Основы конструирования и технологии РЭС

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ  ИНСТИТУТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ) 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине:

"Основы конструирования  и технологии РЭС"

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка:

Группа: 14-402

Проверил преподаватель:

 

 

 

МОСКВА 

2012

Введение

Курсовая работа по дисциплине "Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств" представляет собой заключительный этап изучения данной дисциплины. Ее цель - подготовить  студентов к самостоятельному решению  проектно-конструкторских задач  при выполнении дипломного проекта  и последующей работе на предприятиях промышленности.

Задачами курсовой работы являются:

-систематизация, расширение  и углубление теоретических знаний  по дисциплине;

- развитие и закрепление  практических навыков разработки  конструкций и технологии радиоэлектронных  средств (РЭС);

- приобретение опыта работы  с нормативно-технической документацией,  технической литературой и разработки  конструкторской и технологической  документации на РЭС.

В курсовой работе предлагается разработать конструкцию бортового  или наземного РЭС функционального  различного назначения. Содержание конструкторских  и технологических задач курсового  проекта соответствует стадиям  технического предложения, эскизного  и технического проектирования.

 

 

Содержание

1. Техническое задание на разработку охранного сигнализатора.
1. Наименование и область применения
2. Основание для разработки
3. Цель и задачи разработки
4. Источник разработки
1. Перечень литературных источников
2. Конструкторские аналоги
5. Технические требования
1. Состав изделия и требования к его конструкции
2. Показатели назначения
3. Требования к надежности
4. Требования к уровню унификации и стандартизации
5. Требования к безопасности
6. Эстетические, эргономические требования
7. Условия эксплуатации
8. Дополнительные требования
9. Требования к транспортировке и хранению
6. Стадии разработки
7. Комплектность документации, порядок приемки, сроки
2. Схемотехническая отработка конструкции

2.1 Описание принципа работы  охранного сигнализатора

2.3 Разукрупнение схемы  электрической принципиальной

2.3.1 Оценка разукрупнения

3. Разработка конструкции охранного сигнализатора.

3.1 Обоснование компоновочной  схемы простого автомобильного  сторожа.

3.2 Выбор системы охлаждения  охранного сигнализатора.

3.3 Выбор материалов конструкции

3.3.1 Выбор материала основания  печатной платы

3.3.2 Выбор материала корпуса

3.4 Разработка конструкции  ФЯ

3.4.1 Определение геометрических  размеров печатной платы

3.4.2 Расчет элементов печатной  платы

3.5 Разработка конструкции  охранного сигнализатора.

3.6 Описание конструкции  охранного сигнализатора.

 

4. Расчет показателей качества конструкции

4.1 Расчет среднеповерхностной температуры корпуса

4.2 Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны

4.3 Расчет показателей  вибропрочности конструкции

5. Качественная оценка технологичности конструкции
6. Количественная оценка технологичности конструкции

6.1 Расчет конструкторских  показателей технологичности

6.2Расчет производственных  показателей технологичности

7. Комплексная оценка технологичности
8. Разработка технологической схемы сборки
9. Заключение
10. Литература

1. Техническое задание на разработку полосового фильтра.

1.1. Наименование и области  применения.

Наименование изделия  – частотомер на PIC-контроллере

Область применения – применяется лабораторных условиях для измерения частоты логических сигналов, а так же периодических сигналов непрямоугольной формы положительной полярности с точностью до третьего знака.

1.2. Основание для разработки.

Основанием для разработки служит задание о подготовке курсового проекта, выданное кафедрой 404 и утвержденное 14.09.2012.

1.3. Цель и задачи разработки.

Целью разработки является создание конструкторско-технологической документации на изготовление частотомера.

Задачами разработки являются: схемо-техническая отработка конструкции, разработка конструкции изделия, расчет показателей качества, расчет технологичности и разработка технологической схемы сборки.

1.4. Источники разработки.

1.4.1. Литературные  источники.

Разработка изделия производиться  на основе следующих литературных источников:

1. «Конструирование РЭС», В.Ф. Борисов, А.А. Мухин, А.С. Назаров, Ю.В. Чайка, А.Н. Чекмарев, Г.Т. Сергеев, В.А. Шаров, Б.Д. Шурыгин, М.: Издательство МАИ, 1991 г.
2. Журнал «Радио», выпуск №1, 2001 г.

1.4.2. Конструкторские  аналоги.

 

 

 

1.5. Технические требования.

1.5.1. Состав изделия  и требования к конструкции.

Конструктивно изделие должно представлять собой модуль выполненный с применением печатного монтажа, заключенный в герметичный корпус.

Требования к конструкции:

Масса не более 100 г.

Габаритные размеры не более 80мм. x 66мм. x 30мм. (Д x Ш x В).

1.5.2. Показатели  назначения.

Изделие в заданных условиях эксплуатации должно обеспечивать следующие  значения функциональных показателей

Входное сопротивление –  ≥ 2 кОм

Напряжение питания - 3÷6 В

Потребляемый ток - ≤ 100 мА

1.5.3. Требования  к надёжности.

Вероятность безотказной  работы за 8 часов должна быть не ниже 0,99.

Среднее время наработки  на отказ изделия должно быть не менее 1000 ч.

1.5.4. Требования  к уровню унификации и стандартизации.

Уровни унификации и стандартизации изделия, определяемые коэффициентами унификации и стандартизации должны быть не ниже 0,7.

1.5.5. Требования  к безопасности.

Изделие должно быть электробезопасно в условиях производства, эксплуатации и ремонта.

1.5.6. Эстетические  и эргономические требования.

Устройство должно отвечать современным требованиям эргономики и технической эстетики, предъявляемой  к частотомеру.

1.5.7. Условия эксплуатации.

Функциональные показатели, приводимые в разделе 1.5.2, должны быть обеспечены в следующих условиях эксплуатации:

- температура окружающей среды от –10 до +55,

- относительная влажность  до 80% при Т=25

- диапазон частот вибрационных частот от 10 до 30 Гц,

- виброускорение 19,6 м\с²,

- пониженное атмосферное давление 61кПа.

1.5.8. Дополнительные  требования.

Дополнительные требования к изделию не предъявляются.

1.5.9. Требования  к транспортировке и хранению.

Транспортировка изделия  допускается автомобильным транспортом  без ограничения расстояния в  заводской упаковке, исключающей  повреждения изделия.

Хранение должно производиться  в капитальном отапливаемом помещении  на стеллажах в заводской упаковке.

1.6. Стадии разработки.

Разработка должна быть выполнена  в соответствии с календарным  планом, представленным в табл.1

Т а б л и ц а 1

№	Содержание работы	Дата
1	ТЗ и схемо-техническая отработка конструкции
2	Разработка конструкции  РЭС
3	Расчет показателей качества
4	Оформление записки и  графической части
5	Защита

1.7. Комплектность документации.

Комплект документов должен включать:

-расчетно-пояснительная  записка,

-графический материал.

2. Схемотехническая отработка конструкции.

2.1. Описание принципа работы

Основной элемент частотомер – микроконтроллер DD1, осуществляющий счет импульсов внешнего сигнала, поступающего на вход прибора, обработку полученных значений и вывод измерения на табло. Частота (в герцах) отображается индикаторами HG1-HG4 в формате X,YZ×10^E, где X,YZ – десятичное значение частоты сигнала, а Е – порадок.

Измеряемый сигнал через  резистор R2 поступает на вывод RA4 DD1, являющийся входом внешнего сигнала таймера. Затем.. Схема

2.2. Конструкторско-технологический  анализ элементной базы

Выбор элементной базы производится на основе качественного анализа  групп резисторов, конденсаторов, транзистора, микросхем и т.д. по справочным данным на эти элементы.

Т а б л и ц а 2

№	Тип элемента	Обозначение	Кол-во шт.	Масса не более г.	Установочные размеры		Температурный диапазон ˚С	Диапазон вибровоздействий Гц	Виброперегрузка g
					Площадь мм2	Объем мм3
1	Микроконтроллер PIC16F84	DD1	1	10,0	181,03	713,27	от -55 до +125	1-3000	40
2	Индикатор АЛС324А	HG1-HG4	4	4,0	795,6	4137,12	от -60 до +70	1-600	10
3	Кварцевый резонатор HC-49S	ZQ1	1	3,0	51,15	214,83	от -40 до +70	1-3000	40
4	Конденсатор К10-17Б-33пФ	С1, С2	2	2,0	62,72	250,88	от -60 до +125	1-3000	40
5	Резистор С2-23-0.125Вт, 180Ом	R1, R4-R10	8	0,96	110,4	253,92	от -55 до +125	1-3000	40
6	Резистор С2-23-0.125Вт, 24кОм	R2	1	0.12	13,8	31,74	от -55 до +125	1-3000	40
7	Резистор С2-23-0.125Вт, 2кОм	R3	1	0.12	13,8	31,74	от -55 до +125	1-3000	40
8	Гнездо питания DS-213	XP1	1	6,0	54,0	324,0	от -55 до +105	1-1000	40
	Всего на плате		19	26,2	1282,5	5957,5

 

По данным таблицы 2 определим суммарную массу, суммарные установочные площадь и объем:

• суммарная масса радиоэлементов ;
• суммарная площадь радиоэлементов ;
• суммарный объем радиоэлементов

Коэффициенты дезинтеграции  характеризуют относительное изменение  материальных показателей конструкции  в целом (массы, объема, площади) по сравнению  с соответствующими показателями элементной базы при создании конструкции

• коэффициент дезинтеграции по массе ;
• коэффициент дезинтеграции по площади ;
• коэффициент дезинтеграции по объему .

Произведем оценку массогабаритных характеристик изделия с учетом коэффициентов дезинтеграции:

• ожидаемая масса ;
• ожидаемая площадь ;
• ожидаемый объем .

Все элементы смогут быть размещены  на плате с выбранными геометрическими  размерами.

Сравнив полученные данные с требованиями технического задания  к конструкции, можно сделать  вывод о том, что данная элементная база подходит для создания конструкции, имеющей массогабаритные показатели, удовлетворяющие требованиям технического задания.

Определим виброперегрузку:

Так как по ТЗ виброускорение составляет 19,6 м/с², то допустимая виброперегрузка будет равна:

 

где – виброускорение [м/с²];

       g – ускорение свободного падения.

Вывод:

Каждый элемент в отдельности  в предельных условиях эксплуатации имеет перегрузку большую 2g и минимальный  диапазон вибрационных воздействий  от 1 до 600 Гц. Значит виброперегрузка и диапазон вибрационных воздействий, указанные по предельным условиям эксплуатации для каждого элемента из выбранной элементной базы, удовлетворяют требованиям технического задания.

2.3 Разукрупнение схемы  электрической принципиальной 

Независимо от назначения и функциональной сложности изделия  разукрупнение РЭС на конструктивно-технологические  единицы (КТЕ) имеет ряд общих  принципов , главными из которых являются:

- конструктивная и функциональная  законченность КТЕ;

- минимальное количество  внешних электрических соединений  при условии выполнения конструктивной  и функциональной законченности;

- максимальная сложность  КТЕ на низших структурных  уровнях , причем функциональная сложность ограничивается технологией производства процентом выхода годных изделий и стоимостью .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Разработка конструкции частотомера.

3.1. Обоснование компоновочной  схемы

Согласно техническому заданию, частотомер должен иметь габариты не более 88×68×25 и должен быть выполнен на одной плате (стеклотекстолит), с  использованием корпусированных дискретных радиоэлементов. Конструктивно устройство состоит из блока. На боковой стороне проделаны отверстия для питающих и управляющих проводов.

3.2 Выбор системы охлаждения  частотомера

Поскольку способ охлаждения в значительной мере определяет структуру  конструкции РЭС, уже на ранних стадиях  разработки важно правильно выбрать  способ охлаждения. Способ охлаждения выберем с помощью диаграммы (Рисунок 3.1).

допустимый перегрев конструкции

 

min температура РЭ.

поверхностная плотность  теплового потока,

где S площадь модуля:

 

_k – поправочный коэффициент на давление окружающей среды

 

 

 

Берем десятичный логарифм от P_os.

Далее по диаграмме (рис.3.1) определяем способ охлаждения. Подставляя полученную точку (1,2;15) (участок 1), можно утверждать, что рассчитываемая конструкция обеспечивает нормальный тепловой режим при естественном воздушном охлаждении.

Рис.3.1

Указанные на рисунке 3.1 зоны относятся к следующим способам охлаждения:

1 – естественное воздушное;

2 – естественное и  принудительное воздушное;

3 – принудительное воздушное;

4 – принудительное воздушное  или жидкостное;

5 – принудительное жидкостное;

6 – принудительное жидкостное  или испарительное;

7,8 – жидкостное или испарительное с прокачкой;

9 – испарением жидкости  с прокачкой.

