Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

         МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

                                  Для служебного пользования

                                  Экз. N _______

                                  На правах рукописи

                                  УДК 621.52/.646:658.5

                     1БАТРАКОВ ВАСИЛИЙ БОРИСОВИЧ

          2СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

                 2ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

        Специальность 05.27.07. - Оборудование производства

                                  электронной техники

        Специальность 05.13.12. - Системы автоматизации

                                  проектирования

                       Д и с с е р т а ц и я

       на соискание ученой степени кандидата технических наук

                                  Научный руководитель

                           кандидат технических наук, доцент

                                  Львов Борис Глебович

                          Москва - 1992

.

                              - 2 -

                            СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................................  4

1. Современное состояние работ по созданию вакуумной

   коммутационной аппаратуры ................................ 10

   1.1. Анализ связей ВКА с оборудованием электронной

        техники. Основные требования, предъявляемые к ВКА ... 10

   1.2. Функционально-структурный анализ ВКА ................ 15

   1.3. Структурно-конструктивная классификация ВКА ......... 28

   1.4. Аналитический обзор методов поискового

        конструирования ..................................... 30

   Выводы ................................................... 39

2. Системный анализ вакуумной коммутационной аппаратуры ..... 41

   2.1. Системная модель ВКА при функциональном и схемо-

        техническом проектировании .......................... 41

   2.2. Функции и структура ВКА ............................. 42

   2.3. Свойства ВКА и ее структурных составляющих .......... 55

   2.4. Цели проектирования ВКА ............................. 62

   2.5. Уравнение функционирования и критерии оптималь-

        ности ВКА ........................................... 70

   Выводы ................................................... 73

3. Разработка методологии схемотехнического и функционального

   проектирования ВКА ....................................... 75

   3.1. Методические основы функционального и схемотех-

        нического проектирования ВКА ........................ 75

   3.2. Методика параметрического анализа конструкций ВКА.... 76

   3.3. Методика синтеза структур ВКА ....................... 80

   3.4. Синтез и кинематический анализ механизмов ВКА ....... 94

   3.5. Моделирование процесса функционирования ВКА .........109

   Выводы ...................................................115

                              - 3 -

4. Создание новых конструкций ВКА на базе автоматизации

   схемотехнического и функционального проектирования .......118

   4.1. Программые средства анализа существующих конст-

        рукций ВКА ..........................................118

   4.2. Программные средства синтеза и анализа структур ВКА..121

   4.3. Структурно-функциональная модель САПР ВКА на этапе

        схемотехнического и функционального проектирования...124

   4.4. Конструкции ВКА, разработанные на основе синтезиро-

        ванных структур .....................................128

   Выводы ...................................................135

Заключение ..................................................137

Литература ..................................................140

Приложения ..................................................157

.

                              - 4 -

                            ВВЕДЕНИЕ

     Необходимость всесторонней интенсификации экономики  нераз-

рывно  связана с ускорением научно-технического прогресса,  важ-

нейшими направлениями  которого  являются  создание  и  освоение

принципиально новой техники и технологии,  автоматизация и меха-

низация производства.  Выполнение этих задач  требует,  в  част-

ности, развития вакуумной техники, оказывающей определяющее вли-

яние на создание и производство изделий электроники и все  более

широко используемой в других отраслях промышленности.

