Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры

Вид материала

Документы

Содержание Основные этапы сборки

Подобный материал:

• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 395.03kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 376.83kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 346.73kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 299.74kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 446.09kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 385.32kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 402.82kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 487.83kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 301.73kb.
• Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры, 330.88kb.

Выбор техпроцесса сборки электронного узла. Для ТП сборки и монтажа конструктивных элементов первого уровня (модулей, ТЭЗ, узлов) типовые операции приведены в таблице ниже.

Основные операции ТП сборки

^ Основные этапы сборки	Объекты сборки	Основные типовые операции
Комплектация	Печатные платы, комплектующие, детали	Распаковка из тары поставщика. Входной контроль параметров. Размещение в тех­нологической тape
Подготовка к монтажу	Печатные платы	Промывка платы. Контроль печатного монтажа. Контроль паяемости платы. Маркировка платы
	Навесные элементы (ЭРЭ, ИМС)	Лакирование обозначений номиналов. Рихтовка и обрезка выводов. Флюсование и лужение выводов. Формовка выводов. Промывка и сушка ЭРЭ и ИМС. Комплек­тация. Кассетирование
Установка на печатную плату	Детали	Установка и закрепление соединителей (разъемов), контактов (штырей, лепест­ков), навесных шин, прокладок. Стопорение механических соединений
	Навесные элементы	Установка и фиксация резисторов, дио­дов, конденсаторов, транзисторов. Уста­новка и фиксация микросхем. Контроль установки элементов
Выполнение кон­тактных соедине­ний	Плата с деталями, ЭРЭ, ИМС	Флюсование и пайка соединений. Про­мывка и сушка модуля. Контроль кон­тактных соединений
Контроль модуля и защита от внешних воздействий	Модуль	Контроль и регулировка функциональ­ных параметров. Монтажные операции (дополнительные). Контроль параметров, защита модуля (лакирование), испытания и контроль. Сдача на соответствие ТУ

Этап комплектации навесных элементов и деталей, входящих в состав модулей первого уровня, трудоемок и выполняется в основном вручную. Это связано с многообразием тары, в которой поставляются ЭРЭ и ИМС. Микросхемы в индивидуальной таре-спутнике распаковываются на автома­тах с ориентацией по ключу и укладкой в технологические кассеты.

Этап подготовки к монтажу включает техпроцесс подготовки печат­ных плат, ЭРЭ, ИМС и конструкционных деталей. Операции подготовки ЭРЭ и ИМС в мелкосерийном производстве выполняются вручную на рабо­чем месте монтажника простейшими приспособлениями, с размещением элементов в технологической таре по номиналам. В крупносерийном производстве применяются автоматы рихтовки и обрезки выводов, флюсования и лужения, промывки и сушки подготовленных навесных эле­ментов. Автоматизированная подготовка требует специальных кассет для загрузки и выгрузки элементов. Для ЭРЭ с осевыми выводами, которые кассетируют путем вклеивания в ленту, формовка про­изводится на автомате непосредственно перед установкой на плату.

Установку на плату начинают со штырей, лепестков, навесных шин и прокладок после подготовки (рихтовка, обезжиривание) их базовых поверх­ностей. Установка ЭРЭ и ИМС в зависимости от типа производства осуще­ствляется вручную, по шаблону, автоматически.

При установке вручную монтажник по схеме или маркировке на плате определяет место положения элемента, извлекает его из тары, устанавливает и, если необходимо, распаивает выводы. Первые два перехода составляют большую часть штучного времени. Для сокращения времени установки всех навесных элементов монтажное поле платы делится на зоны, в каждой из которых работает один монтажник. В этом случае может быть организована конвейерная установка элементов.

Установка по шаблону характеризуется более высоким уровнем меха­низации. Точное позиционирование монтажного стола осуществляется вручную с помощью щупа и координатных отверстий на шаблоне, а уста­новка элементов - автоматически укладочной головкой. Элементы пода­ются из кассет в последовательности установки на плату. Этот способ более производительный, но менее универсальный, так как требует сменных или переналаживаемых инструментов при изменении типоразмеров корпусов элементов.

Для автоматизированной установки применяется специализирован­ное оборудование с ЧПУ или технологические комплексы с подачей элементов из технологических кассет.

Получение контактных соединений в модулях первого уровня осуще­ствляется преимущественно пайкой, расплавленным или расплавляемым припоем под действием постоянного или импульсного нагрева зоны соеди­нения. При одностороннем монтаже навесных элементов на плате и фикса­ции их положения (подгибка, приклеивание и т.п.) применяется механизированная пайка волной припоя. Групповая пайка планарных выво­дов ИМС проводится припоем с нагревом па­яльником или расплавляемым припоем с импульсным нагревом электрода­ми, роликами, лучом лазера, струей газа. Импульсный нагрев локализует тепловое воздействие в зоне выводов, но требует подачи припоя в зону пайки и качест­венного лужения. Операции промывки и сушки модулей необходимы для удаления флюса, продуктов пайки и прочих загрязнений. Они выполняются на механизированных конвейерных линиях. Качество контактных соедине­ний оценивается визуально.

Этап контроля модулей наиболее ответственный и трудоемкий. Он выполняется в отладочном, диагностическом и контрольном режимах с по­мощью специальной аппаратуры, стендов и автоматических систем контро­ля. Замена неисправных ИМС требует дополнительных монтажных опера­ций и повторного контроля параметров. Годные модули проходят операции лакирования и сушки и, если необходимо, испытания с контролем параметров.




Рис. 11.2.1.
Разработка схемы сборки. Технологическая схема сборки ТЭЗ, приведенная на рис. 11.2.1, опреде­ляет последовательность установки деталей и сборочных единиц на базовую деталь (или сборочную единицу). На схеме должны быть указаны операции получения механических соединений (свинчивание, расклепка, развальцов­ка, склеивание, сварка); операции электрического монтажа (пайка, сварка, накрутка, раскладка проводов); операции контроля и герметизации (про­мывка, сушка, лакирование, нанесение компаунда).

При разработке схемы сборки необходимо выбрать базовую деталь. Для модулей первого уровня это - ПП. Для модулей второго уровня базо­вой деталью может быть конструкционная рамка или каркас блока, пред­ставляющий сборочную единицу. Детали и сборочные единицы изобража­ются в виде прямоугольников (см. рис. 11.2.1), в которых указывается номер по спецификации, наименование и количество. От базовой детали к готовой сборочной единице проводится главная линия сборки, а от устанавливаемых деталей или сборочных единиц — линии до пересечения с ней. Расположе­ние точек пересечения на главной линии говорит о выбранной последова­тельности сборки. Операции сборки и монтажа указываются текстом в пря­моугольных рамках в том месте, где они осуществляются. Для упорядоче­ния схемы сборки по одну сторону от главной линии изображаются устанавливаемые детали и сборочные единицы, по другую — крепежные детали и монтажные операции. Если текст занимает много места, то опера­ции могут быть пронумерованы, а расшифровка их сделана вне схемы сборки.

Разработка маршрутного ТП сборки. Исходными данными для разработки маршрутного ТП являются: схе­ма сборки с базовой деталью, типовой ТП, объем выпуска N, шт/год, коэффициент закрепления операций К_зо - отношение количества операций к количеству рабочих мест: К_зо=1 - массовое производство, К_зо=2-10 - крупносерийное, К_зо=11-20 - среднесерийное, К_зо=21-40 - мелкосе­рийное. Для заданных N и К_зо определяется среднее штучное время опера­ции: T_шт = T_в / К_зо, где Т_в = 60Ф/N, Ф – годовой фонд времени. Расчетное значение T_шт обеспечи­вается дифференциацией или концентрацией операций, подбором оборудо­вания определенной производительности. Маршрутный ТП корректируется после разработки операционного ТП, нормирования операций и технико-экономического обоснования структуры операции. По приведенному ниже образцу составляется маршрутная карта техпроцесса сборки и монтажа, где Т_пз — подготовительно-заключительное время.

№п/п	Наименование операции	Оборудование, оснастка	Тшт.расч	Разряд рабочего	Тпз

Рассмотрим разработку маршрутного ТП сборки и монтажа модуля первого уровня при объеме выпуска N = 15 000 шт/год и Т_в = 6 мин. Если в смену на сборку выделить 6 ч чистого рабочего времени, то объем партии составит 60 шт/смену.




Рис. 11.2.2.
Примем, что на каждой плате устанавливаются 2 лепестка заземления, 2 провода-перемычки, 80 ИМС, 80 конденсаторов типа К53 и 160 диэлектрических прокладок под каждый корпус навесного элемента. Составим в табличной форме маршрутный ТП с указанием со­держания и последовательности операций, а также предварительно выбран­ного оборудования (рис. 11.2.2). Примем, что ПП, ИМС и конденсаторы про­шли типовые ТП подготовки к сборке и монтажу.

Проанализируем выбор оборудования в маршрутном ТП. Т_шт операции установки лепестков и монтажа перемычек не превышает 0,5 мин. Это позволяет выполнять на одном рабочем месте монтажника вручную слесарно-сборочную и монтажные операции, так как предельное в этом случае значение К_зо =T_в/T_mт = 12. Эмаль стопорения лепестков сох­нет 5-6 ч, что требует одновременного размещения в шкафу не менее 60 плат (сменный выпуск) и работы с суточным заделом.

Так как на плате устанавливаются ИМС и конденсаторы различных типономиналов и типоразмеров корпусов, целесообразно применение специального мон­тажного устройства, с помощью которого на плату устанавливаются ИМС. Учитывая его производитель­ность (см. рис.) и затраты времени на нанесение клея и подпайку выво­дов, необходимы два устройства.

Полуавтомат непрерывной пайки планарных выводов ИМС имеет высокую производительность и позволяет переналаживать паяльную головку в зависимости от типоразмеров корпусов. Неизбежны трудности механизированной пайки цилиндрических выводов конденсаторов с планарной формовкой. Эту операцию можно выполнить на лазерной установке пайки. Ли­нии промывки, лакирования и сушки модулей по производительности значи­тельно превышают расчетный такт выпуска. Их применение гарантирует со­блюдение режимов и условий обработки при обработке различных типов изде­лий. При заданном объеме выпуска N, шт/год, известной производительности оборудования n шт/ч и годовом фонде времени его работы Ф_об, ч, можно оп­ределить расчетное количество оборудования для каждой операции:

К_расч = N/nФ_об.

Разработка технологических операций. Цель этапа разработки операционного ТП - полная детализация вы­полнения операций. Этот этап включает:

• определение структуры операции, последовательности переходов и работы инструментов;
  
• выполнение операции с изображением состояния объекта, схемы ба­зирования или установки деталей, инструментов, направлений главных пере­мещений, геометрических размеров, достигнутых на данной операции. Эскиз сопровождается таблицей, содержащей переходы, условия и режимы их вы­полнения, основное t_о и вспомогательное t_в время, действительную и допус­тимую погрешности базирования;
  
• расчет режимов и условия сборки и монтажа, времени Т_шт с учетом технологических возможностей предварительно выбранного оборудования, уточнение времени фактической загрузки оборудования;
  
• расчет точности операции, условий собираемости сопрягаемых де­талей, действительных погрешностей, определение точностных требований к сборочно-монтажным приспособлениям;
  
• нормирование операций, выбор разряда рабочего, расчет технологи­ческой себестоимости операции, технико-экономическое обоснование вари­антов операции;
  
• обоснование выбора технологической оснастки или разработка тех­нического задания на ее проектирование.
  

Рассмотрим более подробно этапы разработки монтажной операции пайки ИМС с планарными выводами на полуавтомате непрерывной пайки.

Структура операции параллельно-последовательная. Пайка выполняется параллельно двумя наконечниками (жалами) одновременно двух противоле­жащих выводов и последовательно остальных выводов микросхемы, а также ИМС, установленных в одном ряду. Необходимы три прохода (3 ряда ИМС) с возвратом паяльной головки каждый раз в исходное положение (условие не­прерывной пайки) и перемещением к координате следующего ряда.

При расчете рабочего пути паяльной головки необходимо знать шаг установки и длину корпуса ИМС. Если шаг велик или в ряду отсутствует ИМС, то целесообразно на нерабочих участках перемещать головку уско­ренно для увеличения производительности. Технологическая скорость выбирается из условия ограничения времени контакта жала с выводом (не более 2—3 с), обеспечения качества пайки (скелетная форма соединения, растекание припоя вдоль вывода, отсутствие перемычек). Зная пути рабочих и холостых ходов головки, легко определить основ­ное t_о и вспомогательное t_в время пайки. Время установки (снятия) платы определяется экспериментально или задается по нормативам на соответствующие виды монтажных работ. Таким образом, можно рассчитать время операции пайки ИМС. Температура пайки зависит от используе­мого припоя и допустимого нагрева корпуса ИМС.

Исходными данными для точностного расчета опера­ции являются размеры планарных выводов ИМС и контактных площадок пла­ты; максимальная величина смещения выводов после установки и приклейки корпуса ИМС; точность настройки наконечников головки; точность позицио­нирования и рабочего перемещения головки. Размеры выводов и площадок оп­ределяются из конструкторской документации, точность установки ИМС - из анализа предыдущей монтажной операции, остальные данные - из докумен­тации на оборудование. Зная перечисленные погрешности, можно рассчитать допустимую суммарною погрешность на данной операции.

При нормировании операции пайки ИМС следует взять за основу t_о и вспомогательное время t_в, определить время технического об­служивания t_обсл полуавтомата, подготовительно-заключительное время T_пэ на его наладку, и принять решение о назначении разряда рабочего.

Для технико-экономического обоснования рассматриваемой операции можно путем расчета технологической себестоимости пайки ИМС C_Т = А + B/N (A - текущие расходы, В - единовременные расходы) сравнить возможные варианты ее реализации на разных типах устройств пайки.

В качестве технологической оснастки для операции пайки ИМС в рас­смотренном примере необходимо приспособление для установки и закреп­ления платы на столе полуавтомата. Исходными данными для его проектиро­вания являются схема базирования; допустимая погрешность, оп­ределенная при точностном расчете операции; время на операцию. Кроме перечисленных данных в ТЗ приводится схема установки платы в приспо­соблении. Она позволяет выбрать конструкцию установочных элементов (опор) приспособления, их расположение и точки приложения усилий за­крепления платы. Вспомогательное время регламентирует быстросменность плат в приспособлении и тип привода закрепления (ручной, пневма­тический, электромагнитный, механический).

Технологические процессы и качество РЭА. Разработка ТП изготовления, сборки и наладки РЭА должна базироваться на двух основах: технической и экономической. Техническая основа - ТП должен обеспечивать необходимое качество получаемой РЭА. Экономическая основа - ТП должен обеспечить выпуск РЭА с минимальными затратами и с высокой производительностью труда.

Под качеством понимается совокупность свойств РЭА, удов­летворяющих требованиям заказчика, государственным и мировым стан­дартам. Понятие качества можно свести к следующим показателям: надежность и долговечность, технологичность, точность, эргономичность, патентно-правовые показатели, стандартизация и унификация, экономические показа­тели, экологические показатели. Различают базовые, частные и комплекс­ные показатели качества.

На качество изделия большое влияние оказывает точность входящих в него деталей, компонентов, узлов и т. п.

Точность параметров РЭА. Точность — степень соответствия действительного (полученного) па­раметра заданному (X) номинальному. Эта степень соответствия задается допуском () на параметр изделия и обозначается с плюсовым, минусовым или равносторонним допуском (например, Х ± /2).

Все параметры качества делятся на следующие группы.

• Геометрические - линейные размеры, микронеровности (шерохова­тость), макронеровности (непараллельность, овальность, неперпендикуляр­ность и т. д.).
  
• Физические - индуктивность, сопротивление, емкость, магнитная проницаемость, проводимость и т. п.
  
• Химические - растворимость, концентрация, скорость травления, скорость диффузии и т. п.
  

Для определения точности линейных размеров элементов деталей ис­пользуется единая система допусков и посадок (ЕСДП), опирающаяся на международную систему стандартов ИСО. В ЕСДП приняты 19 квалитетов точности (вместо ранее применявшихся классов точности), записываемые в порядке понижения точности: 01, 0, 1, 2, 3, ..., 17. Квалитеты 01, 0 и 1 пред­назначены для концевых мер длины; квалитеты со 2-го по 4-й - для калиб­ров и особо точных изделий. В квалитетах с 5-го по 13-й даются допуски для сопрягаемых размеров деталей, а в квалитетах с 14-го по 17-й - для несопрягаемых размеров деталей. Допуски обозначают IT с порядковым номером квалитета, например IT12. Для физических параметров допуск может быть проставлен в процентах. Например, электрическое сопротивление R ± 5 %.

Параметры имеют разброс из-за производственных погрешностей (). Различают три вида производствен­ных погрешностей: систематические, закономерно изменяю­щиеся, случайные.

Погрешность обработки партии деталей называют сис­тематической (постоянной), если погрешности деталей, входящих в партию, одинако­вые. Такая погрешность получается под действием неизменных факторов в течение обработки всей партии деталей. Погрешность называют закономерно изме­няющейся, если при переходе от одной детали к другой значение погрешности изменяется по тому или иному закону. Например, износ инструмента закономерно приводит к росту внешних размеров и уменьшению внутренних (диаметров). Погрешность называют случайной, если за­кономерность изменения отсутствует, и предугадать время появления и на­правление действия погрешности невозможно. Пример случайной погреш­ности - температурные колебания, погрешности базирования и т. п.

На практике ни одна из этих погрешностей в чистом виде не проявля­ется, и общая погрешность представляет комбинацию указанных видов по­грешностей.

Если значение погрешностей больше заданного конструктором допус­ка, то часть параметров выйдет за поле допуска и будет забракована. Чтобы этого не произошло, необходимо повысить точность ТП, подобрать более точное оборудование, стабилизировать режимы, изменить метод обработки, монтажа и т. п.

Методы оценки точности. Из большого разнообразия методов оценки точности рассмотрим чаще всего применяющиеся в производстве РЭА: наблюдение в цехах, статистиче­ский, расчетно-аналитический.

Метод наблюдения в цехах основан на сборе данных о точности из­делий, получаемых при обработке и сборке с использованием опреде­ленного оборудования и приспособлений, с учетом обрабатываемых ма­териалов, инструментов и т. п. Эти данные систематизируют и сводят в таблицы для различных методов обработки. Та­кие таблицы можно использовать для предварительной оценки точности разрабатываемого ТП.

Статистический метод оценки точности основан на положениях теории вероятности и математической статистики. Так как процесс произ­водства РЭА характеризуется большим количеством факторов, влияющих на качество и требующих системного подхода к его анализу и синтезу, для ис­следования точности ТП используют различные статистические методы. Наибо­лее универсальным является метод кривых распределения, позволяю­щий оценить разброс погрешно­стей для данного ТП и определить процент возможного брака.




Рис. 11.2.3.
Для построения кривой рас­пределения погрешностей следует замерить партию деталей (кон­кретный параметр, допустим, раз­мер L) в количестве N = 100 шт. Замеренный параметр разбивается на равные интервалы и подсчиты­вается число n параметров в каж­дом интервале. Определяется частота m = n/N повторений отклонений параметров в партии и строится гистограмма и полигон распределения параметров (рис. 11.2.3). Вид кривой распределения зависит от характера погрешностей. Случайная погрешность подчиняется закону нормального распределения (закон Гаусса).

Кривые распределения случайных погрешностей характеризуются средним размером и средним квадратичным отклонением. Средний размер L_cp определяют по формуле:

L_ср = (1/NL_i,

где L_i - размеры отдельных деталей. Среднее квадратичное отклонение  определяется выражением:

^(1/N(L_i – L_cp)² = (1/N(L_i)² – (L_ср)².

Для определения вероятностных характеристик важную роль играет ко­личество деталей, которые нужно измерить, чтобы получить значения характе­ристик с достаточной степенью точности и достоверности. Для практических целей обычно бывает достаточно измерения 50-100 деталей. В тех случаях, когда столько деталей получить невозможно и вероятностные характеристики определяются по меньшему N, точность и достоверность результатов необхо­димо оценивать на основании методов математической статистики.

Ошибку  при определении среднеквадратического значения вычис­ляют по формуле

± ,

а при определении среднеарифметического значения

± ,

где у - ошибка в долях .

Из этих же выражений мож­но определить N, удовлетворяю­щее заданной точности.




Рис. 11.2.4.
Уравнение распределения Гаусса (рис. 11.2.4) в координатах с началом в центре группирования имеет вид

y(x) = exp(-x²/2²)/(),

где  - среднеквадратическое отклонение аргумента.

В зависимости от значения  форма распределения изменяется. Чем меньше , тем уже кривая и меньше поле рассеивания. Асимптотически приближаясь к оси абсцисс, кривая нормального распределения стремится к бесконечно малым значениям. За пределами интервала ± 3 она практически сливается с осью абсцисс.

Площадь кривой, соответствующая заданному интервалу отклонений х в единицах z=x/, определяется интегралом, который обычно называют интегралом вероятностей Лапласа:

Ф(z) = (2/)exp(-z²/2) dz.

Интеграл табличный, его значения имеются во всех справочниках по теории вероятностей. При известном значении  и задании допустимого значения х отклонения размеров детали от номинала величина интеграла Ф(x/) определяет вероятность получения размеров в пределах ±х отклонения от номинала, т.е. годных. При z=1 (x=) Ф(z)  0.683, при z=2 Ф(z)  0.954, при z=3 Ф(z)  0.996. Соответственно, величина

P(z) = [1-Ф(z)]·100 %

определяет возможный процент брака. Чтобы снизить процент брака следует либо увеличить поле допуска на отклонение от номинала, либо применить другой ТП, обеспечивающий меньшее значение .

Распределение систематичес­ких закономерно изменяющихся по­грешностей происходит по различ­ным законам. В простейшем случае постоянная систематическая погрешность, вызванная, например, первичной настройкой автомата, вызывает сдвиг кривой распределения случайных погрешностей на определенную величину. При производстве деталей на нескольких автоматах одновременно такая систематическая погрешность вызовет расширение кривой распределения с уплощением ее вершинной части. Оценку возможной доли брака в этих случаях можно выполнять непосредственно по кривым распределения графическими методами.

При долговременном выпуске каких-либо особо важных деталей, элементов или модулей статистический анализ может повторяться через определенные промежутки времени, что дает возможность построения временных диаграмм изменения точности, что дает возможность своевременной замены оборудования или перехода на новый ТП.