3.3 Выбор материалов конструкции 

3.3.1 Выбор материала  основания печатной платы

Выбор материала для управляющей  части  радиомикрофона производить  среди основных материалов для производства ПП – гетинакс и стеклотекстолит.

Выбор печатный платы произведен на основании комплексного показателя качества.

Комплексный показатель качества представляет собой сумму взвешенных дифференциальных и нормированных  показателей качества

 

весовой коэффициент

нормированный показатель качества

Для расчётов используются следующие показатели качества приведенные в таблице 3.1

Т а б л и ц а 3.1

 

№ п/п	Материал	Плотность материала кг/м3	Разрушающее напряжение при  изгибе перпендикулярно слоями не менее  МПа	Разрушающее напряжение при  растяжении, не менее МПа	Значение допустимого  рабочего напряжения при ширине зазора 0,5мм В
1	Стеклотекстолит ГОСТ 12652-74	1600	350	220	350
2	Гетинакс ГОСТ 2718-74	1300	135	120	250

Произведём выравнивание влияния дифференциальных показателей. При увеличении пробивного, разрушающего и допустимого рабочего напряжения качество материала платы повышается. А при увеличении плотности материала  качество ухудшается, так как это  ведет к увеличению массы платы  в целом и напрямую отразится  на показателе вибропрочности. Поэтому показатель плотности заменим обратной величиной. Данные заносим в таблицу.

Т а б л и ц а 3.2

Материал	(кг/м3)-1	МПа	МПа	В
Стеклотекстолит	0,00063	350	220	350
Гетинакс	0,00077	135	120	250

Выполним нормирование значений показателей качества путём деления  каждого на максимальное значение своего подпункта.

Т а б л и ц а 3.3

Материал	(кг/м3)-1	МПа	МПа	В
Стеклотекстолит	0,81	1	1	1
Гетинакс	1	0,39	0,55	0,71

Введем весовые коэффициенты по десятибальной шкале:

- плотность материала – 2

- разрушающее напряжение  при растяжении – 2

- разрушающее напряжение  при растяжении – 2

- значение допустимого  рабочего напряжения – 4

Рассчитываем значение комплексного показателя качества для каждого  материала.

Стеклотекстолит:

 

Гетинакс:

 

Так как при выравнивании влияния дифференциальных параметров выбрана тенденция на увеличение показателей (чем больше, тем лучше), то лучшим вариантом будет показатель с наибольшим значением, то есть стеклотекстолит.

Для основания печатной платы  выбираем 2-х слойный стеклотекстолит.

3.3.2 Выбор материала  для корпуса частотомера

Заготовкой для корпуса  модуля служит пластмассовый корпус с габаритными размерами 80×66×30, основанием для выбора этого корпуса является ТЗ на устройство.

3.4 Разработка конструкции  функциональных ячеек

3.4.1 Определение  геометрических размеров печатной  платы

Чтобы определить геометрические размеры ПП необходимо учитывать:

1. Ожидаемая площадь платы
2. δ=1,5 мм – толщина печатной платы;
3. d=3 мм – отверстие для крепления платы.

Из условий ТЗ печатная плата имеет прямоугольную форму, на ПП должны быть размещены РЭ и краевые поля, показанные на рисунке 3.2

X1

X2

Y1

Y2

 

 

 

 

80

412

Рис. 3.2

Расчет:

X1=X2=Y1=Y2= δ+d=4,5 мм

L_x=80+X1+X2=80+4,5+4,5=89 мм

L_y=41+Y1+Y2=41+4,5+4,5=50 мм

Исходя из линейных размеров ПП L_x=90мм и L_y=50мм. Площадь платы по ТЗ Sпл= 4500 мм². Отсюда вывод, что все элементы смогут быть размещены на плате с выбранными геометрическими размерами.

3.4.2 Расчет элементов  печатной платы

Расчету подлежат диаметры монтажных отверстий и переходных площадок, минимальная ширина проводников  на падение напряжений на проводниках, обусловленные сопротивлением проводников. Расчеты геометрических размеров элементов  проводятся с целью коррекции  изменения размеров элемента в процессе изготовления платы. За счет подтравливания проводников в процессе травления меди, ширина проводников уменьшается, поэтому при изготовлении фотошаблона размеры элементов должны быть увеличены на значения технологических погрешностей. Выбор класса точности обусловлен, прежде всего элементной базой. Элемент с наименьшим расстоянием между выводами HG1 и оно составляет 2,5 мм. Следовательно, оптимальным будет выбор 1 класса точности.

1.Минимальный диаметр  переходного отверстия d_по

 

 толщина ПП

 – отношение  диаметра металлизированного отверстия  к толщине платы, для ПП 1-го  класса точности.

 

2 .Диаметр монтажного  отверстия:

 

где – диаметры выводов равные 0,46 мм, 0,6 мм

 – толщина  гальванического осаждения меди  в отверстия,

– необходимый зазор между  выводом радиоэлемента и поверхностью отверстия,

 – погрешность  диаметра монтажного отверстия,

, выбираем .

, выбираем .

3.Минимальный диаметр  контактной площадки:

 

где – ширина пояска контактной площадки,

 – погрешность  расположения отверстия,

 – погрешность  расположения контактной площадки,

 – погрешность  фотошаблона,

 – толщина  фольги,

,

4.Минимальная ширина проводника:

_{, выбираем 0,75 мм.}

где – ширина проводника соответствующая 1-му классу точности.

5.Минимальное расстояние  между проводниками:

 

где – расстояние между осевыми линиями проводников, предусмотренное топологией печатной платы,

 – погрешность  смещения проводников.

4. Расчет показателей качества  конструкции частотомера

ФЯ размещена в корпусе и закрепляется с помощью установочных элементов на направляющие блока. Поверхности корпуса и нагретой зоны приняты за изометрические с температурами t_к и t_з. Суммарную мощность источников тепла обозначим P,Вт. Тепло с поверхности нагретой зоны конвекцией σ_зк, теплопроводностью через элементы крепления σ_зт и излучением через воздушные промежутки σ_зл передаётся на стенки корпуса σ_ст. Передача тепла с корпуса окружающей среде t_с осуществляется за счет конвекции σ_кк и излучения σ_кл.

Для расчета теплового  режима необходимо перейти от реального  изделия к тепловой модели. Тепловая модель показана на рис. 4.1.

1

2

3

Рис. 4.1

1 – ФЯ, 2 – корпус, 3 – крепеж.

Воспользуемся принципом  электротепловой аналогии и перейдем от тепловой модели к тепловой схеме. Тепловая схема показана на рис. 4.2.

Рис.4.2

t_нз – температура нагретой зоны (температура на поверхности печатной платы);

t_с – температура окружающей среды;

t_вк – температура внутри корпуса;

t_к – температура корпуса;

σ_эк – конвективная проводимость нагретой зоны;

σ_зт – кондуктивная проводимость нагретой зоны;

σ_эл – лучевая проводимость нагретой зоны;

σ_ст – проводимость стенки корпуса;

σ_кк – конвективная проводимость корпуса;

σ_кл – лучевая проводимость корпуса.

4.1 Расчет среднеповерхностной температуры корпуса.

метод

1. Расчет ведется методом последовательных приближений.

.

2. Характерный размер:

.

3. Произвольный перегрев в первом приближении:

.

4. Температура на поверхности корпуса:

.

5. Средняя температура окружающей среды:

.

6. Значения теплофизических параметров носителя по таблице 6.1 [2].

Коэффициент теплопроводности:

;

Коэффициент кинематической вязкости:

^;

Коэффициент объемного расширения:

 

7. Критерий Грасгофа

 

где g = 9,8 [ ] – ускорение свободного падения.

8. Произведение Грасгофа на Прандтля:

P_r = 0,7 – критерий Прандтля.

 

9. Значения коэффициентов, характеризующих движение теплоносителя из таблицы 4.1:

Коэффициент, отвечающий за форму тела: C = 0,54.

Коэффициент, отвечающий за тип обтекания: n = 0,25.

Т а б л и ц а 4.1.

	0,5	0
	1,17	0,125
	0,54	0,25
	0,135

 

10. Критерий Нуссельта:

 

 

11. Конвективный коэффициент теплопередачи при естественной вентиляции в неограниченном пространстве в первом приближении: