Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
обеспечения (ПИО). Вся информация о существующих конструкциях ВКА
и вспомогательная справочная информация хранится в банках данных
системы (БнД). Связь конструктора с ЭВМ в диалоговом режиме осу-
ществляется с использованием алфавитно-цифрового дисплея (АЦД) и
символьно-графического дисплея (СГД).
Проектирующие подсистемы представляют собой функционально за-
конченные части системы, последовательно реализующие выделенные
этапы проектирования ВКА. К ним относятся подсистемы выбора и ана-
лиза аналогов и прототипов ВКА (ВАВКА, ААВКА, ВПВКА и АПВКА), син-
теза и анализа физических принципов действия ВКА (СФПД и АФПД),
структурного синтеза и анализа (ССВКА и САВКА), качественного син-
теза и анализа (КСВКА и КАВКА), параметрического синтеза и анализа
(ПСВКА и ПАВКА), компоновки ВКА и ее анализа (КВКА и АКВКА), а
также подсистемы выбора и анализа аналогов и прототипов приводов,
вводов движения в вакуум, механизмов и уплотнительных пар (ВАП,
ВАВВ, ВАМ, ВАУП, ААП, ААВВ, ААМ, ААУП, АПП, ВПВВ, ВПМ, ВПУП, АПП,
АПВВ, АПМ, АПУП). Кроме этого в системе имеются подсистемы струк-
- 125 -
турного синтеза основных составных элементов ВКА (ССП, ССВВ, ССМ,
ССУП), а также предусмотрены подсистемы структурного синтеза их
сборочных единиц (СССБП, СССБВВ, ССЭУП).
Функционирование системы происходит следующим образом. По
вводимому конструктором техническому заданию на создание конкрет-
ной ВКА, являющемуся отправной точкой разработки, система осущест-
вляет поиск аналога ВКА из числа хранимых в БнД и при наличии
нескольких аналогов, соответствующих ТЗ, производит их анализ, вы-
бирая наилучшую конструкцию, чертежи которой находятся в конструк-
торском архиве. Если аналоги отсутствуют, конструктор может произ-
вести корректировку ТЗ (например, производя его усечение по не-
основным показателям качества), и система осуществляет поиск и
анализ прототипов. Выбор аналогов и прототипов производится в два
этапа: сначала проводится качественная оценка существующих
конструкций, позволяющая определить требуемый тип ВКА, а затем
проводится количественная оценка для выявления подходящей
конструкции. Если прототип ВКА найден, а осуществленная корректи-
ровка ТЗ нежелательна, то система анализирует внесенные конструк-
тором в ТЗ изменения и выдает дополнительное ТЗ на модернизацию
соответствующего функционального устройства - структурный синтез
привода, ввода движения в вакуум, механизма или уплотнительной па-
ры в подсистемы (ССП, ССВВ, ССМ и ССУП).
Если прототип не найден, то осуществляется разработка нового
технического решения ВКА, удовлетворяющего заданному ТЗ. В этом
случае система производит с использованием эвристических приемов
поиск и выбор ФПД ВКА. На основе выбранного ФПД производится выяв-
ление всевозможных структурных схем, анализ и синтез которых
представляется целесообразным. После получения структурных схем
определяется качественный состав ФМ ВКА, а на основе моделирования
- оцениваются значения их параметров качества. Затем система ана-
- 126 -
лизирует параметрические характеристики найденных структур на
соответствие ТЗ и если структуры, соответствующей ТЗ, нет, то син-
тезируется новая структура на основе другого ФПД или корректиру-
ется ТЗ в сторону смягчения предъявляемых требований.
Если синтезированная структура соответствует ТЗ, то в
подсистеме ПАВКА формируют частные ТЗ на основные элементы ВКА -
привод, ввод движения в вакуум, механизм и уплотнительную пару.
Далее система выполняет процедуры поиска и выбора аналогов и про-
тотипов этих структурных составляющих, аналогичные процедурам по-
иска и выбора аналогов и прототипов ВКА. При этом в подсистемах
анализа прототипов в случае необходимости формируется ТЗ на струк-
турный синтез сборочных единиц привода, ввода движения в вакуум,
механизма и элементов уплотнительной пары (СССБП, СССБВВ, ССМ и
ССЭУП). Если прототип не найден, то осуществляют структурный син-
тез новых технических решений этих устройств: подсистемы (ССП,
ССВВ, ССМ, ССУП).
Структурный синтез и анализ новых конструкций ВКА или их эле-
ментов, аналогично выбору аналогов и прототипов ВКА, также прово-
дится в два этапа: сначала качественно, а затем количественно.
В зависимости от наличия аналогов и прототипов элементов ВКА
система производит компоновку ВКА из аналогов или из модернизиро-
ванных прототипов, либо из элементов, полученных в результате их
синтеза, и осуществляет выбор оптимальной компоновки. После этого
с использованием уравнения функционирования ВКА (этап моделирова-
ния) осуществляется окончательный параметрический анализ ВКА,
спроектированной на основе оптимальной компоновки. Если полученная
конструкция ВКА не соответствует ТЗ, то осуществляется корректи-
ровка ТЗ на элементы ВКА и процесс проектирования повторяется.
Введение в структуру САПР нового этапа - качественного синте-
за и анализа ВКА позволяет выбирать наиболее целесообразные для
- 127 -
дальнейшего рассмотрения конструкции, что значительно снижает вре-
мя работы системы. Ускорению процесса проектирования и улучшению
качества проектного решения способствует наличие обратной связи -
постоянной, после каждого этапа, проверки получаемой конструкции
на соответствие ТЗ.
Основными функциями, выполняемыми подсистемами выбора и ана-
лиза аналогов и прототипов ВКА и их элементов, являются следующие:
формирование по ТЗ параметрической модели ВКА; выбор аналогов и
прототипов, соответствующих ТЗ, формирование интегральных критери-
ев качества ВКА и ее элементов; выбор наилучшего аналога и прото-
типа из числа отвечающих требованиям ТЗ; формирование ТЗ на модер-
низацию структурных составляющих ВКА и их сборочных единиц.
Основными процедурами в подсистемах СФПД и АФПД являются:
построение множества ФПД ВКА; выявление множества структур ФПД;
выбор допустимых структур ФПД; технологический и экономический
анализ ФПД; выбор рациональной структуры ФПД.
В подсистемах ССВКА и САВКА выполняются следующие процедуры:
формирование множества структурных схем ВКА; синтез допустимых
структурных схем; оценка и выбор рациональных структурных схем;
корректировка принятых решений.
В подсистемах КСВКА и КАВКА осуществляют определение качест-
венного состава структурных элементов схем ВКА и выбор среди ка-
чественных структурных схем рациональных решений.
В подсистемах ПСВКА и ПАВКА осуществляют: проектировочные и
поверочные расчеты ВКА; определение выходных параметров структур-
ных элементов ВКА; формирование критериев оптимальности и ограни-
чений; оптимизацию параметров ВКА; анализ оптимальной компоновки
ВКА; корректировку принятого решения в подсистеме ССВКА или кор-
ректировку ТЗ; формирование проектной документации; формирование
ТЗ для выбора или проектирования структурных составляющих ВКА.
- 128 -
Основными процедурами в подсистемах КВКА и АКВКА являются
следующие: синтез компоновок из элементов ВКА; формирование крите-
рия качества компоновок; анализ и выбор оптимальной компоновки;
формирование проектной документации.
При использовании описанной САПР в качестве подсистемы в ГАП
ВКА обязательным процессом является процедура проверки синтезиро-
ванных значений параметров ВКА требованиям, определяемым техни-
ческими характеристиками автоматизированной производственной ячей-
ки (станок, робот, комплекты оснастки и инструмента), являющейся
элементом конкретной ГАП [152]. Кроме того, предусмотрена система
адаптации базы данных и накладываемых граничных условий к измене-
нию станочного парка производства, появлению новых технологий и
др.
Использование подобной САПР, повышая качество и эффективность
труда конструктора, позволит ему получать принципиально новые тех-
нические решения.
4.4. Конструкции ВКА, разработанные на основе синтезированных
структур.
4.4.1. Конструкции ВКА, разработанные на основе синтеза ее
структуры на уровне типов основных ФМ.
Сопоставительный анализ сформированного с учетом морфологии
ВКА множества ее обобщенных вариантных структур (с использованием
программного модуля "VP1") и существующих конструкций ВКА показал
отсутствие ВКА плоского типа с использованием электромагнитного
привода. Данный факт определил цель проектирования соответствующей
конструкции затвора. В связи с тем, что величина хода штока типо-
вого электромагнитного привода не позволяет обеспечить сложного
- 129 -
движения и требуемых перемещений уплотнительного диска для перек-
рывания проходного отверстия и герметизации УП в плоских уст-
ройствах, в качестве прототипа была выбрана разработанная нами ба-
зовая конструкция сверхвысоковакуумного затвора с двумя исполни-
тельными органами и электропневматическим приводом [153]. Приняв
за основу структуру, генерируемую по правилу (3.22), получаем из
выражения (3.30) искомую формулу строения создаваемого устройства:
Общий вид разработанного затвора представлен на рис. П.6,
П.6А. Для согласования функциональных параметров сопрягаемых
основных ФМ совместно с электромагнитным приводом использован гид-
равлический усилитель, т.е. образован комбинированный привод, поз-
воляющий применять подобное решение и для устройств с цельнометал-
лической УП. Проведенный анализ множества позволил модифициро-
вать описываемую конструкцию за счет использования для перемещения
уплотнительного диска принципиально нового для ВКА ввода движения
- упруго деформируемого полого элемента - трубки Бурдона. Подобное
выполнение конструкции позволило упростить управление работой зат-
вора, повысить его быстродействие и уменьшить дестабилизирующее
воздействие элементов затвора на вакуумную среду [154].
Дальнейшее развитие конструкций ВКА, включающих вводы движе-
ния - механизмы непосредственного действия, не содержащие пары
трения в вакуумной полости, обусловило необходимость получения
структуры с одним исполнительным органом. Формула строения данного
устройства получена из выражения (3.32) :
Общий вид конструкции сверхвысоковакуумного затвора , реали-
зующей данную цель, приведен на рис. П.7, П.7А-В.
Подобное выполнение затвора позволило использовать в структу-
ре только один исполнительный орган при сохранении достоинств вы-
- 130 -
шеописанной конструкции [155].
4.4.2. Конструкции ВКА, разработанные на основе синтеза ее
механизмов.
Необходимость синтеза механизмов обусловлена, как правило,
использованием электромеханического или ручного привода, а также
сложным видом движения при перекрывании и герметизации проходного
отверстия, что особенно актуально для плоских и проходных затво-
ров. Рассмотрим конструкции ВКА, полученные с использованием раз-
личных путей синтеза ее механизмов (см. п. 3.4.1.).
Кинематическая схема поворотного затвора, полученная на осно-
ве анализа трехконтурной формы цепи (с использованием ППП "SSVC"),
реализованной посредством плоских рычажных механизмов, приведена
на рис. П.8. Формулу строения данного устройства, согласно (3.35),
можно представить в виде:
Проработка и практическое воплощение полученной схемы меха-
низма совмещенной структуры (рис. П.9) обеспечили рациональное
движение уплотнительного диска при перекрывании и герметизации
проходного отверстия: поступательное его движение на стадии герме-
тизации и поворот уплотнительного диска на 90 на стадиях открыва-
ния и закрыванияя затвора при небольшом ходе ведущего звена приво-
да.
Подобное выполнение устройства приводит к повышению ресурса и
надежности работы затвора за счет исключения неравномерности сжа-
тия уплотнителя и его трения о седло, а также обеспечения фиксиро-
ванного положения уплотнительного диска в каждый момент работы
затвора, что устраняет возможность его перекосов [120].
- 131 -
Дальнейшая доработка рассмотренной конструкции обусловлена
оптимизацией созданного механизма по критерию Ф (выражение
(2.21)). Оптимизация проводилась для механизма, расположенного вне
вакуумной полости затвора и являющегося собственно его приводом (с
использованием ППП "Р4"). Целью проектирования явилась необходи-
мость обеспечения различных передаточных функций на стадиях перек-
рывания и герметизации проходного отверстия. Указанная цель реали-
зована посредством использования двух взаимодействующих типовых
элементарных механизмов - попеременно работающих эксцентриков
(рис. П.10), причем на стадии перемещения уплотнительного диска,
требующей значительных перемещений при малых усилиях, работает
эксцентрик с большим эксцентриситетом, а герметизация затвора про-
изводится эксцентриком с маленьким эксцентриситетом. Подобное вы-
полнение устройства позволяет существенно уменьшить приводное уси-
лие для получения требуемого усилия герметизации [156].
По отношению к используемым механизмам, особенно расположен-
ным в вакуумной полости, наиболее критичны сверхвысоковакуумные
конструкции, качество которых зачастую определется дестабилизирую-
щим влиянием на рабочую сверхвысоковакуумную среду (величиной
привносимой дефектности). В связи с этим одной из основных целей
проектирования сверхвысоковакуумных клапанов и затворов является
уменьшение числа тяжелонагруженных пар трения в механизмах, рабо-
тающих в вакуумной полости ВКА, либо полное их устранение, что на-
иболее труднодостижимо для конструкций плоского типа. Другим важ-
ным аспектом разработки конструкций с электромеханическим приводом
является использование только одного привода для их функционирова-
ния, что определило цели проектирования описываемых ниже конструк-
ций сверхвысоковакуумных прямопролетных плоских затворов.
На рис. П.11, П.11А,Б представлен общий вид сверхвысоковаку-
умного затвора, в котором механизм, расположенный в вакуумной по-
- 132 -
лости, обеспечивает поворот уплотнительного диска для перекрывания
проходного отверстия, что не требует больших усилий, а герметиза-
ция осуществляется механизмом, расположенным вне вакуумной по-
лости. Формула строения при этом имеет вид:
Подобная конструкция является устройством переменной структу-
ры с отключением механизма перемещения при герметизации:
Достоинством разработанного механизма перемещения уплотни-
тельного диска (рис. П.11Б) является его большое передаточное от-
ношение при незначительных габаритах, что приводит к минимизации
критерия Ф [157].
Вместе с тем, рассмотренная конструкция достаточно сложна, а
механизм перемещения из-за расположения в вакуумной полости труд-
норегулируем, что определило цель проектирования - удаление меха-
низма из вакуумной полости (замена его механизмом непосредственно-
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
