Разработка конструкции блока преобразования сигналов

1 Анализ технического задания

2 Конструкторский раздел

2.1 Выбор и обоснование конструкции, материалов и покрытий

2.2 Расчет теплового режима

2.3 Расчет платы на ударопрочность

2.4 Расчет печатной платы на вибропрочность

2.5 Расчет блока на надежность

2.6 Расчет допустимой длины проводников печатной платы

2.7 Расчет массы изделия

3 Технологический раздел

3.1 Анализ технологичности оригинальных деталей

3.2 Технология общей сборки блока

4 Организационно — экономический раздел

4.1 Определение затрат на разработку конструкторской документации

4.2 Определение себестоимости проектируемого изделия

4.3 Оценка конкурентоспособности изделия

5 Безопасность жизнедеятельности

5.1 Анализ номенклатуры материалов, дающих экологически опасные отходы при их обработке

5.2 Анализ возможного поражения электрическим током

5.3 Разработка необходимых средств защиты Заключение Список использованных источников Приложения

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса. В последнее время появилась необходимость в направлении, связанное с выпуском аппаратуры управления тренажерными устройствами. Это связано с тем, что ранее в этом направление велось очень мало разработок, а спрос на подобные изделия существенно увеличился.

Темой данного дипломного проекта является разработка блока преобразования сигналов для согласования тренажерного устройства с управляющим устройством. Данное устройство позволяет более эффективно производить подготовку водителей, сокращая сроки обучения и следовательно затраты на подготовку водителей различных категорий.

Разрабатываемый блок является частью устройства управления и контроля тренажерного устройства вождения с помощью ЭВМ При соединении тренажерного устройства и ЭВМ в один единый комплекс возникает необходимость согласовать сигналы поступающие от тренажера к ЭВМ и наоборот, а так же управлять приводами имитаторов движения и показаниями различных приборов (термометра, спидометра, манометров и других), создающими реалистичность движения, что повышает эффективность обучения. Исходя из этих требований и возникает необходимость в разработке аппаратуры берущей на себя эту задачу. Разрабатываемый, в данном дипломном проекте, блок преобразования сигналов позволяет решить все выше перечисленные задачи.

1 Анализ технического задания

блок преобразование сигнал В данном дипломном проекте необходимо разработать конструкцию блока преобразования сигналов (БПС), который предназначен для выполнения следующих функций:

а) управления исполнительными механизмами имитирующие крен правого и левого борта тренажера;

б) управления показаниями приборов рабочего места обучаемого;

в) согласования датчиков рабочего места обучаемого с системным блоком ЭВМ;

г) обеспечение переговорной связи между обучаемым и инструктором.

Исходными данными к разработке БПС являются:

— схема электрическая принципиальная БПС ТВ.51.03.300 Э3 ;

— схема электрическая принципиальная платы УТД ТВ.51.03.080 ЭЗ;

— климатические условия по ГОСТ 15 150–69 УХЛ 4 ;

— условия эксплуатации по ГОСТ 16 019–78 группы 1 (стационарная);

— масса не более 16 кг;

— габаритные размеры не более 200×450×460 мм;

— производство единичное (10 штук в год);

— наработка на отказ блока преобразования сигналов t=1500 часов;

Исходным децимальным номерам условно присваиваем номера согласно классификатору.

Согласно схеме электрической принципиальной в БПС входят:

импортный покупной блок питания АТХ А3 с выходным напряжением +5, +12, -12 В, имеющий габариты 150×140×85мм, массу 2 кг, наработка на отказ 30 000 часов, мощность рассеивания 30 Вт;

покупной блок питания «КРОКУС» БКЮС.436 617.114 А7 с выходным напряжением 24 В, имеющий габариты 134×94×40мм, массу 0,6 кг, наработка на отказ 30 000 часов, мощность рассеивания 6 Вт;

плата управления исполнительными механизмами МИВУ.464 659.050 А2 собственного изготовления, имеющая габариты 142×95×18мм, массу 0,18 кг, наработка на отказ 60 000 часов, мощность рассеивания 0,5 Вт;

плата управления показаниями приборов МИВУ.464 659.040 А1 собственного изготовления, имеющая габариты, 142×95×18мм, массу 0,18 кг, наработка на отказ 60 000 часов, мощность рассеивания 0,5 Вт;

плата обеспечение переговорной связи МИВУ.464 659.060 А6 собственного изготовления, имеющая габариты 120×50×24мм, массу 0,5 кг, наработка на отказ 65 000 часов, мощность рассеивания 0,5 Вт;

два коммутационных устройства МИВУ.465 529.080 и МИВУ.465 529.081 собственного производства А8 и А9, имеющие габариты 20×40×120 массой по 0,05 кг, наработка на отказ 50 000ч и расположенных конструктивно на уголках, мощность рассеивания 2 Вт плата УТД, которую необходимо разработать.

Плата УТД предназначена для преобразования восьмеричного кода в аналоговый сигнал диапазона от 0 В до10 В Согласно схеме электрической принципиальной плата УТД состоит из следующих элементов: конденсаторовК10−17а (4шт.), К73−3(1шт.), К53−4а (2шт.); микросхем 153УД (4шт.), 533ЛА4(2шт.), 133ИЕ4(2шт.), 533ЛА1(1шт.), 533ЛА2(1шт.), 533ЛА3(1шт.); резисторов С2−33−0,25(30шт.), СП4−1-0,25(1шт.); диодов 2Д102А (13шт.); транзисторов 2Т830Г (3шт.), 2Т831Г (3шт.), 2П303Б (1шт.), 2Т208Ж (3шт.), а также вилки ГРПМШ-1−45ШУ2-В Исходя из количества элементов и их типоразмеров предполагается выполнить плату УТД размером 178×200 мм, так как плата эксплуатируется в составе покупного блока имеющего конструкцию аналогичную конструкции системного блока ЭВМ. Монтаж печатный, двусторонний. Тип соединителя — вилкаГРПМШ-1−45ШУ2-В.

