Введение

Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры переживает этап качественного обновления, вызванный широким использованием в конструкциях больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Качественный скачок в проектировании и конструировании связан с появлением микропроцессоров и функциональных преобразователей, позволяющих создавать устройства с прак­тически неограниченными логическими и вычислительными возможностями. С появлением программируемой логики в виде микропроцессоров и их комплектов наметился новый подход к вопросам конструирования, основывающийся на системном представлении процесса разработки. Системные аспекты при конструировании стали проявляться особенно ярко при обращении к системам автоматизации проектирования, оснащенным мощными техническими средствами в виде автоматизированных рабочих мест (АРМ).

Конструирование электронной аппаратуры при развитом состоянии вычислительной техники приобретает новые формы и новое содержание. Оно становится автоматизированным и даже автоматическим. Выходной конструкторский документ — привычный чертеж заменяется документом, записанным на машинном носителе в виде программы работы чертежного или технологического автомата.

Изменяющиеся формы и содержание конструкторских работ требуют корректировки профессиональной подготовки специалистов, в первую очередь усиления математической подготовки особенно в области формирования математических моделей и алгоритмизации задач.

Известно, что автоматизация проектирования базируется на решении формализованных задач, поэтому конструктор должен обладать достаточным арсеналом математических знаний. Если до недавнего времени, т. е. до широкого применения вычислительной техники в задачах конструкторского проектирования, математическая форма описания в основном использовалась для доказательств, для решения отдельных задач или для краткой записи в символьной форме явлений и процессов,то теперь она приобретает новый смысл. Она становится основой машинного синтеза и оптимизации.

Современное состояние использования математических методов в конструировании сдерживает широкое применение систем автоматизации проектирования. Это объясняется недостаточной математической подготовленностью инженерного состава, а также наличием ряда проблем, таких как ограниченность наших представлений о процессах абстрактного формирования образов, разрабатываемых конструкций; ограниченность наших знаний о возможностях и методах создания адекватных математических моделей сложных систем, которые описывают звенья конструкции, процессы, происходящие в ней, всю совокупность механических, электрических и других связей, устойчиво сохраняющих функциональное назначение объекта и его особенности при наличии различных факторов; ограниченность наших возможностей математического плана, связанную со сложностью решения многокритериальных задач с учетом многообразия факторов и неопределенностей.

Учитывая изложенные проблемы и опираясь на опыт работы проектно-конструкторских организаций, можно составить картину использования формальных методов решения задач конструкторского проектирования: на стадиях технического предложения и эскизного проектирования при поисковом конструировании, ил стадиях технического проектирования и разработки рабочей документации (частично).

При разработке и оптимизации конструкций лишь модули первого и частично второго уровней охвачены автоматизацией. Это еще paз подтверждает существование названных ранее проблем.

С изменением технической базы конструкторского проектирования возникла необходимость в пересмотре некоторых взглядов на математическую вооруженность инженера. Для освоения новых способов и форм проектирования требуются новые знания об использовании технических средств проектирования и о подготовке задач проектирования. Очевидно, последнее является основным в успешном использовании систем автоматизации проектирования.

Не случайно появился ряд работ, посвященных математическим методам и операциям в управлении производством [1,3], в решении экономических задач [2,5] и т.д. Использование теории исследования операций в конструкторской практике обещает быть полезным, особенно в области синтеза и оптимизации.

Введем некоторые понятия, прежде всего из теории исследования операций. Операцией будем называть управляемое мероприятие, направленное на решение определенной задачи и объединенное общим замыслом. Считаем, что отыскивается оптимальное решение.

Основным методологическим принципом теории исследований операций является системное представление явлений и системный подход к решению поставленной задачи. Исследование операций включает в себя постановку задачи, формирование математической модели, выбор и определение методов ее решения, собственное решение задачи и практическую проверку результатов решения.

Автор выражает благодарность профессору О. Н. Фоменко, доцентам Г. А. Калинину и Б. Н. Бальзамову за ценные советы, высказанные ими при чтении рукописи, а также рецензенту кандидату технических наук В. Ф. Лескину, чьи замечания способствовали повышению качества книги.

ЛЕКЦИЯ № 1

Общие сведения из теории конструирования

1.1. Система требований, предъявляемых к конструкции

Конструкция электронной аппаратуры представляет собой комплекс конструктивных модулей, объединенных механическими, электрическими и иными связя­ми и выполняющих заданные функции в соответствии с целе­вым назначением.

Конструкция имеет многоуровневую иерархическую структуру. Существует несколько разновидностей конструктивных структур, различающихся описанием принадлежности конст­руктивных модулей к тому или иному уровню (порядку). Наи­более распространено описание структуры с нулевым уровнем, к которому относят электрорадиоэлементы, микросхемы, БИС и другие покупные изделия, имеющие неделимые основания. Первый уровень образуют микросборники, микромодули и дру­гие объемные модули. Второй уровень - сборочные единицы в виде ячеек, обычно собранные на (5 иных плат. К треть­ему уровню относятся блоки и конструктивно законченные сбо­рочные единицы. Четвертый уровень составляет собственно

аппаратура, т. е. функционально и конструктивно законченное изделие.

С 1 июля 1982 г. введен ГОСТ 20504-81 «Системы унифицированных типовых конструкций агрегатных комплексов ГСП». Этот стандарт распространяется на изделия системы унифи­цированных типовых конструкций (УТК-20), применяемых на предприятиях Министерства приборостроения, средств автома­тизации и систем управления. В стандарте за нулевой порядок принимают монтажные выдвижные платы. К первому порядку относят частичные каркасы, предназначенные для размещении, объединения и подсоединения изделий к внешним цепям. Вто­рой уровень составляют блочные, приборные и другие каркасы, объединяющие модули младших порядков. Третий уровень об­разуют кожухи, шкафы, стойки, тумбы и другие конструктивно законченные изделия.

При составлении конструкторской документации конструк­ции (изделия) классифицируют по следующим видам; детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты (рис. 1.1). Деталью называют изделие, изготовленное из одного материала без применения сборочных операций (плата, стержень и т. д.). Сборочные единицы включают в себя составные части, соединенные между собой при изготовлении, т. е. при сборочных операциях (микросборка, субблок и т. д.).

Рис 1.1 Конструктивная структура электронной аппаратуры

К комплексам относят изделия, предназначенные для вы­полнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. Это детали или сборочные еди­ницы, которые не соедине­ны на заводе-изготовителе, а предназначены для уста­новки или монтажа по мес­ту эксплуатации изделия.

Комплектами называют изделия, не соединенные на предприятии-изготовите­ле сборочными операциями. Они имеют вспомогательное, но общее эксплуатационное назначение, например, комп­лект запасного имущества прибора (ЗИП), комплект инструмента и т. д.

В процессе эксплуатации аппаратура подвергается влиянию различных внешних и внутренних воздействий (факторов), поэтому она должна обладать достаточной защищенностью. На защищенность придается аппаратуре на всех стадиях ее разработки и производства.

Для выполнения аппаратурой своего целевого назначения в заданных условиях эксплуатации к ней предъявляются тpe6oвания, которые определяются заданием на разработку. Основные из них—тактико-технические, включая эксплуатационные; конструктивно-технологические; надежности и точности; защищенности от климатических воздействий; помехозащищенности, эргономические; требования безопасности; экономические.

Тактико-технические требования. Выдвигаются в зависимости от целевого назначения изделия. Они могут быть предъявлены к изделию в целом и к его составным частям. Для электронной вычислительной аппаратуры к ним относят:объем памяти, быстродействие, разрядность ЭВМ; для радиоаппаратуры чувствительность, диапазон частот; для специализированной ванной бортовой аппаратуры — масса, габаритные размеры и т д. В тактико-технические требования включаются эксплуата­ционные требования, связанные с цикличностью эксплуатации, с ремонтом, с особенностями окружающей среды, с образова­тельным цензом обслуживающего персонала, его моральной и физической подготовкой.

Конструктивно-технологические требования предусматривают выполнение заданных габаритно-массовых показателей, плотности компоновки монтажа, ремонтопригодности, обеспечение стыковки с другими изделиями комплекса, стандартизацию, взаимозаменяемость, использование автоматизации и механизации, а также ориентацию на новейший элементный базис. Одним из основных способов обеспечения заданных конструктивно-технологических требований является стандартизация. В соответствии с принятым международной организации по стандартам (ИСО) «стандартизация – это процесс установления и применения правил с целью упорядочения деятельности в данной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон для достижения всеобщей оптимальной экономии с соблюдением функциональных условий и требовании безопасности. Она определяет не только основу современного развития, но также и будущего, и она должна неразрывно идти с прогрессом»

В настоящее время действуют следующие стандарты:

предприятий (СП),

республиканские (СР),

отраслевые (ОСТ),

государственные (ГОСТ)

и международные (ИСО),

Использование стандартов обеспечивает определенный уровень качества, так как стандартные изделия многократно апапробированы и безотказны для назначенных условий эксплуатации. Автоматизация конструирования существенно помогает выполнить конструктивно-технологические требования путем исключения индивидуальных ошибок исполнителей при повышении производительности труда.

Требования надежности и прочности. Предусматривают выполнение конструкции с заданными показателями надежности, механической прочности кой прочности и, в частности, необходимого сопротивления изоляции токоведущнх шин, прочности крепления деталей и узлов, отсутствия резонансных явлений, обеспечение амортизации и конструкционного демпфирования. минирование в заданных условиях эксплуатации. В соответствии с ГОСТ 21322—75 изделия, и электронная аппаратура в частности, классифицированы по условиям эксплуатации при механических воздействиях (табл. 1.1).

Для обеспечения электрической прочности необходимо, что­бы сопротивление изоляции аппаратуры было не менее 20 Мом при рабочем напряжении до 500 В и не менее 100 МОм при рабочих напряжениях до 1000 В.

Таблица 1.1

Группа испол-нения	Условия эксплуатации	Вибрационные нагрузки		Ударные нагрузки
		частота, Гц	ускорение. ед	ускорение g. ед	длительность импульсов, с
М1	В стационарной аппаратуре и приборах, устанавливаемых на неподвижных объектах, а также в аппаратуре и приборах, не имеющих приспособлений для пере­носки и требующих специальных мер за­щиты при перевозке	1—35	0,5	15	2-15
М2	В полусташтн чрной аппаратур» и приборах, не работающих ня ходу и пред-назначении* для кратковременной пере­носки людьми и перевозки	1—60	1	15	2—15
М3	В аппаратуре и приборах, работающих на ходу на промышленных передвижных машинах, на неподвижном технологическом оборудовании	1—60	2	15	2-15
М4	Вносимой аппаратуре, работающей на ходу, и аппаратуре, устанавливаемой на пассажирском автомобильном транспорте, на железно.: железнодорожном и водном транспорте с частотой ращения гребного вала не более 1200 о6/мин	1—80	5	15	2—15
М5	В работающей на ходу аппаратуре, устанавливаемой на гусеничных машинах и на скоростных судах с частотой вращения гребни, винта более 1200 об/мин	1—200	5	40	2—10
М6	В аппаратуре, устанавливаемой на объектах . имеющих мощные источники вибрации. и для общего применения в промышленности при условии, что существует мая вибрация на частотах выше 200 Гк	1—600	10	40	2-10

Электрическая прочность изоляции между разобщенными электрическими цепями должна выдерживать напряжение не менее 500В без пробоев.

Требования защищенности от климатических воздействий. Предусматривают защищенность аппаратуры от температурных воздействий, от влаги, от изменения давления и радиации. Нормальными климатическими условиями эксплуатации приняты температура окружающей среды 25°С±10%, атмосферное давление 1013 Па ±5%, относительная влажность 45—80%.

В зависимости от условий эксплуатации изделия делят на три категории: изделия для эксплуатации в зонах с холодным и умеренным климатом, с тропическим климатом, с любым климатом на суше и на море. Для перечисленных категорий изделий в ГОСТ 16962—71 изложены требования для верхних и нижних диапазонов температур и влажности.

Требования помехозащищенности. Предусматривают выполнение безотказной работы аппаратуры в условиях помех, создаваемых магнитостатическими, электростатическими и электро­магнитными полями.

Для выполнения требований помехозащищенности вводят экранирование, минимизируют длины сигнальных цепей, умень­шая распределенные параметры и взаимное влияние токоведу-щих проводников.

Переходные сопротивления в местах соединения деталей с корпусом не должны превышать тысячных долей ома. Все элек­трические цепи, которые могут нести помехи, желательно эк­ранировать и собирать и см жгуты. Экранирующие оболочки кабелей с корпусом прибора должны иметь переход­ное сопротивление, не превышающее тысячные доли ома. Источники помех в виде электродвигателей, контакторов и других устройств должны помещаться в экранирующие корпуса.

Эргономические требования. Предусматривают удобство работы обслуживающего персонала, вписываемость отдельных изделий в комплекс, единство стиля и гармоническое сочетание отдельных блоков стоек и устройств в общем комплексе. Доступность органов управления, удобство считывания информации, учет средних антропологических данных операторов с целью создания им комфортабельных условий для работы.

Требования безопасности. Предусматривают безопасные условия обслуживания аппаратуры в процессе ее эксплуатации и ремонта. Для выполнения требовании безопасности необходимо, чтобы все источники питания и детали, находящиеся под напряжением более 36 В, имели автоблокировку. Доступ к ним должен быть закрыт. Заземление с суммарным переходным сопротивлением в местах соединений не должно превышать 2-10^-3 Ом. Аппаратуру следует обеспечить защитными средствами и отметить соответствующими знаками, предостерегающими от опасности. Кроме перечисленных могут назначаться дополнительные требования, связанные с транспортированием, хранением и эксплуатацией изделий. Они оговариваются особо и указываются в технической документации.

Экономические требования. Предусматривают минимум затрат на проектирование (разработку), производство и эксплуатацию изделия с учетом производительности труда.