Ambalarea Componentelor Electronice

CUPRINS

INTRODUCERE

Capitolul 1. Cercetarea și analiza sistemelor pentru ambalarea componentelor electronice. 8

1.1 Actualitatea temei

1.2 Procesul de ambalare pe tambur cu bandă de componente SMD

1.3 Standardele EIA-48

1.4 Tipurile de benzi și materiale utilizate

1.5 Cercetarea dispozitivelor existente de segmentare a benzilor cu componente SMD

1.5.1 Manncorp 2000 SMD Component Counter

1.5.2 APT RC-35 SMD Counter

1.5.3 IC63 Component Counter

1.5.4 SMD Parts Counter Machine YS-IH881

1.6. Formularea caietului de sarcini și studierea problemelor de proiectare a sistemului

1.6.1. Descrierea funcțiilor dispozitivului de segmentare a benzii purtătoare cu componente electronice SMD;

Concluzii:

2. Proiectarea blocului de control al utilajului pentru segmentarea benzii purtătoare cu componente electronice SMD.

2.1 Structura generală a blocului de comandă

2.2. Analiza bazei de componente

2.2.1 Alegerea microcontrolerului pentru aplicație

2.2.2 Analiza motoarelor

2.2.3. Acționarea motoarelor servo și motoarelor pas cu pas

2.2.4 Afișorul alfanumeri

2.3 Proiectarea schemei electrice principiale

2.4 Proiectarea circuitelor imprimate

Bibliografie:

INTRODUCERE

În prezent termenii “automat” și “automatizare” fac parte din categoria celor mai utilizați atât în limbajul ingineresc, cât și, păstrând proporțiile, în limbajul uzual.

În cadrul societății industriale și al celei postindustriale scopurile generale ale automatizării sunt următoarele: creșterea productivității, scăderea consumurilor specifice (de materii prime, de materiale, de combustibil și de energie), asigurarea preciziei execuției, creșterea siguranței în funcționare, protejarea instalațiilor, eliberarea operatorului uman de participarea nemijlocită la producția de bunuri și de servicii. Ceea ce generează necesitatea automatizării este piața care cere din ce în ce mai multe produse la preturi din ce în ce mai mici. Modurile diferite în care se tratează problema executării unor produse diferă foarte mult în funcție de cantitatea necesară pieței. Într-un mod se tratează problematica executării unei cantități mici (1 – 1000 sau chiar 10000 bucăți) și cu totul altfel se tratează executarea de serii mari de produse sau chiar problematica producției de masă ( mai mult de 10000 produse milioane sau miliarde de bucăți).

Procesul de automatizare este prezent practic în toate etapele unui creării unui produs finit, începând cu procesul de prelucrare și finisând cu cel de asamblare și ambalare.

În ultimul timp industria electronică face investiții colosale în domeniul automatizării ambalării componentelor electronice. Drept premise la aceste investiții au servit necesitatea de a ambala elemente de dimensiuni extrem de mici în cantități extrem de mari. Astfel astăzi putem vedea mașini de amplasare și ambalare a elementelor care pot procesa mii și sute de componente electronice. Cel mai uzual tip de ambalare sau împachetare a componentelor electronice, mai ales ale acelor SMD, îl constituie așa numitele tambure de componente. Aceste tambure sunt standardizate și sunt compatibile cu majoritatea echipamentelor de depanare pentru sistemele de auto-plasare a componentelor. În această tambur, componentele sunt aranjate în celule special proiectate cu dimensiuni standardizate. Dacă în timpul ambalării aceste tambure sunt de diferite lungimi și în cadrul tamburei sunt mii de elemente, ar fi foarte comod de a avea un sistem care ar permite secționarea sau segmentarea unui număr anumit de elemente. Un astfel de sistem ar fi extrem de util în cazul în care am dori segmentarea într-un număr constant, relativ mic de elemente. Astfel în această lucrare se va proiecta sistemul de segmentarea a benzii cu componente electronice SMD din tamburul descrisă mai sus. În capitolul următor se va face analiza mai întâi la toate caracteristicele procesului de ambalare, standardele în cadrul acestui proces, actualitatea temei. Totodată se vor cerceta analogii și prototipurile existenți pe piață, dezavantajele acestora și posibilitatea eliminării lor în cadrul proiectării propriului sistem.

Capitolul 1. Cercetarea și analiza sistemelor pentru ambalarea componentelor electronice.

Componentele electronice pot fi ambalate în mai multe tipuri de purtători pentru transportare. Cele mai uzuale tipuri de ambalaje sunt: în vrac, utilizând tambure sau role cu bandă de elemente sau prin cutii independente pentru fiecare element. Ambalajul asigură trecerea în condiții de siguranță de la producător la distribuitor și/sau la utilizatorul final.

De exemplu în cazul transportării în vrac la 1000 de elemente transportate de la producător la utilizator circa 5 % din acestea pot fi nefuncționale. În cazul utilizării tamburelor cu bandă acestea au o probabilitate extrem de mică de defecțiune, plus că componentele în această bandă sunt așezate într-un mod anume, ce permite utilizarea acestora în cadrul sistemelor de plasare a componentelor pe cablaje.

O tambur tipică cu componente electronice SMD este prezentată în Figura 1.de mai jos:

Figura 1.1. Bandă cu componente SMD ambalate pe tambur

Tamburul și banda purtătoare sunt proiectate pentru a oferi un nivel ridicat de protecție împotriva descărcărilor electrostatice. Atât banda purtătoare, cât și tamburul sunt construite pe bază de materiale static disipative.

1.1 Actualitatea temei

Procesul de ambalare de tip tambur cu bandă este în prezent cel mai uzual folosit de companiile lidere în crearea componentelor electronice, având următoarele avantaje:

Protecție împotriva deteriorărilor mecanice ce pot apărea în timpul transportului de la producător la utilizator final;

Protecție împotriva influențelor de mediu, cum ar fi umiditate;

Protecție împotriva daunelor electrostatice, încărcare, descărcare.

Lucru ușor pentru utilizator cu așa tip de ambalare;

Mai jos prezentăm diferite forme de benzi cu componente (fără tambur și banda protectoare):

Figura 1.2. Benzi cu componente de diferite forme

Astfel începând cu companii mari de asamblare și formare a circuitelor integrate și finisând cu radioamatori, toți utilizează aceste elemente zi de zi. De multe ori atât distribuitorii, cât și utilizatorii de rând au nevoia de un număr fix de componente. Mai ales companiile medii ce distribuie componente electronice sau kit-uri întregi. Pentru a exclude pierderea de timp pentru numărarea componentelor și segmentarea lor, ar fi perfect folosirea unui dispozitiv ce face această operație automat. Acesta trebuie să lucreze cu o viteză relativ mare și să vie compatibil cu majoritatea tamburelor cu bandă de componente electronice SMD.

1.2 Procesul de ambalare pe tambur cu bandă de componente SMD

În cazul procesului ambalare a componentelor SMD pe tambur, se folosește metoda depunerii în celula pe banda purtătoare a fiecărui element electronic. Sistemul automatizat preia componentele electronice de cele mai multe ori din așa numitele tuburi cu elemente, acestea sunt așezate într-o formă standardizată, astfel ca pinii să coincidă cu prevederile și normele EIA-481. Banda purtătoare este deplasată cu ajutorul unui motor, astfel ca celula următoare este alimentată cu un nou component. Viteza prelucrării diferă de la un sistem la altul. În mediu sistemul depune în celule 2 componente pe secundă. Procesul continue până la completarea tamburei cu elemente. Materialele folosite atât în cazul benzii purtătoare cât și în cadrul tamburei sunt materiale static disipative, despre ele vom vorbim în subpunctele următoare.

Procesul de depunere a componentelor electronice în celulele corespunzătoare este prezentat în figura ce urmează:

Figura 1.3 Tehnologia asamblării tamburului cu bandă pentru componente SMD

Lățimea uzuală a benzii este de la 8m până la 56 mm. Sunt și lățimi mai mare însă acestea sunt rar utilizate. Sistemele moderne de ambalare a componentelor SMD pot procesa până la 7000 de elemente pe oră. Ele pot detecta și lipsa elementului în celulă sau repartizarea incorectă a elementului. Aceste sistem sunt extrem de scumpe și sunt de o complexitate mare. Un astfel de sistem de ambalare a elementelor este prezentat în figura ce urmează.

Figura 1.4. Sistem de ambalare a componentelor electronice

1.3 Standardele EIA-481

Alianța Industrială Electronică (Electronic Industries Alliance) prescurtat EIA este o organizație ce reglementează cu standardele pentru producerea și ambalarea componentelor electronice. Standardele pentru ambalarea componentelor au fost create cu câțiva ani în urmă ca rezultatul incompatibilității unor tambure cu bandă de componente electronice cu sistemele de plasare a acestora pe cablaje. Standardul EIA-481 se referă la împachetarea sau ambalarea elementelor cu lipire la suprafață (SMD) pe tamburele cu bandă de componente. Acestea au suferit o serie de schimbări ajungând astfel astăzi la standardul 481-D.

Conform acestor standarde se specifică în primul rând parametri fizici a benzii cu elemente.

Pentru a înțelege dimensiunile și standardele menționate prezentăm forma benzii purtătoare mai jos:

Figura 1.5. Banda purtătoare pentru componente

În figura de mai sus avem:

A0 – lățimea celulei pentru componentul electronic

B0 – lungimea celulei pentru component electronic

k0 – reprezintă înălțimea celulei

W – lățimea întregii benzi purtătoare

P1 – pasul dintre centrul a 2 celule succesive

Referindu-ne la parametrii de mai sus, conform EIA 481-D se poate de menționat următoarele lucruri:

Lățimea sau lungimea celulei pentru componenta electronică nu este standardizată, aceasta se alege în dependență de componenta electronică din celulă.

Lățimea întregii benzi purtătoare conform standardelor trebuie să fie egală cu: 4, 8, 16, 24, 32, 44, 56 mm.

Pasul dintre centrele la 2 celule consecutive trebuie să fie un multiplu a lui 4 mm (8/12/16…);

Înălțimea celulei se alege în dependență de componenta electronică, dar aceasta nu trebuie să depășească 40 mm;

Următoarele standarde se referă la tamburul benzii purtătoare, care este prezentată în figura ce urmează:

Figura 1.6. Tamburul benzii purtătoare

Astfel conform standardului EIA 481-D diametrul maxim al tamburului este de 330 mm. Cel mai uzual este diametrul de 178 mm. Diametrul orificiului de fixare este 20.2 mm.

Următoarele norme și standarde din cadrul EIA 481-D se referă la amplasarea componentelor în celulă. Pentru a înțelege corect amplasarea elementelor de diferite tipuri de carcasă vom prezenta celula, împărțită în 4 și proprietățile acestora.

În Figura 1.următoare este prezentată forma schematică a celulei pentru componentele electronice asamblate:

Figura 1.7. Reprezentarea cadranelor celulei pentru componente

Astfel fiecare tip de capsulă se amplasează într-un mod caracteristic în această celulă, caracteristic fiind și poziția primului pin. Mai jos vom prezenta diferite tipuri de capsule și amplasarea lor în celula de pe banda cu componente.

Pentru tipul capsulei SOT-23 se utilizează următoarea amplasare, conform standardelor:

Figura 1.8. Amplasarea capsulelor SOT-23 în celula benzii cu componente

În imaginea de mai sus se observă că în cazul utilizării capsulei cu 3,4 pini, pinul 1 se găsește în cadranul 3, iar în cazul utilizării capsulelor cu 5, 6, 8 pini, acesta se găsește orientat în cadranul 2.

În cazul benzii cu componente în package tip LQFP, TQFP, QFP, amplasarea este prezentată în figura următoare:

Figura 1.9. Amplasarea capsulelor QFP în celula benzii cu componente

Pinul 1 în cazul de mai sus e prezent în cadranul 2. Astfel în dependență de numărul de pini acestea arată cam în felul următor:

Figura 1.10. Forma reală a amplasării elementelor în banda cu componente

1.4 Tipurile de benzi și materiale utilizate

După cum s-a menționat în subpunctele precedente atât banda de componente cât și banda protectoare sunt din materiale static disipative. În prezent sunt mai multe tipuri de materiale din care sunt fabricate aceste benzi, în funcție de firmele producătoare. Vom analiza benzile pro vom prezenta diferite tipuri de capsule și amplasarea lor în celula de pe banda cu componente.

Pentru tipul capsulei SOT-23 se utilizează următoarea amplasare, conform standardelor:

Figura 1.8. Amplasarea capsulelor SOT-23 în celula benzii cu componente

În imaginea de mai sus se observă că în cazul utilizării capsulei cu 3,4 pini, pinul 1 se găsește în cadranul 3, iar în cazul utilizării capsulelor cu 5, 6, 8 pini, acesta se găsește orientat în cadranul 2.

În cazul benzii cu componente în package tip LQFP, TQFP, QFP, amplasarea este prezentată în figura următoare:

Figura 1.9. Amplasarea capsulelor QFP în celula benzii cu componente

Pinul 1 în cazul de mai sus e prezent în cadranul 2. Astfel în dependență de numărul de pini acestea arată cam în felul următor:

Figura 1.10. Forma reală a amplasării elementelor în banda cu componente

1.4 Tipurile de benzi și materiale utilizate

După cum s-a menționat în subpunctele precedente atât banda de componente cât și banda protectoare sunt din materiale static disipative. În prezent sunt mai multe tipuri de materiale din care sunt fabricate aceste benzi, în funcție de firmele producătoare. Vom analiza benzile produse de cel mai mare producător de benzi atât purtătoare cât și de protecție, numit 3M.

Banda purtătoare pe baza de policarbonat, numită Carrier 2705 de la compania 3M este o bandă purtătoare de precizie supra înaltă, cu dimensiuni specifice pentru majoritatea tipurilor de capsule ale componentelor electronice. Este disponibilă de la 8 mm la 44 mm grosime, respectând standardele EIA-481-D. Lungimea maximă a benzii este de 2000m, depinzând de înălțimea celulei pentru componente. Materialul dat permite expunerea până la 85 °C. Totodată benzile din policarbonat conferă și o rigiditate și precizie înaltă. Diferența este prezentată în figura ce urmează:

Figura 1.11. Diferențele formei celulelor cu utilizarea diferitor materiale

Un alt material des utilizat în cadrul benzilor de componente este polistirenul. Celulele benzii pe bază de polistiren sunt mult mai precise, în special pentru componente extrem de mici, cum e prezentat în figura.de mai jos:

Figura 1.12. Bandă de precizie înaltă pe bază de polistiren

Dezavantajul principal al benzilor pe bază de polistiren este ruperea frecventă a acestora în comparație cu policarbonatul. Pentru a înțelege această diferență prezentăm următoare diagramă:

Figura 1.13. Forța de rupere la diferite tipuri de materiale

utilizate la banda purtătoare

1.5 Cercetarea dispozitivelor existente de segmentare a benzilor cu componente SMD.

1.5.1 Manncorp 2000 SMD Component Counter

Manncorp 2000 SMD Component Counter este un dispozitiv pentru numărarea elementelor SMD dintr-un tambur cu bandă de componente, cu posibilitatea segmentării manuale a lor. Posibilitatea segmentării apare prin introducerea unui număr exact de elemente, la care dispozitivul se va opri și operatorul va putea segmenta aceste elemente. Are un ecran LCD ce informează utilizatorul despre numărul componentelor procesate. Numărarea se face în ambele direcții de pe un tambur pe altul. Aspectul fizic al dispozitivului va fi prezentat în figura ce urmează:

Figura 1.14. Manncorp 2000 SMD Component Counter

Caracteristice de bază ale acestuia sunt:

Compatibil cu tambur de 178 mm și 330 mm diametrul.

Posibilitatea presetării numărului de elemente

Diapazonul de numărare: -59,999 până la 59,999

Posibilitatea găsirii celulelor goale

Tensiunea de alimentare 220 V

1.5.2 APT RC-35 SMD Counter

APT RC-35 SMD Counter este un numărător de componente SMD de pe tamburul cu banda de componente de la compania APT. Acesta oferă posibilitatea numărării până la 99999 de componente pe un tambur. Se caracterizează printr-o viteză înaltă de lucru . Totodată oferă posibilitatea determinării celulelor goale din banda purtătoare, datorită utilizării unui senzor optic. Aspectul vizual este prezentat mai jos:

Figura 1.15. APT RC-35 numărător de componente SMD

Afișarea rezultatelor are loc pe un ecran tactil, de unde se introduc setările de bază. Aici sunt vizualizate celulele goale, cele pline și numărul total de celule (cum e prezentat în figura următoare). Dezavantajul principal este faptul că nu poate fi predefinit un număr dori de elemente pentru segmentare.

Figura 1.16. Monitorizarea numărării elementelor la APT RC-35

Caracteristice de bază ale acestuia sunt:

Compatibil cu tambur de 178 mm și 330 mm diametrul.

Diapazonul de numărare: -99,999 pînă la 99,999

Posibilitatea găsirii celulelor goale

Tensiunea de alimentare 220 V

Benzile purtătoare compatibile: 8-72 mm;

Diapazonul pasului 2-96 mm;

Prețul acestui dispozitiv este de 700 de lire sterline.

1.5.3 IC63 Component Counter

IC63 Component Counter este un numărător manual de componente electronice de la compania Reel service Europe. Este un numărător bidirecțional, însă necesită implicarea necontenită a operatorului. Are însă și un avantaj important, și anume portabilitatea sistemului. La fel se permite depistarea celulelor goale și monitorizarea lor. Acesta este prezentat în figura următoare:

Figura 1.17. IC63 Component Counter

1.5.4 SMD Parts Counter Machine YS-IH881

SMD Parts Counter Machine YS-IH881 este un numărător de elemente SMD de pe tambur de la compania chineză Robotsung Technology. Principalele avantaje a acestui dispozitiv este faptul ca e automat, pot fi definite numărul de elemente. Totodată este autonomă și portabilă, cu mișcare bidirecțională și viteză mare de procesare.

Acest dispozitiv este prezentat în figura următoare:

Figura 1.18. Numărătorul de elemente YS-IH881

Caracteristice de bază ale acestuia sunt:

Compatibil cu tambur de 178 mm și 330 mm diametrul.

Diapazonul de numărare: -99,999 până la 99,999

Posibilitatea găsirii celulelor goale

Capabilitatea de procesare 600 elemente pe minut, în funcție de dimensiuni

Puterea consumată 30 W

Tensiunea de alimentare 220 V

Benzile purtătoare compatibile: 8-72 mm;

Diapazonul pasului 2-96 mm;

Prețul acestuia este de 1500 $.

Analizând minuțios dispozitivele de extrudare descrise mai sus, putem concluziona că principalul dezavantaj la toate imposibilitatea segmentării automate și viteză relativ mică de procesare. Toate aceste momente le vom lua în vedere în cadrul elaborării caietului de sarcini.

1.6. Formularea caietului de sarcini și studierea problemelor de proiectare a sistemului

1.6.1. Descrierea funcțiilor dispozitivului de segmentare a benzii purtătoare cu componente electronice SMD;

Pentru a putea elabora un dispozitiv este necesar să alcătuim un caiet de sarcini ce va include toate funcțiile și operațiile care dispozitivul trebuie să le înfăptuiască. Pentru a putea crea baza de proiectare(algoritmii, grafurile, schemele), se alcătuiește acest caiet de sarcini:

Sistemul trebuie să permită lucrul cu orice tip de tambur cu bandă de componente:

Compatibil cu lățimea benzii purtătoare de 8, 12, 16, 24, 32, 44, 56 mm.

Compatibil cu tamburele de 2 diametre: 178 și 330 mm;

Compatibil cu pasul dintre componente de: 2, 4, 8, 10, 12, 16,24, 32, 44 mm.

Utilizatorul va specifica numărul de segmente;

Tăierea se va face automat la numărul presetat de elemente;

Utilizatorul va specifica numărul de elemente pe segment;

Viteza minimă de tăiere pentru bandă și pas minim este de 1 unitate pe secundă;

Tensiunea de alimentare este de 220 V.

Concluzii:

În urma familiarizării cu procesul de ambalare a componentelor electronice SMD am atestat că cel mai uzual și optimală mod de ambalare este împachetarea componentelor SMD pe tambur cu bandă purtătoare de elemente. În cercetării dispozitivelor de segmentare existente am atestat anumite neajunsuri, cum ar fi: imposibilitatea segmentării automate la un număr prestabilit de elemente, incompatibilitatea unor sisteme cu tambur de dimensiuni diferite. Totodată toate sistemele existente sunt extrem de scumpe și de obicei sunt doar pentru producătorii mari pentru contorizare, nu și pentru distribuitori mici sau medii sau de ce nu utilizatori finali. Conform standardele EIA-481-d suntem capabili să presupunem cum va avea loc numărarea elementelor și segmentarea lor în sistemul ce urmează a fi proiectat.

În final se poate afirma, că trebuie de creat un dispozitiv ce va înlătura toate ineficiențele modelelor studiate și va permite obținerea unei eficiențe maxime.

2. Proiectarea blocului de control al utilajului pentru segmentarea benzii purtătoare cu componente electronice SMD.

2.1 Structura generală a blocului de comandă

După analiza și cercetarea dispozitivelor electronice de ambalare și segmentare a componentelor electronice se poate de presupus structura generală unui astfel de dispozitiv. În primul rând, la procesul de deplasare a benzii p să avem nevoie de un motor, e de dorit ca deplasarea să fie de precizie înaltă, căci conform standardelor EIA-481-d avem pasul pentru banda cu componente și segmentarea acesteia va avea loc conform acestui pas. Va fi nevoie de asemenea de butoane pentru introducerea datelor (tipul benzii, lățimea, pasul, diametrul tamburului), dar si pentru presetarea numărului de segmente și numărului de elemente pe segment. Toate aceste date se vor afișa la un LCD. Elementul de tăiere cel mai optim este pe baza unui motor servo, care este ușor de dirijat și permite o viteză relativ mare de lucru. Programarea microcontrolerului se va realiza prin ICSP. Interacțiunea dintre aceste componente este prezentată în schema de structură a dispozitivului, care este prezentată mai jos:

Fig.2.1 Schema de structură a blocului de comandă

Conform schemei de structură se deduce principiul de lucru al dispozitivului. Pentru o înțelegere mai bună a principiului de lucru se prezintă diagrama de activitate a dispozitivului (fig.2.2).

Fig.2.1 Diagrama de activitate a dispozitivului

Diagrama de mai sus reprezintă principiul general de lucru și nu reflectă fiecare stare a dispozitivului. Analizând diagrama de activitate și schema de structură a dispozitivului se explică principiul de lucru: utilizatorul montează banda cu elemente pe dispozitiv și introduce de la keyboard parametrii acesteia (diametrul tamburului, pasul, lățimea benzii). După validarea acestor date utilizatorul va introduce setările dorite pentru procesul propriu-zis de segmentare (se introduc numărul de elemente pe segment, numărul de segmente). Se validează aceste setări și se purcede la procesul de segmentare. Senzorul verifică prezența benzii, în caz că banda nu e prezentă sau e montată incorect acesta atenționează utilizatorul, prin elementul de semnalizare. În cazul prezenței benzii începe procesul de segmentare. Microcontrolerul acționează cu motoarele pas cu pas pentru deplasarea benzii, și la ajungerea la segmentului de lungime dorit se oprește pe o perioadă scurtă de timp, aici este acționat servo motorul pentru tăierea benzii. După tăiere se verifică din nou prezența benzii. Dacă este prezentă banda se repetă procedura de acționare cu motoarele pas cu pas și servo până când se ajunge la numărul dorit de segmente. În caz contrar (banda se finalizează) se apelează la elementul de semnalizare și utilizatorul este atenționat. Numărul de segmente va fi egal cu numărul de acționări a motorului servo, iar numărul componentelor vor fi determinate pe baza motorului pas cu pas și apelând la standardele EIA-481-d.

Odată cu analiza și definirea principiului de funcționare se trece la analiza și alegerea bazei de componente pentru acest dispozitiv.

2.2. Analiza bazei de componente

În cadrul acestui punct se vor analiza componentele ce vor fi implementate în cadrul acestei aplicații. Se va prezenta o analiză general-comparativă, cu stabilirea elementelor concrete ce urmează a fi implementate.

2.2.1 Alegerea microcontrolerului pentru aplicație

La baza funcționării dispozitivului ce urmează a fi proiectat se va situa microcontrolerul, care va dirija cu toate procesele, cu achiziționarea datelor, cu acționare motoarelor și elementelor de semnalizare. Astfel alegerea microcontrolerului pentru o aplicație este un factor vital pentru proiectare. Acest fapt este cu atât mai complicat ca rezultat al sortimentului și diversificării colosale prezente la moment pe piață.

Pe plan mondial în prezent sunt forte multe varietăți de microcontrolere. În funcție de

dimensiunea maximă a șirului de date pe care îl prelucra se întâlnesc variante de 4, 8, 16, 32 de biți

și mai rar de 64 de biți. Dimensiunea șirului de date nu este absolut necesar să fie egală cu

dimensiunea unui cuvânt mașină (cuvânt program).

Pe lângă microcontrolerele programabile există și multe variante dedicate, preprogramate ce sunt strict specializate pe o anumită aplicație, lucru realizat prin codul preprogramat, respectiv al resurselor hardware înzestrate. Aceste tipuri se întâlnesc în zona telecomunicațiilor, interfețelor cu utilizatorul , cât și în cadrul aparaturii audio/video, respectiv al echipamentelor de prelucrare numerică a semnalului, etc.

Tehnologia ce stă la baza microcontrolerelor actuale este CMOS, structurile realizare având o mare densitate de integrare, consum redus, care este în strânsă concordanță de frecvența de lucru.

Această tehnologie este caracterizată și de o imunitate mare la perturbații, lucru esențial în multe aplicații specifice. Cum cerințele pieței sunt diverse se realizează variante ce pot funcționa în

intervalul de temperaturi – 40… +85°C.

La dezvoltarea unei aplicații ce se construiește în jurul unui microcontroler sunt mai multe aspecte ce trebuie luate în considerare:

nivelul producției: prototip, producție mică, medie sau de masă;

costurile achiziționării microcontrolerului;

costurile achiziționării mediului software de programare, respectiv al programatorului hardware pentru microcontroler;

limbajul de programare folosit;

memoria necesară pentru program și date;

viteza de calcul a unității centrale;

numărul de intrare/ieșire;

tipul intrărilor/ieșirilor necesare;

ce tip de încapsulare este necesar, respectiv gamă de temperaturi de lucru;

cât de ușor se poate extinde aplicația în care că este necesar;

disponibilitatea microcontrolerului ales pe piață.

Momentele de bază reflectate în cadrul alegerii microcontrolerului în cadrul aplicației dezvoltate în acest proiect se vor referi anume la liniile de intrare/ieșire, tipul lor și memoria RAM, ROM, pentru dezvoltarea soft-ului de bază, nu și în ultimul rând la viteza de lucru.

La moment pentru astfel de aplicații cea mai optimală alegere prezintă microcontrolere familiei AVR, produse de Atmel. Acestea se găsesc într-o varietate vastă și suportul pentru acestea este semnificativ.

ATmega8 este un microcontroler CMOS low-power pe 8 biți, bazat pe arhitectura AVR RISC. Prin executarea unor instrucțiuni puternice într-un singur moment de tact, ATmega8 ajunge la performanta de 1 MIPS per MHz permițându-i designerului de sistem sa optimizeze consumul de putere contra vitezei de procesare.

Conținutul AVR combina un bogat set de instrucțiuni, cu 32 de registre cu scop general. Toate cele 32 de registre sunt direct conectate la unitate aritmetica si logica(UAL), fapt ce permite ca 2 registre independente sa fie accesate printr-o singura instrucțiune într-un singur moment de tact. Arhitectura rezultata este mult mai eficienta deoarece atinge performante de 10 ori mai mari decât microcontrolerele CISC convenționale . 

ATmega8 are următoarele caracteristici : 8k biți de Flash Programmable In-System cu capacitate Citire in timpul Scrierii, 512 biți de EEPROM, 1k bit de SRAM, 23 de linii I/O cu scop general, 3 Cronometre/Numărătoare flexibile cu moduri de comparare, întreruperi interne si externe, USART serial-programabil, Interfața Seriala, ADC cu 6 canale ( 8 canale in TQFP si pachete MLF ) cu acuratețe de 10 biți, un Cronometru de supraveghere cu oscilator intern, un port serial SPI si 5 moduri software de economisire de putere. Modul Power-down salvează conținutul registrelor dar îngheață oscilatorul, făcând incapabile orice alte funcții ale cip-ului pana la următoarea întrerupere sau resetare de hard. In modul Power-save numărătorul asincron continua sa funcționeze, fapt ce permite utilizatorului sa mentina o baza in timp ce restul dispozitivului este in repaus. Modul ADC Noise Reduction oprește Unitatea centrala si toate modulele de I/O cu excepția numărătorului asincron si ADC-ul, pentru a minimaliza zgomotul de comutație din timpul conversiei ADC. In modul Standby funcționează doar oscilatorul in timp ce restul dispozitivului este in repaus. Dispozitivul este fabricat folosind tehnologia de memorie volatile cu densitate mare Atmel. Memoria flash poate fi reprogramata folosind o interfață seriala SPI , printr-un program de memorie convențional non volatile. Programul boot poate folosii orice interfață pentru a descărca programul de aplicații din memoria de aplicații flash. Combinând o unitate centrala RISC pe 8 biți cu memoria FLASH, pe un cip monolitic , Atmel ATmega8 devine un microcontroler puternic care furnizează soluții extreme de flexibile si optime ca preț pentru multe aplicații.

Caracteristicele acestui microcontroler sunt prezentate în tabelul 2.1

Tabelul 2.1 Caracteristicele microcontrolerului ATmega 8

În figura ce urmează este prezentată asignarea pinilor la microcontrolerul Atmega8, cu tip de carcasă TQFP.

Figura 2.3 Pinout ATmega 8.

VCC-Alimentarea cu tensiune

GND-Masa

Port B( PB7…PB0-XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2) Portul B este un port de ieșire bidirecțional pe 8 biți cu rezistoare interne, selectate pentru fiecare bit. Depinzând de setările selecției de ceas , PB6 poate fi folosit ca intrare pentru amplificatorul oscilatorului sau circuitului operațional intern de ceas. PB7 poate fi folosit ca ieșire pentru amplificatorul oscilatorului .

Port C(PC5…PC0) Portul C este un bidirecțional I/O pe 7 biți cu rezistoare interne selectate pentru fiecare bit. Ieșirea portului C are caracteristici simetrice Port D ( PD7..PD0 ) Portul D este un port de I/O bidirecțional pe 8 biți cu rezistoare interne selectate pentru fiecare bit.

RESET Un nivel scăzut pe acest pin pentru mai de o lungime minima de puls va genera o resetare, chiar daca ceasul nu este funcționabil.

AVCC este un pin pentru alimentarea de la sursa a convertorului A/D, a Port-ului C ( 3..0 ) si ADC ( 7..6 ) . Ar trebui sa fie conectat extern la VCC chiar dac ADC nu este folosit. Daca ADC este folosit ar trebui sa fie conectat la VCC printr-un filtru trece jos.

AREF este un pin analogic de referință pentru convertorul A/D.

2.2.2 Analiza motoarelor

Pentru asigurarea deplasării benzii și pentru tăiere, avem nevoie de module de tracțiune, sau simplu vorbind de motoare. Există mai multe tipuri de motoare, cele mai uzuale la moment fiind motoarele pas cu pas și servo motoare.

Motoarele pas cu pas sunt motoare  sincrone. Cele mai folosite atât în construcțiile robotizate de tip amator cât și în industrie. Răspândirea largă a MPP se datorează în principal prețului scăzut și a ușurinței cu care pot fi controlate. Deseori alese în determinantul servo motoarelor a căror drivere de multe ori depășește costul motoarelor. O altă caracteristică importantă  a MPP este cuplul ridicat  pe care îl oferă  comparativ cu dimensiunile sale.

MPP se găsesc în diferite forme și dimensiuni, se găsesc aproape peste tot unde este nevoie de o mișcare precisă si un cuplu ridicat: ex. imprimate, CD-ROM  , HDD, copiatoare, plottere, utilaje pentru captarea imaginii, etc.

Structura unui motor pas cu pas este prezentată în figura ce urmează:

Fig.2.4 Structura unui motor pas cu pas

Rotația se face pas cu pas, prin activarea selectiva a bobinelor de pe stator, curenții din bobine se schimba prin control electronic, spre deosebire de motoarele clasice, la care schimbarea se face prin control mecanic.

După felul în care sunt conectate  înfășurările , motoarele pas cu pas, pot fi bipolare sau unipolare. O regulă de bază fiind cea a numărului de fire astfel un motor cu 4 fire poate fi conectat doar bipolar iar unul cu 5 fire doar unipolar cu 6 sau 8 fire poate fi conectat atât bipolar cât si unipolar 8 fire poate fi conectat  si bipolar paralel restul doar bipolar serie.

În figura următoare este reprezentată conectarea motoarelor pas cu pas:

Fig.2.5 Conectare motor pas cu pas

Exista doua metode de conducere a motoarelor pas cu pas: prima metodă constă prin aplicarea impulsurilor pe fiecare bobina aparte ca în figura de mai jos, și prin aplicarea impulsurilor sincrone la un canal al draiverului, apoi driverul hotărăște metoda de conducere a motorul în dependență de impulsuri de la intrare. La fiecare impuls primit de către motor acesta face o mișcare/un pas  în funcție de construcția lui nr . de pași/rotație,  pentru o precizie ridicată este recomandată alegerea unui motor cu un număr cât mai mare de pași, uzual se folosesc 200 pași pe rotație. Un controler de motor pas cu pas trebuie să genereze secvența corectă pentru activarea bobinelor, astfel se pot efectua rotații complete, sau părți de rotație, în funcție de numărul de impulsuri. Schema structurală de control a unui motor pas cu pas cu ajutorul unui driver este prezentată în figura ce urmează:

Fig.2.5 Dirijarea unui motor pas cu pas cu ajutorul driver-ului

Avantajele folosirii MPP:

gamă largă a frecvențelor de comandă;

precizie de poziționare;

permit porniri, opriri, reversări fără pierderi de pași;

memorează poziția

lipsa vibrațiilor în procesul de poziționare

Servomotor(servo) – unitate de control prin intermediul feedback-ul negativ, ceea ce permite un control precis asupra parametrilor de mișcare.

Cele mai multe servo utilizează trei fire, firul pentru putere de obicei, 4.8V sau 6V, comună(sol) și un fir de semnal. Semnalul de control transmite poziția dorită a arborelui de ieșire. Arborele este conectat la un potențiometru, care definește poziția sa. Operatorul în servo privind la rezistent potențiometrului și valoarea semnalului de comandă determină direcția la care este necesar de rotit motorul pentru a obține poziția corectă a arborelui de ieșire.

Structura unui servo motor este reprezentată mai jos:

Fig.2.4 Structura unui servo motor

Servomotor electric are următoarele avantaje fată de motor pas cu pas:

Nu există cerințe speciale pentru motor și transmisie – acestea pot fi de orice tip dorit și capacitatea dorită;

Senzorul asigură o precizie maximă pentru durata de utilizare (în motor pas cu pas este o treptată "ieșire", atunci când este purtat de transmisie și necesită ajustarea periodică);

Dezavantaje în comparație cu motor pas cu pas:

Este nevoie de un element suplimentar – senzor;

Mai greu de controlat datorită logicei sale;

Servo, în general sunt mai scumpe.

Provoacă vibrații necontrolate în sistem

Număr limitat de turații (cele mai uzuale permit doar o deplasare la 360 grade)

În urma analizei acestor două tipuri de motoare am ajuns la concluzia că cea mai optimă soluție este alegerea motorului pas cu pas pentru deplasarea benzii cu elemente. În primul rînd, deoarece ele asigură o poziționare extrem de precisă, nu provoacă vibrații în sistem, pot fi controlate relativ ușor cu ajutorul unui driver. Vom folosi motoare bipolare deoarece la aceleasi dimensiuni în comparatie cu mototrul unipolar, motorul ofera o densitate de putere mai mare.

Momentul creat de motorul pas cu pas este proportional cu cîmpul magnetic generat de bobinile infasurate. Calea de a mari cîmpul magnetic este marirea curentului sau numarul de înfășurări la bobina. Dar nu putem mari la nesfîrșit curentul, deoarece poate aparea efectul de saturare a miezului de fier. Mult mai important este Încălzirea motorului datorita pierdirilor în bobine. Acest fapt arata un avantaj de folosire a motoarelor bipolare, în motorul unipolar are loc folosirea unei jumatati de bobine la un moment de timp, a doua parte ocupa loc în motor, ceea ce duce la micșorarea diametrului firului folosit în bobine. în acelasi timp în motorul bipolar funcționează toate bobinele, folosirea lor este optimală. În așa fel de motor secțiunea este de două ori mai mare, iar rezistența omică de două ori mai mică. Aceasta ofera mărirea curentului de doua ori la aceleași pierderi, ceea ce duce la creșterea momentului aproximativ cu 40%. Dar pe practică deseori se folosesc motoare unipolare din cauza simplitatii de conducere a lui. Deoarece draiverul ales ofera posibilitatea conducerii cu motoarele bipolare, și deoarece sarcina pe motoare este foarte mare se va utiliza un motor bipolar.

Mai jos avem reprezentat un exemplu tipic al motoarelor pas cu pas.

Fig.2.5 Motorul pas cu pas Nema 17

Caracteristici de bază a motorului Nema17:

200 pași pe rotație (1,8 ° / pas);

2 faze;

Tensiunea nominală de 12V DC;

Curent nominal(valoare de vârf la micropas 0.4A);

A fost ales motorul Nema17 din cauza: parametrilor necesari sistemului, precizie mare, un număr mare de pași pe secunde, pași pe rotatie, preț redus în comparatie cu parametrii oferiți.

Deoarece motorul pas cu pas – este motorul cu un sistem de control complex, el necesită un dispozitiv electronic special – driver.

Driver primește la intrare logica semnalele PASUL / DIRECȚIA, ce sunt reprezentate de obicei de nivelul înalt și jos de tensiunea de referință 5 V, și în dependență de semnalele primite el schimba curentul în bobinele motorului, cauzând arborele să se rotească în direcția corespunzătoare cu un unghi predeterminat. Semnalele PASUL / DIRECȚIA sunt generate de controler sau calculator.

Principalul scop al draiverului este schimbarea curentului în bobine cit mai eficient posibil, și deoarece inductanța bobinei și rotorul motorului pas cu pas interferează în acest proces se utilizează mai multe feluri de draivere. Draiverele sunt diferite cu caracteristici diferite, și cu calitatea mișcării. Curentul ce curge în înfășurări determină mișcarea rotorului, mărimea curentului stabilește momentul de torsiune, dinamica lui influențează la uniformitate.

La alegerea unui driver trebuie să ne bazăm pe următoarele aspecte:

Primul parametru – puterea curentului ce o poate furniza draiverul, de obicei curentul se regulează în limite destul de largi, dar trebuie ales așa draiver care poate emite curent egal cu curentul fazei a motorului ales. Ar fi de dorit ca curentul să fie cu 15-40% mai mare, pe de o parte aceasta va oferi o rezerva în cazurile când o să fie nevoie de moment mare a rotorului, sau în viitor se va folosi un motor mai puternic. Dar sunt cazuri când producătorii ajustează nominalele elementelor la un anumit motor, și folosirea draiverului cu mult mai puternic poate duce la vibrații a motorului.

Tensiunea de alimentare – influențează la dinamica(momentul la rotații mari), vibrații, încălzirea motorului și a draiverului. De obicei tensiunea de alimentare a draiverului este egala cu curentul maximal înmulțit cu 8-10. dacă diferența este mare, ar trebui să ne interesam ce cauzează aceasta diferența. Cu cit mai mare este inductanța motorului cu atît mai mult este nevoie de tensiune pe draiver.

Protocolul de comunicare – este necesar de convins ca draiverul funcționează pe protocolul care a fost folosit la microcontroler, și nivelele de tensiune a semnalelor de comanda corespund cu cele alese. De obicei protocolul este PASUL / DIRECȚIA / ENABLE.

Posibilitatea alegerii micropasilor – sunt drivere care asigură împărțirea pasului în micropas, exemplu în jumătate de pas 1/2, 1/4, 1/8. De obicei cu cât este mai mic pasul cu atât poziționarea este mai precisă. Totodată cu cât mai mare este raportul de micropas cu atît mai lin se face rotația motorului, și efectul de rezonanta este mai mic.

Un exemplu tipic al unui driver pentru motorul pas cu pas este StepStick A4988 (fig.2.6)

Circuitul A4988 reprezintă un draiver pentru motorul pas cu pas, cu capacitatea de 35V și 2A. O funcție principală este posibilitatea de a regula curentul cu ajutorul unui rezistor variabil. Aceasta funcție oferă posibilitatea de a alege diferite motoare, în caz ca se schimba partea mecanică, partea electronică va fi adaptivă la orice sistem analog cu cel proiectat.

Fig.2.6 Driver-ul StepStick A4988

Mai jos este reprezentată modalitatea de conectare a draiverului cu motorul pas cu pas și definirea .

Fig.2.7 Modul de conectare a driver-ului cu motorul pas cu pas

La fel microcircuitul are regim de micropas de 1/2, 1/4, 1/8, 1/16. Pentru a accesa unul din regim de micropas pe intrările MS1 – MS3 se dau semnalele corespunzătoare.

Tabelul 2.2. Tabelul alegerii micropasului

În cadrul aplicației din acest proiect se va implementa driver-ul propriu pe circuitul blocului de comandă, regimurile de micropas vor fi selectate la fel de pe plată. Ne vom baza pe principiul de lucru al driver-ului de mai sus. Schema de conectare a driver-ului este prezentată mai jos:

Fig.2.8. Driver-ul pentru motor și conectarea schematică

Ieșirile X1 și X2 sunt pentru selectarea micropasului și conectarea motorului pas cu pas respectiv.

2.2.3. Acționarea motoarelor servo și motoarelor pas cu pas

Motorul este condus de draiver la care se aplica 2 fire: unul pentru selectarea direcției motorului și altul pentru a transmite pasul, apoi draiverul amplifica și comută pasul spre cele 4 ieșiri ce se conectează la motor. În programa de simulare ISIS Proteus se va simula aceasta metoda de control al motorului, de la un simplu microcontroler se va transmite prin 2 fire pasul și direcția. Apoi printr-o schema logica comutare se amplifică impulsul ce pleacă la motor. Se elaborează un program simplu de conducere a motorului.

PORTD=0b00011111; delay_ms(t); //penultimul bit arata direcția, ultimul formează impulsul cu ajutorul întreruperii

PORTD=0b00011110; delay_ms(t);

if(t==200)fanion=0; //in caz ca timpul a ajuns la maxim se resetează fanionul

if(t==10)fanion=1;

if(fanion==0)t=t-5; //micșoram timpul, astfel va creste viteza de acționare a motorului

else t=t+5; //micșorarea vitezei

Fig. 2.9. Simularea conducerii motorului pas cu pas

La oscilascop se observa impulsuri neordinare, de perioada diferita. Acest efect a fost introdus pentru a observa frecvența de miscare a motorului care este proportional cu frecventa de aplicare a impulsurilor la intrare.

Pentru simularea motoarelor servo se foloseste aceeasi metoda, diferenta consta prin aplicare impulsurilor pe un fir de perioada diferita. Perioada caracterizeaza unghiul de rotatie a motorului. Se va folosi un subprogram cu generarea impulsurilor de diferite perioade pentru a observa unghiul de rotatie a motorului.

PORTD=0b10000000;delay_us(2000); // se inscrie 1, nivel inalt de tensiune, se formează perioada cu ajutorul intreruperii

PORTD=0;delay_ms(2000); // se inscrie 0 și apare frontul posterior,

PORTD=0b10000000;delay_us(1000);

PORTD=0;delay_ms(2000);

PORTD=0b10000000;delay_us(1750);

PORTD=0;delay_ms(2000);

Fig. 2.10. Conducerea motorului servo

Pentru a genera impulsuri se pot folosi 2 metode: una fiind prin înscrierea bitului într-o celula a registrului și generarea întreruperii de lungimea impulsului, și a doua metoda consta prin folosirea modulului PWM din microcontroler, cu scopul generării impulsurilor de diferita perioada cu ajutorul folosirii trimerelor.

2.2.4 Afișorul alfanumeric

Afișajele LCD sunt de mai multe dimensiuni, cel mai des denumite după numărul de rânduri si coloane (lungimea in caractere a unui rând). De exemplu un LCD 16×1 are un rând cu 16 caractere si un LCD 20×4 are 4 rânduri a cate 20 caractere fiecare.

LCD-urile pot avea iluminare din spate (backlight) sau pot fi de tipul reflectiv (fără iluminare). Modul de comanda este identic. LCD-urile cu backlight au 2 pini in plus pentru alimentarea grupului de LED-uri de backlight.

Majoritatea LCD-urilor alfanumerice au controler HD44780 sau compatibil, cu 14 pini sau 16 pini (cele cu backlight):

Fig.2.11 Pinout LCD

Descriere pinilor este prezentată în tabelul de mai jos:

Tabelul 2.3 Semnificația pinilor LCD

Modul de conectare a LCD-ului pe schema electrică principială se prezintă în figura următoare:

Fig.2.12 Mod conectare LCD

2.3 Proiectarea schemei electrice principiale

După analiza tuturor componentelor de mai sus, stabilim încă odată componentele ce vor implementate în blocul proiectat:

Microcontroler ATmega 8

Motor pas cu pas Nema 17

LCD HD44780

Servo motor

Potențiometre pentru setarea curentului și contrastului

Butoane pentru operarea cu procesul de lucru

In Circuit Serial Programming (ICSP)pentru AVR

Știind baza de componente, principiul de lucru, se efectuează schema electrică principială, prezentată mai jos (schema întreagă este prezentată în anexă)

Fig. 2.13.Schema electrică principial[

2.4 Proiectarea circuitelor imprimate

Un sistem electronic este o grupare de circuite electronice și componente, proiectate pentru a îndeplini una sau mai multe funcții complexe.

Pentru realizarea interconectării componentelor circuitelor electrice cea mai răspândită metodă este cea a circuitelor imprimate. Acestea prezintă o serie de avantaje, precum ar fi:

permite obținerea unei mari densități de componente, fapt ce conduce la micșorare volumului și greutății aparatelor electronice;

permite o poziționare precisă a componentelor și conexiunilor, fapt ce duce la o mai bună fiabilitate a produsului final și a diminuării cuplajelor electrice parazite;

reducerea solicitărilor mecanice, termice și climatice la care sunt supuse echipamentele electrice;

Permite automatizarea procesului de plantare a componentelor.

Dintre dezavantajele acestei tehnologii se pot aminti:

realizarea cu dificultate a modificărilor ulterioare;

sensibilitatea la șoc termic, fapt ce impune anumite precauții la lipirea terminalele componentelor.

Circuitul imprimat (fig. 2.14) este constituit din două componente principale:

• traseele de cupru cu rol de interconexiune electrică și uneori cu rol de disipare al căldurii;

• suportul izolator, ce susține fizic componentele și izolează traseele electrice între ele.

Fig.2.14 Circuit imprimat neprelucrat

Conform schemei electrice principiale se efectuează cablajului imprimat, unde se utilizează elemente SMD care au dimensiuni mai mici si ne permite atingerea unei densități a elementelor mai mare pe un sector de cablaj, ce înseamnă dimensiuni mai redusa dispozitivului final.

In figura 2.15 este prezentat stratul superior al cablajului dublu-strat, care l-am obținut cu dimensiunile 150 mm x 60 mm.

O particularitate importantă la moment a oricărui proiect, este care CAD-uri moderne se utilizează si ce permit ele. Proiectul meu a fost elaborat in Altium Designer care ne permite nu doar crearea schemelor principiale si a cablajelor imprimate, o funcție foarte interesanta este ca el ne permite vizualizarea in 3D a cablajului împreuna cu componentele amplasate pe el.

