Содержание к диссертации
Введение
1. Обзорно-аналитические исследования пьезоэлектрических приводов и САПР 9
1.1 Схемы пьезоэлектрических приводов 9
1.2 Морфологический анализ пьезоэлектрических приводов 19
1.3 Особенности автоматизированного проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов 24
1.4 Постановка задачи исследования 27
2. Теоретический подход к решению задачи создания автоматизированной системы проектирования пьезоэлектрических приводов 29
2.1 Понятие о выборе вариантов пьезоэлектрических приводов 29
2.2 Формы интегрального критерия 34
2.3 Аналитическая процедура Саати 37
2.4 Обобщенный критерий оценки качества пьезоэлектрических приводов42
3. Математическая модель автоматизированной системы проектирования 52
3.1 Структура модели сложных процессов в пьезоэлектрических приводах. 52
3.2 Вероятностная оценка работоспособности и ее общий запас в детали ... 58
3.3 Физические представления о природе сухого трения в вакууме 60
3.4 Закономерности процесса газовыделения при трении сопряженных тел в пьезоэлектрическом приводе 63
3.5 Энергетический баланс в зоне контакта деталей 71
3.6 Расчёт опорных узлов пьезоэлектрического привода 87
3.7 Расчёт скорости движения выходного звена пьезоэлектрического привода 88
3.8 Расчёт элементов пьезоэлектрического привода на привносимый уровень загрязнения 92
3.9 Расчёт эффективного коэффициента трения в зоне контакта выходного звена и упругой пластины 97
4. Экспериментальные исследования пьезоэлектрических приводов 99
4.1 Характеристика пьезоэлектрического привода 99
4.2 Исследование динамических параметров пьезоэлектрического привода . 105
4.3 Исследование кинематических характеристик пьезоэлектрического привода 108
4.4 Исследование силовых характеристик пьезоэлектрического привода. 111
4.5 Вакуумная установка для исследования работоспособности пьезоэлектрического привода в вакууме 115
4.6 Результаты экспериментальных исследований 120
5. Разработка перспективных пьезоэлектрических приводов с использованием автоматизированной системы пректирования 123
5.1 Пьезопривод для нанотехнологии 123
5.2 Устройство перемещения для нанотехнологии 125
Заключение 128
Литература 130
Приложение 140
- Морфологический анализ пьезоэлектрических приводов
- Формы интегрального критерия
- Вероятностная оценка работоспособности и ее общий запас в детали
- Исследование динамических параметров пьезоэлектрического привода
Введение к работе
Усложнение объектов проектирования определяет задачу создания компьютеризированной методологии проектирования и построения на ее основе автоматизированных систем, способных решать не вспомогательные, а основные задачи синтеза объектов. Одним из наиболее мощных средств для исследования и проектирования технических систем является моделирование. Использование моделирования, начиная с ранних стадий проектирования, и постепенное накопление информации за счет уточнения и детализации модели позволяет говорить о расширяемой адаптивной модели всего цикла проектирования. Соответственно, при анализе различных свойств объекта проектирования (ОП) модельное представление должно формироваться наиболее подходящим для этой цели образом, независимо от конкретного процесса или этапа проектирования, и сохранять все требуемые свойства проектируемого объекта. При этом естественна и необходима модификация модели, т.е. исходное описание должно допускать внесение изменений.
Широкое внедрение компьютеризации в условиях научно-технического прогресса обеспечивает рост производительности труда в различных областях производства. Развитие новой техники в современных условиях замедляется не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие автоматизированных систем проектирования.
Развитие микроэлектроники, переход на нанотехнологии требует использования новых типов приводов для работы в вакууме. Одними из них являются пьезоэлектрические приводы (ПЭП). Принцип их действия основан на преобразовании высокочастотных механических колебаний в непрерывное вращательное или поступательное перемещение рабочего органа. Для большинства пьезоэлектрических приводов амплитуда колебаний преобразователей весьма мала - 0,1* 10"3 - 10"3 мм. Предельные значения составляют амплитуды в 0,1-0,2 мм, применяемые в быстроходных устройствах.
Однако широкое внедрение таких приводов сдерживается сложностью их проектирования, отсутствием моделей и способов оценки конструкции на отдельных стадиях проектирования. Поэтому актуальна разработка автоматизированных систем проектирования таких приводов, включающая комплекс методических средств и моделей, а также способов оценки качества проекта в целом.
Важным моментом применения пьезоэлектрических двигателей в оборудовании электронной техники является их использование в вакууме без дополнительных устройств передачи движения через герметичную стенку, т.е. проблема создания ввода в вакуумный объём отпадает сама собой при использовании пьезоэлектрических приводов.
