Савельев М. В.
С 12 Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. —М.: Высш. шк. 2001. — 319 с.: ил.
ISBN 5-06-004038-0
Изложены вопросы разработки средств вычислительной техники, создания конструкции, особенности конструирования; рассмотрена защита конструкций от механических, атмосферных, температурных влияний, временной нестабильности, электрических помех; дано описание технологии и экологии производства средств вычислительной техники, надежности конструкции, методов обработки изделий, защитных покрытий. Предложены основные меры по защите окружающей среды при производстве ЭВМ, которые выполняются с учетом источников и видов загрязнений; современная технология создания ЭВМ описана применительно для гибких производственных систем.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Информационно-измерительная техника и технологии», «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Конструирование и технология электронно-вычислительных средств», «Системы автоматизированного проектирования». Может быть полезно для студентов и аспирантов других электротехнических специальностей.
УДК 681.3 ББК 32.973
ISBN 5-06-004038-0 © ГУП «Издательство «Высшая школа», 2001
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается.
Предисловие. 4
ЧАСТЬ 1. 5
КОНСТРУИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙТЕХНИКИ.. 5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.. 5
1.1. Основные понятия и определения. 5
1.2. Факторы, влияющие на работоспособность ВТ.. 8
1.3. Показатели конструкции ВТ.. 9
2. РАЗРАБОТКА ВТ.. 11
2.1. Организационные вопросы разработки ВТ.. 11
2.2. Единая система конструкторской документации. 13
3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ.. 16
3.1. Конструктивная преемственность. 16
3.2. Технологичность. 18
3.3. Точность. 21
3.3.1. Выбор конструкций и ограничение их разнообразия. 21
3.3.2. Ошибки параметров конструкций. 21
3.3.3. Расчет отклонений параметров конструкции. 22
3.3.4. Вероятностный метод расчета отклонения параметров. 24
3.4. Надежность. 25
3.4.1.Критерии надежности. 25
3.4.2. Методы обеспечения и повышения надежности. 27
3.4.3. Расчет надежности. 28
3.5. Экономичность. 29
3.6. Эргономичность и эстетичность. 31
3.7. Патентоспособность. 32
4. ЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.. 34
4.1. Механические воздействия. 34
4.1.1. Методы расчета и анализа вибраций. 34
4.1.2. Метод расчета на виброустойчивость. 37
4.1.3. Амортизация нестационарных ВТ.. 37
4.2. Охлаждение ВТ.. 40
4.2.1. Передача теплоты в электронных устройствах. 42
4.2.2. Основные теплофизические задачи, возникающие при конструировании ВТ.. 46
4.3. Атмосферные воздействия. 49
4.3.1. Защита покрытиями. 49
4.3.2. Защита герметизацией. 51
4.4. Воздействия электрического характера. 52
4.4.1. Причины возникновения помех. 54
4.4.2. Электрические связи между элементами в ВТ.. 56
4.4.3. Помехи при соединении элементов ВТ «короткими» связями. 56
4.4.4. Помехи при соединении элементов «длинными» связями. 58
4.4.5. Помехи в каналах связи. 60
4.4.6. Методы снижения паразитных связей. 62
4.4.7. Методы защиты от помех. 67
4.5. Временная нестабильность. 70
5. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ВТ.. 72
5.1. Современное состояние САПР электронных устройств. 72
5.2. Функциональные возможности и структура системы P-CAD.. 74
5.3. Организация работы с системой P-CAD.. 79
Часть 2. 84
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ... 84
1. ОСНОВЫПОСТРОЕНИЯ САПР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ... 84
1.1. Необходимость создания САПР. 84
1.2. Принципы создания САПР. 85
1.3. Виды обеспечения САПР. 85
1.4. Классификация САПР. 88
1.5. Стадии проектирования. 89
1.6. Способы организации процесса проектирования. 89
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР. 93
2.1. Математические модели. 93
2.2. Методика составления математической модели. 94
2.3. Методы получения моделей элементов вычислительных систем.. 95
3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЛОГИЧЕСКОГО ЭТАПА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВС.. 97
3.1. Математические модели схем.. 97
3.1.1. Модель схемы в виде неориентированного мультиграфа. 98
3.1.2. Модель схемы в виде ориентированного мультиграфа. 100
3.1.3. Представление схемы гиперграфом и ультраграфом.. 101
3.2. Математические модели монтажного пространства. 104
3.3. Последовательные алгоритмы структурного синтеза. 107
3.5. Задача размещения. 109
3.6. Задача трассировки. 110
3.7. Выбор критериев оптимальности. 111
3.7.1. Частные критерии. 113
3.7.2. Аддитивные критерии. 113
3.7.3. Мультипликативные критерии. 114
3.7.4. Минимаксные критерии. 115
3.8. Оценка значений весовых коэффициентов. 117
Заключение. 119
Часть 3. 121
ТЕХНИЧЕСКОЕ, ПРОГРАММНОЕ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 121
1.ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР. 121
1.1.Организация технических средств САПР. 121
1.2. Режимы работы КТС САПР. 122
1.3. Технические средства машинной графики. 122
1.4. Специализированные сопроцессоры.. 125
1.5. Речевые устройства для оперативной связи проектировщика. 126
1.6. Вычислительные сети САПР. 126
2. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР. 129
2.1.Базы данных в САПР. 129
2.2. Проектирование баз данных. 132
2.3. Модели данных. 135
2.3.1. Реляционная модель данных. 135
2.3.2. Иерархическая модель данных. 137
2.3.3. Сетевая модель данных. 138
2.4. Система управления базами данных. 140
2.4.1. Категории баз данных. 141
2.4.2. Сетевая база данных. 141
2.4.3. Реляционная база данных. 142
3. ПРИНЦИПЫОРГАНИЗАЦИИ САПР С ЭЛЕМЕНТАМИ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА.. 145
3.1. Анализ современных требований к САПР. 145
3.2. Архитектура интеллектуальных САПР. 147
3.3. Количественные и качественные характеристики интеллектуальных САПР. 148
3.4. Моделирующая интеллектуальная САПР. 150
3.5. Синтезирующая интеллектуальная САПР. 151
3.6. Методы структурного и параметрического синтеза. 153
3.6.1. Общая характеристика методов синтеза. 153
3.6.2. Методы структурного синтеза. 154
3.6.3. Параметрический синтез. 158
Заключение. 160
Часть 4. 161
ТЕХНОЛОГИЯ, ЭКОЛОГИЯ И НАДЕЖНОСТЬ ЭВМ... 161
1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.. 161
1.1. Понятия и определения технологических процессов. 161
1.2. Порядок проектирования технологического процесса. 162
1.2.1. Виды технологических процессов. 163
1.2.2. Виды технологических баз. 163
1.2.3. Виды контроля. 163
1.3. Технологическая документация. 164
1.4. Технологическая подготовка производства. 165
1.4.1.Технологичность элементов и деталей ЭВМ... 165
2. МЕТОДЫОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ЭВМ... 166
2.1. Электроэрозионные методы обработки. 166
2.1.1. Электроискровая обработка. 167
2.1.2. Метод электроискровой обработки непрофилированным (проволочным) электродом.. 168
2.1.3. Анодно-механическая обработка. 169
2.2. Лучевые методы обработки. 170
2.2.1. Электронно-лучевая обработка. 170
2.2.2. Светолучевая обработка. 171
2.3. Обработка ультразвуком.. 172
2.4. Электрохимическая обработка. 173
2.4.1. Анодно-гидравлическая обработка в проточном электролите. 173
2.5. Обработка плазмой. 174
3. ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ.. 176
3.1. Виды покрытий. 176
3.2. Металлические покрытия. 176
3.3. Лакокрасочное покрытие. 177
3.4. Контроль покрытий. 178
4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.. 179
4.1. Механическая обработка печатной платы.. 179
4.2. Получение рисунка печатной платы.. 179
4.2.1. Фотопечать. 179
4.2.2. Трафаретная печать (сеткографический метод) 180
5. ЭКОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭВМ... 180
5.1. Источники и виды загрязнений окружающей среды при производстве ЭВМ... 180
5.1.1.Сточные воды при производстве ЭВМ... 182
5.1.2. Энергетические загрязнения. 182
5.2. Основные меры по защите окружающей среды.. 182
5.3. Защита атмосферы.. 183
5.4. Очистка сточных вод. 185
5.5. Очистные сооружения предприятия, 185
5.6. Обработка твердых отходов. 186
6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭВМ И СИСТЕМ... 186
6.1. Основные характеристики и параметры надежности. 187
6.2. Структурная надежность. 196
6.3. Структурные методы повышения надежности ЭВМ... 203
6.4. Информационные методы повышения надежности ЭВМ... 218
6.5. Повышение надежности передачи информации в ЭВМ с помощью волоконно-оптических линий связи. 228
Часть 5 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭВМ... 240
1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫАВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА.. 240
1.1. Системные принципы создания гибких автоматизированных производств, общие направления автоматизации 240
1.2. Микропроцессорные вычислительные устройства в сенсорных системах роботов. 247
1.2.1. Методы и алгоритмы видеоанализа. 249
1.2.2. Программно-аппаратные средства реализации систем технического зрения на базе микроЭВМ... 252
1.2.3. Специализированные видеопроцессоры для обработки и анализа изображений - 254
Заключение. 258
1.3. Промышленные роботы микроэлектроники. 258
1.3.1. Манипуляторы промышленных роботов. 262
2. ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ В ГАП.. 265
2.1. Архитектура вычислительных систем для ГАП.. 265
2.2. Принципы построения малых ЛВС.. 267
2.3. Основы моделирования ЛВС.. 268
2.4. Общий критерий качества. 269
2.5. Гибкие технологические системы изготовления и сборки элементов ЭВМ... 270
2.5.1. Производственные системы изготовления печатных плат. 271
2.5.2. Производственная система изготовления радиоэлектронных модулей. 274
2.5.3. Промышленные роботы для автоматизированного производства. 279
3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ПР. 281
3.1. Системы управления ПР. 281
3.1.1. Классификация системы управления ПР. 283
3.2. Архитектура управляющих вычислительных комплексов. 285
3.3. Программирование вычислительных устройств в РТК 3.3.1. Методы программирования ПР. 286
3.3.2. Примеры робото-ориентированных языков программирования. 287
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 289
Предисловие
Темпы развития ЭВМ в значительной мере определяют уровень научно-технического прогресса. Этим объясняется растущая потребность в создании сложной вычислительной техники, которая находит все более широкое применение в сфере производственной и творческой деятельности.
Расширение круга задач, решаемых с помощью ЭВМ, вызывает ее постоянное усложнение, следствием которого является неизбежное удлинение сроков проектирования и производства при использовании традиционных методов. Сократить сроки до определенного предела можно, увеличив коллектив конструкторов и разработчиков. Однако такой путь не приводит к решению проблемы по следующим причинам: во-первых, за счет снижения производительности труда из-за трудностей эффективного управления; во-вторых, к ошибкам и неточностям, которые неизбежны при традиционном проектировании и производстве; и, в-третьих, количество людей, которые могут быть заняты в этой сфере человеческой деятельности, ограничено.
Ускорить и удешевить конструкторские и технологические работы возможно только применением прогрессивных методов автоматизированного проектирования и производства ЭВМ. Развитие методов проектирования осуществляется максимальной формализацией процессов конструирования. Прогресс в изготовлении элементов и блоков вычислительной техники связан с использованием робототехнических комплексов и станков с программным управлением.
Автор приносит глубокую благодарность сотрудникам Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ), Таганрогского радиотехнического университета, профессору С.В.Соколову, взявшим на себя труд рецензировать данную работу, за те замечания и советы, которые, несомненно, способствовали улучшению содержания книги.
Автор
ЧАСТЬ 1
КОНСТРУИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙТЕХНИКИ
В первой части учебника изложены вопросы разработки средств измерительной и вычислительной техники (ВТ), создания конструкции, особенности конструирования с учетом конструктивной преемственности, технологичности, экономичности, надежности. Защита конструкции от внешних воздействий рассмотрена от механических, атмосферных, температурных влияний, временной нестабильности, электрических помех. Применение методов автоматизации в задачах конструирования позволяет эффективно выполнять компоновку и трассировку электронных устройств.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основные понятия и определения
Конструирование является составной частью процесса разработки ВТ и представляет собой комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции устройства, знание технологии. Каждое поколение ВТ имело новый тип элементной базы, что изменяло правила и положения теории и практики конструирования. Но характерным всегда являлось и является разбиение конструкции и общей схемы ВТ на отдельные, часто повторяющиеся устройства, оформляемые в виде элементов (блоков).
Рост степени интеграции микросхем увеличивает число типов таких элементов (блоков) и снижает их тиражирование в пределах одного ВТ. Секционированные и с фиксированной разрядностью микропроцессоры, однокристальные микроЭВМ расширили область применения ЭВМ. Отдельные элементы (блоки) ЭВМ схемотехнически различны и, как правило, не повторяются. Диапазон использования ВТ очень широк: они используются для управления объектами как бытовыми, так и космического назначения, поэтому конструирование ВТ на основе интегральных схем становится все более сложным процессом и разнообразным.
Перед разработчиками ВТ стоит ряд задач, решение которых зависит от полного учета факторов, влияющих на процесс измерения, обработки и хранения информации. Эти факторы имеют различную физическую природу. При создании ВТ требуется решение задач противодействия климатическим, механическим и радиационным факторам с целью обеспечения теплового режима работы отдельных элементов и устройства в целом, помехоустойчивости и нормальных электрических режимов работы, механической прочности, надежной и безопасной работы ВТ, нормальной работы оператора и охраны окружающей среды.
