ТОПИН.Лекции, задания / ТОППиН_часть1 / глава 2_

34

Глава 2 ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА КАК СИСТЕМА

2.1 Обеспечение качества электронной аппаратуры (ЭА)

Обеспечение качества ЭА выполняется по следующей схеме

(рис. 2.1).

Электронная аппаратура (качество)

Достижение качества изделия зависит от качества системо- и схемотехнической разработки, конструирования, технологической подготовки производства, изготовления и техники контроля.

Проектирование ЭА должно выполняться на основе системного подхода (см. 1.11). Это значит, что сложный инженерный объект рассматривается с позиции его окружения прежде всего как целостная система, и что прежде, чем проектировать систему, необходимо изучить техническое задание (ТЗ), в котором задаются требования к системе, а также условия ее производства, и условия ее эксплуатации, определяющие воздействия на систему.

При проектировании ЭА осуществляется синтез параметров и синтез структур.

35

Синтез параметров состоит в оптимизации значений параметров системы при заданной ее структуре и заданных ограничениях. Система характеризуется совокупностью показателей качества К1, К2, …, Кm, зависящих от

параметров х j , j 1, n системы

К1 = F1(x1, x2, …, xn),

- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Кi = Fi (x1, x2, …, xn),

- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Кm = Fm (x1, x2, …, xn),

где Fi – целевые функции. Варьированием параметров системы хj стремятся обеспечить оптимальную совокупность значений показателей качества Кi.

Синтез структуры состоит в разработке оптимальной системы при произвольных (в пределах заданных ограничений) вариациях, как значений параметров системы, так и ее структуры.

2.2 Требования к ЭА

Как система ЭА имеет множество связей с внешней средой на различных этапах своего «жизненного цикла»:

на этапе проектирования, на этапе производства,

на этапе эксплуатации (подробнее см. 3.1).

Назначение (цель) и внешние связи ЭА на этих этапах определяют

множество требований к ней. Вектор требований

H h1, h2 , ..., hn hj , j 1,n,

где n – количество требований.

Элементами hj этого множества являются отдельные качественные и количественные требования, предъявляемые к ЭА: производительность, помехоустройчивость, точность, живучесть, надежность, осуществимость решения задачи, технологичность, технико-экономическая эффективность, удобство обслуживания, удобство управления и т.п.

Накопление этого множества требований можно представить в виде схемы процесса накопления требований на проектирование новых изделий

(рис. 2.2) [19].

Ранее (1.8) были установлены параметры, характеризующие систему и воздействия на нее:

– внешние или выходные параметры

Y y1, y2 , ..., ym yi , i 1,m;

– параметры необходимых и возмущающих воздействий

D d1, d2 , ..., dn dr , r 1,n,

Z z1, z2 , ..., zs z p , p 1, s;

Рисунок 2.2.

Кроме внешних воздействий

Qв неш Q D, Z, U

на работу ЭА оказывают влияние внутренние воздействия Qв н , которые

имеют место в процессе производства, хранения, эксплуатации и т.п. В совокупности внутренние и внешние воздействия образуют множество воздействий

В частном случае, в зависимости от смысла выходного параметра, устанавливается соответствие между требованием и выходным параметром, требованием и воздействием (условия работоспособности):

37

Следует помнить, что на параметр yi и воздействие qв накладываются ограничения.

Целевая функция определяется элементами hj:

F(H ) F h1, h2 , ...,hn .

Рассмотрим основные особенности множества Н с целью определения влияния различных требований hj H к ЭА [20].

Множество Н по признакам влияния его отдельных элементов (требований) на обеспечение целевой функции может быть разделена на два непересекающихся подмножества:

–подмножество основных требований Но Н и

–подмножество дополнительных требований Нд Н.

Причем: Но U Нд =Н и Но ∩ Нд = Ø.

Элементами hjо подмножества основных требований Но являются отдельные технические качественные и количественные требования, определяющие основную целевую функцию разрабатываемой ЭА, например, быстродействие, параметры сигнала и т.п.

Подмножество Нд может быть разделено на три непересекающихся подмножества:

подмножество эксплуатационных требований Нд э;

подмножество конструктивно-технологических требований Нд кт;

подмножество экономических требований Н д с.

Причем Нд э U Нд кт U Ндс = Нд ,

Нд э ∩ Нд кт = Нд э ∩ Нд с = Нд кт ∩ Нд с = Ø.

