Научная статья на тему 'Комплексное макетирование узлов вычислительной техники с использованием инфраструктуры цифрового производства (Fab-lab) в условиях сквозного обеспечения качества'

Комплексное макетирование узлов вычислительной техники с использованием инфраструктуры цифрового производства (Fab-lab) в условиях сквозного обеспечения качества Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
129
24
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦИФРОВОЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО / ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА / СИНХРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ / АДАПТАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Арабов Д.И., Верясова А.Ю., Гриднев В.Н.

В работе проанализированы возможности макетирования узлов электронной техники с применением ресурсов центров цифрового инструментального производства (FAB LAB). Рассматриваются аспекты, касающиеся непосредственного синтеза и 3Dмоделирования в условиях сквозного обеспечения качества при реализации синхронных технологий проектирования. Кратко проанализированы особенности обеспечения показателей качества макетирования на каждой отдельной стадии процесса изготовления. В заключении приведен анализ адаптации готового проекта к производству изделия.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Комплексное макетирование узлов вычислительной техники с использованием инфраструктуры цифрового производства (Fab-lab) в условиях сквозного обеспечения качества»

УДК 372.862

Арабов Д.И., Верясова А.Ю., Гриднев В.Н,

ФГБОУ ВПО «МГТУ им.Н.Э.Баумана», Россия

КОМПЛЕКСНОЕ МАКЕТИРОВАНИЕ УЗЛОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА (FAB-LAB) В УСЛОВИЯХ СКВОЗНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА

В работе проанализированы возможности макетирования узлов электронной техники с применением ресурсов центров цифрового инструментального производства (FAB LAB). Рассматриваются аспекты, касающиеся непосредственного синтеза и 3D моделирования в условиях сквозного обеспечения качества при реализации синхронных технологий проектирования. Кратко проанализированы особенности обеспечения показателей качества макетирования на каждой отдельной стадии процесса изготовления. В заключении приведен анализ адаптации готового проекта к производству изделия. Ключевые слова:

цифровое инструментальное производство, обеспечение качества, синхронные технологии, адаптация производства.

Введение

В данной работе рассмотрены вопросы применения средств инструментального цифрового производства (FAB LAB) для прототипирования элементов конструкций электронной техники.

В серийном производстве отлажены процессы, которые позволяют производить несущие конструкции, коммутационные структуры высокой точности и т.п. элементы электронной аппаратуры. Однако, штучное изготовление даже самых простых несущих конструкций, коммутационных структур на этапах макетирования и единичного опытного производства является весьма дорогостоящим процессом. При этом следует учитывать, что именно на ранних стадиях проектирования закладываются базовые показатели качества и надежности создаваемой аппаратуры [1].

В условиях реализации процедур сквозного обеспечения качества необходимо иметь эффективные инструменты макетирования и натурного моделирования, что и обеспечивает набор средств современного цифрового инструментального производства [2].

На этапе макетирования существует целый ряд задач, требующих изготовления уникальных коммутационных структур, например [3]:

- макетирование и прототипирование ЭА и её узлов на различных этапах проектирования;

- изготовление оснастки для тестирования электронных компонентов, узлов изготавливаемой ЭА, особенно при мелкосерийном и опытном производстве;

- изготовление коммутационных плат в лабораториях для учебных, научно-исследовательских и других целей;

- изготовление штучной неответственной аппаратуры по частным заказам частным или непрофильным подрядчиком, не имеющим собственного производства ПП;

- изготовление узлов ЭА при ремонте в ситуациях, когда замена на штатные узлы заводского производства затруднена или невозможна.

В вышеперечисленных ситуациях решением могут стать технологии индивидуального цифрового изготовления. Абстрагируясь от времени, дороговизны и сложности технологий и руководствуясь критериями качества для получения рисунка коммутационных структур можно условно выделить следующие методы (ЛУТ, фрезерование, фотолитография (см. рисунок 1)) [4, 5].

формирования проводящего рисунка коммутационных структур

Технологии формирования проводящего рисунка коммутационных структур - основа современного производства ЭА и её узлов. В серийном производстве отлажены методы, которые позволяют производить коммутационные структуры высокой точности с металлизированными переходными отверстиями, в том числе многослойные. Однако, штучное изготовление даже самых простых коммутационных структур остается весьма дорогостоящим процессом.

1 Системный анализ объекта и процесса изготовления

Рассмотрим особенности методики прототипирования изделий электронной техники с использованием оборудования FAB-LAB на примере широко распространенного и не сложного устройства - усилителя мощности. Большинство из нас сталкивались с проблемой обеспечения высококачественного звучания музыкальных систем и инструментов, профессиональное оборудование стоит дорого, поэтому часто многие обращают свое внимание на создание высококачественных звуковых систем, в том числе усилителей, своими руками. Рассматриваемая в качестве примера схема является высококачественным усилителем класса А. По звучанию, чистоте получаемого звука может легко конкурировать с ламповыми усилителями, но в отличии от них его конструктивная реализации проще, он является регулируемым, каждый его канал управляется отдельно и есть возможность отображать уровень громкости на дисплее. Для удобства эксплуатации усилитель размещается в прочном корпусе, сконструированном исходя из требований монтажа в стойку с другим оборудованием соответствующего исполнения (рисунок 2).

В начале разработки желательно проанализировать общий состав видов работ по изготовлению усилителя на абстрактно-концептуальной модели (рисунок 3, а), разработать схему сборки устройства, на которой будут отражены все основные его компоненты и операции. Далее эту модель необходимо уточнить и построить структурно-функциональную модель производственного процесса, наглядным итогом которой является диаграмма дерева узлов производственного процесса (рисунок 3, б). Иерархическая диаграмма дерева узлов представляет собой полную декомпозиционную модель разрабатываемого процесса.

На дереве узлов не представлена последовательность операций по изготовлению усилителя, но она включает в себя весь процесс изготовления данного устройства. На дереве узлов можно увидеть конечный результат работы, а также оценить стоимость (длительность) процесса, что нельзя показать на схеме сборки. Дерево узлов является структурно-функциональной моделью, а схема сборки - моделью потока работ. Сравнивая представление ТП в виде схемы сборки с базовой деталью и ТП в виде диаграммы дереве узлов, можно сделать вывод, что все технологические операции исходного ТП описаны в структурно-функциональной модели и полностью соответствуют исследуемому ТП [7-11].

Рисунок 1 - «Спираль качества» методов

Рисунок 2 - Элементы устройства, созданные средствами инструментального цифрового производства

Рисунок 3 - Концептуально-абстрактная и структурно-функциональная модели изготовления объекта

Анализ модели дерева узлов очень важен для понимания бизнес-процесса в целом. Схема сборки с базовой деталью дает представление об общей структуре сборки изделия, в то время как по диаграмме дерева узлов можно более детально проследить операции и переходы технологического цикла

сборки и использовать их для процедур генерационного синтеза производственных процессов [12, 13].

Рисунок 4

Типовой состав FAB LAB

2 Структура и состав типового цифрового инструментального производства

В качестве технологической линейки комплектации FAB-LAB для прототипирования изделий электроники рассмотрим технологическую линейку LPKF (LPKF Laser & Electronics AG,

http://www.lpkf.ru), которая полностью покрывает все необходимые процессы для опытного изготовления электронных устройств начинает от изготовление печатной платы (коммутационной структуры), до монтажа и пайки электронных компонентов [5, 6].

Оборудовании фирмы LPKF рассчитано для мелкосерийного производства. Существенное преимущество рассматриваемого решения заключается в том, что оператор (студент, инженер) может собственными руками создать все необходимое для реализации готового продукта [5].

Технология проектирования элементов электронной техники включает в себя операции передачи (экспорта) цифровой, конструкторской и технологической документации на последующие этапы производства ПП. Данный этап является неотъемлемой частью технологического процесса производства

устройства. Поэтому большинство организаций занимающиеся разработкой оборудования уделяют большое внимание процессу совместимости электронного документа и оборудования или оснастки, на которые передается информация. Крайне важно обеспечить компактность и кросплатформенность форматов представления информации об объекте производства, которые хранят в себе все основные положения и сведения для успешного изготовления изделия.

Рассмотрим типовой состав промышленного комплекса LPKF, в состав которого входят (рисунок 4):

фрезерно-сверлильный фрезерно-сверлильный

LPKF ProtoMat

LPKF ProtoMat

станок S103;

станок S103;

устройство УФ экспонирования UV- Exposure for ProMask;

станок для печати трафаретов ProtoPrint S RP. устройство для монтажа компонентов ProtoPlace S Полуавтоматический установщик компонентов; конвекционная печь ProtoFlow S/N2. Данный комплекс специализирован для производства печатных плат (в основном двухсторонних и односторонних)

Рисунок 5 - Комплексный состав FAB LAB

Отличие данной технологии от полностью авто- Также при выборе методов изготовления макетов матизированного производства, заключается в том, электронных коммутационных структур (ЭКС) необ-что требуется вмешательство человеческого труда ходимо контролировать основные параметры произв производственную деятельность [14, 15]. водственного цикла. Представленная концепция Большинство лабораторий FAB LAB построены по применения оборудования серии LPKF обеспечивает данной структуре. Преимущественно цифровое ин- все базовые технология типового FAB LAB, что струментальное производство включает фрезерные позволяет реализовать полномасштабное производ-станки и принтер 3D печати, которые обеспечивают ство макета изделий электронной техники, формирование различных 3D структур [6 - 9]. Заключение

Как видно из рисунка 4 в типовой состав вхо- В данной работе рассмотрены особенности при-

дят: лазерные резаки, плазменные резаки, водо- менения ресурсов центров цифрового инструмен-

струйные резаки, ножевые резаки для резки листо- тального производства (FAB LAB) для прототипи-

вых материалов, 3-осевые станки с ЧПУ: 3 или рования элементов изделий электронной техники.

более осей, управляемые с компьютера субтрактив- Подробно представлен типовой состав лабораторий

ные фрезерные и токарные станки; индивидуального цифрового производства FAB LAB.

средства быстрого прототипирования: обычно Приведено обоснование эффективности применения

«3D-принтер» из пластика или пластиковых дета- данной технологии получения прототипов изделий

лей; электронной техники.

оборудование для фрезеровки печатных плат: 2 Основное внимание уделено анализу технологи-

мерные, высокопрецизионные фрезерные станки; ческого цикла применения технологии FAB LAB на

рабочие места для разработки, сборки и тести- примере производственного оборудования фирмы

рования микропроцессорной и цифровой электро- LPKF.

ники. В любом производстве основополагающими фак-

Более крупные лаборатории предусматривают уже торами являются производительность, стоимость и

расширенный комплекс оборудования (рисунок 2), качество продукции. Рассмотренная реализации FAB

включающий оборудование фрезеровки печатных LAB относительно данных факторов занимает сред-

плат, оборудование монтажа и пайки компонентов, нюю позицию, которая характеризуется относи-

включая печь (обычно односекционную), оборудо- тельно простой доступностью и относительно не

вание нанесения паяльной маски и шелкографии, ПО высокой стоимостью.

(программное обеспечение), устройства визуаль- В настоящее время данная технология набирает

ного, функционального и электрического контроля популярность у производителей, она находит ши-

[16, 17]. рокое распространение в среде дизайн центров,

Большое значение имеет количество и сложность при обучении специалистов и при организации ин-

оборудования, располагающегося в лаборатории, дивидуального цифрового производства. так как это влияет непосредственно на технологический процесс (трудоемкость, производительность, уровень автоматизации, качество изделия).

ЛИТЕРАТУРА

1. Юрков Н.К. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ. - СПБ.: Изд-во Лань. 2014. 2-е изд., испр., доп. - 480 стр.

2. Власов А.И., Карпунин А.А., Ганев Ю.М. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИ КАСКАДНОЙ И ИТЕРАТИВНОЙ МОДЕЛИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 1. С. 96-100.

3. Гриднев В. Н., Г.Н.Гриднева ТЕХНОЛОГИИ КОММУТАЦИОННЫХ СТРУКТУР ЭС: учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. - 452 с. : ил. (Библиотека «Конструкторско-технологическое проектирование электронных средств»: в 25 кн. Кн. 7).

4. Маркелов В.В., Власов А.И., Камышная Э.Н. ВИЗУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРИ УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 1. С. 145-149.

5. Арабов Д.И., Власов А.И., Гриднев В.Н., Зотьева Д.Е., Маркелов В.В. FAB-LAB-ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ // В сборнике: Современные научные исследования: методология, теория, практика. Материалы II Международной научно-практической конференции. - Нижний Новгород, Центр содействия развитию научных исследований. 2014. С. 162-179.

6. Курносенко А.Е., Соловьев В.А., Арабов Д.И. ПРОГРАММНЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ СОВМЕСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ ИЗДЕЛИЯ В САПР SOLID EDGE/NX // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 3 (155). С. 85-89.

7. Маркелов В.В., Власов А.И., Камышная Э.Н. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ // Надежность и качество сложных систем. 2014. № 1 (5). С. 35-42.

8. А.А. Адамова, А.И. Власов ВИЗУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДАПТАЦИИ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА К ВЫПУСКУ НОВОЙ ПРОДУКЦИИ // Информационные технологии в пр. и производстве. - 2014. - №2. - C.46-56.

9. Власов А.И. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИЗУАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ // Международный научно-исследовательский журнал. 2013. №10-2 (17). С. 17-26.

10. Власов А.И., Иванов А.М. ВИЗУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЭЛЕКТРОНИКИ // Наука и образование: научное издание МГТУ им.Н.Э. Баумана. 2011. № 11. С. 34.

11. Власов А.И. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ЭВОЛЮЦИИ МЕТОДОВ ВИЗУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 10-28.

12. Власов А.И., Журавлева Л.В., Тимофеев Г.Г. МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИОННОГО ВИЗУАЛЬНОГО СИНТЕЗА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ МИКРО-/НАНОСИСТЕМ // Научное обозрение. 2013. № 1. С. 107-111.

13. Журавлева Л.В., Власов А.И. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТВОРЧЕСКИХ СТРАТЕГИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕНТАЛЬНЫХ КАРТ // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 1 (21). С. 133-140.

14. Журавлева Л.В. ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Профессиональное образование - Москва, Академия. 2001. 312 с.

15. Журавлева Л.В. ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ. Учебное пособие для образовательных учреждений начального профессионального образования - Москва, Академия. 2004. 352 с.

16. Артемов И.И. Эксплуатационные материалы. Учебник для студентов вузов. Пенза, Изд.ПГУ. -2006.

17. Маркелов В.В., Власов А.И., Зотьева Д.Е. АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ВХОДНОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРИ УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ В СРЕДЕ МАТНLАВ // Надежность и качество сложных систем. 2014. № 3 (7). С. 38-43.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.