Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Конструирование блока индикации

Введение

Во второй половине ХХ в. произошел переход от машинно-технической революции к научно-технической, которая характеризуется широким использованием наукоемких технологий. В начале третьего тысячелетия сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации.

Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции. Непрерывный рост наукоемкости сварочного производства способствует повышению качества продукции, ее эффективности и конкурентоспособности.

Сегодня сварка применяется для неразъемного соединения широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в условиях земной атмосферы, Мирового океана и космоса. Несмотря на непрерывно увеличивающееся применение в сварных конструкциях и изделиях легких сплавов, полимерных материалов и композитов, основным конструкционным материалом остается сталь. Именно поэтому мировой рынок сварочной техники и услуг возрастает пропорционально росту мирового потребления стали. К началу ХХI в. он оценивается примерно в 40 млрд. долларов, из которых около 70 % приходится на сварочные материалы и около 30 % – на сварочное оборудование.

Сегодня сварка - широко распространенный технологический процесс, применяемый не только во многих отраслях промышленности, но и при монтаже, ремонтных работах и в быту. Для решения всевозможных технологических задач требуется профессиональное сварочное оборудование.

Одним из основных направлений развития сварочной отрасли являются - инверторные сварочные аппараты. Принцип работы в отличие от традиционных аппаратов трансформаторного типа заключается в изменении входного сигнала на противоположный. Изменение этого сигнала происходит при помощи цифрового высокопроизводительного процессора.

Такой аппарат обладает рядом преимуществ по сравнению с моделями традиционных источников питания, поэтому так популярен и распространен. Легкие и компактные они обеспечивают мобильность при проведении работ в труднодоступных местах и на высоте. Сварочные инверторы имеют высокий КПД. Это позволяет аппаратам данного типа быть более экономичным по затратам электроэнергии.
Стабильность работы сохраняется даже при значительных перепадах напряжения в электросети.
Таким образом, инвертор - сварка с учетом современных требований и тенденций развития промышленного производства, простота, гибкость и эффективность.

В настоящее время, на основе инверторных преобразователей уже серийно выпускаются многофункциональные сварочные аппараты. Наибольшее распространение получили аппараты совмещающие сварку MMA + TIG + CUT или MIG/MAG + TIG + MMA. Встречаются и другие комбинации. Суть дела в том, что инверторная схема позволяет, что называется "на ходу" менять тип внешних ВАХ (вольт-амперных характеристик) источника питания. Именно тип ВАХ является основным свойством источника для того или иного вида сварки. И если обычный аппарат предназначен, например, для сварки MIG/MAG, то штучным электродом он варить не будет. А инверторная схема - другое дело. Здесь и тип ВАХ и другие параметры легко перенастраиваются под требуемый, в данный момент, вид сварки.

Данный дипломный проект, а именно блок индикации упрощает настройку до минимума. Все функции, режимы и настройки представленные в сварочном аппарате изменяются нажатием соответствующих кнопок или регуляторов. Пара цифровых индикаторов дают возможность контролировать установленные и реальные значения сварочного тока, что позволяет пользоваться аппаратом даже новичку сварочного дела.

1. Технико-экономическое обоснование темы проекта.

Блок индикации, разрабатываемый в данном дипломном проекте, служит для тонкой настройки и цифровой индикации сварочного аппарата постоянного тока ФОРСАЖ 200-ПА. Экономическая выгода – в самой сути устройства, которое позволяет упростить общение со сварочными аппаратами за счет простой и наглядной настройки, что позволяет использовать сварочные аппараты для бытовых целей обычными гражданами не имеющих особых навыков в сварочном деле, а это позволяет повысить продажу аппаратов оснащенных блоком индикации.

Высокая надежность изделия и его долговечность, ведет к сокращению затрат на ремонт и убытков от простоев в ремонтах, одновременно растет и время полезного использования устройства, а значит, и производимый им полезный объем работы.

Блок индикации небольших размеров и эргономично встроен в специально измененный корпус сварочного аппарата для более удобного использования. Использование большого количества стандартных и унифицированных элементов дает возможность значительно снизить затраты на изготовление оснастки для оригинальных деталей.

Элементная база в основном собрана из сравнительно недорогих и долговечных электрорадиоэлементов, что обеспечивает снижение стоимости самого устройства, а также снижает затраты на приобретение комплекта запасных частей и затраты, связанные с резервированием.

2. Краткие сведения о принципе работы устройства.

Устройство предназначено для фиксации, индикации, контроля, регулирования основных параметров, функций и режимов аппарата сварочного постоянного тока ФОРСАЖ-200ПА. На лицевой панели расположены ряд кнопок и регуляторов с помощью которых и ведется настройка работы аппарата. Принципиальная схема платы индикации данного устройства приведена в приложении 1. Работу блока индикации можно представить следующим образом.

С помощью регулятора «U / » и цифрового индикатора «V» возможно изменение/отображение выходного напряжения аппарата в режиме «MIG/MAG», а совмещенной с ним кнопкой осуществляется включение продува шланга подачи защитного газа перед началом работы.

Регулятор «I / / t» и цифровой индикатор «A» предназначены для изменения/отображения скорости подачи сварочной проволоки в режиме «MIG/MAG» и выходного сварочного тока в режиме «MMA», а совмещенная с ним кнопка предназначена для включения мотора-редуктора при протяжке сварочной проволоки в том же режиме, так же происходит отображение установки значений tпр, tр, tпс и L в режиме «MIG/MAG»

Кнопка « ▲ » и индикаторы предназначены для переключения режима работы аппарата «MIG/MAG / MMA»

Кнопка « ▲ » и индикаторы предназначены для переключения режима управления работой аппарата с кнопки на сварочной горелке в режиме «MIG/MAG» - «2Т/4Т» - двухтактный/четырехтактный

Кнопка и индикатор «1/L» для записи/загрузки программы №1 и изменения значения L; кнопка и индикатор «2/tпр» для записи/загрузки программы №2 и изменения значения времени предгаза tпр; кнопка и индикатор «3/tр» для записи/загрузки программы №3 и изменения значения времени заварки кратера tр; кнопка и индикатор для «4/tпс» записи/загрузки программы №4 и изменения значения времени постгаза tпс; кнопка « # » для записи программы в память микроконтроллера аппарата и включения индикации выходного напряжения и сварочного тока, измеренных за 2 с, не более, до окончания сварки.

3. Расчет конструкции.

3.1. Обоснование конструктивного решения.

В настоящее время возрастает сложность РЭА, перед конструкторами встают новые задачи. Именно от конструкции РЭА в значительной степени зависит качество и эффективность использования аппаратуры, ее надежность и функциональные возможности, стоимость производства и эксплуатации.

Конструирование – это процесс выбора и отражения в технических документах структуры, размеров и формы, материалов и внутренних связей проектируемого устройства.

При конструировании изделий РЭА кроме пространственных и механических взаимосвязей, необходимо учитывать сложные электрические связи, ограничивать электромагнитные и тепловые поля, учитывать возможность искажения полезных сигналов, появления помех.

Конструирование РЭА зависит от большого количества факторов, основными из которых являются: функциональное назначение аппаратуры, объект установки, условия эксплуатации, эксплуатационные требования, производственно-технологические требования, экономические показатели. При разработке конструкции, полностью удовлетворяющей заранее поставленным требованиям и в процессе конструирования необходимо учитывать эти и еще ряд факторов.

При проектировании каждого РЭА, которым будет управлять оператор, необходимо учитывать комплекс требований, отображающих особенности человека-оператора. Этот комплекс включает в себя:

антропометрические показатели (определяют соответствие изделия форме и размерам тела человека);
физиологические показатели (определяют соответствие изделия основным силовым, скоростным, зрительным и другим возможностям человека);
психологические показатели (определяют возможности человека по восприятию и переработке информации);

гигиенические показатели (определяют внешние условия, в которых работает оператор – освещенность рабочего места, температура, шумы, вибрация и другие).

Блок индикации разработан в соответствии с ТЗ, с обеспечением заданных габаритно-присоединительных размеров. Конструктивно корпус устройства состоит из кронштейна к которому крепится винтами передняя панель (лицевая), сзади устанавливается защитный экран. Внутри конструкции с помощью винтов к кронштейну крепится печатная плата, на которой смонтированы элементы схемы.

Контакты печатной платы подключаются к соответствующим гнездам и разъемам, расположенным на боковых панелях корпуса, проводами и жгутами. Органы управления (два регулятора, семь кнопок), индикации (два цифровых индикатора, восемь светодиодов) расположены на лицевой панели устройства.

При разработке устройства учтены требования по обеспечению безопасности труда при изготовлении и эксплуатации блока в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.309-98. В конструкции устройства отсутствуют элементы, изготовленные из легковоспламеняющихся и токсичных материалов.

3.2 Выбор материалов конструкции блока и покрытий.

Для любого изделия выбор материалов для изготовления деталей является важной задачей, так как материал определяет многие параметры получаемых деталей и узлов.

Основными материалами для создания конструкции РЭА в условиях мелкосерийного и единичного производства являются стали и алюминиевые сплавы. Применение пластмасс в мелкосерийном производстве экономически не оправдано из-за сложности и высокой стоимости изготовления пресс-форм, а так же из-за необходимости заземления корпуса устройства - это одно из обязательных требований к бортовой и космической РЭА.

Правильный выбор материала может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей с учетом следующих факторов:

Материал является основой конструкции, то есть определяет способность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических факторов.
Материал определяет технологические характеристики детали, так как обрабатывается определенными технологическими методами.
От свойств материалов зависит точность изготовления детали. Точность штампованных гнутых изделий зависит от упругих свойств материала. От точности изделия зависит точность узла или прибора, куда оно входит.
Материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность. Детали, выполненные из стойких к окислению материалов, в определенных условиях могут эксплуатироваться годами.

На основе вышеприведенных факторов для корпуса устройства была выбрана сталь 20пс в силу её низкой стоимости, хорошей обрабатываемости и надежности.

3.2.1 Характеристики материала сталь 20пс.

Классификация: Сталь конструкционная углеродистая качественная

Механические свойства при Т=20 °С указаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Механические свойства 20пс.

Сортамент

σ_В, МПа

σ_T, МПа

δ, %

HB∙10^-1, МПа

Прокат горячекатаный,

до 20 мм

370-480

245

163

Здесь σ_В– предел кратковременной прочности, [МПа],

σ_T– предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа],

δ – относительное удлинение при разрыве, [ % ],

HB – твердость материала по Бринеллю, [МПа].

3.2.2. Характеристики материал-заменителя: ФС-2-35-2,0; ФС-2-50-2,0 . (стеклотекстолита).

Предельно-допустимая рабочая температура: от -60° до +105 °С.

Прочность на отслаивание фольги, Н (на ширину 3 мм) указана в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Прочность на отслаивание фольги

Наименование показателя	Норма, не менее, Н
1. В исходном состоянии	4,5
2. После воздействия гальванического раствора	3,3
3. После воздействия теплового удара [20с (260⁺⁵_-0)°С кремнийорганич. жидкость]	4,2

Электрические и физико-механические показатели указаны в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Электрические и физико-механические показатели

Наименование показателя	Значение
1. Водопоглощение, мг, не более, для толщин, мм:
От 0,5 до 1,5	20
2,0	21
2,5	22
3,0	25
2. Поверхностное электрическое сопротивление, Ом, не менее, после кондиционирования в условиях:
а) 96 ч/40°С/93%	5,0∙1010
б) 1 ч/125°С/20%	1,0∙109

Продолжение таблицы 3.3

Наименование показателя	Значение
3. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом∙м, не менее, после кондиционирования в условиях
а) 96 ч/40°С/93%	1,0∙1010
б) 1 ч/ 125°С/20%	1,0∙109
4. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц после кондиционирования в условиях 96 ч/40°С/93%, не более	0,035
5. Диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц после кондиционирования в условиях 96 ч/40°С/93%, не более	5,5
6. Время устойчивости к воздействию теплового удара при t 260°C, с, не менее	30
7. Стойкость к кипячению в воде, ч (только для стеклотекстолита марки СТФ)	1,5
8. Степень штампуемости, не более, для толщины, мм:
0,8	2,0
1,0	1,5
1,5	1,0
2,0	1,0
9. Горючесть (только для стеклотекстолита марки СТНФ)
Класс горючести	V₀

3.2.3 Металлические и неметаллические неорганические покрытия.

Для улучшения свойств материала деталей (прочности, твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и др.) при изготовлении РЭС широко применяют различные покрытия. В данной разработке для стальных деталей корпуса будет использовано цинковое покрытие (Ц6.хр).

Цинковое покрытие является анодным по отношению к черным металлам и защищает сталь от коррозии электрохимически при температурах до 70°С, при более высоких температурах-механически.

Для повышения коррозионной стойкости цинковое покрытие хроматируют и фосфатируют. Хроматирование одновременно улучшает декоративный вид покрытия. Хроматная пленка механически непрочная.

Покрытие обладает прочным сцеплением с основным металлом, низким сопротивлением механическому истиранию и повышенной хрупкостью при температурах выше 250°С и ниже минус 70°С; матовое покрытие выдерживает гибку, развальцовку. Покрытие обладает низкой химической стойкостью к воздействию продуктов, выделяющихся при старении органических материалов.

3.2.4 Лакокрасочные покрытия.

Для данного устройства выбраны следующие защитно-декоративные лакокрасочные покрытия (они наносятся после цинкования).

Эмаль ЭП-572, белая, черная. Она обладает прочностными, защитными, декоративными свойствами и предназначается для нанесения маркировки на серебро, медь, титан, сталь, аллюминий, полистирол, оргстекло, текстолит, гетинакс, керамику. Покрытие расчитано на рабочую температуру от - 60 до 250° С

Эмаль ЭП-140, черная - используется для покрытия передней панели. Она несет функциональные (защитные) и эстетические свойства. Используется для покраски загрунтованных объектов из меди, стали, титановых и алюминиево-магниевых сплавов.

Для лакировки печатных плат, а также в качестве защитного покрытия надписей на панелях устройства используют лак ЭП-730. Этот лак применяется для защиты алюминиевых, стальных и неметаллических поверхностей изделий, работающих в условиях повышенной влажности, температуры, воздействия растворов щелочи, спирто-бензиновой смеси.

Для облегчения условий сборки изделия, а также для нанесения на поверхность печатной платы информации о заводском номере, наименовании изделия и т.д. используются специальные маркировочные композиции. Для маркировки используется стандартная маркировочная краска МКЭ.

3.2.5 Характеристики припоев.

Для установки электрорадиоэлементов необходимо выбрать марки припоев и флюсов.

Для монтажа элементов, монтируемых в отверстия, будем использовать припой ПОС-61 ГОСТ 21930-76 с применением бескислотного флюса на основе канифоли. Состав и свойства припоя приведены в таблице 3.2.4.

Таблица 3.4. Свойства припоя ПОС-61

Марка припоя

Основные компоненты

Плотность,

кг / м³× 10³

Предел прочности при растяжении, МПа

Температура плавления, °С

ПОС-61

Sn-61%,

Sb-0,15%,

Pb-остальное

8,2

32,0

183-190

3.3. Расчет конструктивных элементов печатной платы.

При выборе типов ЭРЭ исходят из требований ТЗ и принципов работы схемы, из которых определяющими являются:

· номинальные значения, мощность, рабочее напряжение элементов, приведенных в схеме;

· условия эксплуатации изделия;

· технические требования к конструкции изделия;

На основе данных требований следует придерживаться следующих рекомендаций.

Необходимо применять в первую очередь стандартные и унифицированные элементы, а также другие изделия массового или серийного производства. Стандартные элементы выбираются по данным официальных справочников.

Выбор ЭРЭ производится путем сопоставления технических условий на них с условиями применения элементов в изделии. При выборе элементов следует придерживаться предельных значений параметров окружающей среды.

При предельных температурах не должны происходить необратимые изменения параметров элементов, а также сами материалы ЭРЭ не должны разрушаться.

С учетом вышеизложенного и руководствуясь схемой электрической принципиальной и перечнем элементов схемы электрической принципиальной для платы преобразователя выберем элементы в ДИП исполнении.

В схеме применяются:

1.Конденсаторы.

1.1. CAP SMD-0805-X7R

Основные параметры:

Область рабочих температур: -55~+125 °C ,

Максимальное напряжение: 250 В ,

Диапазон возможных емкостей: 100 пФ — 22 нФ ,

Допустимые отклонения емкостей от номинала: 5*, 10 % ,

Рабочее напряжение: 25 В ,

Номинальная емкость: 1 мкФ ,

Габаритные размеры:

Рис. 3.1 Вид конденсатора CAP SMD-0805-X7R

1.2 ELV-47uF

Основные параметры:

Область рабочих температур: -40~+85 °С ,

Максимальное напряжение: 250 В ,

Диапазон возможных емкостей: 0,1–1000 мкФ ,

Допустимые отклонения емкостей от номинала: ±20% при 20 °С ,

Рабочее напряжение: 10 В ,

Номинальная емкость: 47 мкФ ,

Габаритные размеры:

Рис. 3.2 Вид конденсатора ELV-47uF

2.Микросхемы.

2.1. STLED316SMTR

Основные параметры:

Сфера применения: LED Controller with Keyscan, 6-Digit ,

Интерфейс подключения: Последовательный ,

Напряжение питания: 4.5 V ~ 5.5 V ,

Корпус: 24-SOIC (7.5мм ширина) ,

Область рабочих температур: -40~+85 °С ,

Тип монтажа: Поверхностный .

Рис. 3.3 Вид микросхемы STLED316SMTR

3.Индикаторы.

3.1.Индикатор A-363G

Основные параметры:

Материал: GaP,

Цвет: Зеленый,

Длина волны: 565 нм,

Vf при 20 мА: Тип.: 2.1 В, Макс.: 2.8 В,

Iv при 10 мА: 1600 мкКд.

3.2.Индикатор A-363SR

Основные параметры:

Материал: GaAlAs ,

Цвет: Супер красный,

Длина волны: 660 нм,

Vf при 20 мА: Тип.: 1.8 В, Макс.: 2.4 В,

Iv при 10 мА: 5000 мкКд.

Рис. 3.4 Вид индикаторов A-363.

4.Светодиоды.

4.1.Светодиод L-7104SGC

Основные характеристики:

Цвет: Зеленый,

Длина волны: 568 нм,

Тип объектива: Прозрачный,

Угол обзора: 34º.

4.2.Светодиод L-7104SEC-H

Основные характеристики:

Цвет: Оранжевый,

Длина волны: 625 нм,

Тип объектива: Прозрачный,

Угол обзора: 34º.

4.3.Светодиод L-7104SYC

Основные характеристики:

Цвет: Желтый,

Длина волны: 590 нм,

Тип объектива: Прозрачный,

Угол обзора: 34º.

Рис. 3.5 Вид светодиодов L-7104.

5.Резисторы.

5.1.ЧИП-резистор 0805 360Ом±5%

Основные характеристики:

Номин.сопротивление: 360 Ом,

Точность: 5 %,

Номин.мощность: 0.125 Вт,

Макс.рабочее напряжение: 150 В,

Длина корпуса L: 2 мм,

Ширина (диаметр) корпуса W(D): 1.25 мм,

Диапазон рабочих температур: -55 ...+ 125 °C.

5.2.ЧИП-резистор 0805 10кОм±5%

Основные характеристики:

Номин.сопротивление: 10 кОм,

Точность: 5 %,

Номин.мощность: 0.125 Вт,

Макс.рабочее напряжение: 150 В,

Длина корпуса L: 2 мм,

Ширина (диаметр) корпуса W(D): 1.25 мм,

Диапазон рабочих температур: -55 ...+ 125 °C.

5.3.ЧИП-резистор 0805 2кОм±5%

Основные характеристики:

Номин.сопротивление: 2 кОм,

Точность: 5 %,

Номин.мощность: 0.125 Вт,

Макс.рабочее напряжение: 150 В,

Длина корпуса L: 2 мм,

Ширина (диаметр) корпуса W(D): 1.25 мм,

Диапазон рабочих температур: -55 ...+ 125 °C.

Рис. 3.6 Вид ЧИП-резистор 0805.

3.3.1. Выбор ширины проводников.

Исходя из технологических возможностей производства выберем для производства платы комбинированный позитивный вариант химического способа изготовления. Этот метод сочетает в себе субтрактивный и аддитивный методы, т.е. основан как на операции нанесения проводящего слоя, так и на операции травления излишней металлизации. Металлизацию отверстий проводят электрохимическим методом, а проводящий рисунок схемы получают травлением меди с пробельных мест.

Из условий имеющегося оборудования примем шаг координатной сетки равным 1,25 мм.

Основные параметры (размеры и допустимые отклонения) проводников и зазоров между элементами проводящего рисунка оговорены в ГОСТ 23751-86 [ ] и непосредственно зависят от принятого класса точности печатной платы. Минимальная ширина проводников и величина зазоров являются определяющими факторами, влияющими на трассировочную способность печатной платы. Однако это относится только к слаботочным цепям. Цепи (проводники), несущие достаточно большие токовые нагрузки, следует конструировать с учетом конкретной токовой нагрузки из условий исключения опасного перегрева этих проводников.

ГОСТ 23751-86 устанавливает допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка, выполненные из медной фольги. Это значение лежит в интервале 100...250 А/мм². Обычно нижний предел принимается для внутренних проводников многослойных печатных плат, а верхний - для наружных слоев. Считается, что теплообмен проводников на наружных слоях лучше, и они способны пропускать большие токовые нагрузки без опасного перегрева.

В ряде случаев, чтобы оценить нагрузочную способность печатных проводников, рекомендуется пользоваться Руководящим Документом РД50-708-91 [ ], где в пункте 5.2.2 записано, что предельный ток для проводника шириной 1 мм и толщиной 35 мкм при перегреве на 20 град. Цельсия должен быть не более 3 А. С помощью этих данных легко рассчитать приближенную нагрузочную способность проводников любой ширины.

Конструирование блока индикации 📙 Дипломная → 🆔 8056