Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

Выполнение этих задач требует, в частности, развития вакуумной техники, оказывающей определяющее влияние на создание и производство изделий электроники и все более широко используемой в других отраслях промышленности.

Разработка новых вакуумных технологий предъявляет к вакуумному оборудованию повышенные требования, разнообразный и меняющийся диапазон значений которых обуславливает необходимость модернизации и разработки новых конструкций его элементной базы, в частности, вакуумной коммутационной аппаратуры (ВКА): клапанов, затворов, натекателей, служащих для периодического сообщения и герметичного перекрытия вакуумных коммуникаций и управления вакуумным режимом.

Конструкцией и правильной эксплуатацией ВКА, являющейся неотъемлемой частью вакуумных систем (ВС), в значительной степени определяется надежность работы вакуумного технологического оборудования. (ВТО). Вместе с тем 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 улуч- - 5 - шаются. В связи с этим существующие конструкции громоздки, имеют небольшой ресурс и наработку на отказ.

Ситуация осложняется отсутвием 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 выбор, исходя из технического задания (ТЗ), имеющего жесткие и иногда полярные требования.

Изложенное определило цель настоящей работы, которой 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. Принципиально функциональное и схемотехническое проектирование ВКА, заключающееся в синтезе и анализе ВКА на этапе технического предложения и содержащее 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 ВС, можно представить в виде последовательности: цель проектирования - функция - устройство (элементная структура), которая обуславливает необходимость формального описания структур, функций, - 6 - свойств, объектов для определения проектных целей в виде изменения структур ВКА и определения связей свойств ВКА для построения этих структур. Более детально модель процесса проектирования ВКА на начальных стадиях можно представить в виде алгоритма, укрупненная блок-схема которого приведена на рис. 1. Согласно представленной блок-схемы, ТЗ на разработку ВКА определяется требованиями к ВС, являющейся для ВКА объектом более высокого уровня, а начальным этапом создания ВКА является поиск аналогов. Это объясняется нецелесообразностью разработки новой конструкции ВКА при наличии среди существующих вариантов ВКА конструкции, полностью удовлетворяющей предъявленным требованиям. В случае отсутствия аналогов необходимо проанализировать ТЗ для выявления заведомо завышенных требований с целью их смягчения. Если данная процедура не приводит к нахождению аналога, то переходят к поиску прототипа - конструкции ВКА, наиболее полно соответствующей требованиям ТЗ. Сравнение параметров выбранной конструкции ВКА с требуемыми (ТЗ) позволяет сформировать потребительские цели проектирования ВКА в виде необходимости изменения соответствующих значений параметров ВКА или ее структурных составляющих. Цели и критерии позволяют конструктору осуществлять направленный поиск и синтез технических решений ВКА. Исходя из целей, определяют необходимые функции и функциональные модули, их реализующие. Вводя соответствующие отношения среди найденных функциональных модулей, получают возможные структуры ВКА, из которых с помощью критериев выбирают структуру, наиболее отвечающую предъявленным требованиям ТЗ (происходит достижение проектной цели). - 8 - Отсутствие среди известных удовлетворительной функциональной структуры или появление новых функций для достижения потребительской цели проектирования ВКА приводит к необходимости синтеза физического принципа действия ВКА, являющегося этапом ее функционального проектирования, появлению новых функциональных модулей и повторению этапов схемотехнического проектирования ВКА для синтеза ее оптимальной элементной структуры.

Анализ приведенного алгоритма проектирования показал, что, помимо отмеченного отсутствия системного описания ВКА, удобного для постановки задач схемотехнического и функционального проектирования, достижение поставленной цели осложнено также отсутствием исследований процесса функционирования ВКА с позиций схемотехнического проектирования; формального описания структур ВКА и процесса их синтеза; формализованных научно обоснованных методов принятия решений при конструировании ВКА, что позволило сформулировать следующие основные задачи, подлежащие решению: - 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 синтезе ВКА; - разработка комплекса программных средств автоматизации начальных этапов проектирования ВКА; - разработка новых конструкций ВКА на основе использования созданного методического и информационно-программного обеспечений. На защиту выносятся: 1. Системные модели ВКА и процесса ее функционального и схемотехнического проектирования. - 9 - 2. Методика и математические модели функционально-схемотехнического проектирования ВКА. 3. Математические модели ВКА на этапах функционального и схемотехнического проектирования. 4. Методика и математическая модель оценки конструкций ВКА и ее структурных составляющих. 5. Результаты исследования математической модели функционирования ВКА и критерии оптимальности конструкций ВКА. 6. Новый класс ВКА переменной структуры и конструкции ВКА. . - 10 - I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ I.I. Анализ связей ВКА с оборудованием электронной техники.

Основные требования, предъявляемые к ВКА. Вакуум как рабочая среда технологических процессов и научных исследований находит возрастающее применение в различных отраслях промышленности. При этом основным потребителем элементов, средств и систем вакуумной техники является электронная техника, предъявляющая наиболее жесткие, зачастую противоречивые и трудно реализуемые требования к создаваемым ВС. Используемое в электронной технике вакуумное технологическое и научное оборудование, интервалы рабочих давлений основных типов которого приведены на рис. I.I., по величине рабочего давления можно условно разделить на три группы: 1) установки с рабочим давлением до 5 10 Па; 2) установки с рабочим давлением до 1 10 Па; 3) оборудование с рабочим вакуумом выше 1 10 Па. Как правило, получение вакуума в оборудовании первой группы достигается применением паромасляных диффузионных насосов с ловушками, позволяющими исключить наличие углеводородных соединений в рабочей среде; герметизация разъемных соединений осуществляется резиновыми прокладками [I - 5]. Подобные установки относятся к непрогреваемым системам, длительность откачки которых определяется, в основном, десорбцией паров воды [6 - 8]. Дополнительными требованиями к установкам данного типа могут служить необходимость получения определенного спектра остаточных газов [9, 10], исключение привносимой дефектности на изделие электронной техники [11 - 15], высокая (до 1600 К) температура в рабочей камере и повышенные - 11 - требования к надежности работы из-за значительного экономического ущерба в случае отказа [16 - 18]. Оборудование второй группы [19 - 24] обеспечивает получение более низких парциальных давлений остаточных газов. В данной группе оборудования, в основном, используют безмасляные (турбомолекулярные, магнитои электро-разрядные насосы) и комбинированные средства откачки [25 - 27]. В качестве уплотнений разъемных соединений применяются металлические прокладки и прокладки, изготовленные из термостойкой резины [28, 29]. Как правило, установки второй группы прогреваются до 400 - 650 К (оборудование для откачки электровакуумных приборов частично до 950 К), имеют достаточно большое время достижения рабочего давления (от 5 до 20 часов) [19, 30 - 33] и более жесткие требования к привносимой на изделие дефектности [34]. К третьей группе оборудования принадлежат уникальные системыускорители заряженных частиц [35 - 38], камеры для космических исследований и ряд технологических установок и научных приборов [39, 40]. Их отличие от вакуумных систем второй группы состоит в необходимости предварительной обработки и очистки материалов для вакуумных систем, длительном времени прогрева и откачки, использовании только металлических уплотнителей в разъемных соединениях. При этом время существования высокого вакуума в рабочем объеме может длиться месяцами и годами [29, 41 - 43]. Общим требованием ко всем группам вакуумного оборудования является автоматизация технологических процессов и научного эксперимента [44 - 46]. В свою очередь, требования к вакуумному оборудованию формируют требования к его элементной базе, в том числе к ВКА, которая, являясь неотъемлемой частью ВС вакуумного оборудования (например, только в однои двухкамерных установках число коммутационных уст- - 12 - ройств колеблется от 5 до 10, достигая 15 [20, 47]), во многом определяет его выходные характеристики. Так, производительность оборудования первой и второй групп определяется не только его конструкцией (однопозиционные установки периодического действия, установки полунепрерывного действия со шлюзовыми камерами, установки и линии непрерывного действия и др.), но и сокращением времени достижения рабочего давления, зависящим, в частности, от проводимости ВКА [48, 49]. Следует отметить и наметившуюся в последнее время в производстве изделий электронной техники тенденцию к понижению рабочего давления до 10 - 10 Па вследствие существенного влияния давления и парциального состава газовой смеси на параметры и свойства изделий [1, 19, 40], т.е. к использованию высокои сверхвысоковакуумного оборудования, требующего прогрева до 700 - 800 К и, следовательно, применения цельнометаллической ВКА, позволяющей сократить время достижения сверхвысокого вакуума в 2,5 раза и упростить обслуживание установок [25, 41]. С учетом отмеченного во введении критического состояния проектирования цельнометаллической ВКА целесообразно выделить для детального рассмотрения области ее применения, которые показаны на рис. I.2. При этом, несмотря на достаточно четкую границу между группами оборудования с одинаковыми вакуумными характеристиками и условиями эксплуатации, определяющими основные свойства ВКА, к ней предъявляется множество разнообразных дополнительных требований, зависящих от конкретного случая использования, что ведет к увеличению номенклатуры ВКА, затрудняя проведение унификации и стандартизации вакуумного оборудования и повышая трудоемкость его проектирования и изготовления.

