Размещено на http://www.allbest.ru/

• СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2. ОБЩЕТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ УСТРОЙСТВА

2.1 Анализ исходных данных

2.2 Формирование основных технических требований к разрабатываемой конструкции

2.3 Схемотехнический анализ проектируемого средства

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ

3.1 Выбор конструкторских решений, обеспечивающих удобство ремонта и эксплуатации устройства

3.2 Выбор типа электрического монтажа, элементов крепления и фиксации

3.3 Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий

3.4 Выбор способов обеспечения нормального теплового режима устройства

3.5 Выбор и обоснование элементной базы, конструктивных элементов, установочных изделий, материалов конструкции и защитных покрытий, маркировки деталей и сборочных единиц

3.6 Обеспечение требований стандартизации, унификации и технологичности конструкции устройства

4. РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ

4.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

4.2 Расчет теплового режима

4.3 Проектирование печатного модуля

4.4 Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

4.5 Расчет параметров лицевой панели. Анализ и учет требований эргономики и технической эстетики

4.6 Полный расчет надежности

5. ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УСТРОЙСТВА

5.1 Обоснование выбора пакетов прикладного программного обеспечения для моделирования и проектирования устройства

5.2 Технология применения средств автоматизированного проектирования при разработке конструкторской документации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

В соответствии с заданием курсового проекта необходимо провести разработку электрической схемы и конструкции устройства стерилизации стеклянных банок, основанного на использовании ультрафиолетовых ламп. Ультрафиолет губительно действует на большинство патогенных и болезнетворных организмов, и это свойство используется в УФ-стерилизаторе. Принцип действия ультрафиолетового стерилизатора основан на мощной энергии УФ-излучения, способной быстро устранить загрязнения с любых предметов, в том числе с изделий сложной конфигурации. Такие стерилизаторы эффективны в отношении большинства известных болезнетворных микроорганизмов, действуют быстро и надёжно.

1. Анализ литературно-патентных исследований

Аналогом разрабатываемого устройства является устройство УФ-стерилизации (патент №2026084). Устройство служит для стерилизации посуды при консервировании продуктов, в частности к устройствам ультрафиолетовой (УФ) стерилизации и инактивации микроорганизмов, в том числе к устройствам УФ-стерилизации посуды в условиях домашнего консервирования.

Известны устройства обеззараживания, в которых используется УФ-излучение в спектральном диапазоне 240-280 нм для глубокого обеззараживания (плотность лучистой энергии до 15 мДж/см2), для разложения микроорганизмов (плотность лучистой энергии до 40 мДж/см2) и для уничтожения кишечных палочек (плотность лучистой энергии до 75 мДж/см2).

В качестве источника УФ-излучения в этих устройствах используются ртутные лампы с преимущественным излучением на длине волны 254 нм. Высокая эффективность в УФ-области спектра излучения и простое устройство питания являются достаточным основанием для их использования. УФ-излучение обеспечивает высокую надежность стерилизации и не вызывает никаких отрицательных побочных явлений.

Известно устройство, в котором дополнительно к УФ-излучению ртутной лампы обезвреживаемый предмет помещается в окислительную среду, губительную для инфекционных микроорганизмов.

Известно устройство для стерилизации питьевой посуды, в котором при размещении прямого стакана ниже источника излучения с помощью специальной оптической системы одновременно облучаются наружная и внутренняя поверхности.

Разрабатываемое изделие отличается от своих аналогов, прежде всего, своей портативностью, небольшими габаритами, возможностью настройки режимов обработки.

2. Общетехническое обоснование разработки устройства

2.1 Анализ исходных данных

Анализ исходных данных позволяет сформировать перечень основных технических требований для изделия. Главными отличительными чертами устройства являются малые габариты и вес.

2.2 Формирование основных технических требований к разрабатываемой конструкции

· Электрические параметры: Uном = 220 В 50 Гц.

· Общие технические условия (требования) по ГОСТ 26342-84, класс (группа) -. Устойчивость к климатическим воздействиям по ГОСТ 15150-69УХЛ3.1.

· Габаритные размеры, не более 150Ч130Ч50мм.

· Коэффициент заполнения по объему, не менее Кз = 0,5.

· Масса изделия, не более 0,5 кг.

· Требования к надежности по ГОСТ 27.003-90.

· Годовая программа выпуска, не менее 1000 шт.

· Специальные технические требования ? проектирование осуществить с учетом:ГОСТ Р 52459.8-2009 «Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства радиосвязи. Часть 8. Частные требования к базовым станциям системы цифровой сотовой связи GSM».

2.3 Схемотехнический анализ проектируемого средства

стерилизация банка ультрафиолетовый конструкция

Назначением схемотехнического проектирования является разработка принципиальных электрических схем СБИС и РЭА [1-3]. Задачи схемотехнического проектирования разделяются на задачи анализа и синтеза проектных решений.

Процедуры схемотехнического проектирования обычно непосредственно не входят в маршрут проектирования СБИС. При проектировании интегральных схем их применяют, в основном, при отработке библиотек функциональных компонентов СБИС [2, 5]. Но при разработке принципиальных электрических схем радиоэлектронных устройств в различных приложениях они могут стать основными проектными процедурами (наряду с конструкторским проектированием печатных плат).

Схемотехнический анализ может потребоваться также и внутри маршрута проектирования СБИС. Так, в случае МОП-схем появляется промежуточный уровень абстракции (switch level) между схемотехническим и вентильным уровнями, на котором элементами моделей являются не вентили, а МОП-транзисторы [6, 7]. Благодаря представлению последних в виде переключателей удается отобразить процессы в схеме более детально, чем с помощью программ логического моделирования [1].

Рассмотрим электрическую принципиальную и структурную схемы изделия, а также перечень элементов приведенные в приложениях А, Б и В. В состав изделия входят следующие функциональные блоки: блок формирования вторичного питания, блок микроконтроллера, блок управления и индикации, блок управления нагрузкой. При наличии напряжения от блока вторичного питания, блок микроконтроллера осуществляет мониторинг состояния органов управления. Блок управления и индикации служит для создания интерфейса между устройством и пользователем. При помощи него осуществляется индикация готовности устройства к началу процедуры стерилизации, задание временного промежутка процедуры, индикация заданного времени процедуры (а также оставшегося до окончания процедуры), управление стартом процедуры, звуковая сигнализация о завершении процедуры. Блок управления нагрузкой при наличии соответствующих сигналов от блока микроконтроллера, осуществляет коммутацию напряжения 220 В 50 Гц бытовой сети для подачи его на соответствующие выходные разъемы (от одного до трех) питания ультрафиолетовых ламп.

Индикатор готовности к работе при подаче напряжения питания на устройство, должен периодически загораться. Ручкой потенциометра настраивается необходимое время процедуры облучения, количество выставленных минут отображается на семисегментном индикаторе. После выставления необходимой длительности процедуры и нажатии стартовой кнопки осуществляется подача напряжения питания на УФ-лампы. Об окончании процедуры устройство сигнализирует при помощи пьезодинамика.

3. Разработка конструкции проектируемого изделия

3.1 Выбор конструкторских решений, обеспечивающих удобство ремонта и эксплуатации устройства

Корпус изделия представляет собой прямоугольный параллелепипед со скругленными кромками. На лицевой панели располагаются индикатор готовности, регулятор длительности процедуры, индикатор выставленной длительности процедуры, а также стартовая кнопка. Удобство эксплуатации разрабатываемого изделия достигается его небольшими габаритными размерами, отсутствием выступающих частей корпуса, препятствующих уверенному удержанию изделия в ладони, расположению его на плоской поверхности, размещением разъемов питания, выходных разъемов питания УФ-ламп. Осуществление ремонта изделия должно осуществляться максимально просто, при этом процедура разборки не должна занимать длительное время. В связи с этим, требовалось максимально сократить число крепежных элементов, при этом сохраняя жесткость конструкции и надежность сборки. Доступ к печатной плате изделия достигается отвинчиванием четырех крепежных винтов, расположенных на тыльной стороне изделия и последующим снятием кожуха. Пусковые конденсаторы, используемые в целях фильтрации пульсаций тока в цепях УФ-ламп, в виду своих крупных габаритных размеров, а также необходимости отводить генерируемое ими тепло, должны располагаться на специальном держателе, выполненном из теплопроводящего материала.



Рис. 1. Внешний вид проектируемого изделия

Рис. 2 Взрыв-схемы проектируемого изделия

3.2 Выбор типа электрического монтажа, элементов крепления и фиксации

Способов монтажа радиодеталей может быть несколько. Первый способ - это монтаж радиодеталей на макетной плате. Макетная плата предназначена для сборки схемы без пайки радиодеталей. Данный способ монтажа очень простой, но применение нашел лишь для проверки работоспособности и наладки схем. На остальных способах монтажа мы остановимся поподробнее [1-3].

Навесной монтаж радиодеталей часто применяется для радиоустройств, которые состоят из нескольких радиодеталей. Наверное, часто видели фонарики с подзарядкой от сети, так вот в большинстве таких фонариков радиодетали смонтированы навесным монтажом, т.е. без применения печатной платы.

Поверхностный монтаж радиодеталей: Данный способ зародился не особо давно, но стремительно вытесняет привычный монтаж на печатных платах особенно в устройствах Китайского происхождения. Связано это с размерами современных радиокомпонентов - это так называемые SMD компоненты. Для данного способа монтажа изготавливается печатная плата по уже известной нам технологии. Отличие данного способа от предыдущего в том, что радиодетали монтируются в непосредственной близости от монтажной платы, поскольку SMD элементы не имеют ножек. Поверхностный монтаж радиоэлементов часто делается на двух сторонах платы, на так называемых двухсторонних платах и может быть совмещен с предыдущим способом монтажа [2,3].

В изделии применяется два типа монтажа: печатный - для элементов поверхностного монтажа, а также навесной - для элементов, устанавливающихся в металлизированные отверстия на плате. Крепление платы с установленными электронными компонентами осуществляется ее установкой на специальных держателях и последующим прижатием ее втулками, препятствующими произвольному перемещению. Батарея устанавливается в специальный паз, фиксируется карабинами.

3.3 Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий

Влияние климатических факторов на конструкцию. Влияние климатических факторов на конструкционные материалы выражается главным образом в возникновении процессов коррозии, потере механических и диэлектрических свойств, изменении электропроводности. Реакция на воздействующий фактор, степень и скорость изменения свойств конструкционного материала в зависимости от его состава различны. Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электрохимическую природу, но причина в этих случаях одинакова: переход металла в более стабильное природное состояние. Процесс коррозии связан с отдачей энергии, что указывает на самопроизвольный ход реакции, без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии растворение металла и возникновение новых соединений происходит с участием электролита, т. е. воды [2].

От прямого воздействия влаги стационарная и транспортируемая РЭА, как правило, не защищена и не должна эксплуатироваться в этих условиях. Однако на работающую аппаратуру воздействуют пары влаги окружающего воздуха. Нормальной влажностью считается относительная влажность 60...75 % при температуре 20.. .25 °С.

РЭА также подвержена воздействию пыли. Пыль - смесь твердых частиц малой массы, находящаяся в воздухе во взвешенном состоянии. Различают пыль естественную или природную, всегда присутствующую в воздухе, и техническую, которая является следствием износа оборудования, обработки материалов, сжигания топлива и пр [3, 4].

При относительной влажности воздуха выше 75 % и нормальной температуре наблюдается рост числа частиц пыли, их коагуляция, увеличивается вероятность притяжения пыли к неподвижным поверхностям. При низкой влажности частицы пыли электрически заряжа-ются, неметаллические - положительно, металлические - отрицательно. Заряд частиц чаще всего возникает из-за трения.

Загрязненность воздуха пылью снижает надежность работы РЭА. Пыль, попадая в смазочные материалы и прилипая к скользящим поверхностям деталей электромеханических узлов, приводит к ускоренному их износу. Под воздействием пыли изменяются параметры и характеристики магнитных лент, дискет, магнитных головок, царапается и приходит в негодность магнитный слой. Пыль в зазорах контактов препятствует замыканию контактов реле.

Защитой от всех воздействующих климатических факторов может служить герметизация корпуса, применение специальных покрытий для печатной платы изделия.

Электронные компоненты, расположенные на печатной плате изделия, защищаются от внешних воздействий негерметичным кожухом из алюминия. Данное решение обусловлено тем, что разрабатываемое устройство планируется использовать в щадящих условиях, без воздействий со стороны агрессивной внешней среды.

3.4 Выбор способов обеспечения нормального теплового режима устройства

Тепловой режим аппаратурного блока характеризуется совокупностью температур отдельных его точек -- температурным полем. Температурный режим создается как внешним температурным воздействием окружающей среды, так и тепловой энергией, выделяемой радиоэлементами самой аппаратуры. В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным или нестационарным [1, 2].

Нормальный тепловой режим - это режим, который при изменении в определенных пределах внешних температурных воздействий обеспечивает изменение параметров и характеристик конструкции, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях на них. Высокая надежность и длительный срок службы изделия будут гарантированы, если температура среды внутри РЭА является нормальной и равной 20-25 °С. Изменение температуры относительно нормальной на каждые 10 °С в любую сторону уменьшает срок службы аппаратуры приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, затратам электрической энергии.

Работоспособность при низких температурах обеспечивается саморазогревом аппаратуры перед работой или, при необходимости, нагревом электрическими нагревательными элементами, устанавливаемыми для стационарной аппаратуры в помещении (что должно быть оговорено в инструкции по эксплуатации), для транспортируемой - встроенными в конструкцию. При применении нагрева должно обеспечиваться автоматическое выключение нагревателей после прогрева аппаратуры. Следует избегать интенсивного прогрева, так как при этом пары воды внутри прибора конденсируются на поверхностях конструкции до тех пор, пока не осядет избыточная влага в воздухе [1-4].

Основным предполагаемым источником тепловыделения являются пусковые конденсаторы, предназначенные для компенсации токовых пульсаций в цепи питания УФ-ламп. Для предотвращения негативного влияния прочие компоненты должны быть расположены на отдалении, на обратной стороне платы по отношению к данным конденсаторам не должны располагаться какие-либо элементы. Подтверждение данного предположения осуществляется на стадии инженерного расчета.

3.5 Выбор и обоснование элементной базы, конструктивных элементов, установочных изделий, материалов конструкции и защитных покрытий, маркировки деталей и сборочных единиц

В изделии применяется следующая элементная база:

· линейный стабилизатор напряжения LM7805, выходное напряжение 5В, производства фирмы Fairchild Semiconductors, изготавливается в корпусе TO-220, для монтажа в отверстия

· микросхема-контроллер ATmega328P-PN, производства фирмы Atmel, изготавливается в корпусе PDIP, для монтажа в отверстия

· микросхема-драйвер семисегментных индикаторов SN54246, производства фирмы Texas Instruments, изготавливается в корпусе PDIP, для монтажа в отверстия

· тиристор MAC15A8, производства фирмы ON Semi, изготавливается в корпусе TO-220, для монтажа в отверстия

· оптореле с тиристорным выходом MOC3061, производства фирмы Motorola, изготавливается в корпусе 730A-04, для монтажа в отверстия

· диодный мост VS-GBPC3508W, 10 А, 600 В

· предохранитель плавкий C630, 1 А, 250 В

· чип-резисторы CF-100, 1 Вт, номиналом 330 Ом и 1 кОм, точность ±5%, для монтажа в отверстия

· переменный резистор-потенциометр 16T1-B10K, номиналом 10 Ком, для монтажа в отверстия

· конденсаторы К78-17 пусковые, 10 мкФ±20%, 600 В

· ниобиевые оксидно-полупроводниковые конденсаторы К53-4, полярные, герметичные в металлическом корпусе, 100 нФ 16 В, для монтажа в отверстия

· чип-конденсаторы 22 пФ±20%, 6 В, производства фирмы Murata, изготавливаются в корпусе типоразмера 0805, для печатного монтажа

· трансформатор MMAWCIWW производства фирмы Wurth Electronik, индуктивность 2,8 мГн, коэффициент трансформации 1±0,1

· пьезодинамик SCS-17-S

· диод АЛ307БМ светоизлучающий, с рассеянным излучением, эпитаксиальный, красный, длина волны излучения 655 нм, яркость 0,9 мКд

· индикатор семисегментный АЛС324Б1, красный, длина волны излучения 660 нм, 0,45 мКд

· резонатор кварцевый 10 МГц, производства фирмы Geyer

· кнопка тактовая TS-A6PS-130

· соединители тип 70553, производства фирмы Molex, 3 А, 200 В.

3.6 Обеспечение требований стандартизации, унификации и технологичности конструкции устройства

Показатели стандартизации и унификации - показатели, которые отражают степень применения стандартных, унифицированных и неповторимых компонентов в составе продукта.

Показатели стандартизации и унификации характеризуют насыщенность товара стандартными, унифицированными элементами, которыми являются входящие в него компоненты, узлы, конструкции, приборы, агрегаты, комплекты и комплексы [1].

К показателям стандартизации и унификации относятся:

· коэффициент применяемости;

· коэффициент повторяемости составных частей изделия;

· коэффициент унификации изделия или изделий;

· коэффициент нового оригинального конструирования;

· коэффициент серийности;

· коэффициент экономической эффективности стандартизации объекта;

· коэффициент межпроектной унификации комплектов конструкции изделия.

Помимо выделенных показателей, также рассчитываются и исследуются коэффициенты повторяемости и унификации по конструктивным компонентам: термообработке, габаритам, радиусам, диаметрам, мощности, резьбе, фаске, материалам, напылению, окраске и другие составляющие.

Оптимальный уровень унификации устанавливается на базе экономических расчетов, учитывающих расходы по фазам жизненного цикла продукции. Таким образом, оптимальный уровень унификации назначается на базе расчета производственных и эксплуатационных расходов.

С повышением уровня унификации расходы в области производства уменьшаются, а в области эксплуатации, напротив, - возрастают, т. к. приходится использовать один и тот же унифицированный объект в различных условиях, иногда с его недогрузкой.

Поэтому оптимальный уровень унификации устанавливается на базе суммарных расходов. Эта концепция применима для продукции крупносерийного и массового производства, для которой часть расходов в области производства невелика, уровень унификации назначается по единому фактору - размеру совокупного полезного эффекта изделия на единицу общих расходов за его жизненный цикл.

По итогам изучения воздействия уровня унификации изделия на некоторые технико--экономические коэффициенты, можно делать только частные выводы и находить запасы улучшения этих коэффициентов при условии, что другие показатели (качество, затраты у потребителя) не ухудшатся.

Качество продукции можно оценить как измерение свойств. В современной науке и практике, показатели качества определяются как количественная оценка свойств товаров. Свойства товаров (предметов) имеют широкую классификацию по группам:

· показатели надежности;

· показатели технологичности;

· показатели стандартизации и унификации;

· показатели транспортабельности;

· экологические показатели.

Обеспечение требований стандартизации, унификации и технологичности устройства обеспечивается максимальным использованием стандартных блоков, нормализованных узлов и крепежных деталей.

4. Расчет конструктивно-технологических параметров проектируемого изделия

4.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

Компоновка - размещение в пространстве или на плоскости различных элементов РЭА - одна из важнейших задач при конструировании. Основная задача, решаемая при компоновке РЭА, - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения в пространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры [1].

Компоновка - сложный и ответственный процесс конструирования, так как размещение всех заданных элементов схемы в заданном объеме конструкции с установлением основных геометрических форм и размеров между ними с одновременным обеспечение нормальной работы схемы устройства в соответствии с техническим заданием по существу определяет в дальнейшем все этапы разработки. К основным этапам разработки компоновочных схем относятся: определение особенностей функциональных параметров электрической схемы устройства и выбор основной конструктивно-законченной единицы; выбор элементной базы и способа монтажа; отработка вопросов межсоединений, теплопередачи, прочности и жесткости конструкции [1, 2].

На практике задача компоновки РЭА чаще всего решается при использовании готовых элементов (радиодеталей) с заданными формами, размерами и весом, которые должны быть расположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных, тепловых и других видов связей.

Компоновочные характеристики и документы способствуют лучшему взаимопониманию не только всех разработчиков данного изделия, но и заказчиков, которые могут субъективно сравнивать как подобные, так и разные по характеру системы.

Методы компоновки элементов РЭА можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные и номографические, основой которых является представление геометрических параметров и операций с ними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрической модели.

Проведем расчет объемно-компоновочных характеристик устройства. Корпус имеет габаритные размеры 147х122х47,5 мм, внутренний объем V = 791700 мм3, площадь поверхности S = 61423 мм2. Приведенная площадь корпуса изделия составляет:

Sпр = S / V = 0,077 (1)

Рассчитаем коэффициент заполнения объема:

Кзо = Vап / V = 0,57, (2)

где Kзо - коэффициент заполнения, Vап - объем, занимаемый аппаратурой (без учета батарейного отсека).

4.2 Расчет теплового режима

Тепловой режим устройства характеризуется набором температур отдельных его точек. Для расчета теплового режима работы блока необходимо определить:

· условную поверхность нагретой зоны Sз, м2, для воздушного охлаждения:

Sз=2(ab+ah+bh)Кзо, (3)

• где a,b,h - геометрические размеры блока, м, Кз.о - коэффициент заполнения объема, а = 14710-3 м, b = 12210-3 м, h = 47,510-3 м.

Sз=2(14710-312210-3+12210-3·47,510-3+ 14710-347,510-3)0,57 = 0,035 м2.

· удельную мощность нагретой зоны q3, Вт/м2, как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади:

q3=Q / S3, (4)

где Q - мощность, рассеиваемая блоком, Вт.

С учетом полученного значения Q удельная мощность нагретой зоны (без учета пусковых конденсаторов):

qз= 4 / 0,035= 114,28 Вт/м2. (5)

Для обеспечения нормального режима работы устройства температура зоны не должна превышать Тз=45 0С, что определяется выбранной элементной базой устройства. При этом температура зоны не достигает максимального значения рабочей температуры элементов. Нормальная температура окружающей среды, при которой работает устройство Тс=20 0С. Тогда разность температур t будет определяться по формуле:

t = Тз - Тс = 45 - 20 = 25 0С; (6)

Для выбора способа охлаждения используем график приближенного определения необходимого способа охлаждения прибора (рисунок 1). Нижние графики применяют для выбора способа охлаждения блоков, шкафов, стоек, верхние -- для отдельных теплонагруженных элементов (силовых полупроводниковых приборов, дросселей, трансформаторов и т. п.). Существуют два типа областей: для первых можно однозначно указать способ охлаждения, для вторых возможны два или даже три альтернативных способа. К первому типу относятся области: 1 -- естественное воздушное, 3 -- принудительное воздушное, 5 -- принудительное жидкостное, 9 -- принудительное испарительное охлаждение. Области второго типа заштрихованы. В них возможны следующие способы охлаждения: 2 -- естественное и принудительное воздушное, 4 -- принудительное воздушное и жидкостное, 6 -- принудительное жидкостное и естественное испарительное, 7 -- принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное, 8 -- естественное и принудительное испарительное. Из графика видно, что прибор относится к зоне 1, следовательно, дополнительные меры по вентиляции не требуются. Тепло, генерируемое пусковыми конденсаторами, должно отводиться на алюминиевый корпус изделия при помощи теплопроводящих держателей.

Рис. 4. График определения способа охлаждения прибора

4.3 Проектирование печатного модуля

Конструирование печатных плат (ПП) и технология их изготовления настолько связаны друг с другом, что их отдельное рассмотрение на представляется возможным. Размещая компоненты схемы или элементы проводящего рисунка на поверхности основания печатной платы, выбирая конфигурацию и размеры печатных проводников и контактных площадок, конструктор всегда имеет в виду возможности и ограничения того технологического процесса, который будет использован при производстве печатной платы и печатного узла. В зависимости от числа нанесенных проводящих слоев ПП разделяют на одно-, двухсторонние и многослойные [1, 6].

Односторонние печатные платы выполняются на листовом слоистом или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий. Общим недостатком плат без металлизации отверстии является частое отслаивание и обрывы проводников в местах закрепления выводов компонентов. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. Их применяют для монтажа бытовой аппаратуры, блоков питания и устройств техники связи. Низкие затраты, высокую технологичность и нагревостойкость имеют рельефные (трехмерные) литые ПП, на одной стороне которых расположены элементы печатного монтажа, а на другой объемные элементы (корпуса соединителей, периферийная аппаратура для крепления деталей и ЭРЭ, теплоотводы и т.д.). В этих платах за один технологический цикл получается вся конструкция с монтажными отверстиями и специальными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП интенсивно развивается [6].

Двухсторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического оснований. Электрическая связь слоев печатного монтажа осуществляется с помощью металлизации отверстий. Двухсторонние печатные платы обладают повышенной плотностью монтажа и надежностью соединений. Они используются в измерительной технике, системах управления и автоматического регулирования. Использование металлических оснований позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной и радиопередающей аппаратуре.

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из чередующихся слоев изоляционного материала и проводящего рисунка, соединенных клеевыми прокладками в монолитную листовую структуру путем прессования. Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией. Платы характеризуются высокой плотностью монтажа, надежностью, устойчивостью к климатическим и механическим воздействиям. Однако большая трудоемкость изготовления, высокая точность рисунка и совмещения отдельных слоев, необходимость тщательного контроля на всех операциях, низкая ремонтопригодность, сложность технологического оборудования и высокая стоимость позволяют применять МПП для тщательно отработанных конструкций электронно-вычислительной, авиационной и космической аппаратуры [6].

В изделии применена двусторонняя печатная плата, выполненная комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита СФ-2Н-35Г по четвёртому классу точности. Толщина платы 1.5мм; максимальный ток Jmax = 1 A; толщина фольги hф = 0.035 мм; максимальная плотность тока j = 35 А/мм2; напряжение питания 220 В; допустимое падение напряжения UД = 0,45 В; удельное сопротивление меди с = 0,0175 Ом·мм2/м.

Проводники рассчитываются по постоянному току. Ширина проводника цепи питания и заземления определяется следующим выражением:

(7)

где Jmax - максимальный ток; j - максимально допустимая плотность тока.

(8)

Определим минимально допустимую ширину проводников исходя из допустимого падения напряжения:

(9)

где с - удельное сопротивление меди, Jmax - максимальный ток, l - длина самого длинного проводника, hф - толщина фольги.

(10)

Таким образом, при значениях ширины проводников 0,12 мм и 0,86 мм или более плата будет работать стабильно.

4.4 Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

Расчет механической прочности изделия проводился с использованием системы автоматического проектирования SolidWorks (пробная версия), утилиты Simultation. Основным уязвимым элементом конструкции изделия является дисплей, не выдерживающий прямого механического давления. Пластиковый корпус (пластик марки EN-AW-1200) подвергался статической нагрузке, составляющей 10 Н/м2. Эпюры напряжения, распространяющегося в материале, изображены на рисунке. Результаты моделирования показывают, что предел текучести материала не был превышен ни в одной из точек корпуса, что говорит о том, что он способен выдержать статическую нагрузку заданной величины. Повышенное напряжение наблюдается в районе дополнительной стойки внутри корпуса изделия. Для повышения жесткости и механической стойкости корпуса изделия к статической нагрузке, данная стойка может быть дополнительно усилена.

Рис. 5. Эпюра напряжения в материале при приложении силы тыльной стороне устройства

4.5 Расчет параметров лицевой панели. Анализ и учет требований эргономики и технической эстетики

Учет требований эргономики и технической эстетики проводился заложением в конструкцию таких решений, которые позволили бы комфортно для пользователя эксплуатировать изделие. К таким мерам может относиться скругление кромок корпуса, удобное расположение разъема питания, расположение органов управления устройством, а также средств индикации функционирования, на лицевой панели

4.6 Полный расчет надежности

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплутационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации надежность может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость при сочетании этих свойств изделий [8].

Исходной формулой для расчета средней наработки до отказа является:

(11)

где .

Р(t) - вероятность безотказной работы за время t, Л - cуммарная интенсивность отказов элементов. При этом, суммарная интенсивность отказов определяется формулой [8]:

(12)

где лiэ - суммарная интенсивность отказов i-го ЭРИ, N - количество однотипных i-тых ЭРИ, k - количество наименований ЭРИ в системе.

(13)

где iб - базовая интенсивность отказов i-го элемента, Кf - коэффициенты, учитывающие влияние на базовую интенсивность различных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, f?=?1….n - количество конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов.

Таблица 1

Наименование	Базовая интенсивность отказов, Ч10-6 1/ч	Интенсивность отказов с учетом поправочных коэффициентов, Ч10-6 1/ч	Количество элементов	Итоговая интенсивность отказов группы однотипных элементов, Ч10-6 1/ч
L7805	-	0,764	1	0,764
ATmega328P	-	0,263	1	0,263
SN54246	-	0,071	1	0,071
MAC15A8	0,002	0,016	3	0,047
MOC3061	0,003	0,053	3	0,158
VG-GBPC350	0,001	0,003	1	0,003
К78-17	0,01	0,0002	3	0,0007
К53-4	0,064	0,006	1	0,006
С630	0,01	0,01	1	0,01
CF-100	0,004	0,03	10	0,298
16-T1-B10K	0,002	0,025	1	0,025
MMAWCIWW	0,022	0,139	1	0,139
SCS-17-S	0,008	0,016	1	0,016
АЛ307БМ	0,034	0,002	1	0,002
АЛС324Б1	2,5	2,5	1	2,5
TS-A6PS-130	0,0001	0,0001	1	0,0001

Расчет проводился для температуры окружающей среды 55°С, суммарная интенсивность отказов элементов составила 4,3·10-6, при этом среднее время наработки до отказа составило ~ 232 тыс. часов.

5. Применение средств автоматизированного проектирования при разработке устройства

5.1 Обоснование выбора пакетов прикладного программного обеспечения для моделирования и проектирования устройства

Разработка конструкции изделия, его принципиальной электрической схемы, а также топологии печатной платы может проводиться в ряде различных пакетов программного обеспечения - так называемых системах автоматического проектирования (САПР). К таким пакетам относятся программные продукты производства фирмы Mentor Graphics - Expedition Enterprise и PADS, фирмы Altium - Altium Designer, P-CAD для электрической составляющей изделия; пакеты SolidWorks и КОМПАС для механической составляющей. В качестве основного потока разработки был выбрана связка программных пакетов Altium Designer - SolidWorks по причине их высокой интеграции, возможности обмена конструкторскими данными для формирования непрерывного процесса разработки начиная с создания библиотек электрических компонентов, заканчивая созданием механических деталей корпуса изделия.

5.2 Технология применения средств автоматизированного проектирования при разработке конструкторской документации

Технология применения средств автоматизированного проектирования заключается в следующем. В программном пакете SolidWorks разрабатывается корпус будущего изделия, включая размещение модели печатной платы внутри корпуса. Затем модель в формате трехмерной модели передается в пакет электрического САПР Altium Designer, в котором разрабатывается принципиальная электрическая схема устройства, элементы размещаются на модели печатной платы, осуществляется разводка печатных проводников. Из пакета Altium Designer модель платы с установленными элементами экспортируется обратно в пакет SolidWorks, где происходит окончательная доработка корпуса изделия с целью исключения несоответствий, возникших в результате, например, размещения отверстий под соединительные разъемы и т.д. Из обоих пакетов формируется пакет необходимой конструкторской документации, включающий схемы и чертежи.

Заключение

Таким образом, в ходе работы было сконструировано изделие - стерилизатор пищевой тары, действие которого основано на использовании ультрафиолетового излучения, были созданы его принципиальная электрическая схема, чертежи нестандартных деталей корпуса, сборочные чертежи, был проведен расчет параметров и характеристик. Преимущества данного вида оборудования (в сравнении с альтернативными методами паровой и тепловоздушной обработки):

· малые габариты;

· быстрое (в течение нескольких минут) достижение антибактериального эффекта;

· высокая надёжность независимо от конфигурации обрабатываемых изделий;

· отсутствие повреждающего действия даже при частой дезинфекции;

· безопасность, отсутствие остатков вещества на предметах, отсутствие необходимости в промывке.

Список литературы

1. Проектирование радиоэлектронных средств на корпусных интегральных микросхемах: Учеб. пособие для студ. спец. Моделирование и компьютерное проектирование РЭС", "Радиотехника" и "Радиотехнические системы" всех форм обучения /Н.В. Альферович. - Мн.: БГУИР, 2004. - 107 с.: ил.

2. Схемотехническое проектирование электронных средств: лабораторный практикум / З.М. Селиванова. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - 80 с.

3. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры / Пер. с англ. - 2-е издание - М.: Мир, 1986. - 387 с.

4. Cхемотехника аналоговых и аналого_цифровых электронных устройств. 3_е изд. стер. / Волович Г. И. -- М. : Додэка_XXI, 2011. -- 528 с. : ил. -- (Серия «Схемотехника»). -- ISBN 978_5_94120_254_6.

5. Аналоговая и цифровая электроника: Учебное пособие. / Йошкар-Ола: МарГТУ , 2000. -- 155 с.

6. Топологическое проектирование печатных плат. Электрон. учеб. пособие / Ю. Н. Кофанов, А. В. Сарафанов, С. И. Трегубов. - Электрон. дан. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.

7. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы / Новиков Ю. В. - Методы проектирования. - М.: Мир, 2001. - 379 с., ил.

8. Теория надежности: Учебник для вузов / В. А. Острейковский. - М.: Высш. шк., 2003. - 463 с.

Размещено на Allbest.ru