Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

ния дублирования исходных данных и обеспечения их полноты.

     Выявленные при проведении системного  анализа  свойства  ВКА,

рассмотренные  в принадлежности к типам основных ФМ с учетом пред-

ложенной классификации  конструкций  ВКА,  позволили  сформировать

следующие таблицы соответствия (применимости):  таблица 3.1 - таб-

лица применимости типов приводов ВКА; таблица 3.2 - таблица приме-

нимости  типов  вакуумных  вводов движения;  таблица 3.3 - таблица

применимости типов уплотнительных пар ВКА. Выбор производится сле-

дующим образом:  исходя из значений требований ТЗ, по заданным ин-

тервалам параметров выбора из соответствующей таблицы применимости

выбираются строки,  имеющие единицы во всех рассматриваемых столб-

цах,  что  отражает  допустимость  соответствующих  типов  ФМ  ВКА

(   ).

     Введение отношений следования между  найденными      формиру-

ет       обобщенную вариантную структуру    .  С учетом последова-

тельности структуры ВКА и выражения (3.12) это  можно  записать  в

виде (   ):

                                                          (3.14)

где    ,   ,     - обязательные ФМ,  соответственно:  привод, ввод

движения в вакуум и уплотнительная пара;   - предикат,  означающий

отношение следования между ФМ.

     Каждая структурная  составляющая  (ФМ) обладает набором пара-

метров,  в том числе описывающих ее входные и  выходные  свойства.

                              - 88 -

При этом указанные свойства могут быть описаны качественными приз-

наками.

     Рациональность структуры выявляется процедурой    , определя-

ющей  качественную  совместимость      выбранных  элементов      и

описываемой следующим выражением:

                                                          (3.15)

     При этом обобщенное правило формирования     имеет вид:

                                                          (3.16)

где    ,    ,  ,  = 1,     -   множество  качественных  признаков,

описывающих входные и выходные свойства ФМ;    - предикат, означа-

ющий отношение принадлежности признаков к ФМ;    - предикат, озна-

чающий отношение эквивалентности между признаками;    -  предикат,

означающий отношение "состоять из".

     Использование морфологической  структуры      ВКА  и значений

требований ТЗ позволяет сформировать множество допустимых элемент-

ных структур     ,  выбирая среди качественно совместимых типов ФМ

ВКА соответствующие конструктивные варианты их исполнения (  ):

                                                          (3.17)

где    ,   = 1,   - множество  параметров   -го варианта   -го ФМ;

   - множество параметров ТЗ;   - предикат,  означающий  отношение

"   " между  значениями  параметров.

     На  основе  анализа отношений  параметрической  совместимости

выбранных ФМ,  описываемых выражением  (3.18),  формируют        в

соответствии с обобщенным правилом (3.19)(   ):

                              - 89 -

                                                          (3.18)

                                                          (3.19)

где    ,    - соответственно  значения параметров входных и выход-

ных свойств ФМ ВКА;    - предикат, означающий отношение " = " меж-

ду значениями параметров.

     Причем отношения совместимости образуют следующее множество:

                                                          (3.20)

где   = 1,4 - индекс, означающий соответственно отношение функцио-

нальной,  параметрической, эксплуатационной и технологической сов-

местимости;        -  номер сопряжения в структуре;   = 1,2 -  ин-

декс, означающий, соответственно: качественную или параметрическую

совместимость.

     Вместе с тем возможна ситуация,  когда по формулам (3.15) или

(3.18) выявляется несовместимость входных  и  выходных  параметров

свойств сопрягаемых структурных элементов ВКА. В этом случае необ-

ходимо включение вспомогательного функционального  элемента,  сог-

ласующего  эти  параметры,  что  формально может быть представлено

следующим образом:

                                                          (3.21)

где    - предикат, означающий отношение " = " между значениями па-

раметров.

     Выражение (3.21) позволяет сформировать множество  рациональ-

ных структур     ВКА, включающих как основные, так и вспомогатель-

ные ФМ.  В структуре ВКА такими вспомогательными ФМ являются меха-

                              - 90 -

низм преобразования движения (   ) и механизм перемещения и герме-

тизации уплотнительного диска (   ),  согласующие входные и выход-

ные параметры движения основных ФМ.

     Обозначив через    = 1,6 в  (3.20)  соответственно  отношения

совместимости между ФМ (       ), (       ), (       ), (       ),

(       ),  (       ),  процедуру генерации  типовых  рациональных

структур ВКА можно описать следующими выражениями:

                                                          (3.22)

где    ,    ,     -  соответственно:    -ый вариант привода,   -ый

вариант ввода движения в вакуум,   -ый вариант уплотнительной  па-

ры.

     Выражение (3.22) описывает множество строго определенных эле-

ментных  структур ВКА,  состоящих из основных ФМ:  привода,  ввода

движения в вакуум и уплотнительной пары.

     При невыполнении   хотя  бы  одного  из  отношений  совмести-

мости        для ФМ     и     ,  т.е.                  ,  где    -

значение  "ложь",  необходим  ввод элемента     и выражение (3.22)

принимает вид:

                                                          (3.23)

где     -    -ый вариант механизма преобразования движения.

     При

                                                          (3.24)

где     -   -ый вариант механизма перемещения и  герметизации  уп-

лотнительного диска.

                              - 91 -

     При                 и

                                                          (3.25)

     Следует отметить,  что  при  генерации  вариантов  элементных

структур ВКА может использоваться как одна какая-либо из описанных

формула, так по мере необходимости и несколько. При этом количест-

во получаемых структур определяется мощностями множеств    . Кроме

того,  появление новых ФМ,  реализующих заданные цели проектирова-

ния,  может  в  соответствии с (3.21) потребовать введения и новых

вспомогательных ФМ,  а возможно и дополнительных к ним элементов с

рассмотрением  отношений  их  совместимости и трансформацией соот-

ветствующих выражений.

     Исключение из рассмотрения ФМ "корпус" - объясняется принятой

априори его совместимостью с другими ФМ.

     Для выбора  оптимальной  элементной структуры      может быть

использован интегральный критерий (2.19).

     С целью упорядочения генерируемых структур для их анализа це-

лесообразно проводить ранжирование полученных структур. В качестве

критериев ранжирования предлагаются следующие:

                                                          (3.26)

где    - количество структурных составляющих в структуре ВКА.

                                                          (3.27)

где    - относительная стоимость  сгенерированной  структуры;    -

относительная стоимость   -го варианта   -го варианта   -го струк-

турного элемента (    ).

     Для сверхвысоковакуумной  ВКА в первую очередь предпочтитель-

нее структуры с отсутствием механизмов, работающих в вакуумной по-

лости,  т.е. механизмов перемещения и герметизации уплотнительного

                              - 92 -

диска (    ),  поэтому при анализе        в первую очередь следует

рассматривать  структуры,  полученные  с  использованием выражений

(3.22) и (3.23).

                              - 112 -

влияния на динамические характеристики ВКА: перегрузки на уплотни-

тельной  паре,  скорость  приложения усилия герметизации,  быстро-

действие.  Все искомые параметры связаны с  перемещением  уплотни-

тельного диска,  в частности зависят от приведенного максимального

угла его "выбега":

                                                          (3.58)

где     - фактический угол останова выходного звена привода;     -

требуемый  угол  останова выходного звена привода (окончание цикла

работы ВКА), поэтому результирующая информация представлена в виде

зависимостей         от перечисленных характеристик структуры ВКА:

на рис.  3.6,а приведена усредненная зависимость             ;  на

рис.  3.6,б - график             ;  на рис. 3.7,а -           ; на

рис. 3.7,б -            .

     В связи с тем,  что надежность работы ВКА во многом определя-

ется действующими на ее элементы усилиями,  необходимо  уменьшение

перегрузок   на   уплотнительную  пару,  определяемое  минимизаци-

ей      (      ).  Для достижения этого, помимо изменения парамет-

ров  структуры ВКА целесообразно ввести параметр - угол опережения

отключения привода:

                                                          (3.59)

где      - фазовый угол,  характеризующий момент отключения двига-

теля.

     Зависимость              представлена на рис. 3.8.

     Анализ результатов моделирования функционирования ВКА позво-

лил выделить следующие возможные пути уменьшения перегрузок на уп-

лотнительную пару при определенной жесткости уплотнения:  уменьше-

ние мощности двигателя; уменьшение к.п.д. механизмов ВКА после от-

ключения  двигателя;  увеличение  передаточных функций применяемых

механизмов;  введение угла опережения отключения привода и исполь-

зование накопленной кинетической энергии для герметизации уплотни-

                              - 115 -

тельной пары.

     С целью  изучения влияния структуры  ВКА на скорость приложе-

ния усилия герметизации (    ), была смоделирована конструкция ва-

куумного клапана КЭУн [54], гипотетически реализованная различными

типами механизмов при сохранении единого     . Результаты исследо-

ваний в виде зависимости          приведены на рис. 3.9.

     Как следует из данного графика,  наименьшее  значение      на

стадии герметизации у конструкции с механизмом переменной структу-

ры,  затем - совмещенной структуры, а худшее значение      у меха-

низма непосредственного действия, что хорошо согласуется с резуль-

татами проведенного ранее кинематического анализа, и, следователь-

но, выведенный в п. 3.4.2 критерий Ф, обобщенный вид которого при-

веден в выражениях  (2.21,2.22),  оценивает  не  только  кинемати-

ческие, но и динамические характеристики ВКА и его минимизация ве-

дет к их улучшению,  поэтому критерий Ф является интегральным кри-

терием качества ВКА (обобщенным критерием) [127].

     Помимо проверки работоспособности и оценки свойств синтезиру-

емых  конструкций ВКА подобный подход к моделированию функциониро-

вания ВКА,  основанный на решении уравнения  (2.18),  обеспечивает

нахождение  рациональной  совокупности перечисленных параметров ФМ

ВКА путем их перебора,  т.е. позволяет определить желательные зна-

чения параметров структурных составляющих ВКА,  что является необ-

ходимым условием синтеза элементных  структур  ВКА  и  оптимизации

конструкции при функционально-схемотехническом проектировании.

     Выводы.

     1. Предложена   обобщенная  модель  функционально-схемотехни-

ческого проектирования ВКА,  предоставляющая конструктору упорядо-

ченную последовательность действий, необходимых для выбора страте-

                              - 117 -

гии при создании ВКА.

     2. Разработана  методика  и  математическая модель параметри-

ческого анализа конструкций ВКА,  позволяющая  выявлять  необходи-

мость модернизации конструкций и проводить их оценку.

     3. Разработана методика функционально-схемотехнического  про-

ектирования ВКА, позволяющая генерировать и находить удовлетворяю-

щие ТЗ технические решения ВКА. Предложены правила генерации, пре-

образования  и  выбора  структур ВКА и проведена формализация про-

цесса ее структурного синтеза.

     4. Предложена  методика синтеза ФПД ВКА как этапа ее функцио-

нального проектирования,  позволяющая разрабатывать функциональную

структуру  ВКА тогда,  когда разработка ее элементной структуры на

основе известных функциональных структур не удовлетворяет требова-

ниям ТЗ.

     5. Показана важность синтеза  механизмов  при  проектировании

ВКА.  Выделена группа классификационных признаков, имеющих опреде-

ляющее значение для их синтеза,  произведена систематизация струк-

тур  ВКА  применительно к механизмам и представлено их описание на

введенном предметно-ориентированном языке схемотехнического проек-

тирования.  Предложены пути синтеза кинематических схем механизмов

ВКА.

     6. Проведен кинематический анализ механизмов ВКА,  на основа-

нии которого обоснованы и выведены критерии оптимальности ВКА.

     7. Произведен  анализ процесса функционирования ВКА на основе

его моделирования.  Изучено влияние параметров структурных состав-

ляющих  на  динамические свойства ВКА,  позволившее сформулировать

возможные пути улучшения показателей качества ВКА.  Отмечена  важ-

ность  моделирования  функционирования ВКА при ее схемотехническом

проектировании.

.

                             - 118 -

     4. СОЗДАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВКА НА БАЗЕ АВТОМАТИЗАЦИИ  СХЕ-

        МОТЕХНИЧЕСКОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

     Исследования, проведенные  во второй и третьей главах настоя-

щей работы,  показали неизбежность использования средств  вычисли-

тельной  техники  для  решения задач функционального и схемотехни-

ческого проектирования ВКА вследствие их сложности и больших  раз-

мерностей при необходимости охвата всех возможных вариантов синте-

зируемых решений,  а также для исключения субъективизма при прове-

дении оптимизации ВКА.

     4.1. Программные  средства  анализа  существующих конструкций

ВКА.

     Созданные программные средства реализуют разработанную  инва-

риантную  [142]  методику параметрического анализа ВКА (п.3.2),  а

также метод выбора типа структурных  составляющих  ВКА  (п.3.3)  и

представляют собой три программых модуля "WYBOR", "VTIP", "OPTIM".

     Программный модуль "WYBOR", построенный по функционально- мо-

дульному принципу, обеспечивает проведение параметрического анали-

за существующих конструкций ВКА на соответствие требованиям ТЗ  и,

позволяя найти аналоги или прототипы, обеспечивает выбор оптималь-

ной конструкции [143].  Структура программного модуля,  состоящего

из  блока  управления  (БУ),  блоков  выбора и анализа конструкций

(БВК, БАК), блока формирования весовых коэффициентов (БФВК), блока

управления  базой  данных  (БУБД),  связанного с блоками занесения

(БЗК),  удаления (БУК),  коррекции (БКП)  и  просмотра  параметров

конструкций  (БПП) и каталогов (БПК),  блоков ввода-вывода и обра-

ботки файлов данных (БВВ,  БОФД) приведена в  приложении  на  рис.

П.1.  Программный модуль "WYBOR" позволяет: осуществить параметри-

                              - 119 -

ческий выбор марки конструкции ВКА, наиболее полно соответствующей

заданным  параметрам ТЗ с учетом важности того или иного параметра

в каждом конкретном случае выбора; работать с созданной базой дан-

ных в режимах: просмотра каталога имеющихся конструкций и значений

их параметров, коррекции значений параметров конструкций, внесения

новых или удаления устаревших конструкций из банка данных;  форми-

ровать значения весовых коэффициентов  рассматриваемых  параметров

либо путем назначения, либо с использованием метода парных сравне-

ний.

     Входными параметрами модуля являются: код режима работы; тре-

буемые значения параметров конструкций ВКА (ТЗ);  значения весовых

коэффициентов рассматриваемых параметров.

     Выходными параметрами модуля являются: марка конструкции ВКА,

наиболее  полно удовлетворяющей ТЗ,  и ее параметры;  информация о

конструкциях-аналогах  (также   отвечающих   ТЗ);   информация   о

конструкциях-прототипах  (не  удовлетворяющих ТЗ) с указанием неу-

довлетворенных параметров (по желанию пользователя).

     Оптимизация выбора осуществляется блоком БАК в соответствии с

критерием (2.19).  При этом принято, что разброс значений парамет-

ров  существующих конструкций подчиняется равномерному распределе-

нию, что объясняется дискретным рядом конструкций ВКА.

     Информационное обеспечение  модуля включает значения парамет-

ров характеристик существующих конструкций ВКА,  сформированные по

данным источников п.  1.2,  список критичных для выбора параметров

ВКА и предлагаемые значения их весовых коэффициентов.

     Программный модуль "VTIP",  также построенный по функциональ-

но-модульному  принципу,  обеспечивает  качественный  выбор  типов

основных ФМ ВКА на основании разработанных таблиц применимости (п.

3.3) [144]. Структура модуля, включающего блок диалогового взаимо-

действия (БДВ), блок выбора типов (БВТ) приводов (Пр), вводов дви-

                              - 120 -

жения (ВД) и уплотнительных пар (УП),  блок анализа и  оптимизации

(БАО) и блок контроля ввода данных (БК), представлена на рис. П.2.

При выборе вакуумных вводов  движения  программный  модуль  "VTIP"

позволяет  производить поиск и выбор их типов по основным и допол-

нительным критериям качества,  а также проводить оптимизацию полу-

ченных типов по критерию относительной стоимости.

     Входными данными модуля является информация о требуемых пара-

метрах ФМ, представляемая в соответствии с градациями соответству-

ющих таблиц п. 3.3.

     Выходными данными  являются:  качественная информация о типах

ФМ,  удовлетворяющих ТЗ; информация о типах ФМ, не удовлетворяющих

одному или двум заданным требованиям, с указанием параметров, под-

лежащих изменению.

     Программный модуль  "OPTIM" предназначен для проведения срав-

нительного   параметрического   анализа   нескольких    однотипных

конструкций  ВКА,  задаваемых пользователем с целью выявления наи-

лучшей, или для оценки технического уровня новой разработки [143],

и является автономной реализацией блока БАК модуля "WYBOR".  Отли-

чие заключается только в типе используемых при оптимизации идеаль-

ных  моделей.  Если  в  модуле  "WYBOR" идеальной моделью является

конструкция,  описываемая требованиями ТЗ, то в модуле "OPTIM" при

сравнительном анализе конструкций - это конструкция с параметрами,

лучшими,  чем у существующих конструкций ВКА,  хотя возможно и  не

достижимыми,  а  при  оценке  технического  уровня - это параметры

конструкции ВКА,  являющейся лучшей (эталонной) в  рассматриваемом

классе устройств.

     Входными параметрами модуля "OPTIM" являются:  код рассматри-

ваемого класса ВКА; диаметр условного прохода; количество рассмат-

риваемых конструкций; значения параметров сравниваемых конструкций

ВКА и их весовые коэффициенты (аналогично модулю "WYBOR").

                              - 121 -

     Выходными параметрами  модуля  являются:   степень   сходства

рассматриваемых конструкций с идеальной моделью (%), номер наилуч-

шей конструкции и ее параметры.

     Информационное обеспечение  модуля  "OPTIM",  помимо  данных,

используемых в модуле "WYBOR",  содержит параметрическое  описание

идеальных моделей всех типоразмеров ВКА.

     Рассмотренные программные средства инвариантны [145] и  могут

быть использованы для анализа ТО любой предметной области при соз-

дании соответствующего информационного обеспечения.

     4.2. Программные средства синтеза и анализа структур ВКА.

     Основополагающим этапом функционально-схемотехнического  про-

ектирования ВКА является синтез ее структур,  проводимый на основе

формализованных в п.  3.3 положений. При этом необходимость опери-

рования  с параметрами входных и выходных свойств сопрягаемых эле-

ментов делает программные модули синтеза структуры ВКА и генерации

ее ФПД идентичными. Причем программный модуль структурного синтеза

ВКА "VP1" оперирует соответствующими параметрами допустимых  вари-

антов ФМ ВКА,  выбранных с помощью средств п.  4.1,  а программный

модуль генерации ФПД ВКА "VP2" - параметрами  входных  и  выходных

свойств ФЭ из созданного предметно-ориентированного банка структу-

ризованных описаний ФЭ.

     Модуль "VP2"  позволяет  генерировать цепочки ФЭ по следующим

алгоритмам: по описанию ВКА на физическом уровне, включающем связи

между  ее  элементами на основе конкретной структурной модели;  по

заданному входному управляющему воздействию и требуемому результа-

ту с возможностью выбора желаемой длины цепочки ФЭ [146].

     Следует отметить,  что разработанная методология структурного

синтеза  применима  и для создания других ТО,  представимых в виде

                              - 122 -

последовательно взаимодействующих модулей [147 - 149].

     Одним из важнейших аспектов автоматизации конструкторской де-

ятельности при создании ВКА [150] является синтез  ее  механизмов,

который,  как отмечалось в п.  3.4, предлагается производить двумя

путями:  на основе типовых элементарных механизмов или  на  основе

анализа  форм цепей.  В соответствии с этим разработаны два пакета

прикладных программ (ППП), общим начальным этапом которых является

синтез  формулы  строения  ВКА  (выражение (3.35)),  реализованный

программой "SSVC1", которая запрашивает в диалоговом режиме данные

в соответствии с выделеными классификационными признаками, описан-

ными в п.  3.4.  На  основании  конкретных  признаков  формируется

описание желаемого принципа работы ВКА и определяются требования к

механизмам ВКА с позиции реализации перекрытия и герметизации про-

ходного отверстия.

     ППП "Р4" предназначен для синтеза механизмов ВКА  из  типовых

элементарных  механизмов и расчета параметров типовых и синтезиро-

ванных механизмов [144].

     Структура ППП,  включающая: модули расчета элементарных меха-

низмов (МР): кулачкового механизма (КулМ), кулачкового механизма с

архимедовой  спиралью  (КулМАС),  кривошипно-ползунного  механизма

(КПМ),  двухползунного механизма (2ПМ), клинового механизма (КлМ),

винтового  механизма (ВМ),  зубчатого механизма (ЗубМ),  механизма

шарнирного четырехзвенника (Ш4Зв),  кулисного механизма  (КулисМ);

модуль контролируемого ввода данных (МКВвД);  модуль синтеза меха-

низмов (МСМ); модуль расчета параметров синтезированного механизма

(МРП);  модуль  оказания помощи (МОП) при работе с ППП - приведена

на рис. П.3.

     Входными параметрами ППП являются: типы элементарных механиз-

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8