ТОПИН.Лекции, задания / ТОППиН_часть1 / глава 3_

70

При формировании внутренней структуры конструкций ЭА берут за основу такие главные критерии качества будущей конструкции как технологичность и ремонтопригодность, которые существенно сказываются на стоимости изготовления и эксплуатации. Немалое значение имеют также и частные критерии, которые тесно связаны с главными: функциональная законченность, минимальная номенклатура и количество конструктивных составляющих изделия, а также их минимальная связность. Помимо этого необходимо помнить о требованиях электромагнитной совместимости узлов, быстродействия, обеспечения нормального теплового режима и др. Эти вопросы в основном решаются на следующем этапе – этапе компоновки и зачастую требуют разработки специальных конструктивных приспособлений. Однако учет этих требований уже на этапе структурного синтеза может значительно упростить их разрешение и способствовать получению более качественных характеристик проектируемого устройства. На рис. 3.9 приведено влияние внутренней структуры на основные качественные характеристики конструкций ЭА. На рисунке КС – конструктивные составляющие, материализующие какие-либо части электрической схемы [32].

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ КОНСТРУКЦИЙ ЭА

УМЕНЬШЕНИЕ СТОИМОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭА

Рисунок 3.9.

71

Компоновка ЭА – размещение в пространстве или на плоскости элементов, имеющих электрические соединения в соответствии с принципиальной схемой, и обеспечение допустимого минимума паразитных взаимодействий, которые не нарушают значения расчетных выходных параметров аппаратуры [27].

Компоновка является существенной частью процесса конструирования аппаратуры. Проблема компоновки усложняется в связи с тем, что приходится учитывать электрические, магнитные и тепловые поля.

Существуют следующие методы компоновки:

графоаналитический;

номографический;

объемный;

плоскостной (аппликации);

натурный;

графический;

машинный [27, 33].

Вобщем виде конструирование аппаратуры может быть сведено к решению задачи геометрической компоновки заданного числа составляющих систему элементов в минимальном объеме при условии выполнения ряда дополнительных требований.

Эта задача может быть формализована и обобщенный компоновочный параметр системы можно представить в виде

Wk = F(G, V, C, …),

где G, V, C, … – составляющие обобщенного компоновочного параметра (масса, объем, стоимость, энергопотребление и т.п.)

В большинстве случаев интересующие нас параметры можно представить в виде

WG = FG + F(G),

WV = FV + F(V),

WC = FC + F(C),

- - - - - - - - - - - ,

где FG, FV, FC, … – величины, определяющие выполнение технических требований на конструирование, но не зависящих от изменения составляющих компоновочных параметров. К таким величинам относятся элементы крепежа, электрического соединения (разъемы, клеммы и т.п.) – защита от климатических, механических воздействий и т.п.;

F(G), F(V), F(C), … – величины, определяющие выполнение технических требований к конструкции и зависящие от изменений составляющих компоновочных параметров.

Нахождение оптимума обобщенного компоновочного параметра (при отсутствии ограничений) сводится к решению системы уравнений

3.2.7 Структуры конструкций ЭА

Структура конструкции образуется множеством элементов и связей между ними и определяет качественные свойства KS конструкции.

Основным свойством структур является их однозначное соответствие некоторому подмножеству качественных свойств конструкции KS. Причем каждой структуре соответствует определенный вид этого подмножества. Однако обратного однозначного соответствия подмножества KS и структуры конструкции не существует, т.е. одно и то же подмножество качественных свойств может принадлежать нескольким различным структурам конструкции. Отсюда вытекает задача выбора оптимальной структуры. Но из-за сложности этого вопроса не удается применить для его решения известные методы оптимизации. Поэтому выбор структуры конструкции из множества S конструктор до сих пор, в основном, производит на основании собственного опыта.

Классификация всего многообразия структур конструкций аппаратуры может быть проведена по различным признакам. Наиболее употребительные из них:

этап создания;

природа связей;

отношение между частями (субструктурами);

структурные признаки.

А. Классификация структур по этапам создания

По этому признаку все структуры конструкций ЭА делятся на подмножества исходных Sи, разрабатываемых Sр и производных Sпр структур.

Причем S = Sи U Sр U Sпр .

Подмножество исходных структур Sи – это структуры, задаваемые или однозначно определяемые множеством требований Н. Элементами подмножества Sи могут быть структурные, функциональные, электрические и кинематические схемы разрабатываемой ЭА. Естественно, что ряд свойств этих элементов неизвестен и подлежит определению в процессе конструирования. Следовательно, Sи ∩ Sр ≠ Ø.

Подмножество Sр составляют как структуры, разрабатываемые в процессе конструирования, так и некоторые элементы подмножества Sи, исходная информация о которых является недостаточной для их производства. Элементами подмножества Sр являются: схема связей между элементами структуры, отдельные конструктивные элементы (детали, узлы, блоки и т.п.), а также геометрические, механические, тепловые и другие структуры. Наибольшее значение имеет геометрическая структура конструкции, т.к. именно она определяет основные геометрические размеры всей кон-

73

струкции и ее отдельных частей, взаиморасположение этих частей и другие геометрические характеристики.

Получение геометрической структуры изделия является одной из главных задач конструирования. Выявление и организация геометрической структуры конструкции называется компоновкой конструкции. Компоновка выполняется одним из методов, приведенных в п. 3.2.6.

Геометрическая структура конструкции тесно переплетается с электрическими, магнитными, электромагнитными, тепловыми и другими связями, а также с оптической, кинематической и другими структурами. Поэтому правильная разработка геометрической структуры возможна только с учетом всех связей и структур конструкции. В подмножестве геометрических структур выделяются два класса структур: топологические структуры (на подложках микросхем или печатных платах) и объемные компоновочные структуры.

Подмножество Sпр составляют те структуры, которые не разрабатываются в процессе конструирования, а являются производными – вытекающими из подмножеств исходных и разрабатываемых структур. В качестве примеров можно привести производные структуры: структура центров тяжести отдельных частей конструкции, тепловую структуру, структуру помех и т.п.

Б. Классификация структур по природе связей

По этому признаку все структуры конструкций ЭА делятся по при-

w

роде связей, т.е. S Sк . Элементами Sк (подмножествами) множества S

k 1

являются: электростатические, магнитные, электромагнитные, акустические, статические, кинематические, оптические и другие структуры.

В. Классификация структур по отношениям между структурами

По этому признаку все структуры конструкций ЭА делятся на подмножество сложных структур Sс и подмножество элементарных структур Sэ. Разница между ними состоит в том, что у сложных структур элементы имеют собственную структуру, а элементы элементарных структур не имеют собственной структуры. Можно записать Sс U Sэ = S, Sс ∩ Sэ = Ø. Следует учитывать, что такое деление является условным. Элементами подмножества Sс являются только структуры структур, функциональные структуры, геометрические структуры и т.д.

Г. Классификация структур по структурным признакам

В этом случае все структуры ЭА делятся по признаку направления действия связей. Разделение ведется на подмножество ориентированных Sо, неориентированных Sно и частично ориентированных Sчо структур, структур с обратными связями Sос и т.д. Причем Sо U Sно U Sчо = S, Sос S.

74

Например, функциональная структура – ориентированная, конструкция блока (механическая структура) – неориентированная структура.

Для изображения структур используются структурные схемы, которые представляют условные графические изображения элементов конструкции и связей между ними (рис. 3.10).

Использование структурных схем позволяет проводить исследование наиболее общих свойств структур конструкций с целью выявления их общих закономерностей. Например, определение степени и близости связи отдельных элементов и выявление необходимости принятия тех или иных конструктивных решений, обеспечивающих оптимальную организацию этой связи. Структурные схемы ЭА обычно анализируются с использованием теории графов.

Основными задачами структурного анализа являются:

определение числа путей между различными вершинами графа;

анализ состава этих путей;

определение максимальных и минимальных путей.

Рисунок 3.10.

При исследовании влияния различных воздействий на конструкции и при установлении причинно-следственных зависимостей между отдельны-

75

ми параметрами конструкций исследуемые элементы и параметры представляются вершинами графа, а воздействия и причинно-следственные зависимости – ребрами (дугами) графа.

3.2.8 Отношение между конструкцией и воздействиями [20]

Одна из задач конструирования ЭА состоит в ее защите от воздействий внешней среды в условиях эксплуатации. Все конструкции ЭА по отношению к воздействиям делятся на две группы:

замкнутые (защищенные);

открытые (незащищенные).

Это деление связано с характерным признаком конструкций: возможностью сохранения требуемых свойств при наличии внешних воздействий.

Замкнутая по отношению к данному воздействию zв конструкция – это конструкция, каждый параметр которой yi(zв) остается в области уста-

новленных для него допустимых значений {yi доп мин, yi доп макс} при изменении воздействия zв в некотором интервале {zв мин, zв макс}, т.е.

zв {zв мин, zв макс}∩ yi(zв) Y: yi(zв) {yi доп мин, yi доп макс},

где – квантор общности (символ математической логики), читаемый как «для всех», «любой» и т.п.); : – символ, читаемый как «выполнено, что».

Замкнутая по отношению к данному множеству воздействий Z конструкция – это конструкция, каждый параметр которой yi(Z) остается в об-

ласти установленных для него допустимых значений {yi доп мин, yi доп макс} при изменении каждого элемента zв множества воздействий Z в некоторых ин-

тервалах {zв мин, zв макс}, т.е.

zв Z ∩ zв {zв мин, zв макс}∩ yi(Z) Y: yi(Z) {yi доп мин, yi доп макс}.

Незамкнутая или открытая по отношению к данному воздействию zв или к данному множеству воздействий Z конструкция – это конструкция, в которой хотя бы один параметр yi(zв) или yi(Z) выходит за пределы обла-

сти установленных для него допустимых значений {yi доп мин, yi доп макс} при изменении воздействия zв или всех элементов zв множества воздействий Z

внекотором интервале {zв мин, zв макс}, т.е.

zв {zв мин, zв макс}∩ yi(zв) Y: yi(zв) {yi доп мин, yi доп макс}

и

zв Z∩ zв {zв мин, zв макс}∩ yi(Z) Y: yi(Z) {yi доп мин, yi доп макс},

где – символ математической логики – квантор существования,

читаемый как «существует» или «существует такой (ая,ое)». Важнейшими характеристиками качества конструкции с рассматри-

ваемой точки зрения являются: диапазон замыкания, область замыкания и степень замыкания.

76

Диапазон замыкания – границы и ширина dз интервала изменения воздействия, при которых конструкция остается замкнутой по этому воздействию (рис. 3.11).

Рисунок 3.11.

Область замыкания – координаты вершин, длины ребер и внутренняя часть D -мерного параллелепипеда, соответствующего множеству воздействий Z, ребра которого параллельны координатным осям -мерной прямоугольной системы координат z1, z2, …, z .

Следует иметь в виду, что все замкнутые конструкции переходят в открытые при непрерывном увеличении ширины диапазона замыкания или объема области замыкания. Обратное утверждение несправедливо: не все открытые конструкции при уменьшении dз или D переходят в закрытые.

Степень замыкания – – мощность множества воздействий Z zв , в 1, , при нахождении всех элементов zв которого в области за-

мыкания, конструкция является замкнутой по всем параметрам yi множества параметров Y.

Чем больше диапазон, область и степень замыкания, тем выше качество конструкции при прочих равных условиях.

Существует также понятие – мера замыкания – это показатель качества замыкания.

Впроцессе эксплуатации, например, при хранении, транспортировке

ит.п., для некоторых видов изделий допускается переход закрытых конструкций в открытые. Для других видов изделий такие переходы не допускаются. С такой точки зрения по отношению к воздействиям аппаратура бывает прочной и устойчивой.

Прочность – это способность аппаратуры восстанавливать свои параметры после окончания допустимых воздействий. Например, температуропрочность, вибропрочность и т.п. В этом случае конструкция на время воздействия переходит в открытую, что допустимо, т.к. аппаратура в это время не используется для выполнения своих задач.

Устойчивость – это способность аппаратуры сохранять свои параметры в пределах установленных значений в процессе допустимых воздействий, работать в условиях заданных воздействий. Например, температуроустойчивость, виброустойчивость и т.п. Следовательно, устойчивая ЭА

– это замкнутая конструкция.

3.3 Подсистема проектирования технологии

77

Технология (от греч. techne – искусство, ремесло, наука + logos – понятие, учение) – совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов.

Технолог обеспечивает технологический контроль проектируемой конструкции ЭА и разрабатывает технологический процесс изготовления с учетом стадии проектирования и заданного объема производства. Проводит проверку конструкторской документации на технологичность, обращая внимание на соответствие конструкции стадии проектирования и намечаемому объему производства, а также на применение прогрессивных методов формообразования конструкции.

Требования по технологичности изделия косвенно конкретизируются указаниями в техническом задании (ТЗ) на завод-изготовитель и могут еще более конкретизироваться записью прогрессивных технологических процессов, на которые следует ориентироваться при разработке среднего и максимально допустимого классов точности, разрешающей способности определенных технологических процессов будущего завода-изготовителя и других аналогичных требований.

Необходимо всегда иметь в виду следующее положение: если изделие сконструировано в соответствии с требованиями условий эксплуатации, то главным фактором, определяющим его надежность, является технология его изготовления, технологическая точность.

Цель подсистемы проектирования технологии состоит в переработке конструкторской документации в технологическую.

