Конструирование и технология производства приборов и систем

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

П. П. ПИВНЕВ
С. П. ТАРАСОВ

И. А. КИРИЧЕНКО
А. П. ВОЛОЩЕНКО

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2019

 

 

УДК 681.2.001.2 (075.8)
ББК 34.9

К65

Печатается по решению кафедры электрогидроакустической

и медицинской техники Института нанотехнологий, электроники

и приборостроения Южного федерального университета

(протокол № 27 от 27 марта 2019 г.)

Рецензенты: 

кандидат технических наук, начальник отдела–главный конструктор 

АО «НИИП имени В. В. Тихомирова» А. В. Скнаря

кандидат технических наук, генеральный директор 

ООО «УльтраНК» И. Г. Деренский

Пивнев, П. П.

К65
Конструирование и технология производства приборов и систем : 

учебное пособие / П. П. Пивнев, С. П. Тарасов, И. А. Кириченко, 
А. П. Волощенко ; Южный федеральный университет. – Ростов-наДону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2019. – 143 с.

ISBN 978-5-9275-3311-4
Учебное пособие «Конструирование и технология производства приборов 

и систем» посвящено актуальным вопросам конструирования и технологии производства ультразвуковых приборов и систем. 

Излагаются основные положения системного подхода при проектирова
нии технических средств, анализ надежности при разработке технических систем, вопросы организации конструкторских разработок и технологической 
подготовки производства.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 

12.03.01 – «Приборостроение», 17.03.01 – «Корабельное вооружение», 12.03.04 –
«Биотехнические системы и технологии» и специальности 26.05.04 – «Применение 
и эксплуатация технических систем надводных кораблей и подводных лодок».

УДК 681.2.001.2 (075.8)

ББК 34.9

ISBN 978-5-9275-3311-4

© Южный федеральный университет, 2019
© Пивнев П. П., Тарасов С. П., Кириченко И. А.,

Волощенко А. П., 2019 

© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2019

 

 

Содержание

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………...........
5

1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ ………………………………………………………
7

1.1. Основы методологии проектирования ………………………..
7

1.2. Инженерное проектирование и системный подход ………….
10

1.3. Концепции и структурные характеристики технических систем …………………………………………………………………...
12

1.4. Характеристики конструктивных подходов в технических системах ………………………………………………………………......
17

1.5. Основные этапы процесса проектирования ……………………..
21

1.6. Этика проектирования в технических системах ………………...
27

2. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНИЧЕСКИХ 
СИСТЕМ ……………………………………………………………….
37

2.1. Основные понятия надежности в технических системах .............
37

2.2. Теория вероятности в оценке надежности систем ………………
41

2.3. Статистический анализ и количественные характеристики надежности ……………………………………………………................
44

3. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКИХ РАЗРАБОТОК ………..
53

3.1. Основы стандартизации конструкторских разработок ….............
53

3.2. Единая система конструкторской документации ……………….
55

3.3. Основные виды конструкторской документации ……….............
59

3.4. Оформление конструкторских документов ……………………..
65

4. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА …………………………………………..........................
72

4.1. Задачи технологической подготовки производства ……..............
72

4.2. Единая система технологической документации ………..............
78

4.3. Основные виды технологических документов …………..............
81

4.4. Оформление технологических документов ……………………..
83

5. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ …………………...................
92

5.1. Введение в автоматизацию проектирования …………….............
92

 

Содержание

4

5.2. Аппаратное обеспечение, используемое в системах САПР …….
96

5.3. Инновационные возможности в производстве приборов и 
систем …………………………………………………………………
98

5.4. Преимущества и недостатки своевременного производства .......
100

5.5. Автоматизированное проектирование в производстве и цифровом управлении ……………………………………………………….
102

5.6. Облачное проектирование и производство ………………...........
109

5.7. Эволюция систем проектирования и производства ……………..
112

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИСТЕМ ………….
121

6.1. Технология изготовления антенн гидролокаторов бокового 
обзора …………………………………………………………………
121

6.2. Технология изготовления антенн эхолотовых систем ………….
126

6.3. Технология изготовления медицинских конвексных датчиков ...
131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………..
140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………..
141

 

Введение

5

ВВЕДЕНИЕ

Большинство технических разработок можно классифицировать как 

технические средства или системы, которые созданы человеком и не существовали ранее, или являются лучшими по сравнению с существующими 
устройствами и системами. Новые разработки или проекты не появляются 
внезапно из ниоткуда. Они являются результатом объединения технологий 
для удовлетворения потребностей человека или решения различных проблем. Проектная деятельность проводится в течение определенного периода времени и требует пошаговой методологии [1–5].

Вероятно, процессов проектирования столько же, сколько инжене
ров. Поскольку задачи проектирования обычно определяются расплывчато 
и имеют множество правильных ответов, процесс разработки технической 
системы может потребовать возврата и повторения отдельных этапов. Поэтому задачи проектирования имеют открытый характер, что означает, что 
они имеют более одного правильного решения. Решение задачи проектирования – это условный процесс, а само решение часто подвержено непредвиденным осложнениям и изменениям по мере его развития. Результатом 
или решением задачи проектирования является система, которая обладает 
указанными свойствами.

Несмотря на то, что сроки проектирования и разработки новых си
стем становятся все короче и короче, необходимо создать конкурентоспособное техническое средство, которое соответствует требованиям потребителей. Поскольку технические средства становятся более сложными с 
каждым жизненным циклом, надежность разрабатываемых систем становится большой проблемой. Эта тенденция подразумевает, что высокая 
сложность новых систем не контролируется, что приводит к снижению 
надежности [3].

Информационная революция в области электронных технологий, в 

дополнение к компьютерам и различным электронным средствам управления, которые пришли в различные сферы жизни, расширяет возможности современной технологии проектирования за счет концепции интеграции проектирования и компьютеризированных производственных систем
[6–14].

 

Введение

6

В области технических разработок происходят важные изменения, 

которые затрагивают все виды деятельности, относящиеся к проектированию систем, их производству, связанные с контролем производства на различных этапах и руководством промышленной автоматизацией и планированием производственных процессов.

 

1.1. Основы методологии проектирования

7

1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД ПРИ

ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

1.1. Основы методологии проектирования

Процесс проектирования начинается с графического описания пред
лагаемого устройства или системы, создаваемых для удовлетворения потребностей человека [12]. Сказать, что описание является графическим, 
означает утверждать то, что в самом начале идеи понимание конструктором своего творения является скорее интуитивным, а не интеллектуальным. Поначалу разработчик видит свою идею не в совершенстве хорошо 
слаженного словесного описания и не в точных математических формулах, 
а в некой «туманной» совокупности блоков и структур, эскизы которых образуют естественный мост между воображением и последующим точным 
изложением деталей и концепции системы.

На ранних этапах проектирования решения о сохранении, измене
нии или исключении части, или всей первоначальной концепции системы 
принимаются качественным образом на основе качественных критериев. 
Модифицированная концепция системы ведет к дальнейшему качественному принятию решений и дальнейшей модификации концепции. Пока это 
происходит, система, которая была поначалу туманной и неполной, начинает приобретать более конкретный вид. Концепция системы становится 
все более определенной, пока на какой-то итерации она не будет достаточно хорошо определена, чтобы позволить применять точные аналитические инструменты.

Сначала такие аналитические процессы очень просты, математиче
ское моделирование является грубым, а фактические вычисления не должны 
выполняться ни в мельчайших деталях, ни с очень большой числовой точностью. Предварительные расчеты снова приводят к модификации концепции 
и, как следствие, к более точному анализу. Для процесса проектирования характерно, что такие итерации – от концепции до анализа, оценки анализа, 
принятия решения об изменении концепции и, наконец, до новой концепции 
– образуют циклы, которые повторяются снова и снова.

 

1. Системный подход при проектировании приборов и систем

8

В процессе проектирования конструктор сталкивается с большим 

набором переменных, некоторые из которых непрерывные (например, вес 
детали), некоторые принадлежащие дискретным «точечным наборам» 
(например, материал: сталь, латунь, свинец, пластик.) Кроме того, эти переменные очень сложны или взаимосвязаны. Некоторые из перекрестных 
связей слабые, некоторые сильные. Если отношения оказываются линейными, перекрестные связи являются постоянными по силе, но обычно отношения являются нелинейными, и взаимное влияние различных переменных изменяется с их значениями.

Конструктор структурирует такие отношения так, чтобы он мог по
лучить наиболее точное приближение к значениям переменных. Нет ничего 
необычного в том, что такое структурирование выполняется графически, в 
форме блок-схем или линейных графиков или информационных потоков. 
Разработчик использует графическую форму как для топологического и 
геометрического описания системы, так и для ее абстрактного описания в 
терминах физических функций.

Процесс проектирования чего-либо характеризуется как итерацион
ная процедура, которая состоит из шести этапов [12]:

1) признание потребности в проектировании;
2) определение задач проектирования;
3) синтез модели;
4) анализ и оптимизация модели;
5) оценка результатов проектирования;
6) представление результатов проектирования.
Признание потребности подразумевает осознание кем-то существу
ющей проблемы, для которой необходимо предпринять некоторые корректирующие действия. Это может быть выявление какого-либо дефекта в текущей конструкции машины инженером или восприятие маркетологом 
возможности сбыта нового продукта. 

Определение задач проектирования включает в себя тщательную 

спецификацию проектируемого элемента, которая включает физические и 
функциональные характеристики, стоимость, качество и эксплуатационные характеристики.

Синтез и анализ тесно связаны друг с другом и в процессе проекти
рования являются итерационными этапами. Определенный компонент или 

1.1. Основы методологии проектирования

9

подсистема проектируемой системы подвергается разработчиком анализу, 
совершенствуется с помощью процедуры анализа и подвергается переработке. Процесс повторяется до тех пор, пока проект не будет оптимизирован в рамках ограничений, наложенных на конструктора. Компоненты и 
подсистемы синтезируются в конечную общую систему аналогичным интерактивным способом.

Оценка связана с измерением проекта в соответствии со специфика
циями, установленными на этапе определения задач проектирования. Эта 
оценка часто требует изготовления и тестирования прототипа модели для 
оценки эксплуатационных характеристик, качества, надежности и других 
критериев. Завершающим этапом процесса проектирования является представление результатов проектирования, которое включает в себя документацию проекта с помощью чертежей деталей, схем, спецификаций материалов, сборочных чертежей и так далее. По сути, документация требует создания базы данных проектирования.

Когда мы смотрим на такую последовательность проектирования, 

мы видим несколько инженеров, выполняющих очень творческие задачи в 
начале, в сочетании с очень большим количеством чертежников и техников, которые выполняют относительно нетворческие задачи в течение довольно длительного периода времени. Некоторые из этих задач требуют 
высокой степени интеллектуальных усилий, таких как анализ напряжения 
или прочностной анализ, но тем не менее они сами по себе не имеют творческого характера, за исключением тех случаев, когда новые математические методы разрабатываются и используются техниками. Другие задачи, 
очевидно, также носят чисто механический характер; например, чертежник 
не делает ничего творческого. В худшем случае он просто отслеживает контур детали из чертежа компоновки и добавляет размеры. Обычно этот чертеж передается непосредственно мастеру по изготовлению образцов в цехе, 
но иногда он используется программистом и превращается им в символическую информацию для использования компьютером для подготовки перфоленты для автоматического изготовления оборудования. Однако все это,
по сути, механические операции, и совершенно ясно, что, в принципе, компьютер можно заставить справиться с ними.

