Принципи конструювання обчислювальної техніки
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Чернівецький національний університет
Імені Юрія Федьковича
Підлягає поверненню на кафедру
Основи конструювання
Обчислювальної техніки
Навчальний посібник
Частина 1
Чернівці
Чернівецький національний університет
2011
ББК 32.973.2 – 02я73
О - 751
УДК 004.3’12 (075.8)
Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича
О - 751 Основи конструювання обчислювальної техніки : навчальний
посібник : у 2 ч. / укл. : А.П. Федоренко, С.В. Баловсяк. – Ч.1. – [Вид. 2-ге, випр. і доповн]. – Чернівці : Чернівецький нац. ун-т, 2011. – 76 с.
ISBN - 966 – 568 – 812 - Х
У посібнику викладено теоретичні основи конструювання обчислювальної техніки, наведено узагальнені методи аналізу та синтезу. Розглянуто системний підхід до проектування обчислювальної техніки, при якому електричні, електромагнітні, теплові та механічні процеси, що впливають на функціональні показники приладів, розглядаються у взаємодії. Викладено принципи нової технології проектування, яка полягає в заміні реального об’єкта його математичною моделлю, що дозволяє не тільки зменшити час розробки приладів, але й підвищити їх надійність.
Для студентів, які навчаються за напрямами підготовки „Радіотехніка”, „Комп’ютерна інженерія”.
|
|
|
ББК 32.973.2 – 02я73
ISBN - 966 – 568 – 812 – Х
| |
Вступ
Цей навчально-методичний посібник висвітлює питання курсу „Основи конструювання обчислювальної техніки”.
Конструювання є органічною складовою більш широкого процесу, який пов’язаний із розробкою технічного проекту, виробництвом і експлуатацією виробу. Процес конструювання не можна звести до окремих конструкторських рішень, прикладів та рекомендацій. Дуже важливо дати правильне й змістовне уявлення про загальні закономірності конструювання, його проблеми та перспективи. Тому конструювання обчислювальної техніки(ОТ) ми розглядаємо як прикладну наукову дисципліну, що узагальнює методи аналізу та синтезу конструювання. В той же час особливу увагу в цьому курсі приділено викладенню теоретичного фундаменту конструювання [1-8]. Ми лише торкнемося такого виду інженерної діяльності, як розробка технічної документації. Конкретніше з цим студент стикається при виконанні курсових робіт та дипломного проекту.
Теорія конструювання обчислювальної техніки формується на основі вивчення та врахування тих фізичних процесів, які реально впливають на її функціональні показники. В першу чергу, це електричні, електромагнітні, теплові та механічні процеси [9-11]. Ці різні за своєю фізичною природою процеси певним чином взаємопов’язані між собою. Сучасне проектування ОТ вимагає системного підходу, при якому всі фізичні процеси розглядаються у взаємодії. Такий підхід потребує розгляду складних фізичних та математичних моделей.
|
|
|
Математичне моделювання є принциповою ознакою сучасного конструювання. Успішний розвиток цього напряму теорії конструювання пов’язаний із застосуванням комп’ютерів як головного засобу розробки та створення високоякісної конструкції. Завдяки застосуванню комп’ютерів розроблена принципово нова технологія проектування. Її суть полягає в заміні реального об’єкта математичною моделлю та подальшому дослідженні цієї моделі з допомогою комп’ютера. Трудомісткий та довготривалий фізичний експеримент на макетах та дослідних зразках замінюється обчислювальними процедурами згідно з математичною моделлю.
Застосування ОТ дозволяє провести аналіз функціональних можливостей різних варіантів конструкції як складної системи.
|
|
|
Системний аналіз функціональної точності та надійності конструкції, що проектується, дозволяє правильно вибрати значення внутрішніх параметрів виробу ще на стадії розробки. При цьому можна врахувати зовнішні та внутрішні умови роботи й навіть умови виробництва, що суттєво скорочує випробування нового виробу та відповідні зміни в його конструкції.
У невеликому за обсягом курсі ми можемо викласти лише основні підходи до здійснення зазначених фундаментальних процедур автоматизованого проектування ОТ. Отже, мета цього посібника – викладення основних задач конструювання обчислювальної техніки, які розв’язуються на етапі науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт. Задачі конструювання складають основу теорії конструювання ОТ на базі системного підходу до її розробки з урахуванням технології виготовлення та умов експлуатації.
Принципи конструювання обчислювальної техніки
Основні задачі конструювання
Сучасна обчислювальна техніка відноситься до радіоелектронної техніки. Саме електронна обчислювальна машина – найпотужніший засіб ОТ. Її основні функціональні елементи містять у собі напівпровідникові прилади, інтегральні схеми тощо. Прийом, обробка, збереження та передача інформації з допомогою ОТ здійснюється засобами як електроніки, так і радіотехніки [12-17]. Використання в радіоелектроніці електромеханічного обладнання та систем живлення, тепловідведення, контролю, віброзахисту визначає обчислювальний засіб як радіоелектронний засіб (РЕЗ). Тому загальні положення відносно РЕЗ стосуються повною мірою й ОТ.
|
|
|
Головне завдання конструювання РЕЗ – створення малогабаритного, високоефективного та надійного РЕЗ, виробництво й експлуатація якого можливі при обмежених витратах трудових, енергетичних і матеріальних ресурсів. Із цього випливають три основні задачі конструювання: якісне функціонування, мікромініатюризація та технологічність. Ці задачі хоча й різні, але взаємопов’язані. Розглянемо зміст кожного із них окремо.
Спроможність РЕЗ здійснювати функціональне призначення є головною його властивістю. Та функціонування повинне бути якісним. Задача якісного функціонування базується на забезпеченні потрібної точностіта надійності, які є настільки загальними показниками якості РЕЗ, що є наслідками усього комплексу прийнятих конструкторських рішень, рівня виробництва та організації експлуатації. Проблеми точності та надійності будуть вивчатися в наступних розділах.
Задача мікромініатюризації полягає у мінімізації маси, об’єму та енергоспоживання. Це завдання породжує ряд суперечностей, тому теж успішно розв’язується лише при комплексному підході. Наприклад, точність та надійність найпростіше підвищити шляхом ускладнення електричної схеми, але це суперечить завданню мініатюризації. Ще не так давно задачу мініатюризації розглядали тільки у схемотехнічному напрямі. Але такий підхід себе швидко вичерпав. Сьогодні задача мініатюризації розв’язується як у схемотехнічному, так і в конструкторському напрямах. Комплексна задача мініатюризації спрямована на відповідний вибір елементної бази, матеріалів, оптимальної структури конструкції, систем живлення, охолодження, автоматики, віброзахисту тощо. Комплексна мініатюризація РЕЗ вимагає комплексного використання кращих досягнень промисловості в цілому.
Задача мікромініатюризації породила задачу охолодження РЕЗ. Зменшення маси та об’єму не вдається забезпечити відповідним зменшенням енергоспоживання. В результаті кількість теплової енергії в одиниці об’єму конструкції зростає. Як наслідок, підвищується температура елементів та зменшується надійність конструкції в цілому. Задача охолодження, що полягає в забезпеченні достатньо інтенсивного тепловідведення, є сьогодні актуальною.
Найбільш формалізованою є задача технологічності.
Технологічність конструкції виробу – це сукупність властивостей, що забезпечують оптимізацію витратна проектування, виробництво та експлуатацію в межах заданих показників якості, об’єму випуску та рівня виробництва.
Технологічність РЕЗ зручно визначати як суму витрат BS на проектування BП, виробництво ВВ, експлуатацію ВЕ та ремонт ВР. Типовий графік таких витрат, що забезпечують певний рівень якості К, показаний на рис. 1.1. Точка К0 при мінімальних
Рис. 1.1. Визначення технологічності
витратах В0 є базовою для визначення технологічності на даному етапі розвитку техніки. Ця точка з роками має тенденцію дрейфу в напрямі зростання К0 і зменшення В0. Такі зміни особливо характерні багатосерійному та масовому виробництву.
