Разработка конструкции функционального узла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования РФ

Российский государственный гидрометеорологический университет

Кафедра «Морских информационных технологий»

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине

«Проектирование защищенных ТКС»

тема: «Разработка конструкции функционального узла»

Вариант №41

Санкт-Петербург 2011

Содержание

1. Анализ технического задания на проектирование

2. Обоснование и описание информационных технологий проектирования (информационно- поисковая система по ЭРК «Меркурий», PCAD, ACAD, ATEPLO, PLATE)

3. Оценка потребляемой мощности (для расчёта теплового режима)

3.1 Выбор и обоснование конструктивной системы, её описание

4. Организационные и технологические предпосылки автоматизации монтажных работ

5. Технологические процессы изготовления ПП

5.1 Методы изготовления ПП

6. Расчётная часть

6.1 Расчёт механический

6.2 Расчёт тепловой

6.3 Расчёт надёжности

7. Информационные технологии проектирования

Вывод по курсовому проекту

информационное проектирование функциональный узел

1. Техническое задание

Тема (пример): Разработка конструкции функционального узла - модуль процессора.

Исходные данные к проекту:

1. Схема электрическая принципиальная функционального узла и ее описание выдается с заданием.

2. Условия эксплуатации:

- температура окружающей среды (-10…+50) °С;

- относительная влажность среды 98% при 20 °С;

- вибрационные нагрузки: диапазон частот вибрационного воздействия 50…200 Гц, амплитуда ускорения 98,1 м/с2 (10g).

3. Время непрерывной эксплуатации Т=1000 ч.

4. Вероятность безотказной работы P(Т) не менее 0,90.

5. Функциональный узел должен быть реализован на основе унифици-рованной конструктивной системы (БНК) в виде модуля 1-го уровня.

Пояснительная записка должна иметь следующие разделы:

1. Техническое задание.

2. Обоснование выбора элементной базы.

3. Описание работы прибора на основе электрической принципиальной схемы.

4. Расчет потребляемой функциональным узлом мощности. Знание величины потребляемой мощности необходимо для расчета тепловогго режима.

5. Выбор и обоснование конструктивной системы.

6. Расчет теплового режима прибора включает в себя:

а) обоснование выбора модели;

б) исходные данные для ППП;

в) распечатки результатов работы с ППП;

г) анализ результатов.

7. Расчет механической прочности. Включает в себя:

а) обоснование выбора модели;

б) исходные данные для ППП;

в) распечатки результатов работы с ППП;

г) анализ результатов.

8. Разработка конструкции ПП и выпуск КД.

9. Расчет показателей надежности (среднее время безотказной работы и вероятность безотказной работы за 1000 часов).

10. Описание конструкции прибора.

11. Выводы о соответствии разработанного прибора ТЗ.

В состав комплекта рабочей документации должны входить следующие документы:

- схема электрическая принципиальная модуля 1-го уровня;

- перечень элементов к схеме электрической принципиальной;

- чертеж печатной платы (разводка печатного монтажа);

- спецификация сборочной единицы (модуля 1-го уровня);

- сборочный чертеж платы (модуля 1-го уровня)/.

2. Обоснование выбора элементной базы и описание информационных технологий проектирования ( информационно- поисковая система по ЭРК «Меркурий», PCAD, ACAD, ATEPLO, PLATE)

Процессор (CPU - central processor unit - центральный процессор) - это один из основных компонентов компьютера, его можно сравнить с мозгом. Он выполняет логические и арифметические операции над различными данными. Процессор это большая интегральная схема в едином полупроводниковом кристалле. Это означает, что на куске камня сделали много-много маленьких транзисторов, которые вместе умеют правильно и быстро считать. Процессор, наверное, самая быстроразвивающаяся часть компьютера, с каждым годом его производительность только растет. Еще каких-то 20 лет назад люди и не могли мечтать, чтобы на их столах стоял компьютер с частотой 3ГГц.

Роль процессора

В 1945 году Джорджем фон Нейманом была представлена архитектура персонального компьютера, получившая название архитектура фон Неймана. Компьютер с такой архитектурой включал в себя блок управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройство ввода-вывода. Именно на этой архитектуре, придуманной более 50 лет назад, основаны все современные персональные компьютеры. Процессор в этой архитектуре берет на себя функции АЛУ и блока управления, он выбирает команды из памяти, а затем по очереди исполняет их и результат записывает обратно в память. Все устройства в таком компьютере общаются друг с другом через системную шину.Мозг компьютера - процессор - подключен к системной шине и выполняет программу, находящуюся в памяти компьютера. Программа состоит из последовательности команд. Каждая команда имеет разный размер и включает в себя не только информацию о том, что необходимо сделать, но и данные, которые нужно обработать. Поскольку все компьютеры работают с двоичными данными (нулями и единицами), то и команды и данные представляют собой набор двоичного кода. Длина команды в семействе процессоров х86 может быть от 1 байта (8 бит) до 12 байт.

Технологии производства

Процессор состоит из огромного числа транзисторов, связанных между собой. Опять же, говоря умными словами: транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования, усиления, перенаправления электрических сигналов. То есть, транзистор получает два каких-то сигнала, и, в зависимости от того, что он получил, выдает третий сигнал. Для изготовления транзисторов в процессоре используется кремний, как самый распространенный полупроводниковый материал на Земле. Технология производства следующая: сперва создается тонкая кремниевая пластина, которая тщательно полируется и покрывается различными химическими смесями. Затем пластину в определенных местах облучают ультрафиолетом, создавая на ней специальный рисунок. При попадании ультрафиолета на пластину слой химии выгорает, открывая доступ непосредственно к кремнию. Затем на полученную пластину наносятся зоны проводимости и непроводимости, для этого используется опять же кремний, но уже поликристаллический, а также различные оксиды и металлы. Полученная схема представляет не что иное, как огромное множество транзисторов.Чем сложнее становятся процессоры, чем больше команд они должны уметь выполнять, тем больше необходимо использовать транзисторов. А для того чтобы разместить большое число транзисторов на маленькой кремниевой пластине, необходимо уменьшить размер транзисторов и увеличить размер кремниевой пластины. Понятно, что размер пластины сильно увеличивать нельзя, иначе процессоры буду занимать целый стол, поэтому компании производящие процессоры стараются уменьшить размер транзистора. Последние процессоры от Интел имеют размер транзистора всего 0,09 микрон (1 микрон = 0,001 миллиметра). Кроме того, чем меньше размер транзистора, тем меньше тепла он излучает при работе.

В нашей работе используется модульный принцип конструирования. Сам процессор имеет очень сложную организацию, нам необходимо сконструировать только небольшую его часть, пользуясь рекомендованными преподавателем прикладными пакетами для конструирования PCAD, ACAD. По заданию на конструирование модуля процессора представлена конкретная схема (она имеется в приложении к техническому заданию) на которой уже поставлены все необходимые элементы и установлены все связи. Общий принцип построения модуля процессора представляем. Из библиотек PCAD извлекаем элементы и строим модуль. Информационно- поисковой системой по ЭРК «Меркурий» можно не пользоваться, элементная база известна. Данная микросхема проста и не требует специальных технологий и может быть выполнена в ручную. Разработанная печатная плата не будет использоваться на массовом серийном производстве, это учебный проект. Однако необходимо провести ряд оценочных работ после завершения проектирования, чтобы определить надёжность получившегося изделия, его механическую прочность, расчёт теплового режима работы. Для данных целей используется пакет прикладных программ ATEPLO, PLATE. Для определения ориентировочной оценки надёжности необходимо учесть количество элементов, паек и т.д.. PCAD используем для разработки ПП, а ACAD- для оценки конструкции. Прикладные программы помогают определить оценку надёжности. В конце работы необходимо сделать вывод соответствует ли полученное изделие техническому задании

3. Оценка потребляемой мощности (для расчёта теплового режима)

3.1 Выбор и обоснование конструкции, её описание

Существует ещё два способа конструирования РЭА:

- С применением объёмного монтажа- это соединение ЭРЭ с помощью проводов, которые соединены с выводами элементов;

- С применением печатного монтажа - это соединение ЭРЭ с помощью проводников, полученных методом особой технологии на печатной плате.

Для изготовления модуля процессора использовался печатный монтаж.

Печатный монтаж обладает следующими особенностями:

- Малые габариты и масса;

- Высокая надёжность;

- Возможность автоматизации монтажно- сборочной операции;

- Возможность автоматизированного процесса проектирования выпуска конструктоско- технической документации.

Для изготовления модуля процессора использовалась конструкция для штырьковых соединений методом пайки. При механическом методе компоновки обеспечиваются жёсткие механические параметры, т.е. элементы располагаются ближе к зоне крепления печатной платы без элементов дополнительных креплений. Также плата является двухслойной. А метод конструирования Моносхемный, т.к. он применим для несложной РЭА. Как в нашем случае вся электрическая схема располагается на одной ПП.

Методы конструирования РЭА на печатных платах

При конструировании РЭА на печатных платах используют следующие

методы. Моносхемный применяют для несложной РЭА. В том случае вся электрическая схема располагается на одной ПП. Моносхемный метод имеет ограниченное применение, так как очень сложные ПП неудобны при настройке и ремонте РЭА. Схемно-узловой метод применяют при производстве массовой и серийной РЭА. При этом методе часть электрической схемы, имеющая четкие входные и выходные цепи (каскады УВЧ, УПЧ, блоки развёрток и т.п.), располагается на отдельной плате. Ремонтопригодность таких изделий больше. Недостаток - сложность системы соединительных проводов, связывающих отдельные платы. Функционально-узловой метод применяют в РЭА с использованием микроэлектронных элементов. При этом ПП содержит проводники коммутации функциональных модулей в единую схему. На одной плате можно собрать очень сложную схему. Недостаток этого метода - резкое увеличение сложности ПП. В ряде случаев все проводники не могут быть расположены на одной и даже обеих сторонах платы. При этом используют многослойные печатные платы (МПП), объединяющие в единую конструкцию несколько слоёв печатных проводников, разделённых слоями диэлектрика. В соответствии с ГОСТом различают три метода выполнения ПП: . ручной; . полу автоматизированный; . автоматизированный; Предпочтительными являются полуавтоматизированный, автоматизированный методы.

Классификация печатных плат

Все ПП делятся на следующие классы.

ОПП - односторонняя печатная плата.

Элементы располагаются с одной стороны платы. Характеризуется высокой точностью выполняемого рисунка.

ДПП - двухсторонняя печатная плата.

Рисунок располагается с двух сторон, элементы с одной стороны. ДПП на металлическом основании используются в мощных устройствах.

МПП - многослойная печатная плата.

Плата состоит из чередующихся изоляционных слоев с проводящим рисунком.

Между слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения.

ГПП - гибкая печатная плата.

Имеет гибкое основание, аналогична ДПП.

ППП - проводная печатная плата.

Сочетание ДПП с проводным монтажом из изолированных проводов.

4. Организационные и технологические предпосылки автоматизации

монтажных работ. Методы изготовления РЭА с использованием дискретных элементов и проводного монтажа были приспособлены для ручного труда. Механизация или даже автоматизация отдельных операций (зачистка и оплетение нитками концов проводов) практически ничего не изменили в общем характере производства с преобладанием ручных операций. Один из способов решения возникающих конструкторско-технологических противоречий, получил название «принцип инверсии», т.е. выполнения чего-либо наоборот. Этот принцип оказался плодотворным для производства РЭА: раньше сначала ставили радиоэлементы, а потом проводами производили электрический монтаж, теперь сначала делают проводники, а затем на плату с готовыми проводниками расставляют транзисторы, резисторы и другие элементы.

Так появились печатные платы (ПП), технологические процессы изготовления которых гораздо лучше приспособлены для механизации и допускают комплексную автоматизацию всего производственного процесса создания РЭА (от автоматизированного проектирования до выходного контроля готовой продукции). Особенностью производства РЭА на современном этапе является использование большого количества стандартных элементов. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества - одно из основных требований. Массовое производство стандартных блоков с использованием новых элементов, унификация элементов создают условия для автоматизации их производства. Высокая трудоёмкость сборочных и монтажных работ объясняется наличием большого числа соединений и сложности их выполнения вследствие малых размеров. Наиболее трудоёмким процессом в производстве РЭА занимает контроль операций и готового изделия. Основным направлением при разработке и создании печатных плат является широкое применение автоматизированных методов проектирования с использованием ЭВМ, что значительно облегчает процесс разработки и сокращает продолжительность всего технологического цикла. Исходя из вышесказанного, можно выделить основные достоинства печатных плат: . Увеличение плотности монтажа и возможность микроминиатюризации изделий. . Гарантированная стабильность электрических характеристик. . Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям. . Унификация и стандартизация конструктивных изделий. . Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.

5. Технологические процессы изготовления печатных плат

Печатные платы являются основными конструктивными единицами любой радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры, так как печатный монтаж обеспечивает повторяемость параметров от образца к образцу, дает возможность точно и просто идентифицировать установленные на плату элементы и обеспечивает высокую надежность изделий за счет использования стандартных, хорошо отработанных технологических процессов их изготовления.

Преимущество печатного монтажа заключается также в компактности аппаратуры и уменьшении ее массы. Но печатный монтаж увеличивает количество элементов и контактов, количество паек. Следовательно надёжность падает. При выборе зоны для проводки задаются длина, ширина без учёта бордюра и места крепления разъёмов и элементов коммутации. Кроме того, технология печатного монтажа не зависит от функционального назначения аппаратуры, т.е. технология изготовления ПП для радиовещательной аппаратуры, телевизионных приемников, персональных ЭВМ, бортовых вычислительных систем самолетов одинакова. Поэтому возможны механизация и автоматизация как технологических процессов изготовления самих плат, так и процессов установки на них компонентов и сборки аппаратуры. Печатные платы изготовляют из сформированных под высоким давлением слоистых пластиков, к которым с одной или с двух сторон приклеивают медную фольгу. Такой пластик состоит из слоев волокнистого материала, склеенных между собой термореактивной смолой под давлением и при повышенной температуре. Материалом может быть диэлектрическая бумага, пропитанная фенольной смолой, или стеклоткань с непрерывными волокнами, склеенная компаундом на основе эпоксидной смолы. За рубежом такое материалы имеют фирменные названия, у нас же первый материал получил название «фольгированный гетинакс», а второй - стеклотекстолит». Материалы на бумажной основе легче поддаются механической обработке, однако по сравнению со стеклотекстолитом они менее стойки к температурным перепадам и другим внешним воздействиям. К печатным проводникам применимы те же способы выполнения монтажа, которые используются в обычных конструкциях. Однако если при монтаже изолированным проводом возможны пересечения проводников, то при печатном монтаже их размещают только в одной плоскости, а в результате этого невозможно их пересечение. Чтобы в точках пересечения проводников не возникали контакты, необходимо изменять пути прокладки (трассы) проводников. В некоторых случаях для избегания контактов при пересечениях применяют переходы на противоположную сторону с помощью металлизированных сквозных отверстий. При выборе формы проводников используют один из вариантов: либо применяют плавные линии печатных проводников, которые обеспечивают кратчайшие соединения элементов, либо вычерчивают рисунок печатных проводников в виде прямых линий и прямых углов . Этот метод характеризуется тем, что место каждой линии заранее определяется координатной сеткой, в узлах которой располагаются отверстия. Рисунок проводников получается простым. По стандартной технологии печатные платы изготовляют на фольгированном диэлектрике комбинированным позитивным или комбинированным негативным методом. Их называют комбинированными потому, что в обоих случаях вытравливание рисунка печатных проводников производится химическим способом, а наращивание меди на проводники и контактные площадки -электрохимическим. Заготовка из фольгированного стеклотекстолита или гетинакса покрывается слоем фоторезиста. Фоторезист - это высокомолекулярное соединение, которое изменяет свои свойства под действием ультрафиолетового излучения. Экспонирование фоторезистов, нанесенных на поверхность фольгированного диэлектрика, производится через фотошаблон , в котором система прозрачных и непрозрачных участков образует требуемый рисунок проводников и контактных площадок. При последующем проявлении удаляется часть фоторезиста и образуется защитный рельеф, с рисунком и размерами, определяемыми фотошаблоном. При этом методе защитный слой фоторезиста сохраняется на пробельных участках, а проводники и контактные площадки остаются открытыми. Поскольку фотошаблон при подобном процессе соответствует позитивному изображению печатной платы (темные проводники на светлом фоне), то и сам метод называют позитивным. После проявления рисунка схемы плату покрывают слоем лака для защиты от механических повреждений и направляют на сверление отверстий. Эта операция нарушает непрерывность процесса, так как сушка и задубливание лака занимают несколько часов. Затем сверлят переходные и монтажные отверстия и производят их химическое меднение. Далее следует удаление защитного слоя и гальваническое осаждение меди на проводники, контактные площадки и в отверстия. При электролитическом наращивании соединение с катодом осуществляется сплошным слоем медной фольги, покрывающим диэлектрик. Этот слой защищает также поверхность диэлектрика от воздействия электролита. На следующем этапе поверх медного слоя гальваническим способом наносят защитное покрытие из сплава олово-свинец, после чего с пробельных мест удаляют защитный слой фоторезиста и стравливают фольгу. Изготовление ПП завершается химической обработкой защитного покрытия (осветлением) для улучшения его способности к пайке (окончательная отмывка и консервация). Позитивный метод позволяет изготовлять ПП с повышенной плотностью монтажа, например, с расстоянием между проводниками в узких местах 0, 5 … 0,1 мм, с хорошими электрическими параметрами и высокой прочностью сцепления проводников с основанием. Комбинированный негативный метод. При негативном методе защитный слой фоторезиста наносится на проводники и контактные площадки, поэтому фотошаблон имеет негативное изображение платы (прозрачные проводники на темном фоне). Порядок операций при этом изменяется, но их количество и общий характер сохраняются. После покрытия платы лаком для ее защиты от механических повреждений производят сверление отверстий и их химическую металлизацию. Следующей операцией является гальваническое осаждение меди на проводники и отверстия. Для обеспечения электрического контакта с катодом создают дополнительные технологические проводники (перемычки) и прошивают отверстия платы медным проводом. В некоторых случаях применяют специальные рамки и другие приспособления, обеспечивающие электрический контакт со всеми участками, на которые медь должна наращиваться гальваническим способом. Основной недостаток негативного метода заключается в том, что щелочные и кислые растворы, применяемые при металлизации отверстий, воздействуют на участки диэлектрика, незащищенные медной фольгой, что может привести к ухудшению электрических параметров готовой платы. В то же время негативный метод менее трудоемок, чем позитивный. Поэтому в тех случаях, когда к платам не предъявляют повышенных требований, применяют комбинированный негативный метод.

