результатов моделирования непосредственно во время проведения врачом хирургической операции.
Правовое обеспечение совокупности нормативных документов. Этот вид обеспечения медицинской САПР имеет особую значимость из-за специфики обязанностей и ответственности медицинского персонала.
Результаты работы пользователя с медицинской САПР могут применяться в работе оборудования поддержки жизни или оборудования для проведения инвазивных процедур. Поэтому для полноценного широкого применения медицинских САПР необходимо определить и законодательно зафиксировать юридический статус самой системы, правил и результатов ее работы и т.д.
Программное обеспечение технических САПР реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур. Включает пакеты прикладных программ, предназначенные для обслуживания определенных этапов проектирования или решения групп однотипных задач внутри различных этапов.
4. Основные этапы проектирования: от технического задания до
конструкторской документации (место и роль САПР).
Процесс проектирования рассматривается как начальный этап создания нового изделия и заключается в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.
Стадии проектирования – наиболее крупные части проектирования, как процесса, развивающегося во времени.
В общем случае выделяют:
1. Предпроектная стадия или стадией технического предложения (или стадия научно-исследовательских работ НИР).
11
Изучаются потребности, анализируются ресурсы, основные принципы построения и формируется техническое задание для изделий.
В обязательном порядке проводится обследование всех литературных источников на данную тему, проводится полное патентное исследование, и
анализируются все подобные системы.
Техническое задание (ТЗ) является первичным, основополагающим документом. ТЗ отражает технические, технико-экономические характеристики будущего изделия, определяет основные характеристики конструкции и принципы работы. Требования ТЗ основываются на современных достижениях науки и техники, на выполнении научно-
исследовательских и экспериментальных работах.
Техническое предложение – начальный этап проектирования.
Основная задача этого этапа – проверка совместимости требований ТЗ с возможностями реализации технических решений. Техническое предложение содержит анализ возможных вариантов технических решений и обоснование предлагаемого варианта решения.
2. Стадия эскизного проекта (или опытно-конструкторских работ ОКР).
ОКР - опытно-конструкторские работы, проверяется корректность и реализуемость основных принципов.
Эскизный проект – конструкторская проработка оптимального варианта изделия до уровня принципиальных конструкторских решений,
дающих общее представление об устройстве и принципах работы изделия. В
эскизном проекте закладываются основы применения типовых,
стандартизованных и унифицированных составных частей разработки,
формируются требования к специальным комплектующим.
3. Стадия технического проекта.
12
Выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта и детализируются все технические решения.
Технический проект выполняют на основе согласованного и утвержденного эскизного проекта, а в тех случаях, когда последний не разрабатывается, - на основе согласованного и утвержденного технического задания (утвержденного технического предложения). Технический проект должен полностью определять проектируемую конструкцию и содержать окончательный технико-экономический расчет. Технический проект содержит технические решения и данные, достаточные для полного представления об устройстве и принципах работы устройства. В техническом проекте должны быть решены все вопросы, обеспечивающие высокий технический уровень нового изделия как в процессе изготовления, сборки,
испытания, так и в процессе эксплуатации. Все расчеты технического проекта выполняются в окончательном виде, не требующем проверки или уточнения на этапе разработки рабочей документации.
4. Стадия рабочего проекта.
Формируется вся необходимая документация для изготовления изделий.
Разработка рабочей документации составляет заключительный этап проектирования, задачей которого является полная детализация проектных решений, обеспечивающая возможность осуществления всех производственных операций, связанных с реализацией этих решений и созданием изделия.
5. Стадия испытаний (опытных образцов или опытных партий).
Приемочные испытания.
13
6. Стадия опытной эксплуатации.
5 и 6 стадии позволяют выявить недостатки, и уточнить технические решения.
7. Стадия внедрения.
Передается вся необходимая документация для выпуска готового изделия. Каждый этап делится на процедуры, а они подразделяются на операции.
5. Сквозное |
проектирование. |
Иерархический |
принцип |
проектирования в САПР.
Смысл технологии сквозного проектирования состоит в эффективной передаче данных и результатов конкретного текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы.
Данная технология базируется на:
-Модульном построении САПР
-На использовании общих Баз Данных и Баз Знаний всего проекта
-Широких возможностях моделирования и контроля на всех этапах проектирования.
Преимущества сквозного проектирования:
-Сокращение сроков подготовки производства за счет распараллеливания работ.
-Минимизация потерь в производстве от ошибок и просчетов,
допущенных при проектировании изделия, от несогласованной отработки изменений, вносимых в проект.
