Оценка технологичности конструкции электронного блока

Технологичность – это совокупность свойств конструкции, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технологической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими конструкциями при заданном показателе качества [20].

Отработка конструкций на технологичность ведется на всех стадиях проектирования и изготовления. При необходимости в разработанную ранее конструкторскую документацию вносятся требуемые изменения.

Критериями оценки технологичности конструкции являются показатели уровня технологичности по всему комплексу базовых показателей, указанных в техническом задании.

Согласно стандартам ЕСТПП различают 2 вида технологичности конструкций:

- производственная, обеспечивает сокращение затрат труда, средств, материалов и времени при технологической подготовке производства и изготовлении;

- эксплуатационная, проявляется в возможности сокращения затрат труда, средств, материалов и времени на технологическое обслуживание и ремонт.

Производственная технологичность может быть достигнута вследствие:

- повышения серийности изделий с помощью стандартизации, унификации и группирования их по конструктивным признакам;

- ограничения номенклатуры изделий за счет повышения применяемости, заимствования из других изделий и повторяемости деталей и сборочных единиц в пределах одного изделия;

- снижения массы деталей и изделия в целом;

- ограничение номенклатуры применяемых материалов;

- применение высокоэффективных технологических процессов и средств технологического оснащения;

- обеспечение взаимозаменяемости деталей и сборочных единиц;

- разбивка изделий на параллельнособираемые сборочные единицы.

Эксплуатационная технологичность достигается в процессе конструирования изделия за счет рациональной компоновки и разбивки его на составные части.

Оценка технологичности может быть качественной и количественной.

Качественная оценка предшествует количественной и определяет ее целесообразность, обобщенно характеризует достоинства конструкции на основе опыта исполнителя.

Количественная оценка выражается системой показателей, которые используются для сравнения различных вариантов конструкции в процессе проектирования изделий, определения уровня технологичности разработанного изделия и накопления статистических данных, необходимых для прогнозирования и расчета базовых показателей технологичности.

Различают частные и комплексные показатели технологичности.

Частные показатели технологичности характеризуют конструкцию только с одной стороны, определяются стандартами ЕСТПП и разделяются на конструкторские и технологические.

Комплексные показатели объединяют несколько частных с учетом весовой характеристики и дают обобщающее представление о конструкции.

Для электронных блоков применима следующая методика расчета.

Рассчитываются частные показатели технологичности:

Коэффициент применения микросхем и микросборок ( ):

, (4.1)

где общее число дискретных элементов, замененных микросхемами и установленных на микросборках;

общее количество изделий электронной техники (ИЭТ), не вошедших в микросхемы;

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа ( ):

, (4.2)

где количество монтажных соединений ИЭТ, которые предусматривается осуществить автоматизированным или механизированным способом;

общее количество монтажных соединений;

Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ИЭТ к монтажу ( ):

, (4.3)

где количество ИЭТ в штуках, подготовка выводов которых осуществляется с помощью полуавтоматов и автоматов;

общее число ИЭТ, которые должны подготавливаться к монтажу в соответствии с требованиями конструкторской документации.

Коэффициент автоматизации и механизации регулировки и контроля ( ):

, (4.4)

где количество операций контроля и настройки, выполняемых на полуавтоматических и автоматических стендах;

общее количество операций контроля и настройки.

Коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов (ЭРЭ) ( ):

, (4.5)

где число типоразмеров ЭРЭ;

общее число ЭРЭ.

Коэффициент применения типовых технологических процессов ( ):

, (4.6)

где количество примененных типовых технологических процессов;

общее количество технологических процессов, применяемых в изделии.

Коэффициент прогрессивности формообразования деталей ( ):

, (4.7)

где число деталей, полученных прогрессивными методами формообразования (штамповка, прессование из пластмасс, литье, порошковая металлургия и т.д.);

общее число деталей.

На основе рассчитанных показателей и их весовых характеристик , представленных в таблице 4.1, определяется комплексный показатель технологичности ( ):

. (4.8)

Таблица 4.1 – Весовые характеристики показателей технологичности устройства

Коэффициенты	Обозначение	Весовые характеристики
Применения микросхем и микросборок		1,0
Автоматизации и механизации монтажа		1,0
Автоматизации и механизации подготовки ИЭТ к монтажу		0,75
Автоматизации и механизации регулировки и контроля		0,5
Повторяемости ЭРЭ		0,3
Применения типовых технологических процессов		0,187
Прогрессивности формообразования деталей		0,1

Изделие считается технологичным, если выполняется следующее условие:

, (4.9)

где нормативный коэффициент технологичности.

Все коэффициенты необходимо рассчитать и сделать вывод, технологично устройство или нет, если нормативный коэффициент равен 0,7.

Оценка надежности устройства

Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах [2].

Надежность – это физическое свойство изделия, которое зависит от количества и качества входящих в него элементов, от условий, в которых оно эксплуатируется (чем выше температура окружающей среды, чем больше относительная влажность воздуха, перегрузки при вибрации и т д., тем меньше надежность), и от ряда других причин.

Надежность в зависимости от назначения изделия может включать в себя такие понятия, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость и другие, в отдельности или в определенных сочетаниях.

Если при работе или хранении произошло нарушение работоспособности изделия, то такое событие называется отказом. Отказ является случайным событием. Постепенные (параметрические) отказы возникают в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров изделия. Например, под воздействием влаги постепенно снижаются чувствительность и избирательность радиовещательных и телевизионных приёмников, сужаются диапазоны рабочих частот. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением значения одного или нескольких параметров. Например, причиной внезапного отказа может быть пробой конденсатора, разрушение паяных соединений из-за различия ТКЛР материалов.

Количественные характеристики надежности носят вероятностный характер:

– интенсивность отказов (l) показывает, какая доля всех изделий или элементов данного типа в среднем выходит из строя за 1 ч работы. Например, если l = 10^-5 1/ч, то это означает, что за 1 ч работы из строя выйдет одна стотысячная доля элементов.

Типичный вид зависимости l от времени имеет вид, изображенный на рисунке 1 (т.н. «корытообразная кривая»). На этой характеристике можно чётко выделить три области:

Рисунок 1 – Зависимость интенсивности отказов от времени

Период приработки (область 1 на рисунке 1). В течение этого времени из строя выходят элементы, имеющие грубые дефекты, оставшиеся незамеченными при контроле. На практике обычно стремятся уйти из этой области, организуя в условиях производства термоэлектротренировку или технологический прогон. Продолжительность этой области составляет десятки-сотни часов.

Период нормальной эксплуатации (область 2 на рисунке 1). Характеризуется примерным постоянством во времени интенсивности отказов. Инженерные расчёты обычно выполняют для этого периода. Продолжительность данного периода составляет тысячи-десятки тысяч часов.

Область старения (область 3 на рисунке 1). Характеризуется повышенным числом отказов ввиду старения и износа составных частей изделий. Рост интенсивности отказов в этой области объясняется износом элементов (старением диэлектрика конденсаторов, потерей эмиссии катодом лампы и т.д.). У многих элементов старение начинается после нескольких тысяч, а иногда и десятков тысяч часов эксплуатации. Техническая эксплуатация изделий на этом этапе нецелесообразна;

– среднее время безотказной работы – величина, обратная интенсивности отказов;

– вероятность безотказной работы P(t_З) за заданное время t_З – показывает, какая часть изделий будет работать исправно в течение заданного времени t_З.

Для того, чтоб выполнить ориентировочный расчет надежности, необходимо рассчитать:

l_S(n) – суммарную интенсивность отказов элементов РЭУ с учетом электрического режима и условий эксплуатации;

T₀ – наработку на отказ;

P_S(t_З) – вероятность безотказной работы за заданное время t_З = 1000 ч.

Для этого формируются группы однотипных элементов, для каждой группы по справочникам определяется значение интенсивностей отказов, соответствующее в среднем элементам каждой группы (таблица 5).