5.1 Методы изготовления многослойных печатных плат

Существует три метода изготовления многослойных печатных плат:

1. Металлизация сквозных отверстий Данный метод основан на том, что слои между собой соединяются

сквозными, металлизированными отверстиями. Достоинства: . простой ТП; . высокая плотность монтажа; . большое количество слоев.

2. Попарное прессование Применяется для изготовления МПП с четным количеством слоев. Достоинства: . высокая надёжность; . простота ТП; . допускается установка элементов как с штыревыми так и с планарными выводами.

3. Метод послойного наращивания Основан на последовательном наращивании слоёв. Достоинства: . высокая надёжность.

МПП изготавливают методами построенными на типовых операциях используемых при изготовлении ОПП и ДПП.

Достоинства МПП: . Уменьшение размеров, увеличение плотности монтажа. . Сокращение трудоёмкости выполнения монтажных операций.

Выходной контроль осуществляется автоматизированным способом на специальном стенде, где происходит проверка работоспособности платы, т.е. её электрических параметров. Выходной контроль осуществляется по ГОСТ 10316-78.

Выбор и обоснование материалов:

Удовлетворить в полной мере всем эксплуатационным и производственно- технологическим требованиям не всегда представляется возможным. Эти требования часто вступают в противоречия и приводят к различным конструкторским решениям Задача конструктора заключается в выборе наиболее правильного решения, при котором наиболее полно удовлетворяется.

Для изготовления печатной платы был выбран стекло- текстолит СФ-.

Выбор и обоснование покрытий:

Выбор покрытий осуществляется исходя из:

- Назначение детали;

- Условия эксплуатации;

- Свойств материалов и покрытий;

- Допустимых и недопустимых контактных параметров.

Для обеспечения стабильности электрических, механических и других параметров печатной платы применяются покрытия и сплавы РОЗЕ, покрытие защищает печатную плату от коррозии и улучшает способность к пайке. В нашем случае мы выбираем покрытие: лак УР-231 ТУ 6-10-863-76.

6. Расчётная часть

6.1 Расчёт механический

Целью анализа является определение частоты собственных колебаний пластинчатой конструкции РЭС, нашей печатной платы с электрорадиокомпанентами, крышки и стенок кожуха блока:

Топологическая модель пластинчатой конструкции:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Необходимо определить первую собственную частоту колебаний ячейки с электрорадиокомпанентами ( определяется по эмпирическому соотношению формуле Релея- Ритца для значения резонансной частоты основного тона

,

где - коэффициент, зависящий от соотношения размеров сторон пластины (а/b) и способа её защемления; -соответственно погонные массы пластины и элементов, размещённых на ней, кг/м2. ). На ячейку, вставляемую в пазы корпуса блока, действует гармоническая вибрация в диапазоне 100…450Гц с ускорением 5g в направлении, перпендикулярном её плоскости. Материал печатной платы - стекло- текстолит СФ-1-50-2; коэффициент механических потерь =0,05; размеры печатной платы: a=b=0,1м; масса радиокомпонентов, размещённых на плате, =0,035кг. Передняя и задняя стороны платы имеют жёсткое защемление за счёт передней панели и печатного разъёма типа ГРПМ-61, верхняя и нижняя стороны платы находятся в направлениях и оперты свободно.

Расчёт:

Для указанного способа защемления платы и отношения сторон а/b=1 коэффициент =29. Изгибную жёсткость платы D найдём при следующих значениях параметров её материала: Е=Н/, =0,22; = кг/. Тогда

Рассчитаем погонные массы платы и электрорадиокомпонентов:

.

Подставляя эти значения в формулу Рэлея-Ритца, получим:

.

Рассчитаем коэффициент передачи по ускорению на первой собственной частоте:

.

Тогда абсолютное максимальное ускорение

По техническому заданию диапазон частот вибрационного воздействия 50…200Гц, амплитуда ускорения 10g. В результате расчётов получили, что резонанса не будет, так как полученная частота больше, чем та, что задана в ТЗ. Отсюда и максимальное абсолютное ускорение больше. На таком резонансе надо было бы спасать схему, но в нашем случае техническое задание выполняется.

Таблица 1.

