Разработка конструкции и технологии изготовления измерителя емкости
где mЭ - масса элементов;
mn - масса платы.
Печатная плата цифровая выполнена из стеклотекстолита. Его плотность равна: r = 2 г/см3. Коэффициент, учитывающий материал Km = 0,74. Размеры платы (190 х100 х 1,5)мм. Масса элементов - 157г.
Определяем массу платы: , (5.6)
Подставляя значения в (5.6), находим:
г.
Подставляя данные в (5.1), получим:
.
Значение коэффициента В для способа закрепления платы, равно 93.
Подставляя значения в (5.4), получим значение собственной частоты цифровой платы измерителя емкости.
Гц.
Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний плат удовлетворяла условию:
, (5.7)
где b - безразмерная постоянная, выбирается в зависимости от величины частоты собственных колебаний и воздействующих вибраций, 35.
b - размер короткой стороны платы, 100мм.
nbmax - вибрационные перегрузки в единицах g, 3...10.
Гц.
Условие (8.35) выполняется: , по аналогии показатель для платы блока , таким образом, платы будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибраций
6. Расчет конструктивных параметров изделия
6.1 Расчет надежности
Надежность есть свойство системы сохранять величины выходных параметров в пределах установленных норм при заданных условиях. Под “заданными условиями” подразумеваются различные факторы, которые могут влиять на выходные параметры системы и выводить их за пределы установленных норм.
Поскольку элементы в общем случае могут находиться в рабочем режиме различное время, отличающееся от рабочего времени изделия, это также должно учитываться при расчете надежности. Расчет измерителя выполнен с учетом следующих допущений:
отказы элементов являются случайными и независимыми процессами или событиями;
учет влияния условий эксплуатации производится приблизительно;
параметрические отказы не учитываются;
вероятность безотказной работы элементов от времени изменяется по экспоненциальному закону.
Нам необходимо рассчитать полную надежность прибора при работе в условиях воздействия повышенных температур.
Исходные данные для расчета надежности прибора в условиях повышенных температур окружающей среды приведены в таблице 6.1.
Исходные данные для расчета надежности при воздействии повышенной температуры окружающей среды
Таблица 6.1
N п/п |
Наименование элементов |
l0i·10-6, 1/час |
Кол-во элементов |
Sl0i·10-6, 1/час |
kн | a1,2 | a3,4 | П(ai) | ti, час |
1 | ИМС | 0,08 | 10 | 0,8 | 0,7 | 2,5 | 2 | 5 | 0,6 |
2 | Транзисторы | 0,04 | 3 | 0,12 | 0,7 | 0,9 | 2 | 1,8 | 0,4 |
3 | Диоды | 0,02 | 13 | 0,38 | 0,7 | 1 | 2 | 2 | 0,4 |
4 | Резисторы постоянные | 0,005 | 34 | 0,17 | 0,6 | 0,9 | 2 | 1,8 | 0,6 |
5 | Резисторы переменные | 0,05 | 2 | 0,1 | 0,6 | 0,9 | 2 | 1,8 | 0,6 |
6 | Конденсаторы керамические | 0,005 | 26 | 0,13 | 0,6 | 0,15 | 2 | 0,3 | 0,5 |
7 | Конденсаторы Электролитические | 0,55 | 3 | 1,65 | 0,5 | 0,3 | 2 | 0,6 | 0,5 |
8 | Разъемы | 2,7 | 5 | 13,5 | 0,5 | 0,7 | 2 | 1,4 | 0,7 |
9 | Плата печатная | 0,02 | 2 | 0,04 | 0,7 | 0,35 | 2 | 0,7 | 3 |
10 | Шайба | 0,075 | 2 | 0,15 | 0,5 | 0,35 | 2 | 0,7 | 0,4 |
11 | Винты | 0,001 | 8 | 0,008 | 0,5 | 0,35 | 2 | 0,7 | 0,4 |
12 | Соединения пайкой | 0,04 | 3620 | 14,8 | 0,6 | 1,1 | 2 | 2,2 | 0,2 |
13 | Несущая конструкция | 0,3 | 1 | 0,3 | 0,7 | 0,35 | 2 | 0,7 | 1 |
Интенсивность отказов рассчитывается по (6.15)
, (6.1)
где li 0 - справочное значение интенсивности отказа i-го элемента;
m - общее число учитываемых эксплуатационных факторов;
aj - поправочный коэффициент.
n - общее число элементов конструкции.
В наших расчетах используются комбинированные поправочные коэффициенты:
a1,2 - учитывающий одновременно температуру и электрический режим;
a3,4 - учитывающий одновременно кинематические и механические нагрузки.
Для определения поправочных коэффициентов aj, воспользуемся обобщенными таблицами и графиками [4].
Средняя наработка на отказ данного изделия определяется по (6.2)
. (6.2)
Вероятность безотказной работы рассчитывается по (6.3)
. (6.3)
Среднее время восстановления рассчитывается по (6.4)
(6.4)
где qi - вероятность отказа из-за выхода из строя элемента i-ой группы;
k - число групп элементов.
Вероятность восстановления рассчитывается по (6.5)
(6.5)
где t - заданное время восстановления.
Коэффициент готовности рассчитывается по (6.6)
. (6.6)
Коэффициент ремонтопригодности рассчитывается по (6.7)
. (6.7)
Вероятность безотказной работы с учетом восстановления рассчитывается по (6.8)
. (6.8)
Доверительные границы для наработки на отказ рассчитываются по (6.9)
, (6.9)
где n = 10...15 - число отказов достаточных для определения надежности;
a = 0,9...0,99 - достоверность определения границ;
;
l2 - функция, определяемая в зависимости от числа степеней свободы и доверительной вероятности.
Параметры надежности, полученные в результате расчета, сведены в таблицу 6.2.
Результаты расчета надежности. Таблица 6.2
Параметры надежности | Значения |
Средняя наработка на отказ | 102839,7 |
Вероятность безотказной работы | 0,93 |
Среднее время восстановления | 0,3 |
Вероятность восстановления | 0,99712 |
Коэффициент готовности | 0,9999 |
Коэффициент ремонтопригодности | 0,0001 |
Вероятность безотказной работы с учетом восстановления | 0,98789 |
Доверительные границы для наработки на отказ | 202315,3...402386,5 |
Как видно из результатов расчета, приведенных в таблице 6.2, полученные значения полностью соответствуют заданным в техническом задании.
6.2 Расчет теплового режима
Расчет теплового режима РЭС заключается в определении по исходным данным температуры нагретой зоны и температур поверхностей теплонагруженных радиоэлементов и сравнения полученных значений с допустимыми для каждого радиоэлемента в заданных условиях эксплуатации.
Определяем среднюю температуру воздуха в блоке.
Исходными данными для проведения последующего расчета являются:
Kз- коэффициент заполнения по объему 0,8;
суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, Вт 3;
давление окружающей среды, кПа 84;
давление внутри корпуса, кПа 64;
габаритные размеры корпуса, м 0,17ґ0,15ґ0,1;
температура окружающей среды, °С 20.
Средний перегрев нагретой зоны неперфорированного корпуса блока с естественным воздушным охлаждением определяется по следующей методике [4]:
Рассчитывается поверхность корпуса блока:
, (6.10)
где L1, L2 - горизонтальные размеры корпуса, м;
L3 - вертикальный размер, м.
Для разрабатываемой конструкции блока L1 = 0,17м, L2 = 0,15м, L3 = 0,1м. Подставив данные в (6.10), получим:
м2.
Определяется условная поверхность нагретой зоны:
, (6.12)
где kЗ - коэффициент заполнения корпуса по объему. В нашем случае kЗ = 0,8. Подставляя значение kЗ в (6.12), получим:
м2.
Определяется удельная мощность корпуса блока:
, (6.13)
где Р - мощность, рассеиваемая в блоке. Для разрабатываемого блока Р=3Вт.
Тогда: Вт/м2.
Определяется удельная мощность нагретой зоны:
Вт/м2. (6.14)
Находится коэффициент Q1 в зависимости от удельной мощности корпуса блока:
.
Находится коэффициент Q2 в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:
.
Определяется коэффициент КН1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока: ,
где Н1 - давление окружающей среды в Па. В нашем случае Н1=84кПа. Подставив значение Н1 в , получим: .
Определяется коэффициент КН2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока: ,
где Н2 - давление внутри корпуса в Па.
Для неперфорированного корпуса Н2=64кПа. Тогда:
.
9. Рассчитывается перегрев корпуса блока:
(6.19)
Определяется перегрев нагретой зоны:
(6.20)
Определяется средний перегрев воздуха в блоке:
(6.21)
Определяется температура корпуса блока:
(6.22)
Определяется температура нагретой зоны:
(6.23)
Находится средняя температура воздуха в блоке:
(6.24)
Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого прибора обеспечивается нормальный тепловой режим применяемых в нем радиоэлементов в процессе эксплуатации, т.е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин. Таким образом, выбранная конструкция корпуса и естественного способа охлаждения путем конвекции воздуха не нуждается в изменении и применении в ней других способов охлаждения. Естественный способ охлаждения является наиболее легко реализуемые и требует минимальных затрат с экономической точки зрения по сравнению с другими способами охлаждения РЭС.
