Основы конструирования и технология производства РЭС

Введение

Следует начать с того, что потребность в радиоэлектронном средстве, предназначенном для решения конкретной задачи или ряда задач, приводит в действие механизм его создания, в основе которого – деятельность разработчика при участии заказчика, представляющая собой проектирование изделия. Сущность этого процесса – принятие инженерных решений, оказывающих непосредственное влияние на изготовление и использование изделий, а также на действие человека при их эксплуатации.
Вся работа по конструированию нового изделия представляет собой процесс преобразования информации вплоть до реализации изделия в металле. Конструирование и технология производства являются частями сложного процесса разработки РЭА и не могут выполняться в отдельности, без учета взаимосвязей между собой и с другими этапами разработки, и определяют в конечном итоге общие потребительские свойства изделий.
Актуальность работы состоит в том, что в настоящее время проектирование и технология производства электронных средств уже не могут рассматриваться в отрыве друг от друга и прочих этапов жизненного цикла продукта. Острая конкурентная борьба за рынки сбыта между научно-производственными объединениями электронного профиля приводит к быстрому развитию информационных технологий.
Современные автоматизированные технологии позволяют охватывать все виды работ по маркетингу, планированию, проектированию, производству, реализации, эксплуатации, а где требуется, и утилизации электронных средств. Только широкое использование информационных технологий позволяет выйти на уровень управления предприятием "бизнес со скоростью мысли". Ежегодно появляется много новых программных продуктов или новых версий существующих. Созданных технологий так много и они настолько быстро развиваются, что специалисту в одной области информационных технологий (ИТ) невозможно отслеживать весь широкий спектр методов, программных и технических средств, которые применяются при создании и производстве электронной продукции.
Целью данной работы является изучение отдельных аспектов основ конструирования и технологии производства РЭС. Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
рассмотреть особенности разработки конструкции устройства с использованием компьютерных систем и пакетов прикладных программ;
исследовать вопрос обеспечения технологической точности сборки аппаратуры.
При написании работы использовались такие методы, как теоретическое обоснование темы, изучение научных источников, а также их сравнительный анализ.


1 Разработка конструкции устройства с использованием компьютерных систем и пакетов прикладных программ
Разработка современных РЭС в настоящее время рассматривается как выполнение сложных инновационных проектов. Важными особенностями этих проектов являются высокая степень неопределённости и риска, большие затраты материальных и временных ресурсов, необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов. Основными направлениями повышения эффективности разработок являются решение задач анализа и синтеза проектируемых РЭС в автоматизированном режиме.
Автоматизированное проектирование РЭС базируется на общесистемных принципах, а также положениях, учитывающих отношение РЭС к особому классу разрабатываемых объектов. Общесистемные принципы определяют РЭС как сложную техническую открытую систему, в основе функционирования которой лежат процессы передачи, извлечения и обработки информации, связанные с преобразованием и передачей электромагнитной энергии.
Отметим, что при проектировании современных радиоэлектронных средств (РЭС), особенно бортовых, сталкиваются с серьезными проблемами, основные из которых [5, с. 92]:
увеличение требований к надежности при ужесточении условий эксплуатации;
снижение массогабаритных параметров при одновременном увеличении количества выполняемых функций;
уменьшение сроков морального старения и, соответственно, необходимость сокращать сроки проектирования новых изделий.
Исключительно важную роль ИТ оказывают на развитие радиоэлектронных средств (РЭС), которые обеспечивают все виды связи, вычислительные средства, продукцию оборонных промышленных комплексов и других отраслей промышленности. В настоящее время практически нет продукции, включая услуги, которая бы не содержала или не использовала электроники. ИТ и электроника вместе с вычислительной техникой являются основой создания высоких технологий. Необходимость внедрения ИТ для развития РЭС объясняется требованиями к сокращению сроков проектирования и подготовки производства для выпуска новых и модернизируемых изделий, затрат на проектирование и производство, стоимости долговременного послепродажного обслуживания.
Кроме того, ИТ необходимы для перестройки (реинжиниринга) предприятий в соответствии с современными требованиями повышения качества и конкурентоспособности изделий, восстановления старых рынков сбыта и выхода на новые рынки
Начнем с того, что рабочие функции РЭА характеризуются набором параметров, номинальные значения которых задаются техническим заданием (ТЗ) на разработку изделия. Реализация этих параметров в эксплуатации зависит как от общего комплекса дестабилизирующих факторов условий эксплуатации (климатических, механических и пр.), так и от качества разработки и технологии производства. Учет этих факторов требует от разработчика РЭА знаний по всем вопросам конструкторско-технологического проектирования, а именно [3, с. 3]: виды и порядок разработки технической документации;
влияние внешних факторов на работоспособность РЭА;
методы конструирования элементов, узлов и устройств РЭА и изготовления изделий;
обеспечение электромагнитной совместимости, механической прочности, нормальных тепловых режимов и надежности изделий;
общие вопросы организации производства РЭА;
стандартные и специальные технологические процессы в производстве РЭА;
методы сборки и монтажа;
методы регулировки, настройки и испытаний РЭА и т. д.
Развитие информационных технологий и применение их при проектировании изделий дает возможность разработчику РЭА использовать принципиально новые инструменты и подходы для сокращения сроков разработки, улучшения технических и снижения экономических показателей создаваемой РЭА.
Развитие производства РЭС непосредственно связано с автоматизацией технологической подготовки производства. В настоящее время широко применяются системы автоматизированного проектирования (САПР), гибкие автоматизированные производственные системы (ГАПС), автоматизированные системы контроля и испытания изделий (АСКИИ). Основное значение в процессе автоматизации изготовления РЭС имеет АСТПП.
АСТПП – это аппаратно-программный комплекс, созданный на основе математического, алгоритмического, информационного, технико-экономического, программного и технического обеспечений. Структурная схема АСТПП представлена на рисунке 1 [6, с. 7].

Рисунок 1 - Структурная схема АСТПП
На предварительном этапе автоматизации решаются задачи анализа изделия, подлежащего изготовлению, обоснования необходимого уровня механизации и автоматизации, технологической подготовки производства, создания информационной базы данных и знаний, разработки математического и программного обеспечений, снабжения техническими средствами.
На этапах жизненного цикла электронных средств широко применяются следующие ИТ. Очевидно, что информационные технологии автоматизированного проектирования РЭС в значительной мере определяются теми задачами, которые решаются в процессе проектирования

. В общем, проектирование технических систем (и РЭС в частности) представляет собой деятельность от осознания потребности в определенной системе или объекте до создания некоторого описания (проектной документации), по которому эту систему или объект можно изготовить [1, с. 12].
Задачи проектирования РЭС являются более сложными по сравнению с задачами, решаемыми на других этапах ЖЦ изделий. Кроме того, от эффективности принимаемых проектных решений в основном зависят качество и конкурентоспособность выпускаемой продукции. Поэтому в системах автоматизированного проектирования (САПР) повсеместно используется ИТ.
Поскольку объекты проектирования РЭС достаточно разнообразны по своей природе (печатные платы, микросхемы, устройства СВЧ и т.д.), также разнообразны и задачи проектирования в своей конкретной постановке. В силу этого рынок систем автоматизированного проектирования устройств электроники (EDA, Electronic Design Automation – автоматизация проектирования электроники) также представлен достаточно разнообразным набором программных продуктов [1, с. 14].
В настоящее время существует значительное количество систем инженерного анализа (CAE, Computer Aided Engineering), позволяющих решать широкий круг задач в области моделирования поведения проектируемых изделий. Условно их можно разделить на специализированные системы инженерного анализа, функционирующие автономно (ABAQUS, ANSYS, MSC Nastran, LS-DYNA), и системы автоматизированного проектирования, имеющие в своем составе подсистему инженерного анализа (T-FLEX, Solid Works). Функционирование первых основано на импорте геометрии конструкции из систем трехмерного проектирования с целью детального специализированного исследования проектируемого изделия.
Вторые позволяют осуществлять, по сути, экспресс-анализ проектируемых конструкций с целью избежать грубых ошибок. Системы данного класса различаются в основном используемыми математическими моделями процессов и явлений и способами их реализации. В то же время базовые математические методы во всех системах практически одинаковы – это численные методы. Практика наглядно показала, что хорошо спроектированное изделие – это лишь часть решения задачи вывода решения на рынок. Неразрывно с проектированием связаны технологические решения по изготовлению изделия.
Компания Autodesk предлагает в настоящее время два продукта – Autodesk Inventor и Autodesk Fusion, которые реализуют соответственно подход с деревом истории создания проекта и подход прямого моделирования. По заявлению компании, наибольшие преимущества можно извлечь, комбинируя прямое и параметрическое моделирование. Это обеспечивает следующие возможности: быстрое внесение изменений в проекты независимо от логического порядка конструктивных элементов и их взаимосвязей, а также от того, в какой САПР:
первоначально была создана модель;
интуитивное моделирование производных форм для пользователей Inventor;
объединение рабочих процессов непосредственного и параметрического моделирования при работе над единой цифровой моделью;
двусторонняя совместимость с параметрическими проектными данными Autodesk Inventor, позволяющая выбирать инструменты, которые наилучшим образом подходят для текущих проектных задач.
При этом независимые эксперты отмечают, что в конечном итоге прямые изменения, реализуемые конструктором в пакете Fusion, затем автоматически анализируются в приложении Autodesk Change Manager, и на их основе автоматически строится новое дерево истории модели. Компания Siemens PLM Software предлагает свое решение данной проблемы – так называемую синхронную технологию, объединяющую возможности параметрического моделирования на основе конструктивных элементов со средствами прямого редактирования элементов геометрической формы.
Синхронная технология возможна благодаря использованию так называемого вариационного подхода к проектированию изделия, состоящего в связывании граничных элементов геометрической модели логическими и параметрическими ограничениями – как заданными пользователем, так и автоматически распознанными системой CAD. Практически в ее основе лежит технология прямого моделирования, дополненная интеллектуальными компонентами распознавания конструктивных элементов, что, по сути, представляет собой систему ограничений некорректных действий пользователя по прямому изменению геометрии модели. Интеллектуальные компоненты реализованы с помощью технологий экспертных систем. На основе синхронной технологии теперь реализованы основные пакеты производства Siemens PLM – Solid Edge ST и NX.
Первым этапом технологической подготовки производства является планирование последовательности технологических процессов изготовления изделия. Для решения этой задачи используются информационные системы типа CAPP (англ. Computer-Aided Process Planning – планирование процессов с помощью компьютера). Этот термин используется для обозначения программных инструментов, применяемых на стыке систем автоматизированного проектирования (CAD) и производства (CAM). Задача CAPP-системы – по заданной трехмерной модели изделия составить технологию его производства (маршрутные и операционные карты). Технологическая подготовка производства всегда осуществляется по имеющейся базе данных типовых техпроцессов, применяемых на конкретном предприятии.
Важно то, что зачастую в литературе используют термин CAM как единое понятие для обозначения автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП).
В проектировании РЭС помимо задач топологического проектирования, определяющих взаиморасположение элементов и проводников, значительный объем представляют задачи проектирования собственно конструкций – деталей и узлов радиоаппаратуры. Именно результаты конструкторского проектирования являются основой для работы систем инженерного анализа и технологической подготовки. В основе современных методов автоматизированного проектирования конструкций лежат информационные технологии геометрического моделирования [1, с. 18].
Первые системы автоматизированного проектирования конструкций (русскоязычный термин САПР и англоязычный CAD – Computer Aided Design), использовавшиеся на крупных предприятиях автомобильной и авиационной промышленности с середины 1960-х гг., были двумерными и представляли собой электронный аналог кульмана. Довольно скоро созрело понимание, что в центре проектирования должна быть трехмерная модель изделия, двумерные проекции которой могут быть сгенерированы автоматически.
Однако простое добавление третьей координаты к традиционным двумерным графическим моделям позволяет смоделировать только каркас изделия, которого недостаточно для вычисления объемно-массовых характеристик будущего изделия. Только твердотельное моделирование (solid modeling) позволяет описать каждую точку тела и открывает дорогу методам инженерного анализа статических и динамических свойств изделия. Кроме того, твердотельная модель используется для расчета траектории движения режущего инструмента при моделировании процесса изготовления изделия, а также для изготовления модели изделия методами быстрого прототипирования.
Таким образом, твердотельное моделирование служит основой для систем CAD, CAE и CAM. В основе большинства современных ядер геометрического моделирования (таких как Parasolid, ACIS, GRANITE, CATIA Geometric Modeler и др.) лежит один и тот же аппарат твердотельного моделирования – граничное представление (Boundary Representation, BRep), описывающее тело путем перечисления ограничивающих его объем плоских и криволинейных граней, пересекающихся в ребрах и вершинах (все они называются граничными элементами)