Конструктивные и физико-механические характеристики, константы	Обозначение	Величина
Размер платы по оси Х (мм)	LX	170.0
Размер платы по оси Y (мм)	LY	110.0
Толщина платы (мм)	D1	1.5
Плотность материала платы (кГ/куб.м)	P1	2000
Модуль Юнга (Н/кв.м)	E	3.50000e+10
Коэффициент Пуассона	NU	0.22
Критерий сходимости (отн.ед)	B	0.0001
Число узлов платы по оси X	XM1	10
Число узлов платы по оси Y	YM1	10
Число зон с навесными элементами	NZ	1
Число винтовых креплений	VK	4
Число защемленных зон контура платы	ZZ	0
Число опертых зон контура платы	OZ	0
Признак расчета второго резонанса	F2	1
Признак прочностных расчетов	PR	1
Логарифмический декремент	DEL	0.200
Ускорение вибровоздействия (G)	AK	10.00
Допускаемые напряжения (кГ/кв.см):
на изгиб	[GIZ]	400
на срез	[TSR]	320
Число зон инверсии	KZI	0

Таблица 2.

Зоны крепления платы
Крепление Контура (зоны)	Контур оперт свободно
	Координаты опирания (мм)	Жесткость
	XOK(MIN)	XOK(MAX)	YOK(MIN)	YOK(MAX)	KGO
	Контур (зона) защемлен
	Координаты защемления (мм)	Жесткость
	XZK(MIN)	XZK(MAX)	YZK(MIN)	YZK(MAX)	KGZ
Винтовые Крепления	Координаты винтов (мм)	Жесткость
	XV	YV	KGV
	15.0	5.0	0.6
	155.0	5.0	0.6
	155.0	105.0	0.6
	15.0	105.0	0.6

Таблица 3.

Зоны навесных элементов
Номер зоны	Координаты зон (мм)	Вес зоны (Г)
	XZ(min)	XZ(max)	YZ(min)	YZ(max)	GZ
1	63.5	90.5	75.0	90.0	25.00

Исходная форма.

Признаки закрепления.

Коэффициенты жесткости по контуру платы. Количество циклов итераций= 318 Частота ПЕРВОГО резонанса= 166.24(ГЦ) Перемещения W(X,Y) в мм

Деформация печатной платы на первой резонансной частоте.

Количество циклов итераций= 316 Частота ВТОРОГО резонанса= 274.79(ГЦ) Перемещения W(X,Y) в мм



Деформация печатной платы на второй резонансной частоте.

6.2 Расчёт тепловой

На практике расчет теплового режима неизмеримо сложнее, поскольку связан с целым рядом факторов, трудно поддающихся точному учету. Сложность также и в том, что тепловой поток в блоках РЭС зарождается во внутреннем объеме, на локальных источниках тепла - резисторах, в нитях накала и на электродах электронных ламп (они до сих пор не вышли из употребления), на PN-переходах полупроводниковых приборов и т.п., и тепловая энергия, прежде, чем нагреть стенки корпуса блока, проходит сложными путями. В общий теплообмен в разной степени вносят свои вклады все три природных механизма.

Отметим также, что не существует таких методов расчета и проектирования, которые давали бы возможность по заданному тепловому режиму определить, какая должна быть конструкция. Только разработав конструкцию и проведя учет всех источников и путей распространения тепла, можно приступить к расчету теплового режима конструкции. Следовательно, расчет теплового режима носит поверочный характер, и если результаты расчета нас не удовлетворят, мы будем вынуждены так преобразовать нашу конструкцию, чтобы повторный поверочный расчет дал приемлемые результаты, что отнюдь не гарантировано.

Для расчета теплового режима прибора используется аппарат математического моделирования тепловых полей . Используемая модель (рис. 1) включает несколько изотермических областей: окружающую среду с температурой Tc, кожух прибора с температурой Tk и N вертикально ориентированных нагретых зон (НЗ) с температурой Tзi, i = 1, 2, …, N, отображающих печатные платы с тепловыделяющими элементами. Предполагается, что кожух и нагретые зоны имеют форму прямоугольных параллелепипедов. Толщина каждой НЗ di, i= 1, 2, …, N определяется толщиной печатной платы и усредненной высотой установленных на ней элементов. Считается, что источники тепловой энергии распределены по поверхности плат равномерно. Перенос тепла внутри прибора осуществляется в основном за счет конвекции и излучения (кондуктивными тепловыми связями плат с корпусом и между собой пренебрегаем).



Рис. 1

Мощность Pi, выделяющаяся на i-й плате (в курсовом проекте это сумма мощностей, выделяемых элементами платы), передаётся путем излучения соседним платам и корпусу блока, а также путем конвекции воздушному потоку в каналах bi. Считаем, что температура воздушного потока в каналах изменяется только в вертикальном направлении. Характер движения воздушных потоков в каналах зависит от их каналов. Если каналы узкие и длинные, (и если пренебречь движением воздуха в зазорах между передней и задней стенками корпуса и нагретыми зонами), можно считать, что в каждом из них поток воздуха либо поднимается, либо опускается, сливаясь в зазорах между торцами плат и верхней и нижней стенками корпуса. При достаточно большой ширине каналов предполагается, что воздух поднимается между платами и опускается в зазорах между вертикальными торцевыми поверхностями плат и стенками корпуса.

Для расчета теплового режима блока кассетной конструкции с воздушным охлаждением разработан пакет программ, запускаемый файлом ATEPLO.EXE каталога с программами.

Форма для ввода исходных данных для расчета появляется после выбора пункта меню Блок > Расчет

Исходные данные вводятся заполнением полей на форме.

Расчет в курсовом проекте рекомендуется произвести для герметичного блока.

