Введение к работе
Актуальность работы. Разработка новых вакуумных технологий и широкое внедрение вакуумной техники в различные отрасли промышленности предъявляют к элементной базе вакуумного оборудования повышенные требования, разнообразный и меняющийся' диапазон значений которых обуславливает, в частности, необходимость модернизации и разработки новых конструкций вакуумной коммутационной аппаратуры -(ВКА). Традиционное проектирование, основанное на интуитивно-эмпирическом подходе, исходя из уровня знаний конструктора, не удовлетворяет, в полной мере ужесточившимся требованиям к созданию ВКА (например, необходимости минимального воздействия потоков газовыделения и загрязнений на технологическую среду оборудования производства изделий электронной техники, работе при температурах 600-800 К, повышению показателей надежности в десятки раз и т. д.), что особенно заметно на примере цельнометаллической ВКА, показатели качества которой, начиная с начала 70-х годов, по существу не улучшаются. В связи с этим существующие конструкции ВКА громоздки, имеют небольшой ресурс и наработку на отказ. Ситуация осложняется отсутствием единого научно обоснованного подхода к проектированию ВКА, что приводит к неоправданному ее многообразию, низкому .качеству конструкций и, как следствие,- к отказам и простоям дорогостоящего оборудования при эксплуатации. Кроме того, проявляется тенденция к значительному уменьшению сроков проектирования ВКА, которая наряду с указанными факторами вызывает необходимость автоматизации процесса проектирования.
Одним из выходов из сложившейся ситуации является разработка и применение новых развивающихся методик проектирования, позволяющих генерировать множество различных технических решений и проводить. Целенаправленный ИХ ПОИСК И ЕЬЙОр, ИСХОДЯ ИЗ ТеХНИЧееКСГС 'з-
-'4 -дания (ТЗ).имеющего,жесткие и иногда полярные требования. Эти процедуры особенно важны на начальных стадиях проектирования,в основном формирующих облик будущего изделия. В связи с этим разработка методики схемотехнического и функционального проектирования ВКА, заключающегося в синтезе и анализе ВКА на этапе технического предложения и содержащего оценку свойств ВКА на основе исследования 'процессов ее функционирования, генерацию и выбор принципиальных технических решений, определяющих структуру ВКА с учетом специфики ее функционирования в составе конкретной вакуумной системы, приобретает большую актуальность. -
Однако создание подобной методики осложнено отсутствием многих знаний: .системной модели ВКА для постановки задач схемотехнического и функционального проектирования; исследований процесса функционирования ВКА с поаиций схемотехнического проектирования; формального описания структур ВКА к процесса их синтеза; формализованных научно обоснованных методов принятия решений при конструировании ВКА.
Делью работы является создание научно обоснованной методологии схемотехнического и функционального проектирования ВКА, направленной на решение проблем проектирования ВКА, с конкретной реализацией в виде новых конструкций ВКА и программно-информационных средств, предназначенных для анализа, синтеза и моделирования работы ВКА.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи: проведение системного анализа ВКА; разработка системной модели процесса проектирования ВКА; разработка методики и математических моделей процесса проектирования ВКА на уровне формирования ее структурных схем; построение.и исследование модели функционирования ВКА; разработка Формализованных методов выбора и критериев оптимальности при структурном син тезе ВКА; разработка комплекса программных средстЕ автоматизации
начальных этапов проектирования ВКА; оазоаботка новых конструкций ВКА на основе использования созданного методического и информационно-программного обеспечений.
Методы исследований. В процессе решения поставленных задач использоЕаны методы теории сложных систем, теории графов и множеств, теории механизмов и машин, теории принятия решений, математической логики и математического моделирования.
Научная новизна.
-
Разработаны "инвариантные относительно иерархического уровня представления ВКА и являющиеся основой создания методик функционального л г {емотехнического проектирования системные модели, описывающие' основные характеристик:'. ВКА и ее структурных составляющих как объектов конструиоования (.функции, структуру, свойства и связи с внешней средой) и основные характеристики и знания процесса проектирования ВКА (цели проектирования, уравнения проектирования и функционирования, критерии оптимальности).
-
Предложены математические модели ВКА на этапах функционального и схемотехнического проектирования, выведены и обоснованы критерии оптимальности ВКА, позволяющие определить пути совершенствования и выбор наилучших технических решений.
-
Предложены обобщенная модель, методика и математические модели функционального и схемотехнического проектирования ВКА, предоставляющие конструктору упорядоченную последовательность действий, необходимых для выбора'стратегии при создании ВКА, и возможность генерации и нахождения удовлетворяющих ТЗ технических решений.
-
Разработана методика синтеза физического принципа действия (ФПД) ВКА как этапа ее функционального проектирования, позволяющая получать новые функциональные структуры ВКА.
-
Разработаны методика и математическая модель оценки конструкций ВКА и ее структурных составляющих, позволяющие диагностировать их технический уроєень, проводить их оценку и выявлять необхолн-
-:6-мость модернизации конструкций.
Практическая ценность. Созданы перспективные конструкции ВКА с высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями качества, удовлетворяющие разнообразным требованиям вакуумного технологического оборудования.
Разработана машиноориентированная методика параметрической оценки технического уровня создаваемых конструкций ВКА.
На основе проведенных теоретических исследований создан комплекс' программных средств для моделирования процесса функционирования ВКА, автоматизации процедур выбора ВКА и ее структурных составляющих, синтеза элементных структур ВКА и ее механизмов, а также синтеза ФПД ВКА, позволяющий сократить сроки и трудоемкость проектирования ВКА и повысить качество конструкторских разработок.
Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы внедрены на заводе "Темп" (г. Фурманов), являющемся специализированным предприятием по производству ВКА, кроме того созданные конструкции ВКА внедрены в ОИЯИ (г. Дубна), а разработанное программное обеспечение внедрено ь НПО "Вакууммаш-прибор" (г. Москва) и НИИТМ (г. Зеленоград).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Всесоюзной конференции 'Чизика и техника высокого и сверхвысокого вакуума" (г. Ленинград. 1985), на зональном семинаре "Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР" (г. Пенза, 1987), на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация проектирования и конструирования в электронном машиностроении" (г. Москва, 1988), на Всесоюзном семинаре "САПР в машиностроении" (г. Ульяновск, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития вакуумной техники" ("Вакуум-91") (г. Казань, 1991).
Публикации. Основные практические и научные результаты
-7-, диссертации опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 9 авторских свидетельствах.
На зашиту выносятся: системные модели ВКА и процесса ее' функционального и схемотехнического проектирования; методика и математические модели функционально-схемотехнического проектирования ВКА; математические модели ВКА на этапах функционального и схемотехнического проектирования; методика и математическая модель оценки конструкций ВКА и ее структурных составляющих; результаты исследования математической модели функционирования ВКА и критерии оптимальности.конструкций ВКА; новый класс ВКА переменной структуры и конструкции ВКА.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения', четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, содержащих акты внедрения, подтверждающие практическое использование результатов работы, укрупненные блок-схемы созданного программного обеспечения и общие виды разработанных- конструкций 'ВКА'.