Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

Полученные данные оформляют в виде таблицы 1.1.

                                           Таблица 1.1

               "Морфологический ящик" Цвикки.

     Столбцы в таблице соответствуют необходимым признакам     , а

отдельная позиция в столбце - варианту его функциональной реализа-

ции    . Свободу выбора при конструировании Ф. Цвикки трактует как

возможность работать с альтернативами, т.е. выбирать одни варианты

выполнения  блоков  и  отвергать другие.  Выделяя в каждом столбце

таблицы альтернативу и соединяя их отрезками линий,  получают мно-

гозвенную  линию                 ,  которая символизирует описание

признаков некоторой конструкции.  Выбор предпочтительной конструк-

ции  инженер  делает  интуитивно,  по очереди перебирая комбинации

альтернатив.

     Другой формой  морфологического анализа и синтеза ТР является

комбинирование признаков, характеризующих различные системы (орга-

низующие понятия).  В этом случае, при комбинировании двух органи-

                              - 37 -

зующих понятий,  рекомендуется табличная форма, в столбцах которой

записаны признаки одного организаующего понятия, а в строках приз-

наки другого организующего понятия.  В каждой клетке таблицы нахо-

дится  рабочий  принцип из комбинации двух элементов решения.  При

комбинировании более чем двух организующих понятий пользуются мат-

ричной формой записи [95].

     Таким образом, метод морфологического анализа и синтеза [85,

96 -  99] состоит в изучении всех возможных комбинаций параметров,

форм,  отдельных элементов для решения поставленной задачи. Значе-

ния параметров,  типы форм и элементов образуют таблицу (матрицу).

Различные сочетания перечисленных характеристик рождают  альтерна-

тивные идеи или рекомендуемые решения задачи. Морфологический ана-

лиз применяется для решения задач  поиска  рациональных  структур,

схем и компоновок.  При возможности синтеза большого множества но-

вых ТР в этом методе практически не решена проблема выбора наилуч-

шего решения из числа синтезируемых.

     В последнее время на основе идеи Цвикки  предложена  комбина-

торная концепция работы с альтернативами, на основе которой разра-

ботаны новые системно-морфологические алгоритмы оптимизации и  об-

щая логическая схема принятия решений при конструировании [85].  В

работе вводится понятие комбинаты,  являющейся сопряженной к поня-

тию альтернативы, отражающей все локальные, исключающие друг друга

варианты взаимной подмены блоков при  конструировании.  Не  всякая

комбинация  при замене одного функционального блока другим (из од-

ной и той же альтернативной серии, описывающей данный признак    )

правомерна. Фиксацию этого факта отражает комбината, т.е. совокуп-

ность всех мыслимых альтернатив формально порождает множество ком-

бинаций,  а отношение комбинаторности ограничивает это множество и

показывает,  что на самом деле невозможно,  а что  необходимо  еще

исследовать.  Иерархическая списковая структура,  в которой учтены

                              - 38 -

все альтернативы и комбинаты признаков строения, составляет комби-

наторный  файл семейства технических систем,  который представляет

не что иное,  как многоуровневую композицию вложенных друг в друга

морфологических ящиков [96].

     Таким образом,  анализ методов поискового конструирования по-

казывает,  что большинство из них представляет собой комбинацию из

нескольких известных методов или же являются производными  какого-

либо метода, но более эффективными. Наиболее простым и формализуе-

мым методом,  позволяющим генерировать большое множество вариантов

ТР, является метод морфологического анализа и синтеза, но в нем не

формализована процедура выбора наилучшего решения.  Представляется

целесообразным  развитие этого метода для структурного синтеза ВКА

путем добавления процедур структурной оптимизации [100].

     Вместе с тем,  изучение вопросов,  связанных с автоматизацией

проектно-конструкторской деятельности  и,  в  частости,  созданием

САПР,  показало  подробную  проработку методических основ создания

САПР, типовых структур подсистем САПР, правил построения и органи-

зации различных видов обеспечений САПР (математического, программ-

ного, информационного) и других теоретических аспектов автоматизи-

рованного  проектирования [101 - 105].  Большое внимание уделено и

аппаратным средствам САПР [104,  106].  Однако  проблемы  создания

конкретных прикладных САПР достаточно полно решены лишь в областях

электротехники и радиоэлектроники [107 -  109].  В  разработке  же

САПР  машиностроительных  объектов,  к  которым  относится  и ВКА,

основной упор делается на автоматизацию отдельных процедур,  авто-

матизированное  проектирование отдельных элементов,  автоматизацию

технологической подготовки производства и  изготовление  конструк-

торской  документации  [110 - 113].  При этом отмечается сложность

выработки единого универсального принципа  конструирования  техни-

ческих  объектов машиностроения,  основанного во многом на трудно-

                              - 39 -

формализуемом творческом подходе [102, 114] и неизбежность, в свя-

зи с этим, модификации типовых структур их САПР.

     Принципиальная возможность решения задачи автоматизации  про-

ектирования конкретного класса ТО делает актуальной разработку ме-

тодических основ создания САПР ВКА,  формализацию типовых процедур

ее конструирования и построение интегральных и локальных критериев

оценки конструкции на различных этапах проектирования ВКА.

     Выводы.

     На основании изучения материалов,  отражающих состояние работ

по созданию ВКА, с учетом требований, предъявляемых вакуумным тех-

нологическим и научным оборудованием,  и необходимости автоматиза-

ции процесса проектирования ВКА, можно сделать следующие выводы:

     1. Проанализированы характерные режимы эксплуатации ВКА,  оп-

ределены  условия ее применения в различных группах оборудования и

сформулированы основные требования  к  показателям  качества  ВКА.

Установлено,  что в ряде случаев ВКА регламентирует производитель-

ность и надежность ВТО.

     2. Проведен анализ существующих конструкций ВКА, показана от-

носительная стабильность структуры и выделены основные ФМ ВКА. От-

мечено  влияние различных вариантов ФМ на показатели качества ВКА.

Предложен обобщенный показатель,  позволяющий производить  прибли-

женную  оценку  эффективности конструкций ВКА,  показавший преиму-

щество устройств плоского типа. Установлено отсутствие конструкций

ВКА,  полностью  удовлетворяющих разнообразным диапазонам требова-

ний,  предъявляемых ВТО, в частности отмечено отсутствие цельноме-

таллических  плоских устройств,  серийно выпускаемых отечественной

промышленностью, а также заметное отставание имеющейся ВКА по ряду

показателей качества от зарубежных образцов.

                              - 40 -

     3. Проведен анализ кинематических и динамических особенностей

работы  ВКА,  подтвердивший практическое отсутствие исследований в

области анализа и синтеза ее механизмов. Показано, что в настоящее

время не определены кинематические и динамические критерии, позво-

ляющие осуществить выбор рациональной кинематической схемы ВКА.

     4. Предложена  обобщенная  классификация ВКА,  построенная на

основании модульно-иерархического подхода к  анализу  существующих

конструкций ВКА, включающая ее разбиение по признакам используемых

механизмов и дополняющая известные  классификации.  Отмечено,  что

для  проведения функционального и схемотехнического проектирования

ВКА ее иерархия может быть представлена двухуровневым деревом, где

первый уровень - ВКА в целом,  второй уровень - множество ФМ, вхо-

дящих в структуру ВКА.

     5. Показана возможность формирования структуры ВКА выбором из

множества вариантов составляющих ее элементов,  что позволяет счи-

тать  применимыми  для схемотехнического проектирования ВКА методы

поискового конструирования.

     6. Анализ  методов  поискового  конструирования  показал  це-

лесообразность использования  метода  морфологического  анализа  и

синтеза,  позволяющего формализовать процесс проектирования ВКА на

этапе синтеза ее структурных схем.  Отмечены перспективные возмож-

ности  данного  метода  для  синтеза новых технических решений при

условии включения процедур выбора и структурной оптимизации.

     7. Обоснована необходимость автоматизации проектирования ВКА.

Показана  сложность  автоматизации  конструкторской  деятельности,

особенно при разработке машиностроительных объектов. Обзор сущест-

вующих  систем   автоматизированного   проектирования   подтвердил

отсутствие разработок по автоматизации схемотехнического и функци-

онального проектирования объектов класса ВКА.

.

                              - 41 -

     2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

     2.1. Системная модель ВКА при  функциональном  и  схемотехни-

          ческом проектировании.

     Анализ существующих  конструкций ВКА,  проведенный в главе 1,

показал,  что ВКА является сложной технической  системой  и  имеет

многоуровневую  иерархическую структуру [115].  По функциональному

признаку можно выделить следующие уровни ее членения:  ВКА как це-

лое, ФМ ВКА, функциональные единицы ФМ, детали ВКА, функциональные

элементы деталей,  поверхности функциональных элементов.  Как было

отмечено ранее,  для решения задач функционально-схемотехнического

проектирования ВКА, относящегося к начальным стадиям конструирова-

ния ТО (до детальной проработки) и формирующего на 70 - 80%  облик

будущего изделия [88],  достаточно рассматривать ВКА в виде двуху-

ровневой системы.

     Структурирование и формализация описания ВКА  и  этапов  про-

цесса ее функционального и схемотехнического проектирования выдви-

гает в качестве основной задачи установление логических и функцио-

нальных зависимостей между модулями ВКА, их параметрами и требова-

ниями и условиями внешней среды.

     Сложность ВКА  и  указанных  взаимосвязей  требует системного

подхода к анализу ВКА при ее проектировании [116].  Для построения

системной модели ВКА,  необходимой для установления и раскрытия ее

системных характеристик и выявления отношений между ними, предста-

вим  системное  описание ВКА на начальных стадиях проектирования в

виде двух групп соотношений:

                                                           (2.1)

                                                           (2.2)

                              - 42 -

где     - множество функций;      - множество структур;     - мно-

жество функциональных свойств;      - множество свойств, проявляю-

щихся при взаимодействии с окружением;      - номер ФМ ВКА;      -

количество  ФМ;     ,      - соответственно множество существующих

вариантов ВКА и ее элементов и множество отношений между ними;

-  множество  целей  проектирования  ВКА;       -  множество соот-

ветствий, определяющих уравнения функционирования и проектирования

ВКА;      - множество соответствий, оценивающих оптимальность ВКА;

    = 1,2 - уровень членения ВКА.

     Выражение (2.1)  описывает  системную  модель ВКА как объекта

конструирования,  а выражение (2.2) -  системную  модуль  процесса

проектирования ВКА.  При этом первая строка выражения (2.1) описы-

вает ВКА в целом, а вторая строка описывает ФМ ВКА.

     Построенная системная модель ВКА позволяет перейти к формали-

зации установленных взаимосвязей,  используя  известный  математи-

ческий аппарат математического анализа и дискретной математики для

проведения структурного синтеза  конструкции.  При  этом  методика

построения  системной модели заключается в раскрытии компонентов в

выражениях (2.1)  и  (2.2).  Следует  отметить,  что  предлагаемая

системная  модель ВКА,  предназначенная для всестороннего описания

ВКА, инвариантна относительно рассматриваемых уровней членения ВКА

[117].

     2.2. Функции и структура ВКА.

     2.2.1. Функции ВКА.

     Головным этапом  системного  анализа ВКА является определение

выполняемых ею функций.  Влияние выполняемых  ВКА  функций  на  ее

структуру,  отмеченное  в  главе  1,  определяет значимость данной

                              - 43 -

системной характеристики для проектирования ВКА.  Исходя из  того,

что  целесообразность  того  или иного ТО определяется его способ-

ностью реализовывать интересующую человека потребность,  в  основу

определения функций ВКА и ее структурных составляющих положен сле-

дующий принцип:  функция любого ТО (или  ФМ)  определяется  целью,

поставленной ТО более высокого уровня,  включающим рассматриваемый

ТО (ФМ).

     Объектом более  высокого  уровня  для ВКА в целом является ВС

ВТО.  Функционирование ВС,  назначение которой  формулируется  как

"создавать  вакуумную среду и формировать ее состав",  требует вы-

полнения ряда условий (т.е.  достижения ряда целей), характеризуе-

мых, в частности, функцией разобщать герметично и сообщать полости

элементов ВС между собой и внешней средой,  что определяет необхо-

димость появления соответствующей разнообразной ВКА.

     Отсюда вытекает и назначение ВКА - периодическое сообщение  и

герметичное перекрытие элементов вакуумных систем (камер, насосов,

ловушек,  трубопроводов и т.п.) между собой и с внешней средой,  а

также регулирование потоков газов в системе [54],  анализ которого

позволяет выделить ее обобщенную функцию.

     Представим описание обобщенной функции ВКА в виде структурной

формулы, состоящей из тройки множеств [88] и позволяющей сформиро-

вать понятийное описание обобщенной функции ВКА,  представленное в

таблице 2.1:

                                                             (2.3)

где     - множество действий,  производимых ВКА и приводящих к же-

лаемому  результату;       -  множество  объектов,  на которые это

действие направлено;     - множество особых условий и ограничений,

накладываемых на реализацию функции.

     При этом компонент     может отсутствовать в  описании  функ-

ции,  если информация об условиях и ограничениях очевидна и одноз-

                              - 44 -

начно вытекает из описания компонентов     и    .

                                                    Таблица    2.1

               Описание обобщенной функции ВКА.

__________________________________________________________________

      │                       Компоненты

  ТО  │──────────────────┬─────────────────────┬──────────────────

      │        D         │          V          │        W

──────┴──────────────────┴─────────────────────┴──────────────────

       1. Закрывание       Проходное отверстие   Вакуумная среда,

       2. Герметизация     Стык уплотнительной   атмосфера,

 ВКА                       пары                  температура

       3. Открывание       Проходное отверстие

       4. Регулирование    Газовый поток

──────────────────────────────────────────────────────────────────

     Действиям    , выполняемым ВКА и приведенным в таблице 2.1,

соответствует множество основных рабочих функций,  т.е. обобщенную

функцию ВКА можно представить в виде:

                                                         (2.4)

где   ,   = 1,4 - основные рабочие функции, соответственно: закры-

вать проходное отверстие, герметизировать стык уплотнительной пары,

открывать проходное отверстие, регулировать газовый поток.

     Выделенные функции          реализуются  в  ВТО  устройствами

классов "вакуумный клапан" и "вакуумный затвор",  объединенных по-

нятием ВКА,  при этом регулирование газового потока с учетом того,

что ВКА является самостоятельным конструктивно законченным элемен-

том  ВТО [54],  присоединенным к другому законченному элементу ВТО

(трубопроводу,  рабочей камере и т.п.),  сводится к частичному пе-

рекрыванию (открыванию и закрыванию) проходного отверстия, поэтому

справедливо следующее допущение:

                                             ,               (2.5)

                              - 45 -

позволяющее рабочую функцию     отдельно не рассматривать.

     Практическая реализация  адекватных соответствующим действиям

рабочих функций    ,      и     в ВКА  осуществляется  посредством

одного и того же воздействия "перемещение", направленного на общий

для данных функций объект - уплотнительный диск. При этом выполне-

ние действия "герметизация" обусловлено взаимодействием подвижного

элемента "уплотнительный диск" с  неподвижным  элементом  корпуса,

называемым  "седлом",  что  объясняет целесообразность совместного

рассмотрения этих элементов в виде "уплотнительной пары"  (см.  п.

1.2). Очевидно, перемещение уплотнительного диска требует осущест-

вления функции "создать и передать необходимую для движения  энер-

гию",  а  расположение уплотнительного диска в вакуумной среде,  а

источника энергии - вне ее,  определяет необходимость функции "пе-

редать  движение  уплотнительному  диску  из атмосферы в вакуумную

среду".  Основываясь на том, что каждая рабочая функция может быть

реализована неким самостоятельным функциональным модулем, обладаю-

щим собственным набором входных (    ) и выходных (    )  функцио-

нальных параметров, заключаем, что в ВКА необходимо также согласо-

вание параметров       и      последовательных перемещений, приво-

дящее  к появлению функции "преобразовать движение".  Помимо этого

для ВКА, как и для большинства ТО, обязательна функция "обеспечить

требуемое взаиморасположение модулей в пространстве".

     Таким образом,  из  анализа  рабочих   функций   существующих

конструкций  ВКА можно выделить следующие основные базовые функции

         ,  где    = 1,3             ;     = 1,5; представленные в

таблице 2.2,  без которых невозможно выполнение обобщенной функции

ВКА.

                              - 46 -

                                                 Таблица 2.2

                Основные базовые функции ВКА

_________________________________________________________________

 Обобщенная !             Основные базовые функции

  функция   !

-----------------------------------------------------------------

                  - создавать и передавать механическую энергию

                    для перемещения уплотнительного диска;

                  - преобразовывать параметры движения;

                  - передавать движение из атмосферы в вакуумную

                    среду;

                  - преобразовывать параметры движения для пере-

                    мещения и герметизации уплотнительного диска;

                  - герметизировать стык седла с уплотнительным

                    диском;

                  - фиксировать положение элементов в пространст-

                    ве и содержать вакуумную среду.

_________________________________________________________________

     Индекс     обозначает необходимость выполнения  соответствую-

щих функций для каждого из трех основных действий (см. табл. 2.1),

т.е. как при закрывании проходного отверстия, так и при герметиза-

ции и открывании (    = 1, 2, 3 - соответственно).

     Помимо основных базовых функций,  задающих принцип функциони-

рования и общую структуру, ВКА может обладать рядом дополнительных

функций    ,  направленных на улучшение исполнения качества основ-

ных  функций      и определяемых как дополнительными требованиями,

предъявляемыми ВТО, так и функционированием собственно ВКА. Полная

функция ВКА при этом имеет следующий вид:

                                                           (2.6)

     Дополнительные функции           возникают,  как правило, при

                              - 47 -

реализации целей проектирования, связанных с улучшением параметров

действий, эксплуатационных и конструктивных свойств ВКА, что будет

рассмотрено в соответствующем разделе.

     Функциональный подход  к  анализу  ВКА  позволяет абстрагиро-

ваться от существующего объектного воплощения ФМ,  например, пере-

давать  движение  из  атмосферы в вакуум не механическим путем,  а

используя воздействие магнитного поля; использовать дополнительные

функции          - нагреть элементы уплотнения,  разгрузить уплот-

нительную пару,  основанные на различных физических эффектах  [70,

79], что способствует эволюции ВКА и ее усовершенствованию.

     2.2.2. Структура ВКА.

     Предлагаемый подход  к  рассмотрению  структур ВКА основан на

том, что проектирование формально представляют как создание, поиск

и  преобразование различных аспектов структур ТО [118].  В связи с

этим важно определить множество видов структур ВКА,  необходимое и

достаточное для отображения процесса функционального и схемотехни-

ческого проектирования.

     С учетом  изложенного  структуру  ВКА  в  общем  случае можно

описать следующим образом:

                                                             (2.7)

где    ,     ,     ,    ,    ,    ,     - соответственно принципи-

альная,  функциональная, абстрактная, морфологическая, вариантная,

элементная и компоновочная структуры.

     Принципиальная структура  (или  структура действий)

состоит из множества выполняемых ВКА действий     и отношений сле-

дования      ,  указывающих  на  порядок  действий.  На  рис.  2.1

представлен граф обобщенной структуры     ВКА,  где              -

действия, реализующие обобщенную функцию ВКА (см. табл. 2.2).

                              - 48 -

     Множество базовых функций     и абстрактных связей между ними

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8