Согласно схеме электрической принципиальной платы УТД, напряжение пропорциональное скорости движения поступает на преобразователь напряжения в частоту DA1, DA2, DA3 и VT1.

Элемент D1 преобразует напряжение в ток заряда емкости С3. При достижении определенного уровня напряжения на выходе интегратора DA1 срабатывает триггер DA3 и открывает транзистор VT1. При этом полярность напряжения на выходе DA1 меняется на противоположную и происходит перезаряд емкости С3. Таким образом на выходе DA3 формируется прямоугольный сигнал с частотой, пропорциональной Uv, который поступает на формирователь логического уровня D1.1. Сигнал с выхода D1.1 поступает на два трехфазных распределителя DD2, DD4, DD6, DD1 и DD3, DD4., DD6, DD1. Коэффициент деления элементов DD3 и DD2 равен 6.

Сигнал разрешения запуска распределителей поступает с порогового устройства DA4, DA2 и схемы разрешения D1. Элемент D1 кроме этого производит начальную установку счетчиков DD3 и DD2 при включении питания, а также при нарушении синфазности работы счетчиков. Сигнал установки в «0» формируется с помощью схемы защиты DD7, DD5.

Сформированное трехфазное напряжение с выходов распределителей DD6 и DD6 поступает на усилители мощности D1, VT2… VT7 и D2, VT8… VT10.

Усилители мощности в свою очередь управляют токами фаз приборов.

Потенциометр R11 предназначен для регулировки показаний спидометра Климатическое исполнение БПС УХЛ 4 по ГОСТ 15 150–79, что соответствует эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями согласно таблице 1 и 2.

Таблица1-Значения температуры

Таблица 2 — Значения относительной влажности

Условия эксплуатации не требуют специальных средств защиты конструкции блока. Важно обращать внимание на резкие изменения параметров окружающей среды при транспортировке и хранении. Все электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и материалы в разрабатываемой плате должны сохранять свои характеристики во всем диапазоне заданных температур. Поэтому необходимо выбрать конструкцию обеспечивающую нормальный тепловой режим работы БПС. БПС должен сохранять свои параметры в заданных пределах срока службы и срока хранения.

При эксплуатации БПС в условиях повышенной влажности, которая может достигать 80%, возникают процессы коррозии, которые влияют на проводники печатных плат находящихся под напряжением. Не исключено действие коррозии и на несущую конструкцию БПС. В целях защиты от коррозии металлов необходимо использовать защитные покрытия, которые выполняют и декоративную функцию.

1.6 В части механических воздействий по ГОСТ 16 019–78 условия эксплуатации — 1 группы по механическим воздействиям. Это стационарная РЭА, работающая при отсутствие механических перегрузок во время работы. Транспортировка к месту эксплуатации требует использования средств амортизации. Значения дестабилизирующих факторов приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Параметры дестабилизирующих факторов

Механическим воздействиям подвергаются все категории РЭА, что приводит к механическим повреждениям, а часто к полному выходу аппаратуры из строя. Вибрации являются опасным дестабилизирующим фактором, который приводит к деформации или разрушению конструктивных узлов или самой конструкции. Наиболее опасным явлением при вибрации является механический резонанс частей конструкции. Для исключения механического резонанса необходимо, чтобы собственная частота колебаний конструкции находилась вне полосы частот, возникающих при эксплуатации и перевозках. Собственная частота механических колебаний конструкции должна быть выше частоты внешних воздействующих факторов. Для определения частоты собственных колебаний необходимо провести соответствующий расчет. Амортизацию блока при транспортировке конструктивно выполнять в таре.

Тип производства сильно влияет на конструкцию и технологию изготовления любого прибора. По условию технического задания программа выпуска 10 штук в год, что означает единичное производство. Поэтому нецелесообразно использовать технологии, применяемые в серийном и массовом производстве. Единичный тип производства допускает использование материалов, покрытий ЭРЭ, если они отвечают требованиям технического задания, которые экономически невыгодны в серийном и массовом производстве. Важность автоматизации и механизации процесса производства обуславливается типом производства, который, исходя из заданной программы выпуска, определяется как единичный. Единичное производство характеризуется широкой специализацией рабочих мест, за каждым из которых закреплено выполнение некоторого количества операций. Технологический процесс сборки целесообразно вести на основе типового технологического процесса, основываясь на требованиях технического задания. При единичном производстве почти все работы, такие как регулировка элементов, пайка, клепка и сборка узла выполняются вручную.

Исходя из этого необходимо разработать технологический процесс общей сборки и провести анализ технологичности оригинальных деталей.

Детали корпуса при единичном типе производства обычно изготовляют точением и вырубкой на гильотинных ножницах. Не исключено использование готовых покупных корпусов.

По условиям технического задания наработка на отказ БПС, должна быть не менее 1500 часов. Для этого все элементы конструкции не должны быть ниже заданных требований по надежности. Для оценки надежности конструкции необходимо провести расчет на надежность. При отрицательном результате необходимо, либо скорректировать выбор ЭРЭ, либо использовать схемотехнические методы повышения надежности.

БПС должен иметь габаритные размеры не более 460×450×200мм и массу не более 16 кг. Разрабатываемый БПС эксплуатируется в составе стойки в которую дополнительно входят системные блоки ЭВМ, основываясь на этом определяется форма корпуса и установочные размеры. Присоединительные размеры блока определяются соответствующими элементами схемы электрической принципиальной. Исходя из технических требований необходимо выбрать вариант конструкции блока и компоновки составных частей. Несущая конструкция блока предназначена для размещения составных частей и для защиты от механических и внешних воздействий. Элементы несущей конструкции должны обеспечивать надежное крепление составных частей, минимальную массу, максимальное использование однотипных деталей и их унификацию. Блок должен обеспечивать оптимальный вариант компоновки составных частей, обеспечивать минимальную длину цепей электрической коммутации и нормальные тепловые режимы.

