Устройство для автоматизированной тренировки аккумуляторных батарей

В настоящее время наряду с литий-ионными аккумуляторами все еще широко используются никель-кадмиевые. Данные аккумуляторы дешевле литий-ионных и сохраняют свою работоспособность в любых погодных условиях, в то время как литий-ионные аккумуляторы некоторых производителей теряют свою работоспособность при отрицательной температуре.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах (как тяговые), трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолетов и вертолетов. Используются как источники питания для автономных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Минусом никель-кадмиевых аккумуляторов является так называемый «эффект памяти», который возникает при заряде аккумулятора без предварительного его полного разряда. Вследствие этого со временем понижается максимальная емкость аккумулятора, и время его работы сокращается.

В данном дипломном проекте будет разработано устройство для автоматизированной тренировки аккумуляторных батарей. Тренировка аккумулятора необходима для поддержания батареи в работоспособном состоянии и правильного отображения реального заряда аккумулятора. Заключается этот процесс в проведении цикла разряд — заряд.

Аккумулятор подключается через резистор к земле и полностью разряжается. Затем аккумулятор подключается к цепи питания и заряжается до тех пор, пока на нем не установится значение напряжения, не меняющееся в течение длительного времени за один цикл заряда. Если максимальное значение напряжения недостаточно высоко, проводится повторение цикла разряд — заряд.

Устройство, разрабатываемое в рамках данного дипломного проекта, может применяться сервисными службами, занимающимися обслуживанием аккумуляторов, строительными компаниями, располагающими большим количеством автономных шуруповертов и дрелей, больницами, в которых используются приборы для фиксирования жизненных показателей больного, постоянно носимые пациентом.

1. Обзор аналогов и их анализ

Современные производители электроники выпускают подобные устройства, но они, как правило, построены исключительно на аналоговых элементах и не обладают той гибкостью, какой обладает устройство, построенное на микроконтроллере.

а) Любительская схема аналогового устройства ручной тренировки аккумулятора.

Схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Любительская схема аналогового устройства ручной тренировки аккумулятора Принцип работы данного устройства — ручное переключение аккумулятора в режим разряда и заряда.

Достоинством этой схемы является несомненная простота и дешевизна. Недостатком — ручное управление и отсутствие защиты от переразряда аккумулятора. Пользователь должен сам отслеживать значение напряжения на аккумуляторе и вовремя переключать его с разряда на заряд. Такое устройство имеет смысл изготавливать для тренировки одного-двух аккумуляторов, так как процесс тренировки занимает весьма длительное время и требует постоянного контроля.

б) Устройство автоматической тренировки аккумулятора.

Схема этого устройства представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Электрическая принципиальная схема устройства автоматической тренировки аккумулятора Это устройство позволяет тренировать аккумуляторы только в автоматическом режиме.

Пользователь вручную задает минимальное напряжение заряда и напряжение разряда аккумулятора. Для этого к гнёздам XS1 подключают вольтметр и переменным резистором R10 устанавливают минимальное значение напряжения разряда. Затем вольтметр подключают к гнёздам XS2 и переменным резистором R8 устанавливают минимальное значение напряжения заряда.

К достоинствам этой схемы можно отнести некоторую гибкость в сравнении с предыдущей схемой, к недостаткам — отсутствие какого-либо дисплея, отображающего текущее значение напряжения на аккумуляторе, и необходимость наличия у пользователя отдельного вольтметра для программирования устройства.

в) Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger [12]

Особняком от любительских схем стоит этот прибор, изготавливаемый сингапурской компанией LEO Energy Pte Ltd., Revolectrix. Разработчик не публикует схему внутреннего устройства прибора и не объясняет принцип его работы.

Внешний вид данного прибора изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 — Внешний вид Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger

Данный прибор способен заряжать и разряжать множество типов аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, литий-полимерные, литий-марганцевые, свинцовые с напряжением 6, 12 и 24 В. Также в нем есть функция произведения нескольких циклов заряда — разряда аккумулятора, которая, однако, служит лишь подобием тренировки аккумулятора: устройство производит лишь столько циклов, сколько назначит пользователь, оно не отслеживает, восстановил ли аккумулятор свою ёмкость или нет.

Достоинства этого прибора таковы: широкий спектр видов аккумуляторов, удобство использования, возможность назначить несколько циклов разряда — заряда и наличие гарантийного обслуживания.

Но помимо достоинств данный прибор обладает также и рядом недостатков, среди которых такие как:

— невысокая надежность. Несмотря на то, что производитель заверяет покупателей в обратном, в отзывах пользователи жалуются на выход прибора из строя после непродолжительного использования;

— отсутствие полностью автоматического режима тренировки аккумулятора. Как уже было сказано выше, пользователь лишь может назначить число циклов заряда — разряда, нет функции «производить циклы разряда — заряда до восстановления ёмкости аккумулятора»;

— высокое энергопотребление;

— достаточно высокая цена прибора, составляющая $ 199,95 без учета цены платы с балансировочными разъемами, приобретающейся отдельно, и доставки из-за рубежа, стоимость которой тоже немаленькая из-за веса прибора около двух килограмм.

Использовать такое устройство только для тренировки никель;

кадмиевых аккумуляторов экономически нецелесообразно.

Ниже представлена сводная таблица разрабатываемого устройства и рассмотренных аналогов, в которой отображены преимущества и недостатки всех рассмотренных устройств.

Таблица 1 — Сводная таблица разрабатываемого устройства и рассмотренных аналогов

2. Разработка устройства

2.1 Разработка структурно-функциональной схемы

Данное устройство, согласно техническим требованиям, состоит из следующих блоков:

— Микроконтроллер PIC18F452;

— Пульт управления;

— Индикаторный блок;

— Два ключа;

— Разъем для подключения устройства к генератору стабильного тока;

— Разъем для подключения аккумулятора к устройству.

Микроконтроллер служит для обработки сигналов поступающих с пульта управления, снятия и занесения в память значения напряжения на аккумуляторе. Он обрабатывает полученные данные и в зависимости от них соединяет аккумулятор с питанием или землей через резистор. Также он предназначен для вывода информации о напряжении на аккумуляторе на семисегментный индикатор и включения определенного светодиода в зависимости от текущего цикла.

Пульт управления представляет из себя пять кнопок, которые отдают следующие команды микроконтроллеру:

а) Автоматический режим (режим заряда или разряда «выбирает» микроконтроллер руководствуясь текущим и предыдущим значением напряжения на аккумуляторе). Если не нажата эта кнопка — действует ручной режим;

б) Режим заряда (отдает микроконтроллеру команду заряжать аккумулятор; недоступно в автоматическом режиме);

в) Режим разряда (аналогично предыдущему пункту);

г) Вывод на семисегментный индикатор текущего значения напряжения на аккумуляторе;

д) Вывод на семисегментный индикатор времени прошедшего с момента начала заряда / разряда аккумулятора.

Два ключа, реализованные на транзисторах, подают на аккумулятор напряжение питания для его заряда, или соединяют его через резистор с землей для разряда. Открытием-закрытием ключей управляет микроконтроллер.

Индикаторный блок состоит из семисегментного индикатора и трех светодиодов разного цвета свечения.

На семисегментном индикаторе отображается текущее значение напряжения на аккумуляторе или время, прошедшее с момента начала заряда / разряда аккумулятора. На индикатор эта информация поступает с микроконтроллера.

Три светодиода уведомляют пользователя о текущем режиме:

Красный — режим заряда;

Желтый — режим разряда;

Зеленый — бездействие устройства.

Светодиоды подключены к микроконтроллеру и включаются по его команде.

Схема электрическая структурная изображена на ДП.44.23.01.01.03−347/13.Э1 и на рисунке 4.

Рисунок 4 — Структурная схема устройства для тренировки аккумулятора

2.2 Выбор элементной базы

Схема основанная на базе микроконтроллера более гибкая, чем схема на базе аналоговых элементов. При такой схеме возможны любые настройки работы устройства без значительного пересмотрения устройства схемы.

В таблице 2 указаны основные характеристики микроконтроллера PIC18F452.

Таблица 2 — Основные характеристики микроконтроллера PIC18F452

Сопротивление резистора R15, через который проходит ток разряда аккумулятора, рассчитывалось по формуле (1).

R=U/I_разр, (1)

где:

U — напряжение на аккумуляторе;

I_разр — ток разряда.

Ток разряда 4,5 — вольтового аккумулятора должен быть около 90 мА, следовательно:

4,5В/0,09А=50 (Ом) Из имеющихся в продаже резисторов максимально близким по номинальному сопротивлению являются резисторы с сопротивлением 51 Ом.

Мощность резистора рассчитывается по формуле (2).

P=I²R (2)

0.092*51=0,4131Вт Подходят резисторы мощностью 0,5Вт и выше. Был выбрал резистор CF-50 — 0,5 — 51 Ом +5%.

Остальные резисторы рассчитывались аналогично.

2.3 Разработка схемы электрической принципиальной

Электрическая принципиальная схема устройства для тренировки аккумулятора приведена на чертеже ДП.44.23.01.01.03−347/13.Э3.

В основу разработки электрической схемы положена структурная схема устройства, приведенная на чертеже ДП.44.23.01.01.03−347/13.Э1 и на рисунке 4.

Пульт управления представляет из себя пять тактовых кнопок SDTX-210-N соединенных с портом C микроконтроллера и с заземлением через резисторы CF-25 номиналом 430 Ом.

Индикаторный блок состоит из семисегментного индикатора HDSP-433G производства Agilent Led Display и трех светодиодов. Индикатор подключен восемью контактами (семь сегментов и точка) к порту B микроконтроллера через резисторы CF-25 и тремя контактами (управление каждой цифрой индикатора) к порту E.

Светодиоды:

1. Красный — L-1344IT

2. Желтый — L-1344YD

3. Зеленый — L-1344GT

Светодиоды подключены анодами к порту D микроконтроллера, а катодами через резисторы CF-25 соединены с землей.

Два ключа, соединяющие аккумулятор с источником питания / землей, реализованы на транзисторах VT1 — КТ816А и VT2, VT3 — КТ815Г.

Транзистор VT1 управляется аналоговым портом микроконтроллера через подстроечный резистор R6 — PV32P502, и в открытом состоянии пропускает через себя ток питания аккумулятора, тем самым обеспечивая его заряд.

Транзистор VT3 также управляется аналоговым портом микроконтроллера через подстроечный резистор R4 — аналог R6. При открытии транзистора VT3 происходит соединение базы транзистора VT2 через резистор R14 — CF-25 номиналом 430 Ом с землей, что обеспечивает его открытие протекание через него тока с аккумулятора через резистор R15 на землю. Таким образом производится разряд аккумулятора.

Резистор R1 — CF-25 номиналом 10 кОм, соединенный с источником питания и входным контактом микроконтроллера MCLR служит для устранения помех в контроллере мешающих его работе.

Кварцевый резонатор HC-49U подключен к выводам микроконтроллера OSC1 и OSC2.

3. Разработка конструкции устройства

3.1 Размещение компонентов на печатной плате устройства

Элементы на печатной плате располагались по возможности таким образом, чтобы сократить длину токопроводящих дорожек, обеспечивающих связь между элементами.

Микроконтроллер расположен в центре платы, индикаторная часть и блок управления вынесены в правую часть платы. Семисегментный индикатор расположен в правом верхнем углу платы, тактовые переключатели — в правом нижнем.

Конденсаторы, через которые на микроконтроллер подается питание, расположены в непосредственной близости к выводам VDD и VSS микроконтроллера.

В левой части платы расположены разъемы для подключения к источнику питания и аккумулятору, а также резисторы и транзисторы, через которые протекают токи заряда и разряда.

3.2 Разработка топологии печатной платы

Топология печатной платы разрабатывалась в среде PCAD 2004, трассировка проводилась автоматически трассировщиком Quick Route, затем некоторые дорожки доводились вручную.

Топология печатной платы изображена на ДП.44.23.01.01.03−347/13.СБ1.

3.3 Технологические параметры печатной платы

Технологические параметры печатной платы выбирались в соответствии с возможностями российских производителей изготавливать платы с заданной точностью.

Были выбраны следующие параметры:

— зазор между дорожкой и дорожкой, между контактной площадкой и контактной площадкой, между дорожкой и контактной площадкой 15 мил (0.381 мм);

— ширина токопроводящей дорожки 12 мил;

— диаметр переходного отверстия 18 мил;

— зазор между переходным отверстием и дорожкой, между переходным отверстием и контактной площадкой 15 мил;

— высота шрифта шелкографии 30 мил.

4. Разработка алгоритма программы микроконтроллера

Ниже приведен упрощенный алгоритм работы программы микроконтроллера.

а) Цикл разряда:

1) Открыть транзистор VT1 и закрыть транзистор VT2 путем подачи на аналоговые контакты микроконтроллера A0 и A1 логической единицы;

2) Удерживать уровень логической единицы на контактах в течение 10 минут;

3) Считать значение напряжения с контакта A2. Если U>3,6 В, то вернуться к выполнению пункта I-2. Если U=3,6 В, то прекратить разряд.

б) Цикл заряда:

1) Закрыть транзистор VT1 и открыть транзистор VT2 путем подачи на аналоговые контакты микроконтроллера A0 и A1 логического нуля;

2) Удерживать уровень логического нуля на контактах в течение 10 минут;

3) Считать значение напряжения с контакта A2. Если U=4,5 В, то прекратить заряд, если U<4,5 В, то записать значение напряжения в память и перейти к выполнению пункта II-4;

4) Удерживать уровень логического нуля на контактах в течение 10 минут;

5) Считать значение напряжения, сравнить с предыдущим значением, записать новое значение в память. Если напряжение выросло, то вернуться к выполнению пункта II-4. Если нет — прекратить заряд, последнее записанное значение напряжения считать стабилизированным напряжением.

в) Автоматический режим:

1) Провести цикл разряда, затем провести цикл заряда;

2) Записать стабилизированное напряжение;

3) Провести цикл разряда, затем провести цикл заряда;

4) Сравнить новое значение стабилизированного напряжения с предыдущим. Если увеличилось — вернуться к выполнению пункта III-3. Если нет — прекратить автоматический режим.

При ручном режиме циклы разряда и заряда полностью автономны и управляются пользователем с пульта управления.

На рисунке 5 изображена блок-схема алгоритма основной программы микроконтроллера.

Рисунок 5 — Блок схема алгоритма основной программы микроконтроллера

5. Конструкторско-технологическая часть

5.1 Разработка конструкции

Устройство для тренировки аккумулятора предназначено для восстановления емкости у никель-кадмиевых аккумуляторов для шуруповертов, автономных дрелей и другой аппаратуры путем проведения нескольких последовательных циклов заряда-разряда.

Устройство для тренировки аккумулятора, по условиям эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), относится ко 2 группе: для эксплуатации в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется свободный доступ воздуха при отсутствии прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков.

Ниже приведены характеристики эксплуатации устройства для тренировки аккумулятора:

— группа аппаратуры — 2;

— минимальная рабочая температура, оС — -20;

— максимальная рабочая температура, оС — +40;

— минимальная предельная температура, оС — -40;

— максимальная предельная температура, оС — +60;

— относительная влажность (при t=+25 о-6С), % - 75;

— коэффициент эксплуатации — 3.4;

— механическая вибрация, Гц — до 50;

— удары, g — 5.

Оценка унификации конструкции устройства для тренировки аккумулятора выполняется по нескольким коэффициентам, определяемым по формулам:

а) Коэффициент унификации (К1) рассчитывается по формуле (3)

К1= (N_ун.дет + N_ун.сб)/ (N_дет+ N_сб)= (27+26)/(27+27) = 0,98 (3)

где

N_ун.дет — число унифицированных деталей

N_ун.сб — число унифицированных сборок

N_дет — количество деталей

N_сб — количество сборок б) Коэффициент использования микросхем (5)

К2= Nимс / (Nимс+ Nрэ)=2/(2+27)=0,06 (5)

где

Nимс — количество микросхем

Nрэ — количество радиоэлементов в) Комплексный коэффициент технологичности (6)

Кком.= (К1₁+К2₂)/ ₁+₂=(0,98+0,06)/1,75=0,59

где

— весовой коэффициент (₁=0,75, ₂=1)

К1 — коэффициент унификации К2 — коэффициент использования микросхем После проверяем выполнения условия Кком Кзад., где Кзад. — заданный коэффициент технологичности (Кзад.= 0.40,5)

Кком.= 0,59

Из вышеперечисленного следует, что условие выполняется, следовательно, данная конструкция является технологичной.

Под технологичностью конструкции понимается совокупность конструкторско-технологических требований, которые обеспечивают простое экономичное производство при соблюдения технологических условий. Для увеличения технологичности конструкции необходимо: увеличить количество использования ИМС, использовать дешевые материалы, еще больше упростить конструкцию, использовать типовые технологии, уменьшить номенклатуру применяемых деталей и сборок.

5.2 Разработка конструкции платы печатной

Конструкция выполнена на печатной плате размером 118×80.

Плата выполнена из двухстороннего стеклотекстолита марки СФ2−35−1,5 ГОСТ 10.316−78. Стеклотекстолит этой марки обладает высокой прочностью. Толщина печатной платы составляет 1,5 мм, минимальное расстояние между проводниками составляет 0,4 мм. Выполнить эту плату следует комбинированным методом, с шагом координатной сетки 2,5 мм. Пайку произвести припоем ПОС61 ГОСТ 21 931;01. На печатной плате имеются монтажные отверстия с металлизацией для штыревых компонентов.

Плата была разработана в средах P-CAD и AutoCAD. В среде P-CAD было произведено размещение элементов и разводка печатной платы. Разводка производилась автотрассировщиком Quick Route и доводилась вручную с соблюдением минимальных размеров контактных площадок и токопроводящих дорожек и расстоянием между контактными площадками и токопроводящими дорожками. Затем, в среде AutoCAD был начерчен контур платы.

5.3 Разработка технологического процесса изготовления печатной платы

В результате конструирования был составлен технологический процесс сборки устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей.

Выбор и обоснование состава операций производится на основании ОСТ.4.ГО.054.014 «Узлы и блоки РЭА на микросхемах. Типовые технологические процессы сборки». Монтаж микросхем производится на двухслойной печатной плате. В качестве основы взят фольгированный диэлектрик ФДМЭ1 толщиной 0.09 мм., толщина прокладки (стеклоткань СП-2) в исходном состоянии равна 0.06 мм.

Для формовки и обрезки выводов микросхем используются стальные приспособления типа ГТ-1875, ГТ-1939. Выводы микросхем паяются паяльником ПЭМ СТУ 38−739−65. После распайки остатки флюса удаляются спирто-бензиновой смесью. Затем печатная плата сушится в вытяжном шкафу 2ШЖМ.

Защита от воздействия влаги осуществляется трехкратным покрытием платы лаком Э4.100. После каждого нанесения слоя лака печатная плата сушится в сушильном шкафу 2ШЖМ при температуре 110−120 градусов.

Маркировка печатной платы осуществляется по ОСТ 4.ГО.0707.200. Последней операцией является контроль узла, который осуществляется визуальным осмотром качества пайки, влагозащиты, а также функциональный контроль электрических параметров узла.

Рассмотренный технологический процесс обеспечивает сборку печатной платы с необходимыми по заданию эксплуатационными требованиями.

05 Входной контроль

10 Комплектовочная

15 Подготовительная

20 Монтажная

25 Промывочная

30 Контроль параметров

35 Маркировочная

40 Контроль Входной контроль заключается в визуальном осмотре и контроле электрических параметров комплектующих на стенде. Печатную плату проверяют на целостность печати и на отсутствие механических повреждений.

Комплектовочная операция осуществляется на комплектовочном столе и заключается в подборе всех элементов, входящих в узел по спецификации. Комплектовочная операция проводится на специальном столе при помощи пинцета.

Подготовительная операция заключается в формовке и обрезке выводов. Выводы флюсуют погружением во флюс. Лудить выводы припоем ПОС-61 ГОСТ 21 931;76, температура +250С., для транзисторов и диодов 2−3 с. Для этой операции используется отдельное помещение, где каждый рабочий стол оборудован местной вытяжной вентиляцией. Для осуществления этой операции используются пинцет, бокорезы, пассатижи, формовочное устройство.

Монтажная операция заключается в лужении выводов радиоэлементов, установке их на плату и пайке радиоэлементов. Выводы элементов покрывают флюсом, а затем погружают в ванну с расплавленным припоем ПОС-61 (ГОСТ21 931;76) с температурой 250С. Время лужения ИМС 1−1,5 секунды, а остальных элементов 2−3 секунды. После установки и закрепления сборочных единиц на печатной плате (ОСТ5.9307−79), производят установку радиоэлементов по ОСТ.4ГО.010.030. Плату обрабатывают флюсом и пропаивают элементы волной расплавленного припоя ПОС-61. Время пайки то же. Пайка должна быть гладкой и блестящей. Качество контролируется визуально, а прочность элементов — пинцетом. После пайки необходимо тщательно отмыть паяные соединения от грязи и остатков флюса.

Промывочная операция заключается в очистке печатной платы от лишнего припоя и флюса в специальной промывочной ванне.

Контроль параметров заключается в испытаниях узла и проверке всех параметров данного устройства на стенде.

Маркировочная операция необходима для проставления на плате всех необходимых обозначений специальным лаком.

Контроль (выходной) производится после выполнения всех операций. Проводится общая окончательная проверка работоспособности полностью собранного прибора по ТУ 023.019. Технологический процесс сборки и монтажа печатного узла представлен в маршрутной карте ГОСТ 3.1118−82, которая прилагается.

5.4 Расчет надежности устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Вся современная электронная аппаратура содержит большое количество комплектующих изделий, что приводит к большому количеству паяных соединений, проводников, и проводов. Поэтому в процессе эксплуатации аппаратуры возможен выход из строя любого комплектующего изделия. В результате этого электронная аппаратура становится неработоспособной.

Отказы аппаратуры могут быть частыми и редкими, поэтому возникают различные вопросы:

— насколько частыми будут отказы;

— сколько времени проработает аппаратура до первого отказа;

— сколько времени понадобится на ремонт;

— что нужно сделать для увеличения надежности изделия.

Надежность — это свойство изделия выполнять свои заданные функции, сохраняя эксплуатационные параметры в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность характеризуется долговечностью, безотказностью и ремонтоспособностью.

При разработке любой радиоэлектронной аппаратуры может производиться два вида расчетов надежности — предварительный и окончательный. По результатам таких расчетов принимается решение: продолжать вести разработку устройства дальше или перерабатывать схему.

Целями расчета надежности являются:

— выбор наиболее надежного варианта схемы;

— выбор наиболее надежной конструкции прибора;

— расчет количественных показателей надежности;

— расчет времени ремонта.

Предварительный расчет надежности выполняется на этапе эскизного проекта, когда изделие разработано только в виде принципиальной схемы. Окончательный расчет надежности выполняется на этапе изготовления опытного образца или серии, где рассчитывается надежность изделия в целом.

Для разработанного в данном дипломном проекте устройства делается предварительный расчет надежности. Для расчета используются средние значения интенсивности отказов лср., значения коэффициентов эксплуатации Кэ и режима Кр не учитываются, то есть реальные условия эксплуатации и режимы работы элементов схемы в расчет надежности не принимаются. Все необходимые данные для расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3 — Элементы

W_ср=?л_ср*N_i*10^-6=14,487*10^-6, 1/ч где:

W_ср — средний параметр потока отказов элементов данной схемы;

л_ср — средняя интенсивность отказов каждого элемента;

N_i — количество элементов.

Рассчитаем среднее время наработки на отказ:

T0 = 1/W_ср = 1/14,487*10^-6 = 69 027,4 ч Вывод: Так как полученное в результате расчетов значение T0= 69 027,4 часов больше, чем Т0. зад (Т0.зад=10 000 часов), то считаем, что разработанное устройство является надежным.

Пути повышения надежности заключаются в следующем:

На этапе конструирования:

— разумное сокращение количества элементов схемы, выбор элементов с меньшей интенсивностью отказов;

— использование в новой разработке унифицированных и стандартных изделий;

— использование постоянного или скользящего резервирования.

На этапе производства:

— строгое соблюдение технологической дисциплины (т.е. соблюдение конструкторской или технологической документации);

— тщательная организация входного и выходного контроля;

— обязательное осуществление технологического прогона (применения в соответствии с назначением в условиях близких к эксплуатационным) изготавливаемой аппаратуры;

— при необходимости проведение электротермотренировок (испытание под нагрузкой, при изменении температуры окружающей среды, т. е. с максимальным приближением к реальным условиям эксплуатации).

На этапе эксплуатации для повышения надежности рекомендуется соблюдать правила эксплуатации.

5.5 Разработка технологического процесса настройки устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Для проверки работоспособности устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей необходимо иметь определенные программные средства:

— транслятор языка ассемблер;

— отладчик;

— программатор.

Для проверки работоспособности платы в первую очередь необходимо запрограммировать микроконтроллер. Для этого следует установить микроконтроллер в соответствующую кроватку программатора, подсоединить его к ЭВМ через последовательный порт и подать питание на него и ЭВМ. Далее произвести необходимые настройки с указанием файлов, содержащих программу реализации функций устройства.

По завершении программирования перенести микроконтроллер на плату устройства. Далее подается питание на плату управления и осциллографом проверяется наличие выходных сигналов. По окончании настройки нужно выключить изделие и вынуть плату устройства, которую передать на рабочее место, на котором производится операция влагозащиты и сделать отметку в сопроводительной карте.

6. Организационная часть

6.1 Техническая подготовка производства и этапы конструкторской подготовки

Технологическая подготовка производства — это совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятия к выпуску изделий заданного уровня качества при установленных сроках, объеме выпуска и затратах. Технологическая подготовка должна осуществляться в соответствии с правилами и положениями ЕСТПП ГОСТ 14 002–73. Данный этап должен обеспечивать полную технологичную готовность предприятия к производству изделия высшей категории качества. Технологическая подготовка начинается в процессе создания конструкции изделия и подразделяется на четыре этапа:

— обеспечение технологичности конструкции изделия;

— разработка технологических процессов;

— проектирование и изготовление технологического оснащения;

— наладка и внедрение запроектированных технологических процессов.

Основной целью технологической подготовки является разработка и проектирование совершенно новых технологических процессов и направлений по производству современных видов передовой техники.

Конструкторская подготовка в соответствии с ГОСТ 2.103−68 включает в себя следующие этапы:

— Техническое задание

— Аванпроект

— Эскизный проект

— Технический проект

— Рабочая документация

— Опытный образец

— Опытная партия Техническое задание включает в себя: изучение инструкций и других официальных материалов по теме. Составление библиографии (систематизированного перечня публикаций по теме). Изучение литературы, выводы. Разработка проекта технического задания на проектирование изделия. Согласование с заинтересованными организациями. Составление калькуляции-темы, и плана — графика. Технико-экономическое обоснование целесообразности создания изделия. Утверждение технического задания на проектирование устройства.

Техническое предложение включает в себя: уточнение технико-экономического обоснования. Уточнение принципиальных путей создания нового изделия. Уточнение общего объёма проектных работ, сроков выполнения этапов ОКР. Уточнение затрат на проектные работы и на производство нового изделия. Согласование с заказчиком аванпроекта.

Эскизный проект включает в себя: составление принципиальной схемы изделия. Проработка принципиальной схемы, проведение основных расчётов.

Выбор общих конструктивных и технологических решений. Составление руководящих указаний по конструированию. Разработка чертежей общего вида изделия. Проектирование и изготовление макета и сложных устройств. Испытание макета. Уточнение по итогам испытаний технико-экономической эффективности изделия. Оформление эскизного проекта (полный объём документации по эскизному проекту). Защита эскизного проекта на научно-техническом совете.

Технологический проект включает в себя: технологический контроль КД. Принятие окончательных решений по технологической конструкции и точности изготовления изделия и его составных частей на основе окончательных конструктивных решений и полного представления об устройстве изделия в соответствии с основными задачами решаемыми при отработке конструкции на технологичность.

Рабочая документация включает в себя: технологический контроль КД. Обеспечение технологичности конструкции и точности изготовления изделия и его составных частей.

Изготовление опытного образца включает в себя: окончание основной отработки конструкции на технологичность. Конкретизация условий обеспечения условных требований технологичности, в том числе использование типовых ТП, переналадка оснастки и технологического оборудования в соответствии с условиями серийного (массового) производства и намечаемым масштабом выпуска изделия.

Изготовление установочных серий включает в себя: доведение конструкции изделия до соответствия требованиям серийного производства с учётом применения наиболее производительных ТП, средств технологического оснащения, при изготовлении основных составных частей.

Изготовление опытной партии включает в себя: окончательную отработку изделия и технологического процесса в период изготовления контрольной серии.

6.2 Организация процесса сборки устройства на предприятии

Приведённое в данном дипломном проекте устройство (устройство для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей), представляет собой устройство для восстановления емкости в никель-кадмиевых аккумуляторных батареях. Следовательно, такое устройство может быть полезным практически всем, где есть такие аккумуляторы. Спрос на такое изделие будет средним, потому что никель-кадмиевые аккумуляторы постепенно вытесняются из широкого использования литий-ионными и литий-полимерными и становятся узконаправленными, значит производство, которое будет его реализовывать, будет серийным.

В производстве будут задействованы следующие рабочие:

— Контролёр ОТК;

— Монтажник;

— Сборщик;

— Программист;

— Комплектовщик.

Процесс сборки устройства осуществляется в несколько этапов, так как в него входят различные типы операций. Предприятие не занимается изготовлением отдельных деталей, поэтому вначале закупаются стандартные детали, и подаётся заказ на изготовление таких деталей как плата печатная, а так же пластмассовых корпусов, отливаемых на заводе по производству пластмасс.

Сначала печатные платы и корпуса, поступившие с заводов-изготовителей, проходят входной визуальный контроль. Затем производится программирование контроллера и осуществляется монтаж печатной платы. После того, как плату помыли и высушили, они поступают на межоперационный контроль, где проверяют соответствие конструкторской документации, качество пайки, отсутствие налёта на плате и элементах после ультразвуковой ванны.

Дальше осуществляется сборка устройства. Этим занимается сборщик.

В конце изделие проходит выходной контроль, включающий в себя визуальный контроль и тестирование работы каждого из блоков.

Дальше изделие упаковывается и отправляется на продажу.

7. Экономическая часть

7.1 Анализ положения дел в отрасли

На данный момент в области восстановления никель-кадмиевых аккумуляторных батарей не ведется почти никаких разработок. Ранее были выпущены устройства, позволяющие восстанавливать батареи в ручном режиме, только в автоматическом и устройства — «комбайны», позволяющие производить с аккумулятором множество действий, таких как заряд, разряд, проведения нескольких циклов заряда-разряда, однако, не было разработано устройство, способное с помощью микроконтроллера выполнять как циклы разряда и заряда, так проводить нескольких циклов заряда-разряда до восстановления емкости никель-кадмиевого аккумулятора.

Потенциальными потребителями данного товара являются сервисные службы, занимающиеся обслуживанием никель-кадмиевых аккумуляторов, строительные компании, располагающие большим парком шуруповертов, автономных дрелей и прочих устройств, питающихся от никель-кадмиевых аккумуляторов, а также больницы, использующие приборы для фиксации жизненных показателей пациентов, которые тоже питаются от никель-кадмиевых аккумуляторов.

7.2 Суть разрабатываемого проекта

Устройство, разрабатываемое в этом дипломном проекте, предназначается для тренировки (восстановления емкости) никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Тренировка может производиться как в автоматическом режиме, так и в ручном.

В автоматическом режиме микроконтроллер отслеживает напряжение на аккумуляторе и сам управляет циклами разряда и заряда согласно записанной в него программе. Количество циклов разряда-заряда определяется не пользователем, а программой микроконтроллера и зависит от того, насколько восстановился аккумулятор и возможно ли дальнейшее восстановление.

В ручном режиме пользователь сам выбирает циклы разряда или заряда путем нажатия соответствующих кнопок. Отслеживать напряжение на аккумуляторе пользователь может с помощью семисегментного индикатора, на который оно выводится с микроконтроллера.

Реализовать устройство предполагается в виде печатной платы с разъемом для питания и разъемами для подключения клемм аккумулятора. Устройство будет сопровождаться руководством пользователя.

Устройство будет работать от генератора постоянного тока с напряжением от 4.5 до 5.5 вольт. Предназначается оно для аккумуляторов с напряжением 3.6 вольт.

Данное устройство не является чем-то кардинально инновационным, однако, сочетание возможности автоматической тренировки аккумулятора и ручной, а также использование в своей основе микроконтроллера ранее не применялось.

У данного устройства не так много аналогов, но над всеми ими оно имеет ряд преимуществ. Устройство лучше схемы на аналоговых компонентах в том, что в нем присутствует функция автоматической тренировки аккумулятора, есть защита от переразряда аккумулятора, который может привести аккумулятор в негодность, а также есть индикация текущего напряжения на аккумуляторе и времени с начала текущего цикла разряда или заряда.

Уже существующая схема автоматической тренировки аккумулятора не включает в себя ручной режим, требует наличия у пользователя отдельного вольтметра и не располагает к использованию простым пользователем. Устройство, разрабатываемое в данном дипломном проекте, позволяет, как уже было сказано, тренировать аккумулятор как ручном, так и в автоматическом режиме, обеспечивает информативность и пригодно для использования любым человеком.

Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger, еще один аналог, обладает большим набором функций, таких как разряд аккумулятора, его заряд, проведение нескольких циклов разряда-заряда (количество циклов определяется пользователем), но проигрывает всем аналогам по стоимости. Это устройство чрезвычайно дорого (порядка 200 долларов без учета доставки из-за границы) и ненадежно: пользователи в своих отзывах отмечают быстрый выход этого устройства из строя. К тому же, это устройство не позволяет проводить полностью автоматическую тренировку аккумулятора.

Проектируемое устройство не лишено перспектив совершенствования. Например, возможно расширение ассортимента обслуживаемых аккумуляторов по напряжению, придание индикаторному блоку еще большей информативности. Возможно создание корпуса для устройства с вынесением на него блока управления и индикаторного блока.

7.3 Нормирование технологического процесса сборки и монтажа устройства

Т_шк=Т_оп*(1+К/100), (7)

где Т_оп — оперативное время, затрачиваемое на выполнение самой операции;

К — комплексный коэффициент, учитывающий затраты времени на все нормируемые категории затрат рабочего времени.

Т_оп берётся из нормативов времени, состоящих из двух разделов:

— Укрупнённые нормативы времени на сборочные работы;

— Укрупнённые нормативы времени на монтажные работы.

Для серийного производства К=10,5%

Затраты времени на сборку и монтаж устройства отражены в таблице 4.

Таблица 4 — Затраты времени на сборку и монтаж устройства

Диаграмма Ганта представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 — диаграмма Ганта

7.4 Составление планово-операционной карты технологического процесса сборки и монтажа устройства

Сдельная расценка по операциям определяется по формуле (8)

Р_сд.i = (С_ч.i*Т_шк.i)/60, руб. (8)

где С_ч.i — часовая тарифная ставка (по разряду работ) С_ч.i для 5 разряда = 70 руб.

Планово-операционная карта сборки представлена в таблице 5.

Таблица 5 — Планово-операционная карта сборки и монтажа устройства

7.5 Составление плановой калькуляции себестоимости изделия и определение его розничной цены

При составлении плановой калькуляции укрупнённо выделяют три основных элемента:

М — материальные затраты;

ЗП — заработная плата основных рабочих;

Н — накладные расходы.

Стоимость основных материалов и заработная плата основных рабочих — прямые затраты. Накладные расходы относятся к косвенным затратам и включают в себя: цеховые, общезаводские, внепроизводственные и т. д.

Материальные затраты определяются по двум составляющим:

— Сырьё и основные материалы;

— Покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты.

Ведомость основных (вспомогательных) материалов и расчет их стоимости представлены в таблице 6.

Таблица 6 — Ведомость основных (вспомогательных) материалов на изделие и расчёт их стоимости

Расчет стоимости комплектующих деталей и полуфабрикатов отображен в таблице 7.

Таблица 7 — Расчёт стоимости комплектующих деталей и полуфабрикатов

Планирование себестоимости розничной цены изделия представлено в таблице 8.

Таблица 8 — Планирование себестоимости розничной цены изделия

Таким образом, розничная цена изделия составляет 510 рублей 24 копейки.

7.6 Расчёт планово-экономических показателей работы участка

Прибыль является обобщающим экономическим показателем, характеризующим конечные результаты деятельности предприятия (подразделения). Из прибыли образуется резервный фонд, и производятся отчисления в фонд развития, за счёт которых осуществляются мероприятия по расширению и техническому перевооружению производства.

В данном дипломном проекте будет высчитываться только плановая прибыль, так как для расчёта чистой прибыли нужно учитывать все налоги, в том числе и на имущество, которое здесь не описывается.

Исходя из того, что производство устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей является крупносерийным, количество изготовляемых изделий условно можно принять равным 5000 шт.

Расчет прибыли представлен в таблице 9

Таблица 9 — Расчёт прибыли

Расчет величины налогов представлен в таблице 10.

Таблица 10 — Расчет величины налогов

Чистая прибыль составляет 87 321 руб.

При этом чистая прибыль должна распределяться следующим образом:

— в страховой фонд (20% от чистой прибыли) — 17 464,2 руб.

— на расширение производства (10% от чистой прибыли) — 8732,1 руб.

Нераспределенная прибыль — 61 124,7 руб.

Нераспределенная прибыль берется в расчет срока окупаемости капитальных вложений (Ток).

Ток = Нераспределенная прибыль / Капиталовложения Ток = 5 лет

8. Обеспечение безопасности и санитарно-гигиенических условий работы

Задача данного раздела состоит в том, чтобы провести анализ условий и безопасности труда на рабочем месте пользователя. При проектировании безопасности на рабочем месте с ПЭВМ необходимо не только добиваться высокого качества и надёжности технического обеспечения, но и создавать комфортные параметры окружающей среды для пользователей.

Здесь представлены нормированные значения и результаты анализа по следующим параметрам:

— микроклимат

— вредные вещества и воздухообмен

— шум

— поражение электрическим током В анализируемом помещении осуществляется работа по разработке проектов и алгоритмов программных продуктов (ПП).

8.1 Расчет и анализ параметров микроклимата

Расчетные схемы для анализа параметров микроклимата представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 — Расчетные схемы для анализа параметров микроклимата Принятые обозначения:

К — калорифер В-воздухораспределитель ВОД.ОТ. — радиатор водяного отопления КОН. — кондиционер ИПТ — источник повышенного тепла Микроклимат помещения определяется температурой (°С), относительной влажностью (%) и скоростью движения воздуха (м/с). Согласно ГОСТ 12.1.005−88 «ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», нормирование параметров микроклимата в рабочей зоне производится в зависимости от периода года, категории работы по энергозатратам, наличия в помещении источников явного тепла.

По заданию необходимо рассчитать параметры микроклимата для категории «легкая-1». Для данной категории работ оптимальные значения приведены в таблице (СанПиН 2.2.2/2.4.1340−03).

В холодное время года оптимальную температуру позволяет поддерживать центральная отопительная система.

Микроклимат оценивается сочетанием четырех факторов:

— температурой воздуха;

— скоростью движения воздуха;

— относительной влажностью;

— радиационной температурой излучающих ограждений.

Относительная влажность воздуха W (%) определяется зависимостью (9)

(9)

где A — абсолютная влажность воздуха, то есть количество водяного пара (г), содержащегося в одном кг воздуха;

F — максимальная влажность, то есть количество водяного пара (г), которое может содержаться в одном кг воздуха при данных температуре и давлении. С повышением температуры F возрастает.

8.2 Расчет параметров систем воздушного и водяного отопления для холодного периода года

Улучшение микроклимата достигается применением теплоизолирующих материалов, уменьшением теплопроводности оконных проёмов, что позволяют уменьшить теплопритоки в тёплый период в помещение и теплопотери в холодный период года.

Для улучшения условий жизнедеятельности устанавливают системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления по виду теплоносителя делят на паровые, водяные, воздушные, электрические и топливные. Отопление компенсирует потери теплоты Q_п (кДж/ч), которые складываются из теплоты, уходящей через ограждения и остекление помещений Q_огр. (кДж/ч), и теплоты, необходимой для нагрева холодного воздуха Q_хв. (кДж/ч), поступающего в помещение:

где F_огр. — площадь ограждения или остекления, м²;

К_огр. — коэффициент теплопередачи, кДж/(м²*град.);

L — количество поступающего наружного воздуха, м³/ч;

с — удельная теплоёмкость наружного воздуха, кДж/(кГ*град);

с — плотность воздуха, кГ/м³;

t_вн.-t_нар. — температура внутреннего и наружного воздуха, град.

Во многих случаях определяющими являются потери теплоты через оконные проёмы помещений. Если теплопередача через стенки помещения значительна, то определяется сумма теплопотерь.

В настоящем проекте рассматриваются потери теплоты через оконные проёмы. Холодный воздух в помещение может поступать от системы вентиляции, от проветривания и посредством инфильтрации через щели и отверстия, особенно при ветре большой скорости. Для нагревания этого воздуха требуются дополнительные затраты теплоты, которые в расчётах иногда принимаются как (15−20)% от общих теплопотерь. Система отопления должна иметь теплопроизводительность не меньше, чем общая величина теплопотерь.