Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
- 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,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
