Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

________________________

Е. И. Раб

конструкторское проектирование

ПЕЧАТНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ

ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к курсовой работе по дисциплине «Конструирование и технология элементов систем управления» для студентов специальности 220201 – «Управление и информатика в технических системах»

Омск 2009

УДК 658.512.22:658.512.26

Конструкторское проектирование печатных функциональных узлов элементов систем управления: Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Конструирование и технология элементов систем управления» для студентов специальности 220201 – «Управление и информатика в технических системах» /Е.И. Раб; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. 70 с.

Рассмотрены основы проектирования и конструирования печатных функциональных узлов элементов систем управления. Приводятся основные принципы составления и оформления конструкторской документации, способы изготовления печатных плат, и методы расчета тепловых режимов работы разрабатываемого устройства.

Указания предназначены для студентов 3-го курса, изучающих конструирование и технологию элементов систем управления, могут быть использованы при самостоятельном конструировании печатного узла и работе с конструкторской документацией.

Библиогр.: 34 назв. Табл. 14. Рис. 22.

Рецензенты: степень, звание И. О. Фамилия;

степень, звание И. О. Фамилия.

________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Задание 6

1. Пояснительная записка 7

1.1. Описание и анализ схемы электрической принципиальной 7

1.2. Техническое задание 7

1.2.1. Наименование и область применения 7

1.2.2. Основания для разработки 8

1.2.3. Цель и назначение разработки 8

1.2.4. Источники разработки 8

1.2.5. Требования к качеству продукции 8

1.2.6. Технико-экономические показатели 13

1.2.7. Стадии и этапы разработки 13

1.2.8. Порядок контроля и приемки 14

1.3. Разработка конструкции устройства 14

1.3.1. Основные понятия 15

1.3.2. Метод изготовления печатной платы 18

1.3.3. Способ нанесения рисунка печатных проводников 29

1.3.4. Материал основания печатной платы 29

1.3.5. Материал токопроводящего покрытия 32

1.3.6. Элементная база 33

1.3.7. Расчет печатной платы 33

1.4. Расчет теплового режима 38

1.4.1. Основные понятия 38

1.4.2. Расчет теплового режима методом приближений 39

1.4.3. Расчет теплового режима коэффициентным методом 46

2. Графическая часть работы 49

2.1. Электрическая принципиальная схема 49

2.2. Печатная плата 50

2.3. Сборочный чертеж 51

2.4. Перечень элементов 51

Библиографический список 53

Приложения 55

ВВЕДЕНИЕ

Любая система управления представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, выполняющих ту или иную функцию управления. Современные системы управления неразрывно связаны с микропроцессорными технологиями и блоками радиоэлектронной аппаратуры, на базе которых реализуется программное обеспечение.

Организация элементов в единую систему происходит с применением модульного принципа конструирования таким образом, что законченная система управления представляет собой иерархию структурных единиц.

В основе модульного принципа лежит разукрупнение схемы системы управления на функционально законченные части, выполняющие определенные функции. Эти подсхемы разбиваются на более простые модули, и так далее, пока система не будет представлена в виде набора модулей разной сложности, а низшим модулем не окажется корпус микросхемы с обслуживающими ее радиоэлементами.

В конструкции любой электронной аппаратуры можно выделить четыре основных уровня. Низший, нулевой уровень, представлен конструктивно неделимым элементом – интегральной микросхемой с радиоэлементами ее обслуживания. На первом уровне элементы нулевого уровня объединяются в схемы, имеющие более сложный функциональный признак. К первому структурному уровню относятся печатные платы. Второй уровень содержит в себе блоки, предназначенные для механического и электрического объединения элементов первого уровня. Третий уровень может быть реализован в виде стойки или крупного прибора, внутренний объем которых заполняется конструктивными единицами второго уровня – блоками.

Число уровней конструктивной иерархии может изменяться в зависимости от класса аппаратуры и уровня технологии ее изготовления.

Целью выполнения курсовой работы является теоретический анализ и практическое конструирование модулей 1-го уровня – печатных функциональных узлов (печатных плат) элементов систем управления. Особое внимание уделяется ознакомлению с нормативной конструкторской документацией и приобретению навыков ее разработки и применения.

ЗАДАНИЕ

Для выполнения курсовой работы в начале семестра каждому студенту выдаются исходные данные. Темой курсовой работы является конструирование функционального печатного узла, входящего в состав элемента системы управления.

Исходными данными для выполнения курсовой работы служат:

1) электрическая принципиальная схема устройства и перечень входящих в ее состав электрорадиоэлементов (ЭРЭ) (не менее 60 элементов);

2) схема расположения печатных проводников и ЭРЭ на обеих сторонах печатной платы;

3) функциональное назначение устройства и описание принципа работы;

4) электрические показатели (например, рабочее напряжение, диапазон частот, потребляемая мощность и т. д.) и конструкторские требования (массогабаритные показатели, показатели надежности и технологичности и т. п.);

6) условия эксплуатации и технико-экономические показатели.

В процессе выполнения курсовой работы необходимо изучить работу устройства, проанализировать принцип действия электрической принципиальной схемы, сделать вывод о том, каким образом можно усовершенствовать исходное устройство (уменьшить массогабаритные показатели, увеличить надежность, снизить материальные затраты на изготовление, ввести дополнительные элементы для расширения функциональности устройства и т. д.).

С учетом требований к усовершенствованию устройства разработать техническое задание (ТЗ). В соответствии с ТЗ провести конструкторскую разработку печатной платы (выбрать метод изготовления печатной платы, способ формирования рисунка проводников и токопроводящего покрытия, материал основания и проводящего покрытия и элементную базу (набор ЭРЭ)).

В разделе расчета тепловых режимов необходимо рассчитать перегрев корпуса, нагретой зоны и наиболее теплонагруженного элемента двумя методами: методом последовательных приближений и коэффициентным методом.

В результате выполнения курсовой работы необходимо представить пояснительную записку с описанием процесса конструирования, а также комплект чертежей на разработанное устройство, включающий в себя чертеж электрической принципиальной схемы, чертеж печатной платы, сборочный чертеж корпуса и перечень элементов.

1. Пояснительная записка

1.1. Описание и анализ электрической принципиальной схемы

В данном разделе приводится описание принципа работы электрической принципиальной схемы устройства, назначение активных и пассивных ЭРЭ, и их роль в обеспечении функционирования узла.

Особое внимание следует уделить анализу теплового режима и паразитных связей и наводок между электрическими цепями схемы.

При анализе схемы устройства на предмет усовершенствования можно руководствоваться показателями качества, которые можно повысить, например, коэффициент полезного действия, помехоустойчивость, технологичность изготовления и т. д. Также к критериям усовершенствования можно отнести массогабаритные показатели, форму печатной платы, элементы обеспечения теплового режима, стоимость и качество материалов и элементов.

1.2. Техническое задание

Техническое задание (ТЗ) – это исходный документ для проектирования сооружения или промышленного комплекса, конструирования технического устройства (прибора, машины, системы управления и т. д.), разработки информационных систем, стандартов, либо проведения научно-исследовательских работ (НИР).

Техническое задание составляют на основе анализа результатов предварительных исследований, расчётов и моделирования. В общем случае содержание и оформление ТЗ регламентируется [24], но в зависимости от особенностей разрабатываемого устройства допускается уточнять содержание разделов, вводить новые разделы или объединять отдельные из них.

Разделы технического задания, необходимые для данной курсовой работы, их наименования и содержание приведены ниже.

1.2.1. Наименование и область применения

Приводят наименование, краткое описание области применения объекта разработки.

1.2.2. Основания для разработки

Основанием для разработки могут служить: личная инициатива разработчика; документ (документы), на основании которого ведется разработка; организация, утвердившая этот документ, и дата его утверждения.

1.2.3. Цель и назначение разработки

Определяется цель разработки, в качестве которой в рамках курсовой работы выступают модификация и улучшение характеристик и параметров исходного устройства. Также приводится функциональное и эксплуатационное назначение объекта разработки.

1.2.4. Источники разработки

Перечисляются источники информации по теме разработки, например, название статьи в журнале, адрес Интернет-ресурса, научно-техническая или патентная литература.

1.2.5. Требования к качеству продукции

Количество показателей качества и требований к ним, включаемых в научно-техническую и проектную документацию зависит от целей и уровня документа. Ниже приведены требования к показателям качества, которые необходимо учитывать при разработке технического задания в рамках курсовой работы [3, 27].

1.2.5.1. Патентно-правовые требования

Патентно-правовые показатели качества характеризуют патентную защиту и патентную чистоту устройства в Российской Федерации (РФ) и за рубежом [3].

В требованиях указывается отношение текущей разработки к запатентованным устройствам, например: «обеспечить патентную чистоту в отношении России и стран ближнего Зарубежья» или «при разработке использовать проектные решения, закрепленные патентом №…» и т. д.

1.2.5.2. Состав и требования к конструктивному устройству

Описывается состав и конструктивное устройство объекта разработки: перечень составных частей устройства; размещение и способы крепления основных элементов конструкции (входных гнезд, переключателей, выключателей питания, индикаторов и т. д.); способ соединения панелей корпуса; форма поставки (в собранном виде или по частям).

1.2.5.3. Требования к исходным и эксплуатационным материалам

Приводится перечень материалов, из которых должны изготавливаться составные части конструкции устройства: материал корпуса; материал основания печатной платы; материал печатных проводников и др.

1.2.5.4. Показатели назначения, энерго- и ресурсосбережения

В качестве показателей назначения [27] разрабатываемого устройства можно указать: характер и диапазоны главного параметра; частотный диапазон; массу; габаритные и присоединительные размеры; точность обработки сигналов; вид исполнения (стационарный, переносной, щитовой); мощность; напряжение питания; потребляемый ток и т. д.

Как показатели энергосбережения, в техническом задании указываются: напряжение питания; выходное напряжение; потребляемый ток.

Таким образом, в качестве показателей ресурсосбережения приводятся степени расхода сырья, дефицитных и дорогостоящих материалов.

1.2.5.5. Требования к надежности

Показатели надежности это количественные характеристики, для расчета которых разработан специальный раздел математической статистики – статистическая теория надежности [29]. Эта теория может применяться только к крупносерийным объектам, например, к массовым изделиям машиностроения, электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры.

В данном пункте ТЗ указываются: наработка до отказа; наработка между отказами; вероятность безотказной работы; время восстановления; срок службы.

1.2.5.6. Технологические и метрологические требования

В ТЗ в качестве технологических требований приводятся: массогабаритные показатели; затраты на ремонт устройства; количество оригинальных элементов; количество доводочных и регулировочных операций; инструменты, необходимые для изготовления; длительность эксплуатации и т. д. [2, 25].

Метрологические требования предъявляются к устройству и указываются в ТЗ только в том случае, если устройство принадлежит к классу высокоточных, высокочувствительных или измерительных приборов [7].

1.2.5.7. Требования к уровню унификации и стандартизации

К стандартизованным деталям относятся составные части изделия, изготавливаемые по международным (ИСО, МОС), государственным (ГОСТ), отраслевым (ОСТ) и региональным (РСТ) стандартам.

К унифицированным деталям относятся составные части изделия, которые: изготавливаются по стандартам предприятия (СТП) и используются минимум в двух видах изделий, выпускаемых данным предприятием; предприятие получает как комплектующие в готовом виде; ранее спроектированы для конкретного изделия как оригинальные и применяются минимум в двух видах изделий [3, 28].

Основными часто используемыми показателями стандартизации и унификации являются следующие коэффициенты (уровни):

1) коэффициент стандартизации (характеризует степень использования в устройстве стандартных элементов):

, (1.1)

где N_ст – количество стандартизованных ЭРЭ;

N – общее количество ЭРЭ, входящих в состав устройства;

2) коэффициент унификации (характеризует степень использования унифицированных элементов в устройстве):

, (1.2)

где N_ун – количество унифицированных (типовых) ЭРЭ в изделии;

3) коэффициент взаимозаменяемости или преемственности («наследования») (характеризует степень взаимозаменяемости элементов устройства):

, (1.3)

где n_ор – количество типов нестандартизованных оригинальных (специально изготовленных) ЭРЭ;

n – общее количество типов ЭРЭ, входящих в состав устройства;

4) коэффициент повторяемости (характеризует степень повторяемости наименований элементов в устройстве):

, (1.4)

где n_п – количество повторяющихся типов ЭРЭ.

1.2.5.8. Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию

Вид климатического исполнения – это сочетание исполнения, категории размещения и группы по пониженному давлению (например, вид климатического исполнения радиомикрофона – УХЛ4) [26].

Условия эксплуатации, транспортирования и хранения устройства определяются предельными значениями климатических факторов. Экономически целесообразным является производство устройств в нескольких климатических исполнениях (табл. П.1.1), т. е. пригодных для эксплуатации в нескольких макроклиматических районах.

