприятий связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. Бонч-Бруевича (СПбГУТ им. проф. Бонч-Бруевича)

Ведущая организация ЗАО «Диаконт»

Защита состоится 20 ноября 2012 г. В 16 часов 00 минут в ауд. 206 на заседании диссертационного совета Д212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверский пр., д.49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО. Автореферат разослан « » октября 2012 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета Д.212.227.04.

Ученый секретарь

Совета Д212.227.04, к.т.н., доцент __Киселёв Сергей Степанович

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Развитие стратегических, с точки зрения обеспечения государственной безопасности, коммуникационных и навигационных систем, также как и систем вооружений непосредственно зависит от уровня развития электронной промышленности.

В настоящее время использование компьютерных технологий подготовки производства электронной аппаратуры (ЭА) организовано разобщённо. Это приводит к ряду затруднений при работе с данными проекта различных подразделений предприятия и требует наличия специального программного обеспечения для решения рядовых задач, не связанных с проектированием ПП. Отсутствует информационная интеграция между отдельными системами, что обуславливает недостаточно высокую эффективность их применения и повышает вероятность ошибок.

На сегодня проектирование и технологическая подготовка производства электронных и механических частей приборов, выполняемых не на основе стандартизированных несущих конструкций, осуществляется раздельно. В разрабатываемых изделиях велик процент доработок, низка гибкость процесса разработки ЭА. В случае, если объединить проектирование электронных и механических частей приборов, а также проводить технологическую подготовку для совместного производства электронных и механических частей приборов, это приведёт к уменьшению временных и финансовых затрат, уменьшению вероятности появления ошибок в документации, упрощению работы подразделений предприятия в целом.

Применяемые в настоящий момент системы автоматизированного проектирования (САПР) ЭА, как правило, позволяют спроектировать изделия, рассчитанные на применение определённой технологии. Особенно становится важным вопрос выбора САПР ЭА для различных задач проектирования ЭА. Быстрая смена технологий и постоянное расширение функциональных возможностей САПР ЭА обуславливают сложности, как при конструировании изделий, так и при подготовке производства. При этом отсутствует методика выбора САПР ЭА, обладающая адаптивностью и гибкостью. Для решения вопроса ав-томатизации проектирования ЭА в части выбора САПР ЭА для определённых задач проектирования следует разработать методику анализа и оценки совре-менных САПР ЭА применительно к конкретным производственным задачам.

Решения значительного количества вопросов автоматизации проектирования ТПП принадлежат В.Д. Цветкову, В.В. Павлову, A.M. Гильману, Г.К. Горанскому, С.П. Митрофанову.

Развитием проектирования и технологии производства ЭА занимались и продолжают заниматься Е.В. Пирогова, В.П. Крылов, A.M. Медведев и другие.

Так, В.П. Крыловым обозначены проблемы выбора материалов для изготовления печатных плат (ПП) с учётом различных технологий изготовления, однако остаётся нерассмотренным вопрос автоматизации проектирования самой технологии изготовления ПП.

Е.В. Пироговой рассмотрено изготовление электронных устройств в целом, но вопрос автоматизации проектирования ЭА в части выбора САПР ЭА для определённых задач проектирования остался нераскрытым.

A.M. Медведевым рассмотрены вопросы, касающиеся непосредственно методов изготовления, сборки и монтажа ПП и ЭА. В данной области важным является вопрос совместного проектирования электронной и механической частей ЭА. Решение данного вопроса должно быть направлено на уменьшение стоимости изготовления ЭА. В настоящее время это направление слабо исследовано.

Одной из сложностей, затрудняющих работу, является различие форматов описаний данных проекта. При этом описание предметной области, позволяющее встраивать данные проекта в многоагентную систему, не реализовано. Кроме того, возможности САПР ЭА позволяют проводить достаточно сложные расчёты и получать точные данные, касающиеся конструкции ПП, а также данные, необходимые для её производства, но, несмотря на то, что различные САПР ЭА поддерживают различные виды технологии, интеграция процессов конструирования и технологической подготовки производства представлена слабо.

Таким образом, выполнение исследований по разработке методики интегрированной подготовки производства ЭА является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности ТПП электронной аппаратуры за счёт применения новой методики проектирования технологии электромонтажа, основанной на совместном проектировании электронных и механических частей электронной аппаратуры с использованием баз данных и баз знаний технологий изготовления ПП, учитывающих появление новых технологических процессов и оборудования для их выполнения и обеспечивающих учёт экономических факторов предприятия и снижение затрат.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1) Выполнить анализ современного состояния производства ЭА.

2) Выполнить анализ современных методов и средств автоматизации проектирования ЭА.

3) Разработать методику и исследовать способ совместного проектирования ТПП электронных и механических частей электронной аппаратуры.

4) Разработать методику проектирования технологии производства ЭА, ориентированную на типизацию принимаемых решений и основанную на применении базы данных и базы знаний с последующим синтезом новых решений.

5) Разработать методику оценки существующих САПР ЭА и оптимизации технологий, поддерживаемых этими системами.

6) Спроектировать базу знаний и разработать методику её использования при проектировании технологии производства ЭА.

Предметом исследования является технология электромонтажа.

Объектом исследования являются методы и средства автоматизации технологической подготовки производства электронных приборов.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались основные научные положения теории графов, технологии приборостроения, задач оптимизации, теории множеств, линейного программирования, основы теории информационных систем, объектно-ориентированного подхода при реализации модулей базы данных и базы знаний, метод продукционного подхода к представлению базы знаний.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке методики проектирования технологии электромонтажа, основанной на использовании способа совместного проектирования электронных и механических частей электронной аппаратуры (ЭА). Предложенный способ направлен на сокращение времени и стоимости проектирования ЭА и разработки технологии. Предложенная система моделирования технологии электромонтажа основана на использовании виртуального строкового пространства табличных данных (ВСПТД), что позволяет с одной стороны, организовать базу знаний, а с другой — встроить в многоагентную систему модули, сопровождающие базу знаний и принимающие необходимые технологические решения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика проектирования технологии производства ЭА, основанная на способе совместного проектирования электронных и механических частей электронной аппаратуры.

2. Методика оценки технологических возможностей САПР ЭА, основанная на комплексе критериев, учитывающих автоматизацию решения технологических задач, приоритетность технологических задач, а также оценку эксперта.

3. Методика структурного проектирования технологии, основанная на использовании базы знаний и данных по технологиям, используемых при проектировании технологических процессов производства электронных приборов.

4. Способ совместного проектирования электронной и механической частей блоков приборов ЭА.

Практическая значимость работы

Результаты работы использованы для создания программных модулей базы данных и базы знаний для проектирования технологии изготовления ЭА. Данные, полученные в ходе работы, используются в учебном процессе на кафедре ТПС НИУ ИТМО. Был спроектирован и создан опытный образец электронного устройства с использованием единой информационной среды (ЕИС) электромонтажа. Отработана схема совместной работы КБ и предприятия-субподрядчика в ЕИС электромонтажа. По результатам работы был получен патент на способ изготовления электронного блока.

Апробация работы

Основные результаты работы представлены в докладах на XXXVIII Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (2009), VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (2009), XXXIX Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (2010), VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (2010), XL Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (2011), VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (2011), XLI Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (2012), I Всероссийском конгрессе молодых ученых (2012).

Публикации

Основные результаты работы отражены в 9 публикациях, в том числе 4 работы в журналах из перечня ВАК. Список работ приводится в конце автореферата.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 98 наименований и приложений. Основной текст работы изложен на 143 страницах, включает в себя 18 таблиц и 36 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, основные положения, выдвинутые на защиту. Приведена краткая характеристика работы.

В первой главе диссертации произведён анализ предпосылок к ужесточению требований к производимым электронным изделиям, рассмотрены факторы, влияющие на технологичность конструкции, а также рассмотрен способ совместного проектирования механической и электрической частей электронных блоков и требуемые для его реализации условия производства.

В настоящее время совместная работа проектных подразделений отечественных предприятий организована последовательно. В начале работы имеет место проектирование печатных плат (ПП), затем конструкторское бюро (КБ) ПП взаимодействует с лабораторией с целью отладки образца и корректировки конструкторской документации (КД) на ПП, далее данные ПП, необходимые для её включения в КД, передаются в КБ корпусных конструкций. Потом КБ корпусных конструкций совместно с КБ печатных плат занимается редактированием ПП с целью обеспечения возможности её установки в блок. Далее КБ совместно с технологами проводят проверку документации на предмет технологичности изделия. Затем КД отправляется в нормоконтроль, и, наконец — в архив предприятия.

Недостатки существующей схемы раздельной работы КБ корпусных конструкций и КБ ПП следующие. Поскольку технологический отдел предприятия имеет в своей структуре отделы, ответственные отдельно за

механосборочные работы и отдельно — за ПП, данные корректировки КД могут, вследствие несогласованной работы отделов, не отвечать общим требованиям, предъявляемым к блоку как к единому целому. В то же время, друг безотносительно друга такие данные могут быть корректными.

Во-вторых, ошибки в разрабатываемой КД, возникающие вследствие несогласованных работ, порождают необходимость доработки блоков, что влечёт за собой необходимость оформления соответствующих цеховых документов; как следствие, это приводит к увеличению сроков изготовления изделия.

В-третьих, данная схема работ требует привлечения значительного количества персонала, занимающегося сборочно-монтажными работами и занятого проверкой сразу двух потоков документации.

Рассмотрим конструкцию электронного блока, представленную на рисунке 1. Она представляет собой элементы электрической схемы, размещённые на несущем основании (металлической пластине). На металлическую пластину нанесён слой изоляционного материала, на котором выполнены печатные проводники и контактные площадки, а на них посредством поверхностного монтажа установлены радиоэлементы и токоведущие разъемы. Отметим, что разъемы установлены так, чтобы обеспечить доступ к ним с внешней стороны блока. Вся поверхность с печатными проводниками и элементами электрической схемы заливается изоляционным составом, после чего сборка сушится. Далее поверх застывшего состава накладывается вторая металлическая пластина, аналогичная первой. Между пластинами по углам установлены крепежные втулки, а с торцов -металлические швеллеры с соответствующими отверстиями для токоведущих разъемов. В конце сборки крепежные втулки развальцовывают, жестко скрепляя обе пластины и металлические швеллеры между собой.

X® У^У'

Рисунок 1 — электронный блок прибора, объединяющий в себе электронную и

механическую части (1 — электрорадиоэлементы; 2 - основание; 3 — изоляционный слой; 4 - крышка; 5 —развальцовываемые втулки; 6 — швеллер.) Отметим, что применение швеллеров и втулок с предварительной заливкой компаундом повышает прочность ПП до уровня, сравнимого с

прочностью цельного куска металла с аналогичными габаритами и крепёжной схемой. Также следует обратить внимание на то, что данная конструкция легче может быть поставлена на конвейер вследствие её типового вида сборки и крепления. В этом случае сама ПП, установленная на основании, проходит процедуру автоматизированного монтажа, а заливка компаундом и последующая установка крышки с развальцовыванием втулок может быть выполнена с использованием уже имеющихся производственных схем.

Схема работ, реализующая предлагаемое решение, предусматривает совместную работу КБ корпусных конструкций и КБ ПП, в то время как технологический контроль документации осуществляется технологом, имеющим опыт работы как с ПП, так и с механическими сборками. Одновременно с эти повышается результативность работы нормоконтроля и ОКБ, поскольку данные корректировки в рассматриваемом случае становятся едиными для всех подразделений, без разбиения их на данные корректировки ПП и данные механической сборки. В этом случае технологический контроль КД проводится технологом, имеющим навыки работы как с технологическими процессами, лежащими в основе изготовления ПП, так и с технологическими процессами, обеспечивающими изготовление корпусных конструкций. Отметим, что технологическая документация на разработанное изделие будет оформляться преимущественно в виде маршрутно-операционных карт. Рисунок 2 поясняет сказанное.

Предложенная схема работ позволяет избавиться от недостатков, присущих работе КБ ПП, КБ корпусных конструкций и технологов по традиционной схеме. Процесс проектирования обеспечивает согласованность электронной и механической частей, что позволяет снизить количество ошибок в КД, снизить количество занятого персонала, уменьшить время разработки готового изделия, повысить качество работ в целом. Также предложенная схема работы позволяет уменьшить объём выпускаемой на изделие документации.

Во второй главе произведён анализ возможностей существующих САПР ЭА. По результатам анализа САПР осуществлено определение структуры данных проекта для каждой из САПР ЭА. Затем по результатам анализа структур файлов проекта САПР ЭА предложено условно разделить на три типа.

К САПР ЭА первого типа относятся САПР ЭА, обладающие возможностями трассировки проводников, получения данных сверления, разработки принципиальной схемы, создания перечня элементов, создания КД. При этом количество типов моделей библиотечного элемента не превышает одной-двух. САПР ЭА второго типа обладают дополнительными возможностями ана-лиза помех и целостности сигналов, автоматизации трассировки ПП, трёхмер-ного представления элементов и ПП. У САПР ЭА данного типа количество типов моделей библиотечного элемента составляет от трёх до четырёх. САПР ЭА третьего типа обладают дополнительными возможностями программирова-ния схем, выдача данных для автоматизации электроконтроля ПП, двунаправленной конвертации трёхмерного представления ПП и элементов в САПР твёрдотельного моделирования. Количество типов моделей библиотечного элемента составляет от пяти и более.

Далее с учётом возможностей САПР ЭА составлена иерархия критериев оценки для их дальнейшего выбора при проектировании электронных блоков. Затем в диссертации изложены способы оценки САПР ЭА. Существующая схема работ:

Лаборатория Схема ЭЗ КБ печатных плат КДПП КБ корпусных конструкции

,энные для корректировки! | Данные для корректировки!

КДПП

КД механосборки

Технолог по печатным платам

Технолог по механическим компонентам

ТД

ОТД

КДПП

КД механосборки

Нормоконтропер

КД

ТД

Архив!

Предлагаемое решение:

Рисунок 2 — схема работ при проектировании блоков приборов, объединяющих в себе электронную и механическую части. (КБ — конструкторское бюро, КД — конструкторская документация, ПП — печатные платы, ОГТ— отдел главного технолога, ОКБ — опытно-конструкторское бюро, ОТД—отдел технической документации)

Первый способ предлагает оценку САПР ЭА по критерию автоматизации конструкторско-технологических возможностей САПР ЭА. В этом случае технологом составляется таблица, где каждой из САПР ЭА будет отведён свой столбец, а в строках будут записаны функции и подфункции оцениваемых САПР ЭА.

-Лёгкость освоения -Надёжность -Экономичность

-Экономичность по материальным средствам

- Экономичность по затратам на обслуживание

- Экономичность по затратам на сопровождение -Экономичность по времени развёртывания -Экономичность по ресурсам ЭВМ

- Экономичность по ресурсам оперативной памяти

• Экономичность по ресурсам процессора [КЗ—Универсальность (полнота отображений свойств)

" Экономичность по ресурсам НЖМД I—(О-Универсальность моделей

- Массовость (пригодность дпя решения широкого круга задач) —Адекватность (погрешность не выше заданной) -Адекватность моделей

- Адекватность моделей ПП

© © ®

Адекватность моделей ЭРЭ

|}0— Адекватность симуляции схемы

Адекватность данных дпя подготовки производства

Адекватность данных топологии

Адекватность данных сверления

— Адекватность данных для автомата-установщик: компонентов

Адекватность данных для контроля ПП

© ©

ч)

I—ПО— Универсальность моделей ПП Универсальность моделей ЭРЭ [О—Универсальность схем РО—Универсальность ПП

Рисунок 3 — иерархия критериев оценки САПР ЭА

САПР ЭА С, с2 Сз с4 а

Функции САПР ЭА

Б, Ги X X X X

...

X X X

Рт £п1 X X X X

...

^ГПП X X X X

Коэффициент автоматизации рассчитывается по следующей формуле:

К тт = -:-'100%

где:

Б — показатель автоматизации,

Ей — общее количество задач ТПП, решение которых требуется на данном предприятии,

ЕСавт — количество требуемых задач ТПП, решение которых автоматизировано,

Птт — вес задачи, учитывающий трудоёмкость работ, рассчитываемый по _ Т

формуле —, где Ттт—трудоёмкость работ при использовании

автоматизированного решения задачи, а Т— трудоёмкость работ при решении задачи без такового.

Следующим изложен способ оценки ЭА с использованием анализа иерархий (МАИ). В МАИ элементы задачи сравниваются попарно по отношению к их воздействию на общую для них характеристику. Элементом матрицы а(1, ]) является интенсивность проявления элемента иерархии /' относительно элемента иерархии у, оцениваемая по шкале интенсивности от 1 до 9. Если при сравнении одного фактора / с другим у получено а(1, ]) = Ь, то при сравнении второго фактора с первым получаем а(/, I) = 1/Ь.

Относительная величина каждого отдельного объекта в иерархии определяется оценкой соответствующего ему элемента собственного вектора матрицы приоритетов, нормализованного к единице. Процедура определения собственных векторов матриц поддается приближению с помощью вычисления геометрической средней. Пусть:

А/...А„ - множество из п элементов; IV/... 1У„ - соотносятся следующим образом:

Таблица 2 — Отношение элементов

А, А„

А, 1 1У,/1У„

1 А„

А„ \VJ\V, 1

Таблица 3 — Оценка компонент вектора приоритетов

А, Ап

А, 1 1У,/1¥„ Х,=(1 *(\У,/1У2)*... *0У,/\У„))'/" ВЕС(А,)=Х,ЩХ,)

1 А„

А„ \VJWt 1 Х„=((\УГ/\У>)*...*( ВЕС(А„) = ХЛ(Хд

Полученные величины сравниваются с теми, которые получились бы при случайном выборе количественных суждений из нашей шкалы, и образовании обратносимметричной матрицы.

Однако, при существовании аддитивной функции ценности шкалы отдельных критериев должны быть совместными интервальными шкалами, и их нельзя считать независимыми друг от друга. Поэтому, если производить нормировку значений каждой частной функции ценности V/ по отдельности, то необходимо ввести и шкальные множители, или коэффициенты масштабирования м > 0, т. е. использовать функцию вида

/=1

В качестве коэффициента масштабирования предлагается применить вес критерия, учитывающий трудоёмкость работ:

Т

П =-=—

авт. гр

авт.

Следующей рассмотрена методика оценки САПР ЭА с учётом наработок на предприятии. В этом случае технолог-эксперт определяет, какая именно функция влияет на решение задачи выбора технологии для данного производства. Затем он вводит экспертную оценку веса данной функции. Далее составляется формула оценки данной САПР вида:

X,

где:

О — оценка;

V]... V: — вес ¡-й функции;

АI... А, — величина, принимающая значения 1 либо 0 в зависимости от наличия функции, либо её отсутствия;

2Г/ — нормировочный показатель, равный общему количеству всех рассматриваемых функций.

В третьей главе дана классификация математических моделей и проектных процедур, а также рассмотрен алгоритм обобщенного процесса проектирования технологии, а также рассмотрен метод декларативного описания технологии изготовления ПП.

Формально задачу синтеза технологии можно определить как процесс получения некоторого частного решения по конкретным значениям параметров, определяющих этот выбор.

В основе автоматизированного решения такой задачи лежит алгоритм, относящийся к классу алгоритмов выбора решений. В алгоритме выбора решений осуществляется целенаправленная проверка выполнимости всех или некоторых условий из заданного множества условий и выбор соответствующего решения или решений, обладающих определенными свойствами, из заданного множества решений. В практике алгоритмизации технологических задач данного класса эффективным средством описания алгоритма являются таблицы

применяемости. Пусть имеется множество вариантов технологических операций:

X = X (XI, Х2, ..., х„) Пусть имеется также множество параметров поступившей в производство ПП, по которым выбираются операции из множества X:

¥=Г(У1,У:,...,Ут) Каждый из параметров может принимать несколько значений, т.е.

У1 = (Уи, УЬ, - , У1,()

Применительно к задаче синтеза технологических параметров изготовления ПП элементами множества У являются варианты ПП, отличающиеся по какому-либо классификационному признаку (например, У1, / -однослойная ПП, у,. 2 - многослойная ПП и т.п.). Множество параметров образовано наименованиями факторов, влияющих на выбор операции, например, у2 - частота сигналов, у4 - наличие механических элементов на ПП и т.п. Множество значений параметра y¡ образовано альтернативными значениями /го фактора, например,

У9 = (У9.1 , У9, 2 , У9, 3 , У9, 4 , У9, 5 )

где у9,1 - 1 класс точности; у9,2 - 2 класс точности; уц.з- 3 класс точности; У9_ 4 —4 класс точности; у9,5 — 5 класс точности.

Столбцам в таблице применяемости присваиваются значения параметров, сгруппированные по их наименованиям. В каждой строке справа записывается операция из множества операций X, соответствующая множеству значений параметров в строке. Клетки таблицы заполняются единицами и нулями. Наличие в клетке единицы означает, что параметр принимает соответствующее значение. Клетки с нулевыми значениями остаются пустыми.

Таблица 4 - Таблица применяемости

У1 У2 У" X

У 1,1 У 1.2 У2.1 У2. 2 У2.3 Уп.п У п. 2

1 1 1 XI

1 1 1 х2

• • • • • • • •

• • • • • • • •

1 1 1 х„

Таким образом, в каждой строке таблицы описано однозначное соответствие между значениями параметров и операцией (решением).

Соответствие между значениями параметров-условий и частичными решениями описывается так называемыми частичными таблицами. При последовательном методе выбранный маршрут формально описывается как про-

и

изведение выбранных частичных решений, организованных в кортеж согласно графу, определяющему последовательность технологических операций, т.е.

= <Х1. I Х2, к Х3. т ■■■ Хп,1 >

гдеX/,I,..., х„,, - выбранные частичные решения, причем первый индекс (7, и) означает номер классификационного признака, а второй индекс (1,...,/) — номер типа, отличающийся по данному признаку.

Затем рассмотрена математическая модель (ММ) спроектированного маршрута.

Пусть У= (уи у2, ... , ут) - вектор входных параметров (количество слоев па., площадь Б, количество типовых элементов, Л^.,. ...), X = х2 ,..., х„) — вектор выходных параметров (марка и тип оборудования для установки компонентов, номер типового техпроцесса, время, затрачиваемое на изготовление...), и Q = {дп д2 ,..., д/) — вектор внешних параметров (величина текущей загрузки требуемого оборудования, показатель квалификации работника, занятого на производстве данного изделия, стоимость работы контрактного производителя...).

В обобщенном виде ММ объекта может быть представлена следующим образом:

У=(у„у2...ут) X — (хи х,... х^)

= Ч2- ч)

У, где:

Р (X, О) — обобщенная функция проектирования маршрута; и — параметр управления процессом, осуществляемого технологом путём принятия решений и экспертных оценок.

Внутренние параметры образуют и-мерное пространство, которое ограничивается условиями работоспособности объекта. При проектировании осуществляется целенаправленный выбор точки в ограниченном «-мерном пространстве внутренних параметров, т.е. допустимого варианта объекта, которому соответствует наперед заданное значение вектора X выходных параметров при известном векторе Ц внешних параметров.

Далее рассмотрен ряд требований по точности и достоверности данных, работу с которыми осуществляет математическая модель и определены требования к алгоритму проектирования.

Затем рассмотрен вопрос оптимизации проектирования технологии изготовления ЭА.

Количественная оценка технологии электронных узлов проводится по системе базовых показателей, включающих отработанные и достигнутые при доработке и совершенствовании технологии параметры. Комплексный показатель оптимизации технологии рассчитывается с использованием базовых показателей согласно следующему выражению:

Е К,9, к - '

Ер< 1

где:

К„„тжех — коэффициент оптимизации технологии, К„„„ тех —> 1 К — показатель технологичности (см. таблицу 5)

<р, — коэффициент весовой значимости показателя, рассчитываемый по формуле

где г - номер показателя в таблице

Таблица 5 — Базовые показатели оптимизации технологии изготовления электронных узлов

п/п Показатель Формула расчета Значимость, ф Примечания

1 Коэффициент использования средств к"с~ „ ^ 1 i Äi С,' п 1,0 С — стоимость заданной единицы работ; S — сметная стоимость проекта; и — общее количество работ.

2 Коэффициент автоматизации технологии тг _ Нлвт.оп. ЛЛВГ- гг "оп. 1,0 Навт.оп.— количество автоматизированных операций; Hon. — общее количество операций.

3 Коэффициент стандартизации и унификации _ Нст оп ст~ и "оп 0,8 Нст.оп. — количество стандартизиро ванных операций; Hon. — общее количество операций.

4 Коэффициент квалификации персонала к ¡=1 л кв.п. ~ 1 u "п. 0,5 R — величина, численно равная квалификационному разряду работника; N— количество работников, обладающее данным квалификационным разрядом; Нп—общее количество персонала.

5 Коэффициент временных затрат е ^ авт. i Квз- , 'общ. 0,32 1автл — время выполнения автоматизированной операции; (общ. — общее время выполнения работ

Расчетное значение Копт.тех сравнивается с нормативным, который для серийного производства электронных узлов изменяется в пределах 0,5 - 0,8, для установочной серии — 0,45 - 0,75 и для опытного образца — 0,4 - 0,7.

Целью оптимизации проектирования технологии изготовления ЭА является получение такого ее вектора параметров, при котором выбранный показатель оптимизации технологии изготовления ЭА принимает значение, близкое к единице.

В четвертой главе изложено определение базы данных и базы знаний, с помощью которой осуществляется проектирование технологии в автоматизированном режиме, а также описывается созданное в ходе работы программное обеспечение.

База данных имеет в своей основе продукционную модель; все знания в ней представлены в виде предложений типа «Если (условие), то (действие)». Поиск в базе знаний осуществляется с использованием в качестве условия определённого предложения-образца, при этом роль действия выполняют действия, выполняемые при завершении поиска с положительным результатом. Программа-интерпретатор правил работает с набором правил, содержащихся в базе знаний. Интерпретатор правил добавляет в память новые факты, определяет порядок просмотра и применения правил, а также просматривает существующие факты из базы данных и правила из базы знаний. Эта программа осуществляет процесс принятия решения, при этом информация о принятых заключениях сохраняется с целью дальнейшего использования. Также она запрашивает у пользователя информацию, в случае, если для срабатывания очередного правила данных в рабочей памяти оказывается недостаточно.

После того, как выбраны правила, интерпретатор продукций осуществляет работу с данными проекта. Эта программа циклически просматривает все правила, чтобы выявить из них те, посылки в которых совпадают с известными на данный момент фактами из рабочей памяти. После выбора правило применяется к данным, результат заносится в память, затем цикл снова повторяется.

В каждом цикле может сработать только одно правило. Если с фактами могут быть успешно сопоставлены несколько правил, то интерпретатор выбирает правило согласно определённому критерию, срабатывающему в текущем цикле. Цикл работы интерпретатора схематически представлен на рисунке 4.

Для выявления результатов применения правил информация из памяти циклически сравнивается с посылками правил. Множество отобранных в итоге работы программы правил составляет так называемое конфликтное множество. Далее с целью разрешения конфликта интерпретатор работает с применением критерия; с помощью этого критерия он выбирает единственное правило, после чего применяет его к данным проекта. Это осуществляется посредством занесения фактов, образующих заключение правила, в память или путём изменения критерия выбора правил, входящих в конфликтное множество. Единственное, что определяет работу машины вывода — это состояние рабочей памяти и состава базы знаний.

Рисунок 4. Цикл работы интерпретатора Пусть Q — множество свойств, описывающих изготавливаемую ПП (д! е ()); К - множество характеристик оборудования для изготовления ПП (к1 е К); ¿5 — множество характеристик данных проекта (сИ е Ц); Т — множество технических требований (й е Т)\ N— множество характеристик субподрядчика (м <г Ту), F — вид работ по изготовлению ПП. Тогда

М = <2 иКиБ ЦТ иР

Необходимо сформировать группу правил рг, позволяющих на основе данных из множества М получить множество и/, совместное со множеством М, т.е., найти такой технологический шифр оборудования, с помощью которого можно было бы выполнить данный вид работ, удовлетворяя при этом свойствам множества М. Это означает, что

р1(М) =>и, => ир\(М)=И

БД реализована на основе табличного представления. Вся база разбивается на таблицы оборудования, субподрядчиков, материалов, правил и решений. Каждая таблица состоит из заголовка таблицы и тела таблицы.

Длина имени таблицы определяется при ориентации на конкретную предметную область и является постоянной для всей группы. Имя состоит из алфавитно-цифровой информации и задается в соответствии с правилами фасетной структуры имени таблицы, определяемыми в каждой конкретной группе таблиц.

В качестве примера рассмотрим общую структуру имени таблицы "Оборудование", представленную в таблице 6.

Таблица 6. Состав реквизитов в имени таблицы оборудования

Наименование реквизита Имя реквизита

Номер K.NR

Имя K.NM

Тип К.ТР

Признак группы оборудования K.GR

Поиск оборудования с применением фрейма-гипотезы на поиск Метод поиска оборудования состоит из двух этапов:

• формирование имени таблицы с помощью ЭС (экспертной системы);

• поиск инструмента в таблице;

Формирование фрейма-гипотезы на поиск осуществляется на основе таблицы правил, которая создается технологом до использования информационно-поисковой системы (ИПС) по особому правилу, либо с помощью программы формирования правил различного назначения. В 1-й графе B.TR — параметр, хранящий имя, или часть имени искомой таблицы. За основной сценарий формирования гипотезы на поиск отвечает значение второго столбца первой строки таблицы, а результат присваивается параметру B.TR. Следующие строки таблицы отвечают за выбор в соответствии с фасетной структурой, заданной в первой строке. Операция "ВЫБРАТЬ" содержит в качестве параметра имя таблицы, из которой выбирается очередное значение. Имя таблицы в общем случае конкатенируется с текстовой строкой, заданной в кавычках со значением параметра, который начинается с символа '$'.

Пример работы таблицы правил по выбору «просверлить отверстия в заготовке основания ПП»: Таблица B.TR представляет собой правило формирования выходной строки для поиска. Расшифровывая ее, мы получаем интерфейс для пользователя. Сначала пользователь выбирает значение Р .TWO из таблицы "wrb" («Вид работ»), и оно автоматически заносится в B.TR=4232.

Затем выбор идет за значением M.PGM, соответственно по ключу PGM из таблицы «признак группы обрабатываемого материала», и занесением в B.TR в соответствующие позиции, теперь оно равно «423200». В любой момент времени технолог может прервать формирование гипотезы и дать команду на поиск. Последовательно перебирая ключи, технолог формирует имя таблицы (например, $B.TR='4232000201';), открывает её и выбирает оборудование. Дальнейший выбор переходит к другой базе данных "DriIl_CNC.mdb" для конкретного оборудования — сверлильных станков с ЧПУ, где осуществляется поиск типоразмера оборудования по правилу (фрейму-запросу), выбираемому из заголовка таблицы, например:

K.DW>=$Q.DW ИЛИ K.DL>=$Q.DL И K.DIA=$Q.DIA//K.DL +//

Это правило означает, что надо найти строки таблицы, в которых один из размеров обрабатываемой ПП меньше, либо равен максимальному размеру обрабатываемой ПП на данном оборудовании, диаметр сверла равен заданному, а полученные данные необходимо отсортировать по возрастанию максимального габаритного размера обрабатываемой ПП.

Ниже приводится фрагмент базы знаний и ВСПТД при формировании конструктивного шифра оборудования.

Пусть в некоторый момент проектирования в ВСПТД находится некоторое множество фактов, часть которых представлена ниже.

$0.С8=47;$0.Т8=146;$0.В\У=150;$0.ОЬ=200;$0.8118=100;$0.0Р=80;$0.дВ=2

Здесь и далее префикс 0 указывает на принадлежность к обрабатываемой заготовке ПП, а префикс К - на оборудование. Далее имена параметров в ВСПТД имеют следующий смысл: СБ — количество отверстий с металлизацией; ТБ - количество отверстий в ПП; ОР — количество отверстий, идущих через всю толщину ПП; ОО — количество ПП на одном листе-заготовке ПП; — ширина листа-заготовки ПП; БЬ — длина листа-заготовки ПП; ЭЯЗ - количество ПП в серии; КТО - КТШО, ТР - тип оборудования; С11 - группа оборудования.

Далее приводится группа выполненных правил:

ПРАВИЛО 2. ЕСЛИ (ЕСТЬ($0.С8) ИЛИ ЕСТЬ($0.Т8) И ($0.5115>10)) ТО $К.КТО[1,2]='30'... "Сверлильный станок";

ПРАВИЛО 4. ЕСЛИ ($К.КТО[1,2]='30' И $0.8118>100) ТО $К.КТО[3,1]='02'... "Сверлильный станок с ЧПУ";

ПРАВИЛО 7. ЕСЛИ (ЕСТЬ($0.БЯ8) И ($0.0Б>2) ТО $К.КТО[4,1]='04'... "Для встраивания в конвейерную линию".

Таким образом, сформирован код оборудования К.КТО-300204', а после конкатенации с параметрами Р.РвМ, К.ТР, К.вЯ получается имя таблицы '3002040001002' из ИПС "Оборудование для сверления печатных плат", в которой осуществляется поиск типоразмера оборудования по правилу (фрейму-запросу), соответствующему выбранной таблице. Синтаксис условия этого правила соответствует вышеописанным, а действием при успешном выполнении будет запись реквизитов найденной строки в форме триплетов в ВСПТД. Для найденной таблицы правило выглядит следующим образом:

К.Б\У>=$0.В\У ИЛИ К.В1>=$0.ОЬ И К.В1А=$0.Б1А//К.ОЬ +//

Это правило означает, что надо найти строки таблицы, в которых один из размеров обрабатываемой ПП меньше, либо равен максимальному размеру обрабатываемой ПП на данном оборудовании, диаметр сверла равен заданному, а полученные данные необходимо отсортировать по возрастанию максимального габаритного размера обрабатываемой ПП. Также запрос включает выражение //К.ЬЫЯ+//, которое означает требование отсортировать найденные результаты по возрастанию параметра К.ЬЫЯ (т.е. от наименьшей длины обработки до наибольшей). При наличии нескольких строк, удовлетворяющих условию, выбирается первая (с учетом сортировки) или указанная технологом.

Таблица 7. Фрагмент найденной таблицы оборудования.

Номер Длина Ширина Диаметр Количество Вылет

строки заготовки заготовки отверстии сверел сверла

(NUM) максимальная максимальная максимальный (K.DAM) (К. VI)

(K.DW) (K.DL) (К. DIA)

1 305 355 3,2 1 30

2 400 400 3,175 1 3

Заключение

1. Разработана методика проектирования технологии электромонтажа, основанная на способе совместного проектирования электронной и механической частей блоков приборов ЭА, позволяющий сократить сроки производства электронной аппаратуры, сократить количество документации, повысить эффективность работы предприятия.

2. Разработана методика оценки технологических возможностей САПР ЭА, учитывающая особенности конкретного предприятия.

3. Разработана методика проектирования технологии производства ЭА с применением базы данных и базы знаний.

4. Разработана программная среда, основанная на объектно-ориентированном подходе при реализации модуля базы данных и методе продукционного подхода к представлению базы знаний.

5. Создан опытный образец ЭА на основе разработанных в работе методик.

Список опубликованных работ по теме диссертации Публикации в периодических изданиях из списка ВАК

1. Соболев С.Ф. Федосов Ю.В. Преподавание технологии электромонтажа для магистров // Конференция «Оптика и образование-2010». Сборник трудов, Секция 2. 2010, С. 81.

2. Федосов Ю.В. Изготовление прототипов печатных плат в условиях единичного производства. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО 2008. Вып. №48 С. 211-214.

3. Соболев С.Ф. Федосов Ю.В. Построение учебного процесса в лаборатории поверхностного монтажа // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. Т. 53. №8. С. 64-66.

4. Воробьев A.C., Федосов Ю.В. Организация обучения студентов технологии производства электронного устройства в единой информационной среде // Научно-технический вестник СПб НИУ ИТМО. 2012. Вып. № 1.С. 141-145.

Публикации в других изданиях

5. Федосов Юрий Опыт конвертирования библиотечных элементов при проектировании плат печатного монтажа // Технологии в электронной промышленности. 2012. №1. С. 40-45. (журнал включён в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ)).

6. Соболев С.Ф., Федосов Ю.В. Компьютерные технологии производства электронных блоков приборов // СПбГУ ИТМО, 2010. 86 с.

7. Воробьёв A.C., Федосов Ю.В. Особенности разработки и изготовления электронного устройства в единой информационной среде для осуществления учебного процесса // Производство Электроники. Технология, оборудование, материалы. 2011 . Вып №8 С. 46-51.

Патенты и заявки

8. Заявка на изобретение № 2011119274/28 Способ изготовления электронного блока / Соболев С.Ф. Федосов Ю.В. 06.05.2011.

9. Патент № 2460170 Способ изготовления электронного блока / Соболев С.Ф., Федосов Ю.В. 27.08.12.

Подписано в печать 17.10.12 Формат 60x84'/i6 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 09/10 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт». Корректор Викулин A.B. (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)