Структурные уровни

К изменяемым в процессе конструирования факторам относятся, например, марки применяемых материалов, форма и размеры элементов конструк­ции, взаимное расположение компонентов и узлов, вид электри­ческих связей, способы теплоотвода и т. д.

Ограничениями являются факторы, не изменяемые конструк­тором: ресурсные, системотехнические, схемотехнические, конст­рукторские, технологические, эксплуатационные. К ресурсным относятся материальные, временные, кадровые и энергетические ограничения. Системотехническими ограничениями являются та­кие, как тип РЭА: аналоговые или цифровые, наземные или бортовые, работающие в режиме разового, многократного, непрерывного, периодического использования и т. д. Схемотех­ническими ограничениями, задаваемыми электрической схемой, являются элементная база, число и типы функциональных узлов, требования к их взаимному расположению и т.д. Конструкторские ограничения: масса и габариты; рекомендуе­мые типы базовых несущих конструкций; ограничительные перечни на материалы и комплектующие изделия; требования к внешнему виду и т. д. Технологические ограничения: требование преемственности конструкций, тип производства, вид технологических процессов, повто­ряемость выпуска, и т. д. Эксплуатационные ограничения: объект установки, уровень деста­билизирующих факторов - механических, климатических, тепло­вых, радиационных, электромагнитных воздействий; требования по ремонтопригодности конструкции и т. д.

Система показателей качества Z определяет пригодность конструкции для использования ее по тому или иному назначе­нию, что регламентируется техническим заданием на разработку конструкции. Каждый показатель зависит от характера конструк­ции и ограничений:

Z_n = φ(F, X_i Y_j).

Системный подход к конструированию РЭА. Сущность сис­темного подхода при конструировании современных РЭА заключа­ется в том, что отыскивается оптимальное (наилучшее) решение при одновременном учете нескольких различных групп факторов и ограничений.

Поиск оптимального варианта связан с определением экстрему­ма одного или нескольких показателей качества. Различают ло­кальный и глобальный экстремумы; локальных экстремумов мо­жет быть несколько, а глобальный существует только один. Часто для того, чтобы изделие удовлетворяло заданному показа­телю качества, достаточно нахождения локального экстремума. При этом получается не оптимальное, а просто приемлемое решение, но затраты времени и средств сокращаются на порядок или несколько порядков при несущественном проигрыше в качестве изделия. Сложность поиска глобального экстремума обусловлена следующими причинами: 1) сложностью РЭА (боль­шое число возможных решений); 2) наличием, как правило, не одного, а нескольких показателей качества, которые часто противоречивы или имеют разную степень значимости; 3) тен­денцией к сокращению цикла и стоимости новой разработки при одновременном повышении требований к качеству (надеж­ности, стоимости, энергопотреблению и т. д.); 4) тенденцией к сокращению морального срока службы РЭА. Для облегчения поиска оптимального или просто приемлемого варианта кон­струкции РЭА используют отработанные (базовые) конструкции, определенные виды материалов и компонентов, стандартные технологические процессы и схемотехнические решения, известные физические принципы. Однако при поиске конструкции с парамет­рами, значительно лучшими достигнутых, ищут принципиально новые решения.

Особенности конструирования аппаратуры при использовании стандарта евромеханика.

Для начала немного истории: В начале 1960-х годов, на базе американского стандарта ASA C 83.9, был разработан стандарт МЭК 60297 (стандарт евромеханика) как нормативный документ, опреде­лявший размеры передних панелей блоков для установки в приборные шкафы. В 1980 году стандарт был дополнен данными, определявшими типоразме­ры печатных плат для установки в мон­тажные блоки (крейты), а в 1983 го­ду принял законченный вид, опреде­лив и габаритные размеры приборных шкафов. Ес­тественно, в следующие 30 лет стан­дарт не оставался статичным, а посто­янно совершенствовался, но ос­новные параметры конст­рукции были определены еще тогда.

Введем ряд определений:

Конструктив - изделие, состоящее из отдельных элементов системы евромеханика, вместе представляющих собой единую целостную механическую конструкцию. Допустимы изменения и дополнения, но без механической обработки отдельных конструктивных элементов.

Крейт - конструкция, предназначенная для установки - путем вдвижения по направляющим - печатных плат или модулей с последующей их фиксацией каким-либо способом на несущих элементах конструктива (например, винтами на резьбовых вставках профиля). Слева и справа на крейте размещены фланцы, имеющие стандартные отверстия для закрепления крейта в стойке (шкафу). Фланцы бывают: в виде отдельных элементов и в составе боковых стенок.

Профиль - фигурный элемент, в пазах которого закрепляются некоторые элементы конструктива (например: резьбовые вставки). Профиль имеет значительный запас прочности, т.к. является элементом несущей конструкции. Профиль фиксируется на левой и правой боковых стенках винтами.

Направляющая - пластиковое или металлическое изделие с продольным пазом. Закрепляется в специальных отверстиях профиля крейта защёлками и/или винтами. Служит для вдвижения в крейт печатных плат или модулей.

Модуль - законченное изделие, вдвигаемое по направляющим в крейт. Может иметь защитную внешнюю оболочку, например, металлическую (в этом случае, модуль называется кассетой). В модуль входит одна или несколько печатных плат или иных электромеханических конструкций.

Лицевая панель - прямоугольная панель из металла или пластика. Выполняет также дизайнерские и информационные функции. Чаще всего удерживает печатные платы или может являться только фальш-панелью (заглушкой). Имеет по углам отверстия для крепления в крейте.

Стойка - изделие, являющееся внешним конструктивом для крейта. Внешние габариты стойки могут быть самыми различными (от 1 до 6-ти этажей). Стойка может наращиваться только по высоте и никогда по ширине. Стойка в настольном исполнении часто выполняется в виде отдельного прибора. Имеются варианты закрепления стойки на стене, и тогда она превращается в настенный пульт.

Рассмотрим основные единицы измерения размеров в стандарте евромеханика:

В стандарте евромеханика приняты размеры в условных единицах:

Ширина измеряется в условных единицах ширины HР, которая равна 5.08 мм (0,2"). 1 дюйм равен 25.4 мм.

Высота задаётся условной единицей высоты U - Unit, которая равна 44.45 мм (1,75").

Размерный ряд крейтов:

Максимальная полезная ширина для встраивания плат в крейт, согласно стандарту, равна 84НР, то есть 84 × 5.08 мм = 426.72 мм. Однако достаточно часто используются крейты меньшей ширины. В таких случаях выбираются крейты шириной 28HP, 42НР или 63HP.

Максимальная полная ширина крейта (расстояние «от края до края») равна 19" (19 дюймов = 19 × 25,4 мм) = 482,6 мм. В связи с этим стандарт МЭК 60297еще называют 19" стандартом.

Высота крейта рассчитывается так: N × U мм:

Наибольшую популярность получили крейты высотой ЗU = 133,35 мм и 6U = 266,7 мм.

Глубина крейта измеряется в миллиметрах. Шаг глубины для стандартного ряда крейтов - 60 мм.

Рассмотрим стандартные размеры печатных плат:

Высота плат вычисляется по формулам: Высота = N × U – 33,35 мм, где N – целое число от 1 до 6.

Наибольшую популярность получили платы высотой ЗU = 100 мм и 6U = 233,35 мм.

Стандартный ряд длин плат: 100, 160, 220, 280 мм.

Плата 100 × 160 мм называется Европлатой;

Печатная плата с габаритами 233,35 × 160 мм называется двойной Европлатой.

Тема 2. Общие вопросы конструирования РЭА

Организация процесса конструирования РЭА. Конструирование изделия есть многостадийный процесс выбора и отражения в КД структуры, размеров, формы изделия в целом и его частей, функциональных связей между частями, материа­лов и методов изготовления.

Изделие есть предмет или совокупность предметов про­изводства, подлежащих изготовлению на предприятии (ГОСТ 2.101-68). Различают изделия серийного и массо­вого производства. Изделия серийного производства изго­товляют периодически повторяющимися сериями в отличие от изделий массового производства, которые изготовляются непрерывно.

Следует различать изделия основного производства, предназначенные для поставки заказчику (потребителю), и вспомогательного производства, предназначенные только для собственных нужд предприятия (например, технологи­ческая контрольно-измерительная аппаратура и стенды).

Покупным называют изделие, получаемое предприяти­ем в готовом виде и изготовленное по КД предприятия-по­ставщика, в отличие от кооперированного изделия, а также получаемого предприятием в готовом виде, но изготовлен­ного по его КД (поставки по кооперации). Использование кооперированных изделий является прогрессивной формой организации производства, позволяющей в условиях мелко­серийного производства, типичного для изготовления РЭА, создавать специализированные цехи для изготовления де­талей и узлов в крупносерийных масштабах, если эти дета­ли и узлы будут поставляться по кооперации на другие предприятия данной подотрасли.

Общая характеристика стадий разработки КД. Стади­ей разработки КД называют период, в течение которого производится разработка проектной или рабочей КД опре­деленных видов с определенной степенью выполнения при­нятых технических решений. Этапом называют закончен­ную часть стадии разработки, в течение которой произво­дятся отдельные работы из числа установленных для данной стадии. В многостадийность процес­са конструирования, заложен глубокий смысл, выра­ботанный многолетней инженерной практикой: переход к более детальной проработке конструкции возможен только по завершении предшествующей разработки, проведенной в более общих чертах. Каждая стадия завершается подведением проме­жуточных итогов, согласованием и утверждением результа­тов с подразделениями, отвечающими в конструкторском коллективе за выполнение закрепленных за ними требова­ний (безопасности, патентно-правовых, технологичности и др.) и за соблюдение регламентирующих требований, предъявляемых к конструкторским документам.

Конструкторское проектирование является частью пол­ного цикла разработка - производство - эксплуатация - снятие с производства изделия. Конструкторское проектирование в цикле разработка - производство разде­ляется на две группы стадий: проектную и ра­бочую. Проектная группа стадий представляет собой многошаговое, постепенное формирование решения исходя из заявки на разработку и технического задания. Рабочие стадии посвящены разработке рабочей КД, по которой в производстве будет изготовлено изделие. На основании результатов предшествующих проектных ста­дий, согласно точным правилам оформления, по единой сис­теме конструкторской документации (ЕСКД) выполняется комплект чертежей и текстовых документов, предназначенных первоначально для изготовления опытно­го образца. Комплект КД подвергается нескольким этапам корректировки (доработки) по мере изготовления и испы­таний опытного образца, изготовления установочной серии, а также в результате автор­ского надзора в серийном производстве.

Разработка ТЗ на изделие и частных ТЗ на разработку конструкции составных частей изделия выполняется в предпроектный период во время научно-исследовательской ра­боты (НИР).

Техническое задание представляет собой документ, уста­навливающий основное назначение и показатели качества изделия, технико-экономические и специальные требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, объему, ста­диям разработки и составу КД.

Техническое задание выполняется на основе исходного документа - заявки на разработку. В заявку на разработ­ку входят исходные данные: назначение изделия, предпо­лагаемый изготовитель, ориентировочная потребность в из­делии, стоимость разработки и сроки, технико-экономиче­ское обоснование, основные требования и условия эксплуа­тации. При разработке технического задания эти данные получают существенное развитие, перекрестную оценку специалистов различных служб в процессе согласования с ними текста ТЗ.

Особое место в ТЗ занимает раздел технических требо­ваний. Он обычно содержит десять подразделов.

В подраз­деле 1 «Состав изделия и требования к конструктивному устройству» приводятся, как правило, восемь пунктов:

1) наименование, число и назначение основных частей; 2) конструкторские требования (габаритные, установочные, присоединительные размеры и др.); 3) масса; 4) требова­ния по охране окружающей среды; 5) требования взаимо­заменяемости: 6) требования устойчивости к моющим сред­ствам; 7) требования помехозащищенности и предотвраще­ния помех, влияющих на расположенные рядом устройства; 8) требования к ЗИП по виду (одиночный или групповой) и составу.

В подразделе 2 «Показатели назначения» указываются радиотехнические параметры функционирования: мощ­ность, чувствительность, разрешающая способность и др.

Подраздел 3 «Требования надежности» включает в себя требования долговечности, безотказности, сохраняемости и ремонтопригодности.

