автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Схемотехническое и функциональное проектирования вакуумной коммутационной аппаратуры

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ, ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Для служебного пользования Экз. N

На правах рукописи УЖ 621. 52/. 646: 658. 5

БАТРАКОВ ВАСИЛИЯ БОРИСОВИЧ

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05. 27. 07. - Оборудование производства

электронной техники Специальность 05.13. 12. - Системы автоматизации

проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

'т-О Н'У/К

РаОота выполнена в Московском институте электронного машиностроения. ' .

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Б. Г. ЛЬВОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А. Т. АЛЕКСАНДРОВА, доктор технических наук. Профессор Е. М. !ШАЙЛОЬ

Ведущее предприятие указано в решении специализированного Совета. • ,

Защита диссертации состоится " " 1992г.

в часов на заседании специализированного Совета (шифр

К 063.68.06) Московского института электронного машиностроения

по адресу: 109028, Москва, Б. Вузовский пер.. д. 3/12, ЫИЭЫ.

С диссертацией можно ознакомиться в ОиОлиотеке ЫИЭМ.

Автореферат разослан " ^ " ОЯ^З&ЛЯ 1992 г.

Ученый секретарь •специализированного Совета

к. т.н., доцент „уА-В- ГАВРИЛЕНКОГОРОШЕВСКЛЙ

7-

- 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ-

Актуальность работы. Разработка новых вакуумных технологий и широкое внедрение вакуумной техники в различные отрасли промышленности предъявляют к элементной базе вакуумного оборудования повышенные требования, разнообразный и-меняющийся'диапазон значений которых обуславливает, в частности, необходимость модернизации и разработки новых конструкций вакуумной коммутационной аппаратуры ЧВКА). Традиционное проектирование, основанное на интуитивно-эмпирическом подходе, исходя из уровня знаний конструктора, не удовлетворяет, в полной мере ужесточившимся требованиям к созданию BKA (например, необходимости минимального воздействия потоков газовыделения и загрязнений на технологическую среду оборудования производства изделий электронной техники, работе при температурах 600-800 К, повышению показателей надежности в десятки раз й т. д.), что особенно заметно на примере цельнометаллической BKA, показатели качества которой, начиная с начала 70-х годов, по существу не улучшаются. В связи с этим существующие конструкции BKA громоздки, имеют небольшой ресурс и наработку на отказ. Ситуация осложняется отсутствием единого научно обоснованного• подхода к проектированию BKA, что приводит к неоправданному ее многообразию, низкому .качеству конструкций и, как следствие,- к отказам и простоям дорогостоящего оборудования при эксплуатации. Кроме того, проявляется тенденция к значительному уменьшению сроков проектирования BKA, которая наряду с указанными факторами вызывает необходимость автоматизации процесса проектирования.

Одним из выходов из сложившейся ситуации является разработка и применение новых развивающихся методик проектирования, позволяющих генерировать множество различных технических решений и проводить. целенаправленный их поиск и еьйор, исходя из технического й'з-

дания (ТЗ).имеющего,жесткие и иногда полярные требования. Эти процедуры особенно важны на начальных стадиях проектирования,в основном формирующих облик будущего изделия. В связи с этим разработка методики схемотехнического и функционального проектирования BKA, заключающегося в синтезе и анализе BKA на этапе технического предложения и содержащего оценку свойств BKA на основе исследования процессов ее функционирования, генерацию и выбор принципиальных технических решений, определяющих структуру BKA с учетом специфики ее функционирования в составе конкретной вакуумной системы, приобретает большую актуальность. -

Однако создание подобной методики осложнено отсутствием многих знаний: .системной модели BKA для постановки задач схемотехнического и функционального проектирования; исследований процесса функционирования BKA с поаиций схемотехнического проектирования; формального описания структур BKA к процесса их синтеза; формализованных научно обоснованных методов принятия решений при конструировании ВКЛ.

Целью работы является создание научно обоснованной методологии схемотехнического и функционального проектирования BKA, направленной на решение проблем проектирования BKA, с конкретной реализацией в виде новых конструкций BKA и программно-информационных средств, предназначенных для анализа, синтеза и моделирования работы BKA.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи: проведение системного анализа BKA; разработка системной модели процесса проектирования BKA; разработка методики и математических моделей процесса проектирования BKA на уровне формирования ее структурных схем; построение.и исследование модели функционирования BKA; разработка Формализованных методов выбора и критериев оптимальности при структурном синтезе BKA; разработка комплекса программных средстЕ автоматизации

начальных этапов проектирования BKA; оазоаботка новых конструкций BKA на основе использования созданного методического и информационно-программного обеспечений.

Методы исследований. В процессе решения поставленных задач использованы методы теории сложных систем, теории графов и множеств, теории механизмов и машин, теории принятия решений, математической логики и математического моделирования.

Научная новизна.

1. Разработаны "инвариантные относительно иерархического уровня представления BKA и являющиеся основой создания методик функционального л г{емотехнического проектирования системные модели, описывающие' основные характеристики BKA и ее структурных составляющих как объектов конструирования (функции, структуру, свойства и связи с внешней средой) и основные характеристики и знания процесса проектирования BKA (цели проектирования, уравнения проектирования и функционирования, критерии оптимальности).

2. Предложены математические модели BKA на этапах функционального и схемотехнического проектирования, выведены и обоснованы критерии оптимальности BKA, позволяющие определить пути совершенствования и выбор наилучших технических решений.

3. Предложены обобщенная модель, методика и математические модели функционального и схемотехнического проектирования BKA, предоставляющие конструктору упорядоченную последовательность действий, необходимых для выбора "стратегии при создании BKA, и возможность генерации и нахождения удовлетворяющих ТЗ технических решений.

4. Разработана методика синтеза физического принципа действия (ФПД) BKA как этапа ее функционального проектирования, позволяющая получать новые функциональные структуры BKA.

5. Разработаны методика и математическая модель оценки конструкций BKA и ее структурных составляющих, позволяющие диагностировать их технический уровень, проводить их оценку и выявлять необ/оли-

-. 6 -

мость модернизации конструкций.

Практическая ценность. Созданы перспективные конструкции BKA с высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями качества, удовлетворяющие разнообразным требованиям вакуумного технологического оборудования.

Разработана машиноориентированная методика параметрической оценки технического уровня создаваемых конструкций BKA.

На основе проведенных теоретических исследований создан комплекс программных средств для моделирования процесса функционирования BKA, автоматизации процедур выбора BKA и ее структурных составляющих, синтеза элементных структур BKA и ее механизмов, а также синтеза ФПД BKA, позволяющий сократить сроки и трудоемкость проектирования BKA и повысить качество конструкторских разработок.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы внедрены на заводе "Темп" (г. 5урманов), являющемся специализированным предприятием по производству BKA, кроме того созданные конструкции BKA внедрены в ОИЯИ (г. Дубна), а разработанное программное обеспечение внедрено ь НПО "Вакууммаш-прибор" (г. Москва) и НЖГМ (г. Зеленоград).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуядались на V Всесоюзной конференции 'Чизика и техника высокого и сверхвысокого вакуума" (г. Ленинград, 1985), на зональном семинаре "Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР" (г. Пенза, 1987), на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация проектирования и конструирования в электронном машиностроении" (г. Москва, 1988), на Всесоюзном семинаре "САПР в машиностроении" (г. Ульяновск, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития вакуумной техники" ("Вакуум-91") (г. Казань, 1991).

Публикации. Основные практические и научные результаты

диссертации опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 9 авторских свидетельствах.

На защиту выносятся: системные модели BKA и процесса ее' функционального и схемотехнического проектирования; методика и математические модели функционально-схемотехнического проектирования BKA; математические модели BKA на этапах функционального и схемотехнического проектирования; методика и математическая модель оценки конструкций BKA и ее структурных составляющих; результаты исследования математической модели функционирования BKA и критерии оптимальности, конструкций BKA; новый класс BKA переменной структуры и конструкции BKA.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения', четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, содержащих акты внедрения, подтверждающие практическое использование результатов работы, укрупненные блок-схемы созданного программного обеспечения и общие виды разработанных- конструкций 'BKA'.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой-проблемы, .обобщенно описан процесс схемотехнического и функционального проектирования BKA, укрупненная блок-схема которого.показана на рис. 1. На основании анализа •приведенной схемы определен круг задач, подлежащих решению, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы условия работы BKA, определяемые типом вакуумного оборудования, и сформулированы основные требования, предъявляемые к BKA. Проведен функционально-структурный анализ BKA и выделены ее функциональные модули (ЙО: привод, механизм преобразования движения, ввод движения в вакуум, механизм перемещения и герметизации, уплотнительнзя пара и корпус. Анализ

Рис. I. Блок-схема функционального и схемотехнического проектирования BKA.

конструкций BKA показал, что для проведения схемотехнического и функционального проектирования, иерархия BKA, определяющая ее морфологическую структуру; может быть представлена двухуровневым деревом, в котором первый уровень - BKA в целом; второй уровень -множество ФМ, входящих в структуру BKA. Показано наличие взаимосвязи между функцией и структурой BKA, отмечена стабильность обобщенной структуры BKA и возможяость ее формирования ЕЫбором из множества вариантов составляющих BKA элементов, что позволяет считать применимыми для схемотехнического проектирования BKA методы поискового конструирования. Показано отсутствие единого подхода к проектированию ЕКА, приводящее к неоправданному многообразию ее конструкций, , и отмечена сложность конструирования механизмов ЕКА.' Предложена классификация BKA, включающая ее разбиение по. признакам используемых механизмов и дополняющая известные классификации. Проведена обобщенная оценка качества BKA по критерию относительной проводимости, позволившему сравнить эффективность конструкций различного типа. Отмечено отсутствие корректных критериев, позволяющих оптимизировать BKA и осуществлять выбор ее рациональной структуры. -

. Анализ методов поискового, конструирования показал целесообразность использования метода морфологического анализа и синтеза, позволяющего формализовать процесс проектирования BKA на этапе синтеза ее структурных схем. Отмечаются перспективные возможности данного метода для синтеза новых технических решений при условии решения задачи структурной оптимизации и оценки.

Отмечено отсутствие разработок по автоматизации схемотехнического и функционального проектирования объектов класса BKA.

Вторая глава посвящена системному анализу BKA и ее структурных составляющих, исследованию и разработке информационного обеспечения-структурного синтеза и анализа ЕКА.

С позиций поставленных задач системнс? описание ЕКА

представлено в виде двух групп соотношений: системной модели BKA как объекта конструирования (1) и системной модели процесса проектирования BKA (2), при этом первая.строка'выражения (1) описывает BKA в целом, а вторая строка описывает ФМ BKA.

_ Г -< F, S, Z,H> ßKAn = (2)

где F - множество функций; S - множество структур; 2. - множество функциональных свойств; Н - множество свойств, проявляющихся при взаимодействии с окружением; L - номер ФМ BKA; Я - количество ФМ; множество существующих вариантов BKA и ее элементов;

tl - множество отношений; Q - множество- целей проектирования BKA; R - множество соответствий, определяющих уравнения функционирования и проектирования БКА; К - множество соответствий, оценивающих оптимальность BKA; t- - 1,2 - уровень членения BKA.

Отсутствие компонента. S в соотношении (2) показывает, что конкретная структура BKA является результатом процесса, т. е. схемотехническое проектирование BKA формально представимо как создание, поиск и преобразование различных аспектов ее структур.

Рассмотрена каждая из системных характеристик в выражениях (1) и (2), сформировано множество функций F-F UF , включающее базовые функции F^'ffil , задающие принцип функционирования BKA,

_2 f r2 i

и основные вспомогательные функции г - \ г к J , направленные на улучшение базовых. Показана необходимость функционального анализа для эволюции BKA и описано множество структур BKA, представленное в виде:

, § « [ $<р„ Sß, Ss, SK} - (3)

где Sn - принципиальная; Sf - Функциональная; Зд - абстрактная; v - Sm - морфологическая;' Sg - вариантная; Sj - элементная и \ -компоновочная структуры.

На основе проведенных исследований разработаны функциональная и структурные модели BKA, представленные в виде графов где Vt - множество вершин графа (функции, элементы), а Щ- множество дуг, описывающих отношения между. Vi . Для перехода от стадии функционального проектирования на стадию проектирования структуры BKA разработаны правила, описывающие отношения следования структурных составляющих BKA, т.е." упорядоченность ЯМ, и отношения их совместимости по функциональным параметрам.

В главе приведен анализ'свойств, присущих BKA и ее ФМ, описываемых четверкой:

iH = <tZ,XXLH5> (4)

где L - функциональные свойства;

Н1 ,Нг , Н5-

соответственно

множества эксплуатационных, . производственных и конструктивных свойств; L-0,H - индекс принадлежности свойства BKA ( L - 0) или соответствующему ФМ; Л - число Ш . •

В соответствии с (4) сформированы множейтва^свойств, характеризующих BKA и ее основные ФМ, полученные на основе исследования их' связей с окружением. Моделями, отражающими множественный характер взаимосвязей свойств BKA и ее ФМ, служат^разработанные таблицы связей, позволившие решить следующие задачи: определение необходимых для конструирования связей между свойствами BKA и требованиями окружения; формирование системной модели для формализации процесса проектирования; выявление необходимых для теоретических и экспериментальных исследований неизвестных ранее взаимосвязей; формализация анализа изменений при корректировке исходных данных и адаптации проектирования к изменению окружения.

Движущим фактором процесса проектирования является его цель, вытекающая из анализа конкретного ТЗ на разработку BKA. В работе рассмотрено понятие цели при проектировании BKA. Выделены потребительские цели Qf =<Т,(где Т - множество параметров ЕКА, не удорлетчоряющ'х ТЗ, И - множество отношений типа "изменить".) и

проектные цели Qi~<S,H > (где 5 -.множество синтезируемых структур BKA, Н*~ множество значений свойств структуры,- удовлетворяющей ТЗ), позволяющие обобщенно представить процесс ..функционального и схемотехнического проектирования BKA выражением: Q S«

ТЗ—'*• S<p—+S3 (5)

На основе анализа разработанных таблиц связей параметров свойств BKA построено дерево целей проектирования BKA, фрагмент которого приведен на рис. 2. При этом путь на дереве до выбранной , подцели условно 'определяет исходные задачи проектирования. Показана связь потребительских целей проектирования с функцией, структура

рой и генерацией вспомогательных функций • BKA.

Представлено необходимое с позиций системного подхода к описанию процесса проектирования BKA уравнение ее—функционирования, связывающее входные и выходные параметры BKA с внутренними параметрами ее ФМ и введены критерии, оценивающие качество получаемых конструкций BKA (компоненты ^ и К выражения (2)), подробный вывод которых рассмотрен в третьей главе диссертации.

Третья глава посвящена разработке методологии функционального и схемотехнического проектирования BKA, разработке методик выбора и анализа BKA и ее структурных составляющих и структурного анализа' BKA. Проведена формализация этапов процесса проектирования и проведены исследования кинематических и динамических свойств BKA.

В соответствии с блок-схемйй, представленной на рис. 1, построен алгоритм процесса проектирования BKA, начинающегося с поиска • и анализа аналогов и прототипов, соответствующих параметрам ТЗ. Причем вначале может быть произведен выбор типа (класса) BKA, а затем параметрический анализ конструкций выбранного типа Формально описано условие существования аналога и разработана методика ^.параметрического анализа конструкций BKA, состоящая из следующих ■ процедур: построение матрицы значений параметров качества существующих вариантов конструкций BKA; определение вектора параметров

Проектные цели

ПЬтребительские цели

принцип действия

Рис. 2. Фрагмент дерева целей проектирования ВКА.

свойства пов-тей деталей УП !

твер- ша- точност-

дость ро- ные ха- ,

хо- ракте- !

ватость ристиет

- - ' -'14 -

качества, регламентируемых предъявленными требованиями (ТЗ); разработка параметрической модели конструкции, являющейся "идеальной" по отношению к ТЭ; формирование допустимого диапазона варьирования энач'ений параметров качества; определение весовых коэффициентов параметров качества; выявление вариантов конструкций, удовлетворяющих Т? по значениям параметров качества; построение" матрицы нор-' мированных значений параметров качества выявленных" вариантов и идеальной модели; расчет интегрального критерия качества и выбор наилучшей конструкции. В качестве количественной оценки оптималь- • ности конструкции принята функция ее евклидова расстояния до идеальной модели в пространстве взвешенных локальных критериев:

ty * = Ji&(Yy-Yu,f (6)

где коэффициент весомости ¿-го параметра качества; V^' .Vlu * ' соответственно нормированное значение L-го критерия рассматриваемого j -го варианта конструкции и идеальной конструкции; К - число регламентируемых параметров качества.

Минимальное значение критерия Л) соответствует наилучшей конструкции BKA.

Отсутствие аналога определяет необходимость собственно проектирования. При этом выявленные цели проектирования согласно выражению (5) позволяют сформировать требуемую функциональную структуру BKA.

Показано, что отсутствие удовлетворительной функциональной структуры или появление новых функций для достижения потребительской цели проектирования BKA приводит, согласно рис. 1, к необходимости синтеза ФПД BKA как этапа функционального проектирования. В главе описана разработанная методика синтеаа ФПД, требующая выполнения следующих процедур: формирование банка физических эффектов (<JQ), обеспечивающих реализацию функций BKA; структуризация ■ описания ФЭ; анализ существующих структур BKA с целью выявления

элементов, не обеспечивающих выполнение требований ТЗ; формирование цели проектирования; уточнение Sp BKA; генерация цепочек 46, реализующих уточненную Scp, и анализ полученной структуры ФПД BKA. После выбора ФМ, реализующих необходимые Ф8, по методике схемотехнического проектирования синтезируется элементная структура BKA.

На основании исследований, проведенных в первой и второй главах диссертации, разработана модель процесса функционального и схемотехнического проектирования BKA, представленная в виде:

тзÄ s^sAsi-^sr^r^T'— sr <7)

где Sj^ Sa"1- соответственно множества вариантных обобщенных и ра-cJ«n. сра& c«wn.

циональных структур; Ja , Ja , ->3 - соответственно допустимые, рациональные и оптимальная элементные структуры; 1:7 - процедуры (правила) соответствующих преобразований.

Проведена формализация процесса синтеза структур BKA с использованием языка исчисления предикатов. При этом правило формирования множества допустимых функциональных структур S<p ( fy ) имеет следуюшлй вид:

VSj^F^Ad/Sjjc)—

где Fi., l> - 1, 3. 5 - обязательные функции BKA, соответственно: создавать и передавать механическую энергию для перемещения уплот-нительного диска, передавать движение из атмосферы в вакуумную среду и герметизировать стык седла с уплотнительным диском; -предикат, означающий отношение включения; - предикат, означающий допустимость структуры.

В свою очередь каддой рабочей функции Fj можно поставить в соответствие реализующий ее обобщенный родовой элемент - ФМ,. являющийся абстрактным объектом Aj

А; (Па) , что позволяет сформировать множество абстрактных структур Sд BKA.

формализация выбора типа BKA и вариантов ее структурных

составляющих осуществлена с помощью разработанных с учетом морфологии BKA ( Sм ) таблиц соответствия M"Pxß , в которых параметр Рц^, имеющий значений, представляется ty булевскими пе-■ ременными где 'Bâ(Bq) -1, если

w(Bg') - О, если ; посредством отображения ( П3 ) :

ML: Аф-гву, B^CbiCAi О)

где - S-ое значение параметра Pùfy- Ç--го требования к t- -ому ФМ; Bt- множество вариантов 1-го ФМ.

Рациональность структуры выявляется процедурой Пц определяющей качественную совместимость ¡Ç4 выбранных элементов 5а ' и описываемой следующими выражениями: •

VXL 3Xj5nKä П£и(<г,Х;)Лог3ГХ£,Пк)Л

Bi. В! t»t v . î "W о # \

* AHkfMtb^^ti (10) fi»

Jxd Xii X, {e(u,*j ) л ШЩ, (щ) л Ш)

где Пк, Пt , - l.n - множество качественных признаков, описывающих входные и выходные свойства ФМ; ß- предикат, означающий отношение следования между ФМ; - предикат, означающий'отношение принадлежности признаков кФМ; оЦ - предикат, означающий отношение эквивалентности между признаками; Qi- предикат, означающий отношение "состоять из".

Использование морфологической структуры BKA- и значений

требований ТЗ позволяет сформировать множество допустимых элемент- ■ с*» п

НЫХ структур (IIS):- ч

где PijK , К - 1,П. - множество параметров j -го варианта >-гр ФМ; Р*- множество параметров ТЗ; сЦ- предикат, означающий отношение " > " -между значениями параметров.

На основе анализа, отношений параметрической совместимости

лР

выбранных <ХМ, описываемых выражением ИЗ), формируют ( Лб):

где ^ ,htuf." соответственно значения параметров входных и выходных свойств Ш BKA; с'с - предикат, означающий отношение " - " между значениями пара^тров. _

Причем ßi/B,/)J , где - индекс, означа-

ющий соответственно отношение функциональной, параметрической, эксплуатационной и технологической совместимости; /71=^0 - номер сопряжения в структуре.

Для выбора оптимальной S9 ' ( ß7 ) использован критерий (6).. Выявленная по формуле (13) несовместимость основных ФМ BKA приводит к появлению вспомогательных ФМ - механизмов, согласующих входные и выходные параметры движения h основных Ш

. Показано, что из-за отсутствия деления множества механизмов по типоразмерам их параметрическое описание затруднено, поэтому механизмы BKA 'целесообразно не выбирать, а синтезировать непосредственно в процессе создания конкретной конструкции BKA. При этом в силу стабильности типов основных ФМ BKA, при проектировании BKA синтез схем ее механизмов выдвигается на первый план, а задача оптимизации конструкций BKA в большинстве случаев сводится к оптимизации ее механизмов.

Разработана методика синтеза схем механизмов BKA, включающая следующие основные этапы: выделение классификационных признаков, характеризующих принцип работы BKA; выбор желательной структуры BKA, применительно к механизмам, в соответствии с предложенной структурно-конструктивной классификацией; анализ входных и выходных характеристик движения основных Ш\ собственно синтез схемы механизма BKA. Сформированы группы классификационных признаков,

■ . - 18 -

имеющих существенное значение для синтеза механизмов BKA и описано множество структур ВКД, включающее всевозможные механизмы BKA, на близком конструктору языке описания схем BKA, использование которого возможно также при автоматизации процесса схемотехнического проектирования в интерактивном режиме. Предложены два подхода к синтезу механизмов BKA: путем образования сложных механизмов из элементарных типовых механизмов на основе анализа разработанной для них таблицы совместимости; на основе формирования схемы меха-^зма из построенных форм цепей, исходя из теории контурного стро-^ия кинематических цепей и механизмов. ,. -

С целью выработки критериев- оптимальности конструкций BKA исследованы их кинематические и динамические свойства. Кинематические свойства механизмов BKA анализировались с позиций оптимизации закона движения уплотнительного диска.. Показано, что наилучшими характеристиками обладает BKA с механизмами, имеющими функции положения, близкие к теоретической функции положения, реализующей требуемый закон перемещения и герметизации. С учетом этого выведен кинематический критерий *Р , минимизация которого позволяет опти-• мизировать механизмы BKA. Для BKA с механизмами совмещенной струкТУРЫ:

где (!(*=>)- функция положения механизма BKA; - угол поворота (или ход) ведущего звена BKA.

Для BKA с механизмами переменной^труктуры:

if'ö^K^ibfe.)] (16)

где Д|. - соответственно функции положения мёха-

г.нгмг. ЕКА и утлы поворота (или ход) ведущего звена BKA при откры-; перекрывании) и герметизации проходного отверстия. .

преобразования движения; Щ - масса уплотнительного диска; Пр -передаточное» отношение редуктора; Зл s+ - при-

Динамика BKA исследована при помощи математического моделирования на -ЭВМ процесса ее функционирования путем решения выведенного уравнения- движения BKA при варьировании входящих в него параметров. При использовании электромеханического привода уравнение функционирования BKA в общем виде представлено следующим образом:

л 1к ^p " (йк-ФУЮe+ (йк-МкТ- uk+äük -Щг- (и)Л)

. ГМЙе. + Milk ] (17)

[ Ip-QH Irl" J

где

угол'поворота вала электродвигателя ОД); fl(?) -функция положения BKA; ^м . ^р - к. п. д. механизмов перемещения и

диска; /?

ие редуктора; Зл а3»+3р+ v'^-

vW/P

веденный к валу электродвигателя момент инерции BKA; Эр = соответственно момент инерции электродвигателя, редуктора и механизмов клапана; угловая скорость срыва ЭД (Мд(й4;)-0 ); - критическая угловая скорость ЭД (fy(üfc)--Мгам); Ме-Mt(V)- - момент сопротивления в BKA; ft- усилие в ЕКА.

Выделены четыре последовательных стадии процесса функционирования BKA: перекрывание проходного отверстия; выборка зазора между уплотнительным диском и седлом; герметизация уплотнительн-~й пары и стадия останова после отключения электродвигателя, в соответствии с которыми трансформируется выражение (17).

На основе анализа результатов проведенных исследований функционирования BKA сформулированы возможные пути уменьшения перегрузок на уплотнительную пару как цели проектирования, наиболее перспективным из которых является введение угла опережения отключения привода и использования накопленной кинетической энергии для герметизации. Показано, что выведенный ранее критерий (вырамз-

♦ . -. 20 -ния (15) и (16)) характеризует не только кинематические, но и ди-' намические свойства BKA, т.е. является интегральным критерием качества BKA.

В четвертой главе описаны созданные программные средства, реализующие разработанные методики схемотехнического и функционального проектирования BKA и проведено описание конструкций BKA,, созданных на основе проведенных теоретических исследований. Структура созданных программных средств и общие виды разработанных конструкций BKA представлены в приложении. ••

Рассмотрены разработанные и внедренные комплексы программ выбора, анализа и оценки технического уровня существующих конструкций BKA и ее структурных составляющих, синтеза структуры и ФПД BKA, синтеза и анализа механизмов BKA. Описано назначение, возможности, состав входных и выходных данных и содержание информационного обеспечения программных модулей, входящих в состав комплексов. Отмечена инвариантность части разработанного программного •обеспечения и возможность его использования в других предметных областях при создании соответствующего информационного обеспечения.

' С учетом полученных результатов разработана функционально-структурная модель САПР BKA, блок-схема которой приведена в приложении. Проектирующие подсистемы представляют собой функционально законченные части, последовательно реализующие этапы проектирования BKA. Для любого иерархического уровня представления BKA выявлен инвариантный состав подсистем проектирования: • выбора и анализа аналогов и прототипов, функционального синтеза и анализа, структурного синтеза и анализа Дано описание состава и функционирования системы и определены функции, решаемые подсистемами.

Представлено описание созданных конструкций BKA, реализующих различные цели проектирования, для которых по мере разработки применялись различные методики схемотехнического, и функционального

проектирования. Структура конструкций описана на предложенном предметно-ориентированном'языке описания БКА. Отмечены преимущества разработанных конструкций по сравнению с существующими аналогами.

В процессе создания конструкций BKA выявлен новый, ранее не описанный класс устройств с механизмами переменной структуры: с отключением механизма герметизации при перекрывании проходного отверстия и с отключением механизма перемещения уплотнительного диска при его герметизации.

0Б1ЩЕ ВЫВОДЫ

Выполненный комплекс теоретических, исследовательских и ' конструкторских работ и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. На основе анализа требований и эволюции оборудования производства изделий электронной техники выявлена потребность разработки новых конструкций BKA. Показана необходимость новых подходов к проектированию BKA, использование которых раскрывает и усиливает творческие возможности конструктора и предоставляет ему методы для поддержки принимаемых им решений.

2. Проведен системный анализ BKA, позволивший разработать инвариантные относительно иерархического уровня модели BKA как об" екта конструирования и системную модель процесса проектирования BKA, являющиеся основой создания методик функционального и схемотехнического проектирования. На основе системного анализа произведена структуризация требований, предъявляемых к BKA, и формализованы процедуры формирования исходных данных для различных этапов проектирования, позволяющие устранить ошибки конструктора, уменьшить количество итераций и исключить неопределенность и противоречивость данных при проектировании.

3. Осуществлен функционально-структурный анализ BKA, на основе которого выявлена обобщенная структура BKA и установлена ее стабильность, что обеспечило использование методов поискового конструирования для схемотехнического проектирования BKA. Показана целесообразность применения наиболее естественного для практики конструирования метода морфологического анализа и синтеза, позволяющего формализовать процесс синтеза структурных схем BKA и облегчающего работу конструктора.

' 4. Разработаны математические модели BKA на этапах функционального и схемотехнического проектирования. Обоснованы и выведены критерии оптимальности BKA, позволившие определить пути совершенствования и выбор наилучших технических решений BKA. Изучено влияние кинематических и динамических свойств механизмов BKA на ее показатели качества й процесс функционирования.-

5. Предложена обобщенная модель функционально-схемотехнического проектирования BKA, предоставляющая конструктору упорядоченную последовательность действий, необходимых для выбора стратегии при создании ЕКА.

6. Разработаны методика и математические модели функционального и схемотехнического проектирования BKA, позволяющие конструктору генерировать и находить удовлетворяющие ТЗ технические решения BKA тогда, когда его опыта и интуиции недостаточно. Методика позволяет конструктору как самому, так и. с помощью средств вычислительной технийи осуществить синтез ФПД BKA и целенаправленный процесс генерации структур BKA, их поиск и выбор рациональных технических решений.

7. Создана методика синтеза ФПД как этапа функционального проектирования BKA, Позволяющая разрабатывать функциональную структуру ЕКА тогда, когда разработка ее элементной структуры на основе известных функциональных структур не удовлетворяет требова-

8. Разработана методика и математическая модель оценки конструкций BKA и ее структурных составляющих, позволяющая конструктору производить оценку их технического уровня и выявлять необходимость проведения модернизации конструкций.

9. Развита классификация BKA, включающая признаки используемых механизмов и являющаяся основой их синтеза, йювлен новый, ранее не встречающийся в практике конструирования класс устройств с механизмами переменной структуры: с отключением механизма герметизации при перекрывании проходного отверстия и с отключением механизма перемещения уплотнительного диска при его герметизации. Предложена методика' синтеза механизмов BKA, обеспечивающая возможность формирования их кинематических схем.

10. Создан комплекс программных средств, реализующий разрабо-1 тайные методики и позволяющий автоматизировать основные этапы

функционального и схемотехнического проектирования BKA, использование которого в 3 - 4 раза уменьшает трудоемкость конструкторских разработок по сравнению с нормами традйционного проектирования. Па осноье полученных результатов разработана функционально-структурная модель САПР BKA, реализующая этапы синтеза, анализа и моделирования BKA, использование которой позволит конструктору получать принципиально новые технические решения.

11. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые перспективные конструкции BKA, обличающиеся повышенными технико-экономическими показателями, в частности, меньшими (в 2 - 4 раза) потребляемой мощностью и массо-габаритными характеристиками, повышенными (в 1,5 - 2 раза) ресурсом и надежностью работы.

Результаты работы внедрены на заводе "Темп" (г. Фурманов), экономический эффект оценивается в 55 тыс. руб. , в ОИЯИ (г. Дубна), а также в НПО "Вакууммашприбор" (г. Москва) и в НИИТМ (г. Зеленоград).

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Батраков а Б. Функционально-структурная модель вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры. // Межвуз. сб. "Методы моделирования и оптимизации в САПР конструкторско-технологических работ". - М.: МИЭМ, 1989. - с. 81 - 87.

2. Батраков В. Б. Разработка сверхвысоковакуумной арматуры на основе синтеза физического принципа действия. // Тез. докл. ВНТК "Состояние и перспективы развития вакуумной техники" ("Ваку-ум-91"), ч. 2 - Казань, 1991. с 139 140.

3. Батраков Б. Б. , Львов Б. Г. Параметрический выбор ялементной базы при автоматизированном проектировании вакуумных систем научной космической аппаратуры. // В кн. Конструирование и технология изготовления космических приборов. - М.: Наука, 1988. - с. 32 -37.

4. Батраков .К Б., Львов Б. Г. , Шувалов А. С. Структурно-конструктивная классификация высоковакуумных клапанов и затворов. // Тез. докл. V ВК "Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума", ч. II - Л.: 1985. - с. 134 - 135.

5.' Батраков В. Б. , Львов Б. Г. Методические основы формализации структурного синтеза вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры (ВКРА). // Межвуз. сб. "Автоматизация проектно-конструк-торских работ в машиностроении". - М.: МИЭМ, 1991. - с. 89 - 96.

6. Батраков В. Б., Львов Б. Г. , Шихов А. И. Кинематический анализ механизмов вакуумных прямопролетных затворов. - М.: ВИНИТИ. Деп. рук. N 3455-85, 1985. - 15 с.

7. Батраков В. Б. , Львов Б. Г., Шихов А. И. Исследование динамики системы "вакуумный натекатель - электромеханический привод". // Межвуз. сб. "Электронное машиностроение, робототехника, технология ?ЕГГ. - М.: МЗГЭМ, 1984. - с.'з - 8.

3. Ратраков В. Б. , Льеое Б. Г. , Шихов А. И. Исследование динами-

ки системы "вакуумная коммутационно-регулирующая аппаратура - автоматический привод". // Тез. докл. V ВК 'Чизика и техника высокого и сверхвысокого вакуума"; ч. II - JL: 1985. - с. 134.

9. Батраков В. Б. , Львов Б. Г. Интегральная оценка качества механизмов Еакуумных клапанов. - М. : ВИНИТИ. Деп. рук. N 7435 - В87, 1987. - 10 с.

10. Батраков В. Б. . Загуменнов А. .1 Синтез технических решений ВКРА на ранних стадиях проектирования с применением ЭВМ // Tes. докл. ВС НТК "Автоматизация проектирования и конструирования в электронном машиностроении" - М. : 1988. - с. 35. ДСП.

И. Батраков В! Б. , Барашкова Г. Н. , Кожевников А. И. Нормирование концептуальных моделей объекта в САПР вакуумной коммутационно- регулирующей аппаратуры. // Тез. докл. ВС "САПР в машинострое-1 нии". - Ульяновск, 1990. - с. 59.

12. Батраков В. Б., Кожевников А. И. , Львов Б. Г. , Павлоп.-i Т. С. Автоматизация конструкторских работ при проектировании ВКРА. // Тез. докл. ВНТК ''Информационное и программное обеспечение. САПР". -М.: 1989. - с. 101.

13. Батраков В. Б. , Львов Б. Г. Структура и функции САПР изделий в интегрированном ГАП вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры. // Тез. докл.. зонального семинара "Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР". - Пенза: 1987. - с. 96 - 97.

14. Батраков КБ., Львов Б. Г. Структурно-функциональная модель САПР вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры. - М. : ВИНИТИ. Деп. рук. N 5702-В87, 1987. - 8 с.

15. А. с. 1346894 (СССР). Поворотный вакуумный затвор. / Батраков ЕБ. , Косухин a R , Львов Б. Г. - Опубл. в Б. И. N 39, 1987.

1.6. А. с. 1479779 (СССР). Эксцентриковый привод клапана. / Батраков В. Б. Косухин В. В. , Львов Б. Г. , Шихов А. И. - Опубл. в Б. Я

N 18, 1989.

17. A.c. 1514998 (СССР). Сверхвысоковакуумный затвор с электромеханическим приводом. / Батраков В. Б. , Кожевников А. И. , Львов R Г., Павлова Т.С., Самойлов ЕС. - Опубл. в Б.И. N 38, 1989.

18. A.c. 1291772 (СССР). Способ герметизации цельнометаллического разъемного вакуумного соединения. / Батраков R Б. , Львов Б. Г. - Опубл. в Б. И. N 7, 1987.

19. A.c. 1373955 (СССР). Сверхвысоковакуумный затвор. / Батраков В. Б. , Варлов Л. Я. , Лилье Е К , Львов Б. Г., Павлов П. А. -Опубл. ' В Б. И. N б, 1988.

20. A.c. 1323806 (СССР). Сверхвысоковакуумный клапан. / Батраков В. Б., Львов Б. Г., Павлов RA. - Опубл. в Б. И. N 26, 1987.

21. A.c. 1255789 (СССР). Сверхвысоковакуумный затвор. / Батраков а Б. , Лилье В. К., Львов Б. Г., Павлова. Т. С., Шихов А. И. -Опубл. в Б. И. N 33, 1986.

22. A.c. 1275174 (СССР). Вакуумный электромагнитный затвор./ Батраков В. В., Бродская О. Р., Губарев Е. В. , Львов Б. Г., Павлова Т.С. - Опубл. в Б. Я N 45, 1986.

23. A.c. 1566156 (СССР). Сверхвысоковакуумный затвор. / Батраков Е Б., Барашкова Г. Н., Кожевников А. И., Львов Б. Г. - Опубл. в ЕИ. N 19, 1990.