Разработка технических средств измерений
Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Кафедра информационных технологий
Чепуштанов А.А.
Методические указания к выполнению практических заданий в дисциплине
«Нестандартные средства измерений»
Барнаул 2012
Чепуштанов А.А. Методические указания к практическим занятиям в курсе “Нестандартные средства измерения” для студентов направления 200100 «Приборостроение». – Барнаул: изд-во АлтГТУ. 20012. – 29 с.
Методические указания содержат теоретические, практические рекомендации и задания к выполнению практических работ в дисциплине «Нестандартные средства измерений», а также необходимые требования к оформлению отчета по проделанной работе.
Методические указания предназначены для бакалавров направления «Приборостроение» по профилю 200100.62 измерительные информационные технологии. Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры ИТ АлтГТУ. Протокол № от 2012 г.
Содержание
Введение
1 Разработка технического задания
2 Функциональная схема средства измерения
3 Конструктивно-элементная структура средства измерения
4 Основные положения ЕСКД. Стадии разработки конструкторской
документации
Список использованных источников
Введение
Разработка технических средств измерений
Проектирование – это процесс создания описания, необходимого для создания еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и алгоритма его функционирования. Проектирование включает в себя комплекс работ по изысканию, исследованию, расчетам и конструированию, имеющих цель получения описания для создания нового изделия.
Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованием и представлением в принятой форме образа этого объекта. Проектирование начинается при наличии задания на проектирование, являющимся исходным описанием объекта. Результатом проектирования служит комплект документации, содержащей достаточные сведения для изготовления объекта.
Разработка технических средств измерений представляет собой процесс создания новых образцов устройств, приборов и аппаратов, удовлетворяющих заданным требованиям. Этот процесс связан с решением схемотехнических, конструкторских и технологических задач.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1. Разработка технического задания
Структура технического задания
Разработка прибора начинается с формирования технического задания (ТЗ), т.е. исходных предложений о свойствах объекта разработки. Заказчик выдвигает гипотезу о том, какие характеристики являются существенными, в каких пределах могут меняться значения этих характеристик, как их следует измерять и т.д. Основываясь на такой исходной гипотезе, приступают к разработке конструкции.
В устройствах самая общая характеристика представляет собой отношение входа и выхода. Если конструкцию узла представить в виде некоторого устройства – функционального преобразователя (ФП), то при подаче на вход воздействия x на выходе его возникают однозначно определенные сигналы y, т.е.
{x1, x2, ….xm} = {K} {y1, y2, …ym},
где {K} – оператор, характеризующий всю совокупность свойств, учитывающих влияние каждого входного воздействия на параметры выходного сигнала функционального преобразователя.
Техническое задание на разработку конструкции прибора представляет собой систему, содержащую описание входных воздействий x, исходных данных конструкции Д и выходных требований y к конструкции.
Входные - это внешние воздействия на конструкцию, которые в заданных пределах существенно влияют на функционирование прибора (внешние условия среды – температура, давление, влажность, воздействие излучения). К входным параметрам относят и исходные данные конструкции Д, например тип детали, точность и чувствительность подвижек и т.д.
Примеры выходных требований – это технические показатели (масса, габариты, надежность), показатели уровня технологичности конструкции и т.д. Входные воздействия и выходные требования образуют внешние связи конструкции узла. Задача проектирования – реализовать оператор К через конструкцию.
При разработке ТЗ центральное место занимает выбор критериев качества. При этом показатели технологичности обычно выражают количественно в нормо-часах, рублях, календарном времени и т.д., т.е. только скалярным критерием. При системном подходе к разработке ТЗ следует учитывать так же весомость и векторность показателей качества конструкции. Например в конкретных условиях приоритет может быть отдан минимизации одного из показателей: затрат времени на технологическую подготовку производства, трудоемкость изготовления, ремонтопригодность и т.д.
Задание к выполнению:
- в соответствии с вариантом задания на разработку ТЗ средства измерения (область информационно-измерительная техника и технологии) разработать ТЗ, содержащие следующие пункты:
1. наименование и область применения средства измерения;
2. основные технические характеристики – диапазон измерения, погрешность (основная и дополнительная), питание, время контроля, потребляемая мощность и т.д.;
3. конструктивные требования – вес, габариты, стационарный и т.д.;
4. условия эксплуатации – температура, влажность, давление, излучения и т.д.;
5. описание объекта измерения – температура, агрегатное состояние, статический или движущийся, наличие колебаний;
6. надежностные характеристики - наработка на отказ, срок службы, ремонтно-пригодность, время восстановления при отказе;
7. поверка и градуировка прибора при изготовлении, после ремонта и профилактических работ;
8. технико-экономические и другие показатели.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2. Функциональная структура средства измерения
Исходным пунктом анализа конструкции является выполнение способа функционирования, присущего конструкции прибора. По признакам отношений функции разделены на две группы: функции, обеспечивающие внутренние связи в узле, и функции, обеспечивающие внешние связи внутри прибора и прибора в целом. По признакам свойств выделены следующие группы функций: функции назначения (крепление деталей и т.д.); технологические функции (обеспечение требуемой точности замыкающего звена размерной цепи и т.д.); функция обеспечения надежности и долговечности (фиксации сборочной единицы и т.д.).
Функциональная структура прибора содержит классификацию функций конструктивных решений одновременно по двум группам признаков: трехуровневую классификацию по признакам иерархической подчиненности (количественной определенности) функций конструкций и классификацию функций соответственно каждого уровня по признакам их качественной определенности.
В настоящее время все чаще в качестве определяющих используют функциональные признаки конструкции. Например, выделение в отдельный класс сборочных единиц, имеющих самостоятельное функциональное назначение (агрегат, модуль), позволяет перейти к наиболее прогрессивному методу проектирования – методу агрегатирования.
Например, за существенное, определяющее свойство оптико-механического прибора принята способность прибора обрабатывать электромагнитное излучение с длинами волн, расположенными в диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра.
В качестве определяющих признаков членения конструкции на элементы приняты признаки взаимодействий свойств элементов оптико-механического пробора в процессе возникновения, распространения, перераспределения энергии электромагнитного излучения и последующего преобразования в другие виды энергии. Набор элементов функциональной структуры прибора состоит из генератора излучения, оптической системы, приемного устройства.
Задание к выполнению:
- выполнить функциональную схему средства измерения в соответствии с техническим заданием, оформить по требованиям ЕСКД.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3. Конструтивно-элементная структура средства измерения
Конструкцию средства измерения можно представить в виде системы, содержащей пирамиду специфических и неспецифических оснований классификации, которые позволяют выразить конструкцию через многоуровневую структуру. Так, техническое задание на разработку конструкции предопределяет способ функционирования конструкции. В свою очередь, структура и функция – соотносительные понятия, выражающие связь между строением конструкции и присущим ей способом функционирования. Функция всегда привязана к определенной структуре конструкции как к своему носителю.
Одной из важнейших задач конструирования является задача выбора рациональных элементов, составляющих прибор. На основе описанной функциональной структуры строится структура элементов конструкций прибора.
После выбора решения о разработки конструкции, все усилия направлены на обеспечение снижения суммарных затрат на создание продукции и прежде всего на обеспечение заданного уровня технологичности узла. Разработанная конструкция должна удовлетворять условиям эксплуатации, требовать минимальных затрат труда, средств, материалов и времени при подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделия, обеспечивать технологичность изделия.
Качество продукции – совокупность свойств, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Так, интегральный показатель качества - отношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации или потребления к суммарным затратам на ее создание и эксплуатацию или потребление:
И = Э / Зс +Зэ,
где Э - суммарный полезный эффект от эксплуатации продукции;
Зс – суммарные затраты на создание продукции;
Зэ – суммарные затраты на эксплуатацию.
При выявлении тенденций и определении путей совершенствования конструкций могут быть использованы следующие данные:
- результаты сравнения изменений во времени конструкций по патентным и литературным источникам;
- результаты анализа тематики рационализаторских предложений;
- факторы, определяемые изменением климатических условий эксплуатации;
- факторы, определяемые технологическими требованиями.
В основу построения структуры конструирования узла положено два принципа, определяющих содержание методики: принцип функционирования и оптимизации.
Принцип функционирования – методика анализа множества конструкций с выделением самых абстрактных элементов и методика синтеза конструкции из абстрактных элементов, воспроизводящая конструкцию узла как конкретную целостность.
В основу оптимизации конструкции положен принцип обеспечения преемственности существующих конструкций.
