Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Схема решения проектно-конструкторских задач с помощью средств вычислительной техники

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………2

1) Этапы развития вычислительной техники……………………………..3

2) Этапы конструирования СВТ…………………………………………..9

2.1 Конструктивные модули первого уровня……………………………9

2.2 Конструирование и технология модулей второго уровня…………..9

2.3 Конструктивные модули третьего и четвёртого уровней УПК…....10

2.4 Конструкторско-технологическое обеспечение технологичности

и надёжности СВТ………………………………………………………….11

2.5 Обеспечение тепловых режимов СВТ………………………………..12

2.6 Обеспечение работоспособности СВТ в условиях силовых

воздействий…………………………………………………………………12

2.7 Оформление технической документации при разработке СВТ……13

3) Схема решения проектно-конструкторских задач с помощью средств вычислительной техники…………………………………………………..14

Заключение……………………………………………………………….....20

Список используемых информационных источников…………………..21

ВВЕДЕНИЕ

Развитие средств вычислительной техники обеспечило для создания и широкого использования систем обработки данных разнообразного назначения. Разрабатываются информационные системы для обслуживания различных систем деятельности, систем управления хозяйственными и техническими объектами, модельные комплексы для научных исследований, системы автоматизации проектирования и производства, всевозможные тренажеры и обучающие системы.

Одной из важных предпосылок создания таких систем стала возможность оснащения их «памятью» для накопления, хранения и систематизация больших объемов данных. Другой существенной предпосылкой нужно признать разработку подходов, а также создание программных и технических средств конструирования систем, предназначенных для коллективного пользования. В этой связи потребовалось разработать специальные методы и механизмы управления такого рода совместно используемыми ресурсами данных, которые стали называться базами данных. Исследования и разработки, связанные с проектированием, созданием и эксплуатации баз данных, а также необходимых для этих целей языковых и программных инструментальных средств привели к появлению самостоятельной ветви информатики, получившей название системы управления данными.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.

Первое поколение ЭВМ. Вторая мировая война, как ни чудовищно это звучит, способствовала ускорению разработки новых автоматических вычислительных машин. Конструируемое современное вооружение требовало проведения быстрых вычислений, например, для систем наведения при управлении зенитным огнем. Механические системы не могли дать достаточной точности. Военные настаивали на скорейшем проведении исследований и немедленной постройке электронных вычислительных машин.

В 1942 году Джей Пр. Экерт и Джон Маучли вместе со своими сотрудниками-единомышленниками в школе электрических разработок университета штата Пенсильвания задумывают постройку быстродействующей электронно-вычислительной машины. Эта машина предназначалась для проведения математических расчетов в военном деле и получила название "ЭНИАК" (ENIAC, аббревиатура от Electronic Numeral Integrator and Computer – электронный числовой интегратор и вычислитель). Машинное слово у этого компьютера содержало всего 10 десятичных цифр (у компьютера "Марк-1" – 23), однако выполнял он 300 операций умножения за одну секунду! Такой производительности удалось достичь за счет хранения в памяти машины готовых результатов таблиц умножения (вспомогательных таблиц умножения).

Управлять процессом вычислений стала программа, хранящаяся в выделенной области памяти. Программа представляла собой набор двоичных чисел, и поскольку была плохо понятна неспециалисту, то ее назвали машинной программой. Каждая команда машинной программы соответствовала определенной функции, то есть определенному кабельному соединению в блоке соединений. Теперь для загрузки новой программы не требовалось делать новые соединения или убирать старые, как при программировании с помощью кабельных соединений. Оставалось только поместить новую программу в память.

В 1946 году в журнале "Nature" вышла статья Дж. Фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства". В этой статье фон Нейман с соавторами обосновал следующие необходимые для построения любой ЭВМ принципы, лежащие в основе функционирования современных вычислительных машин:

- логика работы вычислительного устройства достаточно однозначно определяет его основные компоненты (компьютер должен иметь следующие устройства: арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода информации);

- принцип двоичного кодирования всей информации (любая информация (числовая, графическая, текстовая, звуковая) представляется в двоичной системе счисления);

- принцип хранимой программы (команды программы и данные по форме представления одинаковы, следовательно, могут храниться в единой памяти);

принцип программного управления (суть этого принципа сводится к трем положениям: 1) любая работа выполняется компьютером по программе; 2) исполняемая программа находится в оперативной памяти; 3) программа выполняется автоматически);

- принцип адресации памяти (считывание из памяти и запись в память производится только ячейками ("порциями") из определенного количества бит, все ячейки памяти пронумерованы, номер ячейки принято называть адресом);

- принцип иерархической организации различных видов памяти (поскольку требования к объему и скорости считывания из памяти находятся в обратной зависимости, создать единую память, которая была бы достаточной и по объему и по быстродействию, невозможно – необходима иерархия нескольких разновидностей памяти, такая, что чем быстрее она работает, тем меньше ее объем);

- принципы реализации машинной арифметики (заложены основы двоичной арифметики для ЭВМ; в качестве базовой операции используется сложение, остальные операции так или иначе сводятся к нему; описано, как реализовывать разветвляющиеся и циклические программы с помощью инструкций перехода и др.).

Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название "архитектура ЭВМ Дж. Фон Неймана".

После второй мировой войны Джон фон Нейман приступил к разработке собственного компьютера, основанного на современных ему идеях. Компьютер получил название IAS (Institute for Advanced Studies – компьютер Института перспективных исследований).

Впервые машина была представлена в 1952 году в Принстоне (США).

В компьютере IAS нашли применение следующие основные принципы, которые были реализованы во всех последующих цифровых машинах:

- наличие арифметического устройства для выполнения арифметических действий;

- расположение программы и данных в общей памяти;

- цикл выполнения программы;

- последовательное расположение программы в памяти;

- наличие регистров (маленькой, быстрой и большой, медленной памяти) и т.д.

Компьютер IAS работал вполне эффективно, в частности, он производил умножение за 100 микросекунд, а доступ к памяти (чтение из памяти и запись в память) осуществлялся за 50 микросекунд. Для того времени эти результаты были весьма впечатляющими.

Второе поколение (период от конца 50-х до конца 60-х годов). В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику. В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения.

Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы. Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.

Третье поколение (период от конца 60-х до конца 70-х годов). Элементная база: интегральные схемы (ИС), которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате.

ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это были машины на ИС. Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС. В нашей стране в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370.

На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски. Накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем накопители на магнитных лентах (НМЛ). Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители.

Четвертое поколение (от конца 70-х годов по настоящее время). Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора.

Современные ЭВМ превосходят компьютеры предыдущих поколений компактностью, огромными возможностями и доступностью для разных категорий пользователей. Основные технические характеристики современного персонального компьютера: процессор (быстродействие – тактовая частота, разрядность), оперативная и внешняя память (объем памяти, скорость доступа к памяти и др.), видеопамять, средства ввода-вывода, средства коммуникации и др.

Очень важно правильно выбрать конфигурацию компьютера:

- тип основного микропроцессора и материнской платы;

- объем основной и внешней памяти;

- номенклатуру устройств внешней памяти;

- виды системного и локального интерфейсов;

- тип видеоадаптера и видеомонитора;

- типы клавиатуры, принтера, манипулятора, модема и др.

ЭВМ пятого поколения – это машины недалекого будущего. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень. Машины пятого поколения – это реализованный искусственный интеллект.

ЭВМ пятого поколения должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

1. Обеспечивать простоту применения ЭВМ путем эффективных систем ввода-вывода информации, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков, возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов (интеллектуализация ЭВМ);

2. Упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках; усовершенствовать инструментальные средства разработчиков;

3. Улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ЭВМ, обеспечить их разнообразие и высокую адаптируемость к приложениям.

2. ЭТАПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ СВТ.

2.1 Конструктивные модули первого уровня.

Классификация элементной базы СВТ по технологии изготовления, принципу работы и уровню интеграции.

Интегральные микросхемы:

- полупроводниковые (МОП, биполярные, комплиментарные),

- плёночные (тонкие и толстые плёнки),

- поликерамические.

Конструкции: основные технологические процессы и операции при изготовлении микросхем.

Экономические и технологические проблемы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) микросхем. Применение в составе элементной базы СВТ приборов функциональной электроники (оптоэлектронных, акустоэлектронных и иных) как возможный путь решения проблемы 0тирании количеств0.

Сборка микросхем:

- технология сборки корпусных и безкорпусных приборов;

- много-кристальные структуры БИС и СБИС, проблемы герметизации.

2.2 Конструирование и технология модулей второго уровня.

Универсальные типовые конструкции (ТЭЗ) модулей второго уровня. Монтажные платы:

- печатный и печатнопроводный монтаж;

- многослойные керамические платы.

Технология печатного монтажа:

методы создания защитного рисунка и формирования проводников на изоляционном основании.

Конструктивно-технологические особенности:

- аддитивных;

-Субтрактивных;

- комбинированных;

- многослойные печатные платы( изготовленные способами металлизации сквозных отверстий, попарного прессования);

- открытых контактных площадок, послойного наращивания, выступающих выводов: нормы и требования на конструирование таких плат, используемые конструкционные материалы;

- технология и конструирование многослойных коммутационных плат для сверхбыстродействующих СВТ.

Конструкции ТЭЗ УТК-I, УТК- II: номенклатура базовых конструкций, правила установки и размещения микросхем и иных корпусных элементов на коммутационных платах. Выбор элементов внешней коммутации ТЭЗ: разъёмов, переходных контактов и др. Технология соединений элементов внешней коммутации ТЭЗ.

2.3 Конструктивные модули третьего и четвёртого уровней УПК.

Методы выполнения электрических соединений:

- мягкий жгутовый монтаж,

- прессованные и тканные плоские кабели, струнный монтаж.

Обеспечение помехоустойчивости при монтаже:

- применение витых пар;

- экранированных проводов;

- коаксиальных кабелей;

-расчёт фильтров;

- выбор точек заземления;

-экранирование модулей в целом.

2.4 Конструкторско-технологическое обеспечение технологичности и надёжности СВТ.

Обеспечение технологичности конструкций. Основные принципы обеспечения качества серийных СВТ. Диалектическое единство проблем обеспечения технологичности, точности, стабильности и надёжности разрабатываемых изделий. Признаки и количественные критерии технологичности и надёжности СВТ. Постановка задачи и классификация методов и средств синтеза СВТ с заданным уровнем технологичности и надёжности.

Детерминированный и вероятностный подходы при прогнозах серийнопригодности на этапе проектирования СВТ. Методы наихудшего случая, числовых характеристик, малых приращений; матричные, граничные и статистические испытания. Суть этих методов, их достоинства и недостатки, область целесообразного использования. Алгоритмы, программы, примеры практической реализации этих методов на ПЭВМ.

Стандартизация СВТ:

- цели и задачи стандартизации СВТ,

- методы стандартизации, категории стандартов;

- вклад стандартизации в дело повышения качества и снижения стоимости СВТ.

2.5 Обеспечение тепловых режимов СВТ.

Классификация СВТ по критерию уровня тепловых воздействий (стандарт 0Климат-20).

Специфика температуры как дестабилизирующего фактора.

Основные механизмы теплообмена:

- теплопроводность,

- конвекция,

- излучение,

- химические и фазовые превращения.

Обеспечение допустимого теплового режима СВТ.

Интенсификация теплообмена:

- естественное и принудительное воздушное (жидкостное) охлаждение;

- испарительное охлаждение.

2.6 Обеспечение работоспособности СВТ в условиях силовых воздействий.

1.Понятия механической прочности и механической устойчивости СВТ. 2.Классификация силовых воздействий. 3.Статические силовые нагрузки, их характеристики и влияние на параметры СВТ. 4.Динамические силовые нагрузки (вибрации, удары, линейные и центробежные ускорения).

5.Уровень динамических нагрузок для СВТ, устанавливаемых на различных носителях (стандарт 0Климат-20). 6.Обеспечение работоспособности СВТ при воздействии вибраций (частотная отстройка, использование виброизоляторов, демпфирование колебаний, активная виброзащита). 7.Защита СВТ от ударов, линейных и центробежных ускорений.

2.7 Оформление технической документации при разработке СВТ.

Единая система конструкторской документации (ЕСКД):

- виды изделий;

- перечень конструкторских документов, выпускаемых на различных этапах проектирования СВТ (по ГОСТ 2.103-85).

Принципы классификации и кодирования конструкторских документов.

Правила оформления схем СВТ:

- структурных;

- функциональных;

- принципиальных электрических и перечней элементов к ним. Спецификация и сборочные чертежи изделий. Правила оформления

чертежей деталей на примере чертежа печатной платы.

3. СХЕМА РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Основным технологическим средством автоматизации проектирования вмашиностроении является цифровая ЭВМ, оперирующая с информацией,представленной в цифровой форме и физически существующей в виде различных состояний их элементов. Поэтому возникает необходимость в разработке методов превращения разнообразной конструкторской документации в цифровую форму и представлении всех задач и элементов процесса проектирования только в виде операций над числами и логическими выражениями с доведением их до алгоритмов и машинных программ. Но при автоматизации проектно-конструкторского процесса следует постоянно помнить, что ЭВМ — это вспомогательное средство, а не замена конструктора. Наиболее эффективно вычислительная техника может быть использована, когда имеются математические модели, описывающие объект проектирования и имитирующие его функционирование в заданной окружающей среде.

Для действительного эффективного использования автоматизированных методов и средств проектирования необходимо учитывать, что любой эксперт, в том числе и генеральный конструктор, обладает вполне определенными и, к сожалению, весьма ограниченными физиологическими возможностями обработки информации. Следовательно, необходима декомпозиция проблемы. Последнее означает, что для автоматизации требуется система процедур, позволяющая конструктору на основе ограниченной информации вести направленный поиск оптимальных параметров новых технических средств.

Основная проблема автоматизации проектирования в настоящее время связана не только и не столько с вопросами совершенствования средств вычислительной техники, сколько с тем обстоятельством, что в науке о конструировании новых технических средств не выявлены аналитические и логические зависимости, связывающие назначение технических средств с их структурой и характеристиками. Например, в технологической науке отсутствуют формализованные взаимосвязи между параметрами обрабатываемой детали, структурой и характеристиками технологического процесса.

Основное внимание при традиционном проектировании уделялось задачам анализа функционирования технических средств с целью выявить влияние различных факторов на точность, производительность и экономическую эффективность их работы. В то же время методы синтеза технических средств на основе их назначения и характеристик внешней среды, в условиях которой будет функционировать новое техническое средство, исследованы еще недостаточно. Необходимо создание теории проектирования, предполагающей переход от традиционных задач анализа и эмпирических классификаций к проблематике задач синтеза технических систем.

Проектирование выступает как комплексная проблема, в которой в сложнойвзаимосвязи переплетаются задачи синтеза, моделирования, анализа, оценки,оптимизации и отбора альтернатив. Для решения таких сложных задач необходимо применение методологии системного подхода. При использовании методологии системного подхода для формализации процесса проектирования следует исходить из того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывается особенностями составляющих его частей и элементов, а заключена в характере связей и отношений между ними. Расширение исходной базы за счет таких понятий, как, например, структура, функция, организация, связь, отношение, обеспечивает определенные преимущества системному подходу перед традиционными методами исследований и позволяет создавать более адекватные действительности модели сложных объектов и процессов.

Исходя из основных положений системного анализа, последовательность решения многовариантных проектных задач с помощью средств вычислительной техники можно представить состоящей из ряда этапов (рис. 1). Определяющим этапом проектирования является постановка общей задачи, при которой формулируется служебное назначение (функция) технической системы и вырабатывается концепция проекта на основе анализа системной модели будущего технического средства как элемента подсистемы более высокого уровня иерархии. Адекватное описание такой модели возможно только при всестороннем рассмотрении проблемы, для решения которой создается новое техническое средство. Например, для решения проблемы комплексной механизации и автоматизации механосборочного производства необходимо создание целого ряда машин и механизмов, в том числе металлорежущих станков, сборочных агрегатов, транспортных средств, загрузочных устройств, информационно-измерительных систем, систем инструментального обеспечения и др. Следовательно, системная модель технологической машины, например, должна отражать взаимосвязи объекта не только с подобными машинами по структуре технологического процесса, но и с загрузочными, транспортными, измерительными и другими элементами всего производственного комплекса.

На следующем этапе необходимо выполнить анализ общей задачи

проектирования. Здесь на основе рассмотрения системной модели будущего

технического средства выявляются связи объекта проектирования с окружающей средой, определяются компоненты проектной задачи, ограничения и критерии выбора рациональных вариантов. Результаты данного этапа служат для поиска путей дальнейшего хода решения проектных задач. Если удается использовать имеющееся техническое средство, то конструкторский процесс не выполняется.

Найденные аналоги могут лечь в основу будущей конструкции. Но может случиться и так, что впроцессе анализа задачи проектирования выявится невозможность использования существующих технических возможностей для решения проблемы.

Тогда постановка задачи должна быть изменена, например, разбита на

подзадачи. При проведении конструкторских работ первой операцией является функциональный анализ объекта проектирования для создания внутренней многоуровневой структуры объекта проектирования. Результаты этого этана необходимы в первую очередь для объективного разбиения задачи проектирования на части и определения стратегии решения общей задачи. Каждый элемент структуры объекта проектирования представляется в виде системной модели; его служебное назначение описывается как функция элемента многоуровневой системы. Затем проводится исследование объекта проектирования, т. с. выявляются и описываются внешние и внутренние связи его системной модели. При этом требуется проведение целого ряда научно- исследовательских работ, под которыми подразумевается не только анализ литературных источников, но и эксперименты на натурных образцах.

Весьма важным является следующий этап — формализация объекта

проектирования. От полноты формального описания объекта зависит выбор метода решения задачи, а, следовательно, определяется возможность применения при проектировании средств вычислительной техники. Если задача не формализована, то конструктор в дальнейшем пользуется одним из

эвристических методов решения задачи. Когда задача формализована полностью, т. е. имеется полная математическая модель объекта проектирования, ее можно решать с помощью ЭВМ автоматически. Если же задача формализована частично, т. е. не все связи системной модели удалось выразить в виде аналитических и логических зависимостей, то разрабатывается так называемый диалоговый метод решения, включающий вариант математической модели объекта и сценарий взаимодействия конструктора и ЭВМ. После выбора одного из алгоритмических методов решения весь процесс проектирования можно формализовать и разработать алгоритмы автоматизированного конструирования. Перед программированием больших проектно-конструкторских задач необходима разработка информационного обеспечения автоматизированного проектирования, которое должно снабжать все проектные процедуры требуемой постоянной и переменной информацией для безостановочной работы программ ЭВМ. После программирования проектной задачи выбираются необходимые технические средства, на которых и решается задача. Результаты проектно- конструкторского процесса документируются в виде текстовых и графических материалов.

Как видно из рассмотрения представленной на рис. 1 схемы, разработка процесса автоматизированного проектирования требует тесного сотрудничества ученых и инженеров разных специальностей — конструкторов, математиков, специалистов по автоматизированной обработке информации, программистов, электронщиков и организаторов производства.

Идеализированная схема разработки и функционирования процесса

автоматизированного проектирования. Следовательно, для наиболее полного и эффективного использования вычислительной техники в проектно-конструкторской деятельности инженеров необходимы глубокие знания разработчиков по вопросам теории проектирования, конструирования заданного семейства машин, математического моделирования, использования вычислительных методов решения проектных задач, теории автоматизированной переработки информации и применения современных вычислительных средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предпосылки для создания высококачественных надежных приборов и устройств, выпускаемых с минимальными производственными затратами, определяются в первую очередь технологией. Информационная, особенно электронно-вычислительная техника ставит перед технологией изготовления радиоэлектронной аппаратуры наиболее сложные задачи.

Повышение качества и экономичности производства во многом зависит от уровня автоматизации технологического процесса. Предпосылки для широкой автоматизации производства элементов и блоков ЭВМ обеспечиваются высоким уровнем технологичности конструкции, широким внедрением типовых и групповых технологических процессов, а также средств автоматизации.

Автоматизация развивается в направлении от автоматизации отдельных операций (установка элементов, пайка, сварка и др.) к широкому использованию автоматизированных линий.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. — М.: Высшая школа, 1996 — 510 с.
Шаранов А.П., Василькевич И.В. Обеспечение работоспособности ЭВА при механических воздействиях. — М.: МЭИ, 1987 — 88 с.
Василькевич И.В., Денеш О.Б., Лаас С.В. Описание лабораторной работы № 2 по курсу «Конструирование ВС» на тему «Прогнозирование серийнопригодности и надёжности ВС методом матричных испытаний». — М.: Издательство МЭИ, 1997 — 7 с.
Василькевич И.В., Денеш О.Б., Лаас С.В. Описание лабораторной работы № 3 по курсу «Конструирование ВС» на тему «Прогнозирование серийнопригодности и надёжности ВС методом статистических испытаний». — М.: Издательство МЭИ, 1997 — 7 с.
Варламов Р.Г., Василькевич И.В. и др. Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования. — М.: Сов. Радио, 1980 — 742 с.
Сайт www. yandex.ru
Сайт www. Google.ru