2. Получение отверстий

Получают только сверлением, так как пробивка разрушает структуру диэлектрика на стенках отверстий, а сверление обеспечивает чистые и гладкие стенки, которые являются основой для получения качественного покрытия.

3. Сенсибилизация проводится в растворе двухлористого олова, а активация - в растворе хлористого палладия. В результате на поверхность диэлектрика внедряются атомы палладия - это подготовка к химическому осаждению.

4. Химическое меднение. Толщина слоя при химическом меднении получается 1-5 мкм. При нанесении, чем тоньше слой, тем выше производительность (1 мкм в час) и тем качественнее покрытие. Пленка меди, получаемая при химическом осаждении - рыхлая, с плохой проводимостью и, поэтому, неравномерна по толщине.

5. Создание защитного рельефа. Способ получения - трафаретная печать, фотопечать (как и ОПП).

Остальные операции аналогичны производству ОПП.

Методы изготовления МПП

1. Метод попарного прессования

Для изготовления МПП в этом случае используются две заготовки двухстороннего фольгированного диэлектрика.

На каждой заготовке с внутренней стороны получают печатный рисунок проводниками (3,4) с металлизированными отверстиями (5,6). Между собой заготовки прессуются с разделением изолирующим слоем (7), после чего на внешнюю поверхность полученной заготовки клеится фольга, затем выполняются печатные проводники и металлизированные отверстия.

2 Метод металлизации сквозных отверстий

1 - заготовки фольгированного стеклотекстолита;

2 - изолирующий слой; 3 - металлизированные отверстия.

Слои МПП прессуются при высокой температуре, сверлятся отверстия и металлизируются, затем протравливается рисунок на верхнем слое ПП.

Недостаток: площадь контакта печатного проводника с металлизацией получается малой, в результате при нагреве может произойти разрыв.

Для увеличения площади контакта увеличивают толщину фольги от 50 мкм до 100 мкм.

3 Метод послойного наращивания



d₀>0.8 мм

1 -лист фольги. 2 - изоляционный слой; 3 - печатный рисунок

К листу 1 приклеиваются изоляционные прокладки 2 с отверстиями, через которые происходит осаждение меди. Далее приклеиваются новая изоляционная прокладка, осаждается второй слой и т. д. В последнюю очередь вытравливается рисунок на месте фольги.

Предназначены для планарных устройств, имеют недостаток - длительный процесс производства.

4 МПП с открытыми контактными площадками

Для изготовления таких плат применяют диэлектрик ФДМ - 1 толщиной 0,2 мм со слоем меди в 35 мкм. на этом материале фотохимическим методом получают печатные проводники с контактными площадками.

Через МПП проходят, так называемые «окна» (1) до контактных площадок (2) на определенном слое. Все слои прессуют вместе, затем через окна в контактных площадках сверлят сквозные отверстия (3) для установки выводов ЭРЭ. Иногда применяют металлизацию отверстий (3) для повышения надежности пайки.

Недостатком таких МПП является отсутствие электрической связи между слоями (эта связь возможна с помощью перемычек) и невозможность механизации пайки.

13. Базовые несущие конструкции

Составной частью всех уровней конструкции ЭС является несущая конструкция (НК)

Несущая конструкция - это элемент или совокупность элементов конструкции, предназначенных для размещения технических средств и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации.

Базовая несущая конструкция (БНК) - несущая конструкция, предназначена для размещения составных частей аппаратуры, габариты которой стандартизованы.

Рассматривая общую структуру конструкции ЭС, можно сказать, что аппаратура состоит из модулей 0, 1, 2, 3 уровней.

Соответственно модули 0 и 1-го уровня размещаются на БНК 1 и выполняются в виде ячеек и кассет.

Модули 2-го уровня размещаются на БНК 2, которые выполняются в виде рамы, корпуса блока, шасси.

Модули 3-го уровня строятся на основе БНК 3, в виде корпуса шкафа, стеллажа, стойки, пульта.

14. Базовые несущие конструкции 1-го уровня (проектирование ячеек ЭС)

В процессе проектирования ячеек решаются следующие 6 задач:

1) Компоновка конструктивно-технологических зон на ПП;

2) Выбор типоразмеров ПП;

3) Выбор варианта конструкции ячейки;

4) Определение типа соединителя;

5) Выбор элементов крепления, контроля и фиксации;

6) Обеспечение нормальных тепловых режимов.

Из перечисленных задач ранее мы рассмотрели 1 и 2-ю.

Выбор варианта конструкции ячейки (3) определяется техническими требованиями к аппаратуре. А так как ячейки устанавливаются в блоки, то вариант конструктивного исполнения ячейки характеризуется вариантом конструкции блока.

Конструктивно ячейки располагаются в блоках, в рамках или без рамок. Рамки предназначены для улучшения эксплуатационных параметров, а также для исключения деформации ПП в процессе монтажа и эксплуатации.

Таким образом, конструкции таких ячеек следующие:

Ячейки в безрамочном исполнении (безрамочные БНК):

1 - соединительный разъем

2 - ПП

3 - элемент жесткости, планка, элемент крепления

4 - штыри-фиксаторы



Рамочная конструкция:

1 - соединительный разъем

2 - ПП

4 - штыри-фиксаторы

5 - рамка

Кроме одноплатных ячеек существуют и двухплатные ячейки.

а) в безрамочном исполнении:

1 - ПП;



2 - соединитель;

3 - накладка.

б) в рамочном исполнении:

1 - гибкий печатный кабель;

2 - ПП;

3 - рамка;

4 - плоский кабель;

Для выбора ячеек из стандартного ряда установлена условная классификация принадлежности ячейки к определенной БНК.

Принята следующая система обозначения:

1 - вид аппаратуры

1-стационарная ЭВМ;

2-аппаратура дискретной автоматики;

3-аппаратура стационарная;

4-аппаратура, установленная на колесном шасси;

5-аппаратура, установленная на самоходном шасси (гусеничная);

6-морская аппаратура;

7-самолетная аппаратура.

2 - тип конструкции

1-безрамочная;

2-рамочная.

3,4 - типоразмер ячейки.

5 - количество плат в ячейке.

6 - модификация конструктивного исполнения.

Чаще всего встречаются обозначения ячеек из трех цифр.

Например:

Я 1 - 1 - 1

(то есть стационарная ЭВМ(1-я 1), без рамки(2-я 1), одна плата(3-я 1))

Я 7 - 2 - 2

(7-самолетная РЭА, 2-с рамкой, 2-две платы)

Основными вариантами конструкции для различных видов аппаратуры являются БНК 1 типов ЯУ 1; ЯУ 2; ЯУ -3(ячейка унифицированная).

Так, для ЯУ 1 вдоль базовой стороны (170 мм) установлен электрический соединитель СНП 34 и ЯУ 1 имеет 4 типоразмера: 170*75; 170*110; 170*150; 170*200 - основной.

Ячейка ЯУ 2 имеет размер 170*200 мм, а ЯУ 3 - 360*200 мм.

Подчеркнем, что во всех ЯУ установлены разъемы СНП 34.

Определение типа соединителя. Электрические соединения ячеек в блоках (внутриблочная электрическая коммутация) выполняются с помощью разъемных электрических соединителей, гибких шлейфов, плоских кабелей и монтажных проводов. Элементы электрических соединений ячеек выбирают в зависимости от эксплуатационных требований варианта конструкции ячейки (разъемная, книжная), конструктивно-технологических требований, габаритных размеров соединителя, а также от необходимого числа контактов в электрическом соединителе.

При выборе соединителя необходимо резервировать не менее 10% необходимого числа контактов.

Наиболее широкое применение получили разъемные электрические соединители применяемые в блоках разъемной конструкции. Они обеспечивают достаточно надежное электрическое соединение и многосъемность ячеек в блоке. Гибкие шлейфы и плоские кабели, применяющиеся для внутриблочного монтажа в блоках книжной конструкции, позволяют более рационально использовать объем блока, уменьшить его габариты и массу, снизить трудоемкость монтажа путем применения групповых методов пайки и повысить надежность электрических соединений.

15. Элементы крепления, фиксации, контроля

Элементы крепления и фиксации(5) являются неотъемлемой частью БНК.

Для повышения прочности конструкции к механическим воздействиям (вибрации, удары) на ячейке устанавливают планки, угольники, рамки, штыри-ловители, скобы, стяжные винты.

Для безрамной конструкции ячеек основным элементом крепления в блоке является планка. Такие планки предназначены для индивидуального крепления ячеек в блоке.

Планка устанавливается на ПП ячейки с противоположной стороны установки соединителя.

Opkop

Существуют также металлические планки.

В ячейках рамочной конструкции роль элементов крепления выполняет рамка, которая предает необходимую жесткость всей конструкции.

Крепление ПП в рамочной конструкции осуществляется либо винтами, либо заклепками. ПП в ячейках крепят не менее чем в 4-х точках.

Элементы фиксации ячеек предназначены для ориентирования ячеек в блоках и представляют собой штыри-ловители и направляющие. Штыри-ловители могут быть установлены и на рамках.

Элементы контроля ячеек предназначены для контроля и проверки работоспособности ячеек в процессе настройки и профилактического осмотра. Эти элементы, как правило, устанавливаются на краях печатных плат, а иногда непосредственно на планке.

Помимо групповых контрольных контактов на планке располагают индивидуальные контрольные контакты или контрольные гнезда, пистоны.

Контрольные контакты:

Контрольные гнезда:

Пистоны для контроля:

Рассмотренные конструкции ячеек предназначены для монтажа в блоки разъемной конструкции.

Обеспечение теплового режима

Охлаждение теплонагруженных элементов, размещенных в блоках осуществляют за счет естественного или принудительного воздушного охлаждения. Таким путем осуществляют теплообмен из всего объема блока.

Отвод тепла от наиболее теплонагруженных элементов таких как транзисторы, диоды, некоторые типы микросхем дополнительно может быть осуществлен размещением их на специальные радиаторы или применением теплоотводящих шин, металлических оснований.

1. Отвод тепла с помощью радиаторов осуществляют от элементов мощностью в несколько десятков ватт. Наибольшее распространение в конструкциях РЭА нашли пластинчатые и штыревые радиаторы с естественным или принудительным воздушным охлаждением.

2. Для отвода тепла от микросхем и МСБ возможно использовать теплостоки в виде теплоотводящих шин или металлических оснований.

Толщина таких шин 0,4…0,8 мм, а металлических оснований 0,4…1 мм. Материал теплостоков - алюминий и его сплавы.

Чтобы получить наибольший эффект при отводе тепла от элементов, установленных на теплоотводящие шины или основания, необходимо обеспечить малое тепловое сопротивление между рамкой ячейки и теплоотводящими шинами или основанием.

При применении ячеек в блоках, работающих в условиях естественной конвекции, необходимо выполнить следующие требования:

1) Ячейки в блоках должны устанавливаться вертикально; рекомендуется устанавливать таким образом, чтобы меньшая сторона была вертикальной.

2) Расстояние между крайними точками микросхем на соседних платах следует выбирать не менее 5 мм.

3) Тепловой контакт шин и основания с рамой ячейки необходимо осуществлять путем пайки, сварки и склеивания мест соединений, а также при помощи заклепочных и винтовых соединений.

В местах контактов следует применять теплопроводящие пасты с низким коэффициентом теплопроводности.

Теплопроводящие поверхности ячеек следует покрывать гальваническими и лакокрасочными покрытиями, увеличивающими теплообмен путем излучения.

При использовании принудительного охлаждения необходимо ячейки устанавливать так, чтобы их больший габаритный размер совпадал с направлением воздушного потока.

Выполняя эти требования, можно существенно улучшить тепловой режим ячеек.

Базовые несущие конструкции 2-го уровня (проектирование блоков ЭС)

На основе несущих конструкций второго уровня могут быть построены составленные из ячеек блоки для установки в шкафы (стойки) или блоки с кожухами, имеющие индивидуальные средства защиты от внешних воздействий и предназначенные для установки на стеллажи или автономной эксплуатации. Типичный пример первого случая -- самолетные РЭС, второго -- электронные измерительные приборы.

По конструктивному исполнению блоки бывают 3 типов:

- герметичные;

- перфорированные;

- вентилируемые.

Для 1 и 2-го типов характерно естественное воздушное охлаждение. Для 3-го типа характерно принудительное охлаждение.

Теплопередача от нагретых элементов в блоке осуществляется:

1) Для герметичных блоков - за счет разности температур плат и стенок блока путем теплоизлучения и конвенции;

2) Для перфорированных как и для герметичных + за счет перфорации (отверстия в стенках блока);

3) Для вентилируемых - как для герметичных и перфорированных + принудительной подачей воздуха вентилятором в блоке (или в блок).

Госты регламентируют основные и габаритные размеры вновь разрабатываемой аппаратуры, а также основные размеры и взаимное расположение входящих в блок элементов.

При выборе габаритов блоков используют различные ряды (размерные ряды): R5, R10, R20, R40.

Конструктором при разработке блока решаются вопросы: электрической и тепловой совместимости, ремонтопригодности, возможности автоматизации процесса сборки и регулировки блока, внешнего оформления.

Тенденции развития РЭА обязывают при проектировании учитывать противоречивые требования такие как:

1) повышение плотности компоновки и снижение рабочей температуры в блоке;

2) уменьшение габаритов и электромагнитная совместимость;

3) снижение массы и обеспечение механической прочности в условиях действия нагрузок.

Аналогично классификации ячеек, введена условная классификация БНК блоков.

Например: Б ХХХХХ

1 - унифицированный корпус блока;

2 - тип конструкции корпуса блока;

3,4 - типоразмер корпуса блока;

5 - модификация конструктивного исполнения передней панели корпуса блока.

16. Рациональный выбор конструкций блоков

а) Рациональный выбор формы блоков

Блоки современной РЭА, в зависимости от формы объекта, установки имеют различную конфигурацию.

Они бывают в форме шара, цилиндра, многогранной призмы, прямоугольного параллелепипеда или их частей.

Для рационального выбора формы блоков рассматриваются три параметра:

1) Приведённая площадь наружной поверхности

, (1)

где - наружная поверхность блока, ;

- объём блока .

2) Коэффициент приведённых площадей

, (2)

где - приведенная площадь наружной поверхности шара.

- показывает, во сколько раз любого блока больше

3) Коэффициент заполнения объема.

(3)

где - объем аппаратуры;

- общий объем блока.

1. Рассматривая 1-ый параметр _. для блоков различной формы, ясно, что его значение вычисляется по формулам из геометрии.

Например: для шара , а , тогда .

Аналогичным образом можно найти и для блоков других конструкций.



Анализ этих данных показывает:

1) Чем меньше, тем форма блока наиболее оптимальна по массе.

2) Для шара, полушара, куба значения являются постоянной величиной, зависящей только от диаметра или ширины (для куба)

3) При увеличении длины цилиндра, призм, параллелепипеда значение уменьшается.

4) При равенстве наиболее оптимальными по массе являются параллелепипед, куб. цилиндр и прямая призма.

5) При одинаковых объемах блока шар имеет минимальное значение .

В связи с 5-ым свойством анализа коэффициент приведенных площадей вычисляется относительно величины .

Наименьшие значения , (а следовательно и наилучшие присущи блокам, имеющим форму цилиндра, восьмигранника и шестигранника) (для цилиндра с )

(для шестигранной призмы с )

(для восьмигранной призмы с )

Между и существует зависимость

,

где индексы 1 и 2 характеризуют блоки двух любых конструкций.

Если ,то 2-ой блок более оптимальный по площади наружной поверхности, и соответственно при - 1-ый блок наиболее оптимальный.

Коэффициент показывает, сколько процентов от объема объекта занимает аппаратура.

Например: пусть объект имеет форму прямоугольной призмы , а изделие или аппарат форму цилиндра.

,

Чаще всего объекты имеют форму параллелепипеда, а для специальных объектов (ракета) - форму цилиндра.

б) Рациональный выбор профилей элементов несущих конструкций.

Профиль - элемент конструкции обеспечивающий прочность и жёсткость.

Выбор профилей элементов несущих конструкций зависит от формы блока и нагрузок и нагрузок, воспринимаемых блоком.

Основные типы профилей применяемых в несущих конструкциях показаны на рис. 23.

Для выбора наиболее экономных по площади профилей применяется отношение:

, (мм) (1)

где G - характеристика профиля;

W - момент сопротивления профиля [мм³];

F - площадь поперечного сечения профиля [мм²].

Чем больше это отношение, тем профиль экономичнее.

Однако выражение 1 зависит от размеров элементов профиля, что не позволяет сопоставлять сечения, имеющие различные формы и размеры.

Для определения рациональных характеристик профиля несущих конструкций работающих на изгиб имеются соотношения независимые от их форм и габаритов (величины безразмерные). Это так называемые рациональные характеристики профилей.

При расчёте на прочность:

(2)

и при расчёте жёсткости

(3)

где , - рациональные характеристики профилей;

- момент инерции сечения профиля [мм⁴].

Из прикладной механики известно, что сопротивление элементов конструкций различным видам деформаций зависит:

- от применяемых материалов и размеров;

- от формы поперечных сечений;

- расположения относительно направлений действующих нагрузок.

Основными характеристиками профилей, применяемых в НК, являются: площади поперечных сечений, моменты инерции, моменты сопротивления.

Момент инерции - осевым моментом инерции площади фигуры называется интеграл произведений элементарных площадок на квадрат их расстояний от рассматриваемой оси.

Момент инерции произвольной фигуры относительно осей x и y равны:

; .

Прямоугольник

.

;

.

;

.

Момент сопротивления - это отношение момента инерции относительно данной оси к расстоянию до наиболее удалённой точки поперечного сечения:

;

.

Расчёты рациональных характеристик и для приведённых профилей показывают:

1 - чем меньше и , тем профиль более рационален по площади, а следовательно и по массе.

Например:

Круг имеет , . Кольцо при имеет , .

2 - Отношение величин и , позволяют сопоставлять между собой любые профили.

Например: круглый профиль имеет G_ж\кр=3.6, а квадратный с квадратным отверстием G_ж\кв=1.1 и если взять отношение , то это показывает, что при одной и той же жёсткости круглый профиль будет иметь в 3.27 раза большую площадь сечения.

3 - Величины и позволяют проводить анализ различных профилей для выявления определённых зависимостей.

Например: Исследовать зависимость от толщины стенок кольца.

Из данной зависимости видно, что чем тоньше стенка, тем профиль более экономичен по толщине (и по массе).

Для ЭС, установленных на подвижных объектах, действуют различные усилия на элементы НК, поэтому целесообразно применять несимметричные профили, рационально выбиранные по осям x и y.

Если на балку со сложным профилем действует усилие и , относительно осей x и y, то между усилиями и будет зависимость:



(4)

где, - характеристики расчёта на жёсткость по осям x и y, а , где и деформация балки по осям x-x и y-y.

Используя формулы 2, 3, 4 можно подобрать несимметричный профиль таким образом, чтобы он в равной степени воспринимал усилия и .

17. Блоки с кожухами

Кожух - наружная оболочка блока, предназначенная для придания изделию автономности применения, законченного вида, экранирования, защиты от атмосферных воздействий и устранения несанкционированного доступа во внутренний объем ЭС.

Наиболее рациональным является третий вариант крепления (для него значение величины наименьшее).

В блоках с крышками каркасы называются шасси:



18. Меры по снижению массы НК

При разработке ЭС с минимальной массой НК следует придерживаться следующих положений:

1) Необходимо стремиться к простоте НК и иметь оптимальные запасы по прочности.

При расчётах обычно исходят из следующей зависимости:

, , ,

где - максимальные напряжения, - запас прочности ().

Увеличение ведёт к увеличению массы; уменьшение - снижение прочности.

Запас прочности выбирают с учётом вида ЭС, условий работы, долговечности и т.д.

2) В конструкциях должны быть равнопрочные детали.

Равнопрочной называется деталь, работающая на растяжение-сжатие, которая имеет одинаковое напряжение во всех сечениях.

Пример: Имеется деталь

Для этой детали напряжение в сечениях I, II, III будут определяться соответственно

; ,

где P - усиление, F - поперечное сечение.

Если имеются сложные напряжения (изгиб, кручение и т.д.), то напряжения по сечению распределяются неравномерно. В этом случае равномерными считаются детали, у которых напряжения в каждом сечении будут одинаковыми и равны:

где - изгибающий момент, действующий в каждом сечении; - момент сопротивления данного сечения.

,

где - момент инерции.

3) Должна соблюдаться оптимальная жёсткость деталей.

Жёсткость оценивается коэффициентом жёсткости .

Для случая растяжения - сжатия:

,

где - модуль упругости материала модуль Юнга

и -сечение и длинна балки.

Для случая изгиба

где А - коэффициент, зависящий от вида балки и условий нагружения;

- момент инерции.

Как видим, жёсткость зависит от вида балки и нагрузки (А изменяется в широких пределах от 3 до 192). Влияние длинны детали e невелико для случая растяжения-сжатия и значительно при изгибе.

На жёсткость влияют размеры и форма сечения.

Рисунок 26 - Зависимость коэффициента А от вида балки

Оптимальную жёсткость можно получить способами, не требующими увеличения массы:

а) Использованием в листовых деталях отбортовок, выдавок, рёбер жёсткости.

Так применение отбортовок I и II

и выдавок III и IV

позволяет повысить момент инерции деталей в зависимости от высоты отбортовок и выдавок по сравнению с моментом инерции листа от десятков до сотен раз.

Рисунок 27 - Зависимость момента инерции от высоты отбортовок

б) Для сопряжения стержневых деталей, каркасов и рам необходимо вводить косынки, которые существенно повышают их жёсткость

в) Необходимо напряжения изгиба в конструкциях заменить на напряжение растяжения-сжатия вводя дополнительные стяжки.

Прогиб балки, имеющий диаметр изменится, если подпереть её стяжкой 2, который будет работать на сжатие. При такой конструкции диаметр стержня может значительно уменьшить, а общая масса стержня 1 и 2 будет меньше массы стержня с диаметром .

4) Снижение массы конструкции возможно путём выбора формы профилей деталей НК на основе расчёта их рациональных характеристик и ;

5) Для облегчения массы необходимо во все детали вводить облегчающие отверстия, выемки, проточки с целью изъятия лишнего материала не несущего нагрузки.

В кожухах, крышках, шасси, перегородках делают отверстия круглой или квадратной формы, которые необходимы так же и для улучшения охлаждения.

6) Выбор материала несущих конструкций.

Материал выбирают с учётом удельной прочности и жёсткости или обобщённого коэффициента.

Удельная прочность материала.

(1)

где, - условный предел текучести, это напряжение, вызывающее в испытываемом образце остаточную деформацию в 0,2%;

- плотность материала.

Удельная жёсткость.

(2)

где, E - модуль упругости.

Обобщённый коэффициент.

(3)

При выборе материала детали нужно учитывать направленность работы детали.

Если деталь рассчитывают на прочность, то материал выбирают исходя из , а если на жёсткость - E_уд.

Рекомендуется при выборе материалов пользоваться обобщенным коэффициентом . Он характеризует способность материалов нести наиболее высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе.

7) Необходимо учитывать выбор покрытия.

Гальванические и лакокрасочные покрытия составляют значительный процент от общей массы конструкций.

Если рассматривать покрытия листов площадью 1 м² и толщиной 1 мм, то суммарная масса гальванических и лакокрасочных покрытий может достигать от 8 до 55% от массы покрываемого материала.

Результат оптимизации конструкции по массе определяют в процентном отношении к базовому варианту по формуле:

где - масса конструкции первого варианта;

- масса конструкции нового варианта;

- относительный выигрыш по массе.

19. Направляющие в несущих конструкциях

Направляющими называются детали, обеспечивающие подвижное соединение, при котором одна деталь под действием приложенной силы перемещается относительно другой по определенной траектории.

Деталь, перемещающаяся относительно направляющих, называется ползуном.

В НК ЭС чаще всего применяются направляющие для прямолинейного движения.

При перемещении изделия 1 со скоростью по основанию 2 возникает сила трения-скольжения

,

где - коэффициент трения-скольжения ;

- сила нормального давления одного тела на другое (опорные реакции).

На рисунке результирующая - это сила реакции, которая отклоняется на угол от (от опорной реакции).

Для предотвращения заклинивания ползуна в направляющих при разработке подвижных устройств ЭС необходимо соблюдать определенную зависимость между:

а) силами, приложенными к устройству;

б) коэффициентом трения ;

в) размерами ползуна и направляющих.

Пусть действует усилие параллельно оси направляющей, но смещено на расстояние . Так называемая сила сопротивления направлена по оси симметрии направляющей встречно.

При равномерном движении ползуна V=const должны соблюдаться следующие условия равновесия:

(1)

(2)

Из первого равенства определяются опорные реакции

Зная коэффициент трения , силу , размеры и можно определить движущую силу

(3)

Отсюда

(4)

При анализе последнего выражения можно сказать, что заклинивание ползуна происходит при Р = и возможно, когда знаменатель равен нулю

.

Отсюда можно найти критическое значение отношения

.

а допустимое значение отношения

где - коэффициент запаса против заклинивания.

Для плоских призматических направляющих .

Рассмотрим некоторые виды направляющих и ползунов.



Рисунок 28 - Направляющие в несущих конструкциях

По конструкции направляющие бывают: индивидуальные (применяемые для одного ползуна); групповые (рассчитанные на несколько ползунов); совмещенные (например, с разъемом).

Компоновочные схемы блоков и компоновочные характеристики

Под компоновкой блока понимают взаимное расположение и ориентация ячеек и других конструктивных элементов (электрической коммутации, электромеханических элементов и т.д.).

Наибольшее применение нашли книжный и разъёмный варианты конструкций ЭС.

Обычно, когда рассматриваются схемы компоновки блоков ЭС, то учитывают отдельно объём занимаемый функциональными ячейками и объём занимаемый под элементы электрического соединения и электрический монтаж .

Рассмотрим шесть возможных схем расположения объёмов и .

Объём и блоков для различных компоновочных схем можно выразить следующим образом:

; : для 1 и 2.

; : для 3 и 4.

; : для 5 и 6.

Из приведённых формул видно, что наиболее рационально использовать варианты компоновки 5 и 6 и наименее рационально 1 и 2, т.к. в блоках ЭС как правило , и .

Поэтому получим следующие неравенства: , .

Практика конструирования блоков ЭС показала, что варианты компоновки 2 и 4 применяются редко, т.к. имеют очень плохие условия для естественной конвекции и для принудительного охлаждения из-за перекрытия зоны прохождения воздуха внутри блока.

Варианты 1 и 3 позволяют установить большее число ячеек по сравнению с вариантами 4 и 5, т.к. L/H_Я>B/H_Я.

Рисунок 30 - Пространственная ориентация ячеек в блоках разъемной конструкции

Для книжных конструкций предпочтительней варианты 4 и 5 , т.к. данные конструкции должны иметь относительно небольшое число печатных плат по сравнению с разъёмными конструкциями чтобы обеспечить достаточный угол раскрытия ячеек.

Для блоков разъёмной конструкции применяют 3 вариант компоновки при естественной конвекции и 1 вариант при принудительной вентиляции.

Конструкционные методы обеспечения ремонтопригодности блоков

Большинство ЭС предназначены для длительной эксплуатации и поэтому в течение срока службы может неоднократно подвергаться ремонту.

Для обеспечения ремонтопригодности предусмотрены следующие меры:

1) доступность всех частей ЭС для осмотра и замены без предварительного удаления других частей;

2) контрольные точки для подсоединения измерительных приборов при проверке работоспособности ЭС;

3) должны быть предусмотрены меры для предотвращения неправильного соединения разъёмных частей;

4) применение быстросъёмных фиксаторов вместо резьбовых соединений;

5) возможность установки на стол извлечённых частей в любом удобном для ремонта положении.

20. Герметизация блоков ЭС

Герметизация - это обеспечение непроницаемости корпуса блока для жидкостей и газов с целью защиты его элементов и компонентов от воздействия климатических факторов, окружающей среды и механических повреждений.

Частичная герметизация обеспечивается пропиткой, обволакиванием и заливкой как компонентов, так и отдельных узлов и элементов ЭС.



Рисунок 31 - Классификация герметизации

Полная герметизация предполагает использование корпусов из металла, пластмассы и керамики.

Основными схемами герметичных блоков ЭС при полной герметизации являются:

Рисунок 32 - Схемы полной герметизации

Герметизация блоков осуществляется в уплотнительном стыке двумя различными способами: неразъёмные - сваркой и пайкой; разъёмные - уплотнительными прокладками.

Герметизация сваркой и пайкой

При проектировании сварных корпусов необходимо чтобы сварочный шов был разгружен. Это достигают конструктивными исполнениями:

1) Фланцевые соединения. Материал корпуса (1) следует вводить во фланец. Материал крышки (2) следует зажимать между фланцами;

2) Корпус с отбортовкой - для снижения напряжений целесообразно применять стыковой шов;

3) Для создания прочных и плотных швов применяют роликовую сварку;

4) При приварки фланцев трудно сопрягать торцы корпуса и фланца, поэтому нужно использовать фланец с уступом;

5) Сварка днища с отбортовкой также могут возникать внутренние напряжения разрывающие шов, поэтому необходимо конструктивным исполнением разгрузить шов.

При конструировании паянных соединений необходимо учитывать вид нагрузки, которую они будут испытывать.

Приведём несколько вариантов конструкций неразъёмных соединений с пайкой швов.

21. Конструирование демонтируемых и разъемных уплотнительных стыков

В зависимости от конструкции уплотнительного стыка герметизация бывает разъемной, неразъемной и демонтируемой.

Демонтируемый сварной шов между корпусом и крышкой выполняется оплавлением плазменным или лазерным способом. Т.к. глубина сварки при этом способе мм, то такое соединение можно демонтировать механическим способом (фрезерованием).

Демонтируемая пайка выполняется следующим способом. В паз между корпусом 1 и крышкой 5 закладываются шнур 2 из термостойкой резины, стальная проволока 3 и запаиваются припоем 4. Резиновый шнур обеспечивает предварительную герметизацию, защищая внутреннюю полость блока от попадания паров флюса при пайке. При демонтаже паяный шов разрушается вытягиванием проволоки 3, которая для удобства работ должна иметь свободный конец, выходящий за пределы пайки.

Разъёмные уплотнительные швы используются в тех случаях, когда необходим доступ к аппаратуре в процессе эксплуатации.

В конструкциях ЭС применяются, в основном, уплотнительные прокладки из резины и металла.

Металлические уплотнительные прокладки - изготавливают из алюминия, меди, свинца, индия. Герметизация происходит за счёт деформации металла прокладки - отсюда определяют усилие затяжки и размеры крепёжного узла.

При конструировании разъёмных соединений с эластичной прокладкой следует выдерживать соотношения размеров проточек и прокладки. После затяжки:

Рисунок 36 - Разъемные соединения с эластичной прокладкой

Герметизация электрических и механических выводов

Межблочная электрическая коммутация в герметичных объёмах осуществляется с помощью герметичных разъёмов РСГ.

Герметизация электрических соединений осуществляется прокладками и заливкой компаундом мест соединения разъёма с корпусом.

Герметизация механических вводов вращения или поступательного перемещения осуществляется:

1) применением эластичных материалов (фетра, резины);

2) при большой разности давлений в РЭА и окружающей среде используют сальниковые устройства; сильфонные или волновые вводы вращения; сильфонные вводы поступательного перемещения; магнитные вводы вращения.

Сальники используют также и для электрических выводов в которых кабель 1 с гладкой наружной изоляцией при вращении гайки 2 через шайбу 3 плотно обжимается резиновым уплотнителем 4.

Органы управления, выходящие за пределы гермокорпуса, обычно герметизируются резиновыми чехлами и шайбами по форме перестраиваемых элементов. Передача вращательного и поступательного движения в гермообъем производится через сальники, показанные на рисунке 38 (вместо кабеля 1 применяется вращающийся пли перемещающийся валик).

На рисунке 39 показана конструкция для передачи поступательного движения в герметичный блок с применением мембраны. Толкатель 2, припаянный к мембране 1, получает движение от рычага 3 и передает штоку 4, находящемуся в гермообъеме.

22. Конструирование электромонтажа

Электромонтаж - это часть конструкции предназначенная для обеспечения электрически неразрывных связей.

Электромонтаж подразделяют:

- на контактный монтаж;

- на коммутацию между контактами.

Контактирование подразделяют на 3 вида:

- неразъемное (пайка, сварка, склеивание);

- ограниченно-разъемное (накрутка, прижим);

- разъемное (ВЧ и НЧ разъемы).

Коммутация между контактами бывает:

- печатным монтажом;

- пленочным монтажом (тонкопленочный и толстопленочный);

- объемными проводами (объемный монтаж).

Каждому уровню конструкций РЭА соответствуют определенные способы контактирования. Например: для подуровня нулевого уровня - пленочная коммутация и неразъемное контактирование; для нулевого уровня - печатная коммутация и контактирование пайкой.

На более высоких уровнях конструкций используется межконтактная коммутация с помощью объемного монтажа, а контактирование - пайкой, сваркой, накруткой, разъемами.

Электромонтаж должен обеспечивать:

1) минимум искажений и задержки полезных сигналов;

2) допустимый уровень паразитных помех;

3) высокую надежность;

4) низкую стоимость изготовления;

5) минимальные габариты и массу;

6) быструю замену вышедших из строя элементов;

7) подключение контрольно-измерительной аппаратуры.

23. Неразъемное и ограничено разъемное контактирование

Планарные выводы припаиваются другими методами (метод дозированного припоя):

Сварка: точечная, импульсно-дуговая, лазерная, ультразвуковая.

Ограниченно - разъемное контактирование выполняется путем накрутки провода на контактный штырь. Суть метода в том, что провод плотно наматывается на штыри имеющие острые ребра.

Форма сечения штырей может быть:

В процессе намотки в ребра штыря частично вдавливается накрученные на него провод.

Существует два вида контактирования накруткой:

- контактирование между проводом и штырем (приведено выше)

- контактирование между штырями и выводами ЭРЭ, которые прикручиваются друг к другу проводом:

Материал штырей - латунь, бронза; провода - ПМВ, МДПО. Допускается применение провода в лаковой или эмалевой изоляции, при этом зачистка изоляции не требуется.

Недостаток накрутки - малая плотность монтажа. Разновидностью ограниченно-разъемного контактирования является использование прижимов.

24. Разъемное контактирование

Совокупность контактных пар называется разъёмом. Разъём состоит из вилки и розетки (штыря и гнезда). Кроме штырей и гнёзд контактных пар конструкция разъёмов включает: ловители, ключи, элементы крепления разъёма.

Ловители обеспечивают совмещение штырей и гнёзд, а ключи - для устранения возможности неправильного соединения.

По типу соединителя контактные пары делятся на пары с точечным, многоточечным (гиперболоидным) и линейным контактированием.

Самым надежным является многоточечное контактирование. Вероятность безотказной работы (у других типов>10^-5 1/ч).

Основное требование предъявляемое к разъёму - это обеспечение высокой надёжности соединения при воздействии допустимых механических и климатических воздействий.

Кроме параметра надёжности контактная пара характеризуется переходным сопротивлением ; максимальным рабочим током ; частотой тока; усилием соединения и разъединения.

Различают разъёмы: низкочастотные до 3МГц, высокочастотные до 10МГц.

В конструкциях РЭА применяются:

1) Соединители для ПП, ЭРЭ, ИС, трансформаторов;

2) Разъёмы для межкассетных, межячеячных и межблочных соединений;

3) Кабельные и жгутовые разъёмы.

По типу соединения с печатной платой разъёмы могут быть:

- непосредственного соединения проводников ПП с розеткой - это непосредственное контактирование;

- соединение с помощью разъёма, одна часть которого монтируется на ПП - это косвенное контактирование.

Для соединения блоков со стойками и шкафами применяют разъём, например, типа ГРПМ2. Для получения межблочных соединений широко применяют малогабаритный разъём РМ1. Число контактов в РМ разъёме равно 10,19,30,50,76,102.

Проводной монтаж

В серийном производстве применяют печатный монтаж. Проводной или объёмный монтаж находит применение:

1) в узлах измерительной и лабораторной аппаратуры при мелкосерийном её выпуске;

2) при передаче сигналов широкого диапазона частот.

В мелкосерийном производстве этот вид монтажа может (по функциональному назначению) заменить многослойный печатный монтаж. При всех очевидных недостатках перед печатным монтажом проводной даёт возможность сократить количество переходных контактов.

При больших габаритных размерах устройств используют специальную монтажную плату, на которой проводным монтажом компонуются дискретные компоненты (C и R) с одной или двух сторон платы.

К преимуществам навесного объёмного монтажа следует отнести незначительные паразитные ёмкости и взаимоиндуктивность между проводниками.

Недостатки - высокая трудоёмкость, низкая вибропрочность и ремонтопригодность.

При жгутовом монтаже параллельно идущие проводники объединяются в жгуты.

Разновидностью проводного монтажа является монтаж приваркой проводников к запрессованным в плату штырям. В качестве проводников используется провод диаметром 0,1 мм в полиэтиленовой изоляции. К обратной стороне штырей припаивают или приваривают выводы микросхем. Шаг размещения штырей для этого метода 1,5 мм.

Внутриблочный монтаж выполняется объёмным гибким проводом или плоским кабелем.

При проектировании таких контактных соединений необходимо обеспечить допустимый радиус изгиба проводов, возможность замены элементов соединяемых проводами, свободный доступ к элементам конструкции, а провода питания (переменного тока) следует свивать для уменьшения возможных наводок.

Жгут формируют по чертежу на специальных трафаретах (шаблонах) и вяжут нитками с шагом 20…40 мм. Экранированные провода и провода меньшего сечения располагают внутри жгута. Если аппаратура воспринимает механические нагрузки, жгут обматывают изоляцией и крепят с помощью скоб.

Для минимизации помех и занимаемого объёма жгуты целесообразно выполнять не цилиндрическими , а плоской конструкции - гибкие плоские опрессованные кабели ГПОК, гибкие печатные кабели ГПК, плоские тканные кабели ГПТК.

ПТК - это система монтажных проводов, расположенных друг с другом в одной плоскости и скреплённых ткацким методом или плетением.

25. Рекомендации по выполнению электромонтажа

При выборе методов контактирования следует учитывать факторы:

1) Схемотехнические:

- минимальное сопротивление контактного перехода;

- допустимый уровень искажения сигнала (за счёт искажений контактным узлом);

2) Конструктивные:

- тип монтажа РЭА (проводной, поверхностный и т.д.);

- плотность монтажа;

- надёжность (время безотказной работы);

3) Технологические:

- применяемые в конструкции материалы;

- вид контактирования (возможности пайки, сварки, накрутки в соотношении с применяемыми материалами).

При выборе типа проводников или элементов коммутации для электромонтажа учитывают:

1) Схемотехнические факторы:

- ток, частота сигнала, напряжение, прикладываемое к этим элементам;

- затухание и искажение сигнала из-за длины проводников, помехозащищённость;

2) Конструктивные:

- компоновка блоков в шкафах, стойках;

- диаметр и число жил в кабеле;

- наличие изоляции и экрана;

3) Технологические:

- способ производства;

- тип изоляции проводников.

26. Внешняя компоновка ЭС

Виды внешней компоновки и требования к ней

Внешняя компоновка - это размещение органов управления, индикации на лицевой панели и выбор цветовой гаммы для всего изделия.

Внешняя компоновка бывает централизованной - когда органы управления многоблочной конструкции сведены к одному или нескольким пультам в одном месте и децентрализованной - когда элементы настройка и управления размещены на многих блоках ЭС.

Главное требование внешней компоновки - обеспечение максимального удобства работы оператора. Компоновка выполняется с учетом антропологических, физиологических, психологических данных человека, которые в конечном итоге определяют эргономические факторы - это художественная выразительность изделия, его гармоничность, целостность, соответствие среде эксплуатации, цветовая композиция.

Антропологические факторы определяют соответствие изделий размерным, весовым и силовым данным оператора.

Исходя из антропологических данных человека формируются требования к форме и габаритам пультов, кресел, к элементам органов управления - форме и размерам ручек, кнопок, рычагов.

При проектировании пультов ориентируются на следующую модель человека: рост 170см; масса - 68кг, расстояние от плечевого сустава до середины ладони вытянутой руки 70см, максимальный диаметр пальцев - 10ч20мм.

Кроме этого учитывается положение оператора во время работы. Так, при длительной непрерывной работе он работает сидя, при периодической работе он может работать как сидя, так и стоя, и если он эпизодически и на короткий срок подходит к органам управления, то работает стоя.

В особых случаях (самолеты, космические корабли) человек-оператор работает полусидя, полулежа.

Работа оператора при различных положениях требует соответствующих размеров пультов.

Участки А и Б образуют зону основных движений, когда для манипуляции руками не требуется поворота туловища. Для участка А не требуется поворота головы, а для Б требуется легкий поворот головы.

Участки В и Г образуют зоны вспомогательных движений. Для проведения манипуляции на участке В требуется движение всей руки и движение головой, а на участке Г - поворотом туловища с поворотом головы.

Исходя из приведенного, наиболее важные органы управления и информации должны размещаться в зоне А. В зоне Б располагаются приборы и органы управления нечасто используемые оператором, но они должны находиться в зоне досягаемости и обзора.

В зоне В размещают редко используемые приборы, в зоне Г - вспомогательные приборы.

При проектировании рабочего места у шкафов и стоек ЭС для работы стоя все приборы располагаются в зоне досягаемости исходя из условий нормальной работы оператора низкого роста.

По высоте рабочую зону делят на:

1) 2000 - верхняя неудобная;

2) 1700 - верхняя мене удобная;

3) 1050 - удобная;

4) 850 - нижняя менее удобная;

5) 500 - нижняя неудобная.

Отсюда следует что высоту стоек и шкафов не рекомендуют выполнять свыше 1700 мм.

К антропологическим факторам относится и сила, с которой оператор воздействует на органы управления.

Среднее усилия, развиваемые человеком:

- притяжение рывком к корпусу двумя реками - 1000Н;

- длительное притяжение - 250ч300Н;

- длительное сжатие кисти - 150Н.

Физиологические факторы

Это зрение и слух. (80% знаний человек получает через зрение).

Зрение характеризуется:

1 - полем зрения; 2 - остротой зрения; 3 - аккомодацией; 4 - адаптацией; 5 - конвергенцией; 6 - цветовым восприятием.

Исходи из особенностей периферийного зрения воспринимать слабые световые сигналы, индикаторы аварийной сигнализации следует располагать на краях пульта. При этом непрерывные сигналы воспринимаются быстрее.

1) Острота зрения - особенность глаза обнаруживать малые предметы. Это свойство зависит от освещенности объекта, длительности восприятия, вида объекта.