Методика создания элементной базы конструирования включает оценку и отбор (для последующей стандартизации) элементов схем, характеризующих различные стороны связей и отношений в узле.
Электронный блок – конструктивный узел, предназначенный для выполнения самостоятельной функции. Разработка конструкций электронных блоков является примером многовариантного конструирования электронной аппаратуры.
Независимо от функционального назначения в блок входят обязательные составные части: несущая конструкция, электронные изделия, а также узлы и приборы.
В одних случаях разработка начинается с механизма или иных составных частей с последующим заключением их в корпус.
В других случаях – основным является унифицированный корпус с возможными модификациями, в который включаются переменные составные части.
Несущая конструкция предназначена для размещения электронной части аппаратуры и обеспечения ее функционирования в условиях эксплуатации (в блоках – металлический корпус, каркас или шасси). Каркас может быть отлитым из легких сплавов, штампованным или свинчиваемым из унифицированных конструктивных профилей.
Чертеж электронного блока должен содержать необходимое количество видов, разрезов, размеров для полного представления о конструкции блока. Стандартные электронные изделия изображаются упрощенно с сохранением габаритных размеров и указанием маркировки позиционных обозначений согласно электрической схеме.
Позиции деталей и элементов проставляются согласно спецификации.
Типовые элементы конструкций и принципы конструирования контрольно-измерительной аппаратуры содержит ОСТ 4.ГО.410.001.
Он распространяется на типовые элементы конструкций корпусов, устанавливает общие требования, единые конструкторские решения, методы компоновки типовых элементов конструкций и требования к конструированию в условиях производства.
Печатные платы (ПП) служат основанием для монтажа микросхем и других элементов и обеспечивают коммутацию всех элементов в соответствии с принципиальной схемой.
В зависимости от сложности аппаратуры и плотности монтажа применяют однослойные, двухслойные и многослойные печатные платы. Однослойные и двухслойные платы состоят из основания, на котором с одной или двух сторон наносятся печатные проводники. Основания плат должны обладать достаточной механической прочностью, высокой диэлектрической способностью, высокой нагревостойкостью и хорошей сцепляемостью материалов платы и печатных проводников.
Многослойные печатные платы (МПП) представляют собой единый монтажно – коммутационный узел, состоящий из чередующихся слоев токопроводящего и изоляционного материалов. В пределах одного слоя МПП подобны односторонним платам. Внутри платы функциональные цепи располагаются отдельными слоями – слой питания, слой земли и т.д. Межсоединения в МПП выполняются пистонами, штифтами, металлизацией.
Основные правила выполнения чертежей печатной платы – детали:
- чертеж именуют – “ Плата печатная “;
- на чертеже изображают одну проекцию с печатными проводниками и отверстиями – если плата односторонняя, и изображают две проекции лист 1 и лист 2 с печатными проводниками, если плата двухсторонняя.
Размеры отверстий, их количество, размеры контактных площадок помещаются в таблицу на чертеже. Проводники шириной менее 2,5 мм изображаются сплошной толстой основной линией, действительная ширина оговаривается в технических требованиях, там же содержатся сведения о методе изготовления печатной платы, шаге сетки, покрытии, справочных размерах.
Установка и крепление микросхем и элементов на плате производится, учитывая легкость доступа к любой из них, возможность замены, минимизну связей, лучшие условия охлаждения. Микросхемы и микросборки на печатных платах располагают рядами или в шахматном порядке и устанавливают таким образом, чтобы их выводы совпадали с узлами координатной сетки.
Основным методом компоновки микросхем считается плоскостной, при котором элементы устанавливаются на печатной плате в одной плоскости с одной или двух сторон.
Крупногабаритные детали, узлы группируются в отдельные ячейки (модули). Модули содержат одну или две платы и выполняются в бескаркасном и каркасном вариантах. Роль несущего элемента в бескаркасном одноплатном варианте выполняет печатная плата. В каркасных конструкциях роль несущего элемента выполняет рамка или металлическое основание ячейки. Ячейки, лицевая и задние панели с приборами, установленные в типовой унифицированный каркас либо в собственный каркас – представляют собой электронный блок, т.е. функционально законченный конструктивный узел.
Печатным узлом называется печатная плата с навесными элементами.
Сборочный чертеж печатной платы должен давать полное представление о навесных элементах и других деталях, их расположении и установке на плате, а также сведения о:
- маркировке позиционных обозначений элементов;
- условных обозначениях выводов приборов (трансформаторов, реле);
- нумерации выходных контактов, полярности элементов согласно принципиальной схеме.
Чертеж должен содержать технические требования. Навесные элементы изображаются упрощенно. Варианты установки элементов берутся из справочников.
Задание к выполнению:
- выполнить эскиз общего вида, сборочного чертежа, содержащий необходимое количество видов, сечений, разрезов, позволяющих иметь полное представление о конструкции прибора и его функционировании.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4. Основные положения ЕСКД. Стадии разработки конструкторской документации.
К конструкторским документам относят графические и текстовые документы, которые определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для его разработки, изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.
В зависимости от стадии разработки документы подразделяются на проектные и рабочие. К первым относятся техническое предложение, эскизный и технический проекты. Разработку конструкторской документации на изделие начинают с выполнения в соответствии с техническим заданием (ТЗ) технического предложения для выявления дополнительных или уточненных требований к изделию (технических характеристик, показателей качества и др.).
Эскизный проект разрабатывают для установления конструктивных, схемных и других решений, дающих общее представление о работе и устройстве изделия. По эскизной документации изготавливают и испытывают макет.
Технический проект (ТП) – принимается окончательное техническое решение с подробной разработкой общих видов, чертежей деталей и схем изделия. При разработке ТП используются документы эскизного проекта с корректировкой по замечаниям и предложениям. ТП служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации.
Комплект рабочей документации содержит:
- пояснительную записку;
- чертеж общего вида – определяет конструкцию изделия, принципы работы;
- сборочный чертеж – чертеж, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки и контроля;
- спецификация – документ, определяющий состав сборочной единицы или комплекта;
- чертеж детали – чертеж, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля;
- электромонтажный чертеж – документ, содержащий данные, необходимые для выполнения электрического монтажа изделия;
- схема – чертеж, содержащий в виде условных изображений составные части изделия и связи между ними (принципиальная, функциональная, подключения).
Задание к выполнению:
- представить к отчету (допуску к зачету) комплект проектной документации на разработанное средство измерения:
1. реферат, содержащий сведения о разработке средств измерений, этапах проектирования, проектной документации, сведение и разрабатываемом средстве измерения (2-3 страницы);
2. техническое задание на разработку средства измерения;
3. структурную (функциональную) схему средства измерения;
4. общий вид, сборочный чертеж средства измерения;
5. принципиальную электрическую схему, перечень элементов.
6. необходимые электрические расчеты.
Пример выполнения отчета приведен в ПРОЛОЖЕНИИ №1
Краткие методические указания
к проведению практических занятий.
Перед практическим занятием необходимо проработать материалы предыдущих лекционных и практических занятий. В основном это теоретический курс из конспектов и указанной литературы. Ниже приведен перечень вопросов для проработки при подготовке к практическим занятиям.
Задание к практическому занятию N 1:
1. Разработка средств измерений
2. Разработка технического задания
3. Этапы проектирования средств измерений
Задание к практическому занятию N 2:
1. Структурная схема средства измерения
2. Критерии разработки структуры прибора
Задание к практическому занятию N 3:
1. Конструктив прибора
2. Элементная база прибора
3. Принципы конструирования
Задание к практическому занятию N 4:
1. Основные положения ЕСКД.
2. Стадии разработки конструкторской документации
3. Комплект конструкторской документации.
Список использованных источников
1. Ранеев Г.Г. Методы и средства измерений (6-е изд.): учебник. – М. : Академия, 2010. – 430 с.
2. Схиртладзе А.Г., Ярушин С.Г. Проектирование нестандартного оборудования: учебник. - М. : Новое знание, 2009. – 424 с.
3. Ранеев Г.Г. Измерительные информационные системы (1-е изд.): учебник. – М. : Академия, 2010. – 340 с. –
4. Схиртладзе А.Г. Интегрированные системы проектирования и управления: учебник. - М. : Академия, 2010.
5. Фуфаев Э.В. Компьютерные технологии в приборостроении: учебное пособие. – М. : Академия, 2009. – 336 с. –
ПРИЛОЖЕНИЕ №1
Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Факультет информационных технологий
Кафедра информационных технологий