7. Технологическая часть
7.1 Расчет комплексного показателя технологичности конструкции
Под технологичностью конструкции следует понимать такое сочетание конструктивно-технологических требований, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное производство изделий при соблюдении всех технических и эксплуатационных условий.
Обеспечение технологичности конструкции РЭА - функция подготовки производства, предусматривающая взаимосвязанное решение конструкторских и технологических задач на стадиях проектирования, конструирования, ТПП, изготовления опытных образцов, передача изделия в серийное производство и эксплуатацию, направленных на повышение производительности труда, достижения оптимальных трудовых и материальных затрат, сокращении времени на производство, техническое обслуживание и ремонт изделия (ГОСТ 14.201-83).
Оценка технологичности конструкции может быть качественной и количественной.
К качественным характеристикам технологичности конструкции относят взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность и инструментальную доступность конструкции. Она характеризует конструкцию обобщенно, на основании опыта специалистов-исполнителей.
Количественная оценка технологичности конструкции основана на системе показателей, численное значение которого характеризует степень удовлетворения требованиям технологичности конструкции.
Целью такой оценки является обеспечение эффективной отработки аппаратуры на технологичность при снижении времени и средств на ее разработку, технологическую подготовку производства, изготовление, эксплуатацию и ремонт.
Главными факторами, определяющими требования к технологичности конструкции, являются: наименование изделия, объем выпуска, тип производства.
Объем выпуска и тип производства определяют степень технологического оснащения, механизации и автоматизации технологического процесса и специализацию всего производства.
Для оценки технологичности конструкции используются относительные частные показатели Кi и комплексный показатель Кк, рассчитываемый по средневзвешенному значению относительных частных показателей с учетом коэффициентов Fi. Эти коэффициенты характеризуют весовую значимость частных показателей, т.е. степень их влияния на трудоемкость изготовления изделия. Значение показателей Кi находятся в пределах 0<Кi<=1, при этом рост показателя соответствует более высокому значению технологичности изделия.
Комплексный показатель определяется на основе частных показателей по формуле:
(7.1)
где Кi - показатель, определяемый по таблице значений частных показателей соответствующего класса;
ji - коэффициент веса, показывающий влияние частных показателей на комплексный (там же);
S - общее число показателей.
Все блоки РЭА условно разделены на 4 класса:
1) электронные;
2) радиотехнические;
3) электромеханические;
4) коммутационные.
К электронным относят логические и аналоговые блоки оперативной памяти, блоки автоматизированных систем управления и электронно-вычислительной техники, где число ИМС больше или равно числу ЭРЭ. К радиотехническим относятся приемно-усилительные блоки, источники питания, генераторы сигналов и т.п. К электромеханическим блокам относятся механизмы привода, отсчетные устройства, кодовые преобразователи и т.п.; к коммутационным относятся соединительные, распределительные блоки, коммутаторы и т.п.
Измеритель емкости относится к радиотехническим блокам.
В таблице 7.1 представлены исходные данные для расчета коэффициентов технологичности.
Исходные данные для расчета коэффициентов технологичности. Таблица 7.1
Наименование |
Обозначение |
Численное значение |
1 | 2 | 3 |
1.Общее количество ЭРЭ в штуках | НЭРЭ | 86 |
2.Количество ЭРЭ в штуках, подготовка которых осуществляется механизированным или автоматизированным способом | НМП ЭРЭ | 75 |
3.Количество монтажных соединений, которые осуществляются механизированным способом | Нам | 184 |
4.Общее количество монтажных соединений | НМ | 203 |
5.Общее количество типоразмеров ДСЕ | ДТ | 13 |
6.Количество типоразмеров заимствованных ДСЕ, ранее освоенных на предприятии | ДТ.З | 8 |
7.Количество автоматизированных операций контроля и настройки | НМ.К.Н. | 7 |
8.Общее количество операций контроля и настройки | НКН | 17 |
9. Общее число микросхемам | КЭ.МС | 30 |
10. Общее число ИЭТ, не вошедших в микросхемы | НИЭТ | 102 |
11.Общее количество деталей в изделии | Д | 15 |
12. Количество деталей, изготовляемых с применением типовых технологических процессов | ДТП | 8 |
13. Количество типоразмеров печатных плат в изделии | ДТ.ПП | 2 |
14. Общее число печатных плат | ДПП | 2 |
1) Коэффициент механизации и автоматизации подготовки ЭРЭ к монтажу определяется по формуле:
, (7.2)
где НМ.П.ЭРЭ - количество ЭРЭ в штуках, подготовка которых осуществляется механизированным или автоматизированным способом. В число указанных включаются ЭРЭ, не требующие специальной подготовки к монтажу (разъемы, реле, патроны и т.п.);
НЭРЭ - общее количество ЭРЭ в штуках. К ЭРЭ относятся транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы, разъемы и т.п.
