Задачи и место конструкторского проектирования в разработке технического устройства

Задачи и место конструкторского проектирования в разработке технического устройства

Современный процесс разработки технического устройства можно разбить на следующие составные части:

научно-исследовательская работа (НИР);

опытно-конструкторская работа (ОКР);

рабочая стадия.

Каждая стадия имеет свои задачи, выполнение которых требует определенной последовательности выполнения проектных работ. На рис.3 показана эта последовательность.

Рис.1 Процесс разработки технического устройства.

Каждая стадия разработки сводится к выполнению определенных видов работ, называемых этапами разработки. При выполнении каждого этапа ставится определенная задача, поэтому каждый этап связан с созданием определенного набора проектных документов. На рис. 2 приводится последовательность этапов разработки.

Содержание основных этапных документов.

Заявка на разработку.

1. Заявка на разработку (ЗР)

Состав заявки:

-- назначение изделия;

-- предполагаемый изготовитель;

-- ориентировочная потребность в изделии;

-- стоимость разработки;

-- сроки разработки;

-- технико-экономическое обоснование разработки;

-- основные требования и условия эксплуатации.

2. Техническое задание (ТЗ)

ТЗ -- разрабатывается на основе заявки на разработку и устанавливает:

1. Основное назначение изделия, его состав, число и назначение составных частей;

2. Технико-экономические и специальные требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, к объему и стадиям разработки;

3. Требования к основным и наиболее существенным для разрабатываемого изделия показателям качества. При этом главное внимание уделяется:



Рис.3

Рис.4

-- требования к показателям технического совершенства изделия (показателям функциональной и технической эффективности, показателям качества ). Например, для электроизмерительной аппаратуры такими показателями являются:

а) метрологические (погрешности, пределы измерения);

б) динамические (время измерения, быстродействие, частотный диапазон);

в) параметры входной и выходной цепи (входной и выходной токи, напряжение, сопротивление, емкость);

-- конструкторским требованиям:

а) габаритные размеры;

б) установочные размеры;

в) присоединительные размеры;

г) масса;

-- требования по надежности;

-- требования по экологии и безопасности жизнедеятельности;

-- эргономические требования;

-- требования по упаковке, транспортировке и хранению изделия;

4. Состав конструкторской документации (КД).

3. Техническое предложение (ПТ)

Этап работы, на котором исполнителем обосновывается принципиальная возможность создания технического устройства с заданными по ТЗ характеристиками и помечаются основные технические и организационные решения по выполнению ТЗ. На этом этапе составляют частные ТЗ для различных подразделений разработчиков (надежника, конструкторам и т.п.).

4. Эскизный проект

Совокупность документов, содержащих принципиальные решения, дающие общие представления об устройстве и принципе действия изделия, а также данные определяющие назначение и основные параметры разрабатываемого устройства.

5. Технический проект

Совокупность документов, содержащих окончательное техническое решение, дающее полное представление об устройстве разрабатываемого изделия и исходные данные для разработки рабочей документации (для изготовления опытного образца).

6. Рабочий проект

Совокупность окончательной схемной, конструкторской и технологической документации, которая обеспечивает изготовление технического устройства, его сборку, наладку, сдачу заказчику, эксплуатацию и включает в себя:

1. Схемы:

а) структурные;

б) функциональные;

в) принципиальные;

г) электромонтажные;

д) соединительные;

2. Чертежи:

а) деталировочные;

б) сборочные;

в) габаритные.

3. ТУ:

а) на блоки;

б) на платы;

в) на модули;

4. Техническое описание;

5. Инструкция по настройке;

6. Производственно - техническую документацию;

Программу и методику испытаний.

7.Пояснительная записка (ПЗ)

По окончании работ на стадиях технического предложения, эскизного проектирования и технического проектирования составляется пояснительная записка, которая составляется по следующей единой схеме:

Введение (содержит обычно подробное наименование разрабатываемого устройства, номер и дату утверждения ТЗ);

Назначение и область применение (содержит основные технические характеристики, сравнительные данные между отечественными и зарубежными аналогами);

Описание и обоснование выбранной конструкции (содержит описание и анализ рассмотренных вариантов, в том числе их патентную чистоту и конкурентоспособность);

Расчет (содержит ориентировочные и окончательные расчеты по проектированию);

Описание организации работ (содержит предварительные сведения об организации работ с применением разрабатываемого устройства, сведения об обслуживающем персонале, режимах работы и т.п.);

Ожидаемые технико-экономические показатели (содержит предварительные и окончательные расчеты экономичности, эффективности введения устройства на организацию производства и эксплуатацию).

В процессе выполнения разработки технического устройства решается целый ряд сложнейших задач разных классов, требующих вмешательства соответствующих специалистов. Подробное содержание задач, решаемых специалистами на этапе НИР и ОКР приведено на рис.5

Рис.5

На рис.6 приводится последовательность решения вышеуказанных задач с указанием необходимых для этого специалистов профессионалов.

Инженер -- системотехник выполняет:

ВП -- внешнее проектирование, при котором исследуются внешние аспекты разработки, а именно: изучаются все социально -- технические связи создаваемой системы с окружением. При этом:

учитываются достижения науки и техники;

осуществляется патентный поиск;

оформляются патенты и заявки.

СП -- структурное проектирование, при котором разрабатывается укрупненная структура проекта, разрабатывается общая структура (структурная и функциональная схема) создаваемой системы. При этом:

система разбивается на отдельные части -- функциональные блоки;

определяются задачи, решаемые каждым блоком, распределение функций, устанавливаются их основные характеристики;

устанавливается алгоритм функционирования, входящих в систему блоков;

определяются каналы обмена информацией между блоками.

Этап структурного проектирования является в основном не формализуемым процессом, где используется в основном творческие возможности разработчика. ЭВМ используется для просмотра вариантов решения, алгоритмов для автоматизации процесса структурного проектирования пока нет.

Инженер -- схемотехник выполняет:

ЛП -- логическое проектирование (разработка функциональных, электрических, принципиальных схем). Логическое проектирование представляет собой формальный синтез схемы отдельных частей (узлов, блоков) разрабатываемой системы, которые были выбраны на этапе системотехнического проектирования. На данном этапе каждый блок на основании исследования его описания, характеризующего алгоритм функционирования представляется в виде структуры, компонентами которой является выбранная элементная база. Например, при логическом проектировании цифровых устройств описанием схем являются логические уравнения также как, например, дизъюнкция конъюнкций булевых выражений. При этом используются разделы математики логики.

МА -- моделирование и анализ. Объектом исследования на данном этапе являются схемы, полученные на этапе логического и структурного проектирования. Цель моделирования -- проверить логическую состоятельность, правильность функционирования схемы, оценить ее возможность и степень сложности, отобрать лучший вариант.

Основные задачи моделирования:

-- проверка корректности построения схем и устранение формальных ошибок;

-- проверка правильности функционирования;

-- проверка временных характеристик;

-- отбор лучших вариантов подключения.

Цель моделирования -- оценить возможности, параметры и степень сложности схем, правильность функционирования устройств до их фактического построения.

РТ -- разработка тестов, то есть разработка алгоритмов, методов и способов контроля, диагностирования и ремонта. Задача состоит в том, чтобы найти такой набор входных и выходных сигналов теста, анализируя которые можно было бы судить об исправности устройства, а в случае неисправности определить вид и место повреждения. При этом оценивается полнота и эффективность контрольных и диагностических тестов.

КП -- конструкторское проектирование. Эту работу выполняет инженер-конструктор. Вначале устанавливаются особенности конструкции проектируемого технического устройства, определяемые его функциональным назначением, требуемым уровнем технического совершенства, условием и местом эксплуатации, типом пользователя, областью применения. Наиболее существенными факторами являются воздействия окружающей среды. Определяется конструкторское решение.

Рис.6

Инженер-технолог выполняет:

ТП -- технологическое проектирование. Эту работу выполняет инженер-технолог. .Создается документация , необходимая для изготовления разработанного технического устройства.

Таким образом, в результате схемотехнического, конструкторского и технологического проектирования рождается техническая система.

Удачность полученного совместными усилиями инженеров - проектировщиков результата принято численно оценивать качеством разработанной технической системы.

Под качеством понимается степень приспособленности технической системы к применению по назначению.

Оценка осуществляется по следующим видам показателей:

показатели назначения, характеризующие основные параметры функционирования (метрологические, мощностные, быстродействие и т.п.);

показатели надежности, характеризующие безотказность, долговечность, сохраняемость, ремонтопригодность;

показатели технологичности, характеризующие уровень унификации, стандартизации, тип производства, вид технологических процессов, время запуска в производство и т.п.;

конструкторские показатели, характеризующие рациональность компоновки, конструкции системы, габариты, массу, количество деталей и т.п.;

эстетические показатели, характеризующие художественность выразительность конструкторского решения, рациональность форм, цветового оформления и т.п.;

экономические показатели, характеризующие трудоемкость изготовления, себестоимость и т.п.;

патентно-правовые показатели, характеризующие патентную чистоту, патентные защиты;

эргономические показатели, характеризующие рациональность технической системы с точки зрения требований научной организации труда, требований эргономики инженерной психологии, физиологии гигиены труда;

экологические показатели, характеризующие воздействие на окружающую среду;

показатели безопасности, характеризующие безопасность жизнедеятельности при работе системы.

Численная квалиметрическая оценка качества осуществляется по трем разным уровням:

абсолютный уровень - когда за базисный (эталонный) образец технической системы принимается лучший внутри одной фирм;

относительный уровень - когда за базисный образец технической системы принимается лучший среди родственных фирм;

перспективный уровень - когда за базисный образец технической системы принимается гипотетический (несуществующий).

Численная оценка осуществляется по формуле вида:

где m_j- вес (важность) j-го параметра ; n1- число показателей качества; n2 - число параметров; Э_i - численное значение i-го параметра эталона; P_j - численное значение i-го параметра разрабатываемого технического устройства; n_i - типы показателей.

Конструкция и конструирование

Конструкция -- совокупность деталей, узлов и материалов с разными физическими свойствами, находящимися между собой в определенной физической связи (электромагнитной, тепловой, механической и т. д.) обеспечивающих выполнение заданных функций с необходимой точностью и надежностью не смотря на влияние внешних и внутренних факторов. Совокупность воспроизводимая в условиях воспроизводства.

Конструирование -- инженерная деятельность, представляющая собой процесс поиска, нахождения и отражения в конструкторской документации формы, размеров и состава разрабатываемой аппаратуры, входящих в ее состав деталей и узлов, используемых материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения составляющих частей аппаратуры и связи между ними, указания по технологии изготовления.

Конструкция электронной аппаратуры имеет ряд отличительных особенностей и характеризуется:

иерархической структурой, под которой понимается последовательное объединение более простых электронных узлов в более сложные;

преобладание электрических и электромагнитных связей;

наличием неоднородностей в электрических соединениях, приводящих к искажению и затуханию сигналов, а также наличию паразитных связей, порождающих помехи (наводки);

наличием тепловых связей, что требует принятие мер защиты термочувствительных элементов.

Основная цель -- создать малогабаритную высокоэффективную и надежную аппаратуру, производство и эксплуатация которой не требует большого расхода трудовых энергетических и материальных ресурсов.

Для достижения этой цели требуется решить следующие три основные задачи:

миниатюризация, микроминиатюризация, сверхминиатюризация;

защита от внутренних и внешних паразитных факторов;

обеспечение высокой технологичности.

Первая задача. Миниатюризация осуществляется в трех следующих направлениях:

а) минимизация конструкционных компонент;

б) минимизация элементной базы;

в) применение облегченных и высокопрочных материалов.

Все это позволяет добиться:

уменьшения габаритов и веса аппаратуры;

значительного повышения надежности;

уменьшения потребляемой мощности;

сокращения объема и трудоемкости монтажно-сборочных работ;

упрощения конструкции элементной базы.

Микроминиатюризация осуществляется применением:

микромодульных конструкций (обычные компоненты в микроминиатюрном исполнении) -- этажерочные конструкции;

микросхемы -- компоненты образуются методом осаждения тонкой пленки на изоляционной подложке;

твердая схема -- микрокристаллические пластины (в одном кристалле), в пластине, где с помощью полупроводниковой технологии формируются отдельные компоненты схемы.

Микроминиатюризация базируется на применении:

а) интегральных схем (ИС);

б) микропроцессорных комплектов;

в) аналоговых функциональных комплектов;

г) молектронных схем.

Молектронные схемы (функциональные монолитные твердые схемы, имеющих однородную структуру, в которой нет привычных компонентов схем). Сверхминитюаризация (переход к пятому поколению) базируется на широком применении:

гибридно-интегральных узлов;

сверхбольших ИС с программируемой логикой;

волоконно-оптических кабелей (для передачи оптических сигналов).

Вторая задача (главнейшая) -- охлаждение и защита.

Чем выше степень миниатюризации аппаратуры, тем выше рассеиваемая мощность переходит в тепло. Охлаждение осуществляется в двух направлениях:

а) тепло отвод внутренний -- отвод тепла от тепловыделяющих элементов;

б) тепло отвод внешний -- отвод тепла от корпуса.

Третья задача -- обеспечение высокой технологичности конструкции.

Технологичность конструкции

Технологичность конструкции -- приспособленность конструкции к изготовлению и эксплуатации. Технологичность конструкции складывается из двух составных частей:

а) производственная технологичность, под которой понимается приспособленность к изготовлению и осуществляется на базе типизации, стандартизации, унификации;

Типизация -- ликвидация многообразия типов элементов путем сведения их к небольшому числу избранных типов, чем меньше типов, тем выше технологичность.

Унификация -- типизация при которой размеры и параметры избранных типов получаются путем деления или умножения на целые числа размеров и параметров некоторого базового типа.

Стандартизация -- установление обязательных норм на параметры и характеристики с целью приближения качества изделий к уровню образцов.

Производственная технологичность оценивает в привязке к следующим параметрам:

вид деталей (сборочная единица, комплект, комплекс);

тип производства (единичное, серийное, массовое);

объем выпуска.

б) эксплуатационная технологичность, под которой понимается эффективность применения по назначению и эффективность технического обслуживания (контроль, восстановление).

Эксплуатационная технологичность оценивается по следующим параметрам:

1. уровень квалификации обслуживающего персонала:

а) время и стоимость подготовки к рабочему циклу;

б) время и стоимость обслуживания в процессе работы.

2. время и стоимость восстановления:

а) контроль;

б) диагностирование;

в) собственно ремонт.

Литература

1 Технология и автоматизация производства РЭА: Учебник для вузов/Под ред. А.П.Достанко.-М.:Радио и связь, 1999.

2 Технология производства ЭВМ - Достанко А.П. и др.:Учеб.-Мн.:Высшая школа, 2004.

3 Технологічне оснащення виробництва електронних обчислювальних засобів: Навч. Посібник/М.С.Макурін.-Харків: ХТУРЕ,2006.