39502

Разработка конструкции модуля внешнего интерфейса (МВИ)

Дипломная

Информатика, кибернетика и программирование

МВИ входит в состав индикатора вертолетного. МВИ предназначен для обеспечения связи индикатора с внешними устройствами. В проекте выполнено описание структурной схемы индикатора и его компоновка описание схемы электрической принципиальной модуля выбрана и описана конструкция модуля произведены расчёты механической прочности платы механических размерных цепей надёжности выполнен анализ течения воздушного потока в индикаторе. Описание структурной схемы индикатора [7] 4.

Русский

2013-10-04

4.09 MB

27 чел.

Реферат

Цель проекта – разработка конструкции модуля внешнего интерфейса (МВИ).

МВИ входит в состав индикатора вертолетного. МВИ предназначен для обеспечения связи индикатора с внешними устройствами. В проекте выполнено описание структурной схемы индикатора и его компоновка, описание схемы электрической принципиальной модуля, выбрана и описана конструкция модуля, произведены расчёты механической прочности платы, механических размерных цепей, надёжности, выполнен анализ течения воздушного потока в индикаторе. Разработан технологический процесс сборки печатной платы модуля.

Эффективность внедрения МВИ в производство оценивается в экономической части проекта. Также исследуются вопросы безопасности и экологичности разработки.

При разработке конструкции, анализе течения воздушного потока, а также для оформления графической части проекта были использованы такие пакеты прикладных программ конструкторского назначения как PCAD, AutoCAD и SolidWorks.

Объем пояснительной записки – 125 страниц. Количество таблиц – 15. Количество рисунков – 28. Количество источников в библиографическом списке – 21.

Индикатор вертолетный, конструкция МВИ, технологический процесс, течение воздушного потока, технико-экономическое обоснование, экологичность

The summary

The purpose of project- develop construction module of external interface (MEI).   

MEI enter in indicator's helicopteral structure. MEI designed to guarantee connection of indicator with external devices. In project is implemented description of  indicator's structural scheme and its design, description scheme electrical principled of module, select and descript construction of module, performed calculations board's mechanical strength, circuit and reliability, also implemented analysis of air flow in indicator. The technological process of assembly of printed circuit board module. 

The efficiency of introduction of a product in manufacture is estimated in an economic part of the project. Questions of safety and nature protection of development also are investigated.

The design function application package namely PCAD, AutoCAD, SolidWorks are used for development construction, analysis of air flow and mounting graphical part.

The volume of explanatory note is 125 pages. The number of tables is 15. The number of illustration is 28. The number of information sources is 21.

Helicopteral indicator, construction of MEI, technological process, air flow, technical and economic substantiation  study, ecological compatibility

Оглавление

[1] Список сокращений

[2] Введение

[3] 1. Технико-экономическое обоснование темы

[4] дипломного проекта

[5] 2. Анализ технического задания

[6] 3. Описание структурной схемы индикатора

[7] 4. Компоновка индикатора

[7.0.0.1] Исходя из условий эксплуатации индикатора вертолетного, выбор конструктива модуля сделан в пользу «Евромеханика» типоразмера 3U  ( смотри (см.) рис. 4.3):

[7.0.0.2] ограниченное место установки на объекте обуславливает необходимость минимизировать габаритные размеры устройства. Типоразмер 3U позволяет обеспечить минимальные размеры;

[8] 5. Описание электрической принципиальной схемы

[9] модуля внешнего интерфейса

[10] 6. Компоновка и трассировка модуля внешнего интерфейса

[11] 7. Выбор материалов, покрытий и элементов схемы

[12] модуля внешнего интерфейса

[13] 8. Анализ течения воздушного потока в индикаторе

[13.1] 8.1. Возможность решения задачи

[13.2] 8.2. Создание/модификация модели SolidWorks

[13.3] 8.3. Создание проекта

[13.4] 8.4. Задание граничных и начальных условий

[14] 9. Определение механической прочности платы

[15] модуля внешнего интерфейса

[15.1] 9.1. Расчёт частот собственных колебаний платы

[15.2] 9.2. Расчёт печатной платы на виброжёсткость

[15.3] 9.3. Расчёт печатной платы на вибропрочность

[16] 10. Расчет механических размерных цепей

[17] модуля внешнего интерфейса

[18] 11. Расчёт надёжности модуля внешнего интерфейса

[19] 12. Разработка технологического процесса сборки печатной

[20] платы модуля внешнего интерфейса

[21] 13. Экономическая часть

[21.1] 13.1. Ленточный график

[21.1.1] Определяется трудоемкость выполнения каждого этапа.

[21.2] 13.2. Составление сметы затрат на разработку

[21.2.1] 13.2.1 Материальные затраты

[21.2.2] 13.2.2 Затраты на оплату труда

[21.2.3] 13.2.3 Прочие затраты

[21.3] 13.3 Расчёт себестоимости опытного образца

[21.3.1] Затраты на сырье и основные материалы

[21.3.2] Затраты на покупные полуфабрикаты, комплектующие, используемые для изготовления данной продукции

[21.3.3]   

[21.3.4] Энергия для технологических целей

[21.3.5] Основная заработная плата основных производственных рабочих

[21.3.6] Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих

[21.3.7] Страховые взносы

[21.3.8] Расходы на содержание, эксплуатацию оборудования

[21.3.9] Общецеховые расходы

[21.3.10] Общезаводские расходы

[21.3.11] Прочие производственные расходы

[21.3.12] Внепроизводственные расходы

[21.4] 13.4 Расчёт цены научно-исследовательской работы

[21.5] 13.5 Расчет и выводы по эффективности предложений

[22] 14. Безопасность и экологичность проекта

[22.1] 14.1. Описание рабочего места, оборудования, выполняемых операций

[22.2] 14.2. Идентификация опасных и вредных

[22.3] производственных факторов

[22.3.1] 14.2.1.Освещенность рабочего места

[22.3.2] 14.2.2. Параметры микроклимата

[22.3.3] 14.2.3. Психофизиологические факторы

[22.3.4] 14.2.4. Химические факторы

[22.4] 14.3. Мероприятия по разработке безопасных условий

[22.5] труда на рабочем месте

[22.6] 14.4. Обеспечение электробезопасности на рабочем месте

[22.7] 14.5. Обеспечение пожарной безопасности на рабочем месте

[22.8] 14.6. Расчет параметров микроклимата

[22.9] 14.7. Экологичность проекта

[23] Заключение

[24] Библиографический список

[25] Приложение 1

[26]      PC-TRANS

[27]      PC-ROUTE

[28]      PC-PLACE

[29]      PC-NODES

[30]      SHEMATIC

Приложение 1. Технологический процесс сборки печатной платы МВИ...128

Приложение 2. Графический материал………………………………………153

Список сокращений

Сокращение

Расшифровка

БК

бытовой кондиционер

ВП

видеопроцессор

ЕСКД

единая система конструкторской документации

ЕСТД

единая система технологической документации

ЗМ

защитная маска

ИП

источник питания

КЕО

коэффициент естественной освещенности

КК

контроллер канала

КПД

коэффициент полезного действия

МВИ

модуль внешнего интерфейса

МИ

модуль индикации

МК

маркировочная композиция

МКИО

мультиплексный канал информационного обмена

МПП

многослойная печатная плата

НДС

налог на добавленную стоимость

НИР

научно-исследовательская работа

ОЗУ

оперативное запоминающее устройство

ПБФК

последовательный биполярный фазоманипулированный код

ПЗУ

постоянное запоминающее устройство

ПЛИС

программируемая логическая интегральная схема

ПП

печатная плата

ПЭВМ

персональная электронно-вычислительная машина

РЭА

радиоэлектронная аппаратура

РЭС

радиоэлектронное средство

САПР

система автоматизированного проектирования

см.

смотри

СОКВ

система охлаждения и кондиционирования воздуха

СУОТ

система управления охраной труда

т.д.

так далее

ТЗ

техническое задание

т.п.

тому подобное

ТПМ

технология поверхностного монтажа

ТУ

технологические условия

ТЭЗ

типовой элемент замены

ФТС

формирователь телевизионного сигнала

ЧПУ

числовое программное управление

ЭРИ

электрорадиоизделие

ЭРЭ

электрорадиоэлемент

Введение

В настоящее время ЭВМ, занявшие прочную позицию в нашей жизни, так же не обошли стороной и военную промышленность. К аппаратуре, используемой в военной промышленности, предъявляются жесткие требования по обеспечению надежности и работоспособности, так как отказ такой аппаратуры может повлечь за собой гибель людей.

Расширение масштабов применения современных электронных приборов и систем, повышение требований к их надежности и производительности, рост степени интеграции элементной базы и связанные с этим особенности приводят к возрастанию роли конструирования в процессе проектирования электронных приборов.

Конструирование электронных приборов - один из основных видов процесса проектирования, заключающийся в физическом воплощении принятых схемотехнических решений. От успешного решения задач конструирования зависят такие характеристики электронных устройств, как быстродействие, надежность, объем, масса, технологичность, удобство эксплуатации. Качество разработанной конструкции определяется степенью соответствия ее техническим требованиям. Неудачные конструкторские решения могут привести, например, к невозможности обеспечения работоспособности устройства из-за несоблюдения теплового режима.

Наиболее существенными, с точки зрения конструктора, тенденциями в развитии электронных приборов являются: рост сложности аппаратуры и плотности ее компоновки, повышение быстродействия элементной базы и уровня ее интеграции, увеличение выделяемой удельной мощности активных элементов. Поэтому конструирование должно обеспечить: уровни помех меньше допустимых, требуемую или максимальную надежность при минимальной или заданной стоимости, тепловые режимы конструкции, способность конструкции противостоять внешним воздействиям, а также ее высокую ремонтопригодность.

Высокая ремонтопригодность конструкции при многоуровневом принципе ее построения обеспечивается наличием в ее составе сменной единицы - типового элемента замены (ТЭЗ).

В рамках данного дипломного проекта, согласно техническому заданию (ТЗ), производится конструирование МВИ в структуре индикатора вертолётного. Такие этапы дипломного проекта, как размещение электрорадиоизделий, трассировка печатных проводников и подготовка некоторой части конструкторской документации, производились с использованием современных систем автоматизированного проектирования (САПР): SolidWorks2010 Premium, SolidWorks Flow Simulation 2010, PCAD2006 и АutoCAD2011.

1. Технико-экономическое обоснование темы

дипломного проекта

Тема данного дипломного проекта посвящена конструированию МВИ, который входит в состав индикатора вертолётного.

        Индикатор вертолётный является частью бортового оборудования и обеспечивает управление режимами работы комплекса бортовых систем и отображение информации, выдаваемой бортовыми системами и датчиками в виде, позволяющем экипажу осуществлять решение задач как в полете, так и при всех видах наземных подготовок. Индикатор устанавливается на вертолёты типа Ми-8, Ми-17, Ми-24, Ми-35М, которые широко используются для выполнения множества гражданских и военных задач.

Индикатор вертолетный предназначен для решения следующих целей:

  •  отображение параметров, формируемых подсистемами комплекса бортового оборудования, в зависимости от режима работы;
  •  отображение телевизионного или радиолокационного изображения от бортовых    систем;
  •  управление режимами индикации и бортовыми системами с помощью собственной клавиатуры;
  •  ступенчатую и плавную регулировку яркости;
  •  плавную регулировку яркости и контрастности телевизионного или радиолокационного изображения;
  •  хранение на время полета бортовой базы данных;
  •  обмен информацией с бортовым оборудованием по цифровым линиям связи;
  •  контроль собственной исправности.

Возможность технико-экономического обоснования перед началом конструирования основана на том, что технические и экономические показатели техники взаимосвязаны. В общем случае улучшение одного или нескольких технических параметров связано с изменением экономических показателей.

МВИ выполнен на единой конструктивно-технологической и элементных базах. Тем самым снижаются затраты на разработку конструкции.

Использование прогрессивной элементной базы в схемных решениях модуля и повышение его технологичности приводят к снижению  себестоимости, а повышение надежности, долговечности и ремонтопригодности модуля приводит к уменьшению издержек в эксплуатации, сокращает расходы на ремонт и убытки от простоев в ремонтах.

Для минимизации габаритных размеров модуль представляет собой многослойную печатную плату и имеет стандартный конструктив исполнения Евромеханика 3U с размером печатной платы 160х100мм, что позволяет снизить затраты на материалы.

Конструкция модуля обеспечивает компактность, высокую стойкость к механическим воздействиям, хорошую защиту от попадания пыли и жидкостей.

Вышеперечисленные преимущества МВИ доказывают целесообразность его конструирования по экономическим, техническим и эксплуатационным показателям.

2. Анализ технического задания

Конструируемый МВИ предназначен для работы в составе индикатора вертолётного и отвечает за организацию передачи данных индикатора с устройствами, использующими последовательный биполярный фазоманипулированный код (ПБФК).

 Индикатор предназначен для отображения на цветной жидко-кристаллической индикационной панели графической и телевизионной или радиолокационной информации, выдаваемой бортовыми системами и датчиками в виде, позволяющем экипажу осуществлять решение задач как в полете, так и при всех видах наземных подготовок и управления режимами работы комплекса бортовых систем с использованием многофункциональных кнопок кнопочного обрамления. Электропитание индикатора должно осуществляться от источника постоянного тока напряжением +27 В и мощностью потребления не более 50 Вт. Габаритные размеры индикатора 274,5х257х204 мм, масса не более 6 кг, разрешение не менее 1024 х768 пикселей.

МВИ  работает с ПБФК частотой 1 МГц  и длительностью импульса 500 нс. Взаимодействие модуля с подсистемой осуществляется через локальную шину Compact PCI (частота шины 33 МГц). МВИ должен иметь два резервных канала обмена и обеспечивать передачу со скоростью 1 Мбит/с.

На конструкцию МВИ  оказывают влияние различные факторы, такие как: минимизация массы, габаритов, стоимости, защиты от влияния различных дестабилизирующих факторов, высокой ремонтопригодности и технологичности и при всем этом приемлемой стоимости. Добиться всего этого можно лишь при использовании современных материалов, применении соответствующей элементной базы и попытке найти наиболее оптимальный вариант компоновки и трассировки печатной платы.  

Исходя из назначения, конструируемое устройство принадлежит к классу бортовой аппаратуры,  поэтому выполняем его в виде прямоугольного моноблока с размерами не более 170х100х22 мм и массой не более 0,5 кг.

Эксплуатация МВИ возможна при следующих параметрах окружающей среды: рабочей температуре от –40 до +55 0С, предельной температуре  от -50 до +70 0С,  атмосферном давлении от 710 до 780 мм. рт. ст., относительной влажности воздуха до 98% при температуре +35 0С  и вибронагрузке в наиболее опасном диапазоне  частот от 20 до 30 Гц включительно, с амплитудой виброускорения до 19,6 м/с2 (2g).  

Электропитание модуля должно осуществляться от источника постоянного тока напряжением +5 В и мощностью потребления не более 2,5 Вт.

Средняя наработка МВИ на отказ должна быть не менее 6000 часов, с вероятностью безотказной работы изделия Р не ниже 0.95, что будет достигаться за счет использования высоконадежной элементной базы.

Конструкция модуля и способ его крепления в корпусе должны обеспечивать легкую взаимозаменяемость, а также  удобство обслуживания и ремонта. МВИ должен удовлетворять требованиям инженерной эргономики, технике безопасности, технологичности, унификации и стандартизации.  

   

3. Описание структурной схемы индикатора

Индикатор содержит следующие функциональные узлы и платы:

  •  плату системную;
  •  малогабаритную встраиваемую ЭВМ (КРЕДО);
  •  МВИ;
  •  адаптер телевизионный;
  •  видеопроцессор (ВП);
  •  источник питания (ИП);
  •  модуль индикации (МИ), в состав которого входят клавиатура,    

жидко-кристаллическая индикационная панель и формирователь телевизионного сигнала (ФТС);

  •  вентилятор.

Структурная схема индикатора представлена в приложении 1.

Команда, которая выбрана кнопками клавиатуры индикатора, поступает на МВИ и КРЕДО, а от МВИ поступает по линиям связи МКИО на бортовые системы.

ВП формирует изображение в соответствии с инструкциями КРЕДО и вырабатывает сигналы согласно временной диаграмме, обеспечивающей сопряжение с жидко-кристаллической индикационной панелью.

Выходные сигналы ВП также поступают на  ФТС МИ, сигнал с выхода которого подаётся на выход индикатора (соединители ХР4, XW2).

В адаптер телевизионный через высокочастотные соединители XW1 и XW5 поступают входной телевизионный сигнал «S-Video» и сигнал «МЕТЕО». С адаптера телевизионного оцифрованный видеосигнал подается в ВП для обеспечения режима совмещения графического и телевизионного изображения.

В МИ установлен датчик температуры. При включении индикатора включаются встроенные в МИ нагревательные элементы. При достижении номинальной температуры жидко-кристаллической индикационной панели обогрев отключается. При повышении температуры включается вентилятор, при снижении температуры до номинального значения он отключается.

Плата системная индикатора представляет собой объединительную коммутационную плату с электрическими соединителями для установки электронных узлов индикатора. На плате реализованы все необходимые электрические связи, в том числе шина Compact PCI.

В качестве малогабаритной встраиваемой ЭВМ использован модуль КРЕДО. Модуль обладает всеми вычислительными особенностями IBM PC-совместимой архитектуры и предназначен для работы в качестве управляющего ядра.

Адаптер телевизионный предназначен для приема сигнала изображения аналогового вида и преобразования его в цифровую форму. На вход адаптера телевизионного  поступает полный телевизионный сигнал. Оцифрованный видеосигнал передается в ВП.

ВП обеспечивает формирование массива отображаемой информации в зависимости от режима работы индикатора в соответствии с принятой информацией от подсистем бортового оборудования и в соответствии с согласованным протоколом.

ИП обеспечивает низковольтными питающими напряжениями функциональные узлы и платы, входящие в индикатор.

Питание источника осуществляется от первичного напряжения электроснабжения вертолета +27 В (по двум каналам), +27 В – Обогрев, ~115 В 400 Гц и ~5, 5 В.

ИП вырабатывает вторичные напряжения:

  •  + (3,30,15) В с током нагрузки не более 6 А;
  •  + (50,25) В с током нагрузки не более 2,5 А;
  •  + (150,3) В с током нагрузки не более 0,3 А;
  •  минус (150,3) В с током нагрузки не более 0,1 А.

МИ выполнен на основе жидко-кристаллической индикационной панели и содержит ФТС, узел управления и коммутации панели,  клавиатуру.

ФТС обеспечивает возможность записи текущего вида индикации в реальном времени на видеомагнитофон.

МВИ предназначен для сопряжения индикатора с внешними системами с помощью последовательного биполярного фазоманипулированного кода по каналу МКИО с резервированием;

С ЭВМ МВИ взаимодействует по системной шине Compact PCI.

4. Компоновка индикатора

Компоновка — одна из наиболее сложных и ответственных задач конструирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Ручной процесс компоновки отнимает много времени, так как приходится рассматривать несколько возможных вариантов и выбирать оптимальный для заданных условий применения РЭА и процесса производства. Производя компоновку, конструктор должен учесть состав элементной базы, удобство эксплуатации, обеспечить высокую ремонтопригодность и предусмотреть мероприятия по защите РЭА от внешних воздействий и внутренних дестабилизирующих факторов [12].

Компоновка позволяет произвести оценку электромагнитных и тепловых связей, рассчитать кинематические связи, оценить основные конструкторско-технологические решения и рассчитать основные показатели качества конструкции. На стадии компоновки удается решать такие важные вопросы, как совместимость РЭА с объектом и оператором, определить форму будущего изделия и правильность размещения органов регулировки, индикации и контроля.

Под компоновкой блока понимают взаимное расположение и ориентацию ячеек или других конструктивных элементов (элементы электрической коммутации, электромеханические элементы и другие) в заданном объеме блока. Блоки микроэлектронной аппаратуры строятся на ячейках или кассетах. В настоящее время наибольшее распространение получили блоки разъемной или книжной конструкции. Нормативно-технические документы регламентируют выбор несущих конструкций блоков в зависимости от типа носителя и условий эксплуатации.

Выбор того или иного варианта конструкции должен осуществляться, исходя из технических требований и условий производства. Учитывая это условие, рекомендуется применять однотипные конструкции ячеек, элементы несущих конструкций, электрические соединители, элементы крепления и фиксации.  

Корпус индикатора вертолетного был разработан в соответствии с его ТЗ, обеспечением габаритно присоединительных размеров. Индикатор устанавливается в кабине вертолета на приборной доске с помощью четырёх винтов. Сборочный чертёж индикатора приведен в приложении 1. Корпус индикатора вертолетного показан на рис. 4.1.

                 

Рис. 4.1. Корпус индикатора вертолетного

Индикатор представляет собой моноблок. Габаритные размеры индикатора 274,5х257х204  мм. Конструктив индикатора представляет собой корпус из алюминиевых сплавов. Применение алюминиевых деформируемых сплавов (АМц, АМг6, Д16) для корпусных деталей уменьшает массу блока. Наружная поверхность корпуса покрыта чёрной матовой высокотемпературной эмалью с высокой адгезией, механической прочностью и высокой теплоотдачей. Передняя панель индикатора изображена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Передняя панель индикатора вертолетного

Модули КРЕДО, МВИ, адаптер телевизионный, видеопроцессор  конструктивно представляют собой многослойные печатные платы с размерами 100х160х20 мм (3U). Для изготовления многослойных печатных плат применяется фольгированный стеклотекстолит. Этот материал выдерживает предельно допустимые рабочие температуры от -60 до +105 градусов Цельсия. Материал можно обтачивать, фрезеровать, распиливать и сверлить. При соблюдении техники обработки фольгированный стеклотекстолит не получит трещин и сколов.

Исходя из условий эксплуатации индикатора вертолетного, выбор конструктива модуля сделан в пользу «Евромеханика» типоразмера 3U  ( смотри (см.) рис. 4.3):

  •  ограниченное место установки на объекте обуславливает необходимость минимизировать габаритные размеры устройства. Типоразмер 3U позволяет обеспечить минимальные размеры;
  •  типоразмер 3U применяется для изделий, работающих при очень высоких механических нагрузках;
  •  выбранный конструктив с корпусом из алюминиевых сплавов позволит обеспечить необходимые показатели электромагнитной совместимости.

Рис. 4.3. Модуль типоразмера 3U без элементов (вид сверху)

Конструктив индикатора вертолетного предназначен для работы с принудительной вентиляцией, осуществляемой с помощью вентилятора, расположенного на нижней крышке индикатора. Вентилятор обеспечивает номинальную температуру для оптимальной работы модулей, создавая поток воздуха. На крышках выполнен ряд отверстий для обеспечения вентиляции блока.

 Все электрические связи между модулями осуществляются через системную плату. Системная плата представляет собой объединительную коммутационную плату с электрическими соединителями для установки электронных узлов индикатора. На плате реализована шина Compact PCI.

Каркас   является   основным   силовым   элементом   корпуса индикатора. Каркас блока состоит из пластин, соединённых между собой винтами.   В передней части индикатора укреплён модуль индикации. За модулем индикации во внутренней части расположена системная плата с установленными на ней благодаря специальным разъёмам модулями. Модули устанавливаются с задней части каркаса по направляющим планкам. Направляющие планки снабжены специальными прорезиненными шайбами, которые осуществляют дополнительную фиксацию модулей внутри индикатора. Чертёж направляющей планки индикатора представлен в приложении 1. МВИ расположен в боковой части индикатора. Для связи с внешними устройствами предназначены соединители, размещённые на задней панели. Расположение модулей и размещение соединителей индикатора приведены на рис. 4.4.

 

Рис. 4.4. Расположение модулей и размещение

соединителей индикатора вертолетного

 По бокам и на задней части каркаса на винтах установлены крышки. Конструкция индикатора вертолетного обеспечивает взаимозаменяемость однотипных конструктивно-сменных единиц без дополнительных регулировок путём их замены через съёмную крышку корпуса.

На задней крышке вверху установлена клемма для подсоединения заземления. Внизу – планка фирменная с заводским номером.

Внешний вид индикатора спереди и сзади приведен на рис. 4.5 и рис. 4.6.

 

                                                                                                 

1 - клавиатура, 2 - жидко-кристаллическая

индикационная панель, 3 - энкодеры, 4 - светодиод,

5 - переключатель «День-Ночь-Выкл»

Рис. 4.5. Внешний вид индикатора спереди

По периметру цветного жидкокристаллического экрана индикатора на кнопочном обрамлении расположено 20 кнопок и четыре ручки ручной регулировки. Эти органы управления используются как для управления самим индикатором, так и для управления бортовым оборудованием вертолета.

1 - МВИ, 2 - КРЕДО, 3 - видеопроцессор , 4 - адаптер телевизионный,

5 - источник питания, 6 - заглушка, 7 - вентилятор

Рис. 4.6.  Внешний вид индикатора сзади

На обрамлении индикатора размещены следующие органы управления:

  •  переключатель «ДЕНЬ-НОЧЬ-ВЫКЛ», осуществляющий выключение питания индикатора и выбор режима подсвета. Рабочим (постоянным) положением переключателя "ДЕНЬ-НОЧЬ-ВЫКЛ" является "НОЧЬ" или "ДЕНЬ". Положение "ВЫКЛ" необходимо использовать для экстренного отключения индикатора или его перезапуска. При выключении и включении комплекса не требуется установка переключателя «ДЕНЬ-НОЧЬ-ВЫКЛ» в положение "ВЫКЛ".

  •   регулятор в правом нижнем углу, обозначенный символом «☼», предназначен для регулировки яркости подсвета жидко-кристаллической панели;
  •  регулятор, обозначенный символом «    » в левом верхнем углу, предназначен для регулировки контрастности телевизионного изображения;
  •  регулятор, обозначенный символом TV в левом нижнем углу, предназначен для регулировки яркости телевизионного изображения.

Данное техническое решение позволяет получить следующие преимущества:

  •  позволяет свести к минимуму объемный (жгутовой) монтаж;
  •  повышает качество и надежность;
  •  упрощает операции контроля;
  •  снижает массу изделия;
  •  снижает материалоемкость;
  •  обеспечивает идентичность электромонтажа.

5. Описание электрической принципиальной схемы

модуля внешнего интерфейса

МВИ предназначен для преобразования разовых команд, приходящих с панели управления индикатора в команды в виде последовательного биполярного фазоманипулированного кода, которые по магистральной линии передач информации поступают на внешние устройства.

При разработке принципиальной электрической схемы данного модуля  были применены программируемые логико-интегральные схемы (ПЛИС). Они позволили значительно уменьшить габариты электрической схемы модуля, заметно облегчили процесс поиска оптимального варианта разводки печатной платы, при заданных габаритах модуля уменьшили количество слоев печатной платы и при заданном объеме выпуска снизили себестоимость изделия. Электрическая принципиальная  схема МВИ представлена в приложении 1. Конечно, применение ПЛИС компонентов можно исключить, заменив их специальными контроллерами с жесткозаданными параметрами выводов, но их применение целесообразно лишь при крупносерийном и массовом производстве.

Перед применением МВИ индикатора вертолетного микросхему EP1K100FI484-2, выполненную в корпусах FPGA, необходимо запрограммировать, что осуществляется с помощью конфигурационного постоянного запоминающего устройства (ПЗУ): микросхемы DD7 EPC2LI20 фирмы "Altera", содержащей код программы.  

Конфигурационое ПЗУ, в свою очередь, перед началом работы необходимо запрограммировать. Программа заносится в ячейки ПЗУ при помощи адресных команд, поступающих в модуль по линиям связи из ПЭВМ КРЕДО через разъём XP2. ПЗУ выполнены на микросхемах DD3, DD4 IDT71256SA- 15YI фирмы "IDT".  

Микросхемы памяти могут находиться в «третьем состоянии», то есть в состоянии «отключено», в котором ток выходных цепей пренебрежимо мал. В это состояние элемент переводится специальным управляющим сигналом, обеспечивающим запертое состояние транзисторов выходного каскада. Сигнал управления переходом в третье состояние обозначен как OE (Output Enable). При наличии разрешения (OE = 1) ОЗУ работает как обычно, а при его отсутствии (OE=0) переходит в состояние «отключено». Управление переходом в «третье состояние» осуществляется контроллером протокола МКИО.

Программирование ПЗУ осуществляется при помощи четырёх сигналов: TCK, TMS, TDI, TDO, где:

TCK – сигнал тактовой частоты;

TMS – «адресный» сигнал. Данный сигнал определяет, какие участки кода предназначены для конкретных логических блоков и логических ячеек;

TDI – сигнал данных. С помощью этого сигнала передаётся код программы;

TDO – ответный сигнал, который предназначен для сигнализации об успешном или неуспешном завершении программирования.

Взаимодействие конфигуратора, ПЭВМ и обеих микросхем осуществляется по схеме, представленной на рис. 5.1:

Рис. 5.1. Программирование ПЗУ и ПЛИС синхронизатора

Сигналы TCK, TMS, TDI, TDO поступают на вход микросхемы DD7. Микросхема DD7 формирует сигналы для программирования ПЗУ: сигналы DATA, NSTATUS и другие, которые поступают на вход микросхемы DD1 EP1K100F1484-2 фирмы "Altera".  Eсли сигнал NSTATUS = "1", то есть программирование не запрещено, то оно выполняется с помощью сигнала DATA. Со стороны FPGA можно разрешить перепрограммирование микросхемы, установив сигнал CONF_DONE в «0».  Эти сигналы в виде параллельного кода RAM0-RAM14 поступают на входы ПЗУ микросхем DD3, DD4 и осуществляют "прошивку" программ. После завершения программирования ПЗУ МВИ готов к приёму и обработке разовых команд.

Разовые команды поступают на вход модуля через разъём XS1.3 в виде сигналов RKIN1-RKIN8, которые через диодную матрицу VD3 поступают на вход микросхем DA1, DA2 CMP402GS фирмы "Analog", которые выполняют функцию компараторов, т.е. из разовых команд формируют импульсные сигналы  RK_IN1-RK_IN8. Эти команды поступают на входы микросхемы DD1.2.  

Одновременно из ПЭВМ КРЕДО через разъём XS1.1 поступают в виде параллельного кода адреса AD[0]-AD[31], которые через согласующие резисторы резистивных сборок DR1-DR13 проходят на входы микросхемы DD1.1. По этим адресам производится "считывание" запрограммированных команд из ПЗУ, которые в микросхеме DD1 обрабатываются и преобразовываются в последовательные биполярные фазоманипулированные коды.

Считывание выходной информации с ячеек памяти микросхемы DD1 производится с тактовой частотой 1МГц, которую формирует микросхема DD2 SG-8002JF-1MHz-HCM фирмы "Epson", которая является кварцевым генератором. Основные характеристики этого генератора — низкое питающее напряжение, малые габариты и низкое энергопотребление. Отечественные аналоги с такими же характеристиками больше в размерах и выше в цене.

Выходная информация с микросхемы DD1 поступает на вход микросхем DD9.1-DD9.2 и DD10.1-DD10.2 HI-1567PSI фирмы "Holt". Данные микросхемы являются приёмо-передатчиками. Эти микросхемы обеспечивают минимальное потребление энергии МВИ в целом. Отечественных аналогов не имеют. Внутренняя структура приёмопередатчика представлена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Структура приёмо-передатчика

Приём информации TX0_1-TX0_4 приёмопередатчиком осуществляется по командам "приём" RXEN_1-RXEN_4. Передача информации осуществляется по командам "передача" TXEN_1-TXEN_4.

С выходов микросхем DD9.1-DD9.4 и DD10.1-DD10.4 информация в виде последовательного биполярного фазоманипулированного кода через согласующие трансформаторы TV1-TV4 SFUB2745L с коэффициентом трансформации 1:2,5 и согласующие резисторы R8-R55 поступают в разъём XS1.3: MK1-AMK2R-B, и далее через магистральные шины- к внешним устройствам.

Магистральная шина должна быть выполнена из кабеля с витой экранированной парой проводов в защитной оболочке, к которым с обоих концов кабеля должны быть подключены согласующие резисторы. Экран должен быть равномерно распределён по всей длине кабеля. Согласующие резисторы шины имеют сопротивление равное номинальному значению. волнового сопротивления кабеля шины с относительной погрешностью 2%. Кабель шины должен иметь номинальное значение волнового сопротивления при измерении на синусоидальном токе частотой 1 МГц от 70 до 85 Ом.  

Применение согласующих трансформаторов TV1-TV4 позволило обеспечить гальваническую развязку выходов микросхем DD9, DD10 с внешними устройствами.

МВИ также осуществляет контроль достоверности выходной информации. Контроль производится в микросхеме DD1 по специальному алгоритму контроля. Результаты контроля выдаются командами RKOUT1-RKOUT8, которые через транзисторы VT1-VT8 подаются на выход модуля через разъём XS1.3. Эта информация о нормальной работе модуля поступает в ПЭВМ КРЕДО.

В модуле применены импортные керамические и танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа. Применение импортных элементов обусловлено более высокими показателями (электрических характеристик и надёжности), меньшими габаритами по сравнению с отечественными аналогами. Резисторы для поверхностного монтажа импортного производства имеют больший ряд номиналов, типоразмеров. Отечественные элементы с такими же электрическими характеристиками больше габаритами.

Светодиоды VD1 и VD2 предназначены для индикации работоспособности каналов интерфейсного модуля.

Реализация в схеме перемычек необходима для настройки работоспособности модуля.

Для нормальной работы применяемых в  модуле микросхем необходимы питающие напряжения различных номиналов. Схема питания элементов модуля функционально состоит из двух преобразователей напряжения: DA3 MAX1831EEE фирмы "Maxim", DA4 LP3965ET ADJ фирмы "National Semiconductor"  и управляющего транзистора, которые обеспечивают преобразование напряжения из 5В в 2,5 и 3,3В.  Для получения напряжения 3,3В, необходимого для питания периферии микросхемы EP1K100, входное напряжение 5В подаётся на вход импульсного преобразователя напряжения фирмы «Maxim», и через резистор на управляющий транзистор, который «следит» за точным уровнем выходного напряжения. Вход микросхемы LP3965ET ADJ фирмы «National Semiconductor» составляет от 3,3В до 5В. На выходе преобразователя получаем напряжение 2,5В. Основная особенность этих микросхем питания: низкое энергопотребление и они размещаются в миниатюрных корпусах. Реализация на отечественной элементной базе приведет к увеличению габаритных размеров микросхем и резкому увеличению энергопотребления.

Для фильтрации входного питающего напряжения используется малогабаритный, поверхностного монтажа дроссель типа – IHSM–4825–18uH±15%. Отечественный аналог с такими размерами не существует, а выполнение схемы на отечественных элементах привело бы к увеличению габаритных размеров и невыполнению требований задания на дипломное проектирование.

Резисторы R84 и R85 устанавливают выходное сопротивление для получения значения напряжения на выходе стабилизатора.

Питание подводится к модулю через кроссплату, модуль стыкуется с ней разъемным способом при помощи розетки Har-Bus HM 17 26 220 2102. Основные электрические параметры — предельный ток до 5А, предельное напряжение до 1000В и сопротивлением изоляции не менее 1012 Ом. Отечественные межплатные соединители с такими же электрическими параметрами больше в размерах и меньше по количеству контактов.

Разрабатывая алгоритмы функционирования модуля необходимо учитывать особенности его работы в различных режимах.

МВИ осуществляет контроль достоверности выходной информации. Он производится в микросхеме DD1, в которой реализован ряд контроллеров. Основной задачей контроллера канала (КК) является инициализация передач информации в канале и контроль их прохождения. В связи с этим КК должен иметь возможность считывать необходимую информацию из подсистемы, передавать её в мультиплексный канал и наблюдать за сообщениями, передаваемыми оконечными устройствами. В зависимости от необходимости КК может осуществлять контроль поступающих сообщений с различной глубиной и использовать различные способы восстановления связи при обнаружении сбоев. Это, например, повторная инициализация, которая используется для устранения наиболее частых сбоев случайного характера. При обнаружении повторных сбоев управление передаётся программе процессора подсистемы, что осуществляется через прерывание.

6. Компоновка и трассировка модуля внешнего интерфейса

В настоящее время без применения средств автоматизированного проектирования РЭА обойтись практически невозможно. Применение специальных пакетов прикладных программ позволяет значительно облегчить труд конструктора и многократно сократить время проектирования.

Проектируемая печатная плата МВИ является достаточно сложной, поэтому целесообразно её проектировать в системе автоматизированного проектирования P-CAD 2006 [16, 19] .

Интегрированная САПР PCAD – это наиболее популярная система автоматизированного проектирования и подготовки производства печатных плат, начиная от создания схемы электрической принципиальной и заканчивая выводом конструкторской и технологической документации на печатную плату и формированием управляющих программ для станков с  числовым программным управлением (ЧПУ) и фотокоординатографов. Популярность системы  заключается в сочетании нескольких ее качеств: доступности и относительно низкой цены, удобного меню пользователя, высокого уровня интегрированности и легкой настройки на различные уровни автоматизации производства от практически полной автоматики до ручного проведения соединений между элементами.

Возможности САПР PCAD:

  •  проектирование печатных плат (ПП) размером до 1524×1524 мм;
  •  размещение до 1300 компонентов;
  •  проведение до 2500 связей между элементами в 32 слоях;
  •  поворот элементов на любой угол;
  •  задание размеров контактных площадок и толщин проводников с точностью до 1 мкм;
  •  задание шага координатной сетки;
  •  оформление конструкторской документации;
  •  подготовка технологических файлов для изготовления радиоэлектронных средств.

Данная система адаптирована для работы в операционной системе Windows и позволяет использовать различные ее возможности.  Используя P-CAD, мы работаем с несколькими модулями, построенными по единому образу, но решающими различные задачи, это значительно упрощает изучение системы и работу с ней.           

Начинаем с того, что с помощью графического редактора Schematic Editor создаем графическое описание схемы электрической принципиальной. Для этого выбираем команду ENTR/COMP. На запрос об имени файла нажимаем клавишу F1 и выбираем нужный элемент в списке схемной библиотеки элементов. В строке параметров и состояния проверяем ориентацию элемента. Устанавливаем курсор в поле рисования. Вокруг курсора размещается прямоугольник, определяющий размеры библиотечного элемента. Выбираем команду ENTR/COMP и масштабируем библиотечный элемент. Задаем именные и безымянные цепи. Задаем и обрисовываем шины. В результате проделанной работы получаем  схему электрическую принципиальную.

Затем мы запускаем PCB редактор и выполняем его настройку: при помощи команды Options/Configure выбираем метрическую систему координат, указываем размер рабочей области в графе Workspace Size. После на закладке Route в графе Orthogonal Modes включаем все режимы, с помощью команд Place/Component и команд Load NetList подключаем все используемые библиотеки и загружаем электрические соединения между элементами.   

После этого на экране монитора в выбранной нами рабочей области мы увидим контуры электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и  связи между ними, вместе с ними формируется файл, в который записываются возникшие при загрузке предупреждения (если таковые имеются), если же в схеме были допущены какие либо ошибки, загрузка файла соединений не произойдет.  

Затем в слое Board (слой  Board выбирается из списка Select Layers) мы задаем контур будущей ПП с размерами, учитывающими габариты модуля, за пределы которых мы не можем выйти ни при каких условиях. После этого в заданном контуре мы стараемся разместить элементы (их можно перемещать в любом направлении в пределах рабочего поля, а также вращать их вокруг своей оси) таким образом, чтобы суммарная длина соединений между ними была минимальной. Эту задачу нам помогает решить команда Utils/Optimise Nets. При помощи этой команды можно осуществлять перестановку логически эквивалентных секций и выводов элементов, не нарушая работы схемы. Однако при всем этом надо учитывать тепловой режим элементов, их электромагнитную совместимость, вес и даже количество выводов элементов [9]. Поэтому к данному этапу надо подойти очень ответственно, ведь именно от него зависит, будет ли обладать наш модуль заданными характеристиками или нет.

После того как задача размещения элементов решена, можно приступать к трассировке печатных проводников. Эту задачу значительно облегчает наличие автоматических трассировщиков, работающих как в ручном, так и в автоматизированном режимах. После выбора команды Route/Autorouters в открывшемся окне выбираем трассировщик Shape Route. После выбора трассировщика нам необходимо задать стратегию его работы.  Настроить трассировщик нам помогает команда Options/Autorouter. В появившемся окне на закладке Routing Passes и Manufacturing Passes задаем тип трассировки. При помощи команды Routed Corners выбираем угол изгиба трасс. Затем в поле Router Direction на закладке Parameters задаем ориентацию трасс для слоев ПП, а на закладке Testpoints устанавливаем приоритет различных контрольных точек на ПП. После того как все параметры выставлены, иными словами задана стратегия трассировщика, можно приступать к трассировке. В целях сокращения времени мы будем пользоваться автоматической трассировкой. Для этого выбираем команду Tools/Autorouter. После окончания трассировки можно, уже в ручном режиме с помощью команды Tools/Manual Route, изменить полученный рисунок проводников. При повторном выборе команды Start Autorouter мы получим другой вариант рисунка проводников. Количество вариантов велико, наша задача выбрать наиболее подходящий и, внеся свои корректировки, получаем конечный вариант.    

Конечным результатом работы в САПР должен стать выпуск набора конструкторской документации, а именно чертежей трассировки ПП, сборочного чертежа печатного узла, схемы электрической принципиальной. Для этого запускаем программу PC-TRANS и делаем преобразование файлов печатной платы из расширения *.PCB в расширение *.DXF. Затем, используя программу Auto CAD 2011 [7, 15], создаем чертежи слоев печатной платы и печатного узла. Полученные чертежи с расширением *.DXF редактируем и выводим для печати на принтер. Трассировка ПП МВИ и сборочный чертёж ПП МВИ представлены в приложении 1.

Упрощенная схема реализации проектирования ПП приведена на рис. 6.1.     

                        

              Этапы реализации проектирования ПП

                                                                                            СХЕМНАЯ

                                                                                         БИБЛИОТЕКА

                                                                                             * . SYM

                                                                  * . SCH            

  

                                                                 * . NLT                       

                                                                  * . PLC

                                                                  * . PCB

 

                                                                 * . DXF

 

                                                                

                              

                              ЧЕРТЕЖИ

Рис. 6.1. Реализация проектирования ПП

Основной деталью МВИ является многослойная печатная плата (МПП). Это многослойная, специальная печатная плата, с дополнительными металлическими теплопроводящими слоями и краевой металлизацией («краевыми теплостоками»). Теплопроводящие слои имеют тепловой контакт с корпусами компонентов и отводят от них тепло на металлизированные края платы и далее  на массивный корпус, охлаждаемый снаружи естественным теплообменом со средой. Также для охлаждения применяется вентилятор, расположенный в задней части индикатора вертолетного. Применение именно этого типа печатных плат обуславливается их высокими коммутационными свойствами, которые необходимы в нашем случае, так как схема электрическая принципиальная модуля достаточно сложна. Также такие платы обладают высокой помехозащищенностью электрических цепей, что также немаловажно при работе цифрового устройства.

Метод конструирования печатной платы принимаем автоматизированный.

Плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79, группа жесткости 3.

Разрабатываемая МПП будет выполнена по 5 классу точности по ГОСТ 23751-86 в связи со сложностью соединений элементов. Применение этого класса точности требует применения специальных материалов, оборудования, особых условий для изготовления. В связи с этим для изготовления ПП будут использованы материалы на основе стеклотекстолита, стеклоткани.

ЭРЭ на ПП размещаем с учетом конструктивных особенностей печатного узла и устройства в целом.

При размещении ЭРЭ необходимо предусматривать:

  •  обеспечение наиболее простой трассировки;
  •  исключение взаимного влияния на электрические параметры;
  •  обеспечение технологических требований, предъявляемых к аппаратуре (автоматическую сборку, пайку, контроль);
  •  обеспечение высокой надежности, малых габаритных размеров и массы, быстродействия, теплоотвода, ремонтопригодности.

С целью максимального использования физического объема конструкции и управления ее изготовлением для разрабатываемой печатной платы принимаем прямоугольную форму.

Размеры ПП принимаем равными 160×100 мм, что соответствует требованиям формата «Евромеханика 3U».

Предельные отклонения на сопрягаемые размеры контуры ПП устанавливаем по 12 квалитету, предельные отклонения на несопрягаемые размеры – по 14 квалитету (согласно ГОСТ 25347-82).

Для вычерчивания взаимного расположения печатных проводников, печатных элементов, контактных площадок, монтажных и контактных отверстий и т.д. используем координатную сетку в прямоугольной системе координат. Шаг основной координатной сетки составляет 1,25 мм. Начало координат установим в левом нижнем углу платы.

Все отверстия располагаем в узлах координатной сетки. В том случае, если шаг расположения выводов микросхем не соответствует шагу координатной сетки, то первый вывод микросхемы располагаем в узле координатной сетки.

Для правильной ориентации микросхем при их установке на печатную плату на последней предусматриваем “ключи” (небольшие металлические области в виде линий), определяющие положение первого вывода микросхемы.

В связи с требованием обеспечения заданных в техническом задании требований по массогабаритным показателям и показателям надежности в качестве выбранного исполнения элементной базы принят поверхностный (безвыводный) монтаж ЭРЭ.

Технология поверхностного монтажа (ТПМ) компонентов есть современное направление в технологии производства электронных средств, которое обеспечивает микроминиатюризацию аппаратуры при одновременном росте ее функциональной сложности, что как нельзя лучше подходит к нашему случаю.

Основной предпосылкой появления ТПМ явилась новая элементная база – компоненты для поверхностного монтажа. Вместо длинных выводов они имеют очень короткие (жесткие) выводы – внешние контактные площадки. Такие компоненты непосредственно закрепляются на верхней или нижней, или на обеих сторонах печатной платы.

При проведении печатных проводников нужно стараться избегать резких перегибов и острых углов. Проводники проводятся по координатной сетке. Возможно располагать печатный проводник под углом к координатной сетке кратным 15˚.

Печатные проводники по возможности выполняем минимально короткими. При изготовлении особо длинных печатных проводников (длиной более 200 мм) целесообразно предусматривать дополнительные монтажные площадки и отверстия.

Прокладку рядом входных и выходных печатных проводников схемы, одного печатного проводника параллельного другому, аналогичному, на той или иной стороне платы не производим во избежание паразитных наводок.

Маркировку на ПП наносим в соответствии с ГОСТ 2.314. По ГОСТ маркировка делится на основную и дополнительную.

При разбиении принципиальной электрической схемы по слоям будем стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется чисто экономическими соображениями. Каждый слой должен нести определенную функциональную нагрузку (например, слой цепей питания, слой сигнальных цепей и т.д.). Стоимость многослойной печатной платы от увеличения числа слоев находиться не в прямой пропорциональной зависимости. Например, стоимости пяти- и десятислойных печатных плат, изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, отличаются на 30-40%.

7. Выбор материалов, покрытий и элементов схемы

модуля внешнего интерфейса

Выбор материалов, покрытий и элементов схемы является важным этапом конструирования РЭС. Именно от выбора материалов в дальнейшем будет зависеть соответствие нашего изделия своему функциональному назначению и удовлетворению требованиям, представленным в ТЗ [2, 5].

При выборе материалов будем учитывать следующие факторы:        

  •  материал является основой конструкции, а, значит, определяет способность изделия выполнять рабочие функции;  
  •  материал определяет технологические характеристики изделия, поэтому следует выбирать тот материал, который допускает обработку наиболее прогрессивными методами;
  •  от свойств материала зависит точность изготовления деталей;  
  •  материал влияет на массу, габариты и цену изделия;
  •  материал влияет на эксплутационные характеристики изделия: на её надежность, технологичность и долговечность.

При выборе покрытий будем учитывать следующее:

  •  условия эксплуатации изделия согласно ГОСТ 9.104-78, ГОСТ 9.032-74;
  •  диапазон рабочих температур покрытия;
  •  режим сушки покрытия;
  •  механические характеристики покрытия;
  •  класс покрытия;
  •  электроизоляционные характеристики покрытия;
  •  устойчивость к воздействию плесневых грибов, растворителей и моющих средств.

Материалы и покрытия, применяемые для изготовления МВИ, должны быть выбраны исходя из назначения и условий эксплуатации изделия, и соответствовать требованиям, указанным в стандартах или технических условиях на них.

В качестве материала для изготовления печатной платы выбираем двухсторонний фольгированный стеклотекстолит марки FR-4 фирмы Isola. Отечественный материал уступает зарубежному по таким важным  показателям, как сопротивление  изоляции,  стойкость к расплавленному припою, удельное поверхностное электрическое сопротивление, а также и по объемным показателям - водопоглощению и объемному удельному  электрическому  сопротивлению.

Стеклотекстолит FR-4  представляет собой слоистый пластик, состоящий из стеклоткани, пропитанный фенолформальдегидной смолой. Этот материал имеет широкий диапазон рабочих температур (-60…+105 ºС), низкое водопоглощение (0,2…0,8 %), малый тангенс угла диэлектрических потерь (не более 0,03), высокое значение объемного и поверхностного сопротивления (-1010…1011 Ом), стоек к короблению (позволяет вести автоматизированную сборку печатного узла), поддаётся всем видам обработки и склеиванию.

Для обеспечения стабильности электрических, механических и других параметров ПП применим покрытия. Конструктивное металлическое покрытие выберем Хим. М. М., химическое никелирование, иммерсионное золото 0,2 мкм (Ni5, Au0,2), кроме отверстий диаметром 0,6±0,05 мм – их покрываем ГорПос61. В качестве неметаллического конструктивного покрытия (защитной маски) используем Imagecure XV501T фирмы Goates по золоту, допускается нанесение защитной маски по меди. Ее введение обусловлено необходимостью защиты печатных проводников и поверхности основания ПП от воздействия припоя и элементов проводящего рисунка от замыкания ЭРЭ и других конструкционных элементов. Защитная маска не должна закрывать фиксирующие, крепежные и монтажные отверстия, контактные площадки и другие конструктивные элементы, предназначенные для подключения или подпайки ЭРЭ. От покрытия защитной маской предохраним монтажные отверстия с зазором 0.5 мм, а контактные площадки и переходные отверстия  диаметром более 0.3 мм.

Для защиты поверхности печатной платы  от  воздействия  технологических факторов  при  изготовлении платы применяется защитная маска   термо и влагостойкая  электроизоляционная  полимерная пленка. Основные функции защитной маски (ЗМ) следующие:

  •  предохранение поверхности ПП от пыли, агрессивных химических и биологических сред;
  •  диэлектрическая изоляция печатных проводников от короткого  замыкания  при установке электрорадиоэлементов вплотную к поверхности ПП (без зазора)  и  предотвращение  образования  электрических  мостиков     между проводниками;
  •  предохранение от загрязнения пространства  между  отдельными  печатными проводниками.

В качестве материала защитной маски выбираем фотоструктурируемую  ЗМ  водощелочного  травления Image cure XV 501 TSM.

В зависимости  от способа сборки печатного узла (ручной или автоматический) ЗМ можно наносить либо по меди, либо по покрытию, защищающему медь от окисления (олово-свинец, золото).

Для облегчения условий сборки изделия, а также  для  нанесения на  поверхность ПП информации  о  заводском  номере, наименовании изделия и  т. д. используются специальные маркировочные композиции (МК).

Применяемые для  маркирования  РЭС  МК  представляют  собой лакокрасочные   материалы,  состоящие  из  пленкообразователей,  пигментов, наполнителей, органических растворителей и  различных добавок. Выбор маркировочных композиций зависит от методов маркирования и сушки, условий производства и эксплуатации изделия.

Маркировку электрорадиоизделий (ЭРИ), необходимую для упрощения процесса сборки и контроля, будем производить методом сеткографии краской трафаретной для невпитывающих поверхностей  45971-84.Т2 ТУ-29-02-889-93, изм.1, как материал - заменитель выбираем краску XZ-81 фирмы "Goates", которая обладает лучшей адгезией к материалу и покрытия платы, и, следовательно, допускает возможность наносить маркировку более мелким шрифтом.

Маркировать дату изготовления краской МКЭ по ОСТ107.9.4003-96.Т2 или ЭП-572 белой.Т2 ТУ6-10-1539-76.

Для защиты от влаги и опасных механических повреждений печатные узлы покрываем лаком УР-231 ТУ 6-21-14-90. Лак УР-231 устойчив к периодическому воздействию минерального масла, бензина, влаги, обладает электроизоляционными свойствами и имеет широкий диапазон рабочих температур (-60…+120 ºС). В качестве заменителя можно использовать лак ЭП 9114 ТУ 6-21-3-89, имеющий аналогичные характеристики.

При использовании лакокрасочных покрытий их выбор производился по СТП ДМБ0.014.000-87 «Покрытия лакокрасочные. Руководство по выбору».

При выборе покрытий при прочих равных условиях  предпочтение отдавалось тем покрытиям, удаление пыли, масляных пятен, грязи и т.д. с которых в процессе эксплуатации производится без значительных затруднений.

Элементную базу для нашего модуля будем подбирать исходя из следующих нижеприведенных условий:

  •  учитывая электрические характеристики модуля, напряжения и токи на его входе и выходе;
  •  учитывая климатические условия, в которых модуль должен исправно функционировать;
  •  учитывая механическое воздействие на модуль;
  •  учитывая массогабаритные параметры изделия;
  •  учитывая тип крепления элементов.

Проанализировав ТЗ и, учитывая вышеуказанные требования, было проведено сравнение отечественной и зарубежной элементной базы. По результатам этого сравнения большинство ЭРЭ были выбраны из зарубежной элементной базы [11, 13, 8].

Это объясняется тем, что отечественные ЭРЭ с такими же электрическими параметрами, как их импортные аналоги, существенно больше в размерах и менее надежны, а некоторых типов отечественных ЭРЭ с нужными нам характеристиками вообще не существует.

Элементная база с учетом всех условий подбиралась в основном для технологии ТПМ, как наиболее прогрессивной технологии настоящего времени. ТПМ имеет  ряд значительных преимуществ перед навесным монтажом:

  •  наибольшая степень микроминиатюризации всего изделия;
  •  высокая автоматизация технологического процесса;
  •  высокая воспроизводимость, малый разброс электрофизических характеристик компонентов за счет группового  способа монтажа;
  •  одноступенчатый процесс пайки;
  •  высокая надежность изделия;
  •  процесс с потенциально высоким выходом годных изделий;
  •  низкие затраты;
  •  улучшенные выходные электрические параметры изделия;
  •  уменьшение размеров изделия на 40-75 %.

Перечень выбранных ЭРЭ приведен в табл. 7.1. Все зарубежные ЭРЭ приведены без указания ГОСТов, ОСТов и ТУ. Это объясняется тем, что за рубежом отсутствует единая стандартизованная система обозначения ЭРЭ. Их обозначение устанавливается непосредственно фирмами- производителями.

Таблица 7.1.

Перечень ЭРЭ

Наименование

Примечание

Конденсаторы:

Tantal-SMD-10uF-10V-20/20-A

-

CAP-SMD-0603-NPO-22pF-10/10-50V

                             -

Tantal-SMD-100uF-10V-20/20-D

                    -

CAP-SMD-0603-X7R-0,1uF-10/10-50V

                   -

Tantal-SMD-68uF-16V-20/20-D

                   -

CAP-SMD-0603-X7R-0,1uF-10/10-50V

                   -

Tantal-SMD-100uF-10V-20/20-D

                   -

CAP-SMD-1206-X7R-2,2uF-20/20-25V

                   -

CAP-SMD-0603-NPO-470 pF-10/10-50V

допускается замена на CAP-SMD-1210

CAP-SMD-1206- X7R-1uF-10/10-16V

-

Tantal-SMD-100uF-10V-20/20-D

допускается замена на CAP-SMD-1210

CAP-SMD-0603-X7R-0,1uF-10/10-50V

-

CAP-SMD-1206-X7R-2,2uF-20/20-25V

допускается замена на CAP-SMD-1210

Микросхемы:

CMP402GS

«Analog Devices»

MAX1831EEE

«Maxim»

EP1K100FI484-2

«Altera»

IDT71256SA-15YI

«IDT»

EPC2LI20

«Altera»

HI-1567PSI

«Holt»

Генератор кварцевый:

SG-8002JF-24MHz-PCM

«Epson»

Резисторные сборки:

CAT16 100J4

«Bourns» (10 Ом)

CAT16 102J4

«Bourns» (1кОм)

CAT16 102J4

«Bourns» (1кОм)

CAT16 472J4

«Bourns» (4,7кОм)

Чип-катушка индуктивности:

IHSM-4825-2,2uH-15%

«Maxim»

Резисторы:

Чип-резистор 0603-0,063Вт-1 кОм5%

-

Чип-резистор 0603-0,063Вт-100 кОм5%

-

Чип-резистор 0603-0,125Вт-560 Ом5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-1 кОм5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-226 Ом0,5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-300 Ом0,5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-180 кОм5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-27 Ом5%

-

Чип-резистор 0603-0,063Вт-4,7 кОм5%

-

Чип-резистор 0603-0,063Вт-10 кОм5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-10 Ом5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-56 кОм5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-39 кОм5%

-

Чип-резистор 0805-0,125Вт-12 кОм5%

-

Окончание таблицы 7.1

Чип-резистор 0805-0,125Вт-39 кОм5%

-

Трансформаторы:

SFUB2745L

-

Светодиод:

КР-1608MGС

«Kingbright»

Диодная матрица:

2ДС627А                  дР3.454.000ТУ

-

Транзистор  BSS123

«Fairchild»

Соединители:

Вилка PLD-10

-

Розетка HAR-BUS HM 17 26 220 2102

«Harting»

Для лужения и пайки ЭРЭ  используем припой ПОС-61 ГОСТ 21930-76, материал заменитель – паяльная паста SS48-M955, RM92 и припой Х39.

Выбор материалов, покрытий и ЭРЭ производился на основе стандартов действующих на предприятии, при условии выполнения требований ТЗ.

8. Анализ течения воздушного потока в индикаторе

Анализ течения воздушного потока выполнен в SolidWorks Flow Simulation, который является одним из модулей системы автоматизации проектных работ SolidWorks Premium 2010 [1, 20, 21].

SolidWorks является мощным средством проектирования. Основное назначение SoIidWorks - это обеспечение  процесса проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения, включая создание интерактивной документации и обеспечение обмена данными с другими системами. 

SolidWorks Flow Simulation является модулем гидрогазодинамического анализа в среде SolidWorks.

Преимуществами данного продукта являются:

  •  Задание исходных данных и просмотр результатов  непосредственно в окне графического проектирования;
  •  Возможность использования инженером;
  •  Минимальное время на подготовку исходных данных и анализ полученных результатов.  

SolidWorks Flow Simulation обладает широкими возможностями моделирования и позволяет работать с идеальными и реальными газами,  жидкостями, различными видами течений.

В качестве начальных и граничных условий можно использовать такие параметры как скорость, давление (статическое, динамическое, окружающей среды), массовый и объёмный расход, температура, концентрация компонентов, параметры турбулентности. Имеется возможность задания зависимости граничных условий, параметров и пр. от времени и координат. Обеспечивается использование различных типов стенок, включая шероховатые, виртуальных тепловентиляторов, источников тепла (объёмных и поверхностных).

В SolidWorks Flow Simulation также обеспечена поддержка произвольных систем единиц, и организованы пополняемые инженерные базы данных по свойствам веществ и объектов.

 При решении инженерной задачи с помощью SolidWorks Flow Simulation необходимо выделить этапы:

  1.  Возможность решения задачи с помощью SolidWorks Flow Simulation;
  2.  Создание или необходимая модификация модели SolidWorks;
  3.  Создание проекта;
  4.  Задание граничных и начальных условий;
  5.  Регулирование расчётной сетки;
  6.  Управление процессом расчёта;
  7.  Просмотр и интерпретация результатов;
  8.  Определение точности полученного решения.

8.1. Возможность решения задачи

На данном этапе необходимо выделить геометрические и физические особенности рассматриваемой инженерной задачи, которые могут существенно повлиять на её решение.

В индикаторе вертолетном не имеются подвижные детали, которые могли бы изменить геометрию проточного тракта (воздушного потока), в индикаторе нет многокомпонентных сред с реагирующими между собой компонентами  и так далее. Таким образом, в индикаторе нет таких особенностей, которые могли бы  оказать существенное влияние на решение задачи.

8.2. Создание/модификация модели SolidWorks

Для выполнения анализа течения воздушного потока воспользуемся уже разработанной в SolidWorks моделью индикатора. Модель является полностью адекватной изделию, но для решения поставленной задачи её необходимо модифицировать.

Модификация заключается в дополнении модели необходимыми крышками (твёрдыми телами, которые не нарушают твердотельную конструкцию устройства и необходимы для анализа) закрывающими входные и выходные отверстия. В модуле SolidWorks Flow Simulation среды SolidWorks Premium 2010 имеется возможность быстрого задания таких крышек.

Модификацию модели можно производить в любой момент, предшествующий запуску задачи на счёт. SolidWorks Flow Simulation динамически отслеживает изменения модели.

8.3. Создание проекта

Проект выполняет 2 функции:

  1.  однозначно определяет соответствие между геометрическим исполнением модели и её газодинамическими и тепловыми характеристиками, полученными в результате расчёта;
  2.  Проект содержит все данные о постановке задачи, особенностях её моделирования и результатах расчёта.

Проект может быть задан несколькими способами, одним из которых является создание проекта с помощью Мастера проекта (Wizard) - инструмента пошагового создания базовой части проекта. Для вызова Мастера проекта из меню  Flow Simulation выберем Project/Wizard. Создадим копию текущей конфигурации с новым именем (см. рис. 8.1):

Рис. 8.1. Задание конфигурации модели

На следующем этапе выберем наиболее удобную систему единиц измерения для ввода и вывода числовых данных (см. рис. 8.2). Выбранная система единиц никак не влияет на основную систему единиц SolidWorks, используемую для создания детали.

Рис. 8.2. Задание системы единиц проекта

После того как базовая часть проекта создана, изменить выбранную систему единиц можно в диалоговом окне Units Settings.

На следующем этапе определим тип задачи (внешняя или внутренняя) и физические особенности задачи (см. рис. 8.3).

Рис. 8.3. Определение типа и физических особенностей задачи

Физические особенности задачи, которые учитываются на этом шаге:

  •  Heat conduction in solids – учитывает теплопередачу в твёрдых телах;
  •  Radiation - учитывает теплообмен излучением при решении задачи сопряженного теплообмена;
  •  Time-dependent - необходимо выбрать эту опцию, если рассматривается нестационарная задача;
  •  Gravity - необходимо выбрать, если в задаче необходимо учитывать гравитационные эффекты;
  •  Rotation - необходимо выбрать, если в задаче присутствуют вращающиеся элементы.

На следующем этапе выбираются текучие вещества, которые будут рассматриваться в данном проекте, а также особенности течения задачи. (см. рис. 8.4):

Рис. 8.4. Задание текучей среды и характеристик течения

На данном этапе можно отметить следующие особенности течения задачи:

  •  High Mach number flow - для расчёта высокоскоростного течения;
  •  Humidity - если в проекте необходимо рассчитывать относительную влажность газообразной среды;
  •  Cavitation - если в проекте необходимо рассчитать кавитацию или локальное кипение в потоке воды.

На следующем шаге создаются условия на всех стенках модели по умолчанию (см. рис. 8.5). В зависимости от типа решаемой задачи и учитываемых физических особенностей, на стенках модели могут быть заданы различные условия.

Рис. 8.5. Задание условий на стенках

На следующем шаге задаются начальные и внешние условия т.е. производится задание значений термодинамических параметров текучей среды (давление, температура, плотность, влажность), скорости потока, параметров турбулентности, а также значения начальной температуры твёрдых веществ (см. рис. 8.6):

Рис. 8.6. Задание начальных и внешних условий

На следующем шаге задаются параметры, влияющие на расчётную сетку и критерии завершения расчёта, а значит, и на точность решения задачи. Задание таких параметров - это всегда компромисс между желаемой точностью и имеющимися ресурсами компьютера (см. рис. 8.7):

Рис. 8.7. Задание  параметров, влияющих на расчетную сетку и  сходимость

После создания проекта данные, определённые на шагах 3 - 6 (кроме установок времени), можно изменить в окне General Settings. Установку решения и разрешения геометрии на шаге 7 можно изменить в окнах Initial Mesh и Calculation Control Options.

8.4. Задание граничных и начальных условий

Всякая решаемая с помощью Flow Simulation задача должна иметь начальные и граничные условия. В случае решения стационарной задачи начальные условия влияют на скорость установления, в то время как граничные условия полностью определяют характер течения. При решении внешней задачи начальные условия, используемые во всей расчётной области, задаются при прохождении Wizard, причём эти начальные условия распространяются на границы расчётной области.

Для граничного условия, задаваемого на поверхности (в том числе и на поверхности крышки, определяющей отверстие) эту поверхность необходимо выделить в графической области. Для доступа к внутренним поверхностям области удобна функция Выбрать другой, которая появляется в контекстном меню при нажатии правой кнопки  мыши в области модели.

Для задания граничных условий используется окно Boundary Condition, в котором задаются входные (Inlet) и выходные (Outlet) (относительно пространства, заполненного текучей средой) граничные условия течения. Для внутренних течений необходимо задавать граничные условия на входных и выходных значениях модели.

Для нашей модели входным граничным условием является давление окружающей среды, а выходным граничным условием является вентилятор, удельный расход воздуха которого 36 м3/час.

Зададим входное граничное условие для нашей задачи. Для вызова окна  Boundary Condition выберем команду Flow Simulation/ Insert/ Boundary Condition. Для задания граничного условия необходимо в графической части экрана выделить поверхности, к которым будет применён данный тип граничного условия. Названия выделенных поверхностей появятся в списке Faces to apply the boundary condition.  В появившемся окне введём все необходимые параметры для задания входного граничного условия.

Аналогичным образом зададим выходное граничное условие. Выходным граничным условием для нашей задачи является вентилятор. Выберем этот вентилятор из Инженерной базы данных: ЭВ1520, также введём все необходимые параметры для задания выходного граничного условия.    

После того, как модель подготовлена для анализа течения воздушного потока, нажмём кнопку Run. В Flow Simulation существует много способов графического представления результатов. Представим результат анализа течения воздушного потока в индикаторе в виде трёхмерных траекторий (см. рис. 8.8, 8.9):

Рис. 8.8. Результат анализа течения воздушного потока в индикаторе

Рис. 8.9. Результат анализа течения воздушного потока

в индикаторе (вид снизу)

В результате проведённого анализа течения воздушного потока в индикаторе можно сделать вывод о том, что воздушные потоки распределяются внутри индикатора неравномерно. Основная часть воздушных потоков сосредоточена вблизи  МВИ и встраиваемой ЭВМ КРЕДО и лишь малая часть их приходится на видеопроцессор.

Принимая во внимание тот факт, что потребляемая мощность видеопроцессора является в 3 раза большей, чем потребляемая мощность МВИ, и при этом лишь малая часть воздушных потоков сосредоточена вблизи видеопроцессора,  можно сделать вывод о том, что данная ситуация может в дальнейшем привести к уменьшению надежности индикатора вертолетного.

Можно рекомендовать следующие варианты решения данной проблемы:

  1.  Учитывая то, что МВИ и видеопроцессор являются МПП со стандартным конструктивом исполнения Евромеханика 3U с размером печатной платы 160х100мм, можно поменять их местами в индикаторе. Преимуществами данного варианта являются простота и отсутствие дополнительных экономических затрат. Однако он не позволяет решить проблему в случае установки в индикатор вертолетный ещё более теплонагруженных модулей, чем видеопроцессор.
  2.  Для более равномерного распределения воздушных потоков в индикаторе можно рекомендовать  перемещение вентилятора на 41 мм, как показано на рис. 8.10:

Рис. 8.10. Изменение положения вентилятора в индикаторе (вид снизу)

    Данный вариант является экономически затратным, но он обеспечивает   более равномерное распределение воздушных потоков между модулями.

9. Определение механической прочности платы

модуля внешнего интерфейса

Современная РЭА испытывает целый ряд механических воздействий, которые, влияя на работу радиоаппаратуры, снижают её надежность. К этим факторам, в частности, как наиболее проявляющимся, относятся вибрационные и ударные нагрузки, которые, воздействуя на РЭА, могут вызвать:

  •  изменение выходных параметров радиоаппаратуры;
  •  отказ РЭА из-за коротких замыканий и обрывов соединений;
  •  усталость металла несущих конструкций и его разрушение;
  •  раскручивание крепежа;
  •  механические   повреждения   электромонтажных   соединений   и установочных элементов;
  •  отслаивание фольги печатных плат и так далее.

Уменьшение частоты отказов РЭА, работающей в условиях  повышенных вибраций, достигается комплексом мероприятий, в число которых водят:

  •  разработка схемы и конструкции с учетом возможных условий эксплуатации;
  •  применение ЭРЭ и материалов, отвечающих заданным условиям эксплуатации;
  •  разработка методики контроля и испытаний, соответствующих условиям эксплуатации;
  •  строгое   соблюдение   технологии   изготовления   РЭА   и   ее совершенствование.

Кроме того, для борьбы с вибрациями применяют следующие меры:

  •  ужесточение конструкции с целью повышения собственных частот колебаний;
  •  применение прижимающих и антивибрационных устройств;
  •  правильное закрепление РЭА в отсеках на борту и в помещениях (в местах наименьшей амплитуды вибраций);
  •  применение различного рода амортизирующих прокладок из резины, поролона и т.п. материалов.       

В практических случаях элементы конструкции узлов РЭА имеют сложную конфигурацию. При расчетах сложный элемент заменяют его упрощенной моделью в виде балки, стержня, пластины, мембраны.

Рассчитав собственную частоту узла, ее сравнивают с частотой возмущающих колебаний, заданную в ТЗ. В правильно сконструированной аппаратуре собственная частота конструкции не должна находиться в спектре частот внешних воздействий. Любая конструкция обладает несколькими значениями собственных частот, однако расчет выполняется только для низших значений. Если нижнее значение частоты входит в диапазон внешних воздействий, то конструкцию блока дорабатывают, делая ее более жесткой, с целью увеличения собственной частоты и выхода из спектра частот внешних воздействий, либо переходят на ее амортизацию и производят соответствующие расчеты.

Многие конструктивные элементы РЭС могут быть представлены в виде пластин. К пластинам можно отнести ПП, днища шасси, элементы экранов, панели и т. п.

Пластиной называют плоское тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми мало, по сравнению с размерами поверхностей. В конструкциях РЭС обычно используются прямоугольные и круглые пластины с различными способами закрепления.

В математическом отношении задача динамического расчета пластин, т.е. расчета на вибрационные и ударные воздействия, достаточно сложна. Для этих целей используются точные (аналитические), приближенные и численные методы расчета. Точные аналитические решения уравнений колебаний пластин могут быть получены лишь в простейших случаях. Поэтому широко используют приближенные и численные методы расчета.

Для расчёта платы МВИ на вибрационные воздействия воспользуемся методикой изложенной в [14].

9.1. Расчёт частот собственных колебаний платы

Данный модуль выполнен на ПП из стеклотекстолита, обладающей толщиной h = 2 мм. Размеры ПП: а = 160 мм, b = 100 мм. Плотность материала: р = 2,3∙103 кг/м3. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона, соответственно: Е = 0,28∙105 МПа и v = 0,22. На ПП расположены ЭРЭ общей массой Мэ = 0,26 кг.

В нашем случае печатный узел фиксируется в корпусе при помощи направляющих планок. Для дополнительного крепления его используются специальные прорезиненные шайбы. Необходимо проверить применимость такого способа крепления, т.е. вычислить частоту собственных колебаний печатного узла, закрепленного подобным образом:

                                        (9.1)

где  – коэффициент, зависящий от способа закрепления ПП;

 D – цилиндрическая жесткость ПП:

          (9.2)

Находим  – массу единицы площади ПП:

                 (9.3)

Находим   массу ЭРЭ, приведенную к единице площади ПП:

                                               (9.4)

Рассчитаем  – поправочный коэффициент на вес элементов:

                                                     (9.5)

Определяем  – коэффициент, зависящий от способа закрепления ПП;

                                              (9.6)

  где  длины ПП к ее ширине:

                                                                           (9.7)

Подставляя (9.6) в (9.7) получим:

Подставляя в выражение (9.1) найденные значения,  получаем:

                                f=/2π=1580/6,28=252 Гц.                                  (9.8)

Из полученных результатов можно сделать вывод, что резонансных явлений не будет, т.к. частота собственных колебаний ПП многократно превышает наибольшую частоту из наиболее опасного для нас диапазона, заданного в ТЗ, следовательно, нет необходимости оборудовать конструкцию дополнительными опорными амортизаторами или делать ее более жесткой.