2) Коэффициент автоматизации и механизации монтажа определяется по формуле:
, (7.3)
где НА.М. - количество монтажных соединений, которые осуществляются механизированным или автоматизированным способом. Для блоков на печатных платах механизация относится к установке элементов и последующей пайке;
НМ - общее количество монтажных соединений. Для ЭРЭ, микросхем, разъемов, реле и т.п. определяется по количеству выводов.
3) Коэффициент освоенности ДСЕ:
(7.4)
где ДТ.З - количество типоразмеров заимствованных ДСЕ, ранее освоенных на предприятии;
ДТ - общее количество типоразмеров ДСЕ в РЭС.
4) Коэффициент механизации и автоматизации операций контроля и настройки электрических параметров КМ.К.Н. определяется по формуле:
, (7.5)
где НМ.К.Н. - количество операций контроля и настройки, которые осуществляются механизированным или автоматизированным способом, например, с помощью полуавтоматизированных стендов, автоматов контроля и т.д.;
НК.Н. - общее количество операций контроля и настройки (визуальный, проверка блока на функционирование и т.д.).
5) Коэффициент применения микросхем и микросборок:
(7.6)
где КЭ.МС – общее число микросхем;
НИЭТ - общее число ИЭТ, не вошедших в микросхемы. К ИЭТ относят резисторы, конденсаторы, диоды, реле и т.д.
6) Коэффициент повторяемости печатных плат определяется по формуле:
, (7.7)
где ДТПП - количество типоразмеров печатных плат в изделии;
ДПП – общее число печатных плат.
7)Коэффициент применения типовых технологических процессов:
(7.8)
где Дтп - количество деталей, изготовляемых с применением типовых технологических процессов;
Д – общее число деталей.
Таким образом, для данного радиотехнического блока комплексный показатель технологичности равен
Поскольку данное устройство является радиотехническим, то нормативное значение комплексного показателя технологичности составляет 0.4-0.8. Расчетное значение комплексного показателя технологичности составляет 0.6. Данный комплексный показатель технологичности соответствует нормативам, однако, следовало бы повысить технологичность за счет внедрения большего количества микросхем.
7.2 Выбор и обоснование технологической схемы сборки
Технологическим процессом сборки называют совокупность операций, в результате которых детали соединяются в сборочные единицы, блоки, стойки, системы и изделия. Совокупность операций, в результате которых осуществляют электрическое соединение элементов, входящих в состав изделия в соответствии с электрической принципиальной схемой, называют электрическим монтажом.
Разработка технологического маршрута сборки и монтажа РЭC начинается с расчленения изделия или его части на сборочные элементы путем построения схем сборочного состава и технологических схем сборки.
Простейшим сборочно-монтажным элементом является деталь, которая согласно ГОСТ 2101-68 характеризуется отсутствием разъемных и неразъемных соединений.
Расчленение изделия на сборочные элементы проводят в соответствии со схемой сборочного состава. Она служит затем основой для разработки технологической схемы сборки, в которой формируется структура операций сборки, устанавливается их оптимальная последовательность, вносятся указания по особенностям выполнения операций.
Наиболее широко применяются схемы сборки "веерного" типа (рис.7.1) и с базовой деталью (рис. 7.2). На схеме сборки "веерного" типа стрелками показывается направление сборки деталей и сборочных единиц. Достоинством схемы является простота и наглядность, однако, схема не отображает последовательность сборки во времени.
Рис. 7.1. Схема сборки веерного типа
Схема сборки с базовой деталью указывает временную последовательность сборочного процесса. При такой сборке необходимо выделить базовый элемент, т.е. базовую деталь или сборочную единицу. В качестве базовой обычно выбирают ту деталь, поверхности которой будут впоследствии использованы при установке в готовое изделие. В большинстве случаев базовой деталью служит плата, панель, шасси и др. Направление движения деталей и сборочных единиц на схеме показывается стрелками, а прямая линия, соединяющая базовую деталь и изделие, называется главной осью сборки.
Технологическая схема сборки является одним из основных документов, составляемых при разработке технологического процесса сборки.
