Внедрение сквозного CAD/CAM проектирования в учебный процесс подготовки специалистов в области радиоэлектроники

М.М. Беляева,
доц., к.т.н., mbelyaeva@mail.ru,

РГАТА, г. Рыбинск

В докладе описана методика обучения сквозному проектированию с применением САПР электронных устройств, конструкторского проектирования и технологической подготовки производства на примере лабораторного практикума по дисциплине «Технология радиоэлектронных средств»

The following paper introduces the method of teaching to open designing with application of EDA/CAD/CAM technologies on an example of a laboratory practical work on discipline «Technology of radio-electronic devices».

Необходимость оперативного реагирования на потребности рынка ставит задачу сокращения времени разработки и изготовления продукта.

Внесение изменений на последующих стадиях жизненного цикла изделия усложняет документооборот и вносит цикличность в процесс разработки и технологической подготовки производства. Сокращения времени проектирования и технологической подготовки производства можно достичь, применяя EDA/CAD/CAM-системы. Моделирование (элементы EDA-систем) позволяет еще до этапа макетирования выявить большее число ошибок схемотехнической реализации радиоэлектронных устройств. Автоматизация проектирования (EDA- и CAD-системы) повышает качество конструкторской документации (КД) при разработке изделия и значительно сокращает время внесения изменений в КД при доводке изделия. Использование CAM-систем для получения технологической документации сокращает сроки технологической подготовки производства. [1]

Одним из основных направлений модернизации отечественной промышленности является внедрение наукоемких интеллектуальных EDA/CAD/CAM-систем. Грамотная эксплуатация, поддержка и сопровождение являются обязательным условием эффективного использования таких систем. Таким образом, подготовка специалистов в области сквозного (схемотехническое, конструкторское и технологическое) проектирования является актуальной задачей.

Существующие на данный момент времени системы автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства представляют собой сложные по своей структуре и функциональной нагруженности информационно-программные продукты [1, 2].

Изучение EDA/CAD/CAM-систем представляет определенную сложность. Причинами являются:

· функциональная насыщенность программного продукта (в рамках ограниченного числа часов, отведенных на изучение, невозможно отработать все нюансы применения системы);

· слабо просматривается взаимосвязь этапов жизненного цикла изделия (изучение CAD/CAM-систем ведется в рамках различных дисциплин, различные системы изучаются разрозненно, при этом решаются задачи, стоящие в рамках данной дисциплины, не акцентируются вопросы взаимодействия отдельных САПР разных направлений друг с другом);

· недостаточная теоретическая подготовка студента, что связано с параллельным изучением теоретического материала и изучения EDA/CAD/CAM-систем на лабораторных практикумах по соответствующей дисциплине;

· некоторая оторванность изучаемого материала от рабочего опыта студента, отсутствие практического результата в виде работающего изделия;

· знания, не используемые на практике, легко забываются.

Применение полученных знаний при выполнении выпускной квалификационной работы – обязательное условие. Однако для глубокой проработки материала желательно применять методы сквозного проектирования и на более ранних этапах обучения. Это способствует большей систематизации знаний, закреплению навыков работы, изучению особенностей и ограничений взаимодействия систем автоматизированного проектирования разной направленности.

В частности, на кафедре «Радиотехнические и телекоммуникационные системы» проводится внедрение подхода сквозного проектирования, то есть совместного параллельного или последовательного использования EDA/CAD/CAM-систем, в лабораторный практикум по дисциплине «Технология радиоэлектронных средств».

Взаимодействие EDA/CAD/CAM-систем осуществляется следующим образом (рис. 1). В начале лабораторного практикума студент получает задание на разработку печатного узла. Во время практикума последовательно выполняются все основные стадии конструкторского и технологического проектирования.

В САПР электронных устройств (возможно использование САПР PCAD, Altium Design или другой аналогичной) разрабатывается печатная плата. Информация о результатах трассировки передается в САПР конструкторского проектирования (используется отечественная САПР КОМПАС) для создания чертежа печатной платы, сборочного чертежа печатного узла, а также трехмерной модели печатного узла. В этих CAD-системах формируются исходные данные в виде файлов управляющих программ для сверления отверстий и создания фотошаблона, которые используются в качестве входных данных для CAM-системы (приложение PCAM), создающей управляющие программы сверления отверстий и формирования рисунка печатной платы методом фрезерования (рис. 2).

Следующий этап – изготовление печатной платы – выполняется на станке прототипирования печатных плат EP-Q фирмы Everprecision Tech Co.,LTD (рис. 3).