1. Системный подход при проектировании приборов и систем

10

1.2. Инженерное проектирование и системный подход

С момента зарождения основ системного подхода тема системного 

проектирования была рассмотрена и обсуждена очень подробно [16]. Системный подход в основном нацелен на реализацию согласованной общей 
системы для достижения определенной цели с учетом физических, экологических, современных технико-экономических ограничений. Другие подходы, как правило, оказываются затратными и несостоятельными.

Исторически, для понимания окружающего нас мира, рассматрива
ются два подхода [16]. Первый называется редукционизмом и основан на 
предположении, что все можно сократить, разложить или разобрать на 
простые неделимые части. Редукционизм представляет собой аналитический подход, который включает в себя разбор того, что должно быть объяснено, до независимых и неделимых частей, из которых он состоит; и 
предлагает объяснение целого, объединяя объяснения поведения этих неделимых частей.

Другой подход заключается в механизме, в котором все явления объ
ясняются с помощью причинно-следственной связи. Событие или вещь 
считается причиной другого события или вещи (называемой следствием), 
и причина достаточна, чтобы объяснить его влияние, и больше ничего не 
требуется. Он использует то, что известно как мышление замкнутой системы, в котором поиск причин свободен от окружающей среды, а законы 
явлений сформулированы в лабораториях, чтобы исключить воздействие 
на окружающую среду. Именно механизация привела к промышленной революции, которая фактически помогла заменить людей машинами, чтобы 
уменьшить физический труд.

Однако с упадком эпохи машин возникла концепция, которая озна
меновала начало эпохи систем, которая рассматривает все объекты и события, а также весь их опыт как части большего целого. Эта концепция более 
известна как экспансионизм и предоставляет другой способ просмотра вещей вокруг нас; способ, который отличается от редукционизма, но совместим с ним. Тем не менее это не означает, что нет никаких частей, но этот 
фокус в целом. Смещает акцент с конечных элементов на единое целое с 
взаимосвязанными частями к системам.

1.2. Инженерное проектирование и системный подход

11

В аналитическом подходе, который был связан с редукционизмом, 

объяснение целого было получено из объяснений его частей, в то время как 
системный подход предоставил нам синтетический способ мышления, и в 
этом подходе больше интересуются тем, чтобы собрать вещи вместе чем 
разрывать их на части аналитически. Фактически, аналитическое мышление можно рассматривать как подход извне, тогда как синтетическое мышление – это подход мышления изнутри.

Синтетический способ мышления [1] применительно к физическим 

проблемам известен как системный подход и основан на том факте, что 
даже если каждая часть системы работает как можно лучше, система в целом может работать не так хорошо насколько это возможно. Это следует из 
наблюдения, что сумма функционирования частей довольно часто не равна 
функционированию целого. Поэтому синтетический режим стремится преодолеть часто наблюдаемую предрасположенность к совершенным деталям и игнорировать системные результаты.

Все искусственные артефакты, включая продукты, оборудование и 

процессы, часто называют техническими системами. Инженерная деятельность, такая как анализ и проектирование искусственных или технических систем, не является их целью и может рассматриваться как средство удовлетворения потребностей человека. Поэтому современная инженерия имеет два аспекта. Один аспект обращается к материалам и силам 
природы, тогда как другой обращается к потребностям людей. Успешное 
достижение инженерных задач требует сочетания технических специальностей и опыта. Инженерия в системном подходе обязательно должна 
быть командной работой, где вовлеченные люди знают о взаимосвязи 
между специальностями, экономическими соображениями и экологическими, политическими и социальными факторами. Сегодня инженерные 
решения требуют серьезного рассмотрения всех этих факторов прямо на 
ранней стадии проектирования и разработки системы, поскольку впоследствии эти решения оказывают определенное влияние. И наоборот, 
эти факторы обычно накладывают ограничения на процесс проектирования. Таким образом, технические аспекты включают в себя не только базовые знания соответствующих инженерных специальностей, но и знание 
контекста разрабатываемой системы.