Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

     ГОУ ВПО Рязанская Государственная  радиотехническая академия

     Кафедра УКиС

 
 
 
 
 
     Факультет ИЭФ К защите

 
 
 
 
 
     Специальность 200503  Зав. кафедрой  / /

 
 
 
 
 
           « » 2005 г.

     Пояснительная записка

     К выпускной квалификационной работе бакалавра

     «Использование  статистических методов в производстве полосовых фильтров»

 
 
 
 
 
     Дипломник Расходчикова Елена Николаевна  ( )

 
 
 
 
 
     Руководитель проекта  Сырмолотнов Иван Егорович  ( )

     « » октября 2005 г

      Федеральное агентство по образованию  Российской Федерации

     ГОУ ВПО Рязанская Государственная  радиотехническая академия

     Кафедра УКиС

           Утверждаю  « » 2005 г.

           Зав. кафедрой

     Задание

     На  выпускную квалификационную работу бакалавра

     Студент Расходчикова Елена Николаевна   группа 154

1. Тема работы: "Использование статистических методов в производстве полосовых фильтров".
2. Срок сдачи студентом законченной работы 21 октября 2005 года

     Руководитель  работы ктн. доц. Сырмолотнов Иван Егорович

3. Исходные данные к работе:
1. Технологический процес производства полосовых фильтров
2. ГОСТ Р 50779.41-96 (ИСО 7873-93) Статистические методы. Контрольные карты для арифметического среднего с предупреждающими границами.
3. ГОСТ 18670-84. Фильтры пьезоэлектрические и электромеханические.
4. ГОСТ Р 50779.21-96 Статистические методы. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным.
4. Содержание расчетно-пояснительной записки
1. Введение. Постановка целей и задачи.
2. Анализ электромеханических фильтров и особенностей их производства
3. Обзор статистических методов управления качеством продукции
4. Применение статистических методов при производстве электромеханических
5. Заключение
6. Библиографический список
7. Перечень графического материала
8. Поясняющие схемы и графики - 3л.

     Дата  выдачи задания " " 2005 г.

           Руководитель:

           Задание принял к исполнению:

      Аннотация

     В данной работе показана возможность  повышения качества технологического процесса производства механических фильтров. Уменьшение доли выхода бракованной продукции осуществлено за счет внедрения современных методов управления качеством, а именно статистических методов.

     Дипломный проект оформлен в соответствии с  требованиями ЕСКД.

      Введение

     Процесс создания продукции состоит из множества  этапов, на каждом из которых решается основная задача – достижение качества продукции. Очевидно, что без надлежащего  качества продукция не может выполнять  свое назначение, и затраченные на ее изготовление труд, энергия и сырье расходуются бесполезно. Таким образом, качество продукции является главным показателем эффективности затрат общественного труда, а достижение качества продукции – центральной задачей промышленности.

     Качество  продукции как результат технологического процесса характеризуется рядом  показателей. По каждому показателю качества устанавливается его численное  значение и допустимое отклонение.

     Научной основой современного технического контроля стали математико-статические методы. Управление качеством продукции может обеспечиваться двумя методами: посредством разбраковки изделий и путем повышения технологической точности. Издавна методы контроля сводились к анализу брака путем сложной проверки изделий на выходе. При массовом производстве такой контроль очень дорог. Поэтому от сплошного контроля переходят к выборочному с применением статистических методов обработки результатов.

     Однако  такой контроль эффективен только тогда, когда технологические процессы, будучи в налаженном состоянии, обладают точностью и стабильностью, достаточной для “автоматической“ гарантии изготовления бездефектной продукции. Отсюда следует необходимость стабилизировать производство. Самым надежным способом стабилизации производства является создание системы качества, а затем ее сертификация.

     Современное управление качеством исходит из того, что деятельность по управлению качеством не может быть эффективной  после того, как продукция произведена, эта деятельность должна осуществляться в ходе производства продукции.

     Статистические  методы в полной мере позволяют управлять  качеством продукции. Их широкое  применение при производстве продукции  позволяет существенно сократить  выход бракованной продукции. К  сожалению на большинстве предприятий статистические методы либо не используются либо используются формально. Однако законы рынка таковы, что предприятия уделяющие не достаточно внимания качеству своей продукции обречены на гибель. Таким образом полномасштабное использования статистических методов является необходимым условием выживания предприятия.