Данные для расчета:

N число плат;

bi ширина вертикальных каналов (данные вводятся для N + 1 каналов);

di эффективная толщина плат (данные вводятся для N плат);

Pi мощности плат (данные вводятся для N плат);

ly высота плат;

h1 ширина верхнего канала, h1 = (Ly - ly)/2;

h2 ширина верхнего канала, h2 = (Ly - ly)/2;

x глубина плат;

Lx глубина корпуса;

k степень черноты корпуса (для металлического окрашенного корпуса k = 0.9); п степень черноты плат (для стеклотекстолита п = 0.83);

Тс температура окружающей среды по техническому заданию

Если проектируемый блок имеет одну плату, рекомендуется вводить данные для N = 3. При этом боковыми платами считать стенки корпуса (для задания размеров каналов). Мощности стенок корпуса Р1 = Р3 = P2 или P2 / 2

После окончания ввода данных и их коррекции (в случае необходимости) производится расчет. Результатами расчета являются:

- среднее значение температуры корпуса;

- средние значения температур плат;

- средние значения температур воздуха в каналах;

- средние значения скоростей воздуха в каналах (знаки при числах указывают направление движения воздуха).

При анализе результатов сравниваются рассчитанные значения температур плат и предельные значения для элементов платы. Если эти значения превышены, следует произвести расчет для перфорированного корпуса блока, и если результаты опять не удовлетворяют, повторить расчет для блока с принудительной вентиляцией.

При расчете перфорированного блока кроме перечисленных данных необходимо дополнительно задать коэффициент перфорации (отношение площади отверстий к площади корпуса) и диаметр отверстий.

Для блока с принудительной вентиляцией дополнительно задаются удельная теплоемкость, массовый расход воздуха в каналах и температура охлаждающего воздуха.

Расчет теплового режима герметичного блока

Исходные данные

Параметр \ Номер платы (канала)	1	2	3	4
Ширина вертикальных каналов, мм	10	10	10	10
Ширина плат, мм	10	10	10	---
Мощности плат, Вт	2	1,5	3	---
Количество плат	3
Высота платы, мм	170
Ширина верхнего канала, мм	10
Ширина нижнего канала, мм	10
Глубина платы, мм	75
Глубина корпуса, мм	140
Степень черноты корпуса, отн.	0,85
Степень черноты плат, отн.	0,9
Температура воздуха, град С	50

Рис. 2

Эскиз конструкции блока

Результаты расчета

Количество итераций	13
Погрешность, отн.	0,1
Температура корпуса, град C	56,5
Параметр \ Номер платы (канала)	1	2	3	4
Средние температуры плат, C	66	68,4	68,3	---
Сpедние темпеpатуpы воздуха в каналах нагpетой зоны, C	59,5	66	66,8	60,3
Скоpости воздуха в каналах нагpетой зоны, м/c	-0,045	0,036	0,045	-0,037
Температуры воздуха на входе в каналы нагретой зоны, C	50	60,18	60,18	50

Рис. 3

Диаграмма перегревов плат

При анализе результата сравнили рассчитанные значения температур плат и предельные значения для элементов платы. Эти значения не превышаются, значит можно сделать вывод, что, расчет теплового режима носит поверочный характер, и если результаты расчета нас не удовлетворят, мы будем вынуждены так преобразовать нашу конструкцию, чтобы повторный поверочный расчет дал приемлемые результаты, что отнюдь не гарантировано. Полученные результаты нас устраивают.

6.3 Расчёт надёжности

Надежность - свойство изделия (детали, компонента, элемента, узла, блока, устройства, системы) выполнять заданные функции (являться работоспособным) в течение требуемого промежутка времени.

Надежность современной электронной аппаратуры (ЭА) в значительной мере определяется надежностью составляющих ее компонентов, и границы сложности электронных систем зависят в основном от достижимого уровня надежности составляющих их технических средств. Проблема обеспечения надежности приобретает тем большее значение, чем сложнее ЭА. Разрешение противоречия между сложностью устройств и их надежностью является одной из важнейших инженерных задач.

В основе проектирования надежности ЭА лежит математическая теория надежности, опирающаяся на статистическую теорию надежности. Обработка статистических материалов в области надежности привела к накоплению большой статистической информации. Разработаны статистические характеристики и закономерности отказов ЭА. Теория надежности изучает природу и процессы возникновения отказов в технических системах, методы борьбы с этими отказами, вопросы прогнозирования состояния работоспособности систем.

Расчёт надёжности проектирования на основе рекомендаций руководителя пользуемся учебным пособием «Справочник по расчёту надёжности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики» Козлов Б.А., Ушаков И.А. М.:Сов.радио, 1975. для определения параметров и .

В ходе расчёта надёжности определяется:

- интенсивность отказов дискретных элементов. Мы берём произведение интенсивности отказов, что справедливо для идеальной последовательной модели.

2. - суммарная интенсивность отказов устройств. Отказы суммируются с учётом практического применения, поскольку наша модель параллельно-последовательного типа.

3. - время непрерывной работы при заданной вероятности безотказной работы. Для модели последовательно- параллельной и Пуассоновского потока отказов при n=0, вероятность безотказной работы имеет экспоненциальный вид и соотношение между Оценить Т можно по результатам разложения в ряд exp:

Существует грубая оценка надёжности по средству при которой вероятность безотказной работы до того Р(t) равна -низкая.

4. -Среднее время работы устройства до отказа.

Исходными данными являются:

, [1/час]-интенсивность отказа одного элемента

-поправка на окружающую среду

-поправка на температуру

-поправка на режим работы

Р=0.99- вероятность безотказной работы.

Тип элемента	количество	* 1/час				* 1/час
Микросхема КР580 ВК 28А БКО.348.745-16ТУ	1	0,05	1	1	2	0,1
Микросхема КР580 ВМ 80А БКО.348.745-08ТУ	1	0,05	1	1	2	0,1
Микросхема КР580 ВВ 50А БКО.348.745-02ТУ	1	0,05	1	1	2	0,1
Резистор С2 33125 ОЖО.467.081 ТУ	1	0,01	1	1	2	0,02
Конденсатор К10-17 ОЖО.460.107 ТУ	5	0,01	1	1	2	0,1
Розетка SNP34-69/13212 Р22-В БРО.364.011ТУ	1	0,005	1	1	2	0,01
Пайка	180	0,001	1	1	2	0,36

Используя расчётные формулы, приведённые выше, рассчитали основные показатели надёжности:

Суммарная интенсивность отказов:

, 1/час-.