Изделия в климатических исполнениях (табл. П.1.1) в зависимости от места размещения при эксплуатации в воздушной среде, под землей и под водой изготавливают по категориям размещения изделий, указанным в табл. П.1.2.

Группа пониженного давления указывается в технических условиях только для изделий, эксплуатируемых на высотах свыше 1000 м, в этом случае группа пониженного давления определяется по [26, прил. 7, табл. 1].

В ТЗ необходимо указать условия эксплуатации, при которых должны обеспечиваться заданные характеристики, а также вид климатического исполнения в соответствии с табл. П.1.1 и П.1.2. Например, «для устройства обеспечить вид климатического исполнения У5 в соответствии с ГОСТ 15150-69».

1.2.5.9. Требования к маркировке и упаковке

Указываются следующие требования: варианты и способы упаковки (количество устройств в единице упаковочной тары, расположение устройства в упаковочной таре и т. д.); свойства упаковочной тары (материал, прочность, форма и др.); способы маркировки (краска, наклейка, клеймо и т.п.); содержание маркировочной надписи (наименование, вес, габариты, дата выпуска, страна-изготовитель, фирма-производитель и т. д.).

1.2.5.10. Требования к транспортированию и хранению

В качестве требований к транспортированию можно указать следующие показатели транспортабельности: средняя трудоемкость подготовки устройства к транспортированию; средняя стоимость перевозки устройства на 1 км определенным видом транспорта; средняя продолжительность разгрузки партии устройств конкретного объема из транспортного средства определенного типа; максимально возможное использование емкости транспортного средства, выраженное в единицах продукции; допустимые температура, влажность, уровень вибрации, перегрузки при ускорении (особенно для авиационных и космических транспортных средств) при транспортировании; масса изделия и его габаритные размеры (длина, ширина, высота); степень приспособленности устройства к транспортированию (наличие приспособлений для погрузки и крепления, наличие и удобство ручек, скоб и других приспособлений для переноски и т.п.) [3].

В качестве требований к хранению в ТЗ приводятся: места и условия хранения; условия складирования; сроки хранения в различных условиях и т.п. [3, 29].

1.2.5.11. Требования к категории качества

В техническом задании необходимо указать требуемую категорию качества изготовления устройства [27].

1.2.5.12. Эргономические и эстетические требования

В качестве эргономических требований в техническом задании указываются любые эргономические показатели: гигиенические, антропометрические, физиологические, психофизиологические и психологические [3, 5, 30].

Показатели технической эстетики, которые можно указать в техническом задании: информационная выразительность (оригинальность, соответствие моде и стилю); рациональность формы (соответствие формы устройства его назначению и способу эксплуатации); целостность композиции (пространственное строение формы, внутреннее устройство, материал, цвет, фактура); совершенство исполнения (чистота выполнения контуров и сопряжения частей устройства, отделка поверхностей и тщательность покрытия); стабильность товарного вида (четкость исполнения знаков сертификации, фирменных и товарных знаков, устойчивость к повреждениям при транспортировании и эксплуатации).

1.2.5.13. Требования к экологичности и безопасности

В качестве требований к экологичности в ТЗ приводятся значения экологических показателей, к ним относятся: концентрация вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду при хранении, транспортировании и эксплуатации устройства; вероятность вредных выбросов в окружающую среду; уровень вредных излучений при хранении, транспортировании и эксплуатации устройства; уровни шума и вибрации, создаваемые устройством и т. д.

При отсутствии количественных данных о значении таких показателей могут использоваться качественные характеристики, например, наличие очистительных устройств, защитных экранов, глушителей, пылеуловителей и т. д.

Требования к безопасности можно определить с помощью показателей безопасности. К показателям безопасности относятся: вероятность возникновения аварии; вероятность безопасной работы человека в течение определенного времени при соблюдении заданных условий эксплуатации устройства; время срабатывания защитных устройств; сопротивление и электрическая прочность изоляции токоведущих частей устройства, с которыми возможно соприкосновение человека и т. д.

Для оценки показателей безопасности могут также применяться качественные характеристики, такие, как наличие блокировки, снимающей высокое напряжение, возможность быстрого доступа к токоведущим частям, возможность быстрого отключения напряжения питания, наличие датчиков аварийной ситуации и т. д.

1.2.5.14. Дополнительные требования

В дополнительных требованиях отмечается наличие паспорта или инструкции по эксплуатации, или какие-либо другие особенности устройства.