Подраздел 4 «Требования технологич­ности» регламентирует показатели технологичности произ­водственной и эксплуатационной (по ремонту, техническо­му обслуживанию).

В подразделе 5 «Требования к уровню унификации и стандартизации» устанавливаются минимальные показате­ли, которые должны быть достигнуты в конструкции.

В под­разделах 6, 7 и 8 указываются требования безопасности, эстетические и эргономические требования, требования к патентной чистоте. В последнем случае приводят перечень стран, в отношении которых эта чистота должна быть со­блюдена.

В подразделе 9 «Условия эксплуатации» должны быть предусмотрены следующие пункты: 1) условия эксплуата­ции, в которых конструкция должна сохранять работоспо­собность; 2) допустимые кратковременные воздействия климатических факторов; 3) механические воздействия; 4) виды обслуживания (постоянное или периодическое, не­обслуживаемое использование), необходимое количество и квалификация персонала. Раздел 10 «Указания к упаковке, транспортированию и хранению» содержит перечень допу­стимых транспортных средств, условия и сроки хранения.

Кроме технических требований, в ТЗ устанавливаются экономические, производственные и другие требования, оп­ределяются необходимые для данного случая стадии раз­работки. Отдельные проектные стадии могут не назначать­ся, если конструкция несложна или если проводится модер­низация, не связанная с принципиальными изменениями. В ТЗ обязательно оговариваются сроки прохождения ста­дий, объем финансирования, состав комплекта КД (ГОСТ 15.001-73).

Проектная группа стадий. Проектную группу стадий обычно выполняют во время опытно-конструкторской рабо­ты (ОКР). Работа осуществляется под единым техниче­ским и научным руководством в двух взаимосвязанных на­правлениях: по электрической схеме и по конструкции. Разработкой схем и принципа действия, включая макети­рование и экспериментальную проверку электрических схем, заняты радиотехнические подразделения. Разработка кон­струкций, включая все исследования конструкции РЭА и составных частей, выполняется конструкторскими подраз­делениями. Исследования опытных образцов изделий про­водятся совместно.

В общем случае предусматриваются три проектные стадии: техническое предложение, эскизный проект, техни­ческий проект.

Техническое предложение (ПТ) представляет собой вид проектной КД на изделие, содержащий технико-экономиче­ское обоснование целесообразности новой разработки и уточняющий требования к изделию.

Техническое предложение проводят на основе анализа ТЗ и выявления вариантов возможных технических реше­ний, в том числе на основе патентных исследований. Срав­нительную оценку вариантов проводят по показателям ка­чества. ПТ разрабатывают для выявления дополнительных и уточненных требований к конструкции, которые еще не могли быть указаны в период подготовки, согласования и утверждения ТЗ, и это необходимо сделать на основе пред­варительной конструкторской проработки и анализа спор­ных вариантов.

В общем случае на стадии ПТ: 1) выявляют варианты возможных решений, учитывая тенденции и перспективы развития отечественной и зарубежной техники в данной об­ласти; 2) проверяют варианты по патентно-правовым тре­бованиям; 3) проверя­ют варианты по требованиям техники безопасности; 4) про­водят оценку возможных вариантов по всем показателям качества и выбирают наилучший вариант с указаниями, на что следует обратить особое внимание на последующих стадиях. На стадии ПТ возможно изготовление и исследо­вание макетов отдельных узлов.

Начиная с ПТ, через все проектные стадии проходит шаговый принцип синтез — анализ — синтез для постепен­ного совершенствования первоначального замысла. Про­цесс сводится к логико-математическому поиску оптимума при последовательном совершенствовании исходного вари­анта, сформулированного в первом приближении в техни­ческом предложении.

Эскизный проект (ЭП) представляет собой вид проект­ной КД на изделие, содержащий принципиальные кон­структивные решения, дающий общее представление об устройстве и принципе работы изделия и содержащий дан­ные, определяющие его соответствие назначению. Выбран­ный вариант подвергается детальной проработке для вы­явления возможности наиболее полного удовлетворения всех поставленных требований. Здесь разрабатываются электрические схемы с разбивкой на блоки и узлы, изго­тавливаются отдельные макеты для отработки электриче­ских схем, в том числе для определения температурных ре­жимов. На этой стадии выбираются необходимые несущие конструкции (из унифицированных рядов). Макетирование тепловых режимов проводится на их основе. После согла­сования, защиты на техническом совете и утверждения эскизный проект служит основанием для следующей, за­ключительной проектной стадии (технического проекта) или, если это предусмотрено в ТЗ и не изменено в ходе эс­кизного проектирования, служит основанием для рабочего проектирования.

Технический проект (ТП) есть вид проектной КД на изделие, содержащий окончательные технические решения, дающий полное представление об устройстве разрабатыва­емого изделия и включающий в себя данные, необходимые и достаточные для разработки рабочей КД. Здесь произво­дится детальная и окончательная отработка схемных и конструкторских решений, включая создание чертежей на все важные узлы, блоки и приборы. Должна быть законче­на проработка всех вопросов защиты от внешних воздействий, доступа при ремонте и контроле, привязки к объек­ту установки (носителю), уточнено расположение органон управления и т. п. Должны быть выполнены необходимые макеты, подвергаемые испытаниям. По завершении ТП должна быть предъявлена документация: пояснительная записка, сборочные чертежи всех разработанных блоков, полный комплект электрических схем, технические описа­ния блоков и РЭА в целом, инструкция по эксплуатации и другие, а также программа и методика испытаний. В отче­те по результатам ТП приводятся уточненные расчеты схем, обосновывается выбор конструкторских решений с расчета­ми (механической прочности, тепловых режимов, всех со­ставляющих надежности, эффективности экранирования и т. п.). ТП служит наиболее полным основанием для рабо­чего проектирования.

Различают три стадии рабочего проектирования: стадию опытного образца, стадию установочной серии, стадию се­рийного производства. В пределах каждой рабочей стадии установлена определенная последовательность работ по этапам. Рабочее проектирование включает в себя разработ­ку и коррекцию комплекта конструкторской документации, изготовление опытного образца, установочной серии, испы­тание и доработку изделий.

Необходимо уточнить понятие «опытный образец». Опытным образцом называют изделие, изготовленное по вновь разработанной рабочей КД для проверки его соот­ветствия ТЗ, проверки конструкторских решений, определе­ния объема и характера последующей необходимой коррек­тировки КД и подготовки технологического оснащения производства.

На стадии опытного образца разрабатывают КД для изготовления опытного образца, на основании которой про­изводят подготовку опытного производства, изготовляют опытный образец, проводит его заводские (предваритель­ные) испытания. По результатам изготовления (из журна­ла записи выявленных ошибок) и испытаний (из протокола испытаний) производят корректировку КД с присвоением литеры О. По откорректированной КД дорабатывают опыт­ный образец до полного соответствия КД литере О, после чего образец предъявляют комиссии, которая проводит приемочные испытания. Результаты приемочных испытаний фиксируются в протоколе, на основании которого произво­дят корректировку КД с присвоением литеры O₁. Обычно объем корректировки КД для присвоения литеры O₁ неве­лик, если работы по присвоению литеры О были проведены квалифицированно и добросовестно. На основании КД с литерой О₁ осуществляют подготовку серийного производ­ил на заводе-изготовителе.

На стадии установочной серии на серийном заводе, куда была передана КД с литерой О₁ изготовляют установочную серию изделий и подвергают их испытаниям для выяснения недостатков, почему-либо оставшихся не замеченными в опытном образце или возникших в условиях производства на данном предприятии. По протоколу испытаний производят корректировку КД с присвоением литеры А и передают подлинники КД на завод для управления ею.

Эффективность рабочих стадий разработки РЭА в зна­чительной степени зависит от того, как организованы эти работы в масштабах отрасли. Опытный образец изготовля­ет предприятие-разработчик, установочную серию - се­рийный завод. Эта замена изготовителя несет в себе наи­большую сложность, в ней часто заключена основная при­чина снижения качества первых серийных изделий в срав­нении с опытным образцом. Ослабить вредные последствия замены изготовителя можно при выполнении трех условий: 1) в отрасли должна быть проведена строгая специализа­ция серийных заводов, согласно которой за одним серий­ным заводом на длительный срок (5 – 10 лет) закрепляются 2-3 предприятия-разработчика; 2) серий­ный завод заранее подключается к испытаниям опытного образца, изготовленного разработчиком, для того чтобы видеть все особенности конструкции и ее слабые места с позиций будущего серийного производства; 3) предприятие-разработчик подключается к испытаниям и сдаче заказ­чику установочной серии, изготовленной на заводе.