Разработка — это процесс всестороннего исследования (подготовки), предназначенный для получения заданных результатов. Обычно разрабатывают научно-исследовательские темы, конструкции, технологическую документацию, нормали, стандарты, системы, планы, графики и т. п.
В конструкциях ВТ заданные для них основные целевые функции обеспечиваются не только пространственными и силовыми, но и электрическими, магнитными и электромагнитными полями между отдельными элементами. Поэтому в связи с появлением микроминиатюрных конструкций и использованием интегральных схем деление разработки на механический и электрический этапы стало нецелесообразным.
Проектирование есть разработка основных показателей (конечного продукта) и путей их практического осуществления. Результатом проектирования является совокупность данных, которая может лечь в основу разработки рабочих технических документов, необходимых для выполнения конечного продукта (системы, устройства, прибора и т. п.).
Конструирование — это процесс выбора структуры пространственных и энергетических взаимосвязей и связей с окружающей средой и объектами физических тел, их материалов и обработки, установление значений величин (норм), пользуясь которыми можно изготовить изделие, отвечающее заданным требованиям. Конечным результатом является комплект технических документов, который отображает всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие. Назначение, область применения и условия эксплуатации ВТ налагают определенные требования на его конструкцию и должны учитываться в процессе конструирования.
Конструкция ВТ (системы) — совокупность электрически и механически связанных элементов и деталей, в которой реализуется электрическая схема ВТ (системы). Исходные данные для конструктора — принципиальная схема ВТ и техническое задание на разработку конструкции. Конструктор должен определить форму, материалы, размеры конструктивных деталей и сборочных единиц, способы механического и электрического соединения; обеспечить помехоустойчивость, тепловой режим, защиту от внешних воздействий.
Объектом называют любое физическое тело или их совокупность в виде устройства, изделия или их частей (самолет, корабль, ракетами т. д.).
Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.
Устройство — любая совокупность взаимодействующих физических тел, рассчитанная на выполнение заданных функций.
Аппарат представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, предназначенное для преобразования по заранее предписанному закону энергии одного вида в энергию другого вида или в энергию того же вида, изменяющуюся по заданному закону.
Прибор представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, выполняющее фиксацию, измерение или регистрацию заданных величин (измерительные приборы, осциллографические индикаторы, записывающие приборы и т. п.).
Деталь — изделие, изготовленное из одного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций.
Сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии сборочными операциями.
Типовые нормализованные сборочные единицы (универсальные по применению) обычно называют типовыми изделиями. Например, резисторы, диоды, транзисторы, реле и т. д. Типовые изделия общего применения или любое другое изделие, используемое для сложной сборочной единицы, блока, прибора, устройства называют полуфабрикатом. Например, типовые резисторы, конденсаторы, реле и т. п. на предприятиях, где они используются, называют полуфабрикатами.
Блок является эксплуатационно-неавтономной частью изделия и предназначается, как правило, для выполнения одной или нескольких целевых функций. Разделение изделия на блоки необходимо для упрощения его конструирования, процесса изготовления и эксплуатации.
Сложный блок может состоять из нескольких более простых блоков, которые целесообразно называть подблоками или субблоками. Крупные блоки называют по роду выполняемых ими частных функций: блок цифро-аналогового преобразования, измерительный блок, блок источника опорного напряжения и т. п.
Модулями называют конструктивные части (приборы, блоки, сборочные единицы или детали) с такими формами и геометрическими размерами, пользуясь которыми при наименьшем их разнообразии, можно получить максимальное количество форм и размеров различных устройств. Использование модулей позволяет получать изделие с лучшей ремонтопригодностью и технологичностью. Простое разделение на модули, без учета особенностей конкретных условий, не дает никакого технико-экономического эффекта, а в ряде случаев может его ухудшить по сравнению с другими техническими решениями.
Комплекс — два или более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями (например, датчики, преобразователи, измерительная аппаратура, средства управления), но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.
Информационно-измерительная система, представляющая собой совокупность взаимодействующих устройств, предназначена для восприятия величин, характеризующих параметры объекта измерения (например, термопара воспринимает температуру объекта и выдает электрический сигнал, который можно измерить), для выполнения измерительных операций, обработки результатов измерения и для хранения (в случае необходимости) и выдачи информации потребителю в требуемом виде.
Комплект — два или более изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющие набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запчастей, комплект инструмента, комплект измерительной аппаратуры).
Технология — это процесс изготовления изделия заданного качества в установленном производственной программой количестве при наименьшей себестоимости.