3. Общие сведения о проектировании технического объекта в приборостроении

По ГОСТ 34.003-90 проектирование – это процесс создания описания, необходимого для создания еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и алгоритма его функционирования.

Инженерное проектирование – это непрерывный процесс, в котором научная и техническая информация используется для создания новой системы, нового устройства или процесса.

Проектирование включает в себя комплекс работ по изысканию, исследованию, расчетам и конструированию, имеющих цель получения описания для создания нового изделия.

Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованием и представлением в принятой форме образа этого объекта. Проектирование начинается при наличии задания на проектирование и являющимся исходным описанием объекта.

Результатом проектирования служит комплект документации, содержащей достаточные сведения для изготовления объекта.

Разработка электронной аппаратуры представляет собой процесс создания новых образцов устройств, приборов и аппаратов, удовлетворяющих заданным требованиям. Этот процесс связан с решением схемотехнических, конструкторских и технологических задач.

Этапы проектирования

Последовательность основных этапов проектирования:

• первый этап – разработка требований к проектируемому устройству, т.е. составление технического задания (ТЗ). ТЗ устанавливает назначение, область применения и основные параметры создаваемой аппаратуры: быстродействие, точность, потребляемая мощность, надежность и т.д. В ТЗ указываются условия эксплуатации – пределы изменения температуры, влажности, давления, механических воздействий и т.д. Задание должно содержать требования к конструкции – максимальная масса, габаритные размеры, герметизацию и т.д. В нем также приводятся технико-экономические показатели – стоимость, степень унификации и стандартизации, экономическая эффективность.

• второй этап – разработка структурной схемы и определение основных технических характеристик. На данном этапе изучаются существующие устройства и соответственные патентные материалы, проводится анализ возможных принципов построения по наиболее важным показателям: надежности, стоимости, перспективности. В результате выбирается лучший вариант, для него составляется структурная схема. Результат второго этапа – разработка технического предложения (ТП).

• третий этап – выбор элементной базы. Выбор производится, исходя из основных требований к аппаратуре – выполняемая функция, быстродействие, потребляемая мощность и т.д.

• четвертый этап – разработка функциональной схемы, которая полностью отражает характер, а также последовательность работы устройства.

• пятый этап – разработка принципиальной схемы; на данном этапе проводится электрический расчет всех элементов.

• шестой этап – конструктивно-технологическая разработка аппаратуры. Задача данного этапа – создание конструкции, которая имела бы минимальный объем, обеспечивала необходимый тепловой режим, кратчайшую длину соединений и малые паразитные связи между элементами, удобство эксплуатации и ремонта. При этом должны быть максимально использованы унифицированные и стандартные элементы конструкции, а также типовые технологические процессы.

Конструирование включает следующие основные этапы: разработку топологии печатных плат, размещение на них микросхем, трассировку соединений, конструирование ячеек и блоков, несущих конструкций и механических узлов.

Процесс проектирования завершается разработкой комплекта рабочей конструктивно-технологической документации.

Основные положения ЕСКД. Стадии разработки конструкторской документации

К конструкторским документам относят графические и текстовые документы, которые определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для его разработки, изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.

В зависимости от стадии разработки документы подразделяются на проектные и рабочие. К первым относятся техническое предложение, эскизный и технический проекты. Разработку конструкторской документации на изделие начинают с выполнения в соответствии с техническим заданием (ТЗ) технического предложения для выявления дополнительных или уточненных требований к изделию (технических характеристик, показателей качества и др.).

Эскизный проект разрабатывают для установления конструктивных, схемных и других решений, дающих общее представление о работе и устройстве изделия. По эскизной документации изготавливают и испытывают макет.

Технический проект (ТП) – принимается окончательное техническое решение с подробной разработкой общих видов, чертежей деталей и схем изделия. При разработке ТП используются документы эскизного проекта с корректировкой по замечаниям и предложениям. ТП служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации. Комплект рабочей документации содержит:

- пояснительную записку;

- чертеж общего вида – определяет конструкцию изделия, принципы работы;

- сборочный чертеж – чертеж, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки и контроля;

- спецификация – документ, определяющий состав сборочной единицы или комплекта;

- чертеж детали – чертеж, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля;

- электромонтажный чертеж – документ, содержащий данные, необходимые для выполнения электрического монтажа изделия;

- схема – чертеж, содержащий в виде условных изображений составные части изделия и связи между ними (принципиальная, функциональная, подключения).