Время работы устройств до первого отказа:

126582 часов. Эта величина много больше =1000, но при этом .

По техническому заданию Р(t)=0,99>0,36- слишком малая величина

Время работы при вероятности безотказной работы Р=0.99: Т=1266 часов. Время непрерывной работы до первого отказа, вычисляемая в зависимости от вероятности. Полученное значение больше , при этом удовлетворяет требованию ТЗ по .

Расчёт показывает, что проектируемое изделие удовлетворяет техническому заданию, но все расчёты являются условными, так как нам не известно удовлетворяет истинному распределению безотказности вероятность отказов этого изделия. Проблема оценки надёжности очень сложная, поэтому определяем в общем вероятностью. Мы можем предположить, что первый отказ произойдёт с вероятностью Р=0.99 не ранее, чем через 1266 часов.

7. Информационные технологии проектирования

В настоящее время уже получили достаточно широкое распространение так называемые системы проектирования “высокого уровня”, такие как PRO/ENGINEER (США), EUCLID QUANUM (Франция), к ним также следует отнести и T-FLEXCAD, СПРУТ (Россия). К системам «среднего уровня» можно отнести Mechanical Desktop, Solid Works 96 (фирма Solid Works) и др. Наконец, системы «низкого уровня»-AutoCAD, MiniCAD(США), КОМПАС (фирма АСКОН Россия). Необходимо отметить, что приведенная градация названных систем весьма условна.

Строго говоря, системы «низкого уровня» к САПР никакого отношения не имеют. Это графические редакторы, предназначенные для автоматизации инженерно- графических работ, совместно с компьютером и монитором представляют собой «электронный кульман», то есть хороший инструмент для выполнения конструкторской документации. Низкий уровень -- это, по существу, автоматизация традиционных процессов проектирования на основе чертежей. И по большому счету, топтание на месте. Эти системы называют двухмерными.

Средний уровень построен на принципе трехмерного моделирования, здесь уже другое качество и соответственно некоторые дополнительные возможности.

У САПР высокого уровня два основных отличия. Во-первых, он обеспечивает полный цикл создания изделия -- от концептуальной идеи до ее реализации. Во-вторых, САПР высокого уровня позволяет создавать проектно-информационную среду для одновременной работы всех участников процесса. «Высокий» САПР строится на основе системы управления данными изделия, соответствующей компьютерной технологии проектирования (в англоязычной терминологии PDM -- product data management) и технологии рационального использования в предметной области предприятия

Первый и второй уровни в значительной мере схожи между собой, их общее название трехмерные системы. Проектирование происходит на уровне твердотельных моделей с привлечением мощных конструкторско-технологических библиотек, с использованием современного математического аппарата для проведения необходимых расчетов. Кроме того, эти системы позволяют с помощью средств анимации имитировать перемещение в пространстве рабочих органов изделия. Они отслеживают траекторию движения инструмента при разработке и контроле технологического процесса изготовления спроектированного изделия.

Ограничением в использовании трехмерных систем в России в настоящее время является их высокая стоимость. Процесс трехмерного моделирования очень трудоемок, так как разработка модели занимает много человеко-часов. Однако если рассматривать этот процесс в рамках своего производственного цикла, то он значительно повышает эффективность проектирования и производства во многих отраслях.

AutoCAD 2002

AutoCAD -- самая популярная в мире система автоматизированного проектирования и выпуска рабочей конструкторской и проектной документации. С его помощью создаются двумерные и трехмерные проекты различной степени сложности в области архитектуры и строительства, машиностроения, генплана, геодезии и т.д. Формат хранения данных AutoCAD де-факто признан международным стандартом хранения и передачи проектной документации. AutoCAD является платформой, на которой построено множество специализированных программ, имеющих общий формат хранения данных. Высокопрофессиональные приложения от авторизованных разработчиков Autodesk дополняются утилитами и программами, которые (с помощью встроенных языков программирования) создают сами пользователи.

На сегодня AutoCAD охватывает весь спектр инженерных задач: создание трехмерных моделей, разработка и оформление чертежей, выполнение различного рода расчетов, инженерный анализ, формирование фотореалистичных изображений готовой продукции.

В любой области проектирования, связанной с технической документацией, скорость и эффективность использования данных принципиально важны для успеха всего проекта. AutoCAD 2004 предлагает новые инструменты проектирования, улучшенный пользовательский интерфейс, возможность создания презентационной графики. Предусмотрены средства стандартизации оформления, документации, обеспечена защита данных паролем. Поддержка многостраничных DWF-файлов (Design Web Format) существенно упрощает обмен данными. Пользователям предоставлены новые возможности сетевого лицензирования и инструменты управления лицензиями.

Высокая производительность с новыми инструментами

Новые панели инструментов AutoCAD расширяют рабочее пространство и резко увеличивают производительность: вы можете настраивать как сами панели, так и уровень их прозрачности, что увеличивает видимую часть экрана. Помимо стандартных инструментов, в новом AutoCAD появились пользовательские паллеты, которые можно собирать из ссылок на блоки, чертежи и штриховки. Закладки панели конструируются на основе данных, переносимых из Центра управления (DesignCenter) AutoCAD, или автоматически создаются на основе блоков, которые хранятся в чертеже.

Новый Менеджер свойств запоминает для каждого вида объектов раздел с группой характерных для него свойств (свойства текста для текста, параметры линии для линии и т.д.), и именно эти свойства предлагается редактировать в первую очередь. Кроме того, Менеджер свойств обеспечивает теперь быстрый доступ к редактированию атрибутов блоков.

