Разработка конструкции и технологии изготовления модуля управления тепловыми процессами

 

 

4. Разработка конструкции устройства.

1. Разработка структурной схемы устройства.

 

Устройство управления температурным режимом состоит из четырёх основных блоков:

- входа для подключения первичных  преобразователей;

- блока обработки данных, предназначенного  для цифровой фильтрации, коррекции  и масштабирования входной велечины и имеющего в своем составе логические устройства (ЛУ)- ПИД- регулятор и устройство сравнения;

- выходные устройства;

- индикатора.

 Блок управления и блок преобразования совмещены на основной плате устройства, блок индикации расположен на передней панели, а блок компенсации сопротивления линии на задней плате. В общем виде структурная схема устройства управления показана на рисунке 4.1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Разработка принципиальной схемы устройства.

 

Устройство проектировалось на базе уже существующего схемного решения, поэтому задача разработки принципиальной схемы сводилась к подключению адаптера для iButton.

iButton – это микросхема, помещнная в стандартный круглый корпус диаметром 16,3 мм из нержавеющей стали (корпус MicroCan). Корпус устойчив к воздействию ударов, грязи и влажности. Есть две модификации с разной толщиной: F3 и F5. На рисунке 4.2.1. показан чертёж корпуса F5.

Рисунок 4.2.1. Внешний вид корпуса iButton.

Поскольку крышки у них одинаковы  для их считывания применяется одна и та же считывающая чашка. Кромка корпуса MicroCan позволяет удобно закреплять его в в держателях.

Корпус состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей, являющихся контактами, через которые  микросхема соединяется с внешним  миром. Таким образом, получается недорогой (в смысле использования аппаратных ресурсов считывающей аппаратуры) и надёжный интерфейс – один провод данных и один общий. Энергия, необходимая для обмена данными и работы микросхемы в корпусе поступает от провода данных либо от встроенной литиевой батарейки. На рисунке 4.2.2. показана структурная схема iButton.

Рисунок 4.2.2. Структурная схема iButton.

Микросхема изготовлена по технологии КМОП, и в состоянии ожидания основной ток потребления – только ток  утечки (у КМОП он очень мал). Для сохранения энергопотребления на предельно низком уровне во время «активных» состояний (чтение данных, например), а так же для совместимости  с существующими сериями микросхем логики и микропроцессорами линия данных в iButton выполнена как выход с открытым стоком.

Для взаимодействия с внешними устройствами на микросхемах КМОП нужен  только нагрузочный резистор сопротивлением около 5 кОм, подсоединённый к плюсу  питания V_DD (+5 В) и к выходу обычного двунаправленного порта с открытым стоком (рисунок. 4.2.3.).

Рисунок 4.2.3. Подключение iButton.

Для обмена данными с iButton используется специальный, оптимизированный протокол, позволяющий осуществлять двунаправленный обмен данными. Протокол носит название 1-Wire. Последовательная передача осуществляется в полудуплексном режиме (т.е. либо приём, либо передача), внутри дискретно определённых временных интервалов, называемых тайм - слотами.

3. Предварительная компоновка устройства.

Прибор изготавливают из пластмассовых корпусов четырех типов, предназначенных для щитового или настенного крепления. Корпус состоит из двух частей, крепящихся винтами.

Марки материалов, разрешенных к  применению в данной  отрасли  промышленности регламентируется ведомственными нормами. На предприятиях существует более узкое ограничение марок материалов и сортаментов из числа разрешенных к применению ведомостной нормалью.  Материалы, не вошедшие в перечень рекомендуемых,  допускается применять в технически обоснованных случаях с разрешения органов стандартизации на предприятиях.

Металлические детали проектируемого нашего прибора за отдельным исключением  можно изготовить механической обработкой  материалов, поставляемых металлургической промышленностью в виде прутков, полос,  ленты и листов.  Однако целесообразно использование стандартных винтов крепления.

Технологические процессы, основанные на использовании способов прессования, обладают следующими основными преимуществами:

- более высокая производительность;

- меньший расход металла;

- меньшее количество операций  и  меньшая  производительность производственного цикла;

- относительно постоянная и  высокая степень точности, зависящая   в  основном  от точности  изготовления инструмента и в  меньшей степени от мастерства  рабочего;

-благоприятные  условия для механизации и автоматизации технологического процесса и для перехода на многостаночное обслуживание;

-в большинстве случаев - экономия  производственной площади.

Выбор марки материала и заготовки  имеет важное значение,  так как  определяет расход материала, трудоемкость процесса изготовления детали, конструкцию технологической оснастки и в конечном счете себестоимость детали.

Важным показателем целесообразности выбора того или иного вида заготовки  является коэффициент использования  материала:

 

К = Q_д/Q_з,,                                        (4.3.1Ошибка! Закладка не определена.)

 

где Q_д - вес готовой детали;

     Q_з - вес заготовки.

Большинство деталей в проектируемом  устройстве сделаны методом горячей  штамповки.  Она обладает рядом преимуществ перед другими видами обработки материалов:

- простота технологического процесса;

- высокая производительность,  позволяющая на большой  площади  при  малом  количестве  единиц  оборудования изготовить в короткие  сроки большое количество деталей;

- относительная и абсолютная  дешевизна деталей;

- возможность комбинирования с  другими видами  технологических  процессов;

- достаточная точность.

Основа точной  штамповки - высокая  культура эксплуатации штампов.

4. Разработка, выбор и обоснование конструкции устройства.

 

Метод конструирования зависит  от назначения аппаратуры и её функций, преобладающего вида связей, уровня унификации, автоматизации и т.д.

В основу геометрического метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств твёрдого тела. Метод целесообразно применять для конструкций, в которых должно соблюдаться точное взаимное положение деталей и обеспечивается их точное перемещение при величинах деформаций, значительно меньших погрешностей изготовления деталей.

В основу машиностроительного метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, число и размещение которых выбирается исходя из минимизации массы и допустимой прочности конструкции. Метод целесообразно применять для конструкций с относительно большими величинами деформаций. Он нашёл применение при проектировании несущих конструкций РЭС всех уровней, кинематических звеньев функциональных узлов, а также всех видов неподвижных соединений (болты, винты, заклёпки, скобы и т.д.).

В основу технологического метода положена структура физических связей между  электрорадиоэлементами, то есть представление конструктивного вида электрической схемы и её геометрической связности независимо от её функционального содержания. Этот метод используется, если нельзя применить геометрический и машиностроительный методы.

Эвристический метод использует обобщённый практический опыт в области конструирования РЭС и смежных отраслей. Метод является основным в практической деятельности конструктора РЭС.

Метод автоматизированного конструирования  основан на  использовании ЭВМ  для решения задач компоновки электрорадиоэлементов, трассировки межсоединений различных структурных уровней, вычерчивания чертежей и выпуска конструкторской документации.

Метод проектирования моноконструкций  основан на минимизации числа  связей в конструкции. Он применяется для создания функциональных узлов, блоков на основе оригинальной несущей конструкции (каркасе, шасси) в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами.

В основу базового метода конструирования  положено деление аппаратуры на конструктивно  и схемно законченные части. Базовый метод и его разновидности (функционально-модульный, функционально-узловой, функционально-блочный  методы) основываются на принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, схемной и конструкторской унификации структурных уровней (модулей, функциональных узлов, блоков).

Базовый метод конструирования  является основным при проектировании современной  РЭС, он имеет много  преимуществ по сравнению с методом  моноконструкций:

- на этапе разработки позволяет  одновременно вести работу над многими узлами и блоками, что сокращает сроки проведения разработок; упрощает отладку и сопряжение узлов в лаборатории, так как работа любого функционального узла определяется работой известных модулей и микросхем; резко упрощает конструирование и макетирование, сокращает сроки проведения разработок; упрощает отладку и сопряжение узлов в лаборатории, так как работа любого функционального узла определяются работой известных модулей и микросхем; резко упрощает конструирование и макетирование, сокращает объём оригинальной конструкторской документации, даёт возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру без коренных изменений конструкции; упрощает и ускоряет внесение изменений в схему, конструкцию и конструкторскую документацию;

-на этапе производства сокращает сроки освоения серийного производства аппаратуры; упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников; снижает стоимость аппаратуры благодаря широкой механизации и автоматизации производства; повышает степень специализации производства;

-при эксплуатации повышает эксплутационную  надёжность РЭС, облегчает обслуживание, улучшает ремонтопригодность аппаратуры  [3].

Из вышеописанных методов выбираем базовый метод конструирования.

В соответствии с выбранным методом конструирования целесообразно выделить следующие основные функционально законченные узлы: блок  управления, модуль сопряжения и плата индикации. Выделенные функциональные узлы предполагается выполнить на отдельных печатных платах.

При данном разбиении схемы электрической принципиальной обеспечивается минимальное количество связей между узлами, высокая ремонтопригодность изделия, минимальные величины паразитных наводок, уменьшение габаритов изделия.

Компоновочные схемы блоков определяются количеством и видом составляющих элементов (дискретных радиодеталей, модульных узлов и микросхем) и их расположением. На компоновочные схемы блоков значительное влияние оказывают вспомогательные элементы (ручки, направляющие, фиксаторы, разъёмы и т.п.). 

Разрабатываемая конструкция с выбранной внутренней компоновкой прибора отвечает требованиям производственной технологичности, обеспечивает высокую ремонтопригодность изделия и удобство в эксплуатации.

 

5. Защита конструкции устройства от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.

 

В процессе эксплуатации устройство управления подвергается воздействию различных факторов, отрицательно влияющих на его надёжность. К ним относятся: нагрев и охлаждение, изменение давления, влажности, химического и биологического состава среды, попадание пыли и песка, находящихся в земной атмосфере, солнечная и искусственная радиация, вибрации и удары. Для повышения надёжности блока необходимо в той или иной степени защитить его от воздействия этих факторов.

1. Выбор способа теплозащиты

 

Способ охлаждения во многом определяет конструкцию РЭС. Поэтому уже на ранней стадии конструирования необходимо выбрать способ охлаждения блока, после чего можно приступить к предварительной проработке конструкции. Выбранный способ охлаждения должен обеспечить заданный по ТЗ тепловой режим блока.

Как уже было отмечено, устройство управления представляет собой разборную конструкцию;  блок сопряжения, блок управления и блок индикации монтируются в пластмассовом корпусе. Таким образом, при рассмотрении вопросов теплового режима необходимо подходить ко всему электронному блоку в целом.

Для выбора способа охлаждения необходимы следующие исходные данные:

-суммарная мощность P, рассеиваемая  в блоке; P=  3  Вт;

-диапазон возможного изменения  температуры окружающей среды Тсmax, Tcmin; (Из раздела   1  имеем: Tcmax=55°C, Tcmin=-25°C);

-пределы измерений давления  окружающей среды Pmax, Pmin; из ранее  сказанного имеем Pmax=106.7кПа, Pmin=84кПа;

-время непрерывной работы T; будем  считать, что режим работы длительный, т. е. T велико;

-допустимые температуры элементов  Ti;

-коэффициент заполнения блока  Kv=0,5;

-размеры корпуса блока L1, L2, L3; размеры корпуса электронного  блока согласно ТЗ: L1=100 мм, L2=50 мм, L3=120 мм.