книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

11.РЕГУЛИРОВКА, НАСТРОЙКА, КОНТРОЛЬ

ИИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

11.1. Технологические операции регулировки и настройки

Регулировка и настройка — необходимые операции в общем техноло­ гическом цикле производства ЭА. Они должны обеспечить заданные пара­ метры ЭА при наименьших затратах и устранить все неисправности, допу­ щенные при сборке. Под регулировочными и настроечными операциями (РНО) понимают комплекс работ по доведению параметров ЭА до величин, соответствующих требованиям технических условий (ТУ) и нормалей. Це­ лью РНО является получение такого разброса параметров, который гаранти­ рует эффективное функционирование аппаратуры в условиях эксплуатации.

Проведение РНО необходимо, чтобы устранить погрешности изготов­ ления деталей, элементов и сборки узлов, причем как вынужденных, так и предопределенных заранее. Причиной появления предопределенных по­ грешностей является искусственное завышение допусков на отдельные па­ раметры в целях уменьшения себестоимости изделий или невозможности реализации требуемой точности.

Работы, выполняемые на РНО, включают настройку различных резо­ нансных систем, сопряжение электрических, кинематических параметров отдельных узлов и всей аппаратуры в целом, установку определенных ре­ жимов отдельных блоков, узлов, подгонку некоторых элементов и т. д. Ха­ рактер и объем РНО определяется видом и объемом производства, осна­ щенностью ТП.

Как этап производства РНО составляют в общем ТП ряд операций, не изменяющих схему и конструкцию изделия, а лишь компенсирующих не­ точность изготовления и сборки элементов ЭА собственного производства, а также комплектующих элементов. За счет такой компенсации достигается согласование входных и выходных параметров узлов и всех параметров из­ делия до оптимального значения, удовлетворяющего требованиям ТУ.

412

11.1. Технологические операции регулировки и настройки

Если исключить РНО из ТП невозможно, то естественна постановка задачи минимизации затрат труда и времени. Общие пути решения такого рода задач известны — отработка методики выполнения РНО, их автомати­ зация, схемотехнические и конструктивные решения, сокращающие затраты на РНО.

М етоды выполнения РНО

Различают эксплуатационную и заводскую регулировку. При опытном производстве процесс регулировки может сопровождаться частичным изме­ нением схемы и конструкции образца. В серийном производстве процесс регулировки разбивают на ряд простых операций, кроме того, выполняют предварительную регулировку отдельных сборочных единиц. Это позволяет сократить трудоемкость работ, оснастить процесс регулировки специальны­ ми приборами. При регулировке иногда допускается методом подбора уста­ навливать заранее предусмотренные схемой резисторы, конденсаторы и другие элементы. Подбор электронных, полупроводниковых, механических приборов для получения оптимальных параметров в серийном производстве не допускается. В массовом производстве регулировочные работы разбива­ ют на мелкие операции, предусматривающие получение одного или не­ скольких связанных друг с другом параметров с применением минимально­ го количества приборов и инструментов. Замена установленных элементов исключается. Регулировку проводят на специализированных установках.

Регулировку ЭА осуществляют двумя методами:

•по измерительным приборам;

•сравнением настраиваемого изделия с образцом или эталоном (ме­ тод электрического копирования).

В серийном и массовом производстве чаще применяют метод элек­ трического копирования, позволяющий уменьшать допуски на выпускае­ мую ЭА при использовании более простой измерительной аппаратуры.

Технологический процесс регулировки ЭА разбивают на ряд этапов. На первом этапе изделие подвергают тряске на вибрационном стенде для удаления посторонних предметов и выявления имеющихся неплотных соединений.

На втором этапе проверяют правильность монтажа. Для этого предва­ рительно составляют карты или таблицы, охватывающие все цепи прове­ ряемого устройства.

На третьем этапе проверяют режимы работы микросхем (МС), полу­ проводниковых приборов по электрокалибровочным картам. Проверку ре­ жимов начинают с источников питания.

На четвертом этапе проверяют функционирование устройства в целом

ирегулировку для получения заданных характеристик по ТУ.

413

11. Регулировка, настройка, контроль и испытания электронной аппаратуры

Виды и перечень документации, необходимой для проведения регули­ ровочных работ, определяются программой выпуска и сложностью изделия. В единичном производстве регулировку можно проводить по электрической схеме с учетом требований ТУ. Для регулировки сложных изделий и в мас­ совом производстве создают документацию, исключающую ошибки и со­ кращающую трудоемкость выполняемых работ.

Правильность элеюрического монтажа проверяют по элеюрокалибровочным картам, которые составляют для напряжений и токов, и выпол­ няют их в виде таблиц или чертежей.

При регулировке простых устройств и в массовом производстве ис­ пользуются технологические карты, в которых указаны методика и порядок регулировки, измерительная аппаратура, инструмент и т. д.

Наиболее часто для регулировочных работ используют технологиче­ скую инструкцию, которая содержит описание рабочего места, перечень измерительной и регулировочной аппаратуры, приспособлений и инстру­ мента, методику процесса регулировки и его последовательность, характер­ ные неисправности и способы их обнаружения и устранения, порядок сдачи отрегулированного узла и указания по технике безопасности.

Порядок оформления технологических карт и технологических инст­ рукций определяет ГОСТ (ЕСТД. Правила оформления документов общего назначения).

Сущность регулировочных работ сводится к следующему. Имеется заданная функция, как правило, функция многих переменных

£ = f ( x , y , z ,...). Каждый из выходных параметров изделия представляет

собой функцию многих переменных, т. е.

раметра.

Рассматривая в качестве объекта регулировки изделие в целом, можно РНО представить как процесс оптимизации, осуществляющий поиск экстремума некоторой обобщенной функции качества Q изделия j, опре­

414

купности q можно отнести такие показатели, как статистическую погреш­ ность системы, среднеквадратическую погрешность в определенном режиме

п

ним-двумя варьируемыми параметрами ру. Q = ^ q (р^) -+ extr.

.и Все РНО можно классифицировать по тем признакам, которые приме­

няют в качестве критериев решения задач от проектирования операций до способа их выполнения.

Таблица 11.1. Классификация РНО

По виду оптимизируемой функции качества процессы регулировки подразделяются на процессы, оптимизирующие обобщенные, частные и комбинированные функции качества системы, подвергающейся регулировке или настройке.

415

II. Регулировка, настройка, контроль и испытания электронной аппаратуры

Частные функции качества системы являются логической или анали­ тической зависимостью между фазовыми координатами настраиваемой сис­ темы (или некоторыми показателями ее качества в определенном типовом режиме работы) и информационными сигналами. Эта зависимость оптими­ зируется в процессе регулировки.

Обобщенные функции качества составляют логическую или аналити­ ческую зависимость между регулируемыми координатами системы или со­ вокупностью частных показателей ее качества для различных режимов ра­ боты системы и информационными сигналами. Эта зависимость также оп­ тимизируется в процессе регулировки в одном из типовых режимов работы системы.

Комбинированные функции качества являются сочетаниями обоб­ щенных и частных функций качества.

Взависимости от метода поиска экстремума функции качества РНО раз­ деляются на процессы, использующие принципы поисковой настройки, анали­ тической настройки или сочетания принципов поисковой и аналитической.

При поисковой настройке (регулировке) изменение варьируемых па­ раметров настраиваемой системы проводится в результате поиска условий экстремума оптимизируемой функции качества. Для пробных изменений параметров системы и последующего анализа результатов этих изменений необходимо вводить пробные (тестовые) сигналы. Поисковые системы ре­ гулировки по способу поиска экстремума оптимизируемой функции качест­ ва можно разделить на системы с независимым поиском, когда абсолютные значения скоростей изменения варьируемых параметров не зависят от от­ клонения текущего значения функции качества от экстремального значения,

исистемы с зависимым поиском, когда скорости изменения варьируемых параметров являются функциями отклонения текущего значения оптимизи­ руемой функции качества от экстремального значения.

По организации движения к экстремуму поисковые системы регули­ ровки делят на системы с разнесенными пробными рабочими шагами и сис­ темы с совмещенными пробными и рабочими шагами.

Впервом случае при пробном шаге определяются направления изме­ нения варьируемых параметров для обеспечения экстремума оптимизируе­ мой функции качества, а при рабочем шаге проводится изменение варьи­ руемых параметров. Во втором случае изменяются варьируемые параметры с одновременной оценкой влияния этих изменений на оптимизируемую функцию качества.

Взависимости от метода движения к экстремуму поисковые системы регулировки делят на системы регулировки с поиском экстремума по мето­ дам: градиента Гаусса—Зейделя, наискорейшего спуска, случайного поиска, сканирования и двухшагового.

416

11.1. Технологические операции регулировки и настройки

При аналитической регулировке изменение варьируемых параметров настраиваемой системы проводится на основе аналитического определения условий, обеспечивающих заданное значение функции качества без приме­ нения специальных поисковых сигналов.

В аналитических (беспоисковых) системах регулировки для получе­ ния информации о состоянии настраиваемой системы, как правило, исполь­ зуются стимулирующие сигналы, имитирующие реальные сигналы, посту­ пающие в систему в процессе функционирования. В некоторых случаях ис­ пользуются специальные пробные сигналы. По виду использования дополнительной информации они делятся на системы, использующие ин­ формацию о входном воздействии, частотных и временных характеристи­ ках, процессах на границах устойчивости и комбинированную с использо­ ванием сочетаний указанных выше видов информации.

Критерии оценки качества РНО

Для того чтобы судить о качестве выполнения РНО, необходимо иметь критерий оценки качества, описание которого представляется некото­ рой функцией качества одного из рассмотренных видов.

Характеристикой качества РНО могут служить функции распределе­ ния погрешностей регулировки изделий или распределения их параметров с учетом установленного поля допуска. Поле рассеяния параметров изделий должно быть меньше или равно допустимому полю рассеяния: ЗД, ЗДдоп.

Выполнение этого условия можно осуществить двумя путями: отбором де­ талей (элементов, узлов) из общего поля допуска ±ЗД, укладывающихся в допустимое поле допуска ±ЗЛД0П; организацией технологического процесса производства деталей (элементов, узлов), позволяющего выполнить условие

зддоп=ЗД,.

Установлены некоторые закономерности формирования выходных параметров в зависимости от особенностей электрических схем. Только не­ большую часть распределений выходных параметров можно считать нор­ мальными. Реальные распределения выходных параметров отличаются ме­ жду собой и от нормальных главным образом из-за асимметричности и ост­ ровершинности. Эти качественные характеристики распределений, оцениваемые коэффициентами асимметрии и эксцесса, использованы в ка­ честве критериев при анализе электрических схем и выполнении РНО с уче­ том получаемых распределений.

В электрических схемах, где РНО осуществляются элементами на­ стройки с плавно изменяющимися параметрами (потенциометры, перемен-

11. Регулировка, настройка, контроль и испытания электронной аппаратуры

ные конденсаторы, подстроечные индуктивности), функции распределения выходных параметров хорошо согласуются с законом нормального распре­ деления. Математическое ожидание таких распределений при отсутствии систематических погрешностей аппаратуры близко к нулевому номиналь­ ному значению параметра. Разброс выходных параметров настроенных из­ делий, характеризующийся средним квадратическим отклонением, во мно­ гом определяется случайными погрешностями измерений. Значения коэф­ фициентов асимметрии и эксцесса близки к нулю.

При РНО электрических схем парным подбором элементов, имеющих дискретные и плавно изменяющиеся параметры, получаемые распределения характеризуются заметными асимметричностью и эксцессом. Поля рассея­ ния параметров на 25.. .35 % меньше поля установленного допуска.

Еще ббльшую асимметричность и островершинность могут иметь распределения выходных параметров изделий, в которых РНО осуществля­ ются подбором элементов с дискретными параметрами.

Взаимозависимые РНО выполняют посредством подбора параметров двух или более элементов, один из которых может быть общим для не­ скольких независимых электрических цепей. Сюда входят разнообразные многопредельные схемы делителей сигналов с частотной компенсацией, различные схемы генераторов фиксированных частот, имеющие общие эле­ менты колебательных контуров, многопредельные задающие временные устройства. В таких схемах перестройка или замена элементов отражается на всех параметрах изделия, зависящих от этих элементов. Эта особенность взаимозависимых регулировочных операций — одна из причин значитель­ ного отклонения получаемых распределений от нормальных. Математиче­ ское ожидание выходных параметров может сильно отличаться от номи­ нального значения. Асимметричность распределений явно выражена и мо­ жет быть как право-, так и левосторонней. В большинстве случаев знак асимметрии определяется порядком проведения настройки схемы, который при взаимозависимых РНО строго определен технологическими инструк­ циями. Эксцесс, как и в предыдущих случаях, как правило, положителен, что может быть объяснено стремлением регулировщика установить пара­ метры схемы как можно ближе к номинальному значению. Характерно и то, что при взаимозависимых РНО практически исчезает разница между шири­ ной поля допуска и фактическим рассеянием параметров после настройки изделий.

Выборочные асимметрии и эксцесс распределения сами по себе вели­ чины случайные и поэтому даже для нормального распределения могут быть равными нулю. Для оценки значимости отклонения коэффициентов асимметрии и эксцесса от своих математических ожиданий используем дис­ персии этих величин, определяемые по формулам

418

11. L Технологические операции регулировки и настройки

'1 (ЛГ + 1)г(Л + Э)(Л1+5)’

где ЩА), D(E) — дисперсии выборочных асимметрии и эксцесса соответст­ венно; N — объем выборки.

Начальные распределения выходных параметров изделия, прошедше­ го РНО, являются усеченными распределениями, поле рассеяния которых в ряде случаев существенно меньше поля установленного допуска. Оценку полей рассеяния параметров при выполнении РНО проведем с помощью безразмерной величины %'■

|А ,-А а|- |8 , - 8 , | 100%

Здесь А,, А2 — границы допуска, установленного ТУ на параметр; 6,, 62 — границы поля рассеяния параметров после регулировки изделия.

При решении практических задач, если асимметричность и островер­ шинность реальных распределений являются существенными, хорошее ана­ литическое приближение можно получить, воспользовавшись рядом ГрамаШарлье

00

/Д^)=Ес.ф'(^

H,{U) — полином Эрмита.

11.Регулировка, настройка, контроль и испытания электронной аппаратуры

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы и обобщения:

•на формирование распределений выходных параметров изделий су­ щественное влияние оказывают особенности электрических схем и РНО. Выходные параметры могут быть сгруппированы по принципу подобия по­ лучаемых распределений с установлением пределов изменения их числен­ ных характеристик;

•при двустороннем ограничении параметров допусковыми значения­ ми получаемые распределения в большинстве своем представляют собой одномодальные усеченные распределения, отличающиеся от нормальных асимметричностью и островершинностью;

•обособленные РНО, осуществляемые элементами с плавно изме­ няющимися параметрами, характеризуются распределениями, близкими к нормальным, ширина поля рассеяния которых существенно меньше ширины поля установленного допуска.

11.2. Контроль, диагностика ЭА

К о н т р о л ь в п р о ц е с с е п р о и з в о д с т в а Э А

Под качеством ЭА понимают совокупность свойств, определяющих способность изделий удовлетворять заданным требованиям потребителя. Качество ЭА обусловливает их конструктивные, технологические, экономи­ ческие, эргономические и другие параметры. Качество как свойство закла­ дывается в процессе разработки и изготовления ЭА, а объективно оценива­ ется в процессе эксплуатации. Однако получаемая при этом информация является, во-первых, недостаточной, поскольку не все параметры ЭА, необ­ ходимые для оценки качества, измеряются в условиях эксплуатации, а вовторых, — запоздалой, так как на изготовление ЭА уже затрачены большие средства. Эта проблема усугубляется по мере дальнейшей микроминиатю­ ризации ЭА, когда целые блоки выполняются в виде интегральных микро­ схем (ИС), которые являются неремонтопригодными.

Одним из методов оценки качества служат теоретические расчеты. Однако расчетные оценки нуждаются в экспериментальном подтверждении, так как исходные данные и модели являются приближенными. С развитием микроминиатюризации и усложнением ЭА создание адекватных моделей становится проблематичным. В этой связи существенный объем информа­ ции о качестве ЭА получают путем контроля их параметров и проведения испытаний на всех этапах, начиная с разработки нормативно-технической документации (НТД) и кончая анализом рекламаций и заключений потреби­ теля о качестве готовых изделий.

420

11.2. Контроль, диагностика ЭА

Согласно Государственному стандарту (ЕСТПП. Виды процессов кон­ троля) устанавливаются следующие виды технологических процессов тех­ нологического контроля:

•по унификации (единичный, унифицированный);

•по освоению процесса (рабочий, перспективный);

•по степени регламентации действий, устанавливаемых в документа­ ции (маршрутный, операционный, маршрутно-операционный).

Принадлежность процесса к единичному или унифицированному оп­ ределяется количеством наименований объектов контроля, охватываемых процессом (один или группа однотипных или разнотипных объектов кон­ троля).

Единичный процесс контроля применяют для изделий одного наиме­ нования, типоразмера и исполнения, а также для технологических процессов одного содержания независимо от типа производства.

Унифицированный процесс контроля в зависимости от общности кон­

структивных и технологических контролируемых признаков объектов быва­ ет типовым и унифицированным.

Унифицированный типовой процесс контроля используют: в качестве рабочего процесса контроля при наличии в документации описания всех операций; как информационную основу при разработке рабочего процесса контроля; как базу для разработки стандартов на типовые процессы контроля.

Унифицированный групповой процесс контроля применяют: в качестве рабочего процесса контроля при наличии в документации описания всех операций; как информационную основу при разработке группового рабоче­ го процесса контроля.

Рабочий процесс контроля используется для конкретных объектов в соответствии с требованиями рабочей технической документации.

Перспективный процесс контроля разрабатывается как информацион­ ная основа для рабочих процессов контроля при переоснащении производ­ ства и рассчитан на применение более совершенных методов контроля, бо­ лее производительных и экономически эффективных средств контроля и на изменение принципов организации технического контроля.

Применение маршрутного, операционного или маршрутно­ операционного процесса контроля устанавливается в отраслевых стандартах или в стандартах предприятия.

Государственный стандарт устанавливает следующие объекты кон­ троля: материал, полуфабрикат, заготовка, деталь, сборочная единица, ком­ плекс, комплект, технологический процесс.

При контроле материала, полуфабриката, заготовки и детали в состав контролируемых объектов включены: марка материала (кроме объекта де­ таль), геометрические и физико-химические параметры, внешние и внут­

421