Проектирование прибора для измерения частоты пульса

Введение

Целью данной части курсового проекта является разработка технологического процесса изготовления печатного узла прибора для измерения частоты пульса. Следует заметить, что технологический процесс представляет собой достаточно сложную систему с множеством связей и влияющих факторов, и его проектирование представляет достаточно сложную задачу.

Хотя прибор относится к медицинской технике, техпроцесс его изготовления мало отличается от процесса изготовления любого другого радиоэлектронного устройства, поэтому в курсовом проекте рассматриваются типовые технологические процессы изготовления РЭА. Проектирование включает технологическую подготовку производства (ТПП), которая в свою очередь включает решение задач, группируемых по следующим основным направлениям:

а) обеспечение технологичности конструкции изделия;

б) проектирование технологических процессов;

в) выбор средств технологического оснащения;

г) организация и управление процессом ТПП.

Таким образом, охватывается весь необходимый комплекс работ по ТПП, в том числе конструктивно-технологический анализ изделий, организационно-технологический анализ производства, расчет производственных мощностей, составление производственно-технологических планировок, определение материальных и трудовых нормативов, отладку технологических процессов и средств технологического оснащения (оборудование, оснастка и т. п.).

Проектируются технологические процессы согласно ГОСТ 14.301-73 для изготовления изделий, конструкции которых отработаны на технологичность.

Проектирование технологических процессов в общем случае включает комплекс взаимосвязанных работ (состав и последовательность работ зависят от сложности изделия и типа производства):

выбор заготовок;

выбор технологических баз;

подбор типового технологического процесса;

определение последовательности и содержания технологических операций;

определение, выбор и заказ новых средств технологического оснащения (в том числе средств контроля и испытания);

назначение и расчет режимов обработки;

нормирование процесса;

определение профессий и квалификации исполнителей;

организация производственных участков;

выбор средств автоматизации и механизации элементов технологических процессов и внутрицеховых средств транспортирования;

составление планировок производственных участков и разработка операций перемещения изделия и отходов;

оформление рабочей документации на технологические процессы.

В технологии производства РЭА используются процессы, свойственные машино- и приборостроению: литье, холодная штамповка, механическая обработка, гальванические и лакокрасочные покрытия и др. Поэтому неудивительно, что технологию РЭА разрабатывают инженеры-технологи разных специальностей.

Важной задачей технологов является обеспечение в производстве заданной точности линейных размеров изделий. Для технологии РЭА этого еще недостаточно. Наряду с линейными размерами должны быть обеспечены многие технические (механические, тепловые, магнитные, радиотехнические и др.) параметры аппаратуры, работающей на различных частотах (звуковых, ультразвуковых, радиочастотах и др.). Нетрудно показать, насколько усложняется технология с повышением частоты, на которой работает аппаратура.

При сборке и наладке РЭА выявляются ошибки и нарушения, допущенные при изготовлении деталей или входном контроле электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Поэтому инженер-технолог РЭА должен хорошо разбираться во всех вопросах, которые прямо или косвенно влияют на качество как деталей, так и аппаратуры в целом.

1. Краткое описание конструкции и назначения прибора

прибор конструкция технологичность печатный узел

Прибор для измерения частоты пульса предназначен для измерения частоты пульса пациента. По условиям эксплуатации и категории размещения прибор относится к наземной профессиональной РЭА, группе 7 (портативная аппаратура, предназначенная для длительной переноски людьми на открытом воздухе при облегченных внешних воздействиях или в отапливаемых наземных и подземных сооружениях, работающая и неработающая на ходу) по ГОСТ 15150-69.

Климатическое исполнение прибора У (для районов с умеренно холодным климатом со среднегодовыми экстремумами температуры -40°С…+45°С).

Прибор выполнен на микроэлектронной базе отечественного производства. Не содержит специализированных узлов, в его состав входят только стандартные изделия (электрорадиоэлементы).

Общие технические условия на прибор должны соответствовать ГОСТ 20790-82 «Приборы, аппараты и оборудование медицинские».

1.      1 Выбор варианта технологического процесса

В качестве технологического процесса изготовления печатного узла прибора для измерения пульса принят типовой технологический процесс изготовления печатных узлов.

Схематически процесс может быть представлен в виде следующей последовательности действий:

Рис.1 Последовательность выполнения операций техпроцесса

Подготовка навесных элементов к монтажу имеет следующую последовательность:

Рис.2 Подготовка навесных элементов к монтажу.

Установка навесных элементов в узлах имеет следующую последовательность операций

Рис.3. Установка электрорадиоэлементовэлементов в узлах

Весь технологический процесс представлен в приложении 1 в виде маршрутной карты всего процесса.

2.      Определение типа производства и общей трудоемкости процесса

Согласно ГОСТ 3.1108-74 ЕСТД тип производства характеризуется коэффициентом закрепления операций:

К_зо=0/Р

где О-количество различных операций; Р-количество рабочих мест для выполнения различных операций.

Для определения К_зо воспользуемся следующей методикой расчета:

К_зo =Т_в/ t_{шт ср},

где Тв-такт выпуска; t_{шт ср} - среднее штучное время для выполнения операции обработки, сборки и т. п. единицы продукции.

Такт выпуска рассчитывается по формуле

Т_в = 60F_д/N [мин/шт.],

где - F_д -действительный годовой фонд времени работы станка или рабочего места, ч; N-годовая программа выпуска изделия (детали или сборочной единицы, шт.).

Для определения действительного годового фонда времени работы рабочего места (станка) можно принять следующие исходные данные:

Количество рабочих дней в году ............ 253

Количество дней, сокращенных на один час ....... 6

Количество рабочих дней с полной продолжительностью смены .... 247

Продолжительность рабочей недели, ч .......... 41

Продолжительность смены, ч.. .............. 8,2

Таким образом, общий действительный годовой фонд рабочего времени составляет:

 мин.

Такт выпуска

 мин/изд.

Подсчитаем общую трудоемкость процесса, воспользовавшись последовательностью операций для типового технологического процесса. Результаты представим в виде таблицы.

Табл.1. Определение трудоемкости техпроцесса сборки печатного узла

Среднее штучное время t_{шт ср} считают как среднее арифметическое t_шт по всем операциям процесса:

,

Отсюда

Данное значение коэффициента закрепления операций соответствует крупносерийному производству (1<Кзо-<10).

В серийном производстве для проектирования технологического процесса важно рассчитать размер партии одновременно запускаемых в производство изделий.

_п=Na/F [шт.],

где N-годовая программа выпуска деталей, шт.; а-количество дней, на которое необходимо иметь запас деталей или узлов (периодичность запуска); F-количество рабочих дней в году. Размер партии для периодичности запуска в 3 месяца:

 [шт].

3. Технологический анализ конструкции. Определение показателей технологичности

Стандарты ЕСТПП предусматривают обязательную отработку конструкций на технологичность на всех стадиях их создания. Отработка конструкции изделия на технологичность (ГОСТ 14.201-73) направлена на повышение производительности труда, снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия при обеспечении необходимого качества изделия.

ОСТ 4.091.114- 78 (ОСТПП. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Показатели технологичности. Метод расчета) устанавливает номенклатуру и метод расчета частных показателей технологичности. Для расчета показателя технологичности исходные данные и результаты расчета представим в виде табл.2.

Табл.2. Расчет технологичности

Расчет будем производить в следующей последовательности:

Коэффициент применяемости электрорадиоэлементов

К_{п ЭРЭ} == 1 - Н_{т ор ЭРЭ}/Н_{т ЭРЭ} =1-1/14=0,93

Коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов

_{пов эрэ} = 1 - Н_{т эрэ} / Н_эрэ =1-14/46=0,7

Коэффициент использования микросхем и микросборок

,

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия

К_{а м} =H_{a м}/Н_м =180/194=0,93

Коэффициент автоматизации и механизации операции контроля и настройки электрических параметров

К_{м к н и та}=Н_мкн/Н_кн=2/2=1

Коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов к монтажу

К_{м п эрэ} = Н_{м п эрэ}/Н_эрэ =44/46=0,96

Комплексный показатель технологичности

По таблицам для аппаратуры различного назначения определяем, что этот показатель на этапе опытного образца должен находиться в диапазоне. Следовательно, проектируемое изделие удовлетворяет условиям технологичности.

Для печатного узла на стадии опытного образца такой показатель является достаточно высоким.

4. Разработка технологического процесса изготовления печатной платы

Для изготовления печатного узла необходимо изготовить печатную плату, на которую монтируются все остальные ЭРЭ. Для начала необходимо рассчитать ее габариты. Габаритные размеры платы рассчитываются, исходя из установочных размеров монтируемых на ней элементов. Установочные размеры определяем по [2].

Результаты рачета оформим в виде табл.3.

4.1 Расчет габаритных размеров заготовки

Табл.3. Расчет габаритных размеров платы

Поскольку плата изготавливается с рисунком 2-го класса плотности, то коэффициент заполнения выберем равным 0,6. Таким образом, площадь платы будет равна:

 мм².

Исходя из результата расчета, выберем типоразмер платы 120х100 мм.

.2 Выбор материала платы

Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

1 на бумажной основе;

2 на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства. Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой. Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки. Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал. Из сопоставления характеристик оснований (см. дальше) следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса. Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса; последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 1.

Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления двусторонней печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений для изготовления двусторонней печатной платы фотохимическим способом выбираем фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35.

4.3 Разработка метода изготовления печатной платы и назначение технологических режимов

В качестве техпроцесса изготовления детали выберем фотохимический метод, разрабатываемый по рекомендациям [3].

Процесс состоит из следующих операций:

1.      Изготовление заготовок фольгированного гетинакса из листа размером 400х600 мм путем резки листов гетинакса дисковыми фрезами диаметром D=100 мм и толщиной b=3 мм.

Режимы резания: скорость резания v=100¸200 м/мин, подача s=0,4¸0,5 мм/об.

2.      Выполнение базовых отверстий диаметром d=4^+0,025мм.

Режимы резания: скорость резания v=100¸120 м/мин, подача s=0,05¸0,1 мм/об.; стойкость сверла из стали Р9 или Р18 составляет 12-13 мин.

3.      Подготовка поверхности фольгированного гетинакса к нанесению фоторезиста. Процесс заключается в механической и химической зачистке медной фольги и состоит из: зачистки фольги влажным наждачным порошком; промывки в проточной воде; обработки фольги в 5-7%-ном растворе соляной кислоты в течение 30 с.; промывка струей воды.

4.      Нанесение фоторезиста, приготовленного на основе поливинилового спирта, поливом на поверхность фольги с центрифугированием и сушкой.

Режимы нанесение светочувствительного слоя:

Скорость вращения центрифуги n=80¸100 об/мин.;

температура сушки Т=35¸40 °С.

1.      Экспонирование. Фотоэкспонирование защитного изображения печатных проводников производят в копировальной рамке в течение 8-10 мин.

2.      Проявление позитивного защитного рисунка печатных проводников осуществляют теплой водой (Т=40¸50°С) ванне с ультразвуковыми колебаниями.

.        Задубливание защитного слоя производят путем химического (в растворе 3%-ного хромового ангидрида) и термического (при температуре Т=60°С) дубления позитивного защитного рисунка печатных проводников.

.        Травление. Удаление меди с незащищенных участков фольги осуществляют в травильном агрегате типа КТ-3 в течение 15-18 мин обработкой платы водным раствором хлорного железа с последующей промывкой в проточной воде.

.        Удаление задубленного слоя производят обработкой печатных плат в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 10-15 мин, промывкой в проточной воде и последующей сушкой платы в термостате при температуре Т=40°С.

.        Покрытие проводников сплавом Розе (32% Pb, 16% Sn, 52% Bi).

.        Свереление монтажных отверстий диаметром d₁=1^+0,12 мм и d₂=2,2^+0,12 мм.

Режимы резания: скорость резания v=100¸120 м/мин, подача s=0,05¸0,1 мм/об.

8.      Фрезерование по контуру поизводят на горизонтально-фрезерном станке в приспособлении фрезой с пластинками из твердого сплава.

Режимы резания: скорость резания v=200¸600 м/мин, подача s=0,05¸0,1 мм/об.;

В результате выполнения данных операций получаем требуемую деталь.

5. Определение трудоемкости операций

Трудоемкость операции t, складывается из подготовительно-заключительного времени Т_пз, приходящегося на единицу продукции, и штучного времени Т_шт, затрачиваемого на выполнение данной операции:

= Т_пз/n + Т_шт,

где Т_пз - подготовительное заключительное время, необходимое на ознакомление с чертежом, технологическим процессом, консультацию с мастером, технологом, а также для наладки станка и т. д. Это время рассчитывается на всю партию изделий п.

Штучное время выражается формулой

Т_шт = t_от + t_в + t_oб + t_д

где t_от - основное технологическое время; t_в - вспомогательное время; t_oб - время обслуживания рабочего места; t_д - время перерывов на отдых и личные надобности рабочего.

Сумму основного технологического и вспомогательного времени называют оперативным временем, t_оп.

_оп = t_от + t_в

Если обозначить 100 через К, то

Т_шт = t_оп( 1+К/100),

где К берется в процентах от оперативного времени.

Трудоемкость операций рассчитаем для одной произвольно выбранной операции. Этой операцией будет влагозащита узла. Результаты расчетов поместим в таблице3.

Табл.3. Расчет оперативного времени

Время на организационно-техническое обслуживание рабочего места, отдых и личные надобности при работе на конвейере непрерывного действия составляет 9,3% от оперативного времени (см. приложение 16). Тогда

Т_шт=0,379(1+9,3/100) =0,415 мин.

6. Выбор технологического оборудования

Согласно ГОСТ 14.301-73 средства технологического оснащения включают:

технологическое оборудование (в том числе контрольное и испытательное);

технологическую оснастку (в том числе инструменты и средства контроля);

средства механизации и автоматизации производственных процессов;

Выбор средств технологического оснащения производится с учетом типа производства и его организационной структуры (крупносерийное производство), вида изделия и программы его выпуска (радиотехнический блок, 10000 шт/год), характера намеченной технологии, возможности группирования операций, максимального применения имеющихся стандартных оснастки и оборудования, равномерной загрузки имеющегося оборудования.

Учитывая все вышеперечисленные требования, выбираем следующую технологическую оснастку, оборудование и инструмент.

6.1 Стандартные приспособления для слесарно-сборочных и монтажных работ

Устройство для подготовки к сборке микросхем в плоских корпусах ГГ-1875.

Устройство для подрезки выводов микросхем ГГ-1939.

Приспособление для формовки выводов микросхем в круглых корпусах 1490-4085; в плоских корпусах 1490-4087.

Приспособление для установки выводов на печатные платы ГГ 1961-4001.

Приспособление для крепления микросхем на печатных платах ГГ 0867-4029.

Приспособление для визуального контроля ГГ6.3669/012.

Подставка для плат ГГ 7879-4094.

Стойка технологическая для печатных плат ГГ 7879-4097.

6.2 Оборудование для слесарно-сборочных и монтажных работ

Автомат вклейки радиоэлементов в липкую ленту ГГ-1740.

Автомат П-образной формовки выводов радиоэлементов ГГ-1611.

Автомат формовки и обрезки выводов микросхем 101 СТ 14-1 ГГ-2417. Полуавтомат для подготовки к сборке микросхем в корпусах 101 СТ 14-1 101 МС 14-1 ГГ-2125. Полуавтомат для подготовки к сборке микросхем в плоских корпусах со штырьковыми выводами ГГ-2126.

Полуавтомат для подготовки радиоэлементов с цилиндрической формой корпусов ГГ-2420. Установка для рихтовки и обрезки выводов трансформаторов ГГ-2293. Установка для зачистки проволочных выводов радиоэлементов ГГ-1614. Полуавтомат для укладки радиоэлементов и микросхем на печатные платы, модель УР-10 ГГ-2487.

6.3 Стандартный инструмент для слесарно-сборочных и монтажных работ: