Проектирование противоударного корпуса планшета при помощи САПР SolidWorks

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Процесс проектирования лежит в основе деятельности инженера-проектировщика, под которым в общем случае понимают выбор некоторого способа действий.

Конструирование является частью процесса проектирования и сводится к определению свойств изделия. Работы, связанные с автоматизацией процессов конструирования и технологической подготовки производства, характеризуются на начальных этапах разработкой отдельных пакетов прикладных программ, а на заключительной - созданием систем автоматизированного проектирования. Система автоматизированного проектирования есть комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов, выполняющих автоматизированное проектирование.

Проектирование противоударного планшета с целью увеличения его защищенности в условиях экстремальной эксплуатации, позволит уменьшить время на разработку и добиться получения нового изделия. Для ускорения процесса проектирования был выбран программный комплекс SolidWorks 2013, который дает возможность ускорить процесс проектирования изделия, делая его менее трудоемким и более качественным, а также существенно сокращает время и стоимость разработки и позволяет провести математическое моделирование испытаний проекта разрабатываемого устройства в условиях повышенной нагрузки на устройство.

Целью работы является проектирование противоударного корпуса планшета при помощи САПР SolidWorks.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ современных противоударных планшетов с повышенной степенью защиты по классу IP67-IP68;

- рассчитать надежность, действие на удар и действие на вибрацию планшета;

- разработать детализированную 3D модель внутренних частей и корпуса устройства;

- провести симуляцию устройства на воздействие экстремальных нагрузок.

В содержательной части дипломного проекта рассматривается анализ планшетов с повышенной степенью защиты, характеристик моделируемого планшета и выбор необходимых параметров для моделирования.

В экономической части диплома оценивается технический уровень проектируемой конструкции, а также конкурентно способность с другими противоударными планшетами.

В разделе охрана труда анализируются производственные условия и разрабатываются мероприятия по охране труда, рабочей санитарии и пожарной безопасности. Определяются вредные производственные факторы и пути их устранения.

1. Анализ противоударных планшетов

1.1 Анализ планшетов с защитой по стандарту IP

Конструкция современных противоударных планшетов тесно связана с конструкцией сенсорных защищенных телефонов. Разница в устройствах состоит только в размерах устройств. В основе противоударных планшетов лежат только самые современные наработки в области технологий, применяются лучшие материалы и оборудование. Противоударные планшеты отличаются от обычных удароустойчивостью и защитой от влаги. Ударопрочность планшета может быть различной, начиная от номинальной и заканчивая такой, которая позволяет выдерживать довольно сильные повреждения при сильных нагрузках на устройство.

Каждый год количество противоударных планшетов не сильно изменяется. В наше время количество современных планшетов с защитой растет на 2-4 модели в год. Это негативно, так как это всего 2% от всех произведенных моделей в год. Появляются новые, более совершенные модели, которым не страшно воздействие различных негативных факторов. Такие планшеты можно без опасений использовать в любом уголке земного шара (температурный диапазон нормального функционирования колеблется в пределах -25С до +50С) и даже под водой. Кроме того, по своей функциональности и скорости работы такие устройства не уступают среднему классу планшетов без защиты по стандарту IP.

Для того чтоб создать противоударный планшет, который будет соответствовать стандартам IP необходимо провести анализ существующих аналогов.

Для анализа были выбраны модели планшетов с уровнем защиты IP67-IP68.

Рассматриваемые планшеты являются уникальными представителями своего класса, так как модельный ряд этих устройств довольно не велик.

Toughpad FZ-M1 представленного на рис. 1.1 соответствует методам экстремальной защиты MIL-STD- 810G армии США и норме IP65, и позиционируется как самый легкий и тонкий в мире из всех аналогичных изделий. Он предназначен для использования в критически сложных ситуациях, в том числе в походах и экспедициях.

Рисунок 1.1 - Планшет Toughpad FZ-M1

Согласно методам военной защиты MIL-STD- 810G прочный походный планшетный компьютер протестирован на возможность противостоять падениям, ударам, вибрации, воздействию высоких и низких температур, повышенной влажности. Он может эксплуатироваться во взрывоопасной атмосфере в любую погоду.

Соответствие международной спецификации IP65 означает полную непроницаемость для мельчайших частиц песка и пыли. Так же изделие защищено от струй воды, подаваемых с любых направлений и способно работать после погружения на дно бассейна глубиной 1 метр на 30 минут.

Противоударный водостойкий планшет заключен в корпус из АВС пластика, оснащенный противоударными бамперами из эластомера. Основу конструкции составляет прочная рама из легкого магниевого сплава. Все порты и разъемы защищены крышками, экран дополнительно защищен сменной пленкой. Имеется ремень для удобного использования «на ходу».

Профессиональный экстрим-планшет 2014 года поставляется с предустановленной 64-х разрядной ОС Windows 8.1 Pro. В качестве основы используется процессор i5- 4302Y Vpro с тактовой частотой 1,6 ГГц и возможностью разгона в Turbo Boost до 2,3 ГГц. ОЗУ составляет 8 Гб (DDR3L - 1333), могут устанавливаться SSD (твердотельные накопители) 128 или 256 Гб. Так есть слот для microSDXC (поддержка до 64 Гб).

В изделии использован 7-дюймовый IPS дисплей с антибликовым покрытием, разрешением 800 х 1280 точек, светодиодной подсветкой, 10-пальцевым мультитач и яркостью 500 нит. Из датчиков упоминается компас, гироскоп, датчики приближения и освещенности. Есть встроенный микрофон идинамик высокой четкости Realtek. Поддерживается управление в перчатках.

Для записи видео используется тыльная камера 5 МП со светодиодной подсветкой и автофокусом. Для видеочатов применена фронтальная камера с видео 720р. В ударопрочном планшете присутствуют порт USB 3.0, 3,5-мм разъем, разъем для подключения док станции. Так же интегрирован 4G LTE модуль, антенна GPS SiRFstarIII. Есть модули Bluetooth версии 4.0 (класс 1) с EDR, NFC и Wi-Fi 802.11 с протоколами a/b/g/n/ac.

3G Android-планшет Strike защищенный планшетный компьютер соответствует норме непроницаемости IP67 и заключен в прочный корпус. Он может использоваться в качестве Wi-Fi точки доступа и позволяет осуществлять видео и голосовые звонки.



Рисунок 1.2 - Планшет Chinavasion Strike

Модель Chinavasion Strike представленная на рис. 1.2, оснащена 2-ядерным энергоэффективным процессором RK3066 на ядрах Cortex-A9 с тактовой частотой 1,6 ГГц. Хочется отметить, что недавно появившиеся на рынке аналоги оснащаются процессорами MTK6589 с 4 ядрами и ТЧ = 1,2 ГГц. В то же время новинка получила 4-ядерную графику Mali 400, 1 Гб ОЗУ и 16 Гб флеш-памяти.

Для расширения флеш памяти используются карты Micro SD (максимум вместимости - 32 Гб). Операционная система для управления - Android 4.1. SIM-карта может работать в стандартах 2G GSM и 3G WCDMA. В китайском планшете присутствуют модули Wi-Fi: 802.11 b/g/n и Bluetooth: 2.1 с EDR. Для записи фото и видео используется основная камера 5 МП, для видеозвонков - фронтальная 2 МП.

Сенсорный емкостный дисплей устройства имеет диагональ 7 дюймов и разрешение 800 х 1280 точек. Имеется 5-пальцевый мультитач и защита стеклом Gorilla Glass 2. Собственная батарея емкостью 5 Ач обеспечивает трое суток автономности в режиме ожидания и до 5 часов работы в активном режиме без подзарядки.

Упоминается о наличии компаса, акселерометра, G-сенсора, стандартного аудиовыхода 3,5 мм и порта микроUSB. Размеры защищенного планшета не выходят за пределы 20 х 140 х 215 мм при массе 610 грамм.

Titan 7R представленного на рис. 1.3, соответствующего максимальному уровню защиты IP68. Этот 7-дюймовый планшетный компьютер с функциями 3G телефона, оснащенный мощным процессором и GPS. Модель предназначена для туристических групп.

Рисунок 1.3 - Планшет Titan 7R

Уровень защищенности IP68 подразумевает исключительную пыленепроницаемость и способность продолжать работу после погружения на дно двухметрового бассейна на срок до часа. Планшет Titan 7R заключен в прочный противоударный корпус, а его дисплей защищен закаленным стеклом.

Технические спецификации включают 4-ядерный процессор с тактовой частотой 1,2 ГГц (скорее всего MT6589), 1 Гб ОЗУ и 16 Гб встроенной памяти. В отличие от ближайшего аналога J-Pad планшет Titan 7R поддерживает карты памяти microSD на 32 Гб. В планшете установлен 7-дюймовый дисплей с матрицей TFT, разрешение которого составляет 1280 х 800 точек. Присутствуют 2 камеры - фронтальная для видеочатов 2 МП и основная на оборотной стороне 8 МП сосветодиодной подсветкой. Питание производится от АКБ 6000 мА/ч.

В водонепроницаемом планшете предусмотрена возможность установки СИМ карты со связью через 2G и 3G. Максимальная скорость работы в Интернете - 21/5,76 Мбит в секунду. Так же есть GPS (поддержка aGPS), беспроводные модули Bluetooth 4.0 (LE) и Wi-Fi 802.11 b/g/n, порт microUSB 2.0 с поддержкой On The Go и разъем 3,5 мм.

Аппарат работает под управлением ОС Андроид версии 4.2.2. Его размеры не выходят за пределы 19,1 х 135,5 х 212,5 мм.

Профессиональный ударопрочный планшет Sontek T70 и его модификация Sontek T70M представленные на рис. 1.4 представлены компанией Sontek (Soten), разработчиком решений в области планшетных компьютеров. Кроме приличного технического функционала обе модели прошли тестирование на соответствие классу защиты IP67 и методам военного стандарта США и NATO Mil-Std 810G.

Рисунок 1.4 - Планшет Sontek T70M

Данный уровень защищенности позволяет утверждать, что устройства «выйдут сухими из воды» даже после того, как пролежат на глубине 120 см около 30 минут. Кроме того, модели обладают абсолютной защитой от проникновения мельчайших частиц, в том числе пыли. С другой стороны, норма Mil Std-810G гарантирует ударопрочность и неподверженность воздействию вибраций, а так же воздействию соляного тумана и т.п.

Планшет Soten T70 (Sontek T70) и более быстродействующий Soten T70M (Sontek T70M) поставляются в прорезиненном противоударном корпусе с габаритами 240 х 132 х 22 мм и поддерживают передачу данных в стандарте третьего поколения связи 3G. Масса гаджетов составляет 620 грамм, что сравнительно немного для планшетов с таким уровнем защиты.

Первая и основная модель Sontek T70 получила 7-дюймовый IPS дисплей, разрешение которого составляет 1024 х 600 точек. Основой планшетного компьютера стал процессор MTK6577 с двумя активными ядрами и тактовой частотой 1 ГГц.

Для обработки графики используется графический ускоритель Power VR SGX531 Ultra. Оперативная память устройства находится на уровне 1 Гб, а встроенная составляет 4 Гб. Для расширения последней предусмотрен слот с форматом microSD.

Защищенный планшет Sontek T70 получил оба стандартных модуля беспроводной связи - Bluetooth версии 4.0 и Wi-Fi 802.11 с поддержкой протоколов b/g/n. Для видеосвязи используется фронтальная камера с датчиком 2 МП.

Так же присутствует камера основная, расположенная на оборотной стороне и оснащенная датчиком 5 МП. В качестве операционной системы применен Android версии 4.1. В устройстве предусмотрено наличие слота для SIM карты 3G. Есть разъем 3,5 мм.

Следующая «модернизированная» модель: ударопрочный водонепроницаемый планшет Sontek T70M. Он получил некоторые изменения в сторону увеличения производительности. В частности, в нем применен процессор MTK6589 с 4 активными ядрами и тактовой частотой 1,2 ГГц.

Кроме того за обработку графики в нем отвечает Power VR SGX544 MP2, а сенсор основной камеры имеет разрешение 8 МП. Не стала исключением и операционная система - в «продвинутой» модели использован Android версии 4.2.

Защищенный Windows планшет DAP M9020 с QWERTY клавиатурой представленной на рис. 1.5. Планшет защищен согласно серьезной международной норме IP67 и военному стандарту США MIL-STD-810G, и способен работать в сетях четвертого поколения связи. Он предназначен для полевого использования и для управления сайтами.

Рисунок 1.5 - Планшет DAP M9020

Согласно тестам на защищенность прочный полевой планшет способен выдерживать падения на бетон с высоты 1,8 метра. Его корпус состоит из металла и ударопрочного пластика. Виброустойчивость соответствует MIL-STD-810G, водонепроницаемость - до одного метра, пыленепроницаемость - абсолютная. Модель способна работать при температурах от -30 ° до +50 ° C и выдерживает воздушный разряд 15 кВ и прямой разряд 8 кВ.

Основой ударопрочного водонепроницаемого планшета DAP M9020 стал 2-ядерный процессор N2600 Intel Atom с тактовой частотой 1,6 ГГц. Оперативная память DDR3 SDRAM - 4 Гб. По желанию поставляется твердотельный накопитель 64 - 256 Гб. Поддерживаются карты памяти микро-SDHC 32 Гб.

На противоударный планшет устанавливается Windows 7 Professional, так же есть версия с Embedded Standard 7. Сенсорный резистивный WVGA TFT дисплей диагональю 7 дюймов имеет разрешение 600 х 1024 точек и антибликовое покрытие. Есть две камеры - фронтальная 2 МП и тыльная 5 МП с автофокусом и вспышкой.

Для управления используется QWERTY клавиатура с 53 клавишами. Присутствует акселерометр и датчик освещенности. Защищенный планшет оснащен беспроводными модулями: Wi Fi 802.11 с поддержкой a/b/g/n, Bluetooth версии 4.0 с поддержкой EDR, u-Blox 6 GPS с поддержкой A-GPS, Gobi 4G LTE.

Помимо этого для использования внешних модулей предусмотрена масса разъемов: для док-станции, 4 х USB 2.0, 4 х RS232, RJ45 LAN, SVGA. Двойной литиево-ионный аккумулятор имеет функцию «горячей» замены. Его параметры - 7.4 В / 3100 мАч (46 Вт-ч).

Размеры прочного полевого планшета составляют 51 х 185 х 230 мм при массе 1330 грамм.

Рассмотрев характеристики выбранных моделей противоударных планшетов, был проведен сравнительный анализ защищенности корпуса и были приняты выводы что для решения подобной задачи необходимо применение усиленной защиты корпуса, которая достигается за счет использования специальных прочных материалов, способов крепления и обработки, благодаря чему устройство выдерживает большие нагрузки, удары, перепады температуры, влагу.

1.2 Анализ международного стандарта IP

Противоударные планшеты с повышенной степенью защиты, разрабатываются специально для использования в экстремальных или военных условиях. Данные модели рассчитаны на использование в совершенно разных условиях и обладают характеристиками и защитными свойствами.

Одним из важнейших элементов, требующих усиления защитных функций, является корпус, именно от его ударопрочности и водонепроницаемости зависит насколько защищен и вынослив планшет. Степень защиты определяется международным стандартом IP.

IP (степень защиты оболочки) Ingress Protection Rating - система классификации степеней защиты оболочки электрооборудования от проникновения твёрдых предметов и воды в соответствии с международным стандартом IEC 60529.

Под степенью защиты понимается способ защиты, проверяемый стандартными методами испытаний, который обеспечивается оболочкой от доступа к опасным частям (опасным токоведущим и опасным механическим частям), попадания внешних твёрдых предметов и (или) воды внутрь оболочки.

Маркировка степени защиты оболочки электрооборудования осуществляется при помощи международного знака защиты (IP) и двух цифр, первая из которых означает защиту от попадания твёрдых предметов, вторая - от проникновения воды.

Код имеет вид IPXX, где на позициях X находятся цифры, либо символ X, если степень не определена. За цифрами могут идти одна или две буквы, предоставляющие вспомогательную информацию. Например, бытовая электрическая розетка может иметь степень защиты IP22 - она защищена от проникновения пальцев и не может быть повреждена вертикально или почти вертикально капающей водой. Максимальная защита по этой классификации- IP68: пыленепроницаемый прибор, выдерживающий длительное погружение в воду.

Рассмотрим более подробно значения цифр, находящихся в коде. В таблице 1.1 представлено описание значений первой позиции в коде стандарта IP.

Первая характеристическая цифра указывает на степень защиты, обеспечиваемой оболочкой:

- людей от доступа к опасным частям, предотвращая или ограничивая проникновение внутрь оболочки какой-либо части тела или предмета, находящегося в руках у человека;

- оборудования, находящегося внутри оболочки, от проникновения внешних твёрдых предметов.

Таблица 1.1 - Первая позиция - защита от проникновения посторонних предметов

Уровень	Защита от посторонних предметов, имеющих диаметр	Описание
0	-	Нет защиты
1	>50 мм	Большие поверхности тела, нет защиты от сознательного контакта
2	>12,5 мм	Пальцы и подобные объекты
3	>2,5 мм	Инструменты, кабели и т.д.
4	>1 мм	Большинство проводов, болты и т. п.
5	Пылезащищённое	Некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако это не нарушает работу устройства. Полная защита от контакта
6	Пыленепроницаемое	Пыль не может попасть в устройство. Полная защита от контакта

Вторая характеристическая цифра указывает степень защиты оборудования от вредного воздействия воды, которую обеспечивает оболочка. В таблице 1.2 представлено описание значений второй позиции в коде стандарта IP.

Таблица 1.2 - Вторая позиция - защита от проникновения жидкости

Уровень	Защита от	Описание
0	-	Нет защиты
1	Вертикальные капли	Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства
2	Вертикальные капли под углом до 15°	Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства, если его отклонить от рабочего положения на угол до 15°
3	Падающие брызги	Защита от дождя. Вода льется под углом 60° или вертикально
4	Брызги	Защита от брызг, падающих в любом направлении

Для более точных характеристик защиты дополнительно в коде применяют буквы. Дополнительная буква обозначает степень защиты людей от доступа к опасным частям и указывается в том случае, если:

- действительная степень защиты от доступа к опасным частям выше степени защиты, указанной первой характеристической цифрой;

- обозначена только защита от вредного воздействия воды, а первая характеристическая цифра заменена символом «Х».

Дополнительная буква «A» указывает на то, что оболочка обеспечивает защиту от доступа к опасным частям тыльной стороной руки, «B» - пальцем, «C» - инструментом, «D» - проволокой. Вспомогательная буква «H» обозначает высоковольтное электрооборудование. Вспомогательные буквы «M» и «S» указывают на то, что оборудование с движущимися частями во время испытаний на соответствие степени защиты от вредных воздействий, связанных с проникновением воды, находится соответственно в состоянии движения или неподвижности.

Наиболее защищенными по данной классификации являются оболочки со степенью защиты IP67 и IP68. Степень защиты IP67 указывает на то, что оболочка является полностью пыленепроницаемой и может выдерживать кратковременные погружения в воду без вреда электронике и нарушения работы устройства, а максимальной является защита IP68: пыленепроницаемые устройства, выдерживающие длительное погружение в воду на глубину до 1,5…2 м и длительностью до 30 мин., сохраняя при этом работоспособное состояние.

1.3 Анализ требований к условиям эксплуатации в граничных условиях

Основываясь класс защиты IP67 и IP68, а также на военный стандарт MIL-STD-810, который описывает совокупность методов воздействия окружающей среды и лабораторных тестов, стойкость к неблагоприятным воздействиям на испытуемый образец, которые данное устройство будет испытывать на протяжении всего времени эксплуатации, можно сделать вывод о том, какие требования выдвигаются к эксплуатации в граничных условиях.

Основными параметрами, которые определяют уровень качества изделия и способность работы его в неблагоприятных окружающих средах, являются следующие:

Устойчивость к неблагоприятным условиям - уровень прочности изделия определяется устойчивостью устройства к загрязнителям (пыли и влажности) и другим неблагоприятным условиям, таким как туман, воздействию соли, солнечному излучению.

Ударопрочность - уровень прочности изделия для эксплуатации в неблагоприятных условиях во многом определяется устойчивостью к ударам (в том числе и повторным) и встряскам (особенно, если устройство установлено в транспортном средстве), подвергаются ударам все плоскости изделия.

Виброустойчивость - уровень прочности изделия во многом определяется устойчивостью к вибрации, которая определяет способность устройства противостоять постоянным эффектам вибрации (особенно если изделие установлено и используется в транспортном средстве). Постоянная вибрация затрагивает работу процессора, и способна привести к отказу системы.

Работа в широком диапазоне температур - уровень прочности изделия определяется способностью противостоять резким перепадам температур в рабочем режиме (особенно когда устройство используется снаружи или установлено в транспортном средстве), что может вывести устройство из строя.

1.4 Внутренние компоненты разрабатываемого противоударного планшета

В разрабатываемом противоударном планшете внутренние компоненты решено использовать с одного из наиболее успешных планшетов ASUS Nexus 7 представленного на рис. 1.6.

ASUS Nexus 7 является первым планшетом Google. Планшет представляет собой виденье Google о том как должен выглядеть современный планшет - мощный и не дорогой.

Материал задней части устройства - достаточно упругое покрытие (soft-touch coating), которое на вид похоже на кожу или кожзам. Правда, единственного касания хватит, чтобы понять, что это не так, но от этого пользование не становится менее комфортным. Девайс очень удобно держать, а покрытие дает надежное сцепление с рукой, что предотвращает падения. 7 дюймовый размер может вызвать у некоторых пользователей негодование, но это нормально, а вот сочетание размера с покрытием делает девайс удобным в использовании как в альбомном, так и в книжном вариантах.

Конструкция девайса очень надежная, состоит он конечно не из текстурированого алюминия, как персонажи Трансформеров, но в этом нет особой необходимости. Экран устройства не прогибается и не колеблется. Все порты и элементы управления надежно закреплены, и при этом имеют легкий доступ. Динамик достаточно громкий.

Экран девайса - семидюймовая IPS-матрица с разрешением 1280х800.Получается 216 пикселей на дюйм, у нового iPad - 264, у предыдущих - 132. Покрыт он устойчивым к царапинам стеклом (Scratch-resistant Corning glass). Экран имеет широкий угол обзора, почти 180 градусов.



Рисунок 1.6 - Планшет ASUS Nexus 7

Экономичная система-на-кристалле (SoC) c тактовой частотой 1,3 ГГц являлась первым 4-ядерным процессором, который с успехом применялся в качестве ЦПУ и графического процессора. Особенностью процессора Tegra 3 является новая технология Variable Symmetric Multiprocessing (переменные симметричные многоядерные вычисления, vSMP), благодаря которой в состав процессора входит отдельное ядро, специально созданное для задач, не требующих большого количества энергии.

Рисунок 1.7 - Плата DAP M9020

Среди поставщиков ИС для Nexus 7 есть хорошо известные компании, например, Maxim, которай предлагает ИС управления питанием MAX77612A, и Texas Instruments с хорошо зарекомендовавшими себя ИС управления питанием. Разработчики Nexus 7 использовали ИС Hynix для установки на основную плату изделия 2-Гбит чипов низковольтной SDRAM-памяти DDR3L. Были также использованы 8-Гбайт модули флеш-памяти Kingston, изготовленные SanDisk/Toshiba, и модули PN65 NFC компании NXP для обеспечения защищённого хранения данных.

В Nexus 7 встроены акселирометр, гироскоп, магнитометр, GPS навигатор, есть возможность передачи данных с использованием 802.11 b/g/n Wifi, Bluetooth, NFC. Для реализации беспроводных коммуникаций разработчики использовали ИС Broadcom -- беспроводной приемопередатчик BCM4330 для организации протокола 802.11n и комплексный GPS-приемник BCM4751. BCM4330 работает в паре с радиомодулем 802.11n AW-NH665 Azurewave Wi-Fi/Bluetooth/FM.

На выбранном девайсе все работает как положено и реализовано очень неплохо. Акселерометр и гироскоп достаточно чувствительны, что делает процесс игры отличным. Магнитометр работает со множеством приложений металлоискателей из Google Play. Bluetooth и Google Beam представлены безупречно. GPS определяет местонахождение быстро и с достаточной точностью. Диапазон действия Wifi, в котором устройство существенно не теряет сигнал, достигает 40 метров.

Для реализации беспроводных коммуникаций разработчики использовали ИС Broadcom - беспроводной приемопередатчик BCM4330 для организации протокола 802.11n и комплексный GPS-приемник BCM4751. BCM4330 работает в паре с радиомодулем 802.11n AW-NH665 Azurewave Wi-Fi/Bluetooth/FM. Среди используемых в планшетах ИС обычно не встречаются чипы от ELAN Microelectronics, но в Nexus 7 есть контроллеры этого производителя для управления сенсорным экраном. Ранее ИС от ELAN Microelectronics встречались в смартфонах, предназначенных для китайского рынка, поэтому тот факт, что в Nexus 7 используются ИС от Elan.

Ключевые компоненты Google Nexus 7:

- Nvidia Tegra 3: 4-ядерный процессор для мобильных приложений;

- Hynix H5TC2G83CFR: 2-Гбит DDR3L SDRAM;

- Kingston KE44B026BN: модуль памяти 8 Гбайт;

- Realtek (RMC) ALC5642: аудиокодек и усилитель для наушников;

- Maxim MAX77612A: ИС управления электропитанием;

- Texas Instruments TPS63020: инвертирующий преобразователь; SN75LVDS83B LVDS трансмиттер;

- Fairchild FDMC6675BZ: P-канальный мощный полевой транзистор;

- ELAN Microelectronics eKTF3624BWS и eKTH1036BWS: контроллеры для резистивного сенсорного экрана;

- Broadcom BCM4751: монолитный GPS приёмник;

- InvenSense MPU-6050: MEMS-устройство, 6-осный гироскоп и акселерометр;

- AzureWave AW-NH665: 802.11n Wi-Fi/Bluetooth/FM радиомодуль;

- NXP Semiconductor PN65: модуль безопасного хранения данных.

В связи с перечисленными преимуществами все внутренние компоненты Nexus 7 подходят для применения в противоударном планшете. Все выбранные компоненты имеют высокую степень надежности и качества.

2. Математический анализ физических воздействий на противоударный планшет

2.1 Оптимизация параметров технических систем

Математические модели технических объектов позволяют осуществлять анализ процессов их функционирования, получать оценки выходных параметров различных предлагаемых вариантов технических решений и сравнивать их между собой. Но конечной целью проектирования является получение наилучшего технического решения из числа возможных альтернатив. Это достигается в процессе решения задачи синтеза, которая направлена на определение структуры и оптимальных параметров объекта.

Методология автоматизированного проектирования основана на системном подходе. Основные принципы этой методологии - декомпозиция, иерархичность, итеративность, локальная оптимизация и комплексное осуществление процесса проектирования.

При декомпозиции сложной технической системы выделяется несколько иерархических уровней, обусловленных различной степенью абстрагирования при описании ее и физических свойств. Система расчленяется на отдельные части-блоки, процесс проектирования подразделяется на стадии и этапы. Различают уровневую, блочную и этапную декомпозиции, сочетание которых приводит к иерархической структуре системы автоматизированного проектирования. Каждый компонент этой структуры воплощается в соответствующем маршруте проектирования, в котором реализуется принцип локальной оптимизации.

Сущность локальной оптимизации заключается в том, что на каждом уровне декомпозиции применяются свои критерии оптимальности и осуществляется оптимизация лишь некоторой части параметров технического объекта, относящихся к внутренним параметрам проектируемого блока. Критериями при этом являются выходные параметры блока, представляющие собой параметры элементов объекта. В свою очередь, внутренние параметры проектируемого блока - это выходные параметры его элементов, получаемых при дальнейшей декомпозиции блока.

В результате оказывается, что при проектировании любого элемента объекта используемые критерии получены как результат оптимизации параметров более крупного блока. По существу декомпозиция объекта приводит к декомпозиции критериев. Следовательно, критерии на всех уровнях декомпозиции объекта взаимосвязаны и подчинены конечной цели - достижению высоких показателей эффективности и качества функционирования технического объекта.

Проектирование элементов, выделяемых при декомпозиции объекта, основано на моделировании некоторого характерного режима их функционирования. Это может быть переходный процесс, статическое состояние (состояние покоя или равномерного движения), режим установившихся колебаний, стационарный случайный процесс и др. Система автоматизированного проектирования такого объекта содержит множество маршрутов, отличающихся между собой используемыми математическими моделями. Методы решения систем уравнений этих моделей и способы оценки выходных параметров объектов проектирования существенно различны.

Многообразие исследовательских и проектных задач привело к разработке множества методов оптимизации, обладающих различными свойствами и возможностями поиска экстремума целевой функции с учетом особенностей математических моделей объектов. Проектировщик должен хорошо знать особенности решаемой задачи и свойства существующих методов оптимизации, предвидеть характер изменения целевой функции, что позволит осуществить обоснованный выбор метода и повысить вероятность решения задачи с минимальными затратами.

Обычно в уравнениях математической модели фигурируют не все фазовые переменные, а только часть из них, достаточная для однозначной идентификации состояния объекта. Такие фазовые переменные называют базисными координатами. Через базисные координаты могут быть вычислены значения и всех остальных фазовых переменных.

К математическим моделям предъявляются требования адекватности, экономичности, универсальности. Эти требования противоречивы, поэтому обычно для проектирования каждого объекта используют свою оригинальную модель. Математические модели технических объектов, используемые при проектировании, предназначены для анализа процессов функционирования объектов и оценки их выходных параметров. Они должны отображать физические свойства объектов, существенные для решения конкретных задач проектирования. При этом математическая модель должна быть как можно проще, но в то же время обеспечивать адекватное описание анализируемого процесса.

2.2 Расчет воздействия удара при падении планшета

Ударные воздействия характеризуются формой и параметрами ударного импульса.

Ударные импульсы могут быть полусинусоидальной, четвертьсинусоидальной, прямоугольной, треугольной и трапециевидной формы.

Максимальное воздействие на механическую систему оказывает импульс прямоугольной формы. Параметрами ударного импульса являются:

- длительность ударного импульса ;

- амплитуда ускорения ударного импульса ;

Ударный импульс действует только в течение времени и величина получила название условной частоты импульса.

Исходными данными для расчета конструкции на ударопрочность являются: параметры ударного импульса параметры конструкции, характеристики материалов конструкции или собственная частота колебаний механической системы.

Исходные данные для расчета:

- длительность ударного импульса: c;

- амплитуда ускорения ударного импульса: ;

Собственная частота колебаний механической системы: fc =550Гц.

Расчет на ударопрочность проводим в следующей последовательности.

Определяем условную частоту ударного импульса:

,

где - длительность ударного импульса, .

Определяем коэффициент передачи при ударе (для прямоугольного импульса):

,

где n - коэффициент расстройки:

;

где - собственная частота колебаний механической системы. , .

Находим ударное ускорение:

;

где - амплитуда ускорения ударного импульса,

.

Рассчитываем максимальное относительное перемещение (для прямоугольного импульса):

.

Проверяем выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

- для электрорадио элементы (ЭРЭ) ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е. , где определяется из анализа элементной базы изделия, , следовательно ;

- для печатных плат (ПП) с ЭРЭ , где b - размер стороны ПП, параллельно которой установлены ЭРЭ; b=0,1м, м, следовательно, .

В результате проведенных расчетов можно сделать вывод, что условия ударопрочности выполняются и соответствуют требованиям международного стандарта IP.

2.3 Расчет на воздействие вибрации

Целью расчета конструкции РЭА при действии вибрации является определение действующих на элементы изделия максимальных перегрузок и перемещений.

Периодическая вибрация характеризуется спектром (диапазон частот), виброускорением, перегрузкой. Коэффициент перегрузки п, амплитуда виброускорения а, и виброперемещения S, связаны между собой соотношениями:

.

Исходными данными при расчете на вибрацию являются:

- частота вибрации (диапазон частот), [Гц];

- масса блока (части блока);

- коэффициент перегрузки.

При расчете ПП с ЭРЭ задается (определяется) масса ПП и масса ЭРЭ.

Исходные данные для расчета:

- диапазон вибрационных воздействий , ;

- коэффициент перегрузки ;

- длина платы ;

- ширина платы ;

- толщина платы ;

- коэффициент Пуассона материала ПП ;

- модуль упругости материала ПП ;

- удельный вес материала ПП ;

- плотность материала ПП .

Последовательность расчета следующая.

Определяем частоту собственных колебаний. При условии равномерного нагружения ПП по ее поверхности ЭРЭ:

,

где - ускорение свободного падения; - длина ПП; - толщина ПП; - удельный вес материала ПП.

,

где - масса ЭРЭ; - масса ПП.

,

где - длина ПП; - ширина платы; - толщина платы; -плотность материала ПП; ; ;

- коэффициент, зависящий от способа закрепления ПП.

Для случая защемления платы по контуру коэффициент находится по формуле:

.

Цилиндрическая жесткость находится по формуле:

,

где - модуль упругости материала ПП; - коэффициент Пуассона материала ПП. .

.

Находим амплитуду колебаний (прогиб) ПП на собственной частоте при заданном коэффициенте перегрузки п по формуле:

,

где - коэффициент перегрузки; - частота собственных колебаний ПП; .

Определяем коэффициент динамичности , показывающий, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний на частоте отличается от амплитуды на частоте :

,

где - показатель затухания колебаний (для стеклотекстолита при напряжениях, близких к допустимым, принимают ).

Коэффициент расстройки определяется по формуле:

,

при значение коэффициента расстройки равняется .

Находим динамический прогиб в геометрическом центре ПП при ее возбуждении с частотой :

,

.

Определяем эквивалентную этому прогибу равномерно распределенную динамическую нагрузку :

,

и максимальный распределенный изгибающий момент, вызванный этой нагрузкой:

,

где C1 и C2 - коэффициенты, зависящие от размеров ПП и способа ее закрепления.

Для защемления ПП по контуру на значения и определяются по формулам:

,

,

.

Находим максимальное динамическое напряжение изгиба ПП:

,

.

Условия вибропрочности выполняются, если :

,

где - предел выносливости материала ПП, для стеклотекстолита, =105 Мпа; =1,8 - допустимый запас прочности для стеклотекстолита.

По результатам проведенных расчетов можно сделать вывод, что условие вибропрочности для печатной платы выполняется, т. к. .

Окончательный расчёт на надёжность. Производится на этапе технического проектирования после испытания макета изделия и всех его узлов, когда известны режимы работы всех элементов системы и условия их эксплуатации. Значения интенсивностей отказов элементов с учетом их режимов работы и условий эксплуатации определяются с помощью поправочных коэффициентов или эмпирических формул. В данной работе значения интенсивностей определяются с помощью поправочных коэффициентов. При этом реальные интенсивности отказов элементов или узлов определяются по формуле:

,

где л0i - усредненное значение интенсивностей отказов при t=20-22С и Кн=1; аi - поправочные коэффициенты для определения лi; а1 - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации (для наземной аппаратуры а1 = 2); а2 - поправочный коэффициент, учитывающий воздействие вибрации (для наземной аппаратуры а2 = 1,04); а3 - поправочный коэффициент, учитывающий воздействие ударных нагрузок (для наземной аппаратуры а3 = 1,03); а4 - поправочный коэффициент, учитывающий воздействие влажности и температуры окружающей среды (для наземной аппаратуры а4 = 1); а5 - поправочный коэффициент, учитывающий воздействие атмосферного давления (для наземной аппаратуры а5 = 1).

Условную вероятность отказа всей системы из-за отказа i-го элемента определяем по формуле:

.

Интенсивность отказов системы:

.

Вероятность безотказной работы системы:

.

.

Вероятность отказа системы:

Частота отказа системы:

.

Зависимость частоты отказов F(t) от времени показана на графике в конце расчёта.

Среднее время безотказной работы системы:

.

Гарантийный срок службы:

.

Математическое ожидание:

.

Коэффициент готовности:

.

Производная коэффициента надежности:

Вероятность нормального функционирования:

В связи с тем, что Р(t)расч> Р(t)задан производить резервирование нет необходимости и можно сделать вывод что планшет пригоден по надежности.

3. Разработка 3d модели противоударного планшета

3.1 Выбор среды моделирования

В настоящее время современные методы проектирования значительно упрощают процесс реализации самых смелых идей. CAD, CAM, CAE система SolidWorks 2013 - это интерактивная система автоматизации проектирования и изготовления изделий для различных отраслей промышленности. SolidWorks 2013 позволяет создавать трехмерные модели отдельных деталей, сборочные единицы, состоящие из нескольких деталей, и чертежи по деталям.

Современные CAD/CAM системы (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) могут обеспечить нужное качество проектирования, свободное от дорогостоящего процесса доводки натурных образцов изделия, сократить сроки проектирования, обеспечить выполнение проекта меньшим, но более квалифицированным коллективом специалистов.

SolidWorks является модульной системой и объединяет в себе подсистемы CAD/CAM/CAE. Подсистема CAD предназначена для автоматизации проектных, конструкторских и чертежных работ. Подсистема САМ обеспечивает автоматизированную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ на основе математической модели детали, созданной в SolidWorks. Функции инженерного анализа (САЕ) обеспечивают анализ изделия, сборки и возможность симуляции процессов с помощью широкой гаммы инженерных приложений.

С помощью SolidWorks производители получают возможность ускорить процесс выхода нового изделия на рынок, а также улучшить качество изделия и сократить стоимость. SolidWorks позволяет повторно использовать накопленные знания и опыт по процессам создания и производства изделия для воплощения инновационных процессов компании. SolidWorks Simulation предоставляет технологии для создания полной цифровой модели изделия. Быстрое создание качественных изделий с высокой степенью экономии и точности является первоначальным и одним из основных требований в мире. Главным требованием для производителя заключается в непрерывном применении инноваций и новых процессов, которые позволяют решать различные задачи для создания изделия максимально быстро и выгодно для производителя. Разработка изделия с применением инновационных процессов позволяет предлагать заказчикам то, что максимально соответствует их требованиям и идеям. Таким образом, производители могут успешно конкурировать и работать на современном рынке, получая максимальную прибыль и являться лидером в своей области. Использование инновационных процессов на всех этапах создания изделия дает гарантию максимально быстрого выхода изделия на рынок по конкурентоспособной цене.

В состав конструкторских приложений SolidWorks входят инструменты для проектирования деталей, работы со сборками, создания пользовательских конструктивных элементов, проектирования листовых тел, создания простых и сложных поверхностей, подготовки чертежей, а также различные модули для проектирования трубопроводов, разработки электрических жгутов, средства моделирования человека, проектирования печатных плат, разработки пресс-форм и штампов.

Система SolidWorks 2013 является одной из ведущих систем высокого уровня не один год и удовлетворяет всем современным требованиям к системам этого класса, а также обеспечивает:

1. Возможность параллельного проектирования, т.е. возможность параллельной работы с электронной моделью изделия в различных функциональных модулях системы. Это возможно благодаря реализации принципа мастер-модели. Построение различных сопряжений сложных поверхностей и надежная работа с импортируемыми данными обеспечивается модулем твердотельного моделирования solidworks explorer 2013, обладающим большими возможностями.

2. Управление проектными данными предприятия в целом, что существенно повышает эффективность работы группы разработчиков как одного целого организма. Здесь заложен принцип: система - это больше, чем просто сумма деталей.

3. Новейшие технологии обмена данными с другими системами, поскольку имеется большой набор прямых трансляторов, позволяющих передавать параметризованные модели в различные системы. Передача
параметризованных моделей возможна только при использовании модуля Рагаsolid.

4. Модульная архитектура. Система состроена по модульному принципу, когда вокруг базового ядра формируется набор программных модулей в наиболее удобной пользователю конфигурации, причем общая пена подобранного специального набора будет заведомо меньше обшей цены отдельных модулей. При сетевой инсталляции большого количества мест системы максимально гибкую рабочую среду представляет комбинация базовых конфигураций на рабочих станциях и дополнительных модулей, установленных на сервере и доступных для всех станций по сети.

5. Средства манипуляции большими сборками свыше 5-10 тысяч сборочных единиц.

6. Процессы проектирования с использованием базы знаний На ее основе построены мастер-процессы, в которых интегрированы знания по проектированию из различных отраслей промышленности.

7. Концептуальный дизайн.

8. Решения в области инженерного анализа и оптимизации.

SolidWorks предлагает «непрерывную цепочку процессов», которая состоит из серии ассоциативно связанных между собой этапов проектирования и производства, которые имеют дело с общей цифровой моделью. Каждая цепочка процессов простирается от концепции до изготовления. Такой подход дает возможность спроектировать модель, которая может использоваться на всех этапах без передачи данных из одной системы в другую. SolidWorks обладает мощными и функциональными инструментами, интегрируя все аспекты процессов "от проектирования до производства" в единое высокотехнологичное решение для создания полного цифрового макета изделия. Построенный на открытой технологии, SolidWorks предлагает неограниченные возможности для достижения максимальной производительности на всех этапах создания изделия:

- промышленный дизайн;

- проектирование;

- инженерный анализ;

- создание технической документации;

- создание оснастки;

- подготовка производства.

От концептуального дизайна до подготовки производства SolidWorks предлагает решения для всей команды инженеров и технологов, создающих новое изделие. С помощью управления инженерных процессов NX является решением для цифрового создания изделия, которое намного функциональнее, чем просто сумма решений по CAD, CAM и CAE. Все приложения по созданию изделия объединены в единую среду управления. Инструменты управления данными об изделии и инженерными процессами предоставляют единый источник информации, который координирует все фазы разработки, улучшает взаимодействие и позволяет осуществлять непрерывный, процесс, улучшая каждый этап проектирования и производства.

Основной задачей CAD/CAM/CAE систем является повышение точности проектирования, существенное сокращение расходов и времени изготовления. Система SolidWorks удовлетворяет этим требованиям, позволяет создавать качественные трехмерные модели любой сложности, проверять их на работоспособность, что существенно сокращает время и стоимость изготовления, и сводит к минимуму вероятность ошибки при разработке физической модели.

В ходе создания нового изделия разработчик сталкивается с рядом проблем, решение которых, путем реальных проверок и экспериментов, усложняет процесс реализации и влечет за собой материальные и временные затраты, это затрудняет изготовление изделия. Применение SolidWorks упрощает процесс изготовления изделия, т.к. позволяет спроектировать трехмерную модель, точно подобрать габаритные размеры, материалы и проверить ее на точность и исключить, тем самым, реальные проверки, для которых необходимо создание физической модели.

3.2 Разработка 3D моделей основных компонентов противоударного планшета

Используя программу SolidWorks 2013 были созданы основные основных компонентов противоударного планшета.

Редактор SolidWorks 2012 позволяет создавать трехмерные модели отдельных деталей, сборочные единицы, состоящие из нескольких деталей, и чертежи по деталям.

SolidWorks 2012 при моделировании может функционировать в трёх режимах: деталь, сборка, чертёж.

При работе в режиме "деталь" сначала создаётся необходимое количество эскизов для основания, а потом добавляются другие элементы.

Редактор SolidWorks 2012 позволяет произвольно изменять детали напрямую из сборки. Связь между деталями и сборкой гарантирует их синхронное обновление при изменении каких-либо параметров. Следовательно, чертежи сборки можно создавать на любом этапе проектирования.

Для быстрого создания ряда однотипных объектов, могут быть использованы специальные команды "линейный массив" и "круговой массив". В круговом массиве пользователь указывает образец элемента, количество элементов в массиве и характерные размеры. Аналогично происходит создание линейного массива. Удобно то, что созданные таким образом подобные элементы по умолчанию не содержат взаимосвязей, т.е. изменение одного из них не приведёт к автоматическому изменению остальных.

Для преобразования эскизов (т.е. двухмерных объектов) в модели (трёхмерные объекты) существует ряд команд, наиболее часто используемые из которых - "Бобышка" и "Вращение". Команда "Бобышка" вытягивает эскиз перпендикулярно плоскости эскиза, а команда "Вращение" создаёт трёхмерный объект путём вращения эскиза относительно указанной оси симметрии.

В режиме чертежа создаются проекции моделей в привычной для конструктора форме. Режим "чертёж" позволяет создать не менее 6 стандартных видов, сечения в любой плоскости, ступенчатые сечения, выноски; проставить размеры, шероховатости, допуски на перпендикулярность, волнистость; создать и заполнить основную надпись.

Стандартные проекции объекта создаются автоматически при переноси детали или сборки в чертёж. Отображение других проекций можно задавать, используя стандартный диалог. Для создания сечения необходимо штрихпунктирной линией указать секущую плоскость на одной из проекций, а далее, используя команду "сечение", создать его и при необходимости переместить.

Для создания выносок в определённом месте проекции рисуется окружность, границы которой соответствуют границам выноски. Окружность можно перемещать и изменять её размер. Содержание и границы выноски изменяются автоматически.

Для сборки отдельных деталей в сборочную единицу необходимо создать специальный файл сборки (расширение .sldasm). Детали (файлы с расширением .sldpart) переносятся в определённом порядке в сборку и собираются по определённым правилам. Для сборки рекомендуется использовать стандартные команды, располагающие одну деталь относительно другой: "Расстояние", "Сносность", "Параллельность", "Перпендикулярность", "Угол". Рассмотрим более подробно процесс создания печатной платы.

Для создания новой трехмерной модели необходимо в окне создания модели выбрать пункт «Деталь».

Первым шагом при создании модели является создание эскиза. Для этого на панели управления выбирается функция «Эскиз». В появившемся окне создания эскиза необходимо задать параметры эскиза: выбрать плоскость или грань, на которой будет создаваться эскиз показанный на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Эскиз печатной платы

После создания эскиза переходим в меню «Элементы». Применяя операцию «Вытянутая бобышка/основание» в открывшемся окне указываем требуемые параметры: вытянуть деталь на 1мм позадоному контуру представленный на рис. 3.2.



Рисунок 3.2 - Вытягивание печатной платы

Для добавления необходимых элементов на плату нужно выбрать плоскость, на которой будет создаваться эскиз для добавления элементов. После выбора одной из сторон платы, к которой будем применять операции добавления элементов, используя инструменты «Линия», «Прямоугольник», «Скругление углов» создали эскиз. Далее применяли операцию «Вытягивание» и, задавая необходимое направление вектора, получали в результате выступы или вырезы соответственно. Результат добавления вырезов и выступов на сторону печатной платы представлен на рис. 3.3.

Рисунок 3.3 - 3D модель печатной платы

После создания 3D модели печатной платы для наглядности элементов печатной платы добавляются внешний вид материалов элементов представленных на рис. 3.4-3.5

Рисунок 3.4 - Вид спереди печатной платы

Рисунок 3.5 - Вид сзади печатной платы

После моделирования печатной платы для сборки и анализа были созданы 3D модели всех основных модулей противоударного планшета представленных на рис. 3.5-3.10.

Рисунок 3.6 - 3D модель micro usb и гнезда для наушников

Рисунок 3.7 - 3D модель батареи планшета

Рисунок 3.8 - 3D модель модуля камеры



Рисунок 3.9 - 3d модель динамиков планшета

Рисунок 3.10 - 3D модель дисплея планшета

3.3 Проектирование 3D модели корпуса противоударного планшета

В связи тем что корпус планшета Nexus 7 не соответствует стандартам IP по ударопрочности то была разработана конструкция которая способна выдержать сильные нагрузки.

Корпус разрабатываемого противоударного планшета состоит из трех основных компонентов:

- внутреннего каркаса для модулей представленном на рис. 3.11;

- внешнего жесткого каркаса из метала представленных на рис. 3.12-3.13;

- внешнего силиконового каркаса, для основного погашения удара при ударе представленных на рис. 3.14-3.15;



Рисунок 3.11 - Внутреннего каркас для модулей

Рисунок 3.12 - Передняя часть жесткого каркаса

Рисунок 3.13 - Задняя часть жесткого каркаса



Рисунок 3.14 - Передняя часть мягкого каркаса

Рисунок 3.15 - Задняя часть жесткого мягкого каркаса

...