Для обеспечения конкурентоспособности и рентабельности изделий к нему предъявляются экономические требования по минимизации стоимости компонентов устройства и их изготовления. Поэтому необходимо провести организационно — экономический расчет.

Многие технологические процессы при производстве радио аппаратуры сопровождаются профессиональными вредностями, которые могут неблагоприятно отражаться на здоровье рабочих. Поэтому необходимо рассмотреть вопросы номенклатуры материалов, дающих экологически опасные отходы при их обработке и вопросы возможного поражения электрическим током, предусмотреть средства необходимой защиты.

Делая вывод из перечисленных требований необходимо разработать БПС, который будет отвечать требованиям технического задания, быть надежным при эксплуатации и экономически выгодным. При разработке конструкции БПС надо выбирать относительно теплои холодоустойчивые, механически прочные, влагостойкие материалы и ЭРЭ, которые должны сохранять свои параметры при эксплуатации в заданных условиях. Для защиты от влаги нужно выбрать покрытие, которое должно выполнять защитные функции и быть экономически выгодным. Так же необходимо провести расчет теплового режима и при необходимости применить в конструкции теплоотводящие элементы.

2 Конструкторский раздел

2.1 Выбор и обоснование конструкции, материалов и покрытий

При разработке РЭА нужно учесть ряд факторов, основными из которых являются: функциональное назначение аппаратуры, объект установки, условия эксплуатации, эксплуатационные требования, производственно — технологические требования, экономические требования. Конструкции блоков РЭА проектируются исходя от их места расположения, функционального назначения.

Конструкция требует наличие ячеек, механическое крепление которых должно обеспечивать свободный доступ к внутренним точкам блока при регулировке и ремонте. В наше время наиболее распространенными конструкциями с обеспечением к внутренним частям устройства являются книжная, веерная, разъемная, а также комбинированная. Блок книжной конструкции состоит из нескольких ячеек, которые могут откидываться как страницы книги, вращаясь вокруг оси. Блок веерной конструкции напоминает книжную конструкцию, платы в нем поочередно могут подниматься для осуществления осмотра и ремонта. Блок разъемной конструкции представляет собой каркас, на котором устанавливаются легкосъемные ячейки. В связи с необходимостью доступа для регулировки и ремонта ячеек выбираем конструкцию с комбинированной фиксацией рабочего положения.

Фиксация ячеек в блоке осуществляется с помощью винтов, соединяющих планку, установленную на плате, с корпусом блока. Выбранная конструкция крепления обеспечивает быстрый и удобный доступ к ячейкам блока при осмотре и ремонте, а так же осуществляется надежное механическое крепление и взаимная ориентация. Плата УТД имеет в своем составе имеет 70 электрорадиоэлементов. Поэтому плату УТД выполняем в виде функционально законченного модуля печатной платы с габаритными размерами 170×200 мм.

Для подключения модуля в блоке на ней предусмотрен разъем ГРПМ. Данная конструкция позволяет легко производить ремонт аппаратуры, путем замены неисправного модуля исправным. Плата в блоке крепится с помощью винтов.

Блок питания АТХ имеющий габаритные размеры 150×140×85мм крепится к каркасу блока БПС на винтах, поставляется в составе с корпусом и закреплен непосредственно изготовителем. Крепление источника питания «КРОКУС» имеющий габариты 133×94×40мм осуществляется винтовым соединением.

В блоках комбинированной конструкции с естественным охлаждением основную роль играет отвод тепла за счет конвекции. Поэтому целесообразно использовать вертикальное расположение ячеек. Там где ячейки располагаются параллельно основанию блока не обеспечивается максимального теплоотвода за счет конвекции. В конструкции корпуса имеются перфорационные отверстия для обеспечения наилучшего отвода тепла за счет конвекции.

Конструкция корпуса должна обеспечить нормальную работу блока в заданных условиях эксплуатации. Так как разрабатываемый блок будет работать в составе с другим оборудованием он должен иметь определенные габаритные размеры и элементы крепления. Конструкцию корпуса заимствуем аналогичную корпусам системных блоков.

Корпус состоит из металлического кожуха, внутреннего каркаса и лицевой панели, изготовленной из пластмассы. Для крепления плат в ячейках используем уголок равнобокий 20×20×3-В ГОСТ 8509–86 материал Ст3 сп3 ГОСТ 835–88.

Элементы электрических соединений в блоках влияют на размеры зон электрической коммутации, которые разделяют на внутриблочные и межблочные. Внутриблочная зона образуется элементами электрической коммутации между ячейками внутри блока, межблочная — элементами электрической коммутации между блоками. Наиболее рациональным является вариант компоновки с задним расположением внутриблочной коммутации.

Коммутацию между блоками можно осуществить объемным монтажом или на основе печатного электромонтажа. Так как применение печатного монтажа нецелесообразно из-за больших габаритных размеров блока и в условиях единичного производства из-за сравнительно большой длительности цикла подготовки производства (изготовления фотошаблона), то коммутацию наиболее целесообразно проводить объемным жгутом.

Технология электрического монтажа прежде всего должна удовлетворять требованиям, обеспечивающим нормальную работу блока. Электрический монтаж должен обеспечивать возможность доступа к каждому отдельному субблоку с целью осмотра, проверки, замены.

При выборе монтажных проводов необходимо учитывать следующие требования:

— одножильный провод применяется для жесткого навесного монтажа;

— монтажные соединения длиной менее 30 мм могут выполняться голым проводом, имеющим антикоррозийное покрытие, расстояние между проводом и другими токоведущими частями должно быть не менее 3 мм.;

— для межблочных соединений, а так же соединений переключателей и других подобных элементов используют многожильный провод увязанный в жгуты.