При времени наблюдения t_набл >0,5с острота зрения близка к максимальной.

2) Аккомодация - процесс фокусировки хрусталика глаза на близкие и дальние предметы. С возрастом хрусталик теряет свою эластичность. Глаз ребенка аккомодируется на расстоянии 60мм; 20 лет - 100мм; 40 лет - 220мм; 60 лет - 1000мм.

Время аккомодации составляет 0,6ч1,2с.

3) Адаптация - это изменение чувствительности глаза в зависимости от воздействия на него раздражителей. При переходе из светлого в темное помещения, и через 1 час пребывания там чувствительность глаза увеличивается в десятки тысяч раз. Для приспособления глаза к темноте требуется 20 мин.

4) Конвергенция - время нацеливания глаза на одну точку. Среднее время нацеливания и фокусировки ?165мс. При чтении - 20мс.

5) Цветовое восприятие глаза заключается в способности различать цвета по цветовому тону, насыщенности и контрастности.

Различают контрастность прямую - объект темнее фона и обратную - объект ярче или светлее фона.

при ,

где и - яркость фона и объекта соответственно.

Рекомендуется делать контрастность К=65ч95%.

Яркость В зависит от освещенности Е.

,

где - коэффициент отражения поверхности, зависит от цвета.

Например: белый цвет - с = 0,85; желтый светлый - с = 0,75; серый светлый - 0,75, темный - 0,3; зеленый светлый - 0,65, темный - 0,07; синий светлый - 0,55, темный - 0,08; коричневый - 0,1.

С помощью слуховых ощущений человек воспринимает звуковые частоты в диапазоне 16ч20000Гц.

Минимальное звуковое давление, необходимое для того, чтобы звук был слышен, называется порогом слышимости. Порог слышимости зависит от частоты и в диапазоне 800..2000Гц составляет примерно 2*10⁵Па.



Психологические факторы

К психологическим факторам оператора ЭC относятся элементы восприятия, переработки и передачи информации.

Скорость восприятия информации зависит от ее смыслового значения. Осмысленная информация воспринимается со скоростью 15-20бит/с.

1 бит - это количество информации при приеме. Бит это 0 или 1.

Например: цифра в десятичной системе содержит 3,3 бит, буква - 5 бит, объем кратковременной памяти у человека - 1000ч100000 бит, общий объем - 10²⁰бит.

Способность человека-оператора связана с темпом или скоростью поступления информации.



1 - область перегрузки

2 - область нормальной работы

3 - затухание активности

Низкий темп подачи входной информации проявляется в падении активности человека. Высокий темп подачи входной информации к резкому росту ошибок. Поэтому при проектировании пультов и индикаторных устройств необходимо ориентироваться на оптимальную скорость выдачи информации, не превышающей пропускной способности оператора. При это следует учитывать время на передачу оператором усвоенной им информации (то есть время на переход информации из одного вида в другой - из визуального в звуковой и т.д.).

Приведенная информация позволяет сформулировать рекомендации по конструированию элементов управления и индикации ЭС.

27. Конструктивные требования к органам управления

К органам управления относятся: тумблеры, переключатели, ручки, кнопки, клавиши, рычаги и т.д.

Органы управления предполагают следующие основные действия оператора:

1) Переключение - плавное перемещение рабочего органа в одно из нескольких положений;

2) Установку - плавное перемещение рабочего органа в одно из многих возможных положений (установка рабочей частоты с контролем по индикатору);

3) Управление - плавное перемещение органа в одно из многих положений, которое постоянно меняется.

Органы управления должны обеспечивать быстрое и точное перемещение, при этом они должны быть легко различимы, а их форма удобной для управления.

Тумблеры (перекидные выключатели) - применяемые в РЭА чаще всего бывают 2 и 3 позиционные.

Длина приводного элемента (рычага) L тумблера от 9 до 50 мм; угол перемещения 40⁰ч120⁰; диаметр конуса рычага d 3ч15мм. Усилие по переключению тумблера не должно превышать 7Н.

При установке тумблеров необходимо учитывать следующие правила:

1) Положение “включено” тумблера должно соответствовать следующему положению приводного элемента: “вверх”, “вправо”, “от себя”, а положение “выключено” - наоборот;

2) Предпочтительная горизонтальная установка. При этом шаг установки не менее 19мм, а при работе в перчатках 25мм; при вертикальной установке шаг между рычагами не менее 19мм.

Переключатели - это прежде всего коммутационные устройства поворотного типа.

Особенностью поворотных выключателей является скользящий контакт, который обеспечивает более высокую стабильность переходного сопротивления и надежность коммутации по сравнению с разрывными контактами. У них большая коммутационная стабильность - большое число положений и направления переключателя.

Однако у скользящих контактов активней протекают процессы износа, поэтому число переключений у поворотных переключателей примерно на порядок меньше, чем у перекидных и кнопочных.

Управления поворотными переключателями происходит с помощью различных ручек или рукояток.

Расстояние между ручками на панелях не менее 15мм.

Число положений современных поворотных переключателей доходит до 24, а направлении - до 40.

Кнопки. В соответствии с ГОСТ 22614-77 “Кнопки, общие эргономические требования” формы приводных элементов кнопок следующие:

На пульте кнопки должны располагаться в зависимости от функционального назначения. В основной рабочей зоне помещают кнопки изменения режима ввода информации. Кнопки выключения располагают вне рабочей зоны.

При большом количестве кнопок их группируют и окрашивают в разные цвета.

Для обозначения функционального назначения применяют надписи или символы, которые располагают на поверхности кнопок, так и рядом с посадочным местом.

Конструктивные требования к органам индикации

Все индикаторы можно разделить на две группы - предметные - это надписи, шкалы - и световые - это сигнальные лампы, светодиоды, светящиеся надписи.

Все надписи предметных указателей и индикаторов должны быть лаконичны и выполняться буквами простого начертания.

В зависимости от конкретных условий эксплуатации подбирается размер шрифта, цветовая гамма, а фон шкалы - зависит от расстояния. Если l>800мм, то лучше воспринимаются белые знаки на черном фоне, а при меньшем расстоянии - черные знаки на белом фоне. В целях равномерного рассеяния или отражения света поверхность шкалы должна быть матовой.