диплом 1. 2 Анализ исходных данных и основные технические требования к

• Название: 2 Анализ исходных данных и основные технические требования к
• Дата: 10.06.2022
• Размер: 0.82 Mb.
• Имя файла: диплом 1.doc
• Тип: Реферат; #584644
• страница: 6 из 7

6.2 Расчет теплового режима блока управления электромеханического замка

Расчет теплового режима РЭА заключается в определении по исходным данным температуры нагретой зоны и температур поверхностей теплонагруженных радиоэлементов и сравнения полученных значений с допустимыми для каждого радиоэлемента в заданных условиях эксплуатации. Произведем расчет по [].

1. 
   Рассчитывается поверхность корпуса блока:
   

S_K=2[L₁L₂+(L₁+L₂)L₃], (6.2.1)

где L₁ и L₂ - горизонтальные размеры корпуса, м;

L₃ - вертикальный размер, м.

2. 
   Определяется условная поверхность нагретой зоны:
   

=2[L₁L₂+(L₁+L₂)L₃K_з], (6.2.2)

где K_з - коэффициент заполнения корпуса по объему.

3. 
   Определяется удельная мощность корпуса блока:
   

q_k= P / S_K, (6.2.3)

где P=10Вт - мощность, рассеиваемая в блоке.

4. 
   Определяется удельная мощность нагретой зоны:
   

q_з= P / S_з, (6.2.4)

5. 
   Находится коэффициент ₁ в зависимости от удельной мощностикорпуса блока:
   

₁= 0.1472q_k - 0.296210^-3 q_k²+0.312710^-6 q_k³, (6.2.5)

6. 
   Находится коэффициент ₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:
   

₂= 0.1390q_k - 0.122310^-3 q_k²+0.069810^-6 q_k³, (6.2.6)

7. 
   Находится коэффициент K_H1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока H₁:
   

K_H1= 0.82+(1 / (0.925+4.610^-5 H₁)) (6.2.7)

8. 
   Находится коэффициент K_H2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока H₂:
   

K_H2= 0.8+(1 / (1.25+3.810^-5H₂)), (6.2.8)

где Н₂ - давление внутри корпуса аппарата в Па.

9. 
   Рассчитывается перегрев корпуса блока:
   

_K = ₁ K_H1, (6.2.9)

10. 
    Определяется перегрев нагретой зоны:
    

_З = _k + (₂ - ₁)K_H2, (6.2.10)

11. 
    Определяется средний перегрев воздуха в блоке:
    

_в= 0.5·(_k+_З), (6.2.11)

12. 
    Определяется температура корпуса блока:
    

Т_к = _к+Т_с, (6.2.12)

13. 
    Определяется температура нагретой зоны:
    

T_з = _з+Т_с, (6.2.13)

14. 
    Находится средняя температура воздуха в блоке:
    

Т_В = _в+Т_с, (6.2.14)

Расчет теплового режима по приведенной методике производим на ЭВМ при помощи специальной программы. Результаты расчета приведены в приложении .

Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого прибора обеспечивается нормальный тепловой режим применяемых в нем радиоэлементов в процессе эксплуатации, т.е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин.

Таким образом, выбранная конструкция корпуса и естественного способа охлаждения путем конвекции воздуха не нуждается в изменении и применении в ней других способов охлаждения. Естественный способ охлаждения является наиболее легко реализуемые и требует минимальных затрат с экономической точки зрения по сравнению с другими способами охлаждения РЭА. Учитывая вышесказанное, окончательно выбираем герметичный корпус для разрабатываемого изделия.

3. 
   Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы. Выбор и обоснование методов изготовления печатной платы
   

6.3.1 Выбор и обоснование методов изготовления печатной платы
Метод изготовления печатной платы выбран на основании ОСТ 4 ГО 054. 043 и ОСТ 4 ГО 054. 058. В соответствии с ними существуют следующие методы: комбинированный (позитивный и негативный), химический, металлизация сквозных отверстий для изготовления многослойных печатных плат.