Элементами hд э подмножества Нд э являются отдельные эксплуатационные требования: надежность (в т.ч. ремонтопригодность, устойчивость к старению и т.д.), простота управления и обслуживания, защита от воздействий внешней среды, масса, габариты и т.п. Эти требования обусловлены средой, в которой аппаратура работает, в том числе объектом, на котором она устанавливается, а также человеком – оператором.

Элементами hд кт подмножества Нд кт являются такие требования: конструктивная преемственность на основе стандартизации, унификации и нормализации; технологичность и т.п. Эти требования обусловлены спецификой производства ЭА.

Под конструктивной преемственностью понимается целесообразность использования в новых конструкциях выпускающихся или выпускавшихся ранее изделий. Это понятие может относиться и к крупным частям аппаратуры и к ее более мелким частям.

Наибольший экономический эффект можно получить, если одинаковые или различные по своему назначению аппараты являются производными одной конструкции, выбранной за основу. Эффект получается за счет сокращения затрат при большой номенклатуре изделий. Только при замене устаревшей конструкции принципиально новой можно идти на

38

полное обновление конструкции и всей материальной оснастки технологических процессов изготовления.

Унификация – есть процесс уменьшения многообразия конструкций, предназначенных для выполнения одних и тех же или близких по своему характеру функций. Она является первой ступенью преемственности.

Унификация дает возможность существенно уменьшить время и материальные и денежные затраты. Унификации могут подвергаться все структурные части конструкции аппаратуры (от детали до блока) и материалы. Однако унификация может охватывать конструкции только данного аппарата или небольшой группы одинаковых или близких по назначению.

Нормализация – это ограничения разнообразия конструкций, предписываемые конструктору данного предприятия или отрасли промышленности. Она является более высокой ступенью преемственности конструкции, чем унификация.

Требования нормализации при разработке аппаратуры состоит в применении уже разработанных (освоенных) деталей, узлов, блоков, а также ограниченной номенклатуры (для данного предприятия или отрасли) материалов, полуфабрикатов и типовых изделий. Как правило, нормализованы крепежные детали, провода, кабели, установочные детали, типовые изделия и т.п. Блоки труднее поддаются нормализации.

Стандартизация – есть метод ограничения разнообразия и регламентированное единство показателей продукции, классификации, терминологии, требований, методов испытаний, требований к упаковке, транспортировке и т.п. Выполнение требований стандартов и их использование в разработках является обязательным.

Только при переходе на принципиально новые методы конструирования и технологию производства аппаратуры могут не использоваться уже известные конструкции.

Технологичность конструкции характеризуется экономичным производством заданного количества изделий в установленное время при выполнении требований эксплуатации. Как правило наиболее технологичные конструкции являются и наиболее экономичными.

Количественная оценка технологичности определяется материальными и денежными затратами и временем, необходимым для освоения и выпуска изделия.

Технологичность конструкции связана с рациональным выбором ее конструктивной структуры. Она должна предусматривать возможность автономного изготовления ее частей (узлов, блоков и т.п.). При этом узлы должны быть взаимозаменяемыми по всем параметрам.

Конструкция должна разрабатываться под технологический процесс данного предприятия с учетом его возможностей в смысле точности изготовления.

39

Наиболее технологичными конструкциями считаются такие, в которых предусматривается минимальная номенклатура типовых изделий, полуфабрикатов и материалов и для которых нет необходимости в использовании специально отбираемых типовых изделий и в дополнительных операциях по переделке или обработке типовых и других изделий.

Элементами hд с подмножества Нд с являются отдельные требования, обусловленные экономикой: затраты труда, времени, материальных и денежных средств на проектирование, производство и эксплуатацию ЭА.

Экономически целесообразная аппаратура – это хорошо разработанная аппаратура, оптимальная для заданных условий ее производства и эксплуатации.

Связь между всеми требованиями можно представить следующей схемой (рис. 2.3).

Приведенные требования предъявляются, начиная с выбора материалов для конструкции и кончая самой конструкцией. Поэтому конструкто- ру-технологу необходимо хорошо знать и понимать содержание всех трех групп требований, предъявляемых к разрабатываемой системе.

Рисунок 2.3.

Выполнение всех требований обеспечивается по схеме, приведенной на рис. 2.4.

2.3. Конструкция ЭА

Дадим определение конструкции, сформулированное В.Б. Пестряковым [21]: «Конструкция есть совокупность деталей (или тел) с разными физическими свойствами и формами, находящихся в определенной электрической (в соответствии с электрической принципиальной схемой) пространственной, механической, тепловой, магнитной и энергетической взаимосвязи, обеспечивающая выполнение заданных функций с необходимой точностью и надежностью в условиях внешних воздействий и предусматривающая возможность ее повторения в условиях производства».