     Разработка новых вакуумных технологий предъявляет к вакуум-

ному оборудованию повышенные требования,  разнообразный и меняю-

щийся диапазон значений которых обуславливает необходимость  мо-

дернизации и разработки новых конструкций его элементной базы, в

частности,  вакуумной коммутационной аппаратуры (ВКА): клапанов,

затворов,  натекателей,  служащих для периодического сообщения и

герметичного перекрытия вакуумных коммуникаций и управления  ва-

куумным  режимом.  Конструкцией  и правильной эксплуатацией ВКА,

являющейся неотъемлемой частью вакуумных систем (ВС),  в  значи-

тельной степени определяется надежность работы вакуумного техно-

логического оборудования.  (ВТО). Вместе с тем традиционное про-

ектирование,   основанное  на  интуитивно-эмпирическом  подходе,

исходя из уровня знаний конструктора,  не удовлетворяет в полной

мере ужесточившимся требованиям к созданию ВКА (например,  необ-

ходимости минимального воздействия потоков газовыделения и  заг-

рязнений  на технологическую среду оборудования производства из-

делий электронной техники,  работе при температурах 600 - 800 К,

повышению показателей надежности в десятки раз и т.д.), что осо-

бенно заметно на примере цельнометаллической ВКА, показатели ка-

чества которой, начиная с начала 70-х годов по существу не улуч-

                              - 5 -

шаются. В связи с этим существующие конструкции громоздки, имеют

небольшой  ресурс  и  наработку  на отказ.  Ситуация осложняется

отсутвием единого научно обоснованного подхода к  проектированию

ВКА,  что приводит к неоправданному ее многообразию, низкому ка-

честву конструкций и,  как следствие, к отказам и простоям доро-

гостоящего оборудования при эксплуатации.  Кроме того,  проявля-

ется тенденция к значительному уменьшению сроков  проектирования

ВКА,  которая  наряду  с указанными факторами вызывает необходи-

мость автоматизации процесса проектирования.

     Одним из выходов из сложившейся ситуации является разработ-

ка и применение новых развивающихся методик проектирования, поз-

воляющих  генерировать множество различных технических решений и

проводить целенаправленный их поиск и выбор,  исходя  из  техни-

ческого задания (ТЗ),  имеющего жесткие и иногда полярные требо-

вания.

     Изложенное определило цель настоящей работы,  которой явля-

ется создание научно обоснованной методологии  схемотехнического

и  функционального  проектирования ВКА,  направленной на решение

проблем проектирования ВКА,  с конкретной реализацией в виде но-

вых  конструкций ВКА и программно-информационных средств,  пред-

назначенных для анализа, синтеза и моделирования работы ВКА.

     Принципиально функциональное  и схемотехническое проектиро-

вание ВКА, заключающееся в синтезе и анализе ВКА на этапе техни-

ческого  предложения  и  содержащее оценку свойств ВКА на основе

исследования процессов ее функционирования,  генерацию  и  выбор

принципиальных технических решений, определяющих структуру ВКА с

учетом специфики ее функционирования в  составе  конкретной  ВС,

можно представить в виде последовательности: цель проектирования

- функция - устройство (элементная структура),  которая обуслав-

ливает  необходимость  формального  описания структур,  функций,

                              - 6 -

свойств, объектов для определения проектных целей в виде измене-

ния структур ВКА и определения связей свойств ВКА для построения

этих структур.

     Более детально  модель  процесса  проектирования ВКА на на-

чальных стадиях можно представить в виде алгоритма,  укрупненная

блок-схема которого приведена на рис. 1.

     Согласно представленной блок-схемы,  ТЗ на  разработку  ВКА

определяется требованиями к ВС,  являющейся для ВКА объектом бо-

лее высокого уровня,  а начальным этапом создания  ВКА  является

поиск  аналогов.  Это объясняется нецелесообразностью разработки

новой конструкции ВКА при наличии среди  существующих  вариантов

ВКА конструкции,  полностью удовлетворяющей предъявленным требо-

ваниям.

     В случае отсутствия аналогов необходимо проанализировать ТЗ

для выявления заведомо завышенных требований с целью их  смягче-

ния.  Если данная процедура не приводит к нахождению аналога, то

переходят к поиску прототипа - конструкции ВКА,  наиболее  полно

соответствующей  требованиям ТЗ.  Сравнение параметров выбранной

конструкции ВКА с требуемыми (ТЗ) позволяет сформировать  потре-

бительские  цели проектирования ВКА в виде необходимости измене-

ния соответствующих значений параметров ВКА или  ее  структурных

составляющих.

     Цели и критерии позволяют конструктору осуществлять направ-

ленный поиск и синтез технических решений ВКА.  Исходя из целей,

определяют необходимые функции и функциональные модули,  их реа-

лизующие.  Вводя соответствующие отношения среди найденных функ-

циональных модулей, получают возможные структуры ВКА, из которых

с  помощью  критериев  выбирают  структуру,  наиболее отвечающую

предъявленным требованиям ТЗ  (происходит  достижение  проектной

цели).

                              - 8 -

     Отсутствие среди известных удовлетворительной  функциональ-

ной  структуры или появление новых функций для достижения потре-

бительской цели проектирования ВКА приводит к необходимости син-

теза  физического  принципа действия ВКА,  являющегося этапом ее

функционального проектирования,  появлению новых  функциональных

модулей и повторению этапов схемотехнического проектирования ВКА

для синтеза ее оптимальной элементной структуры.

     Анализ приведенного алгоритма проектирования показал,  что,

помимо отмеченного отсутствия системного описания ВКА,  удобного

для  постановки задач схемотехнического и функционального проек-

тирования,  достижение   поставленной   цели   осложнено   также

отсутствием исследований процесса функционирования ВКА с позиций

схемотехнического проектирования;  формального описания структур

ВКА  и процесса их синтеза;  формализованных научно обоснованных

методов принятия решений при конструировании ВКА,  что позволило

сформулировать следующие основные задачи,  подлежащие решению:

- проведение системного анализа ВКА;

- разработка системной модели процесса  проектирования ВКА;

- разработка методики и математических моделей процесса проекти-

рования ВКА на уровне  формирования  ее  структурных  схем;

- построение и исследование модели функционирования ВКА;

- разработка  формализованных  методов  выбора и критериев опти-

мальности при структурном синтезе ВКА;

- разработка комплекса программных средств автоматизации началь-

ных этапов проектирования ВКА;

- разработка новых конструкций ВКА на основе использования  соз-

данного методического и информационно-программного обеспечений.

     На защиту выносятся:

     1. Системные  модели  ВКА  и  процесса ее функционального и

схемотехнического проектирования.

                              - 9 -

     2. Методика и математические модели функционально-схемотех-

нического проектирования ВКА.

     3. Математические  модели  ВКА  на этапах функционального и

схемотехнического проектирования.

     4. Методика  и математическая модель оценки конструкций ВКА

и ее структурных составляющих.

     5. Результаты исследования математической модели функциони-

рования ВКА и критерии оптимальности конструкций ВКА.

     6. Новый класс ВКА переменной структуры и конструкции ВКА.

.

                              - 10 -

     I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ВАКУУМНОЙ

                  КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

     I.I. Анализ связей ВКА с оборудованием электронной

          техники. Основные требования, предъявляемые к

          ВКА.

     Вакуум как  рабочая среда технологических процессов и научных

исследований находит возрастающее применение в различных  отраслях

промышленности.  При этом основным потребителем элементов, средств

и систем вакуумной техники является электронная техника,  предъяв-

ляющая наиболее жесткие, зачастую противоречивые и трудно реализу-

емые требования к создаваемым ВС.

     Используемое в  электронной технике вакуумное технологическое

и научное оборудование,  интервалы рабочих давлений основных типов

которого  приведены  на рис.  I.I.,  по величине рабочего давления

можно условно разделить на три группы: 1) установки с рабочим дав-

лением  до  5  10   Па;  2)  установки  с  рабочим  давлением до 1

10   Па; 3) оборудование с рабочим вакуумом выше 1 10   Па.

     Как правило,  получение  вакуума в оборудовании первой группы

достигается применением паромасляных диффузионных насосов с ловуш-

ками,  позволяющими  исключить наличие углеводородных соединений в

рабочей среде;  герметизация разъемных  соединений  осуществляется

резиновыми  прокладками  [I  - 5].  Подобные установки относятся к

непрогреваемым системам,  длительность откачки  которых  определя-

ется,  в основном,  десорбцией паров воды [6 - 8]. Дополнительными

требованиями к установкам данного типа могут служить необходимость

получения определенного спектра остаточных газов [9, 10], исключе-

ние привносимой дефектности на изделие электронной техники  [11  -

15], высокая (до 1600 К) температура в рабочей камере и повышенные

                              - 11 -

требования к надежности работы из-за значительного  экономического

ущерба в случае отказа [16 - 18].

     Оборудование второй группы [19 - 24]  обеспечивает  получение

более низких парциальных давлений остаточных газов. В данной груп-

пе оборудования,  в основном, используют безмасляные (турбомолеку-

лярные,  магнито-  и  электро-разрядные  насосы) и комбинированные

средства откачки [25 - 27]. В качестве уплотнений разъемных соеди-

нений применяются металлические прокладки и прокладки, изготовлен-

ные из термостойкой резины [28, 29]. Как правило, установки второй

группы  прогреваются  до  400  -  650  К (оборудование для откачки

электровакуумных приборов частично до  950  К),  имеют  достаточно

большое время достижения рабочего давления (от 5 до 20 часов) [19,

30 - 33] и более жесткие требования к привносимой на  изделие  де-

фектности [34].

     К третьей группе оборудования принадлежат уникальные системы-

ускорители  заряженных  частиц  [35 - 38],  камеры для космических

исследований и ряд технологических установок  и  научных  приборов

[39,  40].  Их отличие от вакуумных систем второй группы состоит в

необходимости предварительной обработки и очистки  материалов  для

вакуумных систем, длительном времени прогрева и откачки, использо-

вании только металлических уплотнителей в  разъемных  соединениях.

При этом время существования высокого вакуума в рабочем объеме мо-

жет длиться месяцами и годами [29, 41 - 43].

     Общим требованием ко всем группам вакуумного оборудования яв-

ляется автоматизация технологических процессов и научного экспери-

мента [44 - 46].

     В свою очередь, требования к вакуумному оборудованию формиру-

ют требования к его элементной базе,  в том числе к ВКА,  которая,

являясь неотъемлемой частью ВС вакуумного оборудования  (например,

только в одно- и двухкамерных установках число коммутационных уст-

                              - 12 -

ройств колеблется от 5 до 10, достигая 15 [20, 47]), во многом оп-

ределяет его выходные характеристики. Так, производительность обо-

рудования  первой  и  второй  групп  определяется  не  только  его

конструкцией  (однопозиционные  установки периодического действия,

установки полунепрерывного действия со шлюзовыми  камерами,  уста-

новки и линии непрерывного действия и др.),  но и сокращением вре-

мени достижения рабочего давления, зависящим, в частности, от про-

водимости ВКА [48, 49].

     Следует отметить и наметившуюся в последнее  время  в  произ-

водстве изделий электронной техники тенденцию к понижению рабочего

давления до 10   - 10    Па вследствие существенного влияния  дав-

ления и парциального состава газовой смеси на параметры и свойства

изделий [1, 19, 40], т.е. к использованию высоко- и сверхвысокова-

куумного оборудования,  требующего прогрева до 700 - 800 К и, сле-

довательно, применения цельнометаллической ВКА, позволяющей сокра-

тить время достижения сверхвысокого вакуума в 2,5 раза и упростить

обслуживание установок [25,  41]. С учетом отмеченного во введении

критического  состояния проектирования цельнометаллической ВКА це-

лесообразно выделить для детального рассмотрения области ее приме-

нения, которые показаны на рис. I.2.

     При этом, несмотря на достаточно четкую границу между группа-

ми  оборудования с одинаковыми вакуумными характеристиками и усло-

виями эксплуатации,  определяющими основные свойства  ВКА,  к  ней

предъявляется  множество  разнообразных дополнительных требований,

зависящих от конкретного случая использования,  что ведет к увели-

чению номенклатуры ВКА, затрудняя проведение унификации и стандар-

тизации вакуумного оборудования и повышая трудоемкость его  проек-

тирования и изготовления.

     Анализ длительности технологических циклов и  ресурса  работы

оборудования,  проведенный по работам [19, 20, 24, 47, 48], позво-

                              - 14 -

ляет судить о требуемом ресурсе и цикличности работы ВКА и показы-

вает, что число циклов работы клапанов и затворов лежит в пределах

500 - 8000,  а в ряде установок,  имеющих длительность  технологи-

ческого процесса порядка десятков секунд (например, электронно-лу-

чевых установок микросварки),  их ресурс должен  быть  значительно

большим  -  20000 - 50000.  Кроме того,  особенностью ВКА является

кратковременный циклический режим работы с  большими  промежутками

между включениями: отношение времени работы к времени выстоя очень

различно и в среднем находится в пределах 1 :  (100 - 10000). Сум-

марное время нахождения механизмов ВКА в динамическом состоянии до

замены уплотнительной пары составляет для ВКА с металлическим  уп-

лотнителем в среднем примерно 2 - 4 часа,  для ВКА с резиновым уп-

лотнением - 20 - 50 часов.

     Снижение рабочего  вакуума накладывает дополнительные ограни-

чения на разработку ВКА,  связанные  с  необходимостью  уменьшения

влияния  элементов  вакуумной  полости ВКА на параметры технологи-

ческого процесса и учета привносимой  дефектности  [50,  51].  При

этом ряд ответственных сверхвысоковакуумных систем, взамен большо-

го ресурса работы ВКА выдвигает на первый план требования к  быст-

родействию и высокой надежности ее работы [37, 39].

     Таким образом,  анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых

современным вакуумным оборудованием, позволил сформировать следую-

щие основные требования, предъявляемые к ВКА.

     ВКА должна:

иметь  заданную  проводимость  в  открытом положении; обеспечивать

требуемое быстродействие;  гарантировать  величину натекания в за-

крытом положении  ВКА не выше допустимой  (например, соизмеримой с

уровнем  газопроницаемости  конструкционных материалов и материала

уплотнителя); допускать эксплуатацию  в диапазоне температур от 77

до 800 К; минимально воздействовать на качественный и количествен-

                              - 15 -

ный состав остаточной среды в вакуумной системе; иметь достаточные

ресурс работы  и наработку на отказ;  предусматривать  возможность

автоматического управления  и контроля за работой;  обладать мини-

мальными  габаритами  и  весом;  обеспечивать простой монтаж и де-

монтаж устройства;  иметь  высокие технолого-экономические показа-

тели.

     I.2. Функционально-структурный анализ ВКА.

     Несмотря на все возрастающую потребность в ВКА,  имеющаяся по

ней литература весьма скудна,  разрознена и носит  большей  частью

описательный  характер.  В  затрагивающих  данную  область работах

практически отсутствуют методики проектирования ВКА,  недостаточны

рекомендации и данные по ее расчету и конструированию [20, 29, 51-

54],  вследствие чего разработка конкретных устройств ВКА в  боль-

шинстве  случаев  основывается  на  опыте  конструктора.  При этом

отсутствие единого научно обоснованного подхода  к  проектированию

ВКА  затрудняет  создание конструкции,  имеющей наилучшие характе-

ристики по всем показателям качества, поэтому существующие вакуум-

ные  клапаны  и затворы удовлетворительно соответствуют лишь 3 - 4

показателям качества,  что приводит к неоправданному  многообразию

их конструкций.

     Достоинства и   недостатки   существующих   конструкций   ВКА

рассмотрим на основе анализа информации, содержащейся в литератур-

ных источниках и каталогах отечественных предприятий-разработчиков

и заводов-изготовителей и передовых в области вакуумного машиност-

роения иностранных фирм [20, 29, 51 - 67].

     На рис.  1.3,  1.4 приведены примеры конструктивных схем ВКА,

дающие представление о  ее  многообразии,  на  рис.  1.5  показаны

основные принципиальные схемы ВКА,  а на рис.  1.6 - типовые схемы

                              - 19 -

ее уплотнительных пар.

     Проанализируем существующие технические решения ВКА с позиций

функционально-структурного  подхода  -  реализации  последователь-

ности: цель - функция - устройство.

     Плоский затвор (рис.  1.5 а, е), имеющий минимальное расстоя-

ние между присоединительными фланцами (цель),  во избежание износа

уплотнителя требует при перемещении улотнительного  органа  1  для

открывания или перекрывания проходного отверстия 2 создания гаран-

тированного зазора между ним и корпусом 3,  что приводит к необхо-

димости осуществления в клапане двух не совпадающих по направлени-

ям движений: перемещения уплотнительного органа 1 для открывания и

перекрывания  проходного отверстия 2 и герметизации уплотнительной

пары (функция),  а,  следовательно, либо к появлению механизма 4 в

вакуумной полости (рис.  1.5, а), либо к использованию двух испол-

нительных органов и соответственно двух вводов движения  в  вакуум

5,5 (рис.  1.5,  е) (устройство).  Оба решения существенно снижают

надежность и ресурс работы  устройства,  а  второе  приводит  и  к

усложнению управления затвором.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8