Признаком объединения элементов в одну группу является функциональное назначение элемента и, в определенной степени, эксплуатационная электрическая характеристика. Например, маломощные транзисторы объединяют в одну группу, мощные – в другую и т.д.

Монтажные соединения составляют отдельную группу. Отдельную группу составляют несущие конструкции (печатная плата и т.д.). Отдельную группу составляют также точки паек.

Так, например, для резисторов выбираем значение интенсивности отказов, соответствующее мощности рассеивания менее 0,5 Вт при постоянном токе, поскольку электрический каскад является маломощным, и энергетическая нагрузка элементов в основном определяется режимом по постоянному току. Аналогично выбираются значения интенсивностей отказов для остальных элементов.

Число паек определено как суммарное число внешних выводов элементов и внешних выводов каскада.

ПРИМЕР

Рисунок 4 – Схема электрическая принципиальная

усилительного каскада

Таблица 5

Значение суммарной интенсивности отказов рассчитывается исходя из выражения:

(10)

где l_0j – среднегрупповое значение интенсивности отказов элементов j-ой группы, найденное с использованием справочников, j = 1, …, k;

n_j – количество элементов в j-й группе, j = 1, …, k;

k – число сформированных групп однотипных элементов.

l_S = 1,92×10^-6 1/ч

С использованием обобщенного эксплуатационного коэффициента выполняется приближенный учет электрического режима и условий эксплуатации элементов.

Суммарную интенсивность отказов элементов РЭУ с учетом электрического режима и условий эксплуатации определяют как

(11)

где К_Э – обобщенный эксплуатационный коэффициент, выбираемый по таблицам в зависимости от вида РЭУ или условий его эксплуатации (таблица 6)

В скобках в таблице 6 указаны значения, рекомендуемые для использования в расчетах.

Для усилительного каскада для наземных стационарных условий примем К_Э = 3,0. Скорректируем величину l_S, учтя тем самым приближенно электрический режим и условия работы элементов каскада.

Таблица 6 – Значения обобщенного эксплуатационного коэффициента К_Э

Тогда

l_S(n) = 1,92×10^-6×3,0 » 5,8×10^-6 1/ч.

По общепринятым формулам для экспоненциального закона надежности подсчитываем другие показатели надежности:

а) наработка каскада на отказ

, (12)

ч

б) вероятность безотказной работы за заданное время t_З

, (13)

Заключение

В соответствии с техническим заданием в ходе курсового проектирования была разработана конструкция устройства.

Конструкция полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к данному классу аппаратуры.

Современные требования конструирования и технологии учитывались при выборе компоновочной схемы устройства, элементной базы, материалов и покрытий. При выбранных конструкторских решениях устройство способно надежно функционировать с заданными параметрами, а также отвечать требованиям технологичности.

Литература

1. Боголюбов, С.К. Черчение: учебник для машиностроительных специальностей средних специальных учебных заведений/ С.К. Боголюбов, А.В. Воинов. – М.: Машиностроение, 1981.

2. Боровиков, С.М. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности/ С.М. Боровиков. – Мн.: Дизайн ПРО, 1998.

3. ГОСТ 2.102–68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов

4. ГОСТ 2.105–95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.

5. ГОСТ 2.106–96 ЕСКД. Текстовые документы.

6. ГОСТ 2.109–73 ЕСКД. Основные требования к чертежам.

7. ГОСТ 2.417–91 ЕСКД. Правила выполнения чертежей печатных плат.

8. ГОСТ 2.701–84 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

9. ГОСТ 2.702–75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.

10. ГОСТ 2.708–81 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.

11. ГОСТ 2.710–81 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

12. ГОСТ 3.1001-81 ЕСТД. Общие положения.

13. ГОСТ 3.1109-82 ЕСТД. Термины и определения основных понятий

14. ГОСТ 3.1129-93 ЕСТД. Общие правила записи технологической информации в технологических документах на технологические процессы и операции.

15. ГОСТ 3.1428-91 ЕСТД. Правила оформления документов на технологические процессы (операции) изготовления печатных плат.

16. ГОСТ 9.301-86 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Общие требования.