       Перед нами встает задача сосредоточить внимание не на выявлении брака, а на его предупреждении, то есть возникает вопрос организации контроля и управления технологическим процессом так, чтобы процент выпуска дефектных фильтров был сведен до минимума.

     Так как в стандартах ИСО серии 9000[1],[2] QS 9000 и в концепции TQM статистические методы рассматриваются как один из важнейших инструментов обеспечения качества, будем применять именно эти методы контроля. Все они связаны с выборкой, ее анализом и осуществлением на основании такой выборки выводов относительно генеральной совокупности. Статистические методы отличаются снижением вероятной доли дефектной продукции путем предупреждения  образования любых несоответствий.

1. Описание  электромеханических полосовых фильтров

1. Элементы  механических фильтров

     Механический  фильтр – устройство, состоящее  из электрических, электромеханических  и механических элементов, скомбинированных таким образом, что происходит полосовая фильтрация. На (Рис. 1)показана частотная характеристика механического фильтра.

     f_о Частота

     Рис. 1 Частотная характеристика затухания полосового фильтра

       Кривая на графике представляет собой напряжение на нагрузке фильтра, выраженное в децибелах. Входной сигнал, который проходит через внутреннее сопротивление источника и фильтр, – это сигнал синусоидальной формы, постоянный по амплитуде напряжения с изменяющейся частотой. Затухание входного сигнала измеряется по отношению к максимальному напряжению на нагрузке. Разность между двумя частотами, соответствующими затуханию 3дБ, – это ширина полосы по уровню 3дБ В3. Диапазон, расположенный между двумя частотами, затухание на которых составляет 3дБ, – это полоса пропускания. Разность между двумя частотами, затухание на которых равно 60дБ, – это ширина полосы по уровню 60дБ. Область, расположенная за точками с затуханием 60дБ, – это полоса задерживания. Отношение ширины полосы частот по уровню 60дБ В6о к ширине полосы пропускания по уровню 3дБ В3 называется коэффициентом прямоугольности характеристики фильтра. Средняя частота f₀ часто определяется как середина частотного интервала между частотами, затухание на которых равно 3дБ. Отношение В3 к f0 называется относительной шириной полосы пропускания фильтра. Теперь, после того как описаны параметры частотной характеристики механического фильтра, рассмотрим элементы, которые при определенных условиях позволяют получить требуемую характеристику.

     На  (Рис. 2) показаны электрические, электромеханические и механические элементы, применяемые в механическом фильтре.

     Рис. 2 Структурная схема механического фильтра, показывающая различные формы основных элементов фильтров.

     Электрические резонансные элементы настроены  в резонанс с реактивной составляющей сопротивления электромеханического преобразователя, однако они используются лишь в не очень широкополосных и  в широкополосных фильтрах. Как правило применяются магнитострикционные или пьезоэлектрические преобразователи, причем они как в отдельности, так и будучи прикрепленными к металлическому стержню или бруску резонируют на частоте в пределах полосы пропускания фильтра. Преобразователь возбуждает систему проволочно-связанных резонаторов, а те в свою очередь возбуждают выходной преобразователь и резонансную катушку индуктивности или емкость. Оконечные сопротивления R представляют собой сопротивления входных (источник) и выходных (нагрузка) цепей. Для того чтобы обеспечить плоскую или имеющую незначительную неравномерность в полосе пропускания характеристику, необходимо рассчитать как фильтр, так и сопротивления. Все компоненты фильтра имеют линейные двунаправленные характеристики, поэтому различные по амплитуде и частоте сигналы могут обрабатываться независимо, так как распространяются в обоих направлениях между входным и выходным сопротивлениями фильтра [3].

2.   Принцип работы.

     Электромеханические фильтры (ЭМФ) позволяют производить частотную селекцию колебаний в диапазоне частот 0,1 кГц...1 МГц при относительной полосе пропускания 0,1...12 %.

     В ЭМФ в качестве колебательных  систем используются механические резонаторы (трубчатые сердечники, стержни, пластины, диски), изготовленные из специальных сплавов. Это позволяет получать колебательные системы с высокой добротностью (Q=10⁴ ... 10⁵ ), высоким коэффициентом полезного действия и малыми массой и габаритами.