Исходя из особенностей электрической схемы, элементной базы разрабатываемого устройства и конструктивных характеристик печатных плат, изготавливаемых различными методами, выбираем комбинированный позитивный метод изготовления печатных плат.

Как было отмечено в техническом задании, схема электрическая принципиальная блока управления замком электромеханическим разделена на три функциональных блока. Каждый блок размещен на отдельной печатной плате. Трассировка плат ведется по двум сторонам, что упрощает разводку проводников и позволяет уменьшить размеры печатной платы. Монтажные отверстия должны иметь металлизацию.

При разработке печатной платы следует учитывать следующие рекомендации:

• 
  питающие проводники и «земля» должны иметь минимальное сопротивление и длину;
  
• 
  «сигнальные» проводники должны иметь минимальные участки, где они проходят параллельно;
  
• 
  размещение проводников на разных сторонах печатной платы желательно перпендикулярно или под углом 45.
  

Особые требования при разработке печатных плат предъявляются к контактным площадкам и ширине проводников.
6.3.2 Расчет конструктивно-технологических параметров

печатного монтажа
В данном разделе проводится расчет параметров печатного монтажа платы базового модуля. Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом и имеет 3-й класс точности.

Рассчитаем проводящий рисунок печатной платы.

Исходные данные:

• 
  размеры платы, мм, 140120
  
• 
  проводники на плате имеют покрытие сплавом «Розе».
  

Определим минимальный диаметр контактной площадки для отверстия под резисторы, расположенные на двухсторонней печатной плате второго класса точности.

Расчетная формула минимального диаметра контактной площадки имеет вид:

, (6.3.2.1)

где - номинальный диаметр металлизированного отверстия, равный 0.8мм;

- верхнее отклонение диаметра отверстия, равное 0мм при диаметре отверстия до 1мм (включительно) и 0,05мм при диаметре отверстия более 1мм;

- величина гарантийного пояска, равная 0,1мм;

- верхнее отклонение ширины проводника равное 0,1мм;

- диаметральное значение позиционного допуска расположения центра отверстия относительно номинального положения узла координатной сетки, равное 0,08мм;

- диаметральное значение позиционного допуска расположения контактной площадки относительно его номинального расположения, равное 0,15мм;

- нижнее предельное отклонение ширины проводника, равное 0.1мм.

Подставляя численные значения в формулу, имеем:

D=(0,8 + 0) + 2  0,1 + 0,1 + (0,08² + 0,15² + 0,1²)^0.5=1,297 (мм).

Таким образом, минимальный диаметр контактных площадок для металлизированных отверстий диаметром 0,8мм под выводы резисторов типа С2-23‑0.125, конденсаторов и д.р. равен 1,297мм.

Аналогично проводим расчет контактных площадок для отверстий диаметром 0,9; 1 и 1,2мм. Получаем диаметры контактных площадок 1,397; 1,497 и 1,747мм соответственно.

Проведем расчет платы базового модуля по постоянному току.

В результате расчета необходимо оценить наиболее важные электрические свойства печатной платы:

• 
  нагрузочная способность проводников;
  
• 
  сопротивление изоляции;
  
• 
  диэлектрическая прочность основания платы.
  

Исходные данные для расчета:

• 
  номинальное напряжение питания U_пит, В: 15 10%
  
• 
  допустимое падение напряжения в цепях питания U_пд,В: 1,5
  
• 
  ток потребляемый всеми элементами, установленными на плате, I, А: 1,5
  
• 
  максимальная длина печатного проводника для микросхем, L, м: 0.3
  
• 
  толщина фольги печатной платы, h, м: 3.510^-5
  
• 
  удельное сопротивление проводника на печатной плате, , Омм: 1.7210^-8
  

Определим минимальную ширину проводника для выбранных выше значений по формуле:
(6.3.2.2)

м.

Таким образом, для нормальной работы устройства ширина печатного проводника в цепях «питания» и «земли» должна быть не менее 1,510^-4м. Указанные цепи целесообразно выбрать шириной порядка 2мм.

Результаты расчета свидетельствуют о правильности выбора толщины фольги-, равной 35мкм. Толщина фольги выбиралась также с учетом максимальной адгезионной прочности печатной платы при расстоянии между печатными проводниками порядка 0.3...0.5мм максимально допустимое напряжение для текстолита, из которого изготовлена плата составляет не менее 50В. В данной принципиальной схеме модуля питания максимальное значение допустимого напряжения не превышает 15В, что более чем в 3 раза ниже допустимой величины. Таким образом, в разрабатываемой конструкции печатной платы обеспечивается с 3‑х кратным запасом диэлектрическая прочность основания платы.
6.4 Расчет механической прочности и системы виброударной защиты
Все виды РЭС подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭС, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭС. При разработке конструкции РЭС необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность элементов.

Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции достигается усилием конструктивной основы: контроля болтовых соединений, повышение прочности узлов методами заливки и обволакивания. Во всех случаях нельзя допустить образование механической колебательной системы.

Так как создаваемый прибор относится к наземной РЭС, то при транспортировке, случайных падениях и т.п. он может подвергаться динамическим воздействиям. Изменения обобщенных параметров механических воздействий на наземную РЭА находятся в пределах:

• 
  Вибрации: (10...70)Гц, виброперегрузка n=(1...4)g;
  
• 
  Ударные сотрясения: n_y=(10...15)g, длительность t=(5...10)мс;
  
• 
  Линейные перегрузки: n_л=(2...4)g.
  

Несущие конструкции типа плат, панелей, шасси, каркасов, стоек и рам, работающие в условиях вибраций, должны удовлетворять требованию вибропрочности.

Расчет на вибропрочность несущих конструкций типа плат сводится к определению наибольших напряжений исходя из вида деформации, вызванной действием вибраций в определенном диапазоне частот, и сравнением полученных значений с допустимыми.

Этот расчет можно свести к нахождению собственной частоты колебаний , при которой плата с определенными размерами и механическими характеристиками имеет прогибы и напряжения в пределах допустимых значений. При этом частота колебаний платы не должна быть близка к ее резонансной частоте.

Для расчета частоты собственных колебаний платы с расположенными на ней ЭРЭ существенным является выбор характера ее закрепления по контуру.

Крепление пластин к опоре может быть жёстким или подвижным. Всякое закрепление (когда нет угловых и линейных перемещении) соответствует сварке, пайке, прижиму или закреплению винтами. Шарнирной опоре соответствует закрепление в направляющих и в некоторых случаях закрепление винтами или разъемом.

Используя эти данные, проведем проверочный расчет платы блока управления на виброустойчивость. Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибрации.

Собственная частота колебаний монтажных плат с распределённой нагрузкой определяется по формуле:

, (6.4.1)

где - коэффициент, зависящий от способа закрепления, определя­ется по таблицам;

D - цилиндрическая жёсткость пластины (платы), определяется

по формуле (6.4);

а - длина пластины (платы);

b - ширина пластины (платы);

М - масса пластины (плат с ЭРЭ).

Цилиндрическая жёсткость пластины (платы) определяется по формулам:

, (6.4.2)

где E – модуль упругости;

h – толщина пластины (плат);

– коэффициент Пуассона;

Для инженерных расчётов более удобно при закреплении пластин (плат) по углам в четырёх точках собственную частоту определять по формуле:

, (6.4.3)

Методика такого расчёта приведена в [10].

При определении собственной частоты платы базового модуля блока управления в первую очередь определим цилиндрическую жёсткость платы по формуле (6.4.2), подставив следующие исходные данные: h = 1,5 · 10 м; E= 3,02 · 10 Па ( Е выбрали из таблицы 4.16[10]).

D = 3,02 · 10 · (1,5 · 10 ) / 12 · (1 – 0,22²) = 8,926 Па.
Теперь no формуле (6.4.3) определим собственную частоту, подставив следующие исходные данные: а = 0.14 м; b=0.12 м и М = 0.55 кг.

= 95,1 Гц

Судя по условиям эксплуатации и особенностям блока управления следует отметить, что в использовании демпферов и частотной отстройки, конструкция не нуждается.

Таким образом расчет показал, что плата базового модуля электромеханического замка будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибрации.

6.5 Полный расчет надежности

Исходными данными для расчета являются значения интенсивностей отказов всех радиоэлементов и элементов конструкций.

Расчет надежности устройства состоит из следующих этапов:

• 
  Определяется суммарное значение интенсивности отказов по формуле:
  

,час^-1 (6.5.1)

где n - число наименований радиоэлементов и элементов конструкции устройства;

- величина интенсивности отказа i‑го радиоэлемента, элемента конструкции с учетом заданных для него условий эксплуатации: коэффициента электрической нагрузки, температуры, влажности, технических нагрузок и т.п.;

N_i - количество радиоэлементов, элементов конструкции i‑го наименования.

• 
  Определяется значение величины наработки на отказ T по формуле:
  

, (6.5.2)

• 
  Определяется значение вероятности безотказной работы P(t) по формуле:
  

(6.5.3)

где t - заданное время безотказной работы устройства в часах.

Полученные результаты сравниваются с заданными.
Таблица 6.5.1 – Справочные и расчетные данные об элементах конструкции.

Наименование, тип элемента		Kнi				Ni
1	2	3	4	5	6	7
Конденсаторы К50‑35	0,045	0,625	0,55	2,0	0,49	5
МO21	0,05	0,006	0,06	2,0	0,06	13
Микросхемы ЭКР1830ВЕ31 D27C64	0,08	0,65	0,8	0,045	0,03	2
ЭКР1568РР1 ЭКР1554ИР22 К561ТЛ1 КР142ЕН5А	0,07	0,8	1,0	0,05	0,035	5
Окончание таблицы б.5.1
1	2	3	4	5	6	7
Резисторы С2‑23	0,01	0,03	0,4	2,0	0,08	37
Предохранители ВП1	0,5	0,2	0,5	2,0	5,0	4
Трансфоматор	0,05	0,1	0,1	2,0	0,1	1
Реле РЭС-49	0,6	0,25	0,6	1,0	3,6	1
Транзисторы КТ 3107 КТ 3102	0,12	0,04	0,2	2,0	0,48	8
КТ 973	0,015	0,04	0,2	2,0	0,06	3
Диоды КД243	0,015	0,512	1,0	2,0	0,3	9
Диоды КД522	0,013	0,5	1,0	2,0	0,26	14
Диоды КС147	0,09	0,5	1,0	2,0	1,8	1
Светодиоды АЛ307В	0,07	0,35	0,8	2,0	1,12	3
Аккумулятор	1,4	0,2	0,3	2,0	8,4	1
Головка динамическая	2	0,2	0,2	2,0	8	1
Провода соединительные	0,03	0,001	2	2,0	1,2	6
Плата печатная	0,02				0,2	3
Держатель предохранителя	0,02	0,001			0,2	8
Соединение пайкой	0,004	0,001	3,00	2,0	0,24	262

Примечания:

- априорная номинальная интенсивность отказов при температуре окружающей среды 20⁰С и коэффициенте нагрузки K_Hi=1;

- коэффициент, зависящий от температуры и коэффициента нагрузки K_Hi;

- коэффициент, учитывающий климатические и механические нагрузки;

- расчетная величина интенсивности отказов по i‑му радиоэлементу, элементу конструкции, час^-1;

N_i - число элементов i‑ой группы.

Расчетная величина интенсивности отказов I‑го элемента, приведенная в таблице 6.5.1, определяется по формуле:
, час^-1. (6.5.4)

Расчет выполняется для периода нормальной эксплуатации при следующих допущениях:

• 
  Отказ элементов случаен и независим;
  
• 
  Учитываются только внезапные отказы;
  
• 
  Имеет место экспоненциальный закон надежности устройства.
  

Расчет надежности проводим при помощи персонального компьютера.

Полученные значения приведены в приложении .

наработка на отказ Т=66881.6 час

вероятность безотказной работы P(t)= 0.9015

Полученное значение наработки на отказ превышает заданное, равное 20000 часов, что гарантирует надежную работу разрабатываемого прибора.
6.6 Расчет технологичности изделия
Основным критерием, определяющим пригодность аппаратуры к промышленному выпуску, является технологичность конструкции.

Под технологичностью конструкции (ГОСТ 18831-83) понимают совокупность ее свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями конструкций изделий того же назначения при обеспечении заданных показателей качества.

Номенклатура показателей технологичности сборочных единиц и блоков РЭА установлена отраслевым стандартом. В соответствии с ним все блоки РЭА условно разбиты на 4 класса:

1) радиотехнические;

2) электронные;

3) электромеханические;

4) коммутационные.

Для каждого класса установлены свои показатели технологичности в количестве не более 7. Расчет комплексного показателя технологичности конструкции проводится по формуле:

(6.6.1)
где S - общее количество относительных частных показателей.
Блок управления относится к радиотехническому.

Коэффициент механизации и автоматизации подготовки ЭРЭ к монтажу К_м.п.ЭРЭ определяется по формуле:
(6.6.2)
где - количество ЭРЭ в штуках, подготовка которых осуществляется механизированным или автоматизированным способом;

- общее количество ЭРЭ в штуках.

В данном блоке все ЭРЭ подготавливаются автоматизированным путем, поэтому К_м.п.ЭРЭ = 1.

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия К_а.м. определяется по формуле:
(6.6.3)
где - количество монтажных соединений, которые осуществляются механизированным или автоматизированным способом;

- общее количество монтажных соединений.
= 106; = 148.
К_а.м. =106  148=0,725.
Коэффициент сложности сборки К_с.сб. определяется по формуле:

(6.6.4)
где - количество типоразмеров сборочных единиц, входящих

в изделие и требующих регулировки или подгонки в процессе сборки;

- общее количество типоразмеров сборочных единиц.
Так как, = 0, следовательно = 1.
Коэффициент механизации и автоматизации операций контроля и настройки электрических параметров К_м.к.н. определяется по формуле:
(6.6.5)
где - количество операций контроля и настройки,

которые осуществляются механизированным или автоматизированным способом;

- общее количество операций контроля и настройки.
H_м.к.н. = 2; H_к.н. = 4, следовательно, по формуле (6.6.5):
= 2  4 =0,5
Коэффициент прогрессивности формообразования деталей К_ф определяется по формуле:

(6.6.6).

где - количество деталей в штуках, которые получены прогрессивными методами формообразования;

- общее количество деталей в изделии в штуках.

Д_пр = 7, Д = 8, следовательно, по формуле (6.6.6):

= 7  8 = 0,875

Коэффициент повторяемости ЭРЭ К_{пов.ЭРЭ} определяется по формуле:

(6.6.7)
где - количество типоразмеров ЭРЭ в изделии, определяемое габаритным размером ЭРЭ;

Н_Т.ЭРЭ = 11; Н_ЭРЭ = 67.
= 1 – 11  67 = 0,835
Коэффициент точности обработки деталей К_ТЧ определяется по формуле:
(6.6.8)
где - количество деталей, имеющих размеры с допуском по квалитету и ниже в штуках.

Д_ТЧ = 8; Д = 8.
Комплексный коэффициент технологичности рассчитывается по формуле (6.6.1).

Результаты расчета сведены в таблицу 6.6.1

Таблица 6.6.1 - Расчет комплексного показателя технологичности.

Показатели технологичности	Обознач.
1.Коэффициент механизации подготовки ЭРЭ к монтажу.		1.0	1.0
2.Коэффициент механизации и автоматизации монтажа изделия.		1.0	0.725
3.Коэффициент сложности сборки.		0.75	0.75
4.Коэффициент механизации контроля и настройки.		0.5	0.25
5.Коэффициент прогрессив­ности формообразования деталей		0.31	0.271
6.Коэффициент повторяемос­ти ЭРЭ		0,187	0.108
7.Коэффициент точности обработки		0,11	0,11
Сумма		3.857	3.214
Комплексный коэффициент технологичности			0,77

Нормативный показатель технологичности для установочной серии находится в пределах: К_Н = 0.75...0.8. Отношение К/К_Н > 1, следовательно, технологичность конструкции блока достаточная.

7 Обоснование выбора средств автоматизированного проектирования

7.1 Применение ЭВМ и САПР в курсовом проектировании
САПР – наилучшая форма организации процесса проектирования‚ основными частями которой являются технические средства, общее и специальное программное и математическое обеспечения, информационное обеспечение – банк данных, справочные каталоги, значения параметров, сведения о типовых решениях. Проектирование РЭА и создание оптимального технического решения в сжатые сроки связано с большими трудностями. Один из путей преодоления этих трудностей без существенного увеличения численности работающих  использование возможностей современных ЭВМ.

Под проектированием в широком смысле понимают использование имеющихся средств для достижения требуемой цели, координацию составных частей или отдельных действий для получения нужного результата. Процесс проектирования сложного РЭУ включает следующие основные этапы: эскизное проектирование, техническое проектирование, разработка КД на опытные образцы и их изготовление, испытания, освоение в производстве.

В связи с совершенствованием элементной базы РЭА, а также конструктивно-технологических характеристик проектируемых модулей всех типов, в несколько раз увеличивается трудоемкость составления технической документации. Все это приводит к необходимости совершенствования методов конструкторского проектирования РЭА, основой которых является автоматизация процесса конструирования.

Количественный и качественный выигрыш от применения ЭВМ состоит в следующем:

а) полностью или частично отпадает необходимость: в затратах на комплектующие изделия, материалы и конструктивные элементы, необходимые для изготовления макета; в измерительных приборах для определения характеристик конструкции; в оборудовании для испытаний конструкций.

б) значительно сокращается время определения характеристик, а следовательно, и доводки конструкции

в) появляется возможность: разрабатывать конструкции, содержащие элементы, характеристики которых известны, но самих элементов нет у разработчика; имитировать воздействия, воспроизведение которых при натурных испытаниях затруднено, требует сложного оборудования, сопряжено с опасностью для экспериментатора, а иногда и вообще невозможно; проводить анализ конструкции на разных частотах или в области высоких или низких температур, где применение измерительных приборов становится затруднительным.

7.2 Перечень и содержание конструкторских работ, выполненных с применением САПР
В данном курсовом проекте в ППП PCAD были выполнены чертежи схемы электрической принципиальной и печатной платы базового модуля. Чертежи деталей, схемы электрической структурной и сборочный чертеж базового модуля БУ были выполнены в ППП AutoCAD.
8 Анализ и учет требований эргономики и технической эстетики

Максимально допустимые размеры ЛП определяются исходя из горизонтального и вертикального угловых размеров зоны периферического зрения оператора и требуемого расстояния l до ЛП [17, рис. 2.1]. Максимальная длина ЛП равна:
, (8.1)
где _гор- горизонтальный угол обзора ЛП.

Максимальная высота
, (8.2)

где _верт- вертикальный угол обзора ЛП.

Для зоны периферического зрения оператора принимают_гор = 90, _верт =75. Применительно к разрабатываемому устройству l = 0,8 м при общем числе элементов N_эл = 2. Тогда
м.

м.
Минимально допустимые размеры ЛП определяются из следующих соображений. В соответствии с эргономическими требованиями в поле зрения, ограниченном углом зрения 10, должно размещаться 4...8 элементов ЛП (для расчета принимаем 4 элемента). Тогда площадь зрения S_пз на ЛП, ограниченная указанным углом 10, может быть вычислена по формуле
. (8.3)

м².
При числе элементов N_эл, размещаемых на ЛП, минимальная площадь ЛП, удовлетворяющая эргономическим требованиям, равна
. (8.4)

м².
Фактическую площадь ЛП выбирают, как

, (8.5)

где К_ЛП - коэффициент использования площади, обычно равный

К_ЛП = 0,4...0,7. Для разрабатываемой панели примем К_ЛП = 0,5.