Фактично технологічність є відносним показником, що служить для порівняння ефективності застосування виробів.
Ідеальне порівняння та оцінку технологічності можна зробити стосовно варіантів конструкції одного й того ж виробу. Достатньо хорошу оцінку можна зробити стосовно однотипних виробів із близькими конструктивними ознаками, умовами виготовлення та експлуатації й показниками якості. Саме таке порівняння визначило підвищення технологічності шляхом уніфікації та стандартизації продукції та засобів виробництва. Уніфікація в техніці означає зведення різновидів продукції та засобів виробництва до раціонального кількісного мінімуму. Уніфікація та стандартизація сприяли розвитку багатосерійного та масового виробництва. Це у свою чергу сприяло росту передових технологій. Хоча уніфікація породжує надлишкову функціональність РЕЗ, зате супроводжується високим ростом точності, надійності та зниженням собівартості.
Якість та показники якості
Міжнародний стандарт ІСО 8402 – 86 дає таке визначення якості:
Якість – сукупність властивостей і характеристик продукції чи послуги, які роблять цю продукцію чи послугу здатною задовольняти потреби, що зумовлені чи припускаються.
Властивостями якості є точність, надійність, технологічність, уніфікація, безпечність, ергономічність, технічна естетичність, патентоздатність тощо. Рівень якості оцінюють за допомогою показників якості.
Показники якості – це кількісні характеристики властивостей якості.
Встановлюється певний перелік показників якості. Вибір переліку показників якості грунтується на виконанні двох умов: кількість показників якості повинна бути малою, щоб знизити трудомісткість розрахунків; кількість показників якості повинна бути достатньою для всебічної оцінки виробу. Показники якості можна поділити на такі основні групи:
1. Показники призначення.
2. Показники надійності та довговічності.
3. Показники технологічності.
4. Показники стандартизації та уніфікації.
5. Показники безпеки, ергономічності, естетики.
6. Патентно-правові показники.
Показники призначення конструкції РЕЗ характеризують властивості, що визначають основні функції, для виконання яких засіб призначений і які зумовлюють область його застосування. При визначенні показників призначення слід брати лише найнеобхідніші з них, ті, що характеризують найсуттєвіші властивості РЕЗ. Показники призначення повинні відповідати потрібній точності. Серед показників призначення треба ще виділити показник рівня мініатюризації, що є кількісною оцінкою ефективного використання об’єму, маси та споживаної енергії.
На показниках надійності та довговічності ми зупинимось детально в наступних розділах.
Показники технологічності (трудомісткість, матеріаломісткість, собівартість тощо) визначають пристосованість конструкції до раціонального використання трудових і матеріальних ресурсів при підготовці виробництва та промисловому випуску в заданому обсязі, а також при технічному обслуговуванні та ремонті в процесі експлуатації. Відповідно розглядають виробничу та експлуатаційну технологічність.
Показники уніфікації та стандартизації - складові показники технологічності. Вони характеризують наявність у виробі стандартних та уніфікованих складових частин, а також рівень уніфікації порівняно з іншими виробами. Ці показники виділяються в окрему групу, бо застосування стандартизації та уніфікації істотно скорочує терміни та вартість проектування, збільшує сферу застосування виробу, дозволяє організацію спеціалізованого виробництва стандартних і уніфікованих збірок із централізованим збутом, спрощує обслуговування та ремонт РЕЗ.
Показники безпеки характеризують вимоги, виконання яких забезпечує захист людини, що знаходиться в зоні можливої небезпеки, від шкідливих для її здоров’я та загрозливих для життя дій. Існують вимоги безпеки, що регламентовані системою державних стандартів із безпеки праці (ССБТ. ГОСТ 12.0.00-74 – ГОСТ 12.2.007.14 – 75), правилами та нормами техніки безпеки, пожежної безпеки, виробничої санітарії, міжнародними регламентами та нормами.
