автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обзорно-аналитические исследования пьезоэлектрических приводов и САПР.

1.1 Схемы пьезоэлектрических приводов.

1.2 Морфологический анализ пьезоэлектрических приводов.

1.3 Особенности автоматизированного проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов.

1.4 Постановка задачи исследования.

2. Теоретический подход к решению задачи создания автоматизированной системы проектирования пьезоэлектрических приводов.

2.1 Понятие о выборе вариантов пьезоэлектрических приводов.

2.2 Формы интегрального критерия.

2.3 Аналитическая процедура Саати.

2.4 Обобщенный критерий оценки качества пьезоэлектрических приводов42 Выводы по главе 2.

3. Математическая модель автоматизированной системы проектирования.

3.1 Структура модели сложных процессов в пьезоэлектрических приводах.

3.2 Вероятностная оценка работоспособности и ее общий запас в детали.

3.3 Физические представления о природе сухого трения в вакууме.

3.4 Закономерности процесса газовыделения при трении сопряженных тел в пьезоэлектрическом приводе.

3.5 Энергетический баланс в зоне контакта деталей.

3.6 Расчёт опорных узлов пьезоэлектрического привода.

3.7 Расчёт скорости движения выходного звена пьезоэлектрического привода.

3.8 Расчёт элементов пьезоэлектрического привода на привносимый уровень загрязнения.

3.9 Расчёт эффективного коэффициента трения в зоне контакта выходного звена и упругой пластины.

Выводы по главе 3.

4. Экспериментальные исследования пьезоэлектрических приводов.

4.1 Характеристика пьезоэлектрического привода.

4.2 Исследование динамических параметров пьезоэлектрического привода.

4.3 Исследование кинематических характеристик пьезоэлектрического привода.

4.4 Исследование силовых характеристик пьезоэлектрического привода.

4.5 Вакуумная установка для исследования работоспособности пьезоэлектрического привода в вакууме.

4.6 Результаты экспериментальных исследований.

Выводы по главе 4.

5. Разработка перспективных пьезоэлектрических приводов с использованием автоматизированной системы пректирования.

5.1 Пьезопривод для нанотехнологии.

5.2 Устройство перемещения для нанотехнологии.

Выводы по главе 5.

Усложнение объектов проектирования определяет задачу создания компьютеризированной методологии проектирования и построения на ее основе автоматизированных систем, способных решать не вспомогательные, а основные задачи синтеза объектов. Одним из наиболее мощных средств для исследования и проектирования технических систем является моделирование. Использование моделирования, начиная с ранних стадий проектирования, и постепенное накопление информации за счет уточнения и детализации модели позволяет говорить о расширяемой адаптивной модели всего цикла проектирования. Соответственно, при анализе различных свойств объекта проектирования (ОП) модельное представление должно формироваться наиболее подходящим для этой цели образом, независимо от конкретного процесса или этапа проектирования, и сохранять все требуемые свойства проектируемого объекта. При этом естественна и необходима модификация модели, т.е. исходное описание должно допускать внесение изменений.

Широкое внедрение компьютеризации в условиях научно-технического прогресса обеспечивает рост производительности труда в различных областях производства. Развитие новой техники в современных условиях замедляется не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие автоматизированных систем проектирования.

Развитие микроэлектроники, переход на нанотехнологии требует использования новых типов приводов для работы в вакууме. Одними из них являются пьезоэлектрические приводы (ПЭП). Принцип их действия основан на преобразовании высокочастотных механических колебаний в непрерывное вращательное или поступательное перемещение рабочего органа. Для большинства пьезоэлектрических приводов амплитуда колебаний преобразователей весьма мала - 0,1*10"3 - 10"3 мм. Предельные значения составляют амплитуды в 0,1-0,2 мм, применяемые в быстроходных устройствах.

Однако широкое внедрение таких приводов сдерживается сложностью их проектирования, отсутствием моделей и способов оценки конструкции на отдельных стадиях проектирования. Поэтому актуальна разработка автоматизированных систем проектирования таких приводов, включающая комплекс методических средств и моделей, а также способов оценки качества проекта в целом.

Важным моментом применения пьезоэлектрических двигателей в оборудовании электронной техники является их использование в вакууме без дополнительных устройств передачи движения через герметичную стенку, т.е. проблема создания ввода в вакуумный объём отпадает сама собой при использовании пьезоэлектрических приводов.

Автоматизированная система проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов (ПЭП) может играть роль мощного средства, эффективное применение которой невозможна без разработки комплекса методических указаний и инструкций, используемых на каждом этапе и регламентирующих их последовательность.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы проектирования ПЭП, позволяющей сократить время их проектирования, выбирать наилучшие варианты среди спроектированных, рассчитывать параметры работоспособности пьезоэлектрических приводов при заданных исходных данных с учётом привносимой дефектности по микрочастицам и газовому потоку и создание нового вида привода, удовлетворяющего всё возрастающим требованиям прецизионно-стерильного оборудования электронной техники и точного приборостроения.

В соответствии с поставленной целью на защиту выносится:

1. Способ оценки качества ПЭП.

2. Модели образования привносимой дефектности в условиях вибрационного режима работы ПЭП.

3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров работоспособности ПЭП.

4. Создание автоматизированной системы проектирования ПЭП, отвечающей критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности.

5. Технические решения ПЭП.

Методы исследования. В качестве методов исследования в работе используются положения теории систем, теории множеств, теории принятия решений и искусственного интеллекта. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов выполнена на специально созданных установках и стендах.

При проведении экспериментальных исследований применялись методики прямых и косвенных измерений методом тензометрии, с последующей обработкой результатов методами теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна обусловлена:

1. Созданием автоматизированной системы проектирования ПЭП.

2. Предложенной структурой модели сложных процессов, происходящих в ПЭП.

3. Представленным способом оценки качества для ПЭП.

4. Предложенной моделью сухого трения и износа в условиях вибрационного режима работы ПЭП.

5. Предложенными теоретическими формулами расчёта привносимой дефектности, кинематических и динамических параметров ПЭП.

Достоверность результатов. Достоверность проведённых теоретических исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, известными в литературе и полученными автором.

Практическая значимость:

1. Предложено автоматизированное рабочее место (АРМ) для разработчика ПЭП в структуре САПР.

2. Разработаны технические решения ПЭП, отвечающие критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам ПЭП.

3. Создан программный продукт «Вакуумный пьезопривод» (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611099).

Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе в МГИЭМ и практике системного конструирования для производства материалов и приборов электронной техники в НИИ МЭИИТ, НИИ ПМТ и НИИ СУВПТ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника»; на научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» в 2000, 2001, 2002 годах, а также на конференциях МГИЭМ для молодых учёных и специалистов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, сделано 4 доклада на Всероссийских конференциях, написано 3 депонированных статьи.

Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы по главе 5. Разработан пьезоэлектрический привод. Применение предлагаемого пьезопривода для нанотехнологии обеспечивает высокую точность углового перемещения порядка ± 3 сек, что позволяет использовать такой привод для реализации сверхточного углового перемещения.

Разработано устройство перемещения для нанотехнологии. Применение предлагаемого технического решения устройства перемещения для нанотехнологии расширяет его кинематические возможности, т.е. позволяет точно перемещать изделия на большие расстояния порядка 150-300мм, с погрешностью позиционирования ± 0,5 нм.

Заключение.

1. Предложена методика оценки качества пьезоэлектрического привода (ПЭП), учитывающая функциональные, экологические и экономические локальные критерии качества, которые входят в обобщенный критерий с учётом их весовых соотношений,

2. Разработанные модели образования привносимой дефектности в условиях вибрации позволяют аналитически реализовать конструкции ПЭП, дефектность от которых наименьшим образом влияет на технологическую среду, а также получить добавочную информацию о множестве параметров ПЭП.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований параметров работоспособности пьезоэлектрического привода в вакууме предложена морфологическая таблица приводов, которая обеспечивает эвристический подход к их проектированию с использованием известной и дополненной базы знаний автоматизированной системы проектирования.

4. На основе предложенных алгоритмов и пакетов прикладных программ разработана автоматизированная система проектирования ПЭП, позволяющая сократить время проектирования пьезоэлектрических приводов для работы в вакууме, выбирать наилучшие варианты среди спроектированных, рассчитывать параметры качества пьезоэлектрических приводов при заданных исходных данных с учётом привносимой дефектности по микрочастицам и газовому потоку, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности.

5. На основе разработанной автоматизированной системы спроектирован^ перспективные пьезоэлектрические приводы для работы в вакууме. Предложенные технические решения пьезоэлектрических приводов, механизмов и устройств отвечают критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности.

1. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения систем автоматизированного проектирования - 2-е изд., стер. - К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985. - 294 с.

2. В.И. Николаев, В.М. Брук Системотехника: методы и приложения. JI: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1985. - 199 е., ил.

3. Многокритериальный выбор технических объектов: Метод. Указ. По выполнению расчётно-графической работы по специальности 20.05 / Моск. Гос. Ин-т электроники и математики; Сост.: Б.Г. Львов, А.И. Кожевников, С.П. Смоленский. М., 1997. 20 с.

4. Ларичев О.И. Л25 Теория и методы принятия решений, а также Хроника событий в Волшебных Странах: Учебник. М.: Логос, 2000. -296с.: ил.

5. Советов Б.Я., Яковлев С.А. "Моделирование систем" Учебник для ВУЗов -М.: Высшая школа, 1985 г.6. http://elmech.mpei.ac.ш/homes/Petrichenko^ac2.html

6. Крагельский И.В. и др.Трение и износ в вакууме. М.: Машиностроение, 1973. - 216с. ил.

7. Епифанов Г.И., Аветисян И.С. Механизм смазочного действия граничных пленок. ДАН СССР, ИМАШ.; В сб. трудов 3-ей Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах, I960. с.92-97.

8. Епифанов Г.И., Минаев Н.И. Исследование трения как сопротивление сдвигу тонких поверхностных слоев твердых тел. ДАН СССР, ИМАШ.: В сб. трудов 3-ей Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах, I960, с. 103-107.

9. Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. -526с., ил.

10. П.Ивашов Е.Н., Некрасов М.И., Расчет интенсивности износа в подшипнике скольжения при сухом трении. М.: НИИНавтопром. Деп.рук.№900ап-Д83.1983.-5с.,ил.

11. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти томах /Ред.совет: В.Н. Челомей (пред.).- М.: Машиностроение, 1981. т.6 Защита от вибраций и ударов/ Под ред. К.В.Фролова, 1981. - 456с., ил.

12. З.Моргунов Б.И., Петров Л. ф. Динамический расчет конструкционных элементов ЭВМ. Вопросы радиоэлектроники. Серия АВТ, 1981, вып.З - с.82-86.

13. Ивашов Е.Н., Некрасов М.И. Расчет коэффициента трения о подшипнике скольжения, при сухом трении. М.: НИИНавтопром. Деп.рек. № 899 ап-Д83.1983.-5с.,ил.

14. Тимощенко С.П. Сопротивление материалов. 4.2: Теория и задачи.- М.-Л Государственное технико-теоретическое изд-во, 1933. -340с., ил.

15. Трение, изнашивание и.смазка: Справочник в 2-х кн. Кн.1. Под ред. И.В.Крагельского, В.В.Алисина, М.: Машиностроение, 1978.-400с., ил.

16. Bowden F. Tabor D. The friction and lubrication of solids Oxford Univercity Press 1954,216р.

17. Карапетян C.C., Коростелин Ю.И. Адгезионная модель трения. -ДАН, Машиноведение, № 6, 1980. -, с. 100-105, ил.

18. Ивашов Е.Н., Некрасов М.И. Адгезионная модель трения металлических материалов подшипников скольжения. М,: НИИНавтопром. Деп. рук. № 824 ап-Д82, 1982.-5с., ил.

19. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М. Мир, 1969. -681 е., ил.

20. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970,

21. Курманалиев Т.И., Некрасов М.И., Ивашов Е.Н., Степанчиков С.В. Определение коэффициента трения материалов НКА, работающих в вакууме. В кн. Конструирование научных космических приборов. М.: Наука, 1985. - с. 33-37, ил.

22. Ивашов Е.Н., Некрасов М.И. Расчет интенсивности изнашивания волновых зубчатых передач. Вестник машиностроения, №1, 1984.-с.23-27.

23. Решетов Д.Н. Детали машин. М.:, Машиностроение, 1974. -655с. ил.

24. Розанов Л.и.1 Вакуумная техника: Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 1982. 207с., ил.

25. Блехман И.И. Что может вибрация?: О "вибрационной механике" и вибрационной технике. М«: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит.,1988 - 208с. -ISBN 5-02-013808-8.

26. Бинсявичюс Р.Ю. Рагульскис К.М, Вибродвигатели, Вильнюс: "Мокслас". 1981.- 193с.

27. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский B.C. Пьезоэлектрические двигатели. -М.: Энергия, 1980. -112с.

28. Бараускас Р.А., Кульвелес Г.П., Рагульскис К.М. Растет и проектирование вибродвигателей. -Л.: Машиностроение, 1984, 101с.

29. Вибрационные преобразователи движения, под ред. К.М. Рагульскиса. -Л.: Машиностроение, 1984. -64с.

30. Джагутов Р.Г., Ерофеев А. А. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. -Л.: Машиностроение, 1986, 256с.

31. Ерофеев А.А., Смирнов А.Б., Уланов В.Н. Волновые пьезодвигатели (опыт разработки и использования) -Л.: ЛДНТП, 1989. 23с.

32. Горшков Б.И. Радиоэлектрические устройства: Справочник -М.: Радио и связь, 1984 400с., ил.

33. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Т.1. Пер. с англ. Изд, 2-е стереотип. М.: Мир, 1984 - 598с.

34. Расчет и выбор подшипников качения: Справочник Н.А. Спицын, Б.А.

35. Яхин, В.М. Перегудов, И.Н. Забулонов М.: Машинистроение,1974 57с.

36. Спицын Н.А. Ган К.Г. Методические указания по расчету и выбору подшипников качения. М.: МИЭМ 1977 46с.

37. Некрасов М.И., Ивашов Е.Н. ,Степанчиков С.В. Коэффициенты трения металлов, твердых смазочных покрытий и антифрикционных материалов в атмосфере и вакууме Стандарт предприятия СТП МИЭМ 24-85. М., 1986- 8с.

38. Подшипники качения: Справочник-каталог Под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Коросташевского. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

39. Курманалиев Г.И., Григорьев И.Ю. Ивашов Е.Н., Некрасов М.И. Расчет долговечности шарикоподшипников механических узлов научной космической аппаратуры В кн.: Конструирование приборов для изучения космоса-М.: Наука, 1985. с. 181-185.

40. Ивашов Е.Н., Некрасов М.И., Соломатин В.Ф., Теоретические исследования свойств поверхностных слоев контактирующих материалов. Тезисы докл. на Всесоюзной НТК "Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума" Л.: Машиностроение, 1985, 1с.

41. Ивашов Е.Н., Некрасов М.И., Степанчиков С.В. Исследование фрикционных характеристик твердосмазочных покрытий в вакууме. В кн.: Органические и полупроводниковые материалы. - Пермь: ЛГУ, 1987. с.170-181.

42. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин М.: Высшая школа, 1974, 206с.

43. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Кн .2. Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1979, 358с.

44. Виноградов А., Ивашов Е.Н., Степанчиков С.В. Повышение работоспособности пьезоэлектрического привода. Тезисы докл. на НТК "Вакуумная наука и техника". Гурзуф, 1994, 1 с.

45. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1964.-286 е., ил.

46. Аветисян Д.А., Башмаков И.А. и др. Системы автоматизированного проектирования; типовые элементы, методы и процессы. М.: Издательство стандартов, 1985. - 180 е., ил.

47. Трудоношин В.А., Пивоварова Н.В., Математические модели технических объектов. М.: Высшая школа, 1986. - 160 е., ил.

48. Капустин Н.М., Васильев Г.Н. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования-М.: Высшая школа. 1986 191с., ил.

49. Ивашов Е.Н. Коэффициент работоспособности исполнительного устройства промышленного робота. М.: ВНИИТЭМР. Деп. рук. № 412 мш-85, Деп., 1985.-6 с.

50. Земсков О.В., Ивашов Е.Н., Пяткина Д.А., Степанчиков С.В. Исследование силовых характеристик пьезоэлектрического привода.

51. Ивашов Е.Н. Теория и проектирование I координатных исполнительных устройств оборудования электронной техники на стадиях предварительной разработки. - Дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н., -М.: МГИЭМ, 1993 - 420 е., ил.

52. Майер К. Физико-химическая кристаллография. М: Металлургия, 1972-480 е., ил.

53. Д.И. Агейкин, Е.Н. Костин, Н.Н. Кузнецова Датчики контроля ирегулирования, 1964 г.

54. Декан ф-та электроники, зав. кафедрой «Технологические системы электроники); Профессор каф.

55. Технологические системы электроники» Доцент каф.

56. Технологические системы электроники» С.В.1. Львов Б.Г.1. Ивашов Е.Н.1. Степанчиков

57. НИИ СУВПТ (систем управления волновых процессов и технологий)1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы О.В. Земскова на тему: "Разработка автоматизированной системы проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов"

58. НИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ и ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (НИИ МЭИИТ)1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы О.В. Земскова на тему: "Разработка автоматизированной системы проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов"