Иерархия конструктивов.

Системный подход.

Начнем с философского осмысления вопроса.

В природе любой объект получается в результате соединения и взаимодействия различного рода “кубиков”, при этом даже набор, включающий в себя относительно небольшое число разновидностей, позволяет получить гигантское число вариантов. В свою очередь, каждый “кубик” сам состоит из более мелких составных частей, и так далее, а сам объект может входить в качестве составной части в какой-то более крупный объект. Таким образом, внутренняя структура любого объекта или явления представляется в виде иерархической “пирамиды”, включающей в себя взаимодействующие как по вертикали, так и по горизонтали объекты различных уровней.

Такое представление называется системным подходом.

Число уровней, содержание каждого из них, а также то, какой уровень принимается за нулевой (неделимый), определяют конкретные обстоятельства. Скажем, с точки зрения рядового законопослушного гражданина объектом нулевого уровня в иерархии денежных единиц является рубль, а с точки зрения нувориша - штука баксов.

Если вернуться к электронным устройствам, то применять или нет системный подход, может решить сам разработчик. Практически, однако, никто несистемно и не мыслит, поскольку системный подход не просто интуитивно ощущается как естественный, но можно привести достаточно много веских аргументов “за”, простых и четко сформулированных.

Первое соображение.

Любое целенаправленное объединение объектов нуждается в проверке, ибо ошибка всегда имеет свою цену, иногда очень высокую. Если начинать проверку только после окончательной сборки изделия, упрямо воспринимая его как нечто единое и неделимое, то из-за пустячной капли припоя в “нужном” месте могут разом выгореть сотни компонентов или произойти что-нибудь похуже.

Кроме того, при локализации проблемы обязательно потребуется спуститься на объективно существующие нижние уровни, а там вследствие горизонтального взаимодействия поиск неисправного объекта может быть сильно затруднен (известно, насколько труднее установить неисправность компонента, впаянного в плату, чем лежащего в коробочке).

С другой стороны, если начинать проверку с более низких уровней, то увеличивается количество проверяемых объектов, и суммарные трудозатраты растут. На практике, конечно, находят оптимум, но нередко, когда цена ошибки или требования надежности предельно высоки, проверяют всё, начиная с нулевого уровня - цена ошибки возрастает, смею утверждать, экспоненциально с номером уровня, с которого начинается проверка.

На радиоэлектронных предприятиях, выпускающих продукцию особо ответственного назначения, служба входного контроля проверяет каждый транзистор, каждую микросхему, иногда доходит даже до проверки каждого болта. В этой службе занято очень много людей - как в среднем цехе.

Второе соображение.

Функции, а также конструкцию объекта также можно представить как систему: решение более крупной задачи получается в результате стыковки решений более мелких задач. Одни и те же локальные задачи могут решаться в рамках нескольких различных задач более высокого уровня (понятно, что функция триггера или логического элемента требуется в функциональных узлах совершенно различного назначения, точно также одинаковые несущие конструкции используются в разных модулях, блоках и т.п.), и, если принять часто встречающиеся локальные технические решения в качестве “кубиков”, можно не только здорово сэкономить на проектных работах и в производстве, но и сделать устройство изделия более понятным, что облегчает его тестирование, эксплуатацию, диагностику и ремонт - пусть даже в каждом конкретном случае использование типового “кубика” несколько отдаляет техническое решение от оптимума.

К слову, многие специалисты считают облегчение понимания устройства изделия эксплуатационным персоналом далеко не второстепенной задачей и полагают, что во имя этой цели можно отказаться от объединения слишком многих функций в одном узле, что, конечно, несколько увеличивает издержки производителя, но гораздо более улучшает эксплуатационные свойства изделия, что “добавляет очки” в борьбе за клиента. Кроме того, достаточно часто вводятся дополнительные элементы, не выполняющие основных функций, а предназначенные лишь для обеспечения тестирования устройства.

Третье соображение.

Неидеальность компонентов или использование одних и тех же устройств в разных вариантах функционирования предполагает наличие подстроек. Известно, что методом последовательных приближений можно установить значение параметра, зависящего не более чем от двух регулировок, поэтому волей-неволей приходится выделять функциональные узлы не более чем с двумя подстройками и нормировать их параметры, после чего они уже могут считаться теми самыми “кубиками” - в функциональном или даже конструктивном смысле.

Четвертое соображение.

Представляя изделие в виде иерархической структуры (в конструктивном плане), можно относительно легко спланировать его изготовление: правильно определить очередность изготовления узлов, организовать параллельное изготовление каких-то из них и т. п. (пример - сетевое планирование)

Поскольку системотехнические и схемотехнические решения не являются предметом нашего курса, переходим прямо к иерархии конструктивных решений.

Прежде всего определение:

Конструктив - это класс конструктивных решений, обладающих ограниченным набором общих конструктивных признаков, имеющих существенное значение.

Классификация - вообще дело достаточно неоднозначное, хотя бы уже по поводу того, что считать существенным признаком, но в данном случае неоднозначности почти нет, и тот факт, что в разных источниках используется различная терминология, на суть дела мало влияет. Кстати, хотя в плане конструирования терминология имеет второстепенное значение, для взаимопонимания между коллегами важно все-таки о чем-то однозначно договориться.

Я предлагаю ту систему классификации, к которой привык за время своей конструкторской работы.

Нулевой уровень в иерархии конструктивов - элемент (компонент).

Несмотря на свое сложное внутреннее устройство, с точки зрения схемотехники и конструирования он неделим. Возможны корпусированные (корпусные) и бескорпусные элементы.

Последние (а зачастую и первые) входят в конструктивы следующего уровня - гибридные интегральные схемы (ГИС), микросборки и микромодули.

ГИС и микросборки сегодня занимают достаточно прочное положение. Их разработка и производство оправдываются при тиражах порядка нескольких тысяч, в то время как полупроводниковые микросхемы с аналогичными функциями становятся рентабельными при тиражах в сотни тысяч.

Микромодули же, не очень широко применявшиеся и раньше, сегодня практически исчезли.

В большинстве случаев для корпусированных элементов следующим уровнем иерархии является печатный узел (плата).

Термин “плата”, однако, гораздо чаще означает печатную плату - деталь.

Итак, печатный узел - это печатная плата с установленными на ней элементами.

Печатный узел лишен несущего обрамления, но может иметь средства для разъемного соединения с конструктивами более высоких уровней, что является главным признаком модуля (см. ниже).

С моей точки зрения, печатный узел - это конструктив самого низкого уровня, (исключая ГИС, микросборки и микромодули), получаемый с помощью монтажных и сборочных операций, в котором реализованы какие-то конкретные функции.

В печатный узел могут быть неразъемно вмонтированы один или несколько других печатных узлов, которые я называю субплатами.

Следующий уровень - модуль.

Основной признак модуля - средства разъемного соединения с конструктивами более высоких уровней. Модуль получается в результате сборочных и монтажных операций с одной или несколькими платами.

Используются также термины ячейка и типовой элемент замены (ТЭЗ), хотя они обозначают обычно просто конструктив, имеющий разъемные внешние соединения.

Разница особенно наглядна, когда в модуль входит одна плата, и он функционально ей аналогичен, а отличается от нее лишь наличием жесткой рамки, передней панели и разъема. Конечно, в модуль может входить несколько плат, а также элементы, и даже другие модули (я их называю субмодулями).

Конструктивом более высокого уровня для элементов может оказаться не плата и не модуль, а то, что я называю блоком объемного монтажа.

Классический пример - старый ламповый радиоприемник.

Модули обычно входят в блок.

Блок - это конструктив, объединяющий несколько конструктивов более низкого уровня с помощью разъемных соединений. При этом в блок могут входить платы и элементы, вмонтированные неразъемно. Классический пример блока - программируемый контроллер.

В блок могут также входить субблоки.

На следующем уровне находятся стойка, шкаф и пульт.

Стойка объединяет с помощью разъемных соединений несколько блоков, шкаф - тоже, но, в отличие от стойки, не имеющей оболочки, он обеспечивает степень защиты, более высокую, чем IP00.

Блоки могут объединяться не в стойки, а в рамы.

Отличие в том, что к блокам, объединенным в рамы, обеспечивается доступ как с лицевой стороны, так и сзади. Рамы обычно объединяются в стойки так, что могут поворачиваться относительно общей несущей конструкции стойки.

Такая конструкция использовалась в ЕС ЭВМ.

Пульт, как и шкаф, обеспечивает необходимую степень защиты аппаратуры, но имеет конструктивные особенности, связанные с обеспечением работы оператора.

Следующий уровень - кабина (комплекс). Шкафы, пульты, блоки при этом объединяются главным образом функционально, а конструктивно их объединяют общая система питания, вентиляции, какие-либо другие системы, а главным образом - размещение в общем отсеке.

На более высоких уровнях конструктивная связь между составными частями еще более уступает функциональной, хотя что-то все равно остается - так, при развертывании зенитно-ракетного комплекса на местности нельзя расположить передающую антенну так, чтобы она излучала на приемную, нельзя также, чтобы ракета стартовала прямо над аппаратными кабинами, и т.п.

Компоновка

Под компоновкой понимается расположение на плоскости или в пространстве всех компонентов изделия всех конструктивных уровней.

В результате компоновки определяются форма, размеры, взаимное расположение элементов в пространстве и масса изделия.

Можно достаточно четко разграничить внутреннюю и внешнюю компоновку.

При внутренней компоновке определяется размещение элементов внутри изделия с учетом массогабаритных ограничений, тепловых потоков, электромагнитной совместимости элементов, устойчивости против внешних механических воздействий и других факторов. Подробности по этому поводу - чуть позже.

При внешней компоновке решаются в основном вопросы взаимодействия с оператором, а также вхождения в состав комплексов, размещения на транспортных средствах и т. п.

Важный момент - основные компоновочные схемы на уровне модуля или блока.

Если модуль включает в себя более одной платы, приходится заботиться о том, чтобы любая из плат была доступна для ремонта при демонтаже минимального количества крепежных элементов и без нарушения электрического монтажа. Известные конструктивные решения - размещение плат на несущей рамке (в одной или двух параллельных плоскостях), книжная и веерная конструкции. В моей практике встречалась конструкция, в которой платы располагались в трех параллельных плоскостях, при этом все три могли откидываться, поворачиваясь на своих осях, но верхняя и нижняя откидывались в одну сторону, а средняя - в другую. Вообще такая конструкция - не образец для подражания, но в некоторых обстоятельствах это может оказаться оптимальным решением.

Возможны также различные варианты по расположению плат или модулей в пространстве: вертикально, как чаще всего и делается, или горизонтально - это делается только в специальных случаях, поскольку радикально ухудшает условия теплоотдачи компонентов.

Модули могут вставляться спереди, или же спереди располагается общая панель, за которой кросс-плата, а модули вставляются сзади.

В этом варианте передняя панель представляет собой единое целое, можно создать эффективное уплотнение по контуру панели и легко обеспечить высокую степень защиты, тогда как в традиционном варианте уплотнение нужно создавать не только по контуру, но и на стыках передних панелей модулей, что конструктивно очень непросто.

С другой стороны, во втором варианте электрические связи органов управления и индикации каждого модуля выполняются внутри него, их длина может быть минимизирована. В первом эти связи должны быть выведены на разъем модуля и затем в общем жгуте подведены к органам управления, расположенным на общей передней панели. В результате суммарная их длина сильно увеличивается, что плохо по многим причинам, и в первую очередь из-за ухудшения помехоустойчивости устройства, и, кроме того, появляются лишние разъемные соединения, что отрицательно сказывается на надежности.

Возможны варианты, когда модули вставляются сбоку с одной или двух сторон - никакими нормативными документами это не ограничивается, но и типовых решений под экзотические варианты практически нет.

Несмотря на то, что в мире десятки фирм занимаются производством конструктивов всех уровней, включая модули и блоки, обладающих отличными функциональными и эстетическими свойствами, для нас цена их продукции оказывается, как правило, неприемлемо высокой.

Поэтому, если уж доведется кому проектировать аппаратуру на уровне блока, скорее всего конструктив придется разрабатывать самому, в лучшем случае взяв что-то готовое в качестве прототипа.

Как уже говорилось, иерархическая структура конструктивов в числе прочего продиктована и требованиями максимального облегчения настройки и ремонта, то есть модули и блоки должны, во-первых, легко выниматься и вставляться на место, и, во-вторых, иметь разъемные соединения.

Первое требование предполагает хорошо продуманную конструкцию направляющих, а также ловителей - конструктивных элементов, позволяющих вслепую состыковать разъем без дополнительных усилий, чреватых поломками.

Обычно предусматривают возможность каких-то узкодиапазонных регулировок, чтобы два любых одинаковых модуля одинаково легко входили на одно и то же место одного изделия или один модуль одинаково легко входил на свое место в разных изделиях.

Кроме этого, нужно побеспокоиться, чтобы разные модули одного типоразмера не могли быть вставлены ошибочно. Для этого, к примеру, можно сделать кодирующие штыри и гнезда. Штыри должны быть такой длины, чтобы при ошибочном вставлении разъем нельзя было состыковать.

Можно также предусмотреть электрическую блокировку. К примеру, на каждом разъеме устанавливаются перемычки на разные пары контактов, и через них подается питание - таким образом, если хоть одна перемычка не на месте, устройство не включится.

Уже шла речь о том, что цепи, общие для всех или большинства модулей, а также особо опасные цепи вроде сетевого напряжения, лучше разводить на строго определенные контакты и ни в одном модуле не использовать эти контакты для других цепей.

Возможны и другие варианты.

Многие конструктивные варианты разъемных соединений имеют склонность самопроизвольно расстыковываться, что, конечно, надежность не повышает, поэтому вставленный модуль или блок должен надежно фиксироваться на своем месте, по возможности с помощью быстрорасчленяемого механизма.

И последнее: совершенно очевидно, что конструирование аппаратуры по иерархическому принципу, в особенности с применением типовых конструктивов ощутимо снижает плотность монтажа, при этом чем платы крупнее, тем это снижение меньше сказывается.

Основные факторы и ограничения, определяющие конструкцию изделия.

В очередной раз повторю, что конструкция изделия - результат компромисса между многими, зачастую противоречивыми, требованиями и ограничениями самого различного характера - от основных функциональных требований до требований к квалификации обслуживающего персонала. Чем больше из них будет учтено и чем точнее будет определена значимость каждого из них, тем лучше будет результат.

Основные требования, которые могут быть предъявлены к изделию, приведены в таблице, некоторые из них требуют комментариев.

Серийность изделия определяет в первую очередь приемлемый уровень затрат на проектирование и подготовку производства. В частности, при малой серийности приходится руководствоваться принципом “лучшее - враг хорошего” даже при реализации основных функциональных требований: повышать степень унификации конструктивных решений, покупных изделий и материалов, отказываться от некоторых технологий, эффективных, но требующих больших единовременных затрат на оснастку, используя вместо них универсальные, но менее эффективные (фрезерование вместо штамповки, например, или литья под давлением) и т. п., в конечном счете удаляясь от оптимума.

При большой же серийности оптимальность конструкции приобретает почти решающее значение, поскольку даже малая экономия, умножаясь на сотни тысяч экземпляров, превращается в суммы с большим числом нулей.

Время запуска в производство (то есть время от начала создания изделия до его изготовления и реализации) важно в том плане, что прогресс - вещь непрерывная, и при затяжке с реализацией проекта конкурент может успеть раньше.

Срок морального износа - результат прогноза, основанного на анализе тенденций развития техники и динамики спроса. Он влияет на конструкцию в том плане, что, во-первых, следует закладывать только передовые технические решения, а, во-вторых, обеспечивать минимально необходимый уровень надежности, чтобы изделие выработало ресурс как раз к тому времени, когда оно морально устареет.

Во многих случаях следование этому принципу приводит к безумному расточительству: наши предки делали вещи на века, не считали зазорным их ремонтировать и плевать хотели на престижные соображения, в наше же время в жирных, так называемых развитых странах вполне рабочие вещи попадают на свалку из-за того, что цвет корпуса стал немодным или отвалилась рукоятка.