Прототип печатной платы для робота, предназначенный для испытаний на электромеханическую прочность (EVT), испытаний на допуск (DVT) и быстрой итерации.

Роботизированное прототипирование печатных плат — это процесс проверки проектных решений перед запуском серийного производства. Правильное прототипирование обеспечивает беспроблемное пилотное производство; ошибки приводят к проблемам на этапе наращивания производства, когда исправления обходятся дорого. Роботизированные прототипы необычны тем, что одна роботизированная программа обычно создает прототипы нескольких плат, которые должны быть механически и электрически интегрированы, а также тем, что команда разработчиков программного обеспечения работает в собственном темпе параллельно с командой разработчиков аппаратного обеспечения, которая вносит изменения в программное обеспечение. На этой странице рассматривается конкретно роботизированное прототипирование печатных плат: что делают этапы EVT, DVT и PVT, что вызывает повторные попытки изготовления и как их уменьшить, а также какие методы изготовления и сборки поддерживают быструю итерацию.

Экономика прототипирования отличается от экономики серийного производства. Стоимость единицы продукции высока, поскольку затраты на НИОКР амортизируются при небольших объемах производства; охват испытаний часто неполный, так как оснастка еще находится в процессе изготовления; при закупках иногда используются посредники, поскольку стандартные сроки поставки превышают график разработки прототипа. Программы, которые реалистично планируют бюджет на этапе прототипирования, избегают неожиданностей; программы, которые предполагают, что стоимость прототипирования равна стоимости серийного производства, обычно перерасходуют средства или не выполняют план. Этап прототипирования — это инженерные инвестиции; рассматривать его как серийное производство ставит под угрозу и то, и другое.

Почему прототипы печатных плат, созданные роботами, отличаются от серийных плат?

Прототипные платы — это инструменты для обучения, а не дешевая замена серийному производству.

Цель прототипа печатной платы для робота — уменьшить количество неизвестных факторов: электрические характеристики, запас по тепловому режиму, электромагнитные помехи, механическая совместимость, предположения относительно прошивки и риски интеграции. Оценка прототипов только по цене за единицу продукции не учитывает их роль. Качественно изготовленный прототип делает следующую версию более предсказуемой.

Прототипные печатные платы для робототехники — это инженерные инструменты, а не серийное оборудование. Их цель — проверить конструкцию, выявить проблемы до начала пилотного производства и внести изменения, улучшающие конечный продукт. Отношение к прототипам как к серийному оборудованию — ожидание одинаковой стоимости за единицу, одинакового охвата тестирования, одинакового выхода годных изделий — одна из распространенных ошибок в управлении проектами, которая приводит к потере времени и денег. Отличие робототехнического прототипирования от прототипирования других электронных устройств заключается в следующем:

• Интеграция нескольких плат: Как правило, роботы имеют несколько плат, которые должны быть интегрированы. На этапе создания прототипа проверяется работоспособность отдельных плат и их интеграция, чего не может обеспечить прототип, состоящий из одной платы.
• Совместная разработка программного обеспечения: Прототипы электроники работают на ранних стадиях разработки встроенного и прикладного программного обеспечения. Прототип представляет собой платформу для разработки программного обеспечения в той же мере, что и для проверки аппаратной части.
• Характеристика окружающей среды: Роботы работают в определенных условиях. На этапе создания прототипа проводится характеризация электроники в соответствии с предполагаемой средой, выявляются тепловые, электромагнитные или механические проблемы до начала серийного производства.
• Периодичность повторения материала: Программы создания прототипов роботов обычно проходят 2-4 доработки, прежде чем проект будет окончательно утвержден. Каждая доработка устраняет проблемы, выявленные в предыдущей. Процесс создания прототипов должен быть структурирован таким образом, чтобы он осуществлялся итеративно, а не в виде разовой поставки.

На этапе прототипирования команда разработчиков аппаратного обеспечения проверяет свою работу на соответствие реальным требованиям приложения, а не спецификациям. Спецификация описывает, что должна делать конструкция; прототип показывает, действительно ли она это делает. Этот разрыв невелик в программах с четко определенным объемом работ и велик в программах, где сама спецификация была неопределенной. На этапе прототипирования этот разрыв устраняется — посредством итераций, характеризации и уточнения конструкции.

Программы, рассматривающие прототипирование исключительно как аппаратную задачу, упускают из виду цели, связанные с программным обеспечением и интеграцией; программы, рассматривающие прототипирование как производственный процесс, упускают из виду цель итераций. Правильное проведение этапа прототипирования позволяет обеспечить бесперебойную работу пилотного и производственного этапов.

Этапы EVT, DVT, PVT и валидации производства.

На каждом этапе валидации необходим четкий критерий завершения.

EVT должен выявлять основные инженерные проблемы, DVT должен подтверждать работоспособность замороженного проекта, а PVT должен доказывать работоспособность производственного процесса. Если этап завершается без принятия четкого решения, команда сохраняет неопределенность. Четкие контрольные точки предотвращают превращение обучения на прототипе в неконтролируемое внесение изменений.

Программы создания прототипов роботов обычно проходят этапы инженерной проверки (EVT), проверки конструкции (DVT) и проверки производства (PVT). Каждый этап имеет свою цель и критерии завершения. Последовательность этапов следующая:

• ЭВТ: Инженерная проверка. Первые образцы подтверждают проектные замыслы и выявляют основные проблемы. Тестовое покрытие является неформальным; тестирование встроенного ПО находится в стадии разработки. Типичное количество: 5-15 единиц. Цель: быстрое выявление проектных проблем.
• ТГВ: Проверка конструкции. Конструкция зафиксирована после получения обратной связи от EVT. Первый образец для опытного производства. Тестовое программное обеспечение готово; тестовый стенд изготовлен. Типичное количество 25-100 единиц. Цель: проверка зафиксированной конструкции на соответствие техническим требованиям.
• ПВТ: Проверка производственного процесса. Первый производственный цикл в пилотном масштабе. Подтверждает, что производственный процесс соответствует проектным требованиям. Типичный объем производства: 100-500 единиц. Цель: проверка производственного процесса перед началом серийного производства.
• MP: Массовое производство. Серийное производство после подтверждения процесса с помощью PVT. Первый запуск массового производства обычно тщательно контролируется; последующие запуски проводятся в стандартном режиме.

На каждом этапе существует критерий завершения, который в программах иногда рассматривается как необязательный. Этап EVT завершается, когда выявляются основные проблемы проектирования и проектные решения готовы к замораживанию. Этап DVT завершается, когда замороженный проект проверен на соответствие спецификации с помощью образцов производственного качества. Этап PVT завершается, когда производственный процесс обеспечивает соответствие проектным замыслам в пилотном масштабе. Пропуск любого критерия завершения оставляет категорию проблем нерешенной, что приводит к появлению проблем позже с более высокими затратами.

Программы, которые придерживаются этой дисциплины, обеспечивают плавный переход на новые этапы; программы, которые пропускают этапы (например, переходя от EVT непосредственно к MP), обычно обнаруживают проблемы на этапе перехода, которые были бы выявлены с помощью DVT или PVT. Дополнительные циклы создания прототипов обходятся дешевле, чем ретроспективное устранение проблем в производстве.

Распространенные причины повторного вращения и способы их уменьшения

Большинство ошибок при повторном моделировании возникают из-за предположений об интеграции, а не из-за отдельных ошибок в схеме.

Типичные проблемы при переделке печатных плат роботов включают в себя размещение разъемов, тепловой запас, электромагнитную связь, доступные для прошивки контакты, калибровку датчиков, полярность обратной связи двигателя и механические зазоры. Проверка этих точек интеграции до изготовления часто оказывается более полезной, чем повторный просмотр отдельных блоков схемы.

Повторная разработка во время прототипирования происходит по целому ряду причин. Понимание распространенных причин помогает программам планировать работу с учетом этих причин и избегать тех, которых можно избежать. Основные причины повторной разработки:

• Проблемы целостности сигнала: Высокоскоростные сети, не соответствующие заданному полю зрения на этапе прототипирования. Исправлено изменением компоновки; обычно требуется полная переработка схемы. Снижение риска: моделирование целостности сигнала во время проектирования.
• Тепловые проблемы: Компоненты нагреваются сильнее, чем ожидалось, под нагрузкой. Иногда это можно исправить изменением радиатора или системы охлаждения без повторной раскрутки; иногда требуется доработка платы.
• Сбои в работе электромагнитной совместимости: Излучение или помехоустойчивость, не соответствующие требованиям испытаний в камере. Иногда это можно исправить добавлением фильтров и экранирования; иногда требуется изменение компоновки.
• Устаревание компонентов: В процессе проектирования некоторые детали снимаются с производства. Требуется подтверждение соответствия первоначальным параметрам, при этом детали могут подходить или не подходить к исходным размерам.
• Изменения в требованиях: Изменения в приложении или технических характеристиках в процессе проектирования часто приводят к необходимости внесения изменений в печатную плату, которые невозможно было бы обнаружить при разработке прототипа, поскольку первоначальный проект был правильным.
• Отзывы о производстве: Проблемы, связанные с DFM (проектированием для производства), обнаруживаются уже на этапе изготовления первого образца. Лучше выявлять их на этапе проверки DFM до создания прототипа; иногда они проявляются на этапе сборки.

Помимо технических причин, изменения в процессе разработки также происходят, когда спецификации меняются в середине разработки. Запрос заказчика на дополнительные возможности, нормативное требование, обнаруженное в ходе сертификации, или изменение рынка, меняющее позиционирование продукта, — все это может привести к изменениям, которые невозможно было предотвратить с помощью каких-либо инженерных дисциплин. Именно к таким изменениям программы стремятся, сохраняя гибкость на этапе прототипирования, а не исключая их вовсе.

Лучшая защита от повторного выпуска — это тщательное моделирование DFM и SI перед выпуском файлов прототипа. Процесс проверки DFM печатной платы на этапе прототипирования выявляет проблемы, которые в противном случае привели бы к повторному выпуску.

Изготовление прототипов печатных плат: сроки, объемы, качество.

Изготовление прототипа не должно скрывать производственные ограничения.

При быстром создании прототипа можно использовать упрощенные методы, но команда должна знать, какие из них являются временными. Размеры слоев, качество поверхности, структура переходных отверстий, вес меди, доступность материалов и допуск по импедансу должны быть достаточно близки к производственным параметрам, чтобы результаты тестирования оставались достоверными.

Изготовление прототипов печатных плат имеет иные экономические принципы и приоритеты, чем серийное производство. Скорость важнее оптимизации затрат; небольшие объемы производства — это стандарт; качество по-прежнему важно, но гибкость имеет большее значение. Предложение Highleap по изготовлению прототипов включает в себя:

• Стандартный поворот: 7-10 рабочих дней для стандартной многослойной архитектуры. Этого достаточно для большинства режимов разработки.
• Быстрый поворот: Срок изготовления — 3-5 рабочих дней по запросу. При необходимости, в зависимости от графика, взимается дополнительная плата за ускоренное изготовление.
• Количество прототипов: Обычно используется от 5 до 100 досок. Возможно и меньшее количество; при количестве более 100 смена досок приближается к экспериментальной экономической эффективности.
• Поддержка итераций дизайна: Обработка изменений с четкой маркировкой. Часто встречаются множественные изменения в одной программе; контроль версий имеет важное значение.
• Проектирование с учетом технологичности производства: Проверка на этапе выпуска прототипа. Выявляет проблемы, которые могут потребовать повторной разработки.

Изготовление прототипов также служит для проверки технологии перед будущим производством. Успешно созданный прототип, соответствующий определенной структуре слоев или переходных отверстий, доказывает способность производителя его изготовить; после этого планирование производства может с уверенностью принять решение о его изготовлении. Программы, которые экспериментируют с новыми технологиями на этапе создания прототипов, узнают, что работает, прежде чем принимать решение о серийном производстве; программы, которые продвигают технологии на этапе серийного производства, обнаруживают неожиданности, когда цена неожиданностей наиболее высока.

Качество изготовления прототипов не должно быть ниже, чем качество серийного производства — некачественный прототип, вышедший из строя по производственным причинам, тратит инженерное время на диагностику проблемы. Программы, обеспечивающие стабильное качество изготовления как прототипов, так и серийного производства, позволяют избежать циклов диагностики, которые возникают из-за непостоянного качества.

Прототипирование печатной платы: сборка, закупка комплектующих, тестирование в малом масштабе.

Решения о выборе поставщиков для прототипа печатной платы должны быть задокументированы для последующего анализа рисков.

Использование комплектующих, приобретенных через посредников, неутвержденных альтернативных вариантов, замененных разъемов и доработанных вручную узлов допустимо на этапе создания прототипа. Они становятся опасными только тогда, когда команда забывает, что это были исключения. Каждое исключение из правил закупки комплектующих для прототипа должно быть зафиксировано до начала испытаний на прочность или пилотного производства.

В Highleap для создания прототипов печатных плат используется то же оборудование и технологический процесс, что и в серийном производстве. Отличия заключаются в масштабе, амортизации НИОКР и частоте итераций. Предложение по созданию прототипов печатных плат включает в себя:

• Сборка СМТ: Автоматизированное размещение даже при производстве опытных образцов. Ручная сборка только для специальных деталей.
• Сквозное отверстие: Ручная или селективная пайка в опытно-промышленных масштабах. Волнообразная пайка плохо амортизируется при опытно-промышленных объемах.
• Источники компонентов: Для стандартных деталей используются коммерческие каналы; для труднодоступных — брокерские или ускоренные каналы. При закупке прототипов часто приходится жертвовать стоимостью ради скорости.
• Контрольная работа: Базовое автоматизированное оптическое оптическое исследование (АОИ) плюс функциональное тестирование с использованием предоставленного заказчиком приспособления и программного обеспечения. Комплексное тестирование иногда откладывается до этапа исследования тромбоза глубоких вен (ТГВ).
• Документация: Протоколы испытаний и результаты проверки первого образца, соответствующие объему работ по прототипу.

Сборка на уровне прототипа выявляет проблемы процесса, с которыми рано или поздно столкнутся при крупномасштабном производстве. Некачественная конструкция контактных площадок, приводящая к неравномерной пайке оплавлением, зазоры при размещении компонентов, вызывающие ложные срабатывания оптического контроля, несоответствие посадочных мест фактическому компоненту — все это обнаруживается при сборке прототипа, если сборщик внимательно следит за этим. Программы, рассматривающие сборку прототипа как источник обратной связи по технологичности производства, получают преимущества; программы, игнорирующие наблюдения за сборкой на уровне прототипа, часто сталкиваются с теми же проблемами в серийном производстве.

Стоимость изготовления прототипа печатной платы в расчете на единицу продукции в 5-10 раз выше, чем стоимость серийного производства при аналогичном охвате. Программы, которые планируют бюджет на этапе создания прототипа в соответствии с темпами серийного производства, обычно перерасходуют средства; программы, которые планируют бюджет на этапе создания прототипа реалистично, избегают непредвиденных расходов. Руководство по анализу затрат на изготовление печатных плат от Robot PCB охватывает конкретные экономические аспекты.

Испытания прототипов: характеризация, воздействие окружающей среды, целостность сигнала, электромагнитная совместимость, надежность.

Прототипные испытания должны характеризоваться погрешностями, а не только результатами «пройдено/не пройдено».

На ранних этапах тестирования печатной платы робота следует измерять стабильность работы по проводам, повышение температуры, очаги электромагнитных помех, запас прочности глазковой диаграммы, шум датчиков, плотность соединения разъемов, чувствительность к вибрации и возможность восстановления прошивки. Результат «пройдено/не пройдено» показывает команде, что плата работала исправно один раз; характеристика запаса прочности показывает, готова ли она к зависанию.

Тестирование на этапе создания прототипа отличается от тестирования в производственной среде. Тестирование прототипа направлено на выявление проблем; тестирование в производственной среде — на их обнаружение. Обычно набор тестов для прототипа включает в себя:

• Проверка первой статьи: Детальная проверка первых опытных образцов. Подтверждает соответствие конструкции проектному замыслу.
• Функциональная характеристика: Тестовое покрытие, измеряющее параметры, а не результат «пройдено/не пройдено». Предоставляет проектные данные для итераций.
• Характеристика окружающей среды: Работает в широком диапазоне температур, влажности и вибрации, соответствующих предполагаемой среде эксплуатации.
• Измерение SI и PI: Измерения с помощью осциллографа и сетевого анализатора для проверки качества высокоскоростного сигнала и целостности питания.
• Предварительное сканирование EMI: Зондирование в ближнем поле и сканирование перед проверкой соответствия требованиям позволяют выявить вероятные проблемы с сертификацией до проведения официальных испытаний в камере.
• Характеристика надежности: Длительный период эксплуатации, термоциклирование образцов и стресс-тестирование. Гарантирует надежность производства.

Цель тестирования прототипов отличается от тестирования в серийном производстве одним важным моментом. Тестирование в серийном производстве выявляет дефекты, которые не были устранены в процессе производства; тестирование прототипов характеризует саму конструкцию. Какой запас прочности у этой платы по сравнению со спецификацией? При каких условиях она начинает выходить из строя? Какие различия между отдельными экземплярами указывают на чувствительность конструкции? Эти вопросы позволяют усовершенствовать конструкцию таким образом, как это не удается сделать при тестировании по принципу «прошел/не прошел».

Практика роботизированного изготовления прототипов печатных плат и рабочий процесс DFM (проектирование для производства).

Отзывы о проектировании с учетом технологичности конструкции (DFM) должны стать частью плана пересмотра.

Полезный партнер по созданию прототипов делает больше, чем просто быстро изготавливает платы. Он передает результаты испытаний на этапах изготовления, сборки, закупки и тестирования в следующую версию. Именно этот цикл проектирования с учетом технологичности производства (DFM) превращает затраты на прототип в снижение риска пилотного проекта.

Практика Highleap в области прототипирования робототехники поддерживает специфические потребности прототипирования роботов — интеграцию нескольких плат, итеративное доработку и валидационное тестирование. Что предлагает Highleap:

• Изготовление прототипа: Стандартные и экспресс-варианты исполнения для всех роботизированных технологий производства печатных плат.
• Прототип печатной платы: Технология поверхностного монтажа (SMT) в сочетании с технологиями сквозного монтажа и специальными процессами на уровне прототипа.
• Обзор DFM: Выявляет проблемы до начала изготовления прототипов; предоставляет обратную связь по стандартным проектам в течение 3-5 дней.
• Поддержка тестирования: Функциональное тестирование с использованием тестовых стендов и встроенного ПО заказчика; сбор тестовых данных для получения обратной связи по результатам итераций.
• Поддержка интеграции: Интеграция многоплатных прототипов, при которой программе требуется работающая сборка, а не отдельные платы.
• Управление правками: Четкая маркировка и история изменений; обеспечение непрерывности источников данных между изменениями в утвержденных спецификациях материалов.

Часто задаваемые вопросы о прототипировании печатных плат роботов

Что такое прототип печатной платы робота?

Прототип печатной платы для робота — это ранняя версия печатной платы или сборки печатной платы, используемая для проверки электрической схемы, механических размеров, предположений о встроенном программном обеспечении, тепловых характеристик, электромагнитной совместимости и системной интеграции до начала серийного производства.

Сколько доработок прототипа обычно требуется для печатных плат роботов?

Для многих робототехнических программ требуется от двух до четырех доработок аппаратной части, прежде чем проект будет окончательно утвержден. Это число зависит от сложности системы, зрелости встроенного программного обеспечения, механической неопределенности, рисков, связанных с поставками, и объема проверок, проведенных перед первой сборкой.

В чём разница между ЭВТ, ДГТ и ПВТ?

EVT проверяет инженерные концепции, DVT проверяет соответствие окончательной конструкции требованиям, а PVT проверяет производственный процесс в пилотном масштабе. На каждом этапе должны быть определены критерии завершения, а не просто производить очередную партию плат.

Почему прототипы печатных плат для роботов стоят дорого?

Создание прототипов предполагает небольшие объемы производства, ускоренное снабжение, мелкосерийную настройку, неполную амортизацию оснастки, инженерную поддержку и иногда изготовление деталей на заказ. Высокая себестоимость единицы продукции обусловлена ​​не только приобретением оборудования, но и получением опыта и снижением рисков.

Что чаще всего вызывает повторное вращение печатных плат роботов?

К распространенным причинам относятся конфликты разъемов, ошибки, связанные с запасом по тепловому режиму, электромагнитная связь, неправильный доступ к контактам для прошивки, шумы датчиков, полярность обратной связи двигателя, недостаточное количество контрольных точек, изменения в структуре модулей и проблемы механической интеграции.

Следует ли использовать серийные материалы для изготовления печатных плат прототипов роботов?

При проверке целостности сигнала, тепловых характеристик, надежности при изгибе или характеристик, необходимых для сертификации, используйте материалы, аналогичные тем, что используются в серийном производстве. На ранних этапах создания прототипа можно использовать упрощенные методы, но эти упрощения должны быть задокументированы.

Какие файлы необходимы для составления сметы на прототип печатной платы робота?

Полезные файлы включают в себя файлы Gerber или ODB++, файлы сверления, спецификацию материалов, центроид, чертежи, примечания по сборке, требования к импедансу, примечания по программированию микропрограммы, специальные компоненты, предпочтительный срок поставки и предполагаемые цели проверки.

Как ускорить итерационный процесс создания прототипов?

Итерации проходят быстрее, когда проектная документация завершена, проблемы DFM устранены до выпуска, компоненты с длительным сроком поставки выявлены на ранней стадии, альтернативные варианты утверждены, тестовая прошивка готова, и каждая версия имеет четкую цель обучения.