ТОПИН.Лекции, задания / ТОППиН_часть1 / глава 3_

50

Глава 3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ПРОИЗВОДСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ – КАК БОЛЬШАЯ СИСТЕМА

3.1. Структурная схема большой системы

Структурная схема системы соответствует жизненному циклу изделия (рис. 3.1), который включает в себя три этапа (стадии):

проектирование;

производство;

эксплуатация.

На рисунке обозначены:

ФИ – функциональное использование (использование по назначению), ТО – техническое обслуживание, Р – ремонт, Хр – хранение,

Тр – транспортирование, Ож – ожидание до или после ФИ, ТО, Р [42].

В соответствии с этапами строится большая система, которая обеспечивает выполнение трех процессов: проектирования, производства и эксплуатации.

Взаимосвязи всех трех этапов приведены на рис. 3.2 [23]. Здесь же указаны действия, выполняемые на этих этапах.

51

Рисунок 3.2.

Структурная схема большой системы в двух уровнях приведена на рис. 3.3. Приведенную структуру можно рассматривать и как дерево целей, если под каждым термином понимать конкретную цель, которая должна быть обеспечена соответствующими ресурсами.

52

Большая

система

Подсистемы I–го уровня

Подсистемы II–го уровня

Рисунок 3.3.

Далее идет деление на более мелкие подсистемы. Например, подсистема системно- и схемотехнического проектирования – на подсистемы проектирования (отделы, лаборатории) различных частей системы. Подсистема конструкторского проектирования – на подсистемы конструирования системы в целом (компоновки) и отдельных конструктивных частей системы. Подсистема технологического проектирования – на подсистемы проектирования технологических процессов формообразования, структурообразования, сборки и монтажа, настройки и регулировки. Подсистема предприятия – на производственные объединения, заводы, цеха и т.д. Подсистема применения – на места хранения и установки изделий, и т.д.

Цель подсистемы производства – организация и изготовление изделий на основе конструкторской и технологической документации, выполненной (разработанной) в подсистеме проектирования.

Цель подсистемы эксплуатации – использование изделия, организация процессов хранения, транспортировки, технического обслуживания и ремонта изделия согласно документации.

Эта большая система должна функционировать таким образом, чтобы обеспечивать повышение эффективности производства и качества электронной аппаратуры. Этого можно достичь, используя системный подход, за счет принятия оптимальных решений при проектировании, изготовлении и эксплуатации аппаратуры в рамках единой сложной системы кон-

53

струирования и технологической подготовки производства. Главная цель системного подхода – оптимальное повышение эффективности работы системы в целом. Одним из важнейших является этап согласованного выбора конструктивно-технологических решений, поскольку выбор технологического процесса производства оказывает существенное влияние на конструкцию как в частных технических решениях, так и в принципе ее построения. В таких условиях особую значимость при решении проблемы повышения эффективности производства и качества изделий приобретают задачи системной отработки технологии и конструкции аппаратуры.

Основой системного проектирования в этом случае являются многоальтернативные оптимизационные модели. Они позволяют формализовать процесс согласованного выбора конструкторских и технологических элементов при их объединении в сложную систему с заданными функциональными свойствами и отвечающую требованиям эффективности, качества и надежности [24].

Конструкторам и технологам при принятии решений необходимо опираться в своей практике на функционально-стоимостный анализ (ФСА), который нацелен на обязательное получение лучшего технико- экономи-ческого решения. В процессе проведения ФСА технического объекта изучаются все стадии его жизненного цикла: научные исследования, разработка конструкции, подготовка и организация производства, производство, эксплуатация и утилизация [25].

Основной в большой системе является подсистема проектирования. Проектирование – это комплекс работ с целью получения описаний

нового или модернизируемого технического объекта, достаточных для его реализации или изготовления в заданных условиях [26].

Поэтому проектирование есть сложный специфический вид творческой деятельности, в которой сочетаются искусство, наука и математика.

Объектами проектирования могут быть изделия или процессы (технологические, вычислительные и т.п.).

Комплекс проектных работ включает в себя теоретические и экспериментальные исследования, расчеты, конструирование, составление описаний.

Описания представляют собой комплект конструкторско-техноло- гической документации в виде чертежей, спецификаций, пояснительных записок, схем, программ для ЭВМ и управляемого технологического оборудования.

При каждом виде проектирования существуют иерархические уровни, которые выделяются в соответствии с группами задач проектирования. Например, типичные иерархические уровни проектирования ЭВМ: системный и схемный (функционально-логический).

Иерархические уровни конструкторского проектирования ЭВМ связаны с разработкой конструктивов: стоек (шкафов), рам и панелей, типовых элементов замены (ТВЗ).

54

Иерархические уровни технологического проектирования: схемы технологических процессов, маршрутной и операционной технологий.

Оценку качества изделий на этапе проектирования можно проводить на основе планирования эксперимента.

3.2. Подсистема конструкторского проектирования

Конструирование является одним из важнейших этапов создания аппаратуры.

Конструирование ЭА есть часть более общего процесса или совокупности действий, связанных с созданием, производством и использованием систем и входящих в их состав аппаратуры.

Конструировать (от лат. сonstruere) означает строить, сооружать, создавать план чего-либо, строить механизмы, машины, аппараты и т.п. с выполнением их проектов и расчетов.

Основным содержанием процесса конструирования является синтез и анализ конструкции.

Конструктор – лицо, занимающееся конструированием машин, механизмов, аппаратов и т.п., а также их отдельных частей.

Целью функционирования подсистемы конструирования является разработка конструкции, отвечающей установленным требованиям Н и оптимизирующей заданную целевую функцию. Главная задача конструктора состоит в обеспечении основных требований Но, достигнутых в процессе схемотехнического проектирования, при выполнении дополнительных требований Нд. Для этого при конструировании аппаратуры необходимо:

проводить сложную работу по анализу различных вариантов (альтернатив) конструкции;

выполнять различные эксперименты;

правильно учитывать перспективность тех или иных конструкций и тенденции их развития;

проводить отработку конструкции на технологичность.

Этапы технологической подготовки производства проводят параллельно с этапами конструкторской подготовки.

Все это приходится выполнять в условиях жестких ограничений: эксплуатационных Нд э, производственных Нд кт, экономических Нд с (условия эксплуатации, стоимость, массогабаритные показатели, возможности технологии и заводов, материалы и элементная база). Эти работы, в связи с необходимостью учета большого числа взаимодействующих факторов, всегда более сложны, чем разработка принципиальных электрических схем.

В процессе конструирования осуществляется выявление, организация и отражение в документации подмножества структур KS = S и подмножества параметров KY = Y – качественных и количественных свойств конструкции – и приведение элементов этих подмножеств в соответствии с

55

множеством требований Н и внешних воздействий Z. Но необходимо иметь в виду, что в связи со сложностью установления тех или иных зависимостей элементов Sl и yi от видов множеств Н и Z, а также достаточно полное представление множества S во многих случаях при конструировании аппаратуры зависит от опыта конструктора.

В целом процесс конструирования (синтез конструкции) может быть разделен на следующие стадии:

выбор и разработка необходимых элементов конструкции на основании известных подмножеств KYo, Zo и KSo;

выявление и организация остальных элементов множеств KY, Z и KS (в том числе выбор (синтез), анализ и аналитическое определение структур и параметров, их моделирование (в случае необходимости), согласование различных частей конструкции (структур), оптимизация параметров и т.д.);

оформление документации с отображением в ней таких элементов множеств S и Y, которые обеспечивают возможность изготовления изделия, отвечающего заданным требованиям Н, т.е. обладающего

заданным множеством свойств К.

Таким образом, в процессе конструирования можно выделить два этапа:

творческий – выбор материалов и организация связей между элементами структуры;

формальный (нетворческий) – создание информационных документов (чертежей, таблиц, ведомостей, спецификаций и т.п.), необходимых для организации производства изделия.

Ктворческому этапу относится решение основной задачи конструирования – создание конструкций, пригодных для производства и эксплуатации, а так как производство и эксплуатация ЭА – это области «господства» случайностей (В.Б. Пестряков), то основная задача не может быть решена без использования вероятностно-статистических методов.

Для получения технической документации (информационных документов) необходимо выполнить творческий этап конструкторского проектирования, на котором, как правило, решаются следующие задачи:

покрытие функциональной схемы изделия заданным набором стандартных элементов; т.е. получение принципиальных электрических схем;

компоновка принципиальной схемы изделия – размещение элементов с учетом схемотехнических, конструкторских и технологических ограничений;

размещение конструктивов низшего уровня в конструктивах высшего уровня иерархии;

трассировка межсоединений конструктивных единиц [27].

56

Из информационных документов главным является чертеж. Формальный этап в настоящее время выполняется с помощью ЭВМ.

3.2.1 Конструкторская документация

При разработке конструкции в основном используется графическое представление информации. Такое представление является для человека особенно комфортным, т.к. в этом случае обеспечивается самая высокопроизводительная и комплексная переработка информации. К графической информации относится конструкторская документация (КД), которая выполняется в соответствии с ЕСКД (Единая Система Конструкторской Документации).

ЕСКД – комплекс государственных стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения КД.

На изделия (детали, сборочные единицы и т.п.) создается КД: чертежи, схемы, спецификации.

Схемы в КД различаются по видам: электрическая (Э), гидравлическая (Г), пневматическая (П), кинематическая (К) и типам: структурная (1), функциональная (2), принципиальная (3), соединений (4), подключения (5), общая (6), расположения (7).

Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. Функциональная – необходима для разъяснения процессов в функциональных цепях или изделии в целом. Принципиальная – определяет полный состав элементов изделия и связи между ними и дает, как правило, детальное представление о принципах работы изделия. В схеме соединений даются соединения всех составных частей изделия проводами, жгутами, кабелями, трубопроводами и т.п. В схеме подключений даются сведения о внешних подключениях изделия. Общая схема определяет составные части комплекса и соединения их на месте эксплуатации. Схема расположения устанавливает относительное расположение составных частей изделия, а также (при необходимости) расположение соединений.

Существует также эксплуатационная и ремонтная КД.

Из текстовой КД наиболее важной является пояснительная записка (ПЗ), в которой излагаются: основание для разработки проекта, назначение

иобласть применения, техническая характеристика, описание конструкции

ирасчеты. Таким образом, любой проект состоит из комплекта чертежей и пояснительной записки к нему.

3.2.2 Чертеж

«Чертеж – это мост, по которому идея конструктора переходит в металл опытного образца» – так писал известный конструктор артиллерийских систем В. Грабин в книге «Оружие победы».

57

Чертежи являются носителями информации об изделии, которая является обязательной для исполнителя.

Конструктор должен уметь отразить графически на чертеже пять основных свойств, которые полностью описывают изделие: структуру, форму, материал, размеры и поверхность. Таким образом, конструирование есть процесс отражения в чертежах этих свойств и косвенно технологии изготовления.

Шестым свойством, представление о котором наиболее важно для конструктора, является функция изделия. Хотя функция, в конце концов, является свойством, производным от пяти основных, она главное, что интересует потребителя и что служит исходным пунктом при поиске решения.

Чертеж является тем полем, на котором конструктор может в реальном для процесса конструирования времени зафиксировать свой мысленный эксперимент. При этом время обращения к информации, закодированной в чертеже, настолько мало, что процесс общения с чертежом выступает как общение с конструкторской идеей.

Чертеж позволяет решать задачи конструирования коллегиально, ибо является отображением процесса независимо от числа участвующих в нем.

В процессе конструирования конструктор формирует различные информационные модели объекта конструирования, из которых важнейшими являются графические и, в частности, завершающей моделью будет рабочий чертеж. Чертеж является универсальным и самым удобным средством моделирования как абстрактной идеи, так и подробного решения.

Одно из основных требований к чертежу – безошибочность.

3.2.3Факторы, определяющие конструкцию аппаратуры

1.Конструкция ЭА зависит от назначения аппаратуры, принципа действия

исложности. В некоторых случаях конструкция является определяющей для параметров аппаратуры.

2.Конструкция ЭА зависит от объекта, на котором аппаратура устанавливается.

3.Конструкция ЭА в значительной степени зависит от возможностей человека – оператора.

4.Конструкция ЭА зависит от электрической схемы.

5.Конструкция ЭА непосредственно связана с технологией и некоторым образом зависит от нее. Недаром существует афоризм: «У конструктора технология должна быть на кончике карандаша», т.е. разрабатывая конструкцию нужно думать, как ее изготовить. Как правило, новый принцип построения конструкции требует новой технологии.

6.Конструкция ЭА должна быть высоко технологичной. Технологична такая конструкция, которая изготавливается наиболее экономичными технологическими процессами при принятом типе и масштабе производства. В технологичной конструкции максимально сокращена номен-

58

клатура материалов и комплектующих изделий, широко применяются стандартные компоненты и унифицированные детали, ранее освоенные

в производстве.

7.Существенным фактором, влияющим на конструкцию, является масштаб производства.

8.Существенное влияние на конструкцию и конструирование оказывает фактор «случайности» (воздействия внешней среды и условий производства).

При разработке конструкции изделия следует стремиться сделать ее, по

возможности, наиболее простой, помня при этом, что «сделать сложную конструкцию очень просто, а вот сделать простую конструкцию очень сложно».

3.2.4 Стадии разработки ЭА и конструкторской документации

Процесс проектирования, согласно ЕСКД, включает следующие стадии:

техническое задание;

техническое предложение;

эскизный проект;

технический проект;

выполнение рабочей документации (рабочего проекта). Техническое задание (ТЗ) – основание для проектирования изделия

ЭА. В нем содержатся требования к разрабатываемому изделию и воздействия, которым оно подвергается в условиях эксплуатации.

Техническое предложение (ПТ) – совокупность конструкторских документов, которые содержат техническое и технико-экономической обоснование целесообразности разработки изделия на основании анализа ТЗ и различных вариантов возможных решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого изделия. Основное в техническом предложении – построение общей структурной схемы изделия.

Эскизный проект (ЭП) – совокупность конструкторских документов, которые отражают принципиальные схемные и конструктивные решения, дающие общие представления об устройстве и принципе работы изделия, а также данные по его основным и массогабаритным параметрам.

Технический проект (ТП) – совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения и дающих полное представление об устройстве и конструкции разрабатываемого изделия, а также исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации.

Рабочий проект (ПР) – это полный комплект конструкторской документации на изделие, который включает чертежи на каждый элемент конструкции, подлежащий изготовлению.

Пояснительная записка (ПЗ) составляется по окончании работ на стадиях ПТ, ЭП и ТП и содержит разделы: введение, назначение и область применения изделия, технические характеристики, описание и обоснование выбранной конструкции, описание организации работ по эксплуатации

59

изделия, ожидаемые технико-экономические показатели, уровень стандартизации и унификации.

Более подробную информацию о содержании стадий проектирования и конструкторской документации можно найти в [16, 27, 28 и др.].

3.2.5 Системный подход при конструировании ЭА

Системный подход при конструировании – это учет всех факторов, которые влияют на процесс создания оптимальной конструкции. Применение системного подхода дает возможность рационально разбить задачу проектирования на части и принять оптимальное решение.

Конструкция изделия представляет собой совокупность конструкций сборочных единиц и деталей, которые находятся в определенной взаимосвязи и обеспечивают требуемое функционирование.

Системный подход при конструировании ЭА означает, что выбор элементной базы, решение вопросов формообразования и защиты конструкций от воздействия внешней среды должны учитывать требования оптимизации или инженерного синтеза конструкции по функциональным и материальным параметрам.

Под функциональными параметрами понимают энергоинформационные характеристики устройств (быстродействие, мощность вторичных источников питания, число каналов и т.п.)

Под материальными параметрами конструкции понимают массу, объем, потребляемую мощность, стоимость и др.

Требование оптимальности должно выполняться не только для изделия, но и сам процесс проектирования должен быть оптимальным. Основные этапы оптимального проектирования приведены на рис. 3.4.

Сформулируем системные принципы проектирования изделий, вытекающие из анализа их свойств на основе системного подхода. На рис. 3.5. показаны наиболее существенные связи между основными свойствами изделия и принципами его проектирования.