Электронный блок. Несущая конструкция

Электронный блок – конструктивный узел, предназначенный

для выполнения самостоятельной функции. Разработка конструкций электронных блоков является примером многовариантного конструирования электронной аппаратуры.

Независимо от функционального назначения в блок входят обязательные составные части: несущая конструкция, электронные изделия, а также узлы и приборы.

В одних случаях разработка начинается с механизма или иных составных частей с последующим заключением их в корпус.

В других случаях – основным является унифицированный корпус с возможными модификациями, в который включаются переменные составные части.

Несущая конструкция предназначена для размещения электронной части аппаратуры и обеспечения ее функционирования в условиях эксплуатации (в блоках – металлический корпус, каркас или шасси). Каркас может быть отлитым из легких сплавов, штампованным или свинчиваемым из унифицированных конструктивных профилей.

Чертеж электронного блока должен содержать необходимое количество видов, разрезов, размеров для полного представления о конструкции блока. Стандартные электронные изделия изображаются упрощенно с сохранением габаритных размеров и указанием маркировки позиционных обозначений согласно электрической схеме.

Позиции деталей и элементов проставляются согласно спецификации.

Типовые элементы конструкций и принципы конструирования контрольно-измерительной аппаратуры содержит ОСТ 4.ГО.410.001.

Он распространяется на типовые элементы конструкций корпусов, устанавливает общие требования, единые конструкторские решения, методы компоновки типовых элементов конструкций и требования к конструированию в условиях производства.

Разработка технического задания

Техническое задание (ТЗ) - это самая важная часть проекта. Можно сказать, что это фундамент проекта. От того, как будет составлено техническое задание, и от того, какие цели, методы и требования будут заложены, зависит судьба проекта. В техническом задании отражается, какой конечный результат хочет получить в результате работы заказчик, каким требованиям должен удовлетворять конечный продукт, какими особенностями он должен обладать.

Структура технического задания

Разработка прибора начинается с формирования технического задания (ТЗ), т.е. исходных предложений о свойствах объекта разработки. Заказчик выдвигает гипотезу о том, какие характеристики являются существенными, в каких пределах могут меняться значения этих характеристик, как их следует измерять и т.д. Основываясь на такой исходной гипотезе, приступают к разработке конструкции.

В устройствах самая общая характеристика представляет собой отношение входа и выхода. Если конструкцию узла представить в виде некоторого устройства – функционального преобразователя (ФП), то при подаче на вход воздействия x на выходе его возникают однозначно определенные сигналы y, т.е.

{x1, x2, ….xm} = {K} {y1, y2, …ym},

где {K} – оператор, характеризующий всю совокупность свойств, учитывающих влияние каждого входного воздействия на параметры выходного сигнала функционального преобразователя.

Техническое задание на разработку конструкции прибора представляет собой систему, содержащую описание входных воздействий x, исходных данных конструкции Д и выходных требований y к конструкции.

Входные - это внешние воздействия на конструкцию, которые в заданных пределах существенно влияют на функционирование прибора (внешние условия среды – температура, давление, влажность, воздействие излучения). К входным параметрам относят и исходные данные конструкции Д, например тип детали, точность и чувствительность подвижек и т.д.

Примеры выходных требований – это технические показатели (масса, габариты, надежность), показатели уровня технологичности конструкции и т.д. Входные воздействия и выходные требования образуют внешние связи конструкции узла. Задача проектирования – реализовать оператор К через конструкцию.

При разработке ТЗ центральное место занимает выбор критериев качества. При этом показатели технологичности обычно выражают количественно в нормо-часах, рублях, календарном времени и т.д., т.е. только скалярным критерием. При системном подходе к разработке ТЗ следует учитывать так же весомость и векторность показателей качества конструкции. Например в конкретных условиях приоритет может быть отдан минимизации одного из показателей: затрат времени на технологическую подготовку производства, трудоемкость изготовления, ремонтопригодность и т.д.

ТЗ, как правило, должно содержать следующие пункты:

1. наименование и область применения средства измерения;

2. основные технические характеристики – диапазон измерения, погрешность (основная и дополнительная), питание, время контроля, потребляемая мощность и т.д.;

3. конструктивные требования – вес, габариты, стационарный и т.д.;

4. условия эксплуатации – температура, влажность, давление, излучения и т.д.;

5. описание объекта измерения – температура, агрегатное состояние, статический или движущийся, наличие колебаний;

6. надежностные характеристики - наработка на отказ, срок службы, ремонтно-пригодность, время восстановления при отказе;

7. поверка и градуировка прибора при изготовлении, после ремонта и профилактических работ;

8. технико-экономические и другие показатели.

Конструтивно-элементная структура средства измерения

Конструкцию средства измерения можно представить в виде системы, содержащей пирамиду специфических и неспецифических оснований классификации, которые позволяют выразить конструкцию через многоуровневую структуру. Так, техническое задание на разработку конструкции предопределяет способ функционирования конструкции. В свою очередь, структура и функция – соотносительные понятия, выражающие связь между строением конструкции и присущим ей способом функционирования. Функция всегда привязана к определенной структуре конструкции как к своему носителю.

Одной из важнейших задач конструирования является задача выбора рациональных элементов, составляющих прибор. На основе описанной функциональной структуры строится структура элементов конструкций прибора.

После выбора решения о разработки конструкции, все усилия направлены на обеспечение снижения суммарных затрат на создание продукции и прежде всего на обеспечение заданного уровня технологичности узла. Разработанная конструкция должна удовлетворять условиям эксплуатации, требовать минимальных затрат труда, средств, материалов и времени при подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделия, обеспечивать технологичность изделия.

Качество продукции – совокупность свойств, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Так, интегральный показатель качества - отношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации или потребления к суммарным затратам на ее создание и эксплуатацию или потребление:

И = Э / Зс +Зэ,

где Э - суммарный полезный эффект от эксплуатации продукции;

Зс – суммарные затраты на создание продукции;

Зэ – суммарные затраты на эксплуатацию.

При выявлении тенденций и определении путей совершенствования конструкций могут быть использованы следующие данные:

- результаты сравнения изменений во времени конструкций по патентным и литературным источникам;

- результаты анализа тематики рационализаторских предложений;

- факторы, определяемые изменением климатических условий эксплуатации;

- факторы, определяемые технологическими требованиями.

В основу построения структуры конструирования узла положено два принципа, определяющих содержание методики: принцип функционирования и оптимизации.

Принцип функционирования – методика анализа множества конструкций с выделением самых абстрактных элементов и методика синтеза конструкции из абстрактных элементов, воспроизводящая конструкцию узла как конкретную целостность.

В основу оптимизации конструкции положен принцип обеспечения преемственности существующих конструкций.

Методика создания элементной базы конструирования включает оценку и отбор (для последующей стандартизации) элементов схем, характеризующих различные стороны связей и отношений в узле.

Сущность научных исследований и опытно-конструкторских разработок и задачи их организации и планирования

Создание современных приборов, оборудования, систем, материалов и технологий, обладающих необходимыми техническими, технологическими и экономическими параметрами, весьма сложный процесс. В его обобщенной структуре можно выделить несколько стадий.

Фундаментальные исследования. Как правило, имеют наиболее общий и абстрактный характер. Они нацелены на расширение знаний и понимание наиболее общих научных и технических закономерностей без проникновения в область их конкретного применения.

Прогнозирование. Его задачи сводятся к выявлению и исследованию возможных путей и направлений развития рассматриваемых объектов, а также требуемых для этого ресурсов и организационных мероприятий. В качестве объекта прогнозирования могут выступать конкретные технические системы, процессы научно-технического развития. Наиболее важной задачей прогнозирования является оценка потребности в объектах новой техники. Потребность имеет качественный и количественный аспекты. Качественный выражается перечнем конкретных требований к продукции со стороны потребителей, количественный – является основным фактором в установлении структуры и объемов будущего производства.

Научно-исследовательские работы (НИР). Это вид деятельности, имеющий целью поиск новых знаний и информации относительно путей и способов разработки новых видов изделий, материалов, процессов, а также их практического использования.

Опытно-конструкторская работа (ОКР). Ее целью является инженерно-техническая проработка создаваемых объектов новой техники и получение технической документации, позволяющей организовать их промышленное производство. ОКР трансформирует полученные ранее знания в конкретные чертежи, опытные образцы, технические и технологические документы.

Подготовка регулярного производства. На этой стадии осуществляется комплекс конструкторских, технологических и организационных работ, связанных с переходом предприятия на серийный или массовый выпуск изделия. Осуществляется проверка технологичности конструкции и нормоконтроль, разработка технологических процессов.

Освоение регулярного производства. Это завершающая стадия процесса создания новой техники. Она включает разнообразный комплекс работ, имеющий целью достижение проектного объема выпуска нового изделия, а также заданных значений основных технико-экономических показателей.