9.2. Расчёт печатной платы на виброжёсткость

В данном пункте мы рассчитываем максимальные виброперемещения Zmax, которые могут возникать на плате:

                    (9.9)

где =2g, g – ускорение свободного падения;

= =1,273 – коэффициенты вовлечения форм, выбираются из П.3 [14].

Расположение координатных осей X и Y относительно поверхности ПП представлено на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Расположение координатных осей относительно ПП

Максимальные значения ординат функций форм (табл. П.1, [14]) соответствуют центру ПП, точке с координатами х = 80 мм, у = 50 мм (с относительными координатами =X/a=80/160=0,5, =Y/b=50/100=0,5). Для этой точки по таб. П.1 [14] находим =1.

 – коэффициент динамичности:

=  =  = 15,7                                     (9.10)

где - динамический декремент колебания равный 0,2;

Подставляя все нужные нам значения в (9.9), получим:

Сравним полученный результат с допустимым значением для нашей платы:

                                             (9.11)

где  – допустимый прогиб для платы, в нашем случае

                           (9.12)

где =1 м – норма длины. 

 Рассмотрим два случая:

1. ПП выполнена из стеклотекстолита с односторонним фольгированием. По табл. П.4 [14] для стеклотекстолита с односторонним фольгированием = 109 мм.

=109۰(0,16/1)2=2,79 мм;

2. ПП выполнена из стеклотекстолита с двусторонним фольгированием.    По табл. П.4 [14] для стеклотекстолита с двусторонним фольгированием = 55 мм.

=55۰(0,16/1)2=1,4 мм;

Как видим, условие  выполняется в обоих случаях, следовательно, дополнительных мер для повышения виброжесткости платы не требуется.

9.3. Расчёт печатной платы на вибропрочность

В данном пункте мы определяем напряжения  и , возникающие в плате при воздействии на нее изгибающих моментов по осям X и Y (расположение осей аналогично рис. 9.1):

                             ;                                        (9.13)  

   ,                                        (9.14)

где Mx и My – интенсивности изгибающих моментов:

     (9.15)  

     (9.16)

 

Максимальные значения изгибающих моментов (табл. П.1, [14]) соответствуют центру ПП, точке с координатами х = 80 мм, у = 50 мм              (с относительными координатами =X/a=0,5, =Y/b=0,5). Для этой точки по таб. П.1 [14] находим =1; 9,87.

Остальные величины, входящие в формулы (9.15) и (9.16) аналогичны величинам, описанным в § 9.1 и § 9.2.

Подставляя значения, получим:

Аналогичным образом рассчитываем  :    

Получаем, что:

Выбираем из двух величин наибольшую:

Условие вибропрочности задается выражением:

,                                     (9.17)

где , где  – предел усталостности.

=78…120 Мпа, выбираем среднее значение =90 Мпа.

Как видим, условие вибропрочности выполняется, рассчитаем коэффициент запаса прочности:    

                       

;                                          (9.18)

.

Таким образом, нами выяснено, что ни один из параметров прочности платы МВИ не превышает допустимых, а, значит,  дополнительных мер по повышению прочности не требуются.

10. Расчет механических размерных цепей

модуля внешнего интерфейса

Размерным расчетом называют совокупность математических методов и приемов (аналитических, графических) направленных к установлению номинальных значений допусков и отклонений размеров. Расчет допусков размеров и их анализ правильности их назначения осуществляют с помощью размерных цепей.

Размерная цепь – совокупность взаимно связанных линейных (или угловых) размеров, образующих замкнутый контур. Главная цель решения поставленной задачи обстоит в обеспечении точности изделия при конструировании, изготовлении и измерении его размеров. Размеры, образующие цепь, называются звеньями. Любая размерная цепь состоит из нескольких составляющих звеньев и одного замыкающего звена. Наименьшее число звеньев три – это простейшая размерная цепь. В основном линейные размеры звеньев размерной цепи обозначают прописными буквами русского алфавита. Размерные цепи связаны зависимостью:

                                       (10.1)

где А1 – размер замыкающего звена;

         А2…Аn – размеры составляющих звеньев.

Замыкающий размер – это размер размерной цепи, получающийся последним  в результате изготовления детали или сборки узла. Различают детальные и сборочные размерные цепи.

Для отдельной детали замыкающий размер может быть определен только после установления последовательности ее обработки, т.е. после назначения технологических (производственных) баз. В этом случае замыкающим является неконтролируемый размер, который обычно на чертеже не указывают или указывают как справочный размер. В сборочной размерной цепи, относящейся к соединениям деталей, замыкающим размером является либо зазор, либо натяг, либо смещение одной детали относительно других в процессе сборки. Замыкающий размер принято обозначать индексом D, например: АD, ВD и т.д. [10].

Звенья размерной цепи разделяют на увеличивающие и уменьшающие. Увеличивающими являются размеры, при увеличении которых замыкающий размер увеличивается. Уменьшающими считают размеры, с увеличением которых замыкающий размер уменьшается. При решении задач для обозначения размеров наверху проставляют стрелку, направленную вправо для увеличивающих звеньев и влево – для уменьшающих звеньев, и указывают подстрочными цифровыми индексами номер составляющего звена, например: ,  и т. д. [10].

Размерные цепи рассчитывают, используя следующие основные методы: полной взаимозаменяемости (метод максимума – минимума); вероятностный метод; метод пригонки, регулирования и групповой взаимозаменяемости. Теоретико-вероятностный метод базируется на знании статических законов распределения погрешностей при изготовлении составляющих звеньев. При расчете допускается определенный процент брака (обычно 0,27%). Метод регулирования позволяет расширить поля допусков размеров за счет введения компенсатора, размер которого можно изменять при сборке. Метод пригонки основан на дополнительной обработке одного предварительно выбранного размера, называемого технологическим компенсатором. Метод групповой взаимозаменяемости (селективной сборки) заключается в изготовлении деталей со сравнительно широкими допусками, разбиении их на группы с более узкими допусками и последующим комплектованием для обеспечения требуемой точности. Метод полной взаимозаменяемости (метод максимума – минимума) основан на предположении, что все звенья размерной цепи имеют предельные размеры, наибольшие для увеличивающих звеньев и наименьшие для уменьшающих звеньев.

Различают прямую и обратную задачи по размерным цепям. Прямая задача заключается в том, что при известных (заданых) параметрах замыкающего звена требуется определить значение параметров всех составляющих звеньев размерной цепи. Такая задача обычно появляется на этапе проектирования, при проектных расчетах.  При обратной задаче известны параметры всех составляющих звеньев размерной цепи и нужно определить параметры замыкающего звена. Обратные задачи возникают на этапе производства изделия и являются проверочными расчетами размерных цепей, т.е. решением обратной задачи проверяется правильность решения прямой задачи.  

Проведем расчет допусков для печатной платы. Для этого нам необходимо рассчитать допуск на расположение центров отверстий относительно края платы. Печатная плата МВИ приведена на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Печатная плата МВИ

По рис. 10.1 составим размерную цепь (см. рис. 10.2).

                  

Рис. 10.2. Размерная цепь

Чтобы обеспечить полную взаимозаменяемость, размерную цепь будем рассчитывать по методу максимума и минимума, при котором допуск замыкающего размера определяют арифметическим сложением допусков составляющих размеров. Этот метод обеспечивает заданную точность сборки без какого-либо подбора или подгонки деталей.

Для расчета необходимы следующие формулы:

,                             (10.2)

где А– замыкающее звено,  и  увеличивающие и уменьшающие звенья, соответственно, n- количество звеньев цепи.

;                       (10.3)

,                       (10.4)

где  и  предельные верхнее и нижнее отклонения, соответственно, мкм,  - верхние отклонения соответственно увеличивающего и уменьшающего звеньев, а  - нижние отклонения увеличивающего и уменьшающего звеньев.

      ,                (10.5)

где IT – допуск. Исходные данные занесены в табл. 10.1:

Таблица 10.1.

Исходные данные

Условное  обозначение звена

Номинальный размер А, мм

Верхнее отклонение Еs, мкм

Верхнее отклонение Еi, мкм

Аmax, мм

Аmin, мм

А1

160

0

-200

160

158,2

А2

5

100

-100

5,1

4,9

А3

5

0

0

5

5

А4

54

100

-100

54,1

53,9

А5

8

100

-100

8,1

7,9

А6

8

100

-100

8,1

7,9

А7

60

100

-100

59,1

60,1

Таким образом, используя уравнение (10.2) получим:

.

Далее по формулам (10.3) и (10.4) находим:

Следовательно, .Произведем проверку по уравнению (10.5):

.

Таким образом, при данном допуске (мм) обеспечивается точная установка модуля в блок.

11. Расчёт надёжности модуля внешнего интерфейса

Надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.

Основными показателями безотказности невосстанавливаемых объектов являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, среднее время работы до отказа. Расчет надежности позволяет вычислить показатели безотказности устройства по известным показателям безотказности входящих в него элементов.

Для электрорадиоэлементов важным показателем безотказности является интенсивность отказов. Интенсивность отказов - условная плотность распределения случайного времени t работы до отказа, вычисленная при условии, что до момента времени t отказа не произошло. Определяется отношением плотности f(t) распределения времени работы до отказа к вероятности P(t) безотказной работы:

 l(t)=f(t)/P(t)                                                (11.1)

Интенсивности отказов электрорадиоэлементов характеризуются большим разбросом для одних и тех же типов. Это объясняется влиянием производственных факторов, различием условий применения и режимов работы. В литературе имеется достаточно большой объем информации об отказах типовых элементов РЭС по статическим данным эксплуатации и лабораторных испытаний. Приводятся усредненные среднестатистические значения интенсивностей отказов элементов для нормальных условий. Под нормальными условиями понимают работу элемента при температуре окружающей среды 20±5 °С, относительной влажности 65±15 %, давлении 760±30 мм. рт. ст. Окружающая среда не содержит значительного количества пыли и практически свободна от разрушающего действия газов, солей, паров, микроорганизмов, интенсивных радиаций, элемент не испытывает ударов и вибраций.

В процессе эксплуатации элементы РЭС подвергаются воздействию различных факторов внешней среды: влажности, температуры, давления, вибрации, ударов и других, влияние которых в количественном отношении пока еще мало изучено. При ориентировочном расчете надежности суммарное влияние перечисленных факторов учитывают с помощью поправочных коэффициентов к1 и к2, зависящих от воздействия механических факторов, к3 - поправочного коэффициента, зависящего от влажности и температуры и к4, зависящего от давления воздуха. Интенсивность отказов элементов i-го типа в этом случае:

 

li1к2к3к4l0i,                                             (11.2)

где l0i - интенсивность отказов элементов в нормальных условиях эксплуатации.

При уточненном расчете надежности следует учитывать ряд факторов, которые являются доминирующими. К ним относятся температура, режимы электрической нагрузки элемента, влажность, давление, механические факторы. Режим электрической нагрузки оценивают коэффициентом электрической нагрузки Кн, который у каждого элемента свой. Допускается выбирать Кн элемента не более заданного в ТУ на него. Влияние режима электрической нагрузки на надежность учитывается совместно с действием температуры. Для этого используется коэффициент относительной интенсивности отказов аi, который  показывает, во сколько раз интенсивность отказов элемента при данных коэффициенте нагрузки и температуре отличается от интенсивности отказов элемента при нормальных условиях. Зависимости коэффициента относительной интенсивности отказов от коэффициента электрической нагрузки и температуры  типовых ЭРЭ приведены в [17].

Интенсивность отказов элементов i-го типа при заданных условиях эксплуатации с учетом нагрузки и температуры можно вычислить по формуле:

li= аiк1к2к3к4аil0i.                                        (11.3)

При расчете надежности приняты следующие допущения:

  •  интенсивности отказов всех элементов постоянны;
  •  отказы элементов изделия являются событиями случайными и независимыми друг от друга;
  •  все элементы и узлы с точки зрения надежности соединены последовательно, т.е. отказ каждого элемента является отказом изделия в целом;
  •  при расчете надежности учитывались только внезапные отказы ЭРЭ, паек и узлов (при определении интенсивности отказов при хранении учтены и постепенные отказы).

Порядок расчета:

Составляется перечень элементов с учетом их типов и параметров.

По справочным данным определяются интенсивности отказов l0i                   элементов для номинальных условий.

Определяются коэффициенты электрической нагрузки элементов.

Определяется рабочая температура элементов.

Определяются значения поправочных коэффициентов аi для элементов схемы в зависимости от коэффициента нагрузки и температуры по соответствующим графикам.

Вычисляется интенсивность отказов узла по формуле:

                      lР1к2к3к4l0i,                                                (11.4)

где n - число элементов схемы.

При хранении интенсивность отказов узла вычисляется по формуле:

lХр1к2к3к4l Хр0i,                                           (11.5)

где  - интенсивность отказов ЭРЭ при хранении.

Значения поправочных коэффициентов к1, к2, к3, к4 выбираются в соответствии с условиями эксплуатации.

Вычисляется среднее время работы устройства до отказа по формуле:

tср=1/lр .                                                 (11.6)

Вычисляется вероятность безотказной работы устройства за время работы t по формуле:

P(t)=exp(lр۰t)=exp(-t/Tср).                            (11.7)

Строится график зависимости  Р(t).

Результаты расчета сравниваются с заданным в ТЗ временем наработки до отказа,  и делается вывод.

Пользуясь вышеприведенной методикой, рассчитаны надежность МВИ [18],  результаты расчета сведены в табл. 11.1:


    Таблица 11.1.

Результаты расчета надежности МВИ

Наименование

Кол-во ЭРИ, n

Интенсивности отказов

n×λР×10-6,

1/час

n×λХр×10-8,

1/час

Конденсаторы:

Tantal-SMD-10uF-10V-20/20-A

1

0,041

0,1184

CAP-SMD-0603-NPO-22pF-10/10-50V

8

0,504

2,88

Tantal-SMD-100uF-10V-20/20-D

10

0,41

1,184

CAP-SMD-0603-X7R-0,1uF-10/10-50V

55

3,487

19,8

Tantal-SMD-68uF-16V-20/20-D

2

0,082

0,2368

CAP-SMD-1206-X7R-2,2uF-20/20-25V

5

0,317

1,8

CAP-SMD-0603-NPO-470 pF-10/10-50V

2

0,126

0,72

CAP-SMD-1206- X7R-1uF-10/10-16V

2

0,126

0,72

Микросхемы:

CMP402GS

2

0,90

1,2082

MAX1831EEE

2

0,28

0,3236

EP1K100FI484-2

1

0,11

0,2265

IDT71256SA-15YI

4

0,36

0,7312

EPC2LI20

1

0,11

0,2265

HI-1567PSI

2

0,12

0,2478

Генератор кварцевый:

SG-8002JF-1MHz-PCM

1

0,048

0,0005

Резисторные сборки:

CAT16 100J4

13

0,615

0,3050

CAT16 102J4

9

1,566

0,0792

CAT16 472J4 IHSM-4825-2,2uH-15%

2

0,348

0,0176

Чип-катушка индуктивности:

IHSM-4825-2,2uH-15%

1

0,056

6,1832

Резисторы:

Чип-резистор 0603-0,063Вт

14

4,83

0,0644

Чип-резистор 0603-0,125Вт

2

0,69

0,0092

Чип-резистор 0805-0,125Вт

71

0,0592

1,1123

Трансформаторы:

SFUB2745L

4

3,84

1.8

Светодиоды:

КР-1608MGС

2

0,16

0.035

Диодная матрица:

2ДС627А                  дР3.454.000ТУ

2

0,822

0,066

Транзисторы:

BSS123

8

0,56

0,012

Соединители:

Вилка PLD-10

1

0,13

0,309


    Окончание таблицы 11.1

Розетка HAR-BUS HM 17 26 220 2102

1

0,53

0,0562

Пайки:

1112

1,661

62,13

Итого:

23,2442

102,6026

Вычислим среднее время работы устройства до отказа по формуле (11.6):

Tср = 1 / 23,2442·10-6 » 43021 ч.

Вероятность безотказной работы устройства за время t находится из формулы (11.7).

Значения вероятности сведены в табл. 11.2:        

По графику можно сделать вывод о том, что с увеличением времени работы аппаратуры вероятность ее безотказной работы снижается, но, несмотря на это, выполняются заданные в ТЗ функции. Действительно, в результате расчетов получили среднюю наработку на отказ равную 43021 часам, что удовлетворяет исходным данным (не менее 6000 ч).

Увеличение надежности устройства может достигаться путем исключения катастрофических последствий отдельных неисправностей. С этой целью отдельные элементы, устройства или система в целом резервируются, в результате чего отказ одного объекта не приводит к потере работоспособности, если в момент возникновения отказа исправен резервный объект. Использование резервирования позволяет строить микроэлектронные вычислительные системы с весьма высокими показателями надежности

Таблица 11.2.

Значения вероятности  безотказной работы устройства за время t

Т, час

P(t)

100

0.998

500

0.988

1000

0.977

2000

0.955

3000

0.933

4000

0.911

5000

0.89

6000

0.87

7000

0.85

8000

0.83

9000

0.81

10000

0.793

20000

0.628

30000

0.498

40000

0.395

50000

0.313

График зависимости  Р(t) приведен на рис. 11.1.

Рис. 11.1. График зависимости P(t)

12. Разработка технологического процесса сборки печатной

платы модуля внешнего интерфейса

Основными документами при разработке технологических процессов являются технологические карты. В картах указывается структура технологического процесса и его содержание, последовательность выполнения операций, применяемое оборудование, режимы обработки. Применяются технологические карты трех видов:

  •  маршрутные;
  •  технологического процесса;
  •  операционные.

Маршрутные карты представляют собой технологический документ, содержащий описание технологического процесса изготовления или ремонта изделия по всем операциям различных видов в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании, оснастки, материальных и трудовых нормативах, в соответствии с установленными нормами. Эти карты определяют последовательность прохождения обрабатываемого изделия по цехам. Они применяются в единичном и мелкосерийном производстве в тех случаях, когда не требуется точной деталировки технологического процесса и обрабатываемое изделие твердо не закреплено за операциями на длительное время.

Маршрутные карты содержат сведения о материале и маршрутах заготовки, цехах и мастерских, в которых производится обработка, а так же перечень операций, оборудования, технологической оснастки, профессий и разрядах рабочих, а так же нормированные сведения.

В РЭА выводы ЭРЭ должны быть надежно соединены в соответствии с электрической принципиальной схемой. Это может быть выполнено как с помощью объемных проводников, так и печатного монтажа.

При печатном монтаже электрическое соединение ЭРЭ выполнено с помощью печатных проводников отдельных проводящих полосок в проводящем рисунке (ГОСТ 20406-75). Проводящий рисунок образует проводниковый материал, полученный избирательным травлением металлической фольги, осаждением металла или нанесением и последующей обработкой специальных паст.

Конфигурацию проводящего рисунка определяют электрическая принципиальная схема и конструкторско-технологические ограничения. Для устранения пересечений проводящих дорожек используют несколько проводящих слоев, разделенных слоями диэлектрика. Электрический контакт между слоями осуществляют с помощью межслойных соединений участков проводникового материала, проходящих через отверстия в диэлектрике. Такой рисунок называют многослойным, причем под слоем понимают элементы печатного рисунка, изготавливаемые за одну технологическую операцию.

Элемент конструкции, на поверхности или в объеме которого выполнен проводящий рисунок, называют основанием. Плата представляет собой материал основания, вырезанный по заданному размеру, содержащий необходимые отверстия и, по меньшей мере, один проводящий рисунок.

Печатный узел плата с присоединенными к ней ЭРЭ и механическими элементами, выполненной пайкой и нанесенными покрытиями.

Основные причины, обусловившие широкое применение печатного монтажа:

  •  возможность электрического и механического соединения ЭРЭ;
  •  стабильные значения паразитных параметров монтажа;
  •  малая трудоемкость изготовления и сборки узлов на печатных платах;
  •  высокая стойкость к воздействию внешних факторов;
  •  широкое распространение эффективных САПР;
  •  отработанность технологических процессов и операций.

Перед установкой на печатную плату радиоэлементы проходят контроль на соответствие требований технических условий, паяемость, электрический контроль.

Маршрутная карта технологического процесса сборки печатной платы МВИ приведена в приложении 2.

13. Экономическая часть

13.1. Ленточный график

На современном этапе развития техники одной из важнейших задач является сокращение продолжительности цикла «исследование-производство» и, прежде всего, его наиболее сложной части – подготовки производства.

Подготовка производства состоит из нескольких стадий и этапов, выполняемых различными соисполнителями в рамках научно-исследовательской и опытно-конструкторской работ. Перечень этапов и их содержание определяются в полном соответствии с темой научно-исследовательской работы и регламентируются требованиями ГОСТ 15.101-98 и ГОСТ Р 15.201-2000.

Подготовка производства включает в себя комплекс сложных работ [6], в выполнении которых задействуется большое количество подразделений предприятия:

  •  конструкторские отделы;
  •  технологические отделы;
  •  конструкторские и технологические подразделения по проектированию оснащения и разработке технологических процессов;
  •  инструментальные цеха и отделы по изготовлению оснащения, контрольно-измерительной аппаратуры и специального технологического оборудования.

Успешное решение сложного комплекса задач возможно лишь при четкой увязке всех работ по времени, исполнителям, ресурсам и координации действий всех подразделений. Для этого на предприятии должна быть создана эффективная система планирования подготовки производства.

Для того чтобы наиболее полно составить план, необходимо этапы максимально детализировать, выбрать такое направление для воздействия на ход подготовки производства, чтобы весь комплекс работ был выполнен в кратчайшие сроки и с минимальными затратами. План должен отражать те стороны выполняемых работ, которые являются существенными в отношении достижения конечных целей.

Ленточный график процесса подготовки производства – это его графическая модель с указанием перечня и организационно-экономических характеристик всех работ, сроков и последовательности их исполнения, отражаемых совокупностью упорядоченных во времени горизонтальных линий.

Построение ленточных графиков требует расчетов трудоемкости и продолжительности каждой работы и количества исполнителей. Для этих расчетов требуются нормативы трудоемкости выполнения работ, дифференцированных по таким признакам, как степень новизны, сложности, формат чертежей.

Достоинствами ленточного графика являются:

  •  простота;
  •  наглядность;
  •  возможность отображения содержания и многих организационно-экономических характеристик работ.  

Построение ленточного графика осуществляется в следующем порядке:

  1.  Определяются этапы и состав работ по подготовке производства, технической документации с установлением количества чертежей каждого формата;
  2.  Для каждого этапа разработки производства устанавливается число исполнителей и продолжительность;
  3.  Определяется трудоемкость выполнения каждого этапа.

При построении ленточного графика продолжительность каждой работы Тп будет определяться по формуле (13.1):  

                                                           ,                                                (13.1)

где Ti – трудоемкость работ, человеко-дни;

ni – численность исполнителей, человек.

Временной цикл разработки продукта можно разделить на несколько этапов. Это требуется для оценки трудоемкости работ, более точного определения себестоимости проекта. Разделение на этапы также полезно с организационной стороны т. к. оно позволяет рационально использовать имеющиеся трудовые ресурсы. Для наглядности время, затрачиваемое на каждый этап, сводится в единый график.

Продолжительность проведения работ :

Т1 =  6 (чел.-дн.),        U1 = 2 (чел.);

Т2 =  4 (чел.-дн.),        U2 = 1 (чел.);

Т3 = 5 (чел.-дн.),         U3 = 1 (чел.);

Т4 = 8 (чел.-дн.),         U4 = 2 (чел.);

Т5 = 12 (чел.-дн.),       U5 = 2 (чел.);

Т6 = 6 (чел.-дн.),         U6 = 1 (чел.);

Т7 = 7 (чел.-дн.),         U7 = 1 (чел.);

Т8 =  10 (чел.-дн.),      U8 = 1 (чел.);

Т9 = 10 (чел.-дн.),       U9 = 1 (чел.);

Т10 = 15 (чел.-дн.),      U10 = 1 (чел.);

Т11 = 7 (чел.-дн.),        U11 = 1 (чел.);

Т12 = 5 (чел.-дн.),        U12 = 1 (чел.);

Т13 = 3 (чел.-дн.),        U13 = 1 (чел.).

Таким образом, получим следующие продолжительности работ, в соответствии с их перечнем:

Тn1 = 6/2 = 3 (дн.);

Тn2 = 4/1 = 4 (дн.);

Тn3 = 5/1 = 5 (дн.);

Тn4 = 8/2 = 4 (дн.);

Тn5 = 12/2 = 6 (дн.);

Тn6 = 6/1 = 6 (дн.);

Тn7 = 7/1 = 7 (дн.);

Тn8 = 10/1 = 10 (дн.);

Тn9 = 10/1 = 10 (дн.);

Тn10 = 15/1 = 15 (дн.);

Тn11 = 7/1 = 7 (дн.);

Тn12 = 5/1 = 5 (дн.);

Тn13 = 3/1 = 3 (дн.).

Общая продолжительность работ:

Тnобщ =3+4+5+4+6+6+7+10+10+15+7+5+3 =85 дней

Трудоёмкость выполнения всей разработки определяется как сумма трудоёмкостей этапов работ.

Трудоёмкость:

Тобщ =6+4+5+8+12+6+7+10+10+10+15+7+5+3= 98 чел.-дн.

Определим этапы разработки и занесем их в табл. 13.1:

Таблица 13.1.

Данные для построения ленточного графика

П/п

Виды работ

Дни

Исполнитель

1

Разработка и утверждение технического задания

3

Руководитель и

инженер-конструктор  

2

Изучение технического задания

4

Инженер-конструктор

3

Подбор и изучение литературы и информационных источников

5

Инженер-конструктор


4

Описание принципиальной электрической схемы устройства

4

Руководитель и инженер-конструктор

5

Обоснование основного конструктивного решения

6

Руководитель и инженер-конструктор

6

Компоновка платы, выбор материалов и радиоэлементов

6

Инженер-конструктор

  7

Расчетная часть

7

Инженер-конструктор

8

Проектирование ПП с использованием САПР ”PCAD

10

Инженер-конструктор

9

Разработка и исполнение чертежей с использованием САПР ”AutoCAD

10

Инженер -конструктор

10

Разработка модели устройства с использованием САПР "SolidWorks"

15

Инженер-конструктор

11

Разработка технологического процесса изготовления ПП

7

Инженер-конструктор

12

Оформление документации

5

Инженер-конструктор

13

Сдача проекта

3

Инженер-конструктор

Итого

85

-

Ленточный график представлен на рис. 13.1:

      

            Этап

Дни

Рис. 13.1. Ленточный график

13.2. Составление сметы затрат на разработку

Себестоимость продукции  представляет собой стоимостную оценку используемых в процессе производства продукции природных ресурсов, сырья, материалов, топлива, энергии, основных фондов, трудовых ресурсов, а также других затрат на ее производство и реализацию.

Затраты, образующие себестоимость продукции (работ, услуг), группируются в соответствии с их экономическим содержанием по следующим элементам:

  1.  материальные затраты ;
  2.  затраты на оплату труда;
  3.  амортизация основных фондов;
  4.  прочие затраты.

13.2.1 Материальные затраты

Это стоимость приобретаемого со стороны сырья, материалов, образующих основу выпускаемой продукции или являющихся необходимыми компонентами для ее изготовления:

  •  стоимость покупных материалов, обеспечивающих нормальный технологический процесс или используемых для других производственных нужд, запасных частей, износа средств труда, не относимых к основным фондам, спецодежды;
  •  стоимость покупных комплектующих и полуфабрикатов;
  •  стоимость работ и услуг производственного характера, выполняемых сторонними предприятиями, производствами и хозяйствами, не относящимися к основному виду деятельности;
  •  стоимость природного сырья;
  •  стоимость покупной энергии всех видов.

Определим затраты и занесем их в табл. 13.2:

Таблица 13.2.

Перечень материалов

Наименование

Единица измерения

Количество

Цена за единицу, руб.

Сумма, руб.

Бумага для принтера

Пачка

1

125,00

125,00

Ватман

Лист

10

7,00

70,00

Ручка шариковая

Штука

1

15,00

15,00

Карандаш

Штука

2

15,00

30,00

Ластик

Штука

1

10,00

10,00

Диск DVD-RW

Штука

2

45,00

90,00

Картридж для лазерного принтера

Штука

1

1000,00

1000,00

Итого: Зм =

1340,00

Таким образом, прямые материальные затраты Зм=1340 рублей.

13.2.2 Затраты на оплату труда

В данные затраты включаются любые начисления работникам в денежной форме и (или) натуральной формах, стимулирующие начисления и надбавки, компенсационные начисления, связанные с режимом работы или условиями труда, премии и единовременные поощрительные начисления, расходы, связанные с содержанием этих работников, предусмотренные нормами законодательства Российской Федерации, трудовыми договорами и (или) коллективными договорами. К расходам на оплату труда относятся, в частности:

  •  суммы, начисленные по тарифным ставкам, должностным окладам, сдельным расценкам или в процентах от выручки;
  •  начисления стимулирующего характера;
  •  начисления стимулирующего характера, связанные с режимом работы и условиями труда;
  •  стоимость бесплатно предоставляемых работникам коммунальных услуг, питания и продуктов;
  •  суммы платежей работодателей по договорам обязательного и добровольного страхования;
  •  стоимость выдаваемых работникам бесплатно предметов (одежда, обмундирование и так далее);
  •  сумма начисленного работникам среднего заработка, сохраняемого на время выполнения ими государственных или общественных обязанностей;
  •  расходы на оплату труда, сохраняемую работникам на время отпуска, доплата несовершеннолетним за сокращенное рабочее время, оплату времени, связанного с прохождением медицинских осмотров;
  •  денежные компенсации за неиспользованный отпуск;
  •  начисление работникам, высвобождаемым в связи с реорганизацией или ликвидацией организации, сокращением численности или штата работников;
  •  единовременные вознаграждения за выслугу лет;
  •  другие расходы.

В данном проекте эта статья складывается из затрат на заработную плату исполнителей (руководителя проекта и инженера-конструктора).

Затраты на оплату труда начисляются исходя из ставки руководителя и инженера и времени, затраченного на выполнение работы. Заработная плата вычисляется по формуле (13.2):

                                                                                 (13.2)

где     Т – тарифная ставка;

 Д – количество дней работы.

Таким образом, исходя из затрат времени на разработку (руководитель–13 дня, инженер-конструктор – 85 дней), а также учитывая то, что в месяце 22 рабочих дня, заработная плата равна:

ЗПрук = 15000 / 22 13 =  8864 руб.

ЗПисп = 10000 / 22 85 = 38637 руб.

Фонд оплаты труда составит:

Фзп =8864+38637 = 47501 руб.

Общие прямые затраты составят следующую сумму:

Зпрям = Зм + Фзп = 1340+47501=48841 руб.

13.2.3 Прочие затраты

Прочие затраты берутся от величины прямых общих затрат в установленном размере. Для  разработки  устройства  они  составят 150 %. В состав прочих затрат также входят страховые взносы в размере 34% от величины фонда оплаты труда, которые составляют 16150 руб.

Зн = 48841  1,5 = 73261  руб.

Общие затраты на разработку составят:

3 = 3прям + 3н = 48841 + 73261  = 122102 руб.

Необходимые расходы сведены в табл. 13.3.

Таблица   13.3.

Затраты на разработку                                                                                                     

Наименование калькуляционных статей расходов

Сумма, руб.

Удельный вес, %

Материальные затраты, Зм

1340

1,09

Затраты на заработную плату, Фзп

47501

39,9

Прочие расходы, Зн

73261

59,01

Общие затраты, З

122102

100,00

13.3 Расчёт себестоимости опытного образца

Целями совершенствования действующих технологических процессов и проектирования новых изделий являются снижение расходов материалов, энергии, затрат живого труда и повышение качества продукции. Обобщающим показателем расходов на производство изделия является себестоимость.

Себестоимость включает в себя затраты по следующим статьям:

  1.  сырье и основные материалы;
  2.  покупные комплектующие и полуфабрикаты;
  3.  топливо для технологических целей;
  4.  энергия для технологических целей;
  5.  основная заработная плата основных производственных рабочих;
  6.  дополнительная заработная плата основных производственных рабочих;
  7.  расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;
  8.  расходы на освоение новой продукции;
  9.  общецеховые расходы;

ИТОГО: цеховая себестоимость продукции;

  1.  потери от брака;
  2.  общезаводские расходы;
  3.  прочие производственные расходы;

ИТОГО: заводская или производственная себестоимость продукции;

  1.  внепроизводственные расходы.

ИТОГО: полная себестоимость продукции.

Затраты на сырье и основные материалы

Затраты на сырьё и основные материалы вычислим по формуле (13.3):

                                                 (13.3)

где i – виды основных материалов, используемых для производства данной продукции;

– расход материала i-гo вида на производство данной продукции;

– цена единицы материала i-гo вида с учетом транспортных и прочих расходов, без учета налога на добавленную стоимость (НДС);

– величина возвратных отходов, по материалу i-гo вида;

цена «единицы» возвратных отходов i-гo вида без НДС.

Затраты на сырьё и основные материалы приведены в табл. 13.4:

                          Таблица 13.4.

Затраты на сырье и  основные материалы

Наименование

Ед. изм.

Цена единицы. Руб.

Кол-во

Сумма, руб.

Печатная плата

кг.

600

1

600

Эмаль ЭЛ-9114

кг.

80

0.5

40

Спирт этиловый

Л.

90

0.5

45

Лак УР-231

кг.

500

0.5

250

Провод монтажный

м.

70

3

210

Винты

шт.

6

2

12

Шайбы

шт.

1

4

4

Канифоль

кг.

50

0.3

15

Припой ПОС 61

кг.

250

0.5

125

Флюс

кг.

320

0,2

64

Маркировочная краска

л.

50

0,1

5

Нефрас

л.

70

0,3

21

ИТОГО

1393

Затраты на покупные полуфабрикаты, комплектующие, используемые для изготовления данной продукции

Затраты на покупные полуфабрикаты, комплектующие, используемые для изготовления данной продукции вычислим по формуле (13.4):

 

                                                                              (13.4)

где j – число видов покупных полуфабрикатов и комплектующих, используемых для изготовления данной продукции;

     nj – применяемость j-го вида комплектующих в натуральных  единицах;

       Цj  –  цена единицы комплектующих j-го вида, свободная рыночная с учетом транспортных и прочих расходов, без учета НДС.  

Затраты на покупные изделия и полуфабрикаты приведены в табл. 13.5:

Таблица 13.5.

Затраты на покупные изделия и полуфабрикаты

Элементы

Количество, шт.

Стоимость, руб.

Микросхемы

10

24451

Резисторные сборки

22

23

Резисторы

85

11850

Диоды

2

136

Конденсаторы

73

1000

Транзисторы

8

537

Катушки индуктивности

1

5

Кварцевый генератор

1

2763

Вилки

1

76

Розетки

1

150

Диодная матрица

2

200

Трансформатор

4

200

Итого

41391

  

Энергия для технологических целей

Затраты на электроэнергию для технологических целей примем как 5% от величины прочих расходов:

Sэ =  Зн∙ 0,05

Sэ = 73261 ∙ 0,05 = 3663 руб.

 Основная заработная плата основных производственных рабочих

Здесь учитывается основная заработная плата основных производственных рабочих на единицу изготавливаемой продукции. Эта заработная плата вычисляется по формуле (13.5):

                                                                                     (13.5)

где   i – число операций технологического процесса по изготовлению          данной продукции;

ti – трудоемкость i-й операции в часах;

ri – часовая тарифная ставка рабочего.

Трудоёмкость на каждой операции изготовления устройства представлена в табл. 13.6:

Таблица 13.6.

Трудоемкость изготовления устройства

Наименование

производственной операции

Исполнитель

Затраты

времени,         ч.

Часовая

тарифная

ставка,

руб/час.

1

Первичная подготовка

материалов к производству

комплектовщик

2

80

2

Механическая обработка

материалов

слесарь

6

100

3

Изготовление деталей

устройства

слесарь

20

100

4

Контроль деталей

контролер

3

90

5

Подготовка деталей

к проведению лакокрасочных

работ

окрасчик

4

80

6

Визуальный контроль

исполнителем

слесарь

2

80

7

Лакокрасочные работы

лакировщик

4

120

8

Контроль деталей

контролер

2

90

9

Изготовление печатной

платы

оператор

26

120

10

Контроль печатной платы

контролер

8

90

11

Формовка выводов

комплектующих деталей

электро-

монтажник

3

120

12

Визуальный контроль

исполнителем

электро-

монтажник

1

120

13

Сборка печатной платы устройства

слесарь

6

100

14

Визуальный контроль

исполнителем

слесарь

2

120

15

Пайка печатной платы

устройства

электро-

монтажник

3

120

16

Контроль печатной платы

электро-

монтажник

5

90

17

Проверка и контроль

работоспособности устройства

регулировщик

24

150

Итого

-

121

1770

Рассчитаем основную заработную плату основных производственных рабочих на единицу изготавливаемой продукции:

Sосн=2∙80+6∙100+20∙100+3∙90+4∙80+2∙80+4∙120+2∙90+26∙120+8∙90+3∙120+1∙120+6∙100+2∙120+3∙120+5∙90+24∙150 = 14040 руб.

 Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих

Учитывает все доплаты (включая премии) к основной заработной плате, получаемые основными рабочими.

Дополнительная заработная плата производственных рабочих составляет 15 % от основной:

Sдоп = 0,15  14040 = 2106 руб.

Страховые взносы

Это страховые взносы на обязательное пенсионное страхование, обязательное социальное страхование на случай временной нетрудоспособности и  в связи с материнством, обязательное медицинское страхование, обязательное социальное страхование от несчастных случаев на производстве и проф. заболеваний. Вычисляются по формуле (13.6):

 

                                                           (13.6)

где НСН – централизованно установленные проценты отчисления на социальные нужды.

SСВ = 34 (14040 + 2106) / 100 % = 5489 руб.

Расходы на содержание, эксплуатацию оборудования

Расходы на содержание, эксплуатацию оборудования вычисляются по формуле (13.7):

                                                                   (13.7)

где Нсэо – процент расходов по содержанию, эксплуатации оборудования.

Согласно данным ФГУП «Государственный Рязанский приборный завод» Нсэо = 5 %.

SСЭО = 0,05 14040 = 702 руб.

Общецеховые расходы

Общецеховые расходы вычисляются по формуле (13.8):

                                                               (13.8)

где Ноцр – процент общецеховых расходов.

Ноцр=18,2%.

SОЦР = 0,182 14040 = 2555 руб.

Общая сумма предшествующих статей затрат образует цеховую себестоимость.  Цеховая себестоимость равна 71928 рублей.

Общезаводские расходы

Общезаводские расходы вычисляются по формуле (13.9):

                                                                (13.9)

где Нозр – процент общезаводских расходов. Нозр=81,8%.

SОЗР = 0,818 14040 = 11485 руб.

Прочие производственные расходы

Прочие производственные расходы вычисляются по формуле (13.10):

 

                                                                  (13.10)

где Нозр – процент прочих производственных расходов. Нозр=3,8%.

SППР = 0,038 14040 = 534 руб.

Сумма цеховой себестоимости и статей общезаводских расходов и  прочих производственных расходов отражает все затраты предприятия по производству данной продукции и представляет производственную себестоимость Sпр.

Sпр = 71928 + 11485 + 534 = 83947 руб.

Внепроизводственные расходы

Внепроизводственные расходы вычислим по формуле (13.11):

                                                               (13.11)

где Нвпр – процент внепроизводственных (коммерческих) расходов.

Hвпр=1,5%.

SВПР = 1259 руб.

Сумма производственной себестоимости и внепроизводственных расходов представляет собой полную себестоимость единицы продукции.

Полная себестоимость единицы продукции равна 84617 рублей.

Полную себестоимость единицы продукции приведена в табл. 13.7:                       

Таблица 13.7.

Полная себестоимость единицы продукции

Наименование статей расходов

Сумма, руб.

Затраты на сырье и основные материалы,

1393,00

Затраты на покупные полуфабрикаты, комплектующие, используемые для изготовления данной продукции,

41391,00

Энергия для технологических целей, SЭ

3663,00

Основная заработная плата основных производственных рабочих, Sосн

14040,00

Дополнительная заработная плата, Sдоп

2106,00

Страховые взносы, SСВ

5489,00

Расходы на содержание и эксплуатацию      оборудования, SСЭО

702,00

Общецеховые расходы, SОЦР

2555,00

Общезаводские расходы, SОЗР

11485,00

Прочие производственные расходы, Sпр

534,00

Внепроизводственные расходы, SВПР

1259,00

Итого

84617,00

13.4 Расчёт цены научно-исследовательской работы

Цену научно-исследовательской работы (НИР) рассчитаем по формуле (13.12):

                                         Цнир=З + Цп                                                                  (13.12)

где S- общие затраты на разработку, Цп – проектная цена изделия.

Проектная цена изделия определяется по формуле (13.13):

 

                                         (13.13)

НДС составляет 18% , а норма прибыли – 20%. Тогда получим:

Цп= (122102 + 84617) ∙1,18 ∙1,2 = 292714 руб.

Цнир= 122102 + 292714 = 414816 руб.

13.5 Расчет и выводы по эффективности предложений

  

При определении экономического эффекта в дипломных работах следует различать такие характерные случаи, определяемые целями конкретной разработки:

а) проектирование нового изделия в целях предполагаемого в дальнейшем его производства;

б) модернизация ранее выпускаемого изделия в целях снижения материальных затрат, трудоемкости, повышения выхода годных и прочее;

в)  внедрение новых технологических установок в целях улучшения экономических, технических или экологических характеристик производства, а также проектирование таких установок;

г) изменение технологических режимов на основе более совершенного использования действующих технологических установок в целях достижения повышенных экономических результатов;

д) внесение изменений в конструкции приборов в целях улучшения их эксплуатационных характеристик и технических  параметров или разработка новых изделий с улучшенными техническими параметрами, а также расширенными функциональными возможностями.

Рассчитаем прибыль от разработки МВИ, входящего в состав индикатора вертолётного для определения выгодности серийного производства по формуле (13.14):

                                   Р = (Цизд – Sп) N                                           (13.14)

где N  программа выпуска, Цизд – оптовая цена изделия.

Оптовая цена изделия складывается из себестоимости и прибыли от его производства. Расчет ведется по формуле (13.15):

                               Цизд = (S/N + Sп ) (1 + Кп)                                (13.15)

где Кп – коэффициент прибыли от производства изделия, в данном случае  прибыль составляет 20% и поэтому Кп=0,2.

С учетом узкой специализации данного изделия предполагаемый максимальный размер партии  N = 100 штук.

Цизд = (122102/100 + 84617) (1+0,2) = 103005 руб.

Р = (103005 – 84617) 100 = 1838800 руб.

Из анализа величины полученной прибыли делаем вывод о том, что производство блока эффективно даже при малых объемах производства.

14. Безопасность и экологичность проекта

Целью данного раздела является выявление и изучение опасных и вредных факторов, имеющихся в рабочем помещении с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ), степень их воздействия на работающих, а также разработка организационных и технических мероприятий, направленных на профилактику производственного травматизма и профессиональных заболеваний [3, 4].

14.1. Описание рабочего места, оборудования, выполняемых операций

Организация рабочего места с ПЭВМ регламентируется СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к ПЭВМ и организации работы».

Схема помещения с размещением оборудования и рабочих мест, а также дверные и оконные проемы представлена на рис. 14.1.

Рабочее место расположено в помещении: ширина – 6м, длина - 7м, высота - 3м. Площадь помещения S = 42 м2, объем V = 126 м3. Всего в этой комнате располагаются пять рабочих мест ПЭВМ. Поэтому на одно рабочее место приходится 8,4 м2 площади и 25,2 м3 пространства.

Стены и потолок покрыты гипсокартонными звукопоглощающими плитами, выкрашенными в белый цвет. Пол покрыт ламинатным покрытием 33 класса износостойкости, нескользким, удобным для очистки и влажной ежедневной уборки. В пространстве между стенами и плитами и щитами проложены коммуникации: электропитание ПЭВМ и оргтехники, освещения, сетевые кабели. Около каждого рабочего места находятся розетки электропитания и коммуникационные разъемы. Система освещения представлена двумя рядами ламп дневного света.

Рис. 14.1. Схема помещения

Напряжение в электрической сети составляет 220 В, частота 50 Гц, однофазная сеть переменного тока с глухозаземленной нейтралью.

Помещение снабжено центральной системой водяного отопления и системой кондиционирования.

ПЭВМ – типа IBM PC – состоит из профессионального широкоформатного жидкокристаллического монитора с диагональю 24’’, изготовленного по технологии LCD, системного блока, клавиатуры и манипулятора-мышь. Для печати различной конструкторской документации применяется черно-белый лазерный принтер. Каждый ПЭВМ имеет подключение к сети Internet для получения необходимой и актуальной справочной информации.

Описанные ПЭВМ установлены на специальной, предназначенной для комфортной работы, мебели. Сбоку расположен письменный стол для работы с бумагами, а также две тумбы для хранения бумаг. Стул имеет регулируемые высоту сиденья и угол наклона спинки.

Проектирование рабочих мест, снабженных мониторами,  относится к числу важнейших проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники. Эргономическими аспектами проектирования рабочих мест являются следующие:

  •  высота рабочей поверхности;
  •  размеры пространства для ног;
  •  требования к расположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от пользователя до экрана, документа, клавиатуры);
  •  характеристики рабочего кресла;
  •  требования к поверхности рабочего стола;
  •  регулируемость рабочего места и его элементов.

Конструкцией рабочего места обеспечивается выполнение трудовых операций в пределах зоны легкой досягаемости и оптимальной зоны моторного поля, приведенных на рис. 14.2.

Рис. 14.2. Зоны для выполнения ручных операций

и размещения органов управления

   На рис. 14.2:  

       1 – зона для размещения наиболее важных и очень часто используемых органов управления (оптимальная зона моторного поля);

2 – зона для размещения часто используемых органов (зона легкой досягаемости моторного поля);

3 – зона для размещения редко используемых органов управления (зона досягаемости моторного поля).

При организации рабочих мест учитываются следующие условия:

  •  расстояние между рабочими столами с видеотерминалами должно быть не менее 1,2 метра;
  •  высота рабочей поверхности в пределах 680 – 760 мм, а поверхность, на которую устанавливается клавиатура – 650 мм;
  •  высота сидения над уровнем пола в пределах 420 – 550 мм, причем поверхность сидения является мягкой, передний край закругленный, а угол наклона спинки – регулируемый;
  •  на рабочих местах рекомендуется предусматривать подставку для ног, причем ее длина должна быть 400 мм, а ширина – 350 мм, регулировка высоты от 0 до 150 мм, угол наклона от 0 до 200 .

Рабочий стол для ПЭВМ обеспечивает оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей (дисплея, клавиатуры и прочих), а также возможность выполнения трудовых операций в пределах досягаемости.

Поверхности рабочих столов с ПЭВМ матовые цвета натуральной древесины. Требуемые размеры рабочей поверхности стола определяются габаритами технических средств вычислительной техники, и не менее 800 мм в ширину и глубину.

Конструкция стула обеспечивает:

  •  ширину и глубину поверхности сиденья не менее 400 мм;
  •  поверхность сиденья с закруглённым передним краем;
  •  регулировку высоты поверхности сиденья в пределах 400-550 мм и углам наклона вперед до 15 градусов и назад до 5 градусов;
  •  высоту опорной поверхности спинки 300±20 мм, ширину не менее 380 мм и радиус кривизны в горизонтальной плоскости 400 мм;
  •  угол наклона спинки в вертикальной плоскости к пределах 0±30 градусов,
  •  регулировку расстояния спинки от переднего края сидения 260-400 мм.

Экран находится от глаз пользователя на оптимальном расстоянии 600 - 700 мм с учётом размеров знаков и символов, но не ближе 500 мм.

Клавиатура расположена на поверхности стола на расстоянии 100-300 мм от края, обращённого к пользователю, или на специальной подставке, регулируемой по высоте рабочей поверхности, отделённой от основной столешницы.

14.2. Идентификация опасных и вредных

производственных факторов

В настоящее время общепринятой является классификация опасных и вредных факторов, которые согласно ГОСТ 12.0.003-74 «ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация» по характерным видам воздействий, оказываемых на организм человека, подразделяются на физические, химические, биологические и психофизиологические.

Далее рассмотрены возможности влияния вышеописанных опасных и вредных факторов, а также меры по их уменьшению.

14.2.1.Освещенность рабочего места

Свет влияет на состояние высших психических функций и физиологические процессы в организме. Освещение производственных помещений и рабочих мест может быть естественным и искусственным.

Естественное освещение зависит от размеров световых проемов, светового климата местности, ориентации помещений и световых проемов относительно сторон света. Естественное освещение в помещениях осуществляется в виде бокового освещения, а величина освещенности соответствует требованиям норм. При выполнении работы высокой зрительной точности  коэффициент естественной освещенности (КЕО): не ниже 1,5%, а при выполнении работ средней точности: не ниже 1%. Ориентация световых проемов для помещений ПЭВМ должна быть северной, северо-западной или северо-восточной.

Для создания благоприятных зрительных условий в помещениях предпочтительными являются люминесцентные лампы. Их преимущества -  высокая светоотдача, продолжительный срок службы, малое энергопотребление, близость спектра излучения в естественному свету.

Уровни искусственного освещения рабочих мест в помещениях соответствуют нормам по СНиП РК 2.04-05-2002, величина освещенности при освещении люминесцентными лампами горизонтальной плоскости обеспечивается не менее 300 люкс для системы общего освещения и не ниже 750 люкс – для системы комбинированного освещения.

Местное освещение обеспечивается светильниками, установленными непосредственно на поверхности стола или его вертикальной панели. Источники света размещены таким образом, что исключают попадания прямого света в глаза. При этом защитный угол арматуры у этих светильников обеспечиваются не менее 300, а пульсация освещенности используемых люминесцентных ламп не превышает 10%.

Рассматриваемое помещение полностью соответствует нормам, предъявляемым к освещению.

14.2.2. Параметры микроклимата

В понятие "микроклиматические условия" воздушной среды рабочих помещений входят температура, относительная влажность, скорость движения воздуха, тепловое (инфракрасное) излучение.

По ГОСТ 12.1.005-88 все производственные помещения подразделяются на два класса. К первому отнесены помещения с незначительным избытком тепла (до 23 Дж/м3с), ко второму - помещения со значительным избытком тепла (более 23 Дж/м3с). Помещение относится к первому классу.

Работы производимые в конструкторском бюро согласно СанПиН 2.2.4.1294 – 96 «Гигиенические требования к аэродинамическому составу воздуха в производственных и общественных помещениях» можно отнести к легким физическим работам (категория Iб).

В помещениях обеспечиваются оптимальные параметры микроклимата, а также следующие условия:

  •  для повышения влажности воздуха  в помещениях с мониторами и ПЭВМ применяются увлажнители воздуха, заправляемые  ежедневно дистиллированной водой или прокипяченной питьевой водой;
  •  система отопления обеспечивает достаточное равномерное,  постоянное нагревание воздуха в холодное время года. При этом колебания температуры в течение суток не должно превышать

    2 –30 С.

Нормы микроклимата устанавливают допустимые значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха для рабочей зоны с учетом избытка явной теплоты, тяжести выполняемых работ и сезонов года. Нормы микроклимата приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1.  

Нормы температур в помещении с ПЭВМ

Холодное время           года

Теплое время года

Оптимальное значение

Оптимальное

значение

Температура, оС

22 – 24

23 – 25

Влажность воздуха, %

40 – 60

40 – 60

Скорость движения воздуха, м/с

0,1

0,1 – 02

Благодаря использованию кондиционеров воздуха в помещении  автоматически поддерживаются оптимальные параметры микроклимата в необходимых пределах в течение всего года.

14.2.3. Психофизиологические факторы

К психофизиологическим факторам, влияющим на работу инженера, относятся факторы, связанные с монотонностью и большим объемом обрабатываемой информации. При этом можно выделить следующие вредные последствия: перенапряжение анализаторов, статическое напряжение мышц, монотония, утомление, эмоциональные и умственные перегрузки.

Основная характеристика анализаторов - высокая чувствительность, при работе с ПЭВМ пользователь смотрит на экран монитора, который мерцает и вызывает раздражение. При превышении предела нормального восприятия возникает боль и нарушение деятельности анализаторов.

Гиподинамия – это нарушение функций организма при ограничении двигательной активности, снижении сил сопротивления мышц. Профилактика гиподинамии предусматривает производственную гимнастику, изменение рабочей позы в процессе деятельности.

Монотония (монотонность) – психическое состояние, вызванное восприятием однообразной информации. Работающий теряет интерес к объекту исследования.

Под утомлением понимают процесс понижения работоспособности, временный упадок сил, возникающий при выполнении определенной физической или умственной работы.

14.2.4. Химические факторы

Наличие химических факторов в помещении с ПЭВМ в основном обусловлено широким применением полимерных и синтетических материалов для покрытия пола, отделки интерьера, при изготовлении мебели, радиоэлектронных элементов систем электропитания и так далее. Кроме того, технология производства средств вычислительной техники предусматривает применение всевозможных покрытий лаками, пластиками, синтетическими смолами. При работе радиоэлектронных устройства нагреваются из-за тепловыделений, что способствует увеличению концентрации вредных веществ и соединений в воздухе рабочей зоны.

14.3. Мероприятия по разработке безопасных условий

труда на рабочем месте

Мероприятия по разработке безопасных условий труда - запланированная конкретная деятельность организации, направленная на выполнение целей в области охраны труда, определяемых требованиями законодательных и иных нормативных правовых актов, а также политикой организации в области охраны труда; является составной частью системы управления охраной труда (СУОТ), обеспечивает осуществление программ по охране труда.

В соответствии с ГОСТ Р 12.0.006-002 и с международными стандартами по СУОТ необходимо вводить и поддерживать порядок непрерывного выявления опасных факторов, оценки риска и принятия мер для снижения уровня риска, разрабатывать профилактические и корректирующие мероприятия на основе результатов мониторинга условий труда.

Организационные мероприятия - часть общей системы организации труда и производства; предусмотрены нормативными документами.

К ним относятся: выполнение требований научной организации труда; аттестация и сертификация рабочих мест; инструктирование персонала по охране труда; профессиональный отбор и организация медицинских осмотров; социальное страхование; расстановка персонала в соответствии с квалификацией; разработка планов ликвидации последствий аварий; разработка и выполнение планов осмотра и ремонта оборудования; разработка графика уборки рабочих мест; составление перечня опасных работ; расследование, учет и анализ несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний; организация специального питания; пропаганда охраны труда; разработка системы мер поощрения и наказания.

К техническим мероприятиям относится обеспечение выполнения требований безопасности к производственному оборудованию, его размещению, техническим средствам защиты персонала, методикам и приборам по контролю параметров среды и уровня опасных и вредных факторов.

Инструкция по охране труда - нормативный акт, устанавливающий требования по охране труда при выполнении работ в производственных помещениях, на территории предприятия, на строительных площадках и в иных местах, где производятся эти работы или выполняются служебные обязанности.

Изучение инструкций для работников обеспечивается работодателем. Требования инструкций являются обязательными для работников. Невыполнение этих требований должно рассматриваться как нарушение трудовой дисциплины.

14.4. Обеспечение электробезопасности на рабочем месте

Основным документом, регламентирующим требования к электробезопасности при работе с ПЭВМ, является ГОСТ 12.1.019-79 «ССБТ. Электробезопасность. Общие требования».

Опасность поражения электрическим  током во многом зависит  от условий эксплуатации электроаппаратуры, характеризующих помещение.

Для обеспечения приемлемого уровня электробезопасности необходимо, чтобы в помещении, где происходит работа с ПЭВМ, отсутствовали условия, создающие повышенную или особую опасность: сырость (относительная влажность воздуха длительно превышает 75 %; повышенная температура воздуха превышающая +35С; токопроводящий пол, например металлический, железобетонный и тому подобное (т.п.); химически активная или органическая среда,  разрушающие изоляцию и токоведущие части; возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землёй металлоконструкциям зданий, механизмов и  т.п. и металлическим элементам  электроустройств, которые могут оказаться под напряжением при повреждении рабочей изоляции.

Для обеспечения электробезопасности в помещении предусмотрены следующие средства защиты: защитное зануление; защитное отключение (в помещении 2 устройства защитного отключения АСТРО*УЗО Ф-2211 типа А, рассчитанных на ток утечки 30 мА: по одному на всю группу освещения, на группу розеток); знаки и плакаты безопасности.

14.5. Обеспечение пожарной безопасности на рабочем месте

Пожар может возникнуть при тепловом воздействии электрического тока, проходящего по проводам при неисправностях или перегрузках, а также из-за искрения в аппаратуре и контактах.

Ряд требований в отношении пожарной охраны к производственным помещениям предъявляет ГОСТ 12.1.004-91 «Общие требования», а также СН и 23-05-95 «Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений и правила устройства электроустановок».

Степень огнестойкости зданий принимается в зависимости от их назначения, категории по взрывопожарной и пожарной опасности, этажности, площади этажа в пределах пожарного отсека.

Категорию помещения по  пожарной опасности определим путем последовательной проверки принадлежности помещения к категориям, приведенным в НПБ 105-03 ("Нормы пожарной безопасности «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности"), от высшей (А) к низшей (Д). Помещение относится к категории "В", поскольку здесь присутствуют горючие (книги, документы, мебель, оргтехника) и трудносгораемые вещества, которые при взаимодействии с огнем могут гореть без взрыва.

Определим, к какой категории: В1, В2, В3 или В4 относится данное помещение. Определение пожароопасной категории помещения осуществляется путем сравнения максимального значения пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки.

При пожарной нагрузке, включающей в себя различные сочетания (смесь) горючих, трудногорючих жидкостей, твердых горючих и трудногорючих веществ и материалов в пределах пожароопасного участка, пожарная нагрузка Q, МДж, определяется по формуле (14.1):

                                            (14.1)

где Gi - количество i-го материала пожарной нагрузки, кг; Qpнi - низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки, МДж×кг-1.

Удельная пожарная нагрузка g, МДж×м-2, определяется из соотношения (14.2):

                                                                                                                                              (14.2)

где S - площадь размещения пожарной нагрузки, м2 (но не менее 10 м2).

Для помещения количество материала пожарной нагрузки и низшая теплота сгорания материала пожарной нагрузки приведены в табл. 14.2:

Таблица 14.2.

Материал пожарной нагрузки и его характеристики

         

          Материал

Количество материала пожарной нагрузки, кг

Низшая теплота сгорания материала пожарной нагрузки, МДж×кг-1

Древесина

50

13,8

Искусственная кожа

3,5

17,76

Бумага

10

13,4

ДСП

250

17,33

Пластмасса

10

41,87

Ламинат

20

17,33

Q = 13,8∙50+17,76∙3,5+13,4∙10+33∙250+41,87∙10+17,33∙20 = 9902 МДж

g = 9902 МДж/ 42 м2 = 236 МДж×м-2 

Помещение относится к категории В3, т.к. полученное значение удельной пожарной нагрузки лежит в диапазоне 181-1400 МДж×м-2.

В помещении размещен один  порошковый огнетушитель типа ОП-3(3)-ABCE. Он пригоден для тушения твердых горючих веществ (А), горючих жидкостей (В), горючих газов (С), электрооборудования под напряжением до 1 кВ (Е) с безопасного расстояния не менее 1 м.

Для непрерывного контроля помещения необходимо установить систему автоматической пожарной сигнализации, для этого используется комбинированные извещатели типа КИ-1 из  расчета один извещатель на 100 м² помещения. Пользователи допускаются к работе на персональных ЭВМ только после прохождения инструктажа по безопасности труда и пожарной безопасности.

14.6. Расчет параметров микроклимата

Особенности эксплуатации электронного оборудования требуют использования развитых систем отопления и кондиционирования воздуха. Оптимальными параметрами микроклимата на рабочем месте, в зоне работы персональных ЭВМ, будем считать температуру воздуха (23–25) ºС, при относительной влажности воздуха  (40 – 60)%  и скорости движения воздуха до 0.1 м/с .

Выбор системы охлаждения и кондиционирования воздуха (СОКВ) будем производить, учитывая ряд следующих факторов:

  •  тепловые нагрузки от ПЭВМ и других источников;
  •  требования к физико-химическому составу воздуха и его запыленности;
  •  габариты ПЭВМ;
  •  равномерность распределения тепловых нагрузок по площади помещения зала;
  •  необходимую степень надежности работы СОКВ и т.п.

Учитывая вышеозначенные требования, применительно к конкретным условиям нашего рабочего места, выбираем СОКВ, с использованием бытовых кондиционеров (БК), установленных в окнах и подающих обработанный воздух непосредственно в помещение (см. рис. 14.3).

      Рис. 14.6. Схема подачи воздуха с помощью БК

Для выбранной схемы СОКВ из табл. 14.3 выбираем соответствующий тип кондиционера:

Таблица 14.3.

Характеристики кондиционеров

Характеристики

КТА110

ЭВМ

 КТА125

   ЭВМ

КТА1-8

ЭВМ

БК-1500

БК-2000

БК-2500

Производительность

по воздуху, м3/ч

104

6.3×103

2×103

  400

500

630

Производительность

по холоду, кВт

  46,5

    29

    9,9

 1,74

2,3

2,9

Руководствуясь данной таблицей, выбираем кондиционер модели БК-1500.

Теперь произведем приближенный расчет числа кондиционеров. При расчете числа кондиционеров необходимо решить следующую систему уравнений:

                       (14.3)

                        (14.4)

где QЭВМ – тепловыделения соответствующих устройств ЭВМ, в нашем случае в зале стоит 5 персональных ЭВМ по 400 Вт каждая, итого

QЭВМ =2кВт;

QК – производительность кондиционера по холоду (см. табл. 14.3);

N – необходимое число кондиционеров;

GК – производительность кондиционера по воздуху (см. табл. 14.3);

tВн – температура воздуха в зале;

tК – температура воздуха до которой он охлаждается кондиционером;

tН – температура наружного воздуха для теплого периода года tН =28,5 ºС;

СК – средняя теплоемкость охлаждающего воздуха, кДж/кг. ºС.

                                        (14.5)

где d – влагосодержание воздуха, г/кг.

                                            (14.6)

где φ – относительная влажность в долях;

Р – упругость насыщенного пара при температуре tК см. табл. 14.4;

В – полное барометрическое давление будем считать, что В=993 гПа.

Рассчитаем СК и СН Н определяется аналогично СК, но при tН и φН):

Таблица 14.4.

Упругость насыщенного пара

t, ºС

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Р, гПа

23.38

24.86

26.43

28.08

29.83

31.67

33.60

35.64

37.79

40.04

2.42

кДж/кг.ºС;

кДж/кг.ºС.

Из уравнения (14.4) определяем:

Подставляя tК в уравнение и выразив N, получим нужное нам количество кондиционеров:

где int – целая часть.

Таким образом, два кондиционера марки БК-1500 обеспечат оптимальные параметры микроклимата на рабочем месте.

14.7. Экологичность проекта

Применяемые при разработке программные средства не могут загрязнять окружающую среду. Опасность может вызывать сам компьютер, точнее его расходные материалы - бумага, тонер. Но все они являются экологически безопасными и могут быть утилизированы.

ПЭВМ изменяет окружающий электромагнитный и радиационный фон, но она разработана в соответствии с жесткими стандартами и подлежит обязательной проверке на соответствие санитарным нормам и сертификации. Поэтому её влияние на среду - минимальное.

Работа ПЭВМ характеризуется потреблением большого количества электрической энергии. Все это связанно низким коэффициентом полезного действия (КПД) блока питания (75-85%), отсутствием энергосберегающих режимов работы, большими потерями при преобразовании напряжения. В целях энергосбережения все чаще используются блоки питания с повышенным КПД; активно внедряются как программные, так и аппаратные средства для регулировки питающего напряжения устройств, в зависимости от их активности; разрабатываются все новые и новые техпроцессы производства кремниевых пластин.

Заключение

В ходе выполнения дипломного проектирования был проведен следующий перечень работ:

  •  выполнено описание структурной схемы и компоновка индикатора, в состав которого входит конструируемый МВИ;
  •  с помощью программы РCAD 2006 выполнена компоновка и трассировка платы МВИ.
  •  выбраны необходимые конструкционные материалы, покрытия и электрорадиоэлементы, удовлетворяющие требованиям технического задания;
  •   с помощью программы SolidWorks выполнен анализ течения воздушного потока в индикаторе и выданы рекомендации для обеспечения более оптимального распределения потоков в индикаторе;
  •  проведены расчеты механической прочности платы МВИ, рассчитаны механические размерные цепи;
  •  расчет надежности МВИ показал, что среднее время наработки до отказа превышает надежность, заданную в ТЗ;
  •  разработан технологический процесс сборки печатной платы МВИ;
  •  в ходе выполнения экономической части выполнено технико-экономическое обоснование темы дипломного проектирования, рассчитаны затраты на разработку модуля, составлен ленточный график, рассчитана себестоимость опытного образца и цена НИР, а также сделаны выводы по эффективности предложений;
  •  в разделе «безопасность и экологичность проекта» проанализированы опасные и вредные факторы, которым подвергается инженер-конструктор в ходе работы над дипломным проектом, в результате чего было правильно выбрано рабочее место и проведен расчет параметров микроклимата.
  •  выполнен полный комплект конструкторской документации в соответствии с требованиями единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и пакет необходимой технологической документации в соответствии с требованиями единой системы технологической документации  (ЕСТД).

Результаты, полученные в ходе дипломного проектирования, показывают, что возможно изготовление МВИ, полностью удовлетворяющего требованиям технического задания и целесообразного с экономической точки зрения изделия.

Следует отметить, что в настоящее время идет бурное развитие радиоэлектронных информационных систем, а, следовательно, изделия такого плана будут широко востребованы в ближайшем будущем.

Библиографический список

  1.  Алямовский А.А. Компьютерное моделирование в инженерной практике. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2008.
  2.  Арзамасов Б.Н. и др. Конструкционные материалы. Справочник. М.: Машиностроение, 1990.
  3.  Безопасность и экологичность проекта. Методические указания для дипломников / Ю.В. Зайцев, Н.В. Веселкин, С.И. Кордюков, А.Я. Агеев. Рязань: РГРТУ, 2002.
  4.  Белов С. В. и др. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов. М.:1999.
  5.  Богородицкий Н.П., Пасынков В.В. Материалы в радиоэлектронике. М.: государственное энергетическое издательство, 1981
  6.  Васина Л.В. и др. Выполнение экономической части дипломного проекта. Методические указания. Рязань: РГРТУ, 2008.
  7.  Жарков Н.В. AutoCAD 2009: официальная русская версия. Санкт-Петербург: Наука и Техника, 2009.
  8.  Компоненты поверхностного монтажа. Каталог.М.: ЗАО "Остек", 1998.

9. Румянцев В.П. Конструирование  радиоэлектронных   средств.   Методические указания к курсовому проектированию. Рязань, РРТИ, 1993.

10. Нелидкин A.M., Миннигулов И.А. Размерные цепи в системе допусков и посадок. Рязань: РГРТА, 1992.

  1.   Нефедов А.В. Зарубежные цифровые микросхемы и их аналоги. Каталог. М.: РадиоСофт, 1999.
  2.   Овсищер П.И.  и др. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры: Справочное   пособие. М.: Радио и связь, 1982.
  3.   Нефедов А.В. Зарубежные цифровые микросхемы и их аналоги. Каталог. М.: РадиоСофт, 1999.
  4.    Дыкин В.И. Расчет пластинчатых конструкций РЭС на вибрационные воздействия. Методические указания. Рязань: РГРТА, 1995.
  5.    Романычевой Э.Т. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. М: Радио и связь, 1989.
  6.    Сучков  Д.И. Проектирование  печатных  плат  в  САПР  PCAD.   Учебное методическое пособие. Обнинск: Микрос, 1992.
  7.    Цветков А.Ф. Надежность РЭС. Методические указания. Рязань: РГРТА, 1973.
  8.   http://kazus.ru/datasheets/abc.htm. 07.04.2011.
  9.   http://pcadbegin.webtm.ru/. 05.03.2011.
  10.   http://www.solidworks.ru/. 23.04.2011.
  11.   http://solidworks-nsk.ru/video.php. 13.04.2011.

Приложение 1

Технологический процесс сборки печатной платы МВИ

Приложение 2

Графический материал

   

PAGE  16


2

1

2

60 0

3

120 0

4

5

3

7

10

6

6

10

15

7

5

4

13

1

3

2

5

8

10

7

6

9

11

3

4

12

90

80

70

60

50

40

30

20

10

AutoCAD 2011

     PC-TRANS

     PC-ROUTE

     PC-PLACE

     PC-NODES

     SHEMATIC

EMBED AutoCAD.Drawing.15  

EMBED AutoCAD.Drawing.15  

EMBED Visio.Drawing.6

 6

 7

 5

       4

       3

       2

       1

 1

2

       3

 5

 4

3

3

мм

600

400

400

200

0

200

400

600

400

200

600

400

200

0

0

мм

ПЭВМ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1761. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНАТОВ РЗЭ И АЛЮМИНИЯ ДЛЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ 1.44 MB
  Физико-химические и люминесцентные свойства гранатов, основные способы соединения со структурой граната, кристаллохимические особенности соединений со структурой гранат, термостимулированная люминесценция в соединениях со структурой граната.
1762. Об итерационных методах решения операторных уравнений второго рода 1.44 MB
  Метод ускорения сходимости монотонных приближений к решению уравнения. Построение приближений, сходящихся к спектральному радиусу и собственному вектору линейного оператора. Построение приближений, сходящихся к собственному вектору линейного оператора. Об одном варианте метода Зейделя.
1763. Литургия в творчестве русских композиторов конца XVIII - XX веков. Специфика жанра и организация цикла 1.43 MB
  Авторский хоровой цикл литургии: богослужебный и музыкально-художественный аспекты. Литургия в жанровой системе духовно-музыкального искусства. Проблемы организации авторского литургийного цикла. Богослужебная структура и принципы музыкальной композиции. Литургия как исторически типизированная композиция. Богослужебная структура. Соотношение сакральной и художественной сфер в русской духовной музыке. Научно-теоретические подходы. Литургия Иоанна Златоуста ор. 41 П. Чайковского. Богослужебный канон и авторское художественное творчество.
1764. Духовная культура Ставрополья XIX – XX вв. (на примере фольклорных традиций) 1.42 MB
  Исторические предпосылки развития духовных традиций Ставропольской губернии. Отражение социально-политических явлений XX в. в фольклоре региона. Повседневная жизнь населения Ставрополья в фольклорном контексте. Традиции и формы организации свободного времени.
1765. Описательная психиатрия с позиции психоанализа 1.42 MB
  Психиатрия и клиническая психология - время перемен. Интерпретация понятий описательной психиатрии с позиций психоанализа традиционно входят в программу по усовершенствованию психиатров, психологов, сексологов и невропатологов.
1766. Фьючерсные форвардные и опционные рынки 1.42 MB
  В учебном пособии рассматриваются теоретические и практические вопросы функционирования зарубежного и нарождающегося российского рынка срочных контрактов. Книга представляет собой новый шаг в дальнейшем освещении малоизученных и потому пока еще сложных вопросов, связанных с операциями над ценными бумагами. Один из разделов посвящен описанию организации фьючерсной торговли на Московской товарной бирже, хорошо знакомой автору на практике.
1767. AppleScript Scripting Reference 1.41 MB
  Running JavaScript based Action Manager code from AppleScript. AppleScript Objects. JPEG save options. layer comp, layer comps. raw format open options. Preferences for the Adobe Photoshop CS2 application.
1768. Концепт скука в прозаическом тексте И.А. Гончарова 1.42 MB
  Концепт скука в прозаическом тексте И.А. Гончарова. Метапоэтические данные о скуке и скучающем герое в рефлексии И.А. Гончарова: термины и понятия. Особенности речевого поведения скучающего героя. Особенности языковой личности скучающего героя.
1769. МЕСТНЫЕ ОРГАНЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ВЛАСТИ И МЕСТНОЕ САМОУПРАВЛЕНИЕ В КАЛМЫКИИ В СЕРЕДИНЕ XIX-XX ВВ. (ИСТОРИКО-ПРАВОВОЙ АНАЛИЗ) 1.42 MB
  ФОРМИРОВАНИЕ МЕСТНЫХ ОРГАНОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ВЛАСТИ В КАЛМЫКИИ В СЕРЕДИНЕ ХIХ – НАЧАЛЕ ХХ ВЕКОВ. МЕСТНЫЕ ОРГАНЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ВЛАСТИ И МЕСТНОЕ САМОУПРАВЛЕНИЕ В КАЛМЫКИИ В ХХ ВЕКЕ.