Термин «конструкция» произошел от латинского constructio, что означает строение, устройство, построение, план, взаимное расположение частей (сооружения, машины, проекта и т.п.).

40

Рисунок 2.4.

Конструкция характеризуется параметрами (масса, габариты, тепловой режим, удобство использования и ремонта, трудоемкость изготовления и т.п.).

Рассмотрение конструкций ЭА с точки зрения их внутреннего единства позволяет выявить ряд общих особенностей. Конструкции ЭА однозначно определяются заданием входящих в них элементов, в том числе конструктивных, и связями между этими элементами, а также связями с объектом, окружающей средой, операторами и производством (последнее в виде комплекса операций по изготовлению аппаратуры, определяющих все связи между ее элементами).

Элементы и связи между ними определяют множество свойств К конструкции (качество), оцениваемых качественными свойствами – подмножество КS и показателями – подмножество КY. Подмножество КS кон-

41

струкции отображается структурами, определяемыми элементами и связями между ними. Структуры образуют множество структур S. Подмножество КY конструкции определяется множеством параметров Y.

Причем KS U KY = S U Y = K (рис. 2.5).

Связи конструкций ЭА с объектом, окружающей средой, оператором и производством определяются множеством воздействий Q.

Рисунок 2.5.

Введем обозначения:

Sl – l-я структура (l 1, p), Sl S, yi – i-й параметр (i 1,m), yi Y ,

qb – b-е воздействие (b 1, ), qb Q, hj – j-е требование ( j 1, n), hj H ,

где p – количество возможных структур конструкций.

Каждая конструкция ЭА должна обеспечивать выполнение предъявляемых к ней требований Н в условиях множества воздействий Q. То есть требования и воздействия определяют параметры и структуру ЭА. Поэтому с инженерной точки зрения очевидно существование жесткодетерминированной (функциональной) или стохастической зависимости между ее структурой и отдельными параметрами с множеством воздействий и множеством требований

yi 1i q1, q2 ,...,q ; h1,h2 , .., hn 1i (Q, H ), sl 2l q1, q2 ,...,q ; h1,h2 , .., hn 2l (Q, H ).

Следовательно,

K =KS U KY = S U Y = φ(Q, H).

2.4. Иерархическая структура конструкции ЭА

Использование метода декомпозиции цели при проектировании ЭА: построение дерева целей и обеспечение каждой цели ресурсами обеспечило функциональную иерархическую структуру ЭА. В соответствии с такой структурой конструкция ЭА имеет, как правило, также иерархическую структуру (рис. 2.6.).

42

Рисунок 2.6.

Иерархическая структурная модель конструкции ЭА, заданная делением всей конструкции на элементы (блоки, субблоки и т.д.) разных рангов, обеспечивает удобство проектирования, производства и эксплуатации и является необходимым условием для применения машинных методов проектирования. При такой конструкции удается унифицировать схемноконструкторские решения, вести параллельное проектирование отдельных частей аппаратуры, организовать ее производство по независимым технологическим циклам, обеспечить надежность аппаратуры и удобство ее обслуживания в эксплуатации.

2.5. Воздействия на конструкции ЭА

Классификация воздействий (факторов) на ЭА может быть представлена в следующем виде (рис. 2.7).

По различным определяющим признакам множество воздействий Q может быть разделено на ряд непересекающихся подмножеств.

Ктаким признакам относятся:

тип воздействия (необходимые и посторонние);

род воздействия (производственные, объекта, окружающей среды, оператора);

вид воздействия (электрические, тепловые, магнитные, электромагнитные, механические и др.);

характер воздействия (жесткодетерминированные и случайные).

Рисунок 2.7.

Рассмотрим характеристики перечисленных воздействий. Деление на подмножества по типу воздействий:

Необходимые воздействия – подмножество QH – они обусловлены целями и задачами ЭА: внутренним взаимодействием отдельных частей аппаратуры, а также ее взаимодействием с входными сигналами;

Посторонние воздействия – подмножество QП – они не обусловлены непосредственно целями и задачами ЭА, а могут быть обусловлены внешними и внутренними причинами.

Причем: QH U QП = Q, QH ∩ QП = Ø.

Деление на подмножества по роду воздействий:

Производственные воздействия – подмножество Qпр – они обусловлены технологическими процессами изготовления аппаратуры. Это различного рода отклонения: от техпроцесса, от норм параметров материалов, от требуемого качества технологического оборудования и пр.;