Рис. 7.2. Схема сборки с базовой деталью
Состав операций сборки определяют исходя из оптимальной дифференциации монтажно-сборочного производства. Требования точности, предъявляемые к сборке РЭC, в большинстве своем ведут к необходимости концентрации процесса на основе программируемого механизированного и автоматизированного сборочного оборудования, что снижает погрешности сборки при существенном повышении производительности процесса.
7.3 Разработка маршрута сборки
Сборку РЭС проводят в три этапа:
1) на первом этапе (механический монтаж):
-выполняют неразъемные соединения деталей и узлов с шасси, рамой, платой (сварка, пайка, развальцовка, склеивание и т.д.);
-устанавливают крепежные детали (угольники, панели, лепестки и т.д.);
- выполняют разъемные соединения частей блоков;
-закрепляют крупногабаритные элементы собственными креплениями;
2) на втором этапе (электрический монтаж):
-выполняют заготовительные операции (подготовка проводов, выводов ЭРЭ);
- устанавливают навесные ЭРЭ и микросхемы на платы;
-выполняют электрическое соединения (монтаж) в соответствии с электрической принципиальной или электромонтажными схемами;
- ведут межблочные соединения (жгутами, разъемами);
- контролируют качество монтажа;
3) на третьем этапе (общая сборка изделия):
-собирают шасси передней панели;
-устанавливают кожухи: закрепляют регулировочные элементы (ручки);
- регулировочные работы;
- контроль и маркировка.
При разработке технологического процесса сборки и монтажа электронных блоков важно не только обеспечить строгое соответствие требованиям, предъявляемым техническим условиям на изделие.
Выбор варианта технологического процесса по производительности проводится, как правило, для сборочных единиц и блоков, имеющих большую трудоемкость сборочных операций, и основан на сравнении суммы трудоемкостей по всем операциям.
Исходя из вышеизложенного, выбираем в качестве технологической схемы сборки схему с базовой деталью.
В качестве базовой детали использована плата измерителя емкости.
В соответствии с вышесказанным технологический процесс сборки использована измерителя емкости будет состоять из следующей последовательности операций:
входной контроль;
подготовительная;
сборочная (установка элементов со штыревыми выводами):
резисторы;
диоды;
конденсаторы;
микросхемы;
трансформатор;
транзисторы;
разьемы;
пайка
очистка ПП;
маркировка;
контроль;
настройка.
Разработанная технология сборки приведена в приложении.
Заключение
В результате работы над курсовым проектом была разработана конструкция прибора измерителя емкости, которая полностью отвечает современным эргономическим, массогабаритным и функциональным требованиям, а также другим требованиям технического задания.
Данное устройство разработано с учетом современных требований конструирования РЭС, основными требованиями выступают следующие:
обеспечение минимальных габаритов и веса устройства;
простота и удобство в эксплуатации;
высокая ремонтопригодность;
высокая надежность.
Спроектированный измерителя емкости имеет следующие характеристики:
Габариты:
длина, мм 170;
ширина, мм 150;
высота, мм 100.
Масса, кг, не более 0,8.
Климатические условия исполнения УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69.
В ходе курсового проектирования была проанализирована схема электрическая принципиальная, произведен выбор элементной базы.
Параметры надежности, рассчитанные в ходе курсового проекта, выше заданных в техническом задании.
Расчет теплового режима позволяет судить о том, что меры защиты устройства от тепловых воздействий выбраны верно и что они обеспечат нормальный режим работы теплонагруженных элементов устройства.
В разделе технологии был рассчитан комплексный коэффициент технологичности, равный 0.6, который удовлетворяет соответствующем параметрам. был разработан технологический процесс изготовления печатной платы.
Результатом разработки явились данная пояснительная записка и комплект конструкторской документации на разрабатываемое изделие.
Литература
Гель П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микро-миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов.- Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1984.
ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
Ермалаев Н.А. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры М.: Радио и связь, 1986.
Каленкович Н.И. и др. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов / Н.И. Каленкович, Е.П. Фастовец, Ю.В. Шамгин. - Мн.: Выс.шк., 1989.
Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. Пособие для студентов специальности: " Конструирование и технология радиоэлектронных средств" /Н.С. Образцов, В.Ф. Алекссев, С.Ф. Ковалевич и др.; Под ред. Н.С. Образцова.- Мн.: БГУИР, 1994.
Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов./ Е.М. Парфенов. Э.Н. Камышная, В.П. Усачев.- М.: Радио и связь, 1989.
Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭС: Справ./Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренко - Мн.: Беларусь, 1994.
Роткоп Н.В., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА.- М.: Сов.