Автоматизированная система проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов (ПЭП) может играть роль мощного средства, эффективное применение которой невозможна без разработки комплекса методических указаний и инструкций, используемых на каждом этапе и регламентирующих их последовательность.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы проектирования ПЭП, позволяющей сократить время их проектирования, выбирать наилучшие варианты среди спроектированных, рассчитывать параметры работоспособности пьезоэлектрических приводов при заданных исходных данных с учётом привносимой дефектности по микрочастицам и газовому потоку и создание нового вида привода, удовлетворяющего всё возрастающим требованиям прецизионно-стерильного оборудования электронной техники и точного приборостроения.
В соответствии с поставленной целью на защиту выносится:
Способ оценки качества ПЭП.
Модели образования привносимой дефектности в условиях вибрационного режима работы ПЭП.
Теоретические и экспериментальные исследования параметров работоспособности ПЭП.
Создание автоматизированной системы проектирования ПЭП, отвечающей критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности.
Технические решения ПЭП.
Методы исследования. В качестве методов исследования в работе используются положения теории систем, теории множеств, теории принятия решений и искусственного интеллекта. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов выполнена на специально созданных установках и стендах.
При проведении экспериментальных исследований применялись методики прямых и косвенных измерений методом тензометрии, с последующей обработкой результатов методами теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна обусловлена:
Созданием автоматизированной системы проектирования ПЭП.
Предложенной структурой модели сложных процессов, происходящих в ПЭП.
Представленным способом оценки качества для ПЭП.
Предложенной моделью сухого трения и износа в условиях вибрационного режима работы ПЭП.
5. Предложенными теоретическими формулами расчёта привносимой дефектности, кинематических и динамических параметров ПЭП.
Достоверность результатов. Достоверность проведённых теоретических исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, известными в литературе и полученными автором.
Практическая значимость:
Предложено автоматизированное рабочее место (АРМ) для разработчика ПЭП в структуре САПР.
Разработаны технические решения ПЭП, отвечающие критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам ПЭП.
Создан программный продукт «Вакуумный пьезопривод» (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611099).
Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе в МГИЭМ и практике системного конструирования для производства материалов и приборов электронной техники в НИИ МЭИИТ, НИИ ПМТ и НИИ СУВПТ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника»; на научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» в 2000, 2001, 2002 годах, а также на конференциях МГИЭМ для молодых учёных и специалистов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, сделано 4 доклада на Всероссийских конференциях, написано 3 депонированных статьи.
Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения.
Работа изложена на 158 страницах, включая акты внедрения и приложение.
Морфологический анализ пьезоэлектрических приводов
С учётом проведённого анализа в пункте 1.1 предложена морфологическая таблица. В качестве примера рассмотрим часть этой таблицы. Идея использования морфологической таблицы в диссертационной работе состоит в следующем: 1. Из созданной морфологической таблицы ПЭП выбираются приводы, удовлетворяющие техническому заданию. 2. Генерируются новые приводы (посредством обычной комбинации альтернатив признаков). После чего оцениваются по критериям и заносятся обратно в таблицу. Породить можно огромное число изделий. Повторяют эту процедуру до тех пор, пока не будет найдено оптимальное решение. После незначительных доработок таблица приведённая в качестве примера может быть использована в создаваемой автоматизированной системе проектирования ПЭП. Проектирование как инвариантная по отношению к конкретным объектам форма инженерной деятельности имеет ряд характерных особенностей [6]: 1. Процесс имеет итерационный характер. 2. Решения принимаются на отдельных этапах в условиях неполной или недостаточной информации, которая в эти случаях поступает или из внешней среды, или вырабатывается проектировщиком в процессе творческой деятельности. 3. В процессе проектирования сочетаются процедуры алгоритмического и эвристического характера. 4. В проектной деятельности используются различные ресурсы, среди которых одним из наиболее важных являются знания проектировщика. 5. Цель проектирования устанавливается вне процесса проектирования и остается неизменной в течении этого процесса. 6. Процесс проектирования производит информацию, которая может быть использована в производстве. Автоматизированная система проектирования в процессе проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов играет роль мощного средства, эффективное применение которого невозможно без разработки комплекса методических указаний и инструкций, регламентирующих последовательность этапов и используемых на каждом этапе. Поскольку на каждом этапе автоматизированного проектирования осуществляются различные операции с материальными и нематериальными (информационными) объектами, а также возникает проблема наиболее эффективного распределения этих операций во времени и оптимального соотнесения в пространстве с целью экономии трудовых и материальных ресурсов, то представляется целесообразной необходимость разработки и отработки технологии автоматизированного проектирования.
Процесс проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов начинается со сбора информации о спроектированных разновидностях объекта, результатах выполненных научно-исследовательских работ, сбора данных об испытаниях аналогов, условиях снабжения материалами и т.д. На основании анализа требований к техническим характеристикам, условий изготовления и эксплуатации, выявления тенденций развития ПЭП составляется и корректируется исходное техническое задание на проектирование. Реализация технологии автоматизированного проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов предъявляет к разрабатываемой системе комплекс следующих требований: наличие автоматизированного рабочего места проектировщика; наличие математической модели возможность формулировать ТЗ на проектирования в понятной форме для проектировщика; обеспечения необходимой проектировщикам ясности и однозначности формулировок цели проектирования (лучше всего описать в терминах характеристик системы); наличие средств для эффективной корректировки задания на проектирование; отсутствие жестких ограничений на структуру и объем входных данных и формы носителей информации, на которых они хранятся; возможность оперативного подключения к программному обеспечению системы новых модулей и исключение устаревших; представление возможностей проектировщику на основе промежуточных результатов принимать решение о выборе методов для продолжения проектной задачи, а также изменений значений отдельных параметров в используемом методе решения; возможность в ходе выполнения проектных операций прослеживать значения основных показателей процесса, свидетельствующих о его эффективности, и в зависимости от их значений корректировать вычислительный процесс; наличие актуальной базы знаний, базы материалов; допустимость включения обучающих программ для повышения квалификации проектировщика.
Формы интегрального критерия
Аддитивный критерий основан на использовании принципа справедливого компромисса принципа абсолютной уступки, а именно справедливым является компромисс, при котором улучшение абсолютного значения одного или нескольких критериев компенсирует ухудшение абсолютных значений критериев. Аддитивный критерий К применяется тогда, когда существенное значение при выборе имеют абсолютные значения локальных критериев, поскольку принцип абсолютной уступки безразличен к действенным значениям критериев и допускает большую неравномерность их уровней. Помимо удобства при проведении расчетов этот критерий по сравнению с другими формами допускает легкую интерпретацию вклада каждого критерия в оценку варианта, что важно при управлении процессом проектирования. Основным недостатком аддитивного критерия является возможность взаимной компенсации локальных критериев, когда существенное уменьшение одного критерия компенсируется возрастанием другого, в результате чего получается то же самое, изначальное, значение интегрального критерия. На практике широко применяется специальный вид аддитивного критерия где aj - весовой коэффициент j-того критерия; Kj- нормированное значение j-того критерия. Мультипликативный критерий. В основе построения мультипликативного критерия лежит другой вид принципа оптимальности - принцип относительной уступки, а именно справедливым считается компромисс, когда суммарный уровень относительного снижения значений одного или, нескольких локальных критериев не превышает суммарного уровня относительного увеличения критериев, т.е. где AKj приращение значения j-oro локального критерия; Kj первоначальное значение j-того критерия.
Мультипликативный критерий применяют тогда, когда существенное значение при выборе имеет изменение абсолютных значений локальных критериев. Достоинством этого критерия является вытекающая из принципа относительной уступки его инвариантность относительно единиц измерения локальных критериев, поэтому не требуется проведение процедуры нормализации. При проектировании наиболее часто используют форму критерия в виде К недостаткам критерия относятся важность взаимной компенсации локальных критериев и сглаживание уровней, несмотря на существенное различие первоначальных критериев, что затрудняет анализ вклада каждого критерия при оценке. Метрический критерий. В основе принципа оптимальности лежит мера близости вектор-оценки рассматриваемого варианта к вектор-оценке идеального ПЭП в пространстве критериев К (рис.2.2.1а). Наиболее часто при выборе ПЭП за меру близости в метрическом критерии принимают функцию псевдо-евклидова расстояния, выражаемую формулой где Кj - нормированное значение j-того критерия идеального (гипотетического) решения. Компонентами идеального вектора К" ={К",...,К",...,Кпт) являются наилучшие значения из всех возможных значений в т-мерном пространстве К или определяются в результате прогнозирований. Недостатком метрического критерия является то, что одному и тому же значению критерия К могут соответствовать существенно различные значения a j и Kj (рис. 2.2.16). Это в ряде случаев выбора приводит к неправильному принятию решения, поскольку значение не учитывает прагматического аспекта оценки вариантов. Кроме того, в ряде задач определение идеального вектора К" затруднено или не может быть осуществлено однозначно, что сказывается на обоснованности применения критерия.
Вероятностная оценка работоспособности и ее общий запас в детали
Представим процесс потери работоспособности деталью как некоторую абстрагированную математическую модель. Пусть Хь Х2,..., Хп - выходные параметры детали, определяющие состояние, которые являются функциями времени t. Область работоспособности детали будем рассматривать как множество Gx состояний X, определяемых значениями выходных параметров ХЬХ2,...,ХП. Принадлежность состояния X множеству Gx (X є Gx) свидетельствует о том, что деталь работоспособна. Если значения параметров ХЬХ2,...,ХП больше допустимых Xip5X2p,...,Xnp, т-е- Xj Х]р, Х2 Х2рз.. .,ХП Хпр, то деталь является полностью неработоспособной. Если некоторые, из значений параметров X будут больше допустимых, а другие меньше допустимых, то деталь является частично неработоспособной, Для условия работоспособности детали X] XJp, Х2 Х2р,.. .,ХП Хпр соответствует тому, что множество Gx Gxp. В каждом цикле работы детали событие, когда, например, параметр Xj не превысит допустимой величины Xjp и событие, когда параметр Xj будет больше Х1р являются противоположными, т.е.
Пусть PJz X( ,[- вероятность того, что параметр Xj в течение К циклов выйдет за пределы допустимого XjP; Р{ X; Xip } - вероятность того, что параметр Xj в і-ом цикле не выйдет за пределы Хір; Р{ Xk XkP } - вероятность того, что параметр Xj в К -ом цикле выйдет за пределы ХкР, тогда по теореме умножения для независимых событий Это и есть вероятность отказа детали. Отказ наступит в том случае, если X(t)gGxp до этого момента деталь работоспособна, при этом запас работоспособности будет определяться Таким образом, при воздействии на деталь внешних возмущений изменяются ее входные параметры UR которые при соответствующих внутренних свойствах Fj переходят в выходные параметры X] детали. Такой переход, во всех случаях, связан с энергетическими затратами в период эксплуатации детали, вызванными внешними возмущениями. Все энергетические затраты можно разделить на две составляющие бесконтактные - передаваемые детали от окружающей среды и контактные, возникающие в результате контактного взаимодействия нескольких (сопряженных) деталей и их взаимного влияния друг на друга.
При нормальных условиях поверхность металла покрыта слоями окислов, адсорбированных молекул и различных инородных включений. При трении в вакууме, без дополнительной смазки эти слои стираются и происходит контакт ювенильных поверхностей, что в конечном итоге, приводит к возрастанию коэффициента трения и износа. Иными словами, вакуум ухудшает антифрикционные характеристики контактирующих материалов. В изучении вопросов трения и износа большой оклад внесли советские ученые: Епифанов Г.И., Ишлинский Ю.А., Крагельский И.В., Ребиндер П.А., Костецкий В.И., Дерягин В.В., Духовский Е.А., Демкин Н.Д., Хрущов Н.М., Чичинадэе А.В., Дроздов Ю.Н., Силин А.А., Понамарев А.Н., Михин Н.М. и другие, а за рубежом: Д. Тейбор, Ф. Боуден, Э. Рабинович, П. Мерчент, Д. Арчанд и другие. Согласно молекулярно - механической теории трения [7], в контакте двух тел всегда присутствует "третье тело", которое представляет собой ослабленный слой-пленку, состоящую из смазок, окислов адсорбированных молекул газов, паров и различных загрязнений. Эта тонкая пленка служит демпфером между обоими телами и локализует в своем объеме основные контактные напряжения. В случае больших контактных усилий между трущимися поверхностями в деформацию вовлекаются и нижележащие слои, что и определяет двойственную, т.е. молекулярно - механическую природу трения: молекулярную - связанную с преодолением сопротивления в пленке, адгезионных и молекулярных сил, механическую - связанную с деформированием микронеровностей подпленочного слоя и обусловленную шероховатостью и волнистостью контакта.
