Конструирование приборов. Основные понятия.

Конструкция – материальная, целесообразно организованная пространственная структура, обладающая следующими свойствами:

• способность выполнять необходимые функции;

• способность к сохранению функционирования при наличии внешних воздействий;

• пригодность к воспроизведению, то есть к производству.

Конструкция прибора – пространственно организованная совокупность элементов с разными электрофизическими, механическими и другими свойствами, между которыми существуют связи, создаваемые в соответствии с принципами функционирования.

Функционирование (принцип действия) прибора – операции, происходящие в приборе, нужные для передачи, извлечения и обработки информации.

Информация – совокупность сведений или сообщений о состоянии объекта, а также об изменении этого состояния. Носителем информации является сигнал. Это физический процесс, в котором отображено то или иное сообщение.

Электроника – область науки и техники, изучающая электронные и ионные процессы в вакууме, твёрдых телах, жидкостях и газах внутри или на поверхности с целью создания электронных приборов и устройств, используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Радиоэлектронные средства (РЭС) – изделия или составные части, в основу которых положены принципы радиотехники, электроники и радиоэлектроники.

Конструирование – процесс создания новых конструкций, результатом которого является комплект конструкторской документации для промышленного изготовления.

Сущность процесса конструирования.

Результатом процесса создания новых конструкций является комплект конструкторской документации.

Конструкторская документация (КД) – совокупность конструкторских документов, содержащих, в зависимости от их назначения, данные, необходимые для разработки, изготовления, контроля, приемки, поставки, эксплуатации, ремонта.

Конструирование как инженерная деятельность – это процесс поиска, нахождения и отражения конструкторской документации, формы, размеров и состава изделий, входящих в него деталей и узлов, использование материалов, комплектующих, взаимного расположения частей и связи между ними, указания по технологии изготовления с целью обеспечить производство изделий с заданными свойствами при наименьшей трудоемкости.

Задачей конструирования является подготовка производства промышленных изделий с учетом результатов научно исследовательских работ. На этапе опытно конструкторских работ имеются широкие возможности для укрепления и значительного расширения материально технической базы народного хозяйства. Требования к технико-экономическим показателям, качеству изготовления и выполнения изделием своих функций постоянно повышаются. Возрастающий объем научно исследовательских работ требует значительного увеличения производительности конструкторских отделов предприятий по их реализации при сокращении сроков разработки и затрат на нее. Отсюда вытекает необходимость дальнейшей рационализации конструкторских работ, ускорения и повышения надежности необходимой информации. Одновременно повышаются требования к конструкторам. В особой мере это относится к приборостроению, которое быстро развивается под влиянием микроэлектроники.

Технические изделия призваны вносить все более эффективный вклад в повышение производительности труда и увеличение национального продукта. В решении этой задачи первостепенную роль играет приборо­строение, так как приборы используются как в области материального производства и его подготовки (т. е. на этапах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ), так и в таких областях, как транспорт, охрана труда, народное образование и др. Нельзя представить себе человеческую деятельность без приборов.

Классическая область использования точных приборов (получение научно-технических данных с помощью соответствующих методов измерения) особенно расширилась к началу второй половины XX века. Новым стимулом к развитию приборостроения стало повышение требований к качеству информации и к освобождению человека от выполнения повторяющихся работ. Общественная потребность в информации удовлетворя­ется с помощью различных средств, обеспечивающих получение, хране­ние, передачу и преобразование информации. Произошел переход от классического измерительного прибора к системе обработки информации. Боль­шинство приборов можно рассматривать как такую систему в отличие от машин, для которых определяющими являются преобразование энергии и материалов.

Исторически первой задачей, выдвинувшей новые требования к прибо­ростроению и обусловившей широкие перспективы его развития, явилась необходимость управления физическими процессами и контроля за их выполнением, т. е. задача автоматизации. Освобождение человека от повторяющихся работ в области исследований, разработки и конструи­рования, а также организации и руководства стало задачей приборострое­ния еще во времена появления логарифмической линейки, механических счетных машин, пишущих машин и чертежных приборов. При конструировании изделий компьютерные технологии позволяют решать разнообразные задачи, такие как автоматизированная подготовка документации, технические рас­четы, моделирование технических систем и другие, вплоть до автоматизи­рованного синтеза технических решений. Однако речь идет о неполной автоматизации процесса конструирования, так как за конструктором остается решение творческих задач.

Электроника внедряется в новые области приборостроения, включая и традиционно неэлектронные; например, появились электронные часы. Сохраняют свое значение и решения, в которых не используются электронные узлы, в частности механические. Использование механических узлов ка­сается в первую очередь “периферии” прибора, т. е., во-первых, узлов, непо­средственно обслуживаемых человеком, и, во-вторых, устройств сопряжения, используемых для сбора данных изме­рений и выдачи заданных параметров, необходимых для работы средств авто­матизации. В первых из этих узлов должны быть учтены сенсорные и моторные способности человека для механического ввода команд (с помощью рычагов, клавиатуры и т д ) и восприятия выводимой информации в виде механических, оптических и акустических сигналов. Сбор данных измерений и вывод заданных парамет­ров в средствах автоматизации требуют наличия преобразователей сигналов и энергии. Благодаря этому именно приборостроение способствовало разви­тию электромеханических, электромагнитных и других элементов.

Вследствие необходимости согласования свойств электронных узлов и устройств сопряжения постоянно растут требования к неэлектронным специальным механическим узлам. Эти требования касаются увеличения производительности, расширения диапазона изменения мощности, еще боль­шей миниатюризации, повышения точности, надежности, срока службы, меж­ремонтных интервалов и обеспечения охраны окружающей среды (особенно в отношении уровня шума). Анализы показывают, что доля механических элементов в изделиях приборостроения в настоящее время в 1,5 раза превы­шает долю электронных; предполагается, что в последующие два десятилетия это соотношение останется примерно таким же. Поэтому в области конструирования приборов основными направлениями дальнейшего прогрес­са являются поиск новых механических конструкций и использование достижений микроэлектроники для разработки более совершенных конструк­ций. Постоянно существует потребность в разработке новых принципов работы, отвечающих возможностям все более широко унифицируемых микроэлектронных узлов, позволяющих реализовать преимущества одновре­менно микроэлектроники, механики и электромеханики в одном изделии. Внедрение новых поколений приборов осуществляется возрастающими темпами, для образцов ЭВМ срок замены составляет примерно 3 г. Вследствие широкого круга дисциплин, оказывающих влияние на возможность реализации приборов различных типов, сотруд­ничество специалистов различного профиля является определяющим факто­ром в сокращении времени такой реализации. Это должно позволить с самого начала разработки исследовать наиболее перспективные варианты общего решения изделия, его электромеханических, механических и оптических узлов, оптимальной технологии их изготовления, а также наиболее рацио­нального использования изделия.

Появление новых задач и областей применения приборов обязательно влечет за собой изменение требований к их потребительским свойствам.

Ниже приведены основные требования, определяющие направление дальнейшего развития приборостроения.

Производительность измерительного прибора, электронного устройства обработки данных или устройства числового управления станком становится все более важным фактором. Особенно четко эта тенденция проявляется в отношении приборов, которые уже сегодня становятся средствами измерения рабочих параметров, управления и регулирования. Произ­водительность приборов следует измерять в виде количественного параметра, характеризующего скорости выполнения отдельных операций или обработки. Однако необходимы и качественные оценки универсальности, возможности решения новых задач, точности и надежности приборов. Требование повышения производительности, в конечном счете, ведет к автоматизации выполнения задач за счет использования в приборах микропроцессоров и микроЭВМ (расширением области применения приборов для автоматизации раз личных процессов возрастают и требования к надежности и точности выполнения ими своих функций. С увеличением сложности техниче­ских систем требования к надежности отдельных приборов возрастают, поскольку для обеспечения требуемой надежности системы, надежность ее элементов должна быть значительно выше. Все более глубокое проникно­вение в микромир, повышение скорости обработки информации и взаимоза­висимости приборов в автоматизированных системах также обусловливают необходимость повышения точности приборов

Из экономических критериев следует выделить экономию материалов и энергии. Вкладом приборостроения в решение задачи экономии материалов в других областях могут быть, например, замена механических систем, требующих большого расхода материалов, решающими те же задачи системами на базе микроэлектроники, снижение расхода дорогостоящих материалов (например, меди для проводников за счет применения оптоволоконных кабелей и беспроводных способов связи), широкая микроминиатюризация и, следовательно, экономия материалов за счет использования микроэлектронных схем. В самих приборах экономия материалов достигает­ся последовательным облегчением конструкций, применением новых принци­пов работы, заменой дорогостоящих материалов более дешевыми, а также при­менением технологий, обеспечивающих снижение расхода материалов.

Экономия энергии является важной задачей. Она может быть эффективно решена путем оптимизации расхода энергии на производстве, транспорте и в других отраслях с помощью современных приборов. Требование экономии энергии касается, конечно, и самих прибо­ров, даже если их энергетический КПД и не является решающим крите­рием качества прибора по сравнению, например, с качеством обработки информации. Необходимо учитывать энергию, потребляемую прибором, и не допускать появления приборов со слишком малым энергетическим КПД. Необходим поиск выгодных с энергетической точки зрения принципов дей­ствия, например переход от дискретных радиотехнических элементов к интегральным микросхемам позволил снизить расход энергии на 1—2 по­рядка.

Широкое внедрение приборов во все области жизни, с одной стороны, и повышение требований к условиям жизни и труда, с другой, во все большей степени поднимают значение технической эстетики. Необходимо рас­сматривать эстетические, эргономические и рабочие свойства прибора с точки зрения потребителя с учетом существующих и перспективных условий эксплуатации. Все это определяет такие важные потребительские свойства прибора, как рабочие характеристики, износостойкость, надежность, удоб­ство обслуживания, экономию времени при эксплуатации, эстетику формы. Повышенные требования к эстетическому виду прибора обусловлены расши­рением связей между ним и человеком и, следовательно, появлением ка­чественно и количественно новых физических и психологических нагрузок, обусловленных этими связями.

Унификация, типизация и стандартизация деталей, узлов и приборов не только выгодны изготовителю благодаря возможности увеличения про­изводства повторно применяемых изделий и автоматизации технологических процессов, но и обеспечивают более гибкое использование прибора, облегчение его обслуживания и ремонта. Разрабатываются типовые детали, узлы и приборы, вплоть до крупных систем, построенные по модульному принципу. Значительную роль в ускорении этого процесса играет микроэлектроника, которая благодаря возможности простого пере­программирования позволяет изменять функции прибора и осуществлять переход от узкоспециализированных приборов к универсальным.

На заре приборостроения приборы эксплуатировались в четко ограни­ченных некритических лабораторных условиях. Сегодня условия окружаю­щей среды исключительно разнообразны и включают экстремальные условия, в которых не работают никакие другие изделия. Современные приборы используются в жилых помещениях, лабораториях, производственных цехах, в строительных и сельскохозяйственных машинах, на автомобилях, самолетах и судах, в ракетах и космических аппаратах, под землей и на открытом воздухе в самых различных климатических условиях. Они испытывают дополнительные нагрузки при транспортировании, эксплуатации, обслуживания.

Современный уровень развития средств автоматизации, определяемый совершенством используемых приборов, характеризуется все более широким применением микропроцессоров. Внутренняя структура микропроцессоров (так называемая шинная структура) обеспечивает возможность простого обмена информацией со многими периферийными устройствами. Микропроцессорная система чрезвычайно универсальна и может быть использована для автоматизации любых процессов, связанных с обработкой материалов, преобразованием энергии или информации (рис. 1.1).

Одновременно с автоматизацией процесса микроэлектроника позволяет автоматизировать также работу самого прибора. Это открывает перспективы для оптимизации работы приборов и выполнения ими дополнительных функций, повышающих их потребительские свойства, а также для создания приборов, оснащенных средствами обнаружения, диагностики и устранения неисправностей.

Получение научно технических данных соответствует традиционной задаче измерения физических величин. Сегодня приборы используются во всех областях человеческой деятельности. В обрабатывающей промышленности, например, около 15 % живого труда затрачивается на измерения, в электронной промышленности эта доля составляет 60 % и имеет тенденцию к росту. Иногда очень сложные и большие по объему задачи измерений, преобразования, обработки и подготовки данных могут быть решены только с помощью электронных средств обработки данных. При этом зачастую невозможно обойтись без автоматических измерительных систем, представляющих собой цепочку из нескольких изме­рительных приборов, автономно осуществляющих сбор, уплотнение, преоб­разование, обработку и подготовку данных измерений. Новые задачи прибо­ростроения возникают в результате все более глубокого изучения микро- и макроструктур, которое без приборов просто невозможно.

Области применения определяют типы приборов. В приборах используются достижения практически всех разделов физики, однако основными являются электротехника, электроника, оптика и механика, которые можно рассматривать как техническую базу приборостроения.