Проектирование технологии производства регламентируется Единой системой технологической подготовки производства (ЕСТПП), которая оптимизирует этот процесс. ЕСТПП содержит значительное количество ГОСТов. В основу системы заложены три положения: унификация и обеспечение технологичности конструкций изделий; разработка и применение прогрессивных типовых техпроцессов и средств технологического обеспечения; применение средств механизации и автоматизации производственных процессов.

Технологическая подготовка производства охватывает ряд задач и должна ответить на вопрос – как изготовить новое техническое изделие в условиях конкретного производства? Цель данного этапа – отработка конструкции на технологичность, разработка технологического процесса и технологического контроля процесса изготовления и сборки.

Виды работ по технологической подготовке производства:

управление технологической подготовкой производства;

проектирование технологических процессов;

проектирование технологической оснастки;

изготовление технологической оснастки;

разработка технологии контроля и устройств для его осуществления.

78

и др.

Сложность современных технологических процессов требует при их разработке применения системного подхода. Обращение к системному подходу вытекает не только из особенностей современного предприятия, но и диктуется актуальной проблемой ускорения производства изделий новой техники.

Главная цель системного подхода – оптимальное повышение эффективности работы системы в целом, что не обязательно означает оптимизацию деятельности всех без исключения ее элементов.

Для оптимизации производственных процессов существует три основных возможности:

изменение физического принципа процесса или отдельных его частей;

изменение технической реализации данного физического процесса;

непосредственное применение математических методов. Непосредственное применение математических методов при оптими-

зации процесса – это использование статистики в управлении процессом, использование корреляционного и регрессивного анализов, планирования эксперимента и т.д. Причем эти методы могут применяться как при планировании процесса, так и для текущего процесса.

Процесс подготовки производства разбивается на своего рода подсистемы: технологическое проектирование производства, разработка техпроцессов, составление технологической документации, проектирование и изготовление оснастки и т.д. В каждой подсистеме нужно найти оптимальный вариант составляющих ее элементов и образовать из них еще более мелкие подсистемы.

Технологический процесс представляет собой законченную часть производственного процесса, в результате выполнения которой достигается изменение физического состояния материала, формы, размеров, состояния или последовательное соединение составных частей (сборка) в соответствии с требованиями технической документации. Все многообразие процессов изготовления ЭА можно упрощенно подразделить на несколько больших групп:

заготовительные;

физико-химические;

сборочно-монтажные;

регулировочные;

контрольные.

Производственный процесс – совокупность действий, в результате которых поступающие на завод материалы и полуфабрикаты (заготовки) превращаются в готовые изделия.

Производственный процесс включает в себя не только основные процессы, непосредственно связанные с изготовлением деталей и сборкой,

79

но и все необходимые вспомогательные, например, подготовку производства, транспортирование, контроль и хранение материалов (полуфабрикатов); ремонт оборудования, изготовление технологической оснастки и др.

Различают два основных этапа технологического процесса: изготовление деталей и сборку.

Технологическое проектирование состоит в решении задач технологической подготовки производства – разработке принципиальной схемы технологического процесса, маршрутов, операций и переходов технологических процессов изготовления деталей, сборки и монтажа узлов, включая выбор (проектирование и изготовление) оснастки, инструмента, технологического оборудования и т.п.

Согласно ЕСТД – Единая Система Технологической Документации – устанавливаются стадии разработки технологической документации и этапы выполнения работ на изделия. Установлены следующие виды технологической документации:

карты: маршрутные, операционные, эскизов и схем;

технологическая инструкция;

ведомости оснастки.

Одним из основных положений ЕСТПП является требование отработки конструкции на технологичность. Основная задача отработки конструкции на технологичность заключается в повышении производительности труда при оптимальном снижении затрат труда, средств, материалов и времени на проектирование, подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт, обеспечение прочих заданных показателей качества изделия в принятых условиях его производства и эксплуатации. Поэтому разработку технологического процесса начинают с анализа конструкции с точки зрения технологии, по результатам которого в конструкцию вносят изменения, обусловленные спецификой и закономерностями производства.

Большое значение для объема технологической подготовки производства имеет степень конструктивной и технологической преемственности новой конструкции изделия.

Главные факторы, определяющие требования к технологичности изделия:

вид изделия (деталь, сборочная единица, комплекс);

тип производства (единичное, серийное, массовое);

объем выпуска.

Технологичность конструкции изделия рассматривается с двух позиций: производственная и эксплуатационная. Производственная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращении затрат времени и средств на конструкторскую подготовку производства, технологическую подготовку производства, процессы изготовления. Эксплуатационная