Fig.2.16 Vederile 3D ale modulului proiectat

2.8 Calculul fiabilității pentru blocul de comandă

Fiabilitatea poate fi definită ca:

ansamblul caracteristicilor calitative ale unui sistem tehnic care reflectă capacitatea acestuia de a fi utilizat, în condiții prescrise, un timp cât mai îndelungat (conceptul calitativ al fiabilității)

măsura probabilității de bună funcționare a unui sistem în conformitate cu normele prescrise (conceptul cantitativ al fiabilității)

mărime care exprimă siguranța în funcționare a unui sistem tehnic.

Dacă prin calitate se poate înțelege totalitatea proprietăților unui produs care îl fac apt pentru o destinație anume, fiabilitatea reflectă calitatea produsului extinsă în timp (proprietate dinamică a calității), respectiv capacitatea produsului de a-și menține calitatea pe toată durata de utilizare a testelor de laborator.

Scopurile implementări ingineriei fiabilității:

optimizarea timpului de rodaj

optimizarea perioadei de garanție și estimarea costurilor garanției

proiectarea schemei de înlocuire preventivă a unor componente dintr-un sistem reparabil

estimarea necesarului de piese de schimb și proiectarea corectă a producției în acest sens

depistarea componentelor care se defectează și implicarea cercetării și proiectării în scăderea ratei de defectare

stabilirea momentului din perioada de funcționare când apare un anumit defect în scopul indicării schimbării piesei înainte de ieșirea efectivă din uz a acesteia

studiul efectelor vârstei, a duratei efective de funcționare, a condițiilor de operare asupra fiabilității și elaborarea unor normative sau recomandări care pot conduce la creșterea fiabilității

crearea unei baze de comparație a două sau mai multe proiecte pentru același produs, în scopul aplicării criteriului celei mai bune fiabilități

evaluarea redundanței în proiectul unui produs

stabilirea practicilor de control ale produsului

optimizarea fiabilității la nivel de proiectare, astfel încât costurile de deținere, operare și mentenanță pe durata de viată a produsului să fie minime

La calcul fiabilității se respectă câteva reguli de bază:

Se analizează toate elementele care se folosesc în dispozitivul dat;

Toate elementele de același fel au fiabilitate egală, căderile fiind independente;

Toate elementele lucrează în regim normal în conformitate cu condițiile de exploatare;

Intensitatea căderilor nu depinde de timp, nu există îmbătrânire și uzură;

Refuzul elementelor este independent:

Refuzul oricărui element duce la refuzul întregului sistem.

Calculul fiabilității constă din probabilitatea de bună funcționari a sistemei Ps(t) și timpul mediu al bunei funcționări a sistemei MTBF. Aceste valori se determină după formulele:

(2.1)

; (2.2)

Unde:

t – timpul de lucru;

numărul de elemente de tipul i;

m – numărul tipului de element;

intensitatea de refuz elementului de tip i;

intensitatea de refuz a sistemului.

Intensitatea refuzurilor λi nu rămâne una și aceeași dacă se schimbă condițiile de exploatare (schimbarea temperaturii de lucru, umidității relative, efectelor mecanice, accelerației, agresivitatea mediului înconjurător etc).

In cele ce urmează se va prezenta tabela unde vom include toate elementele circuitului pentru analiza din punct de vedere al fiabilității. Vor fi indicate notarea elementului, denumirea lui, numărul elementelor de același tip, intensitatea căderilor pentru fiecare element, regimul de lucru, coeficientul de corecție pentru regimul termic stabilit și intensitatea căderilor pentru fiecare tip de element.

Tabelul 2.4 Determinarea intensității refuzurilor elementelor

Pentru calculul final al intensității refuzurilor al unei schemei proiectate se aplică formula de mai jos:

Λs = ; (2.5)

unde:

k1 – coeficientul de corecție la vibrații, pentru cazul nostru vom alege 1,03, deoarece dispozitivul se va exploata în condiții de laborator;

k2 – coeficient de corecție la șoc mecanic, în cazul nostru e 1,03;

k3 – coeficient de corecție la influența umidității, în cazul nostru e 1,0;

k4 – coeficient de corecție la influența presiunii atmosferice, în cazul nostru e 1,0;

λbl – intensitatea refuzurilor al blocului analizat.

Deci pentru schema electrică avem:

Λs=1,03*1,03*1*1*2,87*=3,04*; (1/ora)

Determinăm probabilitatea de lucrului fără refuz cu următoarele condiții de exploatare:

Pcalc.(t) = e-Λs·t ≥ Pdat.(t); (2.6)

unde:

Pdat(t) =0,98 – valoarea necesară a probabilității de bună funcționare a sistemei;

t =1000 ore – perioada de exploatare.

Timpul se ia egal cu 1000 de ore, după cum aceasta fiind un timp orientativ a timpului de lucru a dispozitivului.

Pcalc(t)==0,9969; (2.7)

După cum se îndeplinește inegalitatea Pcalc(t)= 0,9969 ≥ Pdat(t)= 0,98, atunci cerințele sarcinii tehnice sunt îndeplinite. Timpul mediu, în care dispozitivul va funcționa cu această fiabilitate:

Ty = -ln Py(t) / Λc;

(2.8)

Ty = 5434 ore;

Următorul pas este calcularea timpului mediu de bună funcționare:

Calculăm coeficientul de garanție. Pentru aceasta luăm în considerație că dispozitivul va funcționa în jur de 365, iar perioada zilei prielnică pentru aceasta cuprinde în jur 24 ore.

Ta=365*24=8760 ore;

Kgar==0,75 ani;

Coeficientul de garanție arată că dispozitivul va funcționa în decurs de 0,62 ani păstrând probabilitatea de bună funcționare în limitele a 0,98.

Din rezultatele obținute mai sus putem prezenta graficul dependenței probabilității de bună funcționare de timp:

Tabelul 2.5 Dependența probabilității de bună funcționare

Conform datelor calculate în tabel se construiește graficul dependenței probabilității în funcție de timp:

Fig. 2.21 Graficul probabilității de bună funcționare al dispozitivului

Bibliografie:

Dr. John H. Lau. ” Electronic Packaging: Design, Materials, Process, and Reliability  ” McGraw Hill Professional, 1998. -496 pag

Yong Liu ”Power Electronic Packaging: Design, Assembly Process, Reliability and Modeling”, editura Springing 2012, 612 pagini

3M Electronics ”Tape and Reel. Innovative Solutions for Packaging Components”, 3M Electronics 2013, 48 pagini.

http://www.aptautomation.com/rc-35.html

http://www.antrixonline.com/products/view/g-5000a-multi-function-smd-chip-counter_4254.html

http://www.manncorp.com/smt/prod-293/component-counters_2000.html

Bibliografie:

Dr. John H. Lau. ” Electronic Packaging: Design, Materials, Process, and Reliability  ” McGraw Hill Professional, 1998. -496 pag

Yong Liu ”Power Electronic Packaging: Design, Assembly Process, Reliability and Modeling”, editura Springing 2012, 612 pagini

3M Electronics ”Tape and Reel. Innovative Solutions for Packaging Components”, 3M Electronics 2013, 48 pagini.

http://www.aptautomation.com/rc-35.html

http://www.antrixonline.com/products/view/g-5000a-multi-function-smd-chip-counter_4254.html

http://www.manncorp.com/smt/prod-293/component-counters_2000.html