Анализ длительности технологических циклов и ресурса работы оборудования, проведенный по работам [19, 20, 24, 47, 48], позво- - 14 - ляет судить о требуемом ресурсе и цикличности работы ВКА и показывает, что число циклов работы клапанов и затворов лежит в пределах 500 - 8000, а в ряде установок, имеющих длительность технологического процесса порядка десятков секунд (например, электронно-лучевых установок микросварки), их ресурс должен быть значительно большим - 20000 - 50000. Кроме того, особенностью ВКА является кратковременный циклический режим работы с большими промежутками между включениями: отношение времени работы к времени выстоя очень различно и в среднем находится в пределах 1 : (100 - 10000). Суммарное время нахождения механизмов ВКА в динамическом состоянии до замены уплотнительной пары составляет для ВКА с металлическим уплотнителем в среднем примерно 2 - 4 часа, для ВКА с резиновым уплотнением - 20 - 50 часов.

Снижение рабочего вакуума накладывает дополнительные ограничения на разработку ВКА, связанные с необходимостью уменьшения влияния элементов вакуумной полости ВКА на параметры технологического процесса и учета привносимой дефектности [50, 51]. При этом ряд ответственных сверхвысоковакуумных систем, взамен большого ресурса работы ВКА выдвигает на первый план требования к быстродействию и высокой надежности ее работы [37, 39]. Таким образом, анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых современным вакуумным оборудованием, позволил сформировать следующие основные требования, предъявляемые к ВКА. ВКА должна: иметь заданную проводимость в открытом положении; обеспечивать требуемое быстродействие; гарантировать величину натекания в закрытом положении ВКА не выше допустимой (например, соизмеримой с уровнем газопроницаемости конструкционных материалов и материала уплотнителя); допускать эксплуатацию в диапазоне температур от 77 до 800 К; минимально воздействовать на качественный и количествен- - 15 - ный состав остаточной среды в вакуумной системе; иметь достаточные ресурс работы и наработку на отказ; предусматривать возможность автоматического управления и контроля за работой; обладать минимальными габаритами и весом; обеспечивать простой монтаж и демонтаж устройства; иметь высокие технолого-экономические показатели. I.2. Функционально-структурный анализ ВКА. Несмотря на все возрастающую потребность в ВКА, имеющаяся по ней литература весьма скудна, разрознена и носит большей частью описательный характер. В затрагивающих данную область работах практически отсутствуют методики проектирования ВКА, недостаточны рекомендации и данные по ее расчету и конструированию [20, 29, 51- 54], вследствие чего разработка конкретных устройств ВКА в большинстве случаев основывается на опыте конструктора. При этом отсутствие единого научно обоснованного подхода к проектированию ВКА затрудняет создание конструкции, имеющей наилучшие характеристики по всем показателям качества, поэтому существующие вакуумные клапаны и затворы удовлетворительно соответствуют лишь 3 - 4 показателям качества, что приводит к неоправданному многообразию их конструкций.

Достоинства и недостатки существующих конструкций ВКА рассмотрим на основе анализа информации, содержащейся в литературных источниках и каталогах отечественных предприятий-разработчиков и заводов-изготовителей и передовых в области вакуумного машиностроения иностранных фирм [20, 29, 51 - 67]. На рис. 1.3, 1.4 приведены примеры конструктивных схем ВКА, дающие представление о ее многообразии, на рис. 1.5 показаны основные принципиальные схемы ВКА, а на рис. 1.6 - типовые схемы - 19 - ее уплотнительных пар.

Проанализируем существующие технические решения ВКА с позиций функционально-структурного подхода - реализации последовательности: цель - функция - устройство.

Плоский затвор (рис. 1.5 а, е), имеющий минимальное расстояние между присоединительными фланцами (цель), во избежание износа уплотнителя требует при перемещении улотнительного органа 1 для открывания или перекрывания проходного отверстия 2 создания гарантированного зазора между ним и корпусом 3, что приводит к необходимости осуществления в клапане двух не совпадающих по направлениям движений: перемещения уплотнительного органа 1 для открывания и перекрывания проходного отверстия 2 и герметизации уплотнительной пары (функция), а, следовательно, либо к появлению механизма 4 в вакуумной полости (рис. 1.5, а), либо к использованию двух исполнительных органов и соответственно двух вводов движения в вакуум 5,5 (рис. 1.5, е) (устройство). Оба решения существенно снижают надежность и ресурс работы устройства, а второе приводит и к усложнению управления затвором.

Отличительной особенностью схемы поворотного затвора, приведенной на рис. 1.5, б, является возможность совмещения в корпусе 3 проходного и углового взаиморасположения перекрываемых отверстий 2 (цель), а также совпадение направлений перемещения уплотнительного органа и усилия герметизации при уплотнении (функция). Однако поворотный затвор с непосредственным воздействием ведущего звена 6 на уплотнительный орган 1 (устройство) не получил широкого распространения вследствие необходимости создания значительных крутящих моментов при герметизации запорной пары.

Другие типы конструкций ВКА также обладают рядом недостатков.

Работа крана (рис. 1.5, в) связана со скольжением уплотнительных поверхностей элементов 1 и 3 друг относительно друга, и, как - 20 - следствие, подобные устройства имеют повышенное натекание и малый ресурс работы. К недостаткам конструкций, представленных на рис. 1.5 г, д, можно отнести использование механизма непосредственного действия [51], приводящего к повышенным массо-габаритным характеристикам автоматического привода. Для приближенной обобщенной оценки качества конструкций ВКА, исходя из ее основного назначения, сформулированного во введении, предлагается использовать условный показатель, определяемый отношением проводимости ВКА к диаметру перекрываемого отверстия, изменение значения которого для некоторых серийно выпускаемых типов устройств приведено на рис. 1.7. Большее значение данного показателя определяет лучшую конструкцию.

Подобный показатель позволяет провести сравнение конструкций как в рамках одного типа устройств, так и сравнение устройств различных типов, а также оценить конструкции с нестандартными значениями диаметров перекрываемых отверстий. В частности можно отметить большую эффективность, по сравнению с угловыми конструкциями, конструкций с соосным расположением проходных отверстий (см. рис. 1.3 - 1.5), а среди последних - лучшие показатели плоских устройств (рис. 1.5, а). Обращает на себя внимание и трудность оптимизации конструктивных решений ВКА с малыми диаметрами условных проходов (Ду). Изложенное позволяет сделать вывод о влиянии цели проектирования ВКА на ее рабочие функции и, как следствие, на структуру устройства. При этом можно выделить следующие основные структурные составляющие ВКА: привод, уплотнительная пара, корпус, ввод движения в вакуум и механизмы. С позиций решаемых задач целесообразно рассмотреть влияние указанных структурных элементов на показатели качества ВКА. Существенно влияет на показатели качества ВКА используемый - 22 - тип уплотнительной пары [51, 67]. В настоящее время в различных отраслях промышленности широко применяется ВКА с резиновым уплотнением (рис. 1.6, д, е). Однако, имея в десятки раз больший ресурс работы (20000 - 100000 циклов) и в 10 - 20 раз меньшие усилия герметизации [55] по сравнению с цельнометаллическими конструкциями, такая ВКА обладает рядом недостатков, ограничивающих область ее использования и заключающихся в невысоких температурных пределах прогрева, в значительной величине скорости газовыделения, относительно высокой газопроницаемости и влиянии на масс-спектрометрический состав вакуумной среды [7]. Лучшие марки вакуумных резин, применяемые в клапанах и затворах допускают прогрев только до 470 К, при этом величина скорости газовыделения лежит в пределах 3.10 - 7.10 л Па/см с, а величина газопроницаемости по азоту для этих марок при 1.10 Па и 300 К составляет 2.10 - 4.10 см см/см с [68, 69]. Широкое использование ВКА с эластомерными уплотнителями во многом вызвано отсутствием альтернативы, т.к. основные технические характеристики выпускаемых отечественной промышленностью устройств с металлическими уплотнителями (рис. 1.6, а - г) заметно уступают лучшим зарубежным образцам, особенно это касается прямопролетных конструкций [59], что наряду с отмеченными в п. 1.1 факторами определяет актуальность создания цельнометаллических устройств.

Разработка цельнометаллической ВКА требует пересмотра подхода к проектированию ВКА в связи с большими удельными усилиями герметизации (до 200 н/мм, [67, 70]), и необходимостью учета дополнительных факторов, не рассматриваемых при проектировании конструкций с резиновым уплотнением (например, обеспечения высокоточного взаиморасположения деталей уплотнительной пары в момент герметизации, влияния частиц износа на работоспособность уплотнителя и др. [34, 51, 67]. Перечисленные факторы определяют технологические - 23 - трудности реализации конструкторских решений и высокую стоимость цельнометаллической ВКА. В значительной степени влияет на основные характеристики функционирования коммутационных устройств ее привод [71]. Преобладающие типы приводов, используемых в ВКА, отражены на рис. 1.3, 1.4. Кратко можно отметить, что использование ручного привода исключает возможность автоматизации управления ВКА; электропневматический привод требует наличия энергоносителя и дополнительных устройств управления; электромеханический привод громоздок и инерционен; использование электромагнитного привода требует специальных источников питания и сопровождается сильными динамическими ударами, снижающими ресурс работы уплотнителя и создающими помехи в работе оборудования. Свои особенности, связанные с надежностью, площадью поверхности, обращенной в вакуум, видом и характеристиками передаваемого движения и т.п., имеют и вводы движения в вакуум [53, 55, 72, 73], передавая свои достоинства и недостатки ВКА. В большой степени разнообразие ВКА и ее выходные характеристики обусловлены применением в конструкциях различных механизмов, выполняющих следующие функции: преобразование вида движения ведущего звена и вида перемещения уплотнительного органа; изменение направления движения исполнительного органа; осуществление передаточных функций [74]. В ВКА различают механизмы исполнительных органов и механизмы уплотнительных органов [51]. Исполнительный орган состоит из ведущего звена и механизма перемещения. На рис. 1.8 показаны некоторые кинематические схемы исполнительных органов, которые могут располагаться как в вакуумной полости устройства, так и вне ее [54]. Механизмы исполнительного органа ВКА бывают непосредственного действия (рис. 1.8, а, б [51]); винтовые (рис. 1.8, в [53]), кулачковые (рис. 1.8 г [54]); кулисные (рис. - 25 - 1.8, д, з [58]), рычажные (рис. 1.8, е [61]), кривошипно-ползунные (рис. 1.8 ж, з [56]) и комбинированные (например, рычажноползунные, рис. 1.8, и - м [63]). Основными функциями уплотнительного органа, состоящего из механизма герметизации и уплотнительного диска, является преобразование направления и вида движения выходного звена механизма перемещения и уменьшение усилий или крутящих моментов на ведущем звене устройства.

Особенностью уплотнительных механизмов является их расположение в большинстве случаев в вакуумной полости. На рис. 1.9 представлены некоторые кинематические схемы уплотнительных органов. К ним относятся кулачковые (рис. 1.9, б, ж [54]), ползунные (рис. 1.9, в [51]); клиновые (рис. 1.9, г [75]), винтовые (рис. 1.9, д [56]) механизмы.

Анализ проведенных работ выявил отсутствие исследований свойств механизмов ВКА с учетом специфики их функционирования, что объясняет многообразие встречающихся механизмов, но затрудняет обоснованный выбор структурных схем при создании новых конструкций ВКА. При этом наиболее жесткие требования к механизмам ВКА предъявляет сверхвысоковакуумное оборудование [51, 74], т.к. необходимость сохранения определенного состава остаточной газовой среды, высокие температуры прогрева, повышенный износ и коэффициент трения в вакууме требуют минимума сопряженных пар трения и малых контактных усилий, в то же время исключая возможность применения смазки [50]. Частично устраняют конструктивные трудности, связанные с необходимостью обеспечения значительных усилий устройства, использующие для герметизации: тепловое расширение материалов [67] и перевод металлического уплотнителя в жидкую фазу [76], однако подобные устройства обладают очень большой инерционностью.

Особенности кинематики и динамики механизмов ВКА наглядно ха- - 27 - рактеризует упрощенная зависимость движущих моментов (или сил ) от угла поворота (или перемещения ) уплотнительного диска, представленная на рис. 1.10 и показывающая, что ВКА имеет две четко выраженные стадии работы с несоизмеримыми по величине усилиями и перемещениями: I - стадия открывания или перекрывания проходного отверстия, где необходимо создание малых усилий на значительном перемещении уплотнительного диска, определяемом величиной диаметра проходного отверстия (для устройств плоского типа) или высотой подъема уплотнительного диска (для прочих устройств); II - стадия герметизации проходного отверстия, в которой развиваются значительные усилия на небольших перемещениях, определяемых, в основном, величиной деформации элементов уплотнительной пары. При этом, в зависимости от Ду ВКА: = (15 - 200)/1, где - перемещение (угол поворота) уплотнительного диска при открывании или закрывании проходного отверстия; ( ) - перемещение (угол поворота) уплотнительного диска при герметизации проходного отверстия; = (1000 - 2000)/1 - для ВКА с металлическими уплотнителями; = (80 - 250)/1 - для ВКА с эластомерными уплотнителями, где - усилие герметизации уплотнительной пары, - усилие перемещения уплотнительного диска при перекрывании проходного отверстия.

Следует отметить, что существующие описания конструкций ВКА (в основном параметрические) ориентированы на конкретные типы устройств и их крайне трудно или невозможно применить для разработки ВКА других типов.

Усугубляет ситуацию конструирования ВКА противоречивость отдельных требований. Так установленная существенная зависимость ресурса уплотнительной пары от скорости приложения к ней усилия и перегрузок [70] и связанная с этим необходимость уменьшения движущих моментов на ведущем звене устройства и скорости перемещения уплотнительного диска, противоречит требованию высокого - 28 - быстродействия. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что ни одна из существующих конструкций ВКА не удовлетворяет полному набору современных требований, обладая теми или иными недостатками. 1.3. Структурно-конструктивная классификация ВКА. Проведенный анализ литературных источников достаточно полно характеризует ситуацию, сложившуюся в области проектирования ВКА: отсутствует обоснованный анализ применяемых кинематических схем ВКА, а также рекомендации и данные по их расчету и конструированию, поэтому использование той или иной схемы носит эмпирический характер.

Отсутствует единый подход к определению классификационных признаков ВКА и, как результат, не разработана ее детальная классификация.

Существуют различия и в трактовании терминов.

Например, в [58] клапаны - устройства с Ду до 100 мм, а затворы - устройства с Ду свыше 100 мм; в [54] клапан - устройство, позволяющее регулировать или полностью прекращать поток газа в вакуумной системе, затвор - клапан, позволяющий соединять и разобщать элементы ВС. При этом оба варианта определения содержат противоречия, т.к. в первом случае одинаковые конструкции различных типоразмеров должны относиться к разным группам устройств, а во втором случае деление чисто условно, вследствие адекватности реально выполняемых клапанами и затворами функций. Все это приводит к многовариантности ВКА (например, только в одной организации за 13 лет было разработано более 100 наименований ВКА на 41 Ду [77]), затрудняет унификацию ВКА и требует разработки дополнительных критериев и ограничений применительно к конкретным ее типам.

Вместе с тем, представляется логичным проводить классификацию ВКА в соответствии с модульным принципом, положенным в основу - 29 - функционально-структурного анализа существующих конструкций ВКА, с сохранением предварительного деления по эксплуатационным признакам (назначению: устройства напуска, аварийные и т.п.; рабочему давлению: низковакуумные, высоковакуумные, сверхвысоковакуумные и т.д. [78]). С позиций решения задач функционального и схемотехнического проектирования ВКА, используя результаты проведенного на основе блочно-иерархического подхода с учетом монтажных и функциональных особенностей ВКА анализа ее существующих конструкций, выделим два иерархических уровня представления ВКА: устройство в целом и функциональные модули (ФМ), его составляющие. При этом каждый ФМ ВКА решает определенную задачу, хотя монтажно они могут быть неразделимы и иметь общие элементы, через которые осуществляется передача, например, усилий или момента от одного ФМ к другому. В конструкциях ВКА можно выделить шесть различных ФМ, причем четыре из них присутствуют у всех рассмотренных устройств, т.е. являются основными, обеспечивающими выполнение базовых функций ВКА, и неосновные, способствующие выполнению функций основных ФМ. К основным ФМ ВКА относятся: привод, генерирующий энергию для перемещения уплотнительного диска и герметизации уплотнительной пары; ввод движения, предназначенный для передачи движения из атмосферы в вакуумную среду без нарушения ее свойств; уплотнительная пара, реализующая основную функцию ВКА - перекрывание и герметизацию проходного отверстия; корпус, обеспечивающий требуемое взаиморасположение ФМ ВКА и присоединение самой ВКА в ВС. Особенностью подобного структурного членения является выделение в виде самостоятельного ФМ уплотнительной пары (включающей уплотнительный диск - ведомое звено уплотнительного органа, и седло - элемент корпуса), позволяющее более детально представить процесс герметизации.

Следует отметить существование определенной последовательности основных ФМ - 30 - в конструкциях ВКА, что позволяет представить обобщенную структуру ВКА в виде блок-схемы (рис. 1.11). К неосновным ФМ ВКА можно отнести механизмы - ФМ, расположенные между основными ФМ и согласующие их входные и выходные характеристики (параметры движения). Особую сложность вызвало проведение систематизации многообразия возможных схем механизмов ВКА с целью их упорядочения.

Подробно решение данной задачи рассмотрено автором в [80], где предложена классификация ВКА, проведенная по структурно-конструктивным признакам: расположению и сочетанию механизмов относительно вакуумной полости и по типу механизмов.

Предлагаемая обобщенная классификация ВКА приведена на рис. 1.12 и включает ее разбиение по признакам используемых механизмов.

Подобная классификация дополняет известные и позволяет быстро находить возможные варианты механизмов при их конструировании, оценить их, установить наиболее оптимальные структуры механизмов ВКА, выявить необходимые типы автоматических приводов и вакуумных вводов движения. 1.4. Аналитический обзор методов поискового конструирования.

Необходимость учета труднообозримого множества различных факторов при разработке ВКА, возможность использования формальных представлений там, где заканчивается интуитивное мышление, проведение детального анализа как можно большего числа аналогов и прототипов, стремление к повышению эффективности разработок и росту производительности труда конструктора требуют перехода к автоматизированному проектированию ВКА. При этом отмеченная стабильность структуры существующих конструкций ВКА, составные элементы которой выбираются, как правило, из систематизированных рядов, позволяет считать применимыми - 33 - для процесса схемотехнического проектирования ВКА методы поискового конструирования.

Детальный анализ математических методов поискового конструирования и методов выбора технических объектов с позиций автоматизации процесса проектирования проведен автором в [81]. Рассмотрим основные методы, используемые при автоматизации начальных этапов проектирования, известные в отечественной и зарубежной практике, применительно к конкретному классу технических объектов - ВКА. В настоящее время известно более 30 методов поискового конструирования.

Разработки более эффективных методов поиска новых технических решений (ТР) интенсивно продолжаются, при этом прослеживаются три основных направления разработок [82 - 85]: создание принципиально новых методов, создание новых методов на основе комбинации известных и увеличение эффективности известных методов.

Анализ известных методов формирования ТР показал, что наиболее эффективными, а потому широко используемыми на практике, являются: 'теория решения изобретательских задач' (ТРИЗ), метод эвристических приемов, обобщенный эвристический метод, метод гирлянд ассоциаций и метафор, морфологические методы анализа и синтеза такие, как метод 'матриц открытия', метод десятичных матриц поиска и другие, направленные на исследование самого объекта проектирования, а не психологических особенностей человека. Кроме того, указанные методы могут быть в значительной мере формализованы, что немаловажно с позиций поставленных задач. В работах [86, 87] разработана методика решения конструкторско-изобретательских задач, которая получила название 'теория решения изобретательских задач'. ТРИЗ представляет собой систематизированный набор преимущественно эвристических правил, выполнение которых облегчает решение конструкторской задачи. - 34 - В работе [88] описаны алгоритмы автоматизированного поиска новых конструктивных решений с помощью ЭВМ для задач невысокого уровня сложности и новизны, с применением метода эвристических приемов. Суть этого метода при проектировании новой конструкции можно представить, как преобразование известных прототипов с помощью определенного набора эвристических приемов, и получение множества новых конструктивных решений, отвечающих заданным условиям, среди которых ведется затем поиск оптимального варианта.

Библиотека эвристических приемов преобразования прототипов для несложных механических систем содержит 16 приемов, которые подразделены на 16 групп. Из 86 составленных эвристических приемов для 65 имеются рекомендации по их формальному описанию, открывающие возможность их программирования на ЭВМ, остальные пока не удалось формально описать [82]. Метод гирлянд ассоциаций и метафор является одним из эвристических методов поискового конструирования, требующим минимальной информационной подготовки и в наибольшей мере использующим информацию, содержащуюся в мозгу конструктора [89]. Суть метода заключается в определении гирлянд синонимов и гирлянд случайных объектов с последующим составлением комбинаций из этих случайных гирлянд.

Конечным результатом является выбор рационального варианта технического объекта и отбор наилучшего из рациональных, как правило, методом экспертных оценок. Во многих методах поиска новых ТР присутствуют одинаковые или близкие этапы и процедуры, причем существует некоторый инвариантный порядок следования этапов и процедур. Это послужило основанием для создания обобщенного эвристического метода. В работе [90] на основе анализа большой группы известных методов решения технических задач выявлен полный список основных этапов творческого процесса и процедур его выполнения и построен обобщенный эвристи- - 35 - ческий алгоритм поиска ТР. В структуре обобщенного алгоритма используются массивы информации, которые являются данными для процедур этапов проектирования.

Порядок следования процедур и выбор процедур в процессе решения задачи определяется разработчиком. Поиск нового ТР разрабатываемого объекта ведется последовательным выполнением на каждом этапе необходимых процедур.

Список процедур этапов, а также описание назначения этапов и массивов информации изложены в работах [91, 92]. Следует отметить, что разработка обобщенного эвристического метода была выполнена на эмпирическом уровне. В связи с этим необходимо проведение методологических исследований по научно обоснованному обобщению эвристических методов и установлению полного набора и иерархии этапов и процедур обработки информации при поиске новых ТР. Для поиска новых ТР на основе взаимосвязи показателей технических объектов и эвристических приемов разработан метод десятичных матриц поиска (ДМП) [93]. Все основные показатели технических объектов разделены на 10 групп, что дало возможность построить особую десятичную систему матричных таблиц, в строках которых записаны меняющиеся характеристики технического объекта, а в столбцах - группы эвристических приемов их изменения.

Каждая клетка на пересечении ряда и столбца соответствует определенному ТР, краткое описание которого может сопровождаться графическим описанием. В зависимости от содержащейся информации ДМП могут носить общетехнический, отраслевой или предметный характер. При построении ДМП должна использоваться патентно-техническая литература.

Значение взаимосвязей показателей технических объектов и групп эвристических приемов, а также конкретных требований решаемой задачи предопределяет целенаправленный выбор пути ее решения. Ф. Цвикки предложил чрезвычайно простую модель ситуации выбора, в которой оказывается конструктор при создании новых ТР, наз- - 36 - вав ее морфологическим ящиком [94]. Техничекий объект исследуют, выделяя ряд характерных признаков Затем для признаков находят различные варианты исполнения, реализующие эти признаки.

Полученные данные оформляют в виде таблицы 1.1. Таблица 1.1 'Морфологический ящик' Цвикки.

Столбцы в таблице соответствуют необходимым признакам , а отдельная позиция в столбце - варианту его функциональной реализации . Свободу выбора при конструировании Ф. Цвикки трактует как возможность работать с альтернативами, т.е. выбирать одни варианты выполнения блоков и отвергать другие.

Выделяя в каждом столбце таблицы альтернативу и соединяя их отрезками линий, получают многозвенную линию , которая символизирует описание признаков некоторой конструкции. Выбор предпочтительной конструкции инженер делает интуитивно, по очереди перебирая комбинации альтернатив.

Другой формой морфологического анализа и синтеза ТР является комбинирование признаков, характеризующих различные системы (организующие понятия). В этом случае, при комбинировании двух органи- - 37 - зующих понятий, рекомендуется табличная форма, в столбцах которой записаны признаки одного организаующего понятия, а в строках признаки другого организующего понятия. В каждой клетке таблицы находится рабочий принцип из комбинации двух элементов решения. При комбинировании более чем двух организующих понятий пользуются матричной 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.

Значения параметров, типы форм и элементов образуют таблицу (матрицу). Различные сочетания перечисленных характеристик рождают альтернативные идеи или рекомендуемые решения задачи.

Морфологический анализ применяется для решения задач поиска рациональных структур, схем и компоновок. При возможности синтеза большого множества новых ТР в этом методе практически не решена проблема выбора наилучшего решения из числа синтезируемых. В последнее время на основе идеи Цвикки предложена комбинаторная концепция работы с альтернативами, на основе которой разработаны новые системно-морфологические алгоритмы оптимизации и общая логическая схема принятия решений при конструировании [85]. В работе вводится понятие комбинаты, являющейся сопряженной к понятию альтернативы, отражающей все локальные, исключающие друг друга варианты взаимной подмены блоков при конструировании. Не всякая комбинация при замене одного функционального блока другим (из одной и той же альтернативной серии, описывающей данный признак ) правомерна.

Фиксацию этого факта отражает комбината, т.е. совокупность всех мыслимых альтернатив формально порождает множество комбинаций, 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 комбинаторный 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 показывает, что большинство из них представляет собой комбинацию из нескольких известных методов или же являются производными какоголибо метода, но более эффективными.

Наиболее простым и формализуемым 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 организации различных видов обеспечений САПР (математического, программного, информационного) и других теоретических аспектов автоматизированного 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, автоматизированное проектирование отдельных элементов, автоматизацию технологической подготовки производства и изготовление конструкторской документации [110 - 113]. При этом отмечается сложность выработки единого универсального принципа конструирования технических объектов машиностроения, основанного во многом на трудно- - 39 - формализуемом творческом подходе [102, 114] и неизбежность, в связи с этим, модификации типовых структур их САПР. Принципиальная возможность решения задачи автоматизации проектирования конкретного класса ТО делает актуальной разработку методических 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 технологическим и научным оборудованием, и необходимости автоматизации процесса проектирования ВКА, можно сделать следующие выводы: 1. Проанализированы характерные режимы эксплуатации ВКА, определены условия ее применения в различных группах оборудования и сформулированы основные требования к показателям качества ВКА. Установлено, что в ряде случаев ВКА регламентирует производительность и надежность ВТО. 2. Проведен анализ существующих конструкций ВКА, показана относительная стабильность структуры и выделены основные ФМ ВКА. Отмечено влияние различных вариантов ФМ на показатели качества ВКА. Предложен обобщенный показатель, позволяющий производить приближенную оценку эффективности конструкций ВКА, показавший преимущество устройств плоского типа.

Установлено отсутствие конструкций ВКА, полностью удовлетворяющих разнообразным диапазонам требований, предъявляемых ВТО, в частности отмечено отсутствие цельнометаллических 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, позволяющие 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, входящих в структуру ВКА. 5. Показана возможность формирования структуры ВКА выбором из множества вариантов составляющих ее элементов, что позволяет считать применимыми для схемотехнического проектирования ВКА методы поискового конструирования. 6. Анализ методов поискового конструирования показал целесообразность использования метода морфологического анализа и синтеза, позволяющего формализовать процесс проектирования ВКА на этапе синтеза ее структурных схем.

Отмечены перспективные возможности 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 существующих систем автоматизированного проектирования подтвердил отсутствие разработок по автоматизации схемотехнического и функционального проектирования объектов класса ВКА. . - 41 - 2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ 2.1. Системная модель ВКА при функциональном и схемотехническом 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 целое, 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 конструирования ТО (до детальной проработки) и формирующего на 70 - 80% облик будущего изделия [88], достаточно рассматривать ВКА в виде двухуровневой системы.

Структурирование и формализация описания ВКА и этапов процесса ее функционального и схемотехнического проектирования выдвигает в качестве основной задачи установление логических и функциональных зависимостей между модулями ВКА, их параметрами и требованиями 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, представим системное описание ВКА на начальных стадиях проектирования в виде двух групп соотношений: (2.1) (2.2) - 42 - где - множество функций; - множество структур; - множество функциональных свойств; - множество свойств, проявляющихся 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 соответствий, 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) описывает ВКА в целом, а вторая строка описывает ФМ ВКА. Построенная системная модель ВКА позволяет перейти к формализации установленных взаимосвязей, используя известный математический 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 способностью реализовывать интересующую человека потребность, в основу определения функций ВКА и ее структурных составляющих положен следующий 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 выполнения ряда условий (т.е. достижения ряда целей), характеризуемых, в частности, функцией разобщать герметично и сообщать полости элементов ВС между собой и внешней средой, что определяет необходимость 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 сформировать понятийное описание обобщенной функции ВКА, представленное в таблице 2.1: (2.3) где - множество действий, производимых ВКА и приводящих к желаемому результату; - множество объектов, на которые это действие направлено; - множество особых условий и ограничений, накладываемых на реализацию функции. При этом компонент может отсутствовать в описании функции, 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: закрывать проходное отверстие, герметизировать стык уплотнительной пары, открывать проходное отверстие, регулировать газовый поток.

Выделенные функции реализуются в ВТО устройствами классов 'вакуумный клапан' и 'вакуумный затвор', объединенных понятием ВКА, при этом регулирование газового потока с учетом того, что ВКА является самостоятельным конструктивно законченным элементом ВТО [54], присоединенным к другому законченному элементу ВТО (трубопроводу, рабочей камере и т.п.), сводится к частичному перекрыванию (открыванию и закрыванию) проходного отверстия, поэтому справедливо следующее допущение: , (2.5) - 45 - позволяющее рабочую функцию отдельно не рассматривать.

Практическая реализация адекватных соответствующим действиям рабочих функций , и в ВКА осуществляется посредством одного и того же воздействия 'перемещение', направленного на общий для данных функций объект - уплотнительный диск. При этом выполнение действия 'герметизация' обусловлено взаимодействием подвижного элемента 'уплотнительный диск' с неподвижным элементом корпуса, называемым 'седлом', что объясняет целесообразность совместного рассмотрения этих элементов в виде 'уплотнительной пары' (см. п. 1.2). Очевидно, перемещение уплотнительного диска требует осуществления функции 'создать и передать необходимую для движения энергию', а расположение уплотнительного диска в вакуумной среде, а источника энергии - вне ее, определяет необходимость функции 'передать движение уплотнительному диску из атмосферы в вакуумную среду'. Основываясь на том, что каждая рабочая функция может быть реализована неким самостоятельным функциональным модулем, обладающим собственным набором входных ( ) и выходных ( ) функциональных параметров, заключаем, что в ВКА необходимо также согласование параметров и последовательных перемещений, приводящее к появлению функции 'преобразовать движение'. Помимо этого для ВКА, как и для большинства ТО, обязательна функция 'обеспечить требуемое взаиморасположение модулей в пространстве'. Таким образом, из анализа рабочих функций существующих конструкций ВКА можно выделить следующие основные базовые функции , где = 1,3 ; = 1,5; представленные в таблице 2.2, без которых невозможно выполнение обобщенной функции ВКА. - 46 - Таблица 2.2 Основные базовые функции ВКА _________________________________________________________________ Обобщенная ! Основные базовые функции функция ! ----------------------------------------------------------------- - создавать и передавать механическую энергию для перемещения уплотнительного диска; - преобразовывать параметры движения; - передавать движение из атмосферы в вакуумную среду; - преобразовывать параметры движения для перемещения и герметизации уплотнительного диска; - герметизировать стык седла с уплотнительным диском; - фиксировать положение элементов в пространстве и содержать вакуумную среду. _________________________________________________________________ Индекс обозначает необходимость выполнения соответствующих функций для каждого из трех основных действий (см. табл. 2.1), т.е. как при закрывании проходного отверстия, так и при герметизации и открывании ( = 1, 2, 3 - соответственно). Помимо основных базовых функций, задающих принцип функционирования и общую структуру, ВКА может обладать рядом дополнительных функций , направленных на улучшение исполнения качества основных функций и определяемых как дополнительными требованиями, предъявляемыми ВТО, так и функционированием собственно ВКА. Полная функция ВКА при этом имеет следующий вид: (2.6) Дополнительные функции возникают, как правило, при - 47 - реализации целей проектирования, связанных с улучшением параметров действий, эксплуатационных и конструктивных свойств ВКА, что будет рассмотрено в соответствующем разделе.

Функциональный подход к анализу ВКА позволяет абстрагироваться от существующего объектного воплощения ФМ, например, передавать движение из атмосферы в вакуум не механическим путем, а используя воздействие магнитного поля; использовать дополнительные функции - нагреть элементы уплотнения, разгрузить уплотнительную пару, основанные на различных физических эффектах [70, 79], что способствует эволюции ВКА и ее усовершенствованию. 2.2.2. Структура ВКА. Предлагаемый подход к рассмотрению структур ВКА основан на том, что проектирование формально представляют как создание, поиск и преобразование различных аспектов структур ТО [118]. В связи с этим важно определить множество видов структур ВКА, необходимое и достаточное для отображения процесса функционального и схемотехнического проектирования. С учетом изложенного структуру ВКА в общем случае можно описать следующим образом: (2.7) где , , , , , , - соответственно принципиальная, функциональная, абстрактная, морфологическая, вариантная, элементная и компоновочная структуры.

Принципиальная структура (или структура действий) состоит из множества выполняемых ВКА действий и отношений следования , указывающих на порядок действий. На рис. 2.1 представлен граф обобщенной структуры ВКА, где - действия, реализующие обобщенную функцию ВКА (см. табл. 2.2). - 48 - Множество базовых функций и абстрактных связей между ними образуют множество функциональных структур . На рис. 2.2 показано множество типовых функциональных структур ВКА, где вершины - основные базовые функции ВКА (см. табл. 2.2). В свою очередь каждой базовой функции можно поставить в соответствие некий реализующий ее обобщенный родовой элемент - функциональный модуль, являющийся абстрактным объектом , обладающим неким множеством общих свойств и имеющим множество вариантов исполнения, которые наследуют общие свойства ФМ и отличаются от него оригинальными свойствами [119]. Таким образом, абстрактная структура имеет множество взаимосвязанных абстрактных родовых элементов , исполняющих базовые функции . Установим требуемые соответствия : - функция привода (ФМ ); - множество типов приводов; - функция механизма преобразования движения (ФМ ); - множество механизмов; - функция вакуумного ввода движения (ФМ ); - множество типов вводов движения; - функция механизма перемещения уплотнительного диска и герметизации (ФМ ); - множество механизмов; - функция уплотнительной пары (ФМ ) - условного ФМ, образуемого седлом и уплотнительным диском; - множество типов уплотнительных пар; - функция корпуса (ФМ ); - множество типов корпусов. На рис. 2.3 показано множество обобщенных структур . ВКА, в котором вершины , = 1,6 - вышеописанные абстрактные ФМ. Структура является основой для построения морфологической структуры ВКА, которую с позиций функционально-схемотехнического проектирования ВКА целесообразно и достаточно представить двухуровневым деревом.

Первый уровень - ВКА как техническая система в целом, второй уровень - функциональные модули ВКА, где П - - 50 - привод; ВД - вакуумный ввод движения; УП - уплотнительная пара; М1 - механизм преобразования движения; М2 - механизм перемещения уплотнительного диска; К - корпус.

Намечен третий иерархический уровень - множество вариантов ФМ. Морфологическая структура , имеет два подмножества вершин: - типы ФМ (вершины 'и') и - множество вариантов исполнения типов (вершины 'или'), а также два подмножества отношений: - отношения включения между элементами , - родовидовые отношения между и . Структура описывается графом типа дерева, представленном на рис. 2.4, где - вершины 'и', - вершины 'или' (конкретизация графа - рис. 1.12). Возможно дальнейшее расширение данного дерева и вглубь и в ширину. При этом разветвление дерева произойдет в случае появления новых вариантов ФМ в результате анализа возможности применения в ВКА их существующих воплощений (например, электрических приводов [71]) или появления новых дополнительных ФМ [79]. Замена абстрактных элементов вариантами их исполнения образует вариантную структуру . Если на множестве конкретных вариантов ввести отношения соединения , получим множество элементных структур . При этом декартово произведение , определяет множество всевозможных вариантов решений для обобщенной структуры ВКА. Отличие структуры от состоит в том, что множество элементов в ней имеет конкретное имя вместо абстрактного, а абстрактные отношения связи заменены на конкретные отношения соединения . На рис. 2.5 показан граф структуры одного из вариантов ВКА [120] (рис. 1.4, а), в котором вершины: - 'ручной привод', - 'эксцентриковый механизм преобразования движения', - 'сильфонный ввод движения в вакуум', - 'рычажный механизм перемещения уплотнительного диска', - 53 - - 'резино-металлическая уплотнительная пара', - 'проходной корпус'. Компоновочная структура есть развитие графа , отражающая компоновку ВКА: , где - множество элементов из ; - множество пространственных отношений взаимного расположения, принадлежности, направления, характеризуемых понятиями типа 'перпендикулярно', 'параллельно', 'соосно', 'внутри', 'снаружи', 'по оси Х' и т.п. Таким образом, ВКА представляет собой некий состав определенным образом взаиморасположенных и взаимосвязанных ФМ, что позволяет сформулировать следующие утверждения, объясняющие некоторые ранее приведенные положения.

Утверждение 1. В структуре ВКА обязательно существуют привод и уплотнительная пара, в противном случае ВКА функционировать не будет.

Утверждение 2. В случае корпусного выполнения ВКА уплотнительная пара всегда расположена внутри корпуса, в то время как привод расположен с внешней стороны корпуса.

Следует отметить, что в ВТО бескорпусное выполнение ВКА практически не используется. В соответствии с утверждением 2 передача движения от ФМ 'привод' к элементу 'уплотнительный диск' ФМ 'уплотнительная пара' влечет за собой появление обязательного ФМ 'ввод движения в вакуум' (с новой рабочей функцией 'передавать движение из атмосферы в вакуум'), связанного с ФМ 'корпус' (функция 'содержать вакуумную среду'), определяющего взаимосвязь ФМ: ФМ ФМ (ФМ ) ФМ (2.8) где - знак отношения следования.

Перечисленные ФМ являются для ВКА основными (обязательными) ФМ, что подтверждает и проведенный анализ ее существующих - 54 - конструкций (п. 1.2). Каждый из перечисленных ФМ обладает собственным набором свойств, позволяющих реализовать свою рабочую функцию и характеризуемых согласно (2.7) соответствующими и . При этом главным условием возможности сопряжения ФМ является идентичность предшествующего ФМ (с функцией ) с последующего ФМ (с функцией ). В случае несогласования и , т.е. при , необходимо включение ФМ (со вспомогательной функцией ) такого, что: и (2.9) Из этого вытекает следующее утверждение: Утверждение 3. Если значения функциональных параметров сопрягаемых ФМ ВКА не совпадают, то между ними располагается вспомогательный ФМ, их согласующий.

Предположив, что в общем случае и ФМ из (2.8) между собой не согласованы, введем по каждому следованию вспомогательные ФМ. Поскольку такими параметрами основных ФМ являются характеристики движения, то вспомогательными ФМ ВКА являются механизмы, что нашло отражение в таблице 2.2 и в описании структуры , где каждой поставлен в соответствие определенный ФМ - . При этом множество функций для всех действий ВКА формирует полную функциональную структуру и соответствующие ей полную абстрактную и вариантную структуры, включающие максимально возможное количество ФМ, реализующих основную функцию . Например, согласно таблице 2.2, ВКА может иметь до трех приводов, вводов движения и соответственное число механизмов [121]. Подобные структуры весьма сложны, а при необходимости дальнейшего членения ВКА получаются громоздкими и труднообозримыми, поэтому при рассмотрении целесообразно проводить их декомпозицию путем разбиения на отдельные фрагменты [119]. Обобщенные структуры (рис. 2.3) отоб- - 55 - ражают данный подход, используя тождество функций: = 1,4 (2.10) Следующим этапом системного анализа ВКА является определение ее свойств. 2.3. Свойства ВКА и ее структурных составляющих.

Важность определения свойств в конструировании ВКА заключается в том, что ее интегративные свойства, заданные в виде требований в ТЗ, определяются свойствами структурных составляющих (ФМ), которые, образуя при взаимодействии структуру ВКА, порождают новые свойства ВКА как целого.

Конкретизация свойств требует анализа окружения ВКА - всего, не принадлежащего ВКА, но связанного с ней и оказывающего на нее существенное влияние, которое можно представить состоящим из следующих компонентов: (2.11) где соответственно: - управляющие объекты (человек, робот, ЭВМ); - эксплуатация на всех стадиях существования ВКА; - взаимодействующие (сопряженные) ТО (камеры, трубопроводы и т.п.); - производство; - технологический процесс, которому способствует ВКА; - изготавливаемое изделие; - источник энергии; - режимы функционирования; - окружающая среда эксплуатации.

Взаимодействие ВКА с окружением порождает множество связей , требования которых, в свою очередь, определяют то или иное свойство ВКА. На рис. 2.6 показан мультиграф связей ВКА с окружением, где ; , = 1,9; позволяющий выявить множество соответствующих свойств ВКА, которые обычно группируют по следующим классам: функциональные, эксплуатационные, - 56 - производственные и конструктивные свойства. Под функциональными свойствами будем понимать свойства ВКА, проявляющиеся при реализации ее целевой функции и описываемые параметрами действия. Их состав в общем случае: , где - проводимость, - герметичность, - быстродействие, характеризуемое параметрами - проводимость, - суммарное натекание, складывающееся из - натекания через ввод движения в вакуум, - натекания через уплотнительную пару; - натекание через корпусные детали; , - время открывания и время закрывания соответственно.

Эксплуатационные свойства ВКА - это свойства, проявляющиеся при ее взаимодействии на всех стадиях эксплуатации: хранении, транспортировании, функционировании, обслуживании и ремонте.

Основными свойствами являются: надежность, ремонтопригодность, сохраняемость, эргономичность. Они характеризуются следующими параметрами ВКА: - средний ресурс; - наработка на отказ; - среднее время восстановления; - периодичность профилактических ремонтов; - допускаемая температура прогрева; - предел применения по вакууму; - допустимая частота включения; - возможность работы в любом положении; - поток газовыделения; - сохранение герметичности при обесточивании; - сохранение герметичности при большем давлении под уплотнительным диском; - возможность открытия против атмосферы; - возможность аварийного срабатывания; - возможность замены уплотнительной пары без демонтажа ВКА; - возможность регулирования усилия герметизации без демонтажа; - удобство контроля за работой; - возможность использования в АСУ ТП; - тип привода; - мощность привода; - энергетическая характеристика привода; - затраты на эксплуатацию; - показатель вибрационности; - необходимость охлаждения при прогреве. - 57 - Производственные свойства ВКА проявляются во взаимодействии с производством. С точки зрения конструирования к ним отнесем технологические и экономические свойства, основными из которых являются трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость. ВКА характеризуется следующими параметрами свойств : - трудоемкость изготовления; - коэффициент унификации; - коэффициент применяемости материалов; - коэффициент сборности; - стоимость; - экономическая эффективность.

Конструктивные свойства проявляются при взаимодействии структурных составляющих ВКА и во многом определяются конструктором. К параметрам свойств ВКА относятся: - диаметр условного прохода; - масса; - габариты ( - длина, - ширина, - высота); - расстояние между присоединительными фланцами; - взаимное расположение осей проходных отверстий; - показатель патентной чистоты.

Мультиграф связей между ВКА, отражающий их многообразие и позволяющий сформировать требуемые для последующего анализа таблицы связей, представлен на рис. 2.7. Следует отметить, что предложенный состав свойств в выделенных классах не является постоянным и может изменяться в зависимости от конкретных рабочих функций проектируемой ВКА, т.е. при изменении окружения и предъявлении новых требований к ВКА. Для анализа свойств ВКА построим таблицу связей выделенных параметров (таблица 2.3), в которой 1 обозначает наличие связи параметров, 0 - отсутствие таковой, т.к. графовое представление связей в данному случае трудно реализуемо вследствие большого числа параметров и отношений между ними.

Таблица связей позволяет: определить необходимые для конструирования связи между свойствами ВКА и требованиями окружения, сформировать системную модель для формализации процессов проектирования; определить влияние изменения ка- - 60 - кого-либо параметра на другие, с целью нахождения конфликтных ситуаций; выявить необходимые для теоретических и экспериментальных исследований неизвестные ранее взаимосвязи; формализовать анализ изменений при корректировке ТЗ и адаптации проектирования при изменении окружения . Структурные составляющие (ФМ ) ВКА, являясь ее неотъемлемыми элементами, имеют также собственные свойства, во многом отличные от свойств, присущих ВКА в целом, что обусловлено изменением состава окружения ФМ по сравнению с ВКА. При этом свойства ФМ ВКА определим по аналогичной модели: (2.12) где - множество свойств -го ФМ; , , , - соответственно множества функциональных, эксплуатационных, производственных и конструктивных свойств -го ФМ; = 1,6 - индекс принадлежности соответствующему (см. п. 2.2.2) ФМ ВКА. Рассмотрим подробно параметры свойств основных ФМ ВКА. В качестве основных параметров свойств ФМ - привод - выделим следующие: - мощность; - принцип действия; - номинальный момент; - номинальная частота вращения/скорость движения штока; - точность позиционирования; - ход штока; - надежность; - ресурс; - ремонтопригодность; - простота изготовления; - простота сборки; - стоимость; - масса; - габариты; - расположение осей вала или штока; - вид и направление движения.

Взаимосвязи свойств ФМ отражены в таблице 2.4. При этом +1 - означает увеличение параметра в столбце при увеличении параметра в строке; -1 - уменьшение параметра в столбце при увеличении параметра в строке. К основным параметрам свойств ФМ - ввод движения в вакуум - относятся: - передаваемое усилие; - передаваемый крутящий - 62 - момент; - частота вращения; - величина перемещения; - скорость перемещения; - надежность; - ресурс; - ремонтопригодность; - предел применения по вакууму; - температура прогрева; - натекание через уплотнение; - воздействие на состав остаточной среды; - простота изготовления; - простота сборки; - стоимость; - габариты; - масса; - материал уплотнения; - расположение осей вала или штока; - вид и направление передаваемого движения.

Взаимосвязи свойств ФМ отражены в таблице 2.5. Основными параметрами свойств ФМ - уплотнительная пара - являются: - герметичность; - усилие герметизации; - температура прогрева; - ресурс; - наработка на отказ; - предел применения по вакууму; - воздействие на состав остаточной среды; - удобство замены УП; - ремонтопригодность; - возможность работы в агрессивных средах; - трудоемкость изготовления; - наличие дефицитных и драгоценных материалов; - стоимость; - стоимость; - точностные характеристики элементов УП; - размер проходного сечения; - габариты; - масса; - материал уплотнителя; - геометрия уплотнителя.

Взаимосвязи свойств ФМ отражены в таблице 2.6. Большой интерес представляет также анализ связей свойств, характеризующих ВКА в целом со свойствами ее основных ФМ. Указанные связи существенных параметров ВКА и ее ФМ отражены в таблице 2.7 и позволяют формировать альтернативные пути изменения свойств ВКА в зависимости от требований ТЗ. 2.4. Цели проектирования ВКА. Важной системной характеристикой, описывающей процесс проектирования ВКА, является цель проектирования (компонент в выра- - 66 - жении (2.2)). Желаемое целевое состояние ВКА, которым должна обладать синтезируемая конструкция, задается техническими требованиями в ТЗ. Однако самой цели как движущей силы процесса конструирования ВКА в ТЗ не содержится, т.к. среди существующих конструкций возможно наличие аналога, отвечающего заданным техническим требованиям.

Исходя из выражения (2.1), конкретную конструкцию, реализующую заданную функцию и имеющую фиксированную структуру , опишем определенным набором параметров: (2.13) где - множество имен свойств ВКА; - множество параметров свойств ВКА; - множество значений параметров свойств ВКА; = = , - номер рассматриваемой конструкции; - число существующих конструкций ВКА. ТЗ, в свою очередь, есть ни что иное, как подобное описание требуемой конструкции: (2.14) где , , - соответственно требуемые имена свойств ВКА, параметры свойств и их значения. Поиск аналогов осуществляется сравнением характеристик свойств выражения (2.13) для различных с соответствующими значениям выражения (2.14). Эквивалентность имен ( и ) и параметров свойств ( и ), а также выполнение условия означает, что конструкция под номером является аналогом для данного ТЗ. В противном случае, когда ни одна из известных конструкций ВКА не удовлетворяет ТЗ по одному или нескольким параметрам свойств, можно говорить о возникновении потребительских целей проектирования, как необходимости изменения значений параметров ВКА или ее структурных составляющих, которые в общем случае представимы в виде: (2.15) - 67 - где - множество параметров ВКА, не удовлетворяющих требованиям ТЗ, - множество отношений типа 'изменить'. Наличие взаимосвязей свойств ВКА со свойствами ее структурных составляющих (см. п. 2.3) обуславливает возможность достижения требуемых значений параметров ВКА за счет изменения свойств ее ФМ, приводящего к изменению структуры ВКА, и определяет проектную цель в виде: (2.16) Очевидно, что для достижения необходимых значений соответствующих параметров свойств ВКА - целей, необходимо выявить связанные с ними ФМ ВКА и параметры их свойств, которые, в свою очередь, становятся целями (подцелями) и требуют выявления связанных с ними параметров подсистем нижнего уровня.

Выявленная иерархия образует дерево целей проектирования, для построения которого используются таблицы связей параметров свойств.

Следует отметить, что зачастую достижение общей цели проектирования ВКА требует рассмотрения примитивных целей - изменения параметров элементарных свойств деталей, вызывая необходимость членения ВКА до соответствующего уровня.

Сложность взаимосвязей свойств ВКА и свойств ее ФМ затрудняет построение обобщенного дерева целей, поэтому его целеообразно формировать для конкретной ситуации.

Исходя из вышесказанного, в качестве объекта проектирования принята наиболее сложная и наименее проработанная группа устройств - сверхвысоковакуумная цельнометаллическая ВКА. Анализ патентных источников класса , отражающих случаи конкретного проектирования ВКА, позволил выделить основные компоненты множества : - 'уменьшить (понизить)'; - 'увеличить (повысить)'; - 'обеспечить (расширить)'; - 'исключить'. Выберем цель проектирования: - 'уменьшить потребляемую - 68 - мощность' и на основе анализа таблиц связей параметров свойств (таблицы 2.3 - 2.7) построим дерево целей, представленное на рис. 2.8, где - свойства ВКА в целом; , = 1,6 - свойства соответствующих ФМ ВКА; , = 1,5 - структуры ФМ ВКА. Построенное дерево целей позволяет выявить существенные относительно поставленной цели параметры, являющиеся ее подцелями: . При этом путь на дереве до выбранной подцели условно можно считать задачей проектирования.

Реализация подцелей приводит к возникновению вспомогательных функций . Причем вспомогательных функций может быть несколько, выполняемых совместно или в определенной последовательности. Цель может порождать и несколько альтернативных вспомогательных функций, каждая из которых, в свою очередь, может быть исполнена различными способами действий.

Проанализируем одну из подцелей рис. 2.8: 'уменьшить предел текучести материала уплотнителя'. Данная цель может принципиально быть реализована двумя путями: заменой материала или поиском уменьшения имеющегося материала.

Рассмотрим второй путь.

Изучив физическую природу текучести, можно выделить причины, от которых она зависит: температура материала, наличие дислокаций в материале и оксидной пленки на его поверхности, определяющие соответственные вспомогательные функции: - 'нагревать уплотнительную пару', - 'перемещать дислокации в материале уплотнителя', - 'удалить оксидную пленку с поверхности уплотнителя'. Реализация функций может осуществляться традиционными путями либо с использованием известных физико-технических эффектов.

Появление вспомогательных функций, которым могут быть поставлены в соответствие определенные ФМ, приводит к изменениям в структуре ВКА, например, появлению ФМ - нагреватель - ( ). Таким образом, отношения между подцелью и головной - 70 - целью рождают множество функций, способствующих ее реализации, и позволяя сформировать уточненную , являются основой получения требуемого проектного решения в виде структуры ВКА, удовлетворяющей ТЗ. 2.5. Уравнение функционирования и критерии оптимальности ВКА. 2.5.1. Уравнение функционирования.

Важным аспектом системного описания процесса проектирования ВКА является уравнение ее функционирования (компонент выражения (2.2)), связывающее входные и выходные параметры действий (фазовые переменные) и внутренние параметры ВКА. В связи с тем, что ВКА принадлежит классу механических систем, для вывода уравнения функционирования использовано уравнение Лагранжа 2 рода [122]: (2.17) где - кинетическая энергия системы; - число обобщенных координат (совпадает с числом степеней свободы); - обобщенные координаты; - обобщенные силы.

Данное выражение, преобразованное для ВКА с электромеханическим приводом [123, 124] в общем случае имеет вид: (2.18) где - угол поворота вала электродвигателя; - функция положения ВКА; , - коэффициенты полезного действия механизма перемещения и герметизации уплотнительного диска и редуктора (механизма преобразования движения); - масса уплотнительного - 71 - диска; - передаточное отношение редуктора; - приведенный к валу электродвигателя момент инерции ВКА; - движущий момент электродвигателя; - приведенный к валу двигателя момент сопротивления ВКА. Уравнение (2.18) является уравнением движения ВКА и представляет собой компонентное нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка, которое было решено на ЭВМ. Здесь - фазовые переменные , , ; внутренние параметры , , . При этом решение данного уравнения позволяет найти зависимость такого функционального параметра ВКА как время срабатывания от параметров ФМ ВКА ( , , , , ), т.е. уравнение (2.18) связывает между собой параметры свойств верхнего и нижнего иерархических уровней ВКА, что позволяет считать его своего рода уравнением проектирования. 2.5.2. Критерии оптимальности ВКА. Предлагаются следующие критерии качества ВКА, характеризующие оптимальность ВКА и ее структурных составляющих (компонент в выражении (2.2)). С учетом того, что ВКА в целом и ее ФМ характеризуются большим числом параметрически описанных локальных критериев, в качестве количественной оценки оптимальности ВКА (или ФМ) принята функция ее евклидова расстояния до гипотетической идеальной модели в пространстве взвешенных локальных критериев [125]. (2.19) где - коэффициент весомости -го параметра качества; - нормированное значение критерия рассматриваемого -го варианта конструкции; - нормированное значение критерия идеальной - 72 - конструкции.

Нормирование локальных критериев качества с целью перевода их в безразмерные величины одного масштаба, проводится с учетом допущения, что характер распределения вариационного ряда значений любого параметра ВКА близок к равномерному распределению. В связи с этим: (2.20) где - значение -го критерия рассматриваемого варианта конструкций, - среднее значение -го критерия; - его среднеквадратичное отклонение на множестве вариантов.

Формирование коэффициентов весомости параметров проводится с использованием экспертного метода парных сравнений [126]. В качестве идеальной модели может быть выбрана гипотетическая конструкция, имеющая либо лучшие значения параметров из числа существующих, либо теоретически предельно достижимые значения параметров.

Лучшей будет конструкция с меньшим критерием . Для оценки ВКА с позиций кинематических свойств