Выбор изоляции монтажных проводов производим на основании значений напряжений под которыми они находятся, а так же исходя из условий при которых будет эксплуатироваться блок. В качестве изоляции монтажных проводов применяют резину, стекловолокно, полихлорвинил, фторопласт-4, хлопчатобумажную пряжу, шелк и другие материалы.

Провода с волокнистой изоляцией обладают высокой гигроскопичностью, что снижает их электроизоляционные свойства.

Под влиянием внешних воздействий резиновая изоляция быстро теряет свою эластичность, на ней появляются трещины, нарушается целостность изоляции и может произойти электрический пробой.

Монтажные провода с изоляцией из полихлорвинила являются влагостойкими и работоспособны при влажности 98% и температуре плюс 40 0С.

Исходя из выше сказанного следует, что в конструкции блока наиболее целесообразно применить монтажные провода марки МГШВ и МГШВЭ. Данные провода могут использоваться в интервале температур от минус 500С до плюс 700С.

Цифровая маркировка проводов производится с помощью изоляционных трубок. При маркировке трубками изоляция проводов одновременно предохраняется от разлохмачивания. Чтобы трубка не сползала ее следует закрепить клеем АК-20.

Монтажные провода необходимо объединить в жгуты. Внутренний радиус изгиба жгута должен быть не менее трехкратной величины наибольшего наружного диаметра провода, входящего в жгут. Вязку жгута производим нитками армированными 150ЛХ. Для защиты жгута от механических воздействий, а так же воздействия влаги, производим обмотку жгута липкой полихлорвиниловой лентой ПВХ20×0,2 ГОСТ 16 214–89. Жгуты следует закрепить с помощью скоб с прокладкой из полихлорвинилового пластика толщиной не менее 0,5 мм. Монтажные провода выходящие из жгута должны иметь запас по длине (20−25мм на оба конца), обеспечивающий одну-две перепайки.

При монтаже штепсельных разъемов с трубчатыми контактами монтажные провода вставляются в соответствующие трубки разъема. Разъемы должны устанавливаться так, чтобы срезы их контактов были обращены в сторону, с которой производится монтаж.

В разрабатываемом блоке соединители межблочной коммутации расположим в нижней части корпуса на панели наклоненной под углом в 450. Такое расположение соединителей позволяет обеспечить наиболее удобный подход для подключения ответных частей соединителей и при этом не увеличивать габаритные размеры блока.

Выбор материала конструкции основывается на условиях эксплуатации и вытекающих отсюда эксплуатационных и технологических требований, обеспечивающих возможность применения при изготовлении наиболее прогрессивных методов формообразования. К материалу предъявляются требования по прочности, жесткости упругости, также по износостойкости. Технологические требования к материалу обеспечивают минимальную трудоемкость изготовления из него изделия в производственных условиях. Экономические показатели материала определяются его себестоимостью и дефицитностью.

Для производства печатных плат в основном используется гетинакс и стеклотекстолит, основные физико-химические характеристики, которых представлены в таблице 1.

Гетинакс — слоистый пластик получаемый в виде листов методом горячего прессования бумаги пропитанной бакелитом. Температурный коэффициент расширения у гетинакса и фольги различный и поэтому при изменениях рабочей температуры фольга может местами отклеиваться, что является недостатком фольгированного гетинакса.

Стеклотекстолит представляет собой прессованные многослойные листы, состоящие из полотнищ стеклоткани, пропитанных эпоксидно-фенольным лаком и облицованные с двух сторон электролитической медной фольгой. Данная печатная плата испытывает небольшие электрические нагрузки, поэтому толщина фольги является стандартной и равна 35мкм.

Принимая во внимание условия эксплуатации выбираем материал для изготовления печатной платы стеклотекстолит марки СФ-2−35−2.

В конструкции платы используется печатный монтаж. Для обеспечения электрических соединений применяем припой ПОС-61 ГОСТ 21 930;76.

Выбор припоя осуществляется с учетом рода паяемого металла, требуемой механической прочности, коррозийной устойчивости и стоимости.

Таблица 1 — Основные физико-химические характеристики стеклотекстолита ГОСТ 10 316– — 62 и гетинакса ГОСТ 10 316– — 62.

Основными припоями, имеющими широкое распространение при монтаже аппаратуры, является припой ПОС-40 и ПОС-61 с содержанием соответственно 40% и 60% олова. Выбор олова также зависит от температуры плавления припоя и нагрева паяльника. Приведем некоторые характеристики основных припоев.

Таблица 2 — Температура нагрева паяльника в зависимости от нагрева припоя

Данная плата допускает нагрев не выше 250єС. С целью образования качественного соединения радиоэлементов применяем припой ПОС — 61 ГОСТ 21 930;76.

Качество пайки монтажных соединений определяется правильностью заточки тела паяльника, температурным режимом паяльника, количеством флюса и припоя, прогревом места пайки, временем пайки и т. п. Перегрев при пайке вызывает изменение параметров элементов.

Для обеспечения качественной пайки необходимо, чтобы поверхность платы была чистая, без окислов и загрязнений, чего добиваются, применяя флюсы, которые, во-первых, очищают поверхности соединяемых деталей от загрязнений и растворяют окисные пленки, во-вторых, предохраняют поверхность от окисления в процессе пайки.

Основным флюсом, применяемым при монтаже радиоаппаратуры, является канифольно-спиртовой флюс (30%-ный раствор канифоли в спирте). Он самый распространенный и имеет хорошие показатели для обеспечения качественной пайки, также это сравнительно дешевый вспомогательный материал.

Также для улучшения паяемости печатных проводников и площадок с контактами установочных элементов применяем покрытие Хим.М.М30.О-С (66)10−15опл. (сплав олово-свинец).

После сборки и установки всех элементов, плату необходимо покрыть лаком. При выборе материала покрытия учитывают материал детали, условия эксплуатации, требование к качеству поверхности, твердость покрытия, время и температуру сушки.

Для данного изделия, эксплуатирующегося в закрытых не отапливаемых помещениях в условиях умеренно-холодного климата в целях защиты от коррозии, применяют преимущественно лаки УР-231, ЭП — 730 и ФЛ — 582. Они примерно одинаковы по свойствам, но в технологическом процессе последний занимает более длительное время сушки и класс покрытия его ниже, чем у УР-231 и ЭП-730. Поэтому используем лак УР-231 УХЛ 2.3 ТУ6−21−14−90. Получаемое покрытие полу глянцевое, обладает хорошей механической прочностью, твердостью, эластичностью, устойчиво к периодическим воздействиям влаги и растворов щелочей.

2.2 Расчеты теплового режима

Под тепловым режимом радиоэлемента, узла, аппарата понимается их температурное состояние, т. е. пространственно временное распределение температуры в элементе, узле, аппарате.

В разрабатываемом блоке все элементы являются источниками тепловых излучений.

Характеристики радиоэлементов значительно ухудшаются при повышении температуры, падает их надежность, изменяются параметры. Для обеспечения нормальной работы блока при предельной рабочей температуре (40 0С) необходимо чтобы температура элементов не превышала максимальную температуру эксплуатации заданную в ТУ на эти элементы. Для определения температуры при которой будут эксплуатироваться ЭРЭ необходимо провести тепловой расчет. Если температура эксплуатации больше допустимой, то необходимо применить специальные меры по отводу тепла от ЭРЭ.

Расчет сводится к определению реальной температуры окружающей среды внутри корпуса прибора и температуры воздуха вокруг наиболее тепловыделяющих элементов VT2-VT10 при принудительном охлаждении.

Исходные данные:

1. Размер блока, перпендикулярный направлению продува (м) …0,445

2. 2-й размер блока, перпендикулярный направлению продува (м) …0,156

3. Размер блока в направлении продув (м) …0,456

4. Коэффициент заполнения объема блока…0,04

5. Мощность, рассеиваемая в блоке (Вт)…41,5

6. Мощность, рассеиваемая элементом (Вт)…2,0

7. Площадь поверхности элемента, омываемая воздухом (м2)…0,015

8. Массовый расход воздуха (кг/с)…0,001

9. Расстояние в направлении продува от входа до элемента…0,10

10. Температура охлаждающего воздуха на входе (в град. Цельсия)…25,0

1Определяется средний перегрев воздуха в блоке :

Qв=510−4 P/G (1)

где P — мощность, рассеиваемая в блоке (Вт);

G- -массовый расход воздуха (кг/с).

2 Определяется площадь поперечного сечения в направлении продува сечения корпуса блока:

S=L1L2 (2)

где L1 — Размер блока, перпендикулярный направлению продува;

L2 — 2-й размер блока, перпендикулярный направлению продува.

3 Рассчитывается перегрев нагретой зоны:

Qз= Qв+P· m1·m2·m3·m4 (3)

4 Находится условная поверхность нагретой зоны:

Sз=2[l1· l2+(l1+l2)· l3· Кз] (4)

где Кз — коэффициент заполнения объема блока

5 Находится удельная мощность нагретой зоны:

qз=P/Sз (5)

6 Находится удельная мощность элементов:

qэл=Pэл/Sэл (6)

где Pэлмощность, рассеиваемая элементом (Вт).

7 Рассчитывается перегрев поверхности элементов:

Qэл=Qз (0,75+0,25 qэл/ qз)· (L/Lз+0,5) (7)

8 Рассчитывается перегрев среды окружающей элементы:

Qэс= Qв (0,75+0,25 qэл/ qз)· (L/Lз+0,5) (8)

9 Определяются:

— температура нагретой зоны

Тз=Qз+Твх (9)

— средняя температура воздуха в блоке Тв=Qв+Твх (10)

— температура воздуха на выходе из блока Тв2=2Qв+Твх (11)

— температура поверхности элементов Тэл=Qэл+Твх (12)

— температура воздуха у элементов Тэс=Qс+Твх (13)

Расчет теплового режима прибора выполнен на ЭВМ.

Результаты расчетов приведены в приложении А.

Из расчетов видно что, температура поверхности элемента равна 63 °C, тогда как верхняя рабочая температура его равна 70 °C, следовательно тепловой режим блока выбран правильно.

На этом конструкторский расчет теплового режима закончен.

2.3 Расчет платы на ударопрочность Безотказность функционирования аппаратуры является одной из основных задач которые приходится решать конструктору. Среди которых обычно выделяют расчет на ударопрочность. Воздействие механического удара конструкция может испытывать при взаимодействии какого либо тела с поверхностью либо источники ударного механического воздействия могут находится непосредственно на объекте установки аппаратуры. Исходя из этого вытекает необходимость проведения расчета на ударопрочность разрабатываемого субблока при заданных условиях эксплуатации.

Исходными данными для расчета являются:

1 Длина платы (в метрах)…0,2000

2 Ширина платы (в метрах)…0,1700

3 Толщина платы (в метрах)…0,002

4 Масса пластины (кг) …0,18

5 Масса элементов на поверхности пластины (кг)…0,27

6 Модуль упругости материала платы (без множителя 1Е10)… 3,02

7 Допустимое напряжение в материале платы, (Па)…2×108

8 Характер импульса (0-синусоидальный, 1-прямоугольный)…1,0

9 Амплитуда воздействующего импульса…4,0000

10 Длительность воздействующего импульса Гц…30,0000

1. Определяем частоту собственных колебаний

(14)

где — коэффициент закрепления.

D — изгибающая жесткость пластины

2. Определяем начальную скорость падения блока в случае возникновения удара.

(15)

где — начальная скорость (м/c)

H0 — высота (м)

3. Определяем момент сопротивления

W=bh2/(16)

где — bШирина платы (мм)

hтолщина платы (мм).

4. Определяем напряжение по формуле

=Миз/ W (17)

где Миз — изгибающий момент

W — момент сопротивления

Конструкцию можно считать ударопрочной так как полученное значение напряжения в материале платы составляет 549 177,92 Н/м2. Результаты расчета приведены в приложении Б.

2.4 Расчет печатной платы на вибропрочность

В процессе эксплуатации и транспортировки РЭА подвергается механическим воздействиям. В общем случае внешние механические воздействия на конструкцию приводят к проявлению сил тяжести и инерции, которые действуют на отдельные части конструкции и вызывают деформацию. В зависимости от места приложения силы и геометрической формы конструкции характер деформации и ее величина могут быть различны. В большинстве случаев механические нагрузки имеют сложный комплексный характер.

Механические воздействия можно характеризовать диапазоном частот колебаний, амплитудой, ускорением и временем действия. Эти данные определяются исходя из условий эксплуатации РЭА (ГОСТ 16 019 — 78). Механическим воздействиям подвергаются все категории РЭА, даже стационарная, эксплуатируемая в нормальных условиях, подвергается транспортной тряске при доставке ее после изготовления на место эксплуатации.

Воздействие механических нагрузок приводит к механическим повреждениям, а часто и к полному выходу аппаратуры из строя. При воздействии механических нагрузок может произойти разрушение корпуса или отдельных его частей, обрыв монтажных связей, отслаивание печатных проводников, расслаивание многослойных печатных плат и т. п. Исходя из выше сказанного вытекает необходимость проведения расчета воздействия механических нагрузок при заданных условиях эксплуатации.

Для расчета конструкции платы на вибропрочность воспользуемся методикой приведенной в.

Исходными данными для расчета являются:

1 Длина платы (в метрах)…0,2000

2 Ширина платы (в метрах)…0,1700

3 Толщина платы (в метрах)…0,002

4 Масса пластины (кг) …0,18

5 Плотность материала платы (кг/м3)…1850

6 Модуль упругости материала платы (без множителя 1Е10)… 3,02

7 Допустимое напряжение в материале платы, (Н/м2)…2×108

8 Ускорение вибровозбуждений (в единицах g)…2

9 Минимальная частота помехи, Гц…10,0000

10 Максимальная частота помехи, Гц…30,0000

11 Шаг дискретизации от min и max частоты, Гц…1,0000

12 Логарифмический декремент затухания (текстолит=0.045)…0,2000

Методика предполагает следующий порядок расчета:

Собственная частота колебаний платы определяется по формуле:

(18)

гдераспределенная по площади масса, кг/мІ;

(19)

где — вес пластины с равномерно размещенными на ней элементами;

g — ускорение собственного падения;

— коэффициент зависящий от вида закрепления платы;

a, b — длина и ширина платы, м;

D — изгибная жесткость платы,

(20)

гдеЕ — модуль упругости Н/мІ

h — толщина платы, м.

Напряжение в материале платы определяется по формуле:

(21)

где — динамический момент,

(18)

(22)

гдеGмодуль сдвига,

(23)

гдекоэффициент Пуассона, =0.22

Конструкцию платы можно считать вибропрочной в том случае, если ее собственная частота колебаний выходит далеко за пределы частотного диапазона помех, а полученные значения напряжения в материале платы не превосходит максимального допустимого значения

Н/ мІ.

Расчеты на виброустойчивость платы выполнены на ЭВМ.

Результаты расчета приведены в приложении В.

Из результатов расчета видно, что собственная частота платы равна 395,362 Гц, а напряжение в материале платы =165,343. 103 Н/м2, отсюда можно сделать вывод, что конструкция вибропрочна.

2.5 Расчет конструкции блока на надежность

Современная РЭА имеет очень высокую функциональную сложность. При непрерывном усложнении радиотехнических приборов и систем наблюдается диспропорция между темпами роста сложности и покомпонентной надежности РЭА. Особое значение приобретает проблема надежности для систем управления сложными автоматическими процессами. Необходимо так же учитывать, что элементной базой для современнойспециальной аппаратуры являются интегральные микросхемы, где отказ каждой из них может привести к выходу из строя аппаратуры в целом.

Надежность РЭА является комплексным свойством аппаратуры, которое в зависимости от сложности изделия и условий его эксплуатации может характеризоваться одним или целым набором показателей надежности.

Рассмотренные критерии надежности позволяют достаточно полно оценить надежность РЭА. Выбор конкретных критериев оценки надежности зависит от класса проектируемой аппаратуры. В данном пункте необходимо произвести расчет вероятности и длительности безотказной работы блока в целом.

Интенсивность отказов i-го элемента равна:

(24)

гдеинтенсивность отказов элемента при 20С и нормальной нагрузке;

— расчетный коэффициент, учитывающий одновременно температуру ЭРЭ и электрическую нагрузку ;

— коэффициенты, учитывающие эксплуатационные факторы. Для УХЛ4 и группы 1: k 1=1,04; k 2=1,03; k3=1; k4=1.

Средняя наработка на отказ равна:

(25)

где — интенсивность отказов всех элементов

(26)

где — число элементов i-го типа.

Вероятность безотказной работы равна:

(27)

гдеt — наработка на отказ, по условиям технического задания равна 1500 часов.

Все расчеты на надежность выполнены на ЭВМ и приведены в приложении Г. Интенсивность отказов элементов приведены в таблице 3.

При расчете надежности блока использованы данные комплектующих изделий из приложения к заданию на дипломный проект.

Таблица 3 — Интенсивность отказов элементов.

Из результатов расчетов видно, что время безотказной работы равно 5778ч, что превышает заданное значение, а вероятность безотказной работы Р (t)=0,77.

2.6 Расчет допустимой длины проводников печатной платы

Между двумя проводниками на печатной плате могут появится индуктивные и емкостные паразитные связи. Для обеспечения надежной работы устройства необходимо провести расчет максимально допустимой длины проводников при одновременном действии индуктивной и емкостной паразитных связях.

Допустимая длина проводников печатной платы рассчитывается по формуле

(28)

гдеlc доп — допустимая длина только от емкостной связи, см.,

ll доп — допустимая длина только от индуктивной связи, см.

Длина емкостной связи вычисляется по формуле

(29)

гдеСдопемкость для времени задержки распространения сигнала, пФ;

Спогон — погонная емкость материала печатной платы, пФ/см.

Для 133 серии микросхем Сдоп = 16 пФ, Спогон = 0,625 пФ/см.

Длина индуктивной связи вычисляется по формуле

(30)

гдеtздр.сигн. — время задержки распространения сигнала, нс;

Км — коэффициент пропорциональности (Км =0,5…1);

I — средняя токовая нагрузка микросхем, А.

Для 133 серии микросхем tздр.сигн.=100нс, I=0,2А.

По известным величинам lc доп и ll доп вычисляем по формуле 30 допустимую длину проводников печатной платы Таким образом при разводке печатной платы длина проводников не должна превышать 24,35 см что полностью удовлетворяет топологии разработанной печатной платы.

2.7 Расчет массы изделия

Расчет массы изделия производим на основании спецификации к сборочному чертежу, а так же данных по материалам и комплектующим входящим в изделие. Все данные сведем в таблицу 4.

Таблица 4 — Определение массы блока

Исходя из расчетов следует, что масса разработанного изделия (12,1 кг.) не превышает заданную (15 кг.).

3 Технологический раздел

3.1 Анализ технологичности оригинальных деталей При конструировании блока оригинальными деталями являются печатная плата МИВУ.758 800.000 и стойка крепежная МИВУ. 741 149.000.

Печатная плата представляет собой изоляционное основание с нанесенными на него печатными проводниками. Печатный монтаж, повышает надежность радиоаппаратуры, способствует механизации и автоматизации производственных процессов.

В качестве основания печатной платы используется стеклотекстолит фольгированный марки СФ-2−35−2 толщиной 2 мм прямоугольной формы размером 170 200 мм. Большое количество элементов расположенных на схеме требует выполнять печатную плату двусторонней, с одной стороны которой расположены все элементы и часть проводников, а с другой стороны оставшаяся часть проводников. Разрабатываемая печатная плата выполнятся комбинированным позитивным методом, позволяющим получать платы с повышенной плотностью монтажа, высокими электрическими параметрами и высокой прочностью сцепления проводников.

Основными этапами изготовления печатной платы являются: а) входной контроль; б) получение заготовки; в) сверление монтажных отверстий; г) обработка по контуру.

Оценка качества фольгированных материалов проводится визуально или путем проведения специальных испытаний согласно ТУ.

Заготовку отрезают с припуском по контуру на одну или несколько плат.

Наиболее перспективно и целесообразно резку осуществлять на роликовых или гильотинных ножницах. При этом повышается производительность, исключается засорение помещения пылью и сокращаются отходы материала.

Металлизированные монтажные и переходные отверстия обрабатывают с высокой точностью на специализированных однои многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. На одной плате нецелесообразно иметь более четырех значений разных диаметров отверстий, т. к. это затрудняет их обработку в связи с необходимостью частой смены инструмента. В разрабатываемой ПП используются четыре номинальных диаметра отверстий 0,8; 1; 3,5; 4,5. мм.

Наружный контур платы получают отрезкой на гильотинных ножницах, вырубкой в штампе или фрезерованием после изготовления печатных проводников. При единичном производстве используют фрезерование, но т. к. разрабатываемая печатная плата является частью унифицированной ячейки, то будем использовать вырубку по контуру, которую совместим с пробивкой четырех не металлизированных отверстий диаметром 3,5 мм и пазов, имеющихся со сторон установки планки и разъема ГРПМШ-1−45ШУ2-В.

Все отверстия, подлежащие металлизации, получают сверлением, т. к. пробитые отверстия имеют плохое качество поверхности и непригодны для металлизации.

При разработке печатной платы руководствуются конструктивно-технологическими требованиями:

1) В местах крепления платы необходимо предусмотреть технологические зоны шириной не менее 88,5 мм. Размещать установочные отверстия и детали в этих зонах не допускается. Данное требование соблюдается.

2) Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки с шагом 1,25.

Диаметры отверстий в печатной плате должны быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки элемента. Диаметры отверстий на 0,6 мм больше диаметров выводов элементов, а диаметр контактных площадок больше диаметров отверстий на 0,5 мм. Для диаметров от 1 до 2,4 мм точность выполнения диаметров отверстий составляет плюс 0,12 мм.

Отверстия всех диаметров на платах толщиной от 1,2 мм изготовляют с углом зенковки не менее 70. Расстояние между центрами отверстий на плате необходимо выдерживать с допуском не более плюс минус 0,2 мм, а между центрами взаимосвязанных отверстий под многовыводные навесные элементы — не более плюс минус 0,1 мм. Эти требования также выполняются на чертеже.

Металлизированные отверстия на двусторонней печатной плате должны иметь контактные площадки и располагаться в их зоне. Контактные площадки выполняются круглой, прямоугольной или близкой к ним формы. В разрабатываемой печатной плате под штырьевые выводы разъема ГРПМШ-1−45ШУ2-В предусмотрены по 45 круглых контактных площадок на каждой стороне платы, и под планарные выводы микросхем 126 контактных площадок.

3) В соответствии с ГОСТ 23 751–86 для печатной платы третьего класса плотности минимальная ширина проводников и расстояние между ними 0,25 мм. Форма, протяженность и расположение печатных проводников могут быть произвольными, однако во всех случаях не допускаются резкие перегибы, острые углы и переходы.

4) При двустороннем расположении печатные проводники не должны касаться корпусов радиодеталей. Для этого проводники должны огибать детали, лежащие на плате, или детали следует располагать на расстоянии не менее 3 мм от поверхности платы.

Техпроцесс изготовления двусторонних печатных плат комбинированным методом достаточно хорошо отработан и в значительной мере оснащен специальным оборудованием. Таким образом, можно сделать вывод о том, что разработанная печатная плата МИВУ.758 800.000 легко изготавливается по уже освоенным на предприятии, типовым технологическим процессам, и, следовательно, удовлетворяет требованиям технологичности при ее изготовлении.

При разработке конструкций деталей необходимо учитывать возможность операций холодной штамповки и обрабатываемость выбранного материала.

К таким деталям предъявляются следующие технологические требования:

— операциями вырубки и пробивки можно изготовить плоские детали из листового материала толщиной от 0,05 до 4 мм, причем отношение ширины вырубленной детали к толщине не должно быть меньше 3:1, за исключением выступов, перемычек и пазов (для которых допускается отношение 1,5:1;

— отверстия в вырубаемых деталях могут иметь любую форму. Более технологичными являются круглые отверстия.

— минимальные расстояния между пробиваемыми отверстиями, а также между контуром детали и отверстиями должны задаваться с учетом соотношений.

— для операции гибки необходимо учитывать минимальные радиусы гибки, которые для углеродистой стали Ст 3 кп. имеют значение r=(0,61)S (где S — толщина материала).

Использование холодной штамповки в условиях мелкосерийного производства является рациональным вариантом, т.к. для пробивки отверстий используются универсальные пуансон-матрицы. Кроме того, процесс холодной штамповки производителен, поэтому это позволяет снизить трудоемкость изготовления изделия в целом и сократить производственный цикл.

Выбранный из конструктивных соображений материал стойки крепежной углеродистой стали Ст 3 кп. удовлетворяет требованиям, предъявляемым к физико-механическим параметрам материалов, подвергаемых штамповке.

Изготовленная методом холодной штамповки стойка крепежная представляет собой плоскую деталь, вырубаемую из листового материала толщиной 1,5 мм. Отношение ширины вырубленной детали к толщине составляет 35:1,5. Все отверстия в данной детали имеют круглую форму, то есть являются более технологичными.

Минимальный диаметр отверстия на стойки крепежной составляет d=3,5 мм, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к отверстиям, пробиваемым в алюминиевом сплаве толщиной s=1,5 мм, согласно которым наименьший диаметр отверстий должен быть d0,8s.

Минимальное расстояние между отверстиями и от края панели до отверстия составляет 40 и 5 мм, что также удовлетворяет условиям, согласно которым наименьшее расстояние между последовательно пробиваемыми отверстиями и от края детали до отверстия ms. Такое расположение отверстий также технологично.

В процессе изготовления стойки крепежной используется гибка. Минимальный радиус гибки г=1,5 мм, что входит в допуск минимально допустимого значения, составляющего r=(1,22) мм.

В качестве базы для простановки размеров выбрана ось отверстия. располагаемая в центре слева изготавливаемой детали, что обеспечивает изготовление и измерение расстояний без пересчета размеров и вычислений допускаемых отклонений.

3.1.5 Таким образом, стойка крепежная МИВУ. 741 149.000 не требуют применения специального оборудования и оснастки, легко изготавливаются по уже освоенным на предприятии типовым технологическим процессам, а, следовательно, удовлетворяют требованиям технологичности при изготовлении в рамках единичного производства.

3.2 Технология общей сборки блока Исходными данными при разработке технологии общей сборки блока являются:

— сборочный чертёж блока МИВУ.465 649.000СБ с прилагаемой к нему спецификацией МИВУ. 465 649.000;

— программа выпуска 20 штук в год.

Для нормирования технологического процесса используем нормативно-техническую документацию в соответствии со стандартом предприятия.

Так как вид производства — единичный, то разрабатываем единичный технологический процесс с использованием технологических процессов — аналогов. Организуем сборку блока на универсальных рабочих местах.

После предварительной сборки блока осуществляется его монтаж и производится окончательная сборка блока.

При разработке технологического процесса сборки и монтажа блока исходным документом является технологическая ведомость сборочно-монтажных работ, норм времени, потребного оборудования, которая представлена в таблице 1.

Таблица 1- Ведомость сборки и монтажа блока.

Технологический процесс общей сборки блока приведен в маршрутных картах.

4 Организационно — экономический раздел.

4.1 Определение затрат на разработку конструкторской документации Определение трудоемкости конструкторских работ Для определения трудоемкости конструкторских работ необходимо составить перечень всех основных этапов и видов работ, выполняемых в рамках этих этапов.

Объем работ по конструкторской подготовке производства складывается из:

— трудоемкости изготовления конструкторской документации на всех стадиях разработки;

— трудоемкости изготовления и испытания макетов на этапах эскизного и технического проектирования;

— трудоемкости изготовления и испытания опытного образца на первой стадии производства;

— трудоемкости корректировки технической документации по результатам испытаний макетов и опытного образца.

Трудоемкость i — той конструкторской работы можно определить по формуле:

Трi = ni Ni Кс Кн Кт (31)

где ni — количество листов чертежей или других конструкторских документов, разрабатываемых в рамках i — той работы;

Ni — норматив времени на выполнение i — той работы Кс — коэффициент группы сложности;

Кн — коэффициент группы новизны;

Кт — коэффициент снижения трудоемкости работ в зависимости от степени унификации.

Произведение Кс .Кн .Кт принимается равным 1. Суммируя трудоемкость всех работ, получаем трудоемкость разработки необходимого комплекта конструкторской документации. Результаты расчетов приведены в таблице 4.1.

Определение продолжительности выполнения работ Некоторые работы (в основном наиболее трудоемкие) могут выполнять несколько исполнителей. Поэтому, задавшись количеством и квалификацией исполнителей, выполняющих i-ю работу, определим ее продолжительность по формуле (2):