В комплект AutoCAD включены наборы инструментов Express Tools по редактированию слоев, выполнению групповых операций над объектами, работе с текстами, блоками и многие другие средства автоматизации рутинных операций.

Добавились новые опции команд копирования свойств, быстрого образмеривания, редактирования полулиний, реализовано хранение всей истории выполнения команд с возможностью многократного отказа от них командой. Отменить (Undo) и возврата командой Повторить (Redo).

Новый редактор MTEXT работает без диалогового окна и автоматически масштабирует текст. Даже если изображение сильно увеличено или уменьшено, при редактировании размер текста будет отмасштабирован так, чтобы его удобно было читать и изменять. Дополнительные возможности форматирования помогут быстро сформировать параграфы текстового описания или технических требований.

Реорганизованы механизмы работы с внешними ссылками. Теперь пользователю нет необходимости отслеживать их изменение при редактировании главного файла: при изменении в статусной строке автоматически появится предупреждение. Внешние ссылки могут задаваться не только полным, но и относительным путем, что удобно для работы систем документооборота и при подготовке проекта к отправке партнерам или заказчикам.

Новая команда ХOpen и соответствующая кнопка Open Менеджера ссылок (XREF manager) позволит открыть ссылку или группу ссылок на редактирование в отдельном окне; претерпела изменения возможность редактирования внешней ссылки по месту в главном чертеже -- упрощен доступ к вложенным ссылкам.

Специальный Менеджер ссылок, работающий вне AutoCAD, обеспечивает быстрый доступ ко всем внешним ссылкам и ресурсам, используемым в чертежах проекта -- шрифтам, файлам форм и стандартов, растровым изображениям, стилям печати и т.д. С его помощью можно не только быстро найти нужный ресурс, но и изменить путь его поиска.

Высококачественную графику презентационных чертежей вы можете создавать непосредственно в AutoCAD 2004, не используя никакого дополнительного программного обеспечения. Задание различных способов градиентной заливки, печать трехмерных изометрических видов с раскраской, поддержка более 16 миллионов цветов (True color), включая библиотеки PANTONE, RAL CLASSIC и RAL DESIGN, обеспечит создание красочных изображений ваших проектов.

Появились возможности создания градиентных заливок и печати трехмерных тонированных видов, что позволяет на базе рабочего проекта создать презентационные плакаты типографского качества.

Новый центр управления AutoCAD DesignCenter позволяет переносить непосредственно в ваш чертеж блоки, стандарты оформления, компоновки листа и даже целые DWG-файлы. Закладка DesignCenter Online обеспечит быстрый доступ к необъятным ресурсам Internet-библиотек (на autodesk.com и web-сайтах производителей комплектующих), а сами эти ресурсы вы сможете переносить в чертеж с помощью технологии i-drop.

Стандартизация черчения

При работе с AutoCAD 2004 вам не придется постоянно помнить о необходимости проверки стандартов. Необходимые операции программа выполнит самостоятельно: Менеджер стандартов запускается автоматически и работает в фоновом режиме. В стандарт оформления могут быть заложены параметры размерных и текстовых стилей, слоев и типов линий -- это своего рода инструмент организации стандарта предприятия. В процессе проектирования при отступлении от стандарта система выдаст предупреждение и предложит правильный с точки зрения стандарта вариант. По завершении работ соответствие чертежей стандарту можно проверить в пакетном режиме -- он выявит все погрешности. В результате ваш заказчик получит качественную документацию, а при печати вы сможете пользоваться одним стандартным стилем, не ломая голову над способом вывода того или иного чертежа. 8. Разработка конструкции ПП и выпуск КД:

Оценка технологичности может быть количественная и качественная:

- количественная оценка характеризует технологичность изделия обобщённо на основании опыта исполнителя. К качественной оценке относятся такие характеристики, как взаимозаменяемость, инструментальная доступность.

- Качественная оценка характеризуется технологичностью по средствам комплексного показателя и частных показателей технологичности. Рассчитанный комплексный показатель технологичности должен быть не ниже нормативного.

Общие сведения о технологичности изготовления:

К современным РЭА предъявляются высокие требования и технология её изготовления должна обеспечивать:

- Идентичность физико-химических свойств применяемых материалов;

- Идентичную повторяемость электрических и механических параметров в пределах надёжности технологических требований;

- Безотказную работу в процессе эксплуатации в соответствии с технологическими требованиями.

Основными этапами технологического процесса изготовления блока являются:

- Изготовление деталей собственного производства;

- Сборка и электрический монтаж;

- Контроль ОТК;

К деталям собственного производства относятся:

- Печатная плата.

Изготовление печатной платы включает следующие операции:

- Заготовительная;

- Нанесение защитного рисунка;

- Сверление печатных отверстий;

- Химическое травление;

- Фрезерная;

- Контрольная.

В состав комплекта рабочей документации входят:

- схема электрическая принципиальная модуля 1-го уровня;

- перечень элементов к схеме электрической принципиальной;

- чертёж печатной платы (разводка печатного монтажа;

- спецификация сборочной единицы (модуля первого уровня);

- сборочный чертёж платы (модуля 1-го уровня).

Вывод по курсовому проекту

В этом курсовом проекте описана разработка печатной платы - модуль процессора. При разработке выполнены все технические требования. Эта печатная плата обеспечивает высокую надежность температурных изменений, устойчива к вибрации и т.д. В процессе были оформлены чертежи печатной платы при помощи САПР P-CAD 2002 и AutoCAD 2002. Тепловой расчёт производился с помощью программы ATEPLO, расчёт допустимых нагрузок производился с помощью программного продукта Plate Shell. При разработке ПП пользовались электронным материалом, рекомендованным руководителем. Конструкторские документы выполнены в соответствии с ГОСТОМ. Всё выполнено в соответствии с ЕСКД РФ с учётом рекомендаций и пособий руководителя

Размещено на allbest.ru