- Возможность целенаправленного поэтапного развития проекта. Это позволяет оптимизировать вложения в автоматизацию
14
Иерархический принцип построения САПР следует понимать как сочетание 2-х принципов:
Принцип включения – обеспечивает разработку САПР на основе требований, позволяющих включить эту САПР в САПР более высокого уровня.
Принцип системного единства – состоит в том, что при создании,
функционировании и развитии САПР связи между подсистемами должны обеспечивать целостность системы.
Иерархический подход в построении САПР проявляется в разделении процесса проектирования на группы проектных процедур.
6. Роль моделирования при проектировании медицинской техники.
Моделирование электрических, тепловых, механических, гидро- и
аэродинамических процессов.
В современном проектировании сложных по своему схемотехническому исполнению медицинских устройств появляются требования к сокращению сроков, повышению качества проектных работ.
Это обусловливают необходимость широкого использования вычислительной техники в процессе проектирования.
Моделирование позволяет избежать дорогостоящих, трудоемких лабораторных исследований и испытаний разрабатываемых электронных схем. Применение САПР дает возможность смоделировать электрические характеристики, режимы работы узлов медицинской и измерительной техники и провести их детальный анализ с высокой точностью.
Моделирование электрических процессов состоит в определении формы и параметров сигнала тока и напряжения, возникающих в различных точках моделируемой схемы. Это позволяет проверить и оптимизировать электрическую принципиальную схему по выходным характеристикам и
режимам работы с учетом влияния дестабилизирующих факторов.
15
Примеры САПР: Micro-Cap, Proteus
Моделирование тепловых процессов изучает теплообмен между размещенными в конструкции элементами и изменения работы устройства при изменении температуры. Это позволяет определить условия эксплуатации устройства, а так же оптимальное расположение элементов внутри устройства и теплоотводов.
Примеры САПР: COMSOL, Ansys
Моделирование механических процессов позволяет построить математическую модель детали и просчитать все нагрузки и напряжения.
При этом производится оптимизация геометрии изделия, что позволяет уменьшить массу, уменьшить затраты материалов, и устранить места,
испытывающие избыточное нагружение.
Примеры САПР: Siemens NX, Ansys
Моделирование гидро- и аэродинамических процессов исследует потоки проходящие в устройстве. Это позволяет определить основные каналы потока и оптимальное место расположение вентиляторов (насосов).
Примеры САПР: SOLIDWORKS Flow Simulation, Ansys Fluent
7. Виды анализа электронных принципиальных схем: временной,
частотный, по постоянному току, по переменному току, тепловой,
Монте-Карло и др.
Временной (Transient Analysis)
Transient Analysis – анализ переходных процессов (анализ схемы во временной области при воздействии сигналов любой формы и амплитуды).
Это наиболее распространенный вид анализа.
Как правило, для проведения этого вида анализа к принципиальной
схеме устройства должен быть подключен источник сигнала (управляющего
16
воздействия). Частным случаем расчета переходных процессов можно считать процесс включения устройства, когда внешним воздействием является подача напряжения питания. Выходными графиками для этого вида анализа, как правило, являются зависимости токов и напряжений схемы от времени, однако возможен вывод зависимости какого-либо параметра схемы от другого параметра схемы или параметра компонента. Например, можно вывести зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н — петлю гистерезиса магнитного материала. Расчет всегда начинается с нулевого момента времени, однако начало графика может быть как с нулевого, так и с любого другого момента времени.
Частотный (AC Analysis)
АС Analysis – малосигнальный частотный анализ (анализ в частотной области эквивалентной линеаризованной схемы замещения для малых сигналов). Этот вид анализа позволяет построить зависимость параметров электрической схемы от частоты при малых возмущениях в окрестности рабочей точки — амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и
фазочастотные характеристики (ФЧХ). Кроме того, можно построить зависимость комплексного коэффициента усиления от частоты (диаграмму Боде). Чаще всего используется при анализе работы фильтров, усилителей, а
также при анализе устойчивости систем с обратной связью.
При проведении этого анализа считается, что величина возмущения очень мала и нелинейность характеристик при таких малых возмущениях еще не проявляется. Поэтому для проведения этого анализа схема предварительно условно линеаризуется (пользователь этого не видит).
Нелинейные модели компонентов автоматически заменяются линейными моделями, параметры которых рассчитываются программой в зависимости от начального положения рабочей точки (режима по постоянному току). В
результате получается линейная малосигнальная схема замещения всего
устройства. Эта модель - «внутренняя», ни в какие окна она не выводится.
17
По постоянному току (DC Analysis)
DC Analysis – анализ передаточных функций эквивалентной схемы замещения для постоянных составляющих токов и напряжений.
Используется в основном для построения вольтамперных характеристик полупроводниковых и электронных приборов. В этом режиме к входам цепи подключаются один или два независимых источника постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в которую включен резистор. При выполнении расчета программа автоматически создает схему замещения — закорачивает индуктивности, исключает из схемы конденсаторы, а затем рассчитывает режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов. Например, при подключении одного источника постоянного напряжения можно построить график передаточной функции усилителя или вольтамперную характеристику диода,
а при подключении двух источников — семейство статических выходных характеристик транзистора.
Динамический анализ схем по постоянному току (Dynamic DC
Analysis)
Dynamic DC Analysis – динамический анализ эквивалентной схемы замещения для постоянных составляющих токов и напряжений. При выполнении этого вида анализа напряжения в узлах схемы, токи компонентов и состояния полупроводниковых приборов (ON, OFF, SAT, LIN,
и т.д.) выводятся непосредственно на схему устройства. Никаких графиков для этого режима не строится, поскольку не производится расчета каких-
либо зависимостей. При модификации схемы программа сразу же рассчитывает результат изменений. Используется для расчета рабочей точки усилителей, анализа режима работы стабилизаторов напряжения или тока и
т.п.
18
В этом режиме производится расчет установившегося режима работы схемы. Программа вычисляет, какие величины токов и напряжений установятся в схеме, когда все переходные процессы закончатся (т.е. в
момент времени, стремящейся к бесконечности). При этом принципиальная схема устройства условно подвергается определенной модификации:
удаляются все реактивные компоненты. Конденсаторы заменяются разрывом
(резисторами с бесконечным сопротивлением), индуктивности закорачиваются (заменяются резисторами с нулевым сопротивлением), а
источники переменных сигналов заменяются постоянными величинами
(постоянными составляющими этих сигналов, либо иными величинами,
заданными непосредственно в модели источника сигнала).
В этом режиме менять значения пассивных компонентов и значения источников постоянного тока или напряжения можно не только непосредственных их заданием в соответствующем окне, но и нажатием стрелок на клавиатуре (Т или 4) при выбранном компоненте. При этом номинальное значение выбранного компонента (выделяется на схеме цветом)
меняется в большую или меньшую сторону с заданным шагом (например, на
10% при каждом нажатии). Таким способом можно оценить влияние тех или иных компонентов на работу схемы или подобрать необходимый режим.
Кроме того, в этом режиме можно включить движки (слайдеры) для всех пассивных компонентов и перемещая их при помощи мыши также менять номинальные значения. В восьмой версии можно было включить слайдеры только сразу для всех пассивных компонентов. В девятой это можно сделать для любых выбранных пассивных компонентов и не только в этом режиме,
но и при проведении других видов анализа.
По переменному току (Dynamic АС Analysis)
Dynamic АС Analysis – динамический анализ малосигнальных передаточных функций в частотной области (динамический анализ
передаточных функций эквивалентной линеаризованной схемы замещения
19
для малых сигналов). Позволяет проводить расчет малосигнальных передаточных функций при ряде значений частот и изменении параметров схемы. Внешне анализ аналогичен динамическому анализу по постоянному току, но при его выполнении при изменении значений компонентов схемы
(R, L, С, Battery) в ее узлах динамически отображаются малосигнальные коэффициенты передачи по напряжению в разах (или децибелах) по отношению к входному узлу (узлу, к которому подключен источник сигнала). Также для динамического отображения малосигнальных характеристик может быть задан ряд частот и ряд температур.
Monte Carlo
Monte Carlo – это вид анализа, в ходе которого проводится серии вычислений для статистической обработки полученных результатов. При этом параметры компонентов схемы меняются по случайному закону в пределах заданного допуска. Таким образом исследуется влияние разброса параметров, который всегда существует у реальных компонентов, на характеристики схемы. Кроме этого анализ Монте-Карло предназначен для обнаружения сочетаний параметров компонентов схемы, при которых характеристики схемы выходят за заданные пределы. Все такие комбинация параметров записываются в файл числового вывода и в дальнейшем могут быть подробно проанализированы.
Поскольку при анализе Монте-Карло необходимо производить очень много вариантов расчетов с разными комбинациями параметров, он занимает весьма продолжительное время.
Stepping
В каждом из перечисленных выше основных видов анализа возможна организация серии расчетов при изменении одного или нескольких параметров компонентов. Этот режим анализа называется Stepping. Окно задания параметров степинга вызывается из основного окна параметров
анализа. Там задаются минимальные и максимальные значения изменяемого
20