Станок был приобретен ВУЗом в рамках модернизации лабораторного оборудования. Он позволяет изготовлять односторонние и двусторонние печатные платы методом фрезерования. Преимуществом данного технологического процесса является отсутствие необходимости в операциях осаждения и травления меди. Кроме того снимается проблема ректификации меди и очистки сточных вод, что немаловажно для учебного заведения, не обладающего соответствующими производственными мощностями. Основные технические характеристики станка:

· рабочее поле: 200 х 150 мм;

· минимальный диаметр сверлимого отверстия: 0,3 мм;

· минимальная ширина гравируемой дорожки и канавки: 0,15 мм;

обеспечивают изготовление печатных плат до четвертого класса плотности монтажа, что вполне достаточно для решения учебных задач.

рис. 1 Схема взаимодействия EDA/CAD/CAM-систем при формировании конструкторской и технологической документации

рис. 2 Форматы файлов данных

После очистки и сушки плата поступает на сборку печатного узла. До этого студентом должен быть разработан единичный технологический процесс сборки и монтажа печатного узла. Исходной информацией является сборочный чертеж и спецификация, созданные в САПР КОМПАС. Может быть использована САПР МК, разработанная на кафедре РТС РГАТА. Результатом ее работы являются маршрутная или операционная карта единичного технологического процесса. САПР МК позволяет использовать при проектировании единичного технологического процесса базы данных типовых технологических процессов, единичных технологических процессов, справочники по оборудованию, инструментам, материалам.

Следующий этап – выполнение сборки и монтажа печатного узла в соответствии с разработанной конструкторской и технологической документацией. Печатная плата с установленными электро/радиоэлементами подвергается всем операциям сборки и монтажа, включая очистку, настройку и контроль.

рис. 3 Настольный сверлильно/фрезеровально/гравировальный станок Everprecision EP-Q

Таким образом, предлагается использовать лабораторный практикум в следующем составе лабораторных работ;

1. Лабораторная работа №1 «Проектирование управляющих программ для изготовления печатных плат методом фрезерования»;

2. Лабораторная работа №2 «Изучение технологии изготовления печатных плат»

3. Лабораторная работа №3 «Изучение методов очистки»

4. Лабораторная работа №4 «Разработка единичных технологических процессов сборки и монтажа электронных модулей»

5. Лабораторная работа №5 «Изучение методов создания электрических контактов»

6. Лабораторная работа №6 «Изучение методов контроля радиоэлектронных средств»

7. Лабораторная работа №7 «Оценка точности и стабильности технологического процесса».

Результатом выполнения лабораторного практикума является работоспособный печатный узел.

Тем самым в лабораторном практикуме обучающийся решает следующие задачи конструкторского проектирования и технологической подготовки производства:

· проектирование печатной платы;

· проектирование печатного узла;

· разработка управляющей программы для изготовления печатной платы методом фрезерования;

· изготовление печатной платы;

· разработка единичного технологического процесса сборки и монтажа печатного узла;

· сборка и монтаж печатного узла.

Дальнейшие направления внедрения подхода сквозного проектирования в учебный процесс видятся следующими:

· применение в качестве CAM-системы САПР технолога Вертикаль, имеющую с САПР КОМПАС общую параметрическую модель изделия, позволяющую выполнять обмен данными между САПР конструктора и технолога непосредственно в электронном виде с минимальной потерей информативности;

· интеграция с лабораторными практикумами других дисциплин с целью объединения в единый комплекс взаимосвязанных работ (например, лабораторные работы дисциплины «Управление качеством электронных средств», связанные с оценкой тестопригодности схем, контролепригодности конструкций, оценкой качества технологических процессов, можно скоординировать с выполнением вышеописанного лабораторного практикума).

Применение такого подхода к выполнению лабораторного практикума в дисциплине «Технология РЭС» позволяет не только изучить на практике технологические процессы изготовления печатных плат, очистки, пайки, сборки и монтажа, контроля печатных узлов, но и также:

· проследить взаимосвязь и преемственность конструкторского проектирования и технологической подготовки производства;

· систематизировать знания, полученные в ранее изученных дисциплинах «Информационные технологии проектирования РЭС», «Основы проектирования РЭС», «Управление качеством электронных средств»;

· ознакомиться со структурами данных и средствами взаимодействия CAD и CAM-систем;

· закрепить навыки работы с используемыми CAD/CAM-системами.

Кроме того позволяет развить творческие способности студента, повысить заинтересованность (мотивацию) за счет получения практического результата; дать навыки самостоятельной практической работы.

Применение в обучении специальности подхода сквозного автоматизированного проектирования способствует повышению конкурентоспособности выпускников на рынке труда.

Литература

1. Беляева М.М. Сквозное автоматизированное конструкторско-технологическое проектирование печатных узлов радиоэлектронных средств: Учебное пособие. – Рыбинск: РГАТА, 2006. – 210 с.

2. Беляева М.М. Классификация и тенденции развития САПР технологической подготовки производства // Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций /Под ред А.В.Бабкина, В.А.Кежаева: Труды научно-практической конференции - СПб, 2008.- с 215-221.

3. Черкасов С. Оборудование компании Everprecision Tech для прототипов печатных плат //ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2005, №7. - с 78-79.