Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Анализ принципов построения и технологии изготовления
волоконно-оптических преобразователей перемещения (ВОПП) 11
1.1. Принципы применения волоконно-оптических технологий в
приборостроении 11
1.2. Особенности конструктивного и схемотехнического исполнения
ВОПП 16
-
Особенности технологии изготовления волоконно-оптических элементов ВОПП 22
-
Анализ существующих технологий производства ВОПП 29
-
Принципы построения автоматизированного комплекса для контроля технологической точности ВОПП 33
-
Выводы к главе 1 35
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процессов функционирования
ВОПП с учетом производственных погрешностей 37
-
Обобщенная математическая модель ВОПП 37
-
Разработка математической модели функционирования оптико-механического блока ВОПП 41
-
Математические модели волоконно-оптического кабеля 54
-
Математические модели базовых электронных аналоговых и аналого-цифровых функциональных элементов ВОПП 58
-
Разработка программной модели
ВОПП 63
-
Описание основных программных объектов используемых в системе... 66
-
Проверка и анализ полученной с помощью АС информации 68
-
Выводы к главе 2 71
ГЛАВА 3. Расчетные методы обеспечения технологической точности
ВОПП 73
-
Обзор и сравнительный анализ методов расчета технологических допусков на параметры ВОПП 73
-
Методика оптимизации допусков на параметры элементов ВОПП 80
-
Расчет оптимального распределения энергопотерь между элементами ВОЛС 84
-
Пример энергетического расчета ВОПП 87
-
Расчет допусков на параметры цифровых ВОПП 94
-
Выводы к главе 3 101
ГЛАВА 4. Разработка интеллектуальных технологических средств для
производства цифровых ВОПП 103
4.1. Общие положения 103
4.2 Принципы построения ИТМ для настройки электронных блоков
ВОПП 104
-
ИТМ для настройки оптико-механического блока ВОПП 105
-
Принципы построения ИТМ для компенсации неравномерности параметров передачи излучения световодов ОК 107
-
Принципиальные схемы интерфейсов, используемых в ИТМ 109
-
Технологическая установка факельно-дугового разряда для точной подгонки резисторов ЭБ ВОПП 110
-
Выводы к главе 4 118
5.Основные результаты и выводы по работе 121
-
Список использованной литературы 125
-
Приложения 137
Введение к работе
Волоконно-оптические приборы и устройства находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Это обусловлено рядом их принципиальных преимуществ перед традиционными конструктивно-технологическими решениями, а именно, высокой помехозащищенностью, точностью функционирования, минимальными массо-габаритными показателями, также возможностью безотказной работы во взрыво- и пожароопасных средах, при воздействии радиации и других внешних эксплуатационных факторов. Непрерывно возрастающий интерес к волоконно-оптическому приборостроению подтверждает бурная динамика развития мирового рынка оптоэлектронных приборов, который, по данным экспертных оценок, в последнее время составляет десятки миллиардов долларов в год.
Обширную группу среди волоконно-оптических приборов занимают преобразователи линейных и угловых перемещений (ВОПП). Проведенный анализ запросов предприятий различного профиля показал, что суммарная ежегодная потребность в ВОПП составляет около 60 тыс, штук. При этом чаще всего требуются ВОПП с информационной емкостью И — 16 бит (88 % от общей потребности) и длиной волоконно-оптической линии связи (ВОЛС)до100м(85%).
К настоящему времени разработано большое многообразие конструктивных и схемотехнических разновидностей ВОПП. Большой вклад в развитие теории, проектирования и промышленного освоения ВОПП внесли известные научные коллективы и приборостроительные фирмы как у нас в стране (ЛОМО, МИЭТ, МВТУ им. Баумана, ЛИТМО, МЛТИ, МИФИ, НПО «Геофизика», НИИФИ, УКБП и др.), так и за рубежом («HEIDENHAIN», «RSF-Electronic», «AEG-Telefunken», «Siemens und Halske» (Германия), «Olivetti» (Италия), «Marcony Co. ltd», «Marcony House» (Великобритания), «Boldyin piano Co», «Litton», «Electronis corporation» (США), «Mitsubishi» (Япония) и др.). В результате разработаны образцы ВОПП с уникальными показателями точности, быстродействия, массо-габаритными характеристиками и стоимостью. Однако их широкому практическому использованию в значительной степени препятствует недостаточный уровень технологических процессов, используемых для их проектирования, изготовления и контроля. Такое положение обусловлено тем, что, ВОПП являются сложными электромеханическими устройствами, содержащими в своем составе прецизионные механические узлы, протяженные волоконно-оптические линии связи и электронные компоненты. Наличие в их структуре разнесенных в пространстве различных по физической природе функциональных элементов (сборочных единиц) требует применения индивидуальных технологий их производства, в значительной степени ориентированных на ручные методы регулировки и контроля интерфейсных параметров. Особенно остро указанные проблемы проявляются при создании высокоточных ВОПП с информационной емкостью 12 - 14 бит и более. Так, для оценки качества сборки ВОПП на основе 13-ти разрядной маски кода Грея необходимо контролировать амплитуды, форму и взаимные фазовые сдвиги формируемого набора аналоговых и цифровых и цифровых сигналов на 16192периодах их изменения. Поэтому применение ручных операций контроля в процессе производства ВОПП увеличивает затраты времени и трудовых ресурсов, которые могут достигать сотен человеко-дней. Сравнимыми по трудоемкости оказываются операции и при обработке полученной информации. Еще большую остроту указанные проблемы приобретают при создании многоотсчетных ВОПП, имеющих развитую оптическую схему и сложные электронные схемы согласования отсчетов. Указанные обстоятельства приводят к увеличению себестоимости изделий и снижению их конкурентоспособности.
Решение проблемы повышения производительности, снижения затрат и повышения культуры производства ВОПП возможно путем создания и внедрения в производственный процесс комплекса интеллектуальных технологических модулей (ИТМ) для контроля точности изготовления ВОПП. Использование комплекса ИТМ позволит на виртуальном уровне интегрировать разнесенные в пространстве и времени частные технологические процессы в единый производственный комплекс и обеспечить информационную и технологическую совместимость. При этом с помощью специальных программных средств представляется возможным осуществлять настройку отдельных сборочных единиц и ВОПП в целом, а также проводить экспресс-анализ комплекса метрологических характеристик путем моделирования процедур поверочных испытаний.
Проблемы разработки конструкций и технологии производства ВОПП нашли отражение в работах Ю.В.Гуляева, М.М. Бутусова, В.И.Бусурина, В.М.Гречишникова, В.Г.Домрачева, Ю.Р.Носова, Е.А.Зака, А.В.Мироненко, Л.Н.Преснухина, И.В.Меськина, С.А.Майорова, Н.Е.Конюхова, В.И. Садовникова, Ю.Г.Якушенкова, И.И.Гроднева, Н.А.Семенова, И.И.Теумина, Дж.Мидвинтера, Дж.Гауэра, Б.К.Чео и др. Однако, несмотря на имеющиеся публикации, проблема создания и практического использования технологического оборудования, обладающего перечисленными свойствами, до сих пор не решена. На основании изложенного тема диссертационной работы, посвященная научному и экспериментальному обоснованию, а также созданию комплекса высокотехнологичных ИТМ для производства ВОПП представляется актуальной, имеющей важное значение для науки и практики.
Целью диссертационной работы является разработка, теоретическое и экспериментальное обоснование комплекса специализированных интеллектуальных технологических модулей и технологического оборудования, обеспечивающего повышение производительности и точности технологических операций в процессе производства ВОПП.
Задачи исследования: - обзор принципов построения, технологических приемов и оборудования для производства ВОПП; разработка математических моделей, позволяющих учесть влияние комплекса производственных погрешностей и внешних факторов на процесс функционирования ВОПП; разработка программного обеспечения для моделирования процедур поверочных испытаний и расчета коэффициентов влияния технологических погрешностей и внешних факторов на метрологические характеристики ВОПП; разработка методики оптимального расчета технологических допусков на параметры элементов конструкции ВОПП; разработка и обоснование структурной схемы и программного обеспечения специализированных интеллектуальных технологических модулей для проектирования, производства и контроля ВОПП; - разработка технологии производства взаимозаменяемых электронных блоков ВОПП с использованием установки факельно-дугового разряда; изготовление и экспериментальные исследования разработанного технологического оборудования.
Методы исследования.
При решении поставленных задач в работе использованы математический аппарат теории аналого-цифрового преобразования, аналитической геометрии, методы решения оптимизационных задач, теории погрешностей, теории вероятностей, интегрального и дифференциального исчисления.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований макетных образцов технологических модулей, созданных с использованием разработанных математических моделей и структурных схем, экспериментальными исследованиями макетного образца установки факельно-дугового разряда, а также сравнением полученных результатов с данными, полученными другими исследователями.
Научная новизна работы: разработаны математические модели ВОПП и их отдельных сборочных единиц, отображающие процессы их изготовления, сборки и функционирования с учетом комплекса доминирующих производственных погрешностей; разработаны методики оптимального расчета производственных допусков на параметры механических, волоконно-оптических и электронных компонентов цифровых ВОПП по критерию минимальной стоимости изготовления; разработаны принципы построения специализированных интеллектуальных технологических модулей для экспресс-анализа метрологических характеристик сборочных единиц с использованием программного обеспечения моделирующего процессы преобразования ВОПП и его отдельных составных частей; разработана новая технология подгонки толстопленочных резисторов в цепях смещения и отрицательной обратной связи усилителей и компараторов электронного блока ВОПП, основанная на использовании факельно-дугового разряда в режиме дискретного апериодического управления;
Практическая ценность работы: с использованием разработанных математических моделей ВОПП, программного обеспечения и структурных схем разработаны реальные образцы технологических модулей для экспресс-анализа метрологических характеристик как отдельных сборочных единиц, так и ВОПП в целом; разработанные методики оптимального выбора допусков могут быть положены в основу методик инженерного проектирования широкого класса электромеханических приборов и преобразователей информации; - предложенный способ подгонки толстопленочных резисторов сиспользованием факельно-дугового разряда реализован в разработанной автором технологической установке, которая позволила, по сравнению с другими способами, обеспечить более высокую управляемость процессом подгонки, повысить процент выхода годных резисторов, повысить их временную стабильность и сократить трудоемкость процесса подгонки.
Реализация результатов работы: Результаты работы нашли практическое применение: - в технологическом оборудовании для производства толстопленочных плат микросборок ВОПП на ФГУП «НИИ - «ЭКРАН» г. Самара; - при разработке методов контроля параметров для проведения стендовых и полевых испытаний изделий ГП «НИМИ», г. Москва; - в учебном процессе СГАУ при выполнении лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов по специальности 200800 «Проектирование и технология РЭС»;
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Работа содержит 134 страницы основного текста, включая 50 иллюстраций и 8 таблиц. Список литературы включает 120 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту: математические модели, отображающие влияние комплекса технологических погрешностей и внешних эксплутационных факторов на процессы функционирования и метрологические характеристики ВОПП; - методика оптимального расчета производственных допусков на параметры механических, волоконно-оптических и электронных компонентов ВОПП по критерию минимальной стоимости изготовления; - структурные схемы и программное обеспечение комплекса специализированных технологических модулей для проведения экспресс- анализа метрологических характеристик в процессе производства ВОПП; - новая технология подгонки толстопленочных резисторов в цепях смещения и отрицательной обратной связи усилителей и компараторов электронного блока ВОШІ, основанная на использовании факельно-дугового разряда в режиме дискретного апериодического управления технологическим процессом.