При разработке новой аппаратуры следует придерживаться модульного принципа с использованием унифи­цированных узлов. Модульный принцип обеспечивает высокую техноло­гичность на основе унификации и стандартизации и полностью приме­ним к конструированию РЭА.

Каждая конструкция РЭА в зависимости от назначения имеет свою, присущую ей конкретную структуру. Однако требования стандартизации налагают ограничительные рамки на это разнообразие. Можно представить некоторую обобщенную типовую структуру и на ее основе рассмотреть в общем виде основные структурные особенности, справед­ливые в принципе для всех конструкций.

Типовая структура конструкции современной РЭА согласно ГОСТ Р 52003-2003 «Уровни разукрупнения электронных средств» состо­ит из элементной базы как исходного функционального ма­териала и четырех уровней, от нулевого до третьего, из ко­торых нулевой и первый называются низшими, а второй и третий — высшими. Рассмотрим эти составляю­щие.

Элементная база состоит из электрорадиоизделий (ЭРИ). ЭРИ включают в себя следующие классы:

1) электрорадиоэлементы (ЭРЭ) — дискретные ре­зисторы, конденсаторы, кварцевые фильтры и т. п., моточ­ные изделия (трансформаторы, дроссели, катушки индук­тивности, электромагнитные линии задержки и др.);

2) электровакуумные изделия (ЭВИ) — радиолампы, элек­тронно-лучевые приборы, электрические сигнальные лампы и табло и т. п.;

3) полупроводниковые приборы (ППП) — транзисторы, тиристоры и т.д.;

4) интегральные схемы (ИС);

5) изделия электропривода и автоматики (ИЭПА);

6) контрольно-измерительные приборы (КИП);

7) комму­тационные изделия (КИ) — соединители, переключатели и т.д.;

8) микропроцессорные комплекты (МПК);

9) волоконно-оптические кабели с соединителями (ВОКС).

Элементная база — еще не конструкция РЭА. Конструкция начинается с функционального узла. Функциональный узел представляет собой первичное структурное образование и относится к нулевому структурному уровню. Существует три разновидности функциональных узлов: микросборки, печатные узлы и гибридно-интегральные узлы.

Микросборки относят к подуровню нулевого уровня структуры РЭА. Они входят в состав печатных узлов (корпусные микросборки) и гибридно-интегральных узлов (бескорпусные микросборки).

Первый уровень состоит из ячеек (модулей), второй — из блоков, а третий представляет собой окончательно оформленную конструкцию РЭА в целом, т. е самостоятельное в эксплуатационном отношении изделие в виде сборочной единицы. Следует оговориться, что в радиотехнических комплексах и системах сборочная единица, которую мы называем РЭА, обладает условной эксплуатационной самостоятельностью, поскольку входит в комплекс как его часть.

Отличительным признаком перехода от одного струк­турного уровня к другому более высокому, служит сборочная операция, осуществляющая соединение одних частей конструкции с другими.

Вхождение низших уровней в высшие не обязательно должно осуществляться строго по порядку номеров уров­ней. Печатные узлы нулевого уровня могут непосредствен­но входить в третий уровень (пульты и приборы), минуя первый и второй уровни. Отдельные ЭРИ из элементной ба­зы могут входить, минуя нулевой уровень первичного объ­единения навесных ЭРЭ, в любой, более высокий по рангу уровень. Например, в третий уровень входят элементы ав­томатики, контрольно-измерительные приборы и т.д.

Низшие уровни конструкции (нулевой и первый) наибо­лее универсальны. Их конструкция мало зависит от конкрет­ного назначения РЭА и объекта, на который РЭА устанав­ливается. Эти части в отличие от высших уровней в наи­большей степени пригодны для централизованного производства в рамках отрасли.

Высшие уровни специализированы, особенно третий уро­вень, представляющий собой РЭА в целом.