     Функциональная  схема полосового электромеханического фильтра в общем виде показана на (Рис. 3). 

     Рис. 3 Функциональная схема ЭМФ

     Символами П₁, МР и П₂ обозначены соответственно преобразователь электрических колебаний в механические, механический резонатор и преобразователь механических колебаний в электрические. Для преобразования .энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний и наоборот применяются устройства, работа которых основана на использовании электростатических, электромагнитных, магнитоэлектрических, пьезоэлектрических и магнито-стрикционных эффектов.

     В настоящее время наиболее широкое  распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Как известно, эффект магнитострикции заключается в том, что при намагничивании металлического тела происходит изменение его геометрической формы и размеров. Этот эффект обусловлен деформацией решетки монокристалла, которая происходит вследствие изменения магнитных или электрических обменных сил. В процессе намагничивания ферромагнетиков вплоть до режима насыщения магнитострикция обусловлена в основном магнитными силами решетки. Магнитострикция за. счет электрических обменных сил проявляется лишь в области, находящейся выше технического насыщения, т. е. когда уже все магнитные моменты оказываются полностью ориентированными в направлении внешнего магнитного поля.

     В процессе деформации резонатора, которая происходит под действием механических колебаний, возбуждаемых преобразователем /7i, в его кристаллической решетке возникают внутренние силы. Таким образом, энергия, затрачиваемая преобразователем П₁ на сжатие или растяжение, накапливается внутри тела в виде потенциальной энергии. По мере уменьшения деформирующих внешних сил тело возвращается в первоначальное состояние за счет накопления потенциальной энергии. При этом величина относительного удлинения или укорочения тела е под действием напряжения σ, нормального к одной из его граней, по закону Гука будет равна

     ε=σ/Ε,  ( 1)

     где Е – модуль упругости при растяжении или сжатии.

     Наряду  с удлинением и укорочением существует деформация в виде сдвига и кручения. Деформация сдвига у возникает при  действии касательного к грани напряжения τ:

     γ=τ/G,  ( 2)

     где G – модуль упругости при сдвиге.

     После снятия такой деформации в теле возникнут  собственные колебания сдвига.

     В основе исследования характера собственных колебаний и определения резонансной частоты для тел различной геометрической формы лежит решение системы дифференциальных уравнений с учетом заданных граничных условий (под граничными условиями здесь понимается тип закрепления той или иной грани тела):

     ρ – плотность вещества; ν – коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации); U, V, W – амплитудные значения смещения в направлениях :координатных осей х, у, z соответственно.

     Решение этой системы применительно к конкретной геометрии резонатора и конкретному виду граничных условий позволяет определить характер продольных и поперечных колебаний, колебаний типа сдвига, кручения и т. п., а также рассчитать их резонансные частоты. Анализ таких решений показывает, что при сосредоточенном возбуждении механического резонатора колебания в нем в общем случае можно представить в виде суперпозиции продольных, поперечных и других типов колебаний[4].

3. Устройство

     Итак, мы рассмотрели механический фильтр в весьма общих чертах. Теперь рассмотрим конкретный фильтр и проследим путь сигнала от внутреннего сопротивления генератора до нагрузочного сопротивления. На Рис. 4 изображен дисковый фильтр с проволочными связками, в котором использован магнитострикционный ферритовый преобразователь. Из Рис. 4 видно, что электрический ток I от генератора проходит через резонирующую емкость CR и обмотку преобразователя. Проходя через обмотку, он создает магнитное поле, которое пронизывает ферритовый стержень, вызывая колебания последнего с частотой сигнала генератора. Эффект изменения размеров и возникновения вследствие этого колебания под действием переменного магнитного поля называется магнитострикцией.

     Рис. 4 Основные элементы механического фильтра, изображенного на Рис. 5

       Эти колебания передаются первому дисковому резонатору посредством тонкой проволочной связки. Механическая энергия передается от диска к диску посредством проволочных связок, приваренных по окружности каждого диска. Колебания от последнего диска через проволочную связку возбуждают выходной преобразователь. Механические напряжения, возникающие в выходном преобразователе, вызывают появление переменного магнитного поля, которое в свою очередь индуцирует электрическое напряжение Vl на зажимах обмотки выходного преобразователя и нагрузочного сопротивления R. Хотя мы ожидали сигнал, проходящий от входа к выходу, однако следует помнить, что в установившемся режиме энергия проходит в обоих направлениях.

     Рис. 5 Механический фильтр для телефонных систем с частотным разделением каналов

       На Рис. 5 изображен реальный механический фильтр с дисковыми резонаторами и с проволочными связками [4].

4. Классификация

     Электромеханические фильтры классифицируются по различным  признакам (Рис. 6)

     Рис. 6 Классификация электромеханических фильтров

     Полное  условное обозначение ЭМФ состоит  из следующих элементов: первый элемент – буквы ФЭМ (фильтр электромеханический); второй элемент – цифра, обозначающая конструктивно-технологическое исполнение фильтра; третий элемент – число, обозначающее регистрационный номер фильтра; четвертый элемент – число, обозначающее номинальную частоту фильтра в килогерцах; пятый элемент – число, обозначающее ширину полосы в килогерцах; шестой элемент – буква, обозначающая функциональное, назначение фильтра; седьмой элемент – цифра, обозначающая вид преобразователя; восьмой элемент – буква В, обозначающая всеклиматическое исполнение фильтра.

     Пример. обозначения фильтра: ФЭМ1-12-320-2С-ЗВ – фильтр электромеханический, с гантельными резонаторами, регистрационный номер 12, номинальная частота 320 кГц, полоса пропускания 2 кГц, с симметричным расположением частотной характеристики затухания, с магнитострикционным преобразователем, всеклиматического исполнения.

     Сокращенное обозначение фильтра включает элементы 1,2 и 3 полного обозначения[4].

5. Преимущества

     Электромеханические полосовые фильтры применяются в системах, требующих узкой полосы пропускания, малых потерь и высокой стабильности. Механические фильтры таким требованиям удовлетворяют, поскольку механические резонаторы обладают высокой добротностью и прекрасными температурными и временными характеристиками. Добротность резонаторов, выполненных из железоникелевых сплавов, лежит в пределах от 10 000 до 25 000. Это позволяет изготавливать механические фильтры с шириной полосы пропускания порядка 0,05% без заметных потерь и искажений АЧХ на границах полосы пропускания

     Столь же существенное значение, как и  высокая добротность, имеют температурный  коэффициент частоты и частотное старение механических резонаторов. Типовая температурно-частотная характеристика резонатора имеет форму параболы, а величина температурного коэффициента частоты составляет около 2-10~6 1/°С; поэтому на частоте 455 кГц изменение температуры в интервале +50СС приводит к сдвигу полосы пропускания приблизительно на 45 Гц. Этот сдвиг в зависимости от материала может происходить как в положительном, так и в отрицательном направлении. Столь высокая стабильность особенно важна в устройствах, работающих на одной боковой полосе, в которых изменение частоты, превышающее 100 Гц, вызывает или слабое подавление сигнала несущей частоты, или ухудшение тональной характеристики. Старение механического резонатора у типового механического фильтра приводит к изменению частоты не более чем на 50 млн. долей в течение всего срока службы устройства. Так, на частоте 455 кГц уход полосы пропускания не превосходит 25 Гц[3].

6. Характеристики

     Невозможно в одной таблице привести полную характеристику механических фильтров ввиду широкого разнообразия конструкций, материалов и способов их изготовления. Поэтому к данным, содержащимся в Табл. 1, следует относиться осторожно. Кроме того, сами величины не являются независимыми. Например, самые узкополосные фильтры не будут иметь высокую ударную прочность и малые потери. Широкополосные фильтры и одно- или двухрезонаторные фильтры, как правило, имеют наихудшую температурную стабильность. Высокочастотные и широкополосные фильтры обычно имею: малые выходные сопротивления и т.д. В таблице содержатся данные, относящиеся к большинству конструкций механических фильтров. Низкочастотные фильтры с настроечными индуктивностями производятся в малых количествах, и поэтому их характеристики вТабл. 1, Табл. 2 не приводятся.

     Табл. 1

     Характеристики  фильтров

     Табл. 2

     Основные  параметры электромеханических  фильтров

     Для дисков, совершающих изгибные колебания имеют место следующие соотношения частот, смещений и эквивалентных масс:

7. Применение

     Механические  фильтры используются в системах связи в качестве фильтров ПЧ (промежуточной частоты) в радиоприемниках; они используются как канальные фильтры, сигнальные фильтры и фильтры пилотсигналов в телефонных системах с частотным разделением каналов и применяются в модемах систем с частотной манипуляцией. Область их применения в радиотехнике простирается от дешевых автомобильных АМ-приемников до высококачественных высокочастотных приемопередатчиков. Механические фильтры, используемые в качестве канальных фильтров в телефонии, удовлетворяют международным стандартам. Они являются основными частотно-избирательными элементами во многих, если не в большинстве, навигационных приемниках и системах управления поездами. Кроме того, одно- и двухрезонаторные камертонные фильтры в больших количествах применяются в качестве задающих генераторов и декодеров в системах телеуправления и телеконтроля, равно как и в системах аварийной сигнализации и вызова. Наконец, миллионы маленьких трехконтактных камертонных резонаторов из окиси цинка используются в схемах генераторов для наручных часов.

     В целом можно сказать, что механические фильтры находят применение всюду, где требуются стабильность и  узкополосная избирательность[3].

2. Производство  электромеханических полосовых  фильтров

1. Принципы  выбора технологии

     Выбор технологии, используемой для производства того или иного типа фильтра, зависит  от множества факторов. Среди них  объем производства, требования к  фильтру, доступность и цена оборудования, навыки обслуживающего персонала, наличие  стандартного и унифицированного оборудования для других фильтров, навыки технологов, занятых в производстве, и наличие у них свободного времени, доступность автоматического оборудования. Оценка влияния этих факторов определяет выбор стратегии разработки и производства фильтра. Часто технологию производства выбирают из соображений простоты или основываясь на имеющемся опыте. Но если время и средства позволяют, к этому вопросу можно подойти более продуманно.

2. Особенности производства

     Традиционный  подход к выбору технологии производства состоит из следующих шагов:

     1. Определить необходимую точность  изготовления согласующих элементов (электрических схем), преобразователей, резонаторов и элементов связи. Анализ может начинаться с элементов эквивалентных схем резонаторов, но в результате его должны быть выбраны величины допусков на частоты, добротности, эквивалентные массы резонаторов, упругость элементов связи, коэффициент связи и статические емкости (или индуктивности). Эти данные можно получить, анализируя методом Монте-Карло влияние разброса параметров на частотную характеристику.

     Определить  допуски на размеры и химическую чистоту, необходимые для обеспечения  рассчитанной точности выполнения элементов  схемы.

     Определить  станки, материалы, процессы, объем  измерений, детали, людские ресурсы, необходимые для выполнения шага 2.

     Предусмотреть методы коррекции после механической обработки или сборки. Сюда могут входить сортировка, подгонка и настройка. Этот шаг предназначен для сокращения затрат на шаге 3.

     Каждый  из предыдущих шагов связан со всеми  другими, поэтому можно гибко распределить допуски по элементам фильтра, например снизить требования к точности изготовления элементов связи за счет увеличения точности настройки и сократить таким образом стоимость сварочного аппарата или шлифовального станка.

     По  результатам проведенного анализа процесс производства механических фильтров можно отнести к одному из следующих типов:

     Жесткие требования к материалам, допускам и производственным процессам. При  этой технологии почти не требуется коррекции.

     Более мягкие требования к точности, но много циклов коррекции. Например, вместо задания жестких допусков на размеры керамической и металлической пластин металлокерамического преобразователя для получения заданного коэффициента связи с высокой точностью можно применить деполяризацию. Циклы коррекции могут охватывать весь процесс. При этом измеряются характеристики готовой продукции, и эти данные связаны обратной связью с началом процесса, где выполняется соответствующая коррекция. Например, частотная характеристика фильтров полосе пропускания измеряется после сварки и сборки. Информация о ней поступает к сварщику, который может, если это необходимо, уменьшить или увеличить напряжение или давление, чтобы уложить частотную характеристику в заданные пределы.