Сила трения в контакте равна: где a - прочность на срез адгезионного мостика при отсутствии нормального давления; Р - коэффициент, характеризующий увеличение прочности на срез при приложении внешнего усилия; f - коэффициент, учитывающий механическую составляющую общей силы трения. Согласно работам проф Епифанова Г.И. [8, 9] поверхности твердых тел, как бы тщательно они не были изготовлены, всегда обладают шероховатостью и волнистостью. Внедрение микронеровностей одной поверхности в другую и зацепление неровностей сопряженных поверхностей сопровождается адгезией, возникающей на предельно чистых поверхностях, сближенных до расстояния порядка радиуса действия молекулярных сил. Поэтому основным содержанием процесса трения предельно чистых поверхностей является пластическое сдвигообразование, развивающееся в тонких поверхностных слоях трущихся тел [8]. Для уменьшения в этих условиях явлений пластического сдвигообразования и адгезии в отечественной и зарубежной практике применяется ряд новых видов смазок, самосмазывающих материалов и покрытий. Проблема повышения работоспособности ПЭП, работающих в вакууме, связана с уменьшением в узлах коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Для оценки этих параметров необходимо выбрать модель поверхности трения. В соответствии с работой [10] поверхности трения можно моделировать в виде сферы, цилиндра или конуса (рис.3.3.1, а,б,в). Наиболее пригодной для расчетов на трение и изнашивание является сферическая модель (рис.3.3.1,а), которая отражает изотропность трения. Две другие формы способны описать анизотропные эффекты. В этих формах нормальные напряжения на периферии (рис.3.3.1,6), и в центре (рис.3.3.1,в) пятна контакта являются неопределенными.
Исследование динамических параметров пьезоэлектрического привода
Усложнение объектов проектирования определяет задачу создания компьютеризированной методологии проектирования и построения на ее основе автоматизированных систем, способных решать не вспомогательные, а основные задачи синтеза объектов. Одним из наиболее мощных средств для исследования и проектирования технических систем является моделирование. Использование моделирования, начиная с ранних стадий проектирования, и постепенное накопление информации за счет уточнения и детализации модели позволяет говорить о расширяемой адаптивной модели всего цикла проектирования. Соответственно, при анализе различных свойств объекта проектирования (ОП) модельное представление должно формироваться наиболее подходящим для этой цели образом, независимо от конкретного процесса или этапа проектирования, и сохранять все требуемые свойства проектируемого объекта. При этом естественна и необходима модификация модели, т.е. исходное описание должно допускать внесение изменений.
Широкое внедрение компьютеризации в условиях научно-технического прогресса обеспечивает рост производительности труда в различных областях производства. Развитие новой техники в современных условиях замедляется не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие автоматизированных систем проектирования.
Развитие микроэлектроники, переход на нанотехнологии требует использования новых типов приводов для работы в вакууме. Одними из них являются пьезоэлектрические приводы (ПЭП). Принцип их действия основан на преобразовании высокочастотных механических колебаний в непрерывное вращательное или поступательное перемещение рабочего органа. Для большинства пьезоэлектрических приводов амплитуда колебаний преобразователей весьма мала - 0,1 10"3 - 10"3 мм. Предельные значения составляют амплитуды в 0,1-0,2 мм, применяемые в быстроходных устройствах.
Однако широкое внедрение таких приводов сдерживается сложностью их проектирования, отсутствием моделей и способов оценки конструкции на отдельных стадиях проектирования. Поэтому актуальна разработка автоматизированных систем проектирования таких приводов, включающая комплекс методических средств и моделей, а также способов оценки качества проекта в целом.
Важным моментом применения пьезоэлектрических двигателей в оборудовании электронной техники является их использование в вакууме без дополнительных устройств передачи движения через герметичную стенку, т.е. проблема создания ввода в вакуумный объём отпадает сама собой при использовании пьезоэлектрических приводов.
Автоматизированная система проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов (ПЭП) может играть роль мощного средства, эффективное применение которой невозможна без разработки комплекса методических указаний и инструкций, используемых на каждом этапе и регламентирующих их последовательность.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы проектирования ПЭП, позволяющей сократить время их проектирования, выбирать наилучшие варианты среди спроектированных, рассчитывать параметры работоспособности пьезоэлектрических приводов при заданных исходных данных с учётом привносимой дефектности по микрочастицам и газовому потоку и создание нового вида привода, удовлетворяющего всё возрастающим требованиям прецизионно-стерильного оборудования электронной техники и точного приборостроения.
В соответствии с поставленной целью на защиту выносится: 1. Способ оценки качества ПЭП. 2. Модели образования привносимой дефектности в условиях вибрационного режима работы ПЭП. 3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров работоспособности ПЭП. 4. Создание автоматизированной системы проектирования ПЭП, отвечающей критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности. 5. Технические решения ПЭП.
Методы исследования. В качестве методов исследования в работе используются положения теории систем, теории множеств, теории принятия решений и искусственного интеллекта. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов выполнена на специально созданных установках и стендах.
При проведении экспериментальных исследований применялись методики прямых и косвенных измерений методом тензометрии, с последующей обработкой результатов методами теории вероятностей и математической статистики.