Ергономічні показники служать для оцінки відповідності можливостей людини з вимогами, що зумовлені особливостями техніки та навколишнього середовища. Робоче місце оператора повинне бути пристосованим до певного типу праці та до працівників певної кваліфікації з урахуванням їх антропометричних, фізіологічних, психофізіологічних та психологічних особливостей. Надійність роботи оператора суттєво залежить від оптимальних значень показників навколишнього середовища (температура, вологість, тиск, густина повітря, шуми, вібрації, освітлення тощо).
Естетичні вимоги складають такі показники, як інформаційна виразність, раціональність форми, цілісність композиції, досконалість виробничого виконання.
Патентно-правові показники дозволяють оцінити конкурентоздатність конструкції та її новизну. Показник патентного захисту характеризує долю вітчизняних винаходів, а показник патентної чистоти оцінює можливість реалізації виробу за кордоном.
Комплексні показники якості
Оцінити якість продукції означає визначити її рівень порівняно з іншими, найкращими зразками. Спочатку вибирається аналог, тобто виріб вітчизняного чи закордонного виробництва, що має схоже функціональне призначення та умови експлуатації відносно конструкції, що оцінюється. З усіх аналогів вибирається базовий зразок. Він повинен характеризувати передові науково-технічні досягнення за певний період. Базовий зразок може бути плановим, тобто мислитися в перспективі. Базовий зразок має сукупність показників якості. Серед них можуть бути одиничні показники якості, що характеризують одну властивість, та комплексні показники якості К, що характеризують групу властивостей.
К = {Кi}, i = 1, … , n, (1.1)
де Кi – одиничний показник якості.
Одиничні показники якості базового зразка можуть бути як абсолютними, так і відносними величинами. Абсолютні показники виражаються в натуральних одиницях виміру (кг, м, А, тощо), у вартісних одиницях (гривні) та відносних одиницях. Відносні показники є безрозмірними величинами. Їх одержують шляхом нормування, тобто ділення фактичних показників Кіф на ідеальні значення або значення Кіб, що відповідають прийнятим базовим зразкам
. (1.2)
Комплексні показники є безрозмірними. Групу показників якості виробу можна звести до одного узагальненого показника якості Ку виробу. Узагальнені, як і комплексні показники якості, мають вигляд суми або добутку нормованих показників якості
, (1.3)
, (1.4)
де Сi – ваговий коефіцієнт одиничного чи комплексного показника якості Кi.
У загальному випадку коефіцієнти Кі змінюються з часом, тобто Кi=Кi(t). Але вони настільки повільно змінюються, що в більшості випадків їх розглядають як сталі величини.
Згортки (1.3) і (1.4) незручні для практичного застосування. По-перше, будь-який показник може компенсувати інший, виходячи за межі можливостей реальних систем. Тому рівняння (1.3) і (1.4) обов’язково доповнюють рядом реальних обмежень типу: 
, 
або 
, де [Кi] - припустиме граничне значення показника Кі.
По друге, форми (1.3) і (1.4) не розрізняють „конфліктні” показники в тому розумінні, що одні показники треба мінімізувати (маса, об’єм), а інші - максимізувати (надійність, швидкодія). Тому форму (1.3) використовують у вигляді системи
, 
, (1.5)
, 
.
Показники, що максимізують, беруть із одним знаком, а що мінімізують - із протилежним.
Форму (1.4) використовують у вигляді такої системи:
, , (1.6)
, .
Показники потрапляють до чисельника чи до знаменника в залежності від того, мінімізують їх чи максимізують.
Застосування систем (1.5) та (1.6) суттєво спрощується, якщо ввести додаткову умову
чи 
.
Показники якості виробу визначають шляхом розрахунків чи встановлюють експериментально. Існує два основні методи визначення вагових коефіцієнтів: ціннісний та експертний.
В основу ціннісного методу покладено відношення витрат на забезпечення і-го показника якості до загальних витрат із забезпечення якості виробу в цілому
. (1.7)
Експертний метод ґрунтується на усередненні індивідуальних оцінок групи експертів, що працюють за певним регламентом. Цей метод принципово суб’єктивний і тому не виключає помилок. Але він досить розповсюджений, бо достатньо надійний, оперативний і недорогий.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 373; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!