Материал: Устройства автоматики и информатики. курсовое проектирование. Кисурин А.А., Бурковский В.Л

- виды и величина входного сигнала (ток, напряжение, перемещение, скорость, сопротивление, упругость,масса и т.п.);

- виды и величина выходного сигнала (аналоговые непрерывные во времени, аналоговые дискретные во времени, цифровые);

- статическая характеристика y=f(x) (линейная, нелинейная, релейная);

- динамическая характеристика, определяемая, как правило, передаточной функцией

(инерционные, инерционные с запаздыванием, апериодические, колебательные, интегрирующие, дифференцирующие);

- чувствительность;

- быстродействие;

- погрешности;

- габариты, масса, стоимость;

- эксплуатационные характеристики.

2.3. Разработка конструкции устройства

2.3.1. Общие требования

Конструкция устройства должна соответствовать техническим требованиям Государственных и Отраслевых стандартов по данной аппаратуре и техническому заданию на проектирование.

При конструировании необходимо знать:

- виды и свойства конструкционных материалов;

- технологические методы формообразования деталей и методов сборки;

- основы взаимозаменяемости и сопротивления материалов;

- основы вычислительной техники;

- теоретические основы конструирования;

- виды и свойства элементов и устройств различного принципа действия и уметь сочетать эмпирические приемы и логический анализ с инициативно-эвристической деятельностью, основанной на синтезе опыта, знаний и общего технического развития.

При этом может быть применен как метод индукции-"снизу вверх" (от частного к общему, от простого к сложному), так и дедуктивный метод - "сверху вниз" (от абстрактного к конкретному, от общих результатов к частным вопросам). Процесс сводится к логико-математическому поиску оптимума при последовательном усовершенствовании исходного варианта, полученного на основе преемственности и требований задания при установлении внутренних связей между элементами конструкции (пространственных, механических, электрических, электромагнитных, тепловых). При разработке любой конструкторской единицы необходимо обеспечить три основных требования:

- выполнение своей служебной функции в заданных условияхэксплуатации;

- возможность изготовления в производстве;

- низкую стоимость.

2.3.2. Структурные уровни конструкции

Составные части конструкции находятся в иерархической соподчиненности:

0 - й уровень – элементный базис;

1 – й уровень – платы с элементами, типовые элементы замены;

2 – й уровень – блоки, стойки;

3 – й уровень – моноблоки, полиблоки, шкафы.

При этом составные части низшего уровня входят в единицы высшего уровня.

Основной исходной информацией при конструировании служит функциональная схема (для цифрового устройства) или его принципиальная электрическая схема (для устройств аналоговой техники). Элементами схем являются транзисторы, резисторы, конденсаторы, логические элементы, интегральные ммросхемы и др.

При конструкторской проработке решаются следующие задачи:

- распределение элементов схемы по конструктивно-функцио нальным узлам различного уровня сложности (компоновка);

-размещение узлов низшего уровня в узлах высшего уровня (элементов на плате; плат в блоках, стойках; стоек в шкафах);

- трассировка межсоединений на всех уровнях;

- разработка конструкции общего вида с учетом зкоплуатационных требований (герметичности, обеспечения теплообмена, устойчивости к механическим перегрузкам и пр.);

- разработка конструкции отдельных деталей;

- разработка конструкторско-технологичеокой документации.

2.3.3. Компоновка схемы

Решаются два класса задач.

Первый класс задач - компоновка конструктивных узлов, в которых критериями оптимизации и ограничениями является конст­руктивные параметры (количество элементов в узлах, суммарная площадь, занимаемая элементами и соединениями, число внешнихвыводов на узлах и т.п.).

Этот метод применяется в том случае, когда нет требования схемной унификации, и для схем большой степени сложности. Кроме перечисленных, могут быть и другие ограничения (электромагнитная совместимость, нормальный режим теплообмена, минимизация задержек в распространении сигналов и т.п.).

Второй класс задач компоновки - помимо конструктивных ха­рактеристик образующих узлов существенны и функциональные характеристики - построение оптимального набора схемно-унифици-рованных модулей. В случае, когда набор типовых модулей задан, основными критериями при компоновке схем являются: минимум числа модулей, необходимых для покрытия исходной схемы; минимум количества межмодульных соединений, минимум числа типов используемых модулей и др. Ограничениями являются конструктивные и функциональные характеристики типовых модулей.

2.3.4. Размещение элементов и трассировка соединений. Размещение элементов на платах производится с учетом кон­структивного исполнения (плоский или объемный модуль, проволочный или печатный монтаж) и основных требований:

- рационального размещения элементов с учетом электрических связей и тепловых режимов, размеров коммутационного поля, размеров элементов и расстояния между ними;

- минимизации длины электрических связей;

- минимизации пространственных пересечений;

- минимизации переходов из слоя в слой (при многослойных, печатных платах);

- минимизации паразитных связей;

- равномерного распределения масс элементов на поверхности платы;

- получения максимальных коэффициентов заполнения по объему (Kvзап) и массе (Кcзап).

Установка эдектрорадиоэлементов на плате должна соответствовать ГОСТ 4 10.010.030.

В зависимости от применения технических средств могут быть следующие методы размещения компонентов:

- ручной;

- полуавтоматизнрованный;

- автоматизированный.

Последовательность работ при ручном методе конструирова­ния печатных плат:

- разбивка принципиальной схемы на функциональные узлы;

- составление таблицы соединений между функциональными узлами;

- размещение элементов в группе с частичной планировкой;

- выбор группы элементов, имеющих наибольшее количество

- внешних связей, размещение вблизи разъема;

- выбор группы элементов, имеющих наибольшее число связей с уже размещенными;

- расположение всех групп;

- оценка расположения какдого элемента в группе, корректировка при необходимости;

-трассировка (общая, затем по слоям);

Размещение и трассировка при "ручных" методах конструирования (решаются одновременно).

При полуавтоматизированном методе конструирования печатных плат возможны два случая:

- размещение ручное, трассировка на ЭBM;

- размещение на ЭВМ, трассировка ручная.

Методика конструирования печатных плат автоматизированным и полуавтоматизированным методами в данной работе не рассматри-вается.

Компоновка, размещение и трассировка элементов должны отвечать требованиям технологичности, функционально-узловому принципу, ремонтопригодности; элементы должны иметь свободный доступ. При разновеликих РЭА элементы должны компоноваться по платам с учетом их размеров с целью получения максимального Кvзап.

Для микросхем (МС) требования к размещению следующие:

- микросхемы устанавливаются рядами;

- выводы микросхем должны располагаться симметрично относительно контактных площадок;

- МС со штыревыми выводами устанавливаются с одной стороны платы, бескорпусные - с двух сторон;

- МС при необходимости приклеиваются к печатной плате;

- незадействованные выводы подпаиваются к контактным площадкам печатной платы;

- количество установленных МС на плате определяются расчетом (см. п.3.1).

Помехоустойчивость и другие виды расчета плат с элементами рассмотрены в третьей главе настоящего пособия.

Навесные элементы закрепляют на платах за выводы пайкой или сваркой. При этом значение прочности на разрыв вывода из матеоиала ММ приведено в табл.5.

Таблица 5

Массивные элементы (Р ≥ 6 г) должны закрепляться с по­мощью дополнительных скоб. Особо крупногабаритные (радиаторы, трансформаторы и пр.) следует размещать вне платы.

Элементы с переменными электрическими и магнитными полями, входные и выходные цепи должны быть разнесены.

Элементы, выделяющие тепло, необходимо устанавливать ближе к возможной естественной циркуляции воздуха; чувствительные же к перегреву устанавливают вдали от греющих.

Элементы, наиболее чувствительные к вибрации, размещают около опор или амортизируют.

В высоковольтных приборах соединение элементов желательно осуществлять непосредственно выводами.

Выводы элементов должны располагаться в узлах координатной сетки (ГОСТ 10317-72), шаг координатной сетки следует выбирать равным 2,5 , 1,25 , 0,5 мм.

Размеры печатной платы выбирают из табл. 6 (ГОСТ 10317-72).

Таблица 6

Диаметр монтажных отверстий выбирается в зависимости от диаметра выводов элемента (табл. 7).

Таблица 7

Рисунок печатного монтажа может строиться или линией проводников, или линией зазоров.

Отверстия, соединенные печатным проводником вплотную, должны иметь контактную площадку, площадь которой выбирается в зависимости от веса детали и метода изготовления платы (табл.8).

Таблица 8

Приемы компоновки и размещения:

- аналитический: определяется объем блока, вес, площадь, габаритные размеры расчетным путем;

- номографический: все расчеты компоновочных характеристик ведутся по номограммам;

- аппликационный: используются изготовленные из плотной бумаги или другого материала проекции элементов;

- модельный: применяются модели элементов;

- натурный: набираются элементы схемы;

- машинный: с помощью ЭВМ и специальных программ производится оптимальная компоновка, размещение и трассировка.

Наружные выводы ПП могут быть предназначены для разъемных и неразъемных соединений.

Для разъемных соединений применяют монолитные выводы (штыревые лепестки, пистоны, разъемы, механически закрепленные и пропаянные на плате) и выводы в виде продолжения печатных проводников с нанесением на трущиеся поверхности износостойкого покрытия.

2.3.5. Размещение плат в устройствах, устройств в стойках, шкафах

Размещение плат, модулей, типовых элементов замены (ТЭЗ) в стойке, блоке осуществляется одним из следующих методов:

-этажерочная конструкция (горизонтальная и вертикальная):

механическое закрепление плат между собой и с шасси осуществляется при помощи стоек, уголков, рамок и пр.;

- горизонтальное многослойное распределение плат с механическим креплением посредством разъема и направляющих - выдвижная конструкция;

- то же с вертикальным рас положением плат в один ряд;

- книжная конструкция: платы укрепляются на специальных шарнирах и могут поворачиваться на определенный угол.

Конструктивные требования при размещении плат:

- минимальная номенклатура применяемых изделий, крепежныхдеталей, материалов;

-максимальная унификация, стандартизация и нормализация узлов, деталей, конструктивных решений;

- доступность к узлам и деталям при регулировке и сменепри ремонте;

- технологичность конструкции;

- минимальный вес и объем.

Электрическое соединение между платами и модулями можетосуществляться:

- разъемами;

- посредством печатных плат;

- монтажными проводами, связанными в жгут.

Для лучшего теплообмена предпочтительнее вертикальное расположение плат в блоке.

Рекомендуется использовать унифицированные выдвижные частичные блоки с лицевой и задней панелью, рамкой для закрепле -ния плат.

Частичные блоки вставляются в унифицированные стойки или кожухи.

Унифицированные частичные блоки,стойки и кожухи выпускаются нашей промышленностью.

2.3.6. Разработка конструкции общего вида

2.3.6.1. Общий вид устройства разрабатывается с учетом технических требований, указанных в п.2.3.1, 2.3.4, 2.3.5

Эксплуатационными и специальными требованиями являются:

- надежность конструкции;

- обеспечение теплового режима;

- защита от механических воздействий;

- защита от атмосферных воздействий;

- помехоустойчивость, электрическая прочность;

- coxpанность и транспортабельность;

- требования к упаковке;

- удобство, простота и безопасность обслуживания;

- минимальное количество органов управления, настройки, контроля;

- требования к технической эстетике и инженерной психологии.

Обеспечение вышеуказанных требований подтверждается расчетами (см. гл. 3).

Для повышения надежности проектируемых изделий применяются следующие методы:

- системные (организационно-экономические, технические);

- схемные (создание возможно более простых схем, создание схем с ограниченными последствиями отказов, резервирование, создание схем с широкими допустимыми пределами);

- конструктивные (создание надежных элементов, применение элементов только в режимах, оговоренных в ТУ или стандарте, облегчение тепловых, электрических, вибрационных и других режимов элементов, правильный подбор параметров элементов, повышение ремонтопригодности, унификация элементов и систем, микроминиатюризация, учет старения материалов и деталей);

- планирования эксплуатационных мероприятий (время устранения отказов, разработка системы профилактики, восстановления, подбор квалифицированных кадров).

2.3.6.2. Обеспечение теплового режима

Тепло к техническому устройству может поступать двумя путями:

- извне - от внешних источников тепла;

- изнутри - за счет внутренних источников тепла путем рассеяния мощности в термически активных элементах.

Для защиты изделий от действия температуры окружающей среды применяются следующие методы: