Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Принцип базового проектирования в радиоаппаратостроении

Принцип базового проектирования в радиоаппаратостроении

При создании несущих систем многих видов радиоэлектронных средств (ЮС) применяется метод проектирования с использованием так называемых базовых несущих конструкций (БНК) - метод БЫК или базовый метод [1,2,3]. В основе этого метода лежит общетехнический принцип базового проектирования [4], но в публикациях по конструированию РЭС метод БНК обычно отождествляется с модульным проектированием [5]. Например, базовый метод конструирования [1] - это метод, в основу которого положено деление аппаратуры на конструктивно и схемно-законченные части; базовый метод проектирования [6] - это метод, в основу которого положен принцип разделения ЮС на функционально и конструктивно законченные части (модули). Такая интерпретация метода БНК ничем не обоснована.
Несущие системы ЮС представляют собой строительные сооружения, принципиально не отличаются от несущих систем станков, самолетов, мостов и т.д., и методы их проектирования должны основываться на тех же принципах, что и методы проектирования других видов техники.
Цель этой статьи - рассмотреть метод БНК в ряду общетехнических методов обеспечения преемственности конструкций изделий, основанных на принципах базового, группового и модульного проектирования [4, 5].
Наукой о конструировании технических объектов до настоящего времени не выработано единой терминологии. Поэтому в статье сопровождаются пояснениями многие распространенные в публикациях по конструированию термины, значения которых принято считать известными и которые обычно употребляются без определений. Будем называть конструктивным решением изделия некоторую совокупность продуманных свойств изделия, которые должны быть приданы изделию при изготовлении. Конструктивное решение может характеризоваться составом, структурой, формой, размерами, материалами изделия или его элементов, взаимным расположением и взаимодействием элементов изделия.
Конструкция изделия - множество конструктивных решений, установленное конструкторской документацией на изделие, необходимое для однозначного изготовления изделия с заданными эксплуатационными характеристиками. Конструкция в этом значении представляет собой абстрактное отражение изделия [7], его идеальную (т.е. не материальную) модель. Часто слово "конструкция" используется в другом значении - совокупность физических тел и веществ, предназначенная для выполнения некоторых функций. Такое значение имеет это слово, например, в терминах "несущая конструкция" и "базовая несущая конструкция". Чтобы избежать недоразумений ввиду неоднозначности слова "конструкция" вместо термина "несущая конструкция" в этой статье используется его менее распространенный эквивалент "несущая система" или "несущее изделие" в тех случаях, когда несущая система представляет собой изделие в значении по ЕСКД. Вместо термина "базовая несущая конструкция" далее будет применяться в качестве самостоятельного термина аббревиатура БНК [8].
Создание конструкции любого изделия (машины, прибора и т.д.) начинается с поиска и изучения аналогов - находящихся в производстве или разработке изделий, предназначенных для удовлетворения тех же потребностей, что и разрабатываемое. Разработка нового изделия в отсутствие аналогов, рассматриваемая в некоторых публикациях по конструированию, представляет собой, скорее, теоретическую абстракцию, чем реальное положение вещей.
На практике более или менее близкие аналоги существуют всегда. Если отсутствуют промышленно изготовляемые аналоги, то существуют аналоги в виде экспериментальных образцов, созданных в ходе поисковых научно-исследовательских работ или разработок аванпроектов. Аналогами могут быть изделия, информация о которых содержится в описаниях изобретений. Аналогом может служить совокупность нескольких изделий, совместно выполняющих ту же функцию, что и разрабатываемое изделие.
Поиск и изучение аналогов часто представляют собой сложную в организационном и техническом отношении задачу, во многом определяющую ход дальнейшей разработки нового изделия, но никогда в техническом задании на разработку не ставится задача изобрести новое изделие. Наоборот, нередки случаи, когда задача разработки состоит в воспроизведении (копировании) существующего изделия. Чаще же всего разработка конструкции нового изделия заключается в изменении (более или менее значительном) конструкции некоторого существующего изделия.
Использование при создании конструкции нового изделия опыта создания и применения существующих изделий или опыта создания совместно с ним разрабатываемых изделий называют преемственностью конструкций изделия. Различают конструктивную и технологическую преемственности. Содержание и объем этих понятий также не установлены однозначно. В некоторых публикациях, например в [9], понятие "преемственность" практически эквивалентно понятию "унификация изделий" по ГОСТ 23945.0-80 [10]. Унификация является единственным методом обеспечения конструктивной преемственности в значении по ГОСТ 14.004-83 [11] {конструктивная преемственность изделия - совокупность свойств изделия, характеризуемых единством повторяемости в нем составных частей, относящихся к изделиям данной классификационной группы, и применяемости новых составных частей, обусловленных его функциональным назначением).

Рис.1.

Целесообразнее более широкая трактовка этих понятий, например, в соответствии с определениями из [4]: преемственность конструкции изделия представляет собой совокупность свойств изделия, выражающих его технологичность с точки зрения единства изменяемости и повторяемости принятых в его конструкции инженерных решений; конструктивная преемственность - совокупность свойств изделия, характеризующих единство повторяемости в нем компонентов (конструктивных элементов и связей между ними), относящихся к множеству исполнений изделия, и применяемости новых компонентов, новизна которых обусловлена функциональным назначением изделия. Признаком преемственности по [4] является единство повторяемости и применяемости инженерных решений, а не только составных частей (т.е. изделий), как в определении по ГОСТ 14.004-83. Конструктивная преемственность по этому определению может быть и в отсутствие унификации. На рис. 1 изображены конструкции двух вилок, предназначенных для подключения шнуров сетевого электропитания к переносным ЮС. Вилка, изображенная на рис. 1, б, проектировалась для замены вилки, изображенной на рис. 1, а. Унификации по составным частям, а следовательно, и преемственности в значении по ГОСТ 14.004-83 между ними нет. Но между этими вилками существует единство по таким конструктивным решениям, как принцип работы и общая структура, а значит, можно говорить о конструктивной преемственности в значении по [4].
Унификация должна рассматриваться как один из основных (но не единственный) практических методов обеспечения преемственности (рис. 2). При конструировании изделий следует различать унификацию изделий по составным частям (по ГОСТ 23945.0-80) - приведение изделий к единообразию на основе установления рационального числа их разновидностей и унификацию изделий по конструктивным решениям - приведение конструктивных решений изделий к единообразию на основе установления рационального числа их разновидностей.

Рис.2.

Метод проектирования, основанный на использовании при разработке новой конструкции хорошо зарекомендовавших себя конструктивных решений и составных частей существующих изделий, будем называть методом прототипа [12].
Прототип изделия - изделие, предшествовавшее разрабатываемому, являющееся наиболее близким к нему по основным характеристикам (функциональному назначению, конструкции, производственным и другим данным), основные составные части и/или конструктивные решения которого используются в разрабатываемом изделии.
В отличие от аналогов прототипы имеются не у каждого нового изделия. Часто разработка ведется в отсутствие подходящих прототипов. В некоторых случаях разработчики сознательно не используют конструктивные решения существующего прототипа, например, с целью обеспечения патентной чистоты или повышения конкурентоспособности нового изделия.
Метод прототипа используется и при создании принципиально новых изделий: при разработке тех составных частей нового изделия, для которых имеются прототипы, при совершенствовании на последующих стадиях работы удачных конструктивных решений и составных частей, созданных на начальных стадиях. Использование метода прототипа сокращает время на создание новых изделий в результате: исключения из подготовительной фазы разработки нового изделия трудоемких научно-исследовательских и аванпроектных работ или сокращения их объемов, сокращения количества необходимых стадий при выполнении проектирования, уменьшения времени на поиск и проверку конструктивных решений, сокращения объема и сроков разработки рабочей конструкторской документации, уменьшения объемов доводочных испытаний и т.д.
Наряду с термином "прототип" для обозначения сходных понятий используются термины "базовое изделие", "базовая конструкция", "базовая модель" и т.д. Часто эти термины используются как синонимы. Чтобы разобраться в значениях этих терминов и отвести каждому из них свое место в терминологической системе, рассмотрим несколько определений.
Базовое изделие: 1) конкретное изделие, основные составные части которого обязательны для применения при конструировании изделий ряда [13]; 2) изделие, которое является основной обязательной частью ряда изделий, отличающихся друг от друга выполняемой служебной функцией и конструкцией некоторых составных частей [14].
Базовая конструкция - конструкция изделия, его сборочных единиц и деталей, отображенная на чертежах, а также в требованиях, определяющих конструктивное решение, обязательное для применения при конструировании изделий ряда [13].
Обязательность использования элементов базового изделия или базовой конструкции при проектировании некоторой совокупности изделий целесообразно рассматривать в качестве признака, выделяющего базовое изделие (базовую конструкцию) из других прототипов. Требование об обязательности использования при разработке нового изделия элементов базовых изделий и базовых конструкций, а также о разработке нового изделия в качестве базового принадлежат к числу стандартных требований по унификации изделий и устанавливается в технических заданиях на опытно-конструкторские работы. Для некоторых видов изделий необходимость использования базовых изделий и базовых конструкций устанавливается стандартами.
Базовый метод проектирования можно рассматривать как частный случай метода прототипа. На практике этот метод имеет два варианта. Первый вариант состоит в применении базового изделия, второй - в применении базовой конструкции.
Базовое изделие - изделие-прототип, основные части которого обязательны для применения в некоторой совокупности разрабатываемых изделий.
Базовая конструкция - конструкция прототипа, основные конструктивные решения которой обязательны для применения при разработке конструкций некоторой совокупности изделий.
Понятия "базовое изделие" и "базовая конструкция" по этим определениям аналогичны понятиям "базовое изделие" и "базовая конструкция" по приведенным выше определениям из ГОСТ 23945.1-80 [12].
Разница между базовым изделием и базовой конструкцией состоит в следующем:
• базовое изделие обеспечивает разработку модификаций за счет дополнительного присоединения, снятия, замены или изменения пространственного сочетания различных составных частей. Базовое изделие является основной составной частью модификации, включается в спецификацию модификации как примененная сборочная единица (деталь, комплекс, комплект) и изготовляется по своему комплекту конструкторских документов;
• базовая конструкция устанавливает количественные и качественные характеристики по каждому конкретному изделию ряда относительно размеров, форм, материалов, составных частей и их соединений между собой. Конструкторская документация, содержащая информацию о базовой конструкции, используется не для изготовления по ней изделий, а как образец для разработки конструкторской документации нового изделия, по которой новое изделие и должно изготовляться. В отличие от базового изделия из базовой конструкции заимствуются не материальные объекты - изделия, а идеальные - конструктивные решения.
Проектирование на основе базовых изделий применяется во многих отраслях промышленности. Всем известны базовые модели серийных автомобилей и их модификации. Например, базовое изделие - грузовик с одним ведущим мостом ГАЗ-3302 "Газель", модификации - грузовик с двумя ведущими мостами ГАЗ-33027, грузовики со сдвоенной кабиной ГАЗ-33023 (с одним ведущим мостом) и ГАЗ-330273 (с двумя ведущими мостами), микроавтобусы ГАЗ-3221, ГАЗ-32217 и др.

Рис.3.

Для иллюстрации метода проектирования с использованием базовой конструкции в качестве примера рассмотрим возможную процедуру проектирования размерно-подобного ряда поршневых двигателей (рис. 3) [15]. Сначала проектируется и доводится до производства один представитель этого ряда двигателей (например, изображенный на рис. 3, а). Если конструкция этого двигателя получилась удачной, конструкции других представителей ряда получаются изменением геометрических размеров при соблюдении подобия как геометрических размеров, так и рабочих процессов. Конструкция двигателя, изображенного на рис. 3, а, является в этом случае базовой для конструкций двигателей, изображенных на рис. 3, б-г.
Групповое проектирование, в основе которого лежит принцип группового проектирования [4], имеет много общего с базовым методом проектирования. Суть группового проектирования состоит в одновременном (параллельном) проектировании конструктивноунифицированного ряда изделий. На практике групповое проектирование осуществляется в следующей последовательности:
1) выбирают типового представителя проектируемого ряда изделий;
2) проектируют типового представителя;
3) используя типового представителя как прототип, проектируют конструкции других представителей ряда; при необходимости по результатам проектирования всех представителей ряда в конструкцию типового представителя вносят изменения;
4) после оценки конструкций всех представителей ряда разрабатывается конструкторская документация на все изделия ряда.
В отличие от базового метода проектирования, когда прототипом является разработанное и часто серийно выпускаемое изделие, вносить изменения в конструкцию которого нельзя или, по крайней мере, сложно, при групповом проектировании есть возможность после предварительного проектирования всех изделий ряда внести изменения в конструкцию прототипа. При групповом проектировании взаимная преемственность изделий разрабатываемого ряда обеспечивается наиболее полно. Недостатком метода является возможность использования лишь при создании относительно несложных изделий. Даже у больших конструкторских организаций для параллельного проектирования нескольких сложных объектов техники может не хватить ресурсов.

Рис.4.

При создании несложных изделий групповое проектирование применяется широко. На рис. 4, а-д приведены конструкции приборных ручек управления, разработка которых велась с использованием этого метода [16].Изоораженныеручки являются представителями типоразмерных рядов, включающих в себя большое количество исполнений, отличающихся наружными диаметрами, диаметрами осей, на которые устанавливаются ручки, способами крепления ручек на осях и цветом пластмассовых деталей.

Рис.5.

Базовый и групповой методы проектирования используются и при создании ЮС. На рис. 5 изображен силовой трансформатор - представитель типоразмер-ного ряда базовых изделий, применяемых при разработке силовых трансформаторов и дросселей для источников питания ЮС. В состав типоразмерного ряда входят трансформаторы на стандартных магнитопроводах различных размеров. На их основе для конкретных условий применения (количества и схем соединения обмоток, рабочих токов и напряжений) проектируются модификации трансформаторов и дросселей, отличающиеся от базовых только катушками. Остальные составные части базовых трансформаторов, включая и каркасы катушек, без переделок используются в модификациях.

Рис.6.

Рис.7.

На рис. 6 изображен тройник, применяемый для подключения пробника высокочастотного вольтметра к коаксиальному волноводу. Этот тройник послужил базовым изделием при проектировании тройника, изображенного на рис. 7. В отличие от трансформаторов, изображенных на рис. 5, первые представители которых изначально проектировались как базовые изделия, тройник, изображенный на рис. 6, проектировался как единичное изделие и был выбран в качестве базового, когда возникла потребность в тройнике, показанном на рис. 7.
В публикациях по конструированию РЭС при рассмотрении методов создания конструкций РЭС, основанных на принципе базового проектирования, случаи, подобные проектированию трансформаторов и тройника, обычно не рассматриваются. Принцип базового проектирования в этих публикациях почти исключительно связывают с проектированием несущих систем РЭС с использованием БНК. Понятие "БНК" не имеет однозначного стандартного определения. В большинстве случаев это понятие используется в соответствии с разработанным в 1978 г. и в настоящее время отмененным ОСТ 4 Г0.410.206 [17]: БНК -несущая конструкция, являющаяся основой для разработки модификаций изделий РЭС. По этому определению БНК представляет собой разновидность базовых изделий (или базовых конструкций), применяемых при конструировании других видов техники.
В работах, публикуемых после введения в действие ГОСТ 26632-85 [18], обычно ссылаются на определение из этого стандарта: БНК - несущая конструкция, габаритные размеры которой стандартизованы. Ссылки эти носят формальный характер. Содержание понятия "БНК" по последнему стандарту настолько не соответствует сложившимся у специалистов по конструированию ЮС представлениям, что на практике термин "БНК" продолжают применять в значении по ОСТ4Г0.410.206. В [3], например, к взятому из ГОСТ 26632-85 определению этого термина приводятся дополнительные пояснения, возвращающие ему привычное значение по ОСТ4 Г0.410.206. Термин "БНК" не является общепринятым. В некоторых документах для обозначения аналогичного понятия используется термин "УТК" (унифицированная типовая конструкция [19, 20] или универсальная типовая конструкция [21]).

Рис.8.

Если объем и содержание понятия "БНК" устанавливать не из формально проводимых определений, а на основе анализа текста документов (например, [1-3, 19,21] и др.) и практики конструирования РЭС, то можно сделать вывод, что это понятие представляет собой объединение понятий "базовое несущее изделие" и "базовые конструкции несущих изделий (несущих систем)". Метод БНК, который заключается в использовании при проектировании несущих систем РЭС базовых несущих изделий и базовых конструкций несущих изделий, основывается на общетехническом принципе базового проектирования [4].

Рис.9.

На рис. 8 и 9 изображен один из простейших представителей БНК - блочный корпус, используемый при проектировании несущих систем портативных РЭС различного назначения на предприятии, где работает автор. Практикуются два варианта использования этого корпуса. Если размеры корпуса удовлетворяют проектировщиков конкретного РЭС, то корпус используется как базовое изделие. В этом случае все детали или основная часть деталей, из которых состоит корпус, включаются в состав несущей системы проектируемого РЭС. Если полезный объем корпуса меньше или много больше необходимого для размещения проектируемого РЭС, то конструкция этого корпуса используется как базовая. В этом случае чертежи большей части деталей корпуса выполняются заново с изменениями, вызванными необходимостью изменить размеры корпуса.

Рис.10.

Наиболее известные системы БНК представляют собой созданные групповым проектированием типораз-мерные ряды базовых несущих изделий, предназначенных для проектирования несущих систем РЭС. Такие БНК обеспечивают возможность создания сложных РЭС методом модульного проектирования. Возможно, что это распространенное на практике одновременное использование при создании РЭС как базового, так и модульного проектирования и послужило причиной отождествления этих методов в публикациях по конструированию РЭС.
Типовая компоновочная схема модульных РЭС приведена на рис. 10. По этой схеме построены многие виды ЮС, предназначенных для передачи и обработки информации (аппаратура связи, электронные вычислительные машины и т.д.). Описания БНК для них приведены в [1-3].

Рис.11.

Блочный корпус, изображенный на рис. 11 и 12, - представитель БНК, предназначенных для использования в несущих системах универсальных электронных средств измерений (ЭСИ) [22], несколько отличающихся от БНК, описанных в [1-3]. БНК для ЭСИ спроектированы с учетом того, что большая часть универсальных ЭСИ используется в виде настольных (переносных или стационарных) блоков и лишь относительно небольшая часть монтируется в шкафах или стойках. Соединяя блоки в частичных корпусах по ширине, можно получить полногабаритный блок. Типоразмерный ряд блочных корпусов позволяет создавать несущие системы для блоков ЭСИ объемом от 2 до 70 дм .

Рис.12.

Для того чтобы при необходимости можно было устанавливать блоки ЭСИ в стойки или шкафы, предусмотрена возможность преобразования настольных полногабаритных блоков во вставные стоечные блоки установкой дополнительных крепежных деталей (фланцев, направляющих и т.д.). Если исключить некоторые легкосъемные детали и узлы на внешней поверхности блоков (ножки, крепежные фланцы и т.д.), настольные и вставные стоечные блоки ЭСИ, смонтированные в блочных корпусах по рис. 11 и 12, можно считать взаимозаменяемыми. Несмотря на то что детали оболочки, необходимые только для настольного варианта и лишние в закрытых стойках и шкафах, увеличивают массу стоечного варианта и затрудняют теплообмен, такая взаимозаменяемость удобна для производства ЭСИ, большая часть которых выпускается в настольном виде [22, 23].
Технические характеристики БНК во многом определяют технические характеристики РЭС, и поэтому БНК давно являются объектом государственной и международной стандартизации. Основная задача стандартизации БНК - обеспечить конструктивную совместимость ЮС [23, 24].

Литература

1. Парфенов Е.М., Афанасьев В.Ф., Владимиров В.И., Саушкин Е.М., Парфенова Е.М. Базовый принцип конструирования РЭА / . М.: Радио и связь, 1981. 120 с.
2. Высоцкий Б.Ф., Пестряков В.Б., Пятлин О.А. . Овсищер П.И., Лившиц И.И., Орчинский А.К. и др. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры.: Радио и связь, 1982. 208 с.
3. Овсищер П.И, Голованов Ю.В., Ковешников В.П. и др. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры. Радио и связь, 1988. 232 с.
4. Амиров Ю.Д. Научно-техническая подготовка производства. М.: Экономика, 1989. 230 с.
5. Васильев АЛ. Модульный принцип формирования техники. М.: Изд-во стандартов, 1989. 240 с.
6. Лутченков Л.С. Оптимальное проектирование несущих конструкций как сложных систем. Л.: Машиностроение. Ленинградское отд., 1990. 112 с.
7. Дитрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход /Пер. спольск. М.: Мир, 1981. 456 с.
8. Бобков Н.М. Язык стандартов должен быть точным. На примере конструирования несущих систем ЮС // Стандарты и качество. 1999. №2.
9. Кононенко В.Г., Кушнаренко С.Г., Прялин М.А. Оценка технологичности и унификации машин. М.: Машиностроение, 1986. 160 с.
10. ГОСТ 23945.0-80. Унификация изделий. Основные положения.
11. ГОСТ 14.004-83. Единая система технологической подготовки производства. Термины и определения основных понятий.
12. Сиверцев И.Н. Расчет и проектирование судовых конструкций (суда металлические). Mw: Машиностроение, 1968. 340 с.
13. ГОСТ 23945.1-80.*Унификация изделий. Основные требования к разработке (выбору) базового изделия.
14. Терминология Единой системы конструкторской документации: Справочник. М.: Изд-во стандартов, 1990. 96 с.
15. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методи-ческое пособие. В 2-х кн. Кн. 1 / : Машиностроение. 1988.
16. ОСТ 4.425.000-81. Конструкции базовые несущие "Надел-75". Ручки управления электронных измерительных приборов. Конструкция и размеры.
17. ОСТ4 ГО.410.206 . Аппаратура радиоэлектронная. Несущие конструкции. Термины и определения.
18. ГОСТ 26632-85. Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств по функционально-конструктивной сложности. Термины и определения.
19. ГОСТ 20504-81. Система унифицированных типовых конструкций агрегатных комплексов ГСП. Типы и основные размеры.
20. О.Ф. Тищенко, Л.Т. Киселев, А.П. Коваленко и др. Элементы приборных устройств (Основной курс): Учеб. пособие для студентов вузов. В 2-х ч. Ч. 1. Детали, соединения и передач. Высш. школа, 1982. 304 с.
21. Р.Г. Варламова. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования М.: Сов. радио, 1980.480 с.
22. Кварц: Радиоизмерения и электроника: Научно-технический и рекламно-коммерческий журнал Нижегородского НИПИ "Кварц". Н.Новгород, 1993. Вып. № 2, 1994. Вып. №3.
23. Бобков Н.М. Вопросы проектирования БНК электронных средств измерений // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1998. № 1.
24. Бобков Н.М. Проблемы стандартизации размеров модулей радиоэлектронных средств // Стандарты и качество. 2000. № 10.

*Стандарты в настоящее время отменены

Н.М.БОБКОВ

Справочник, инженерный журнал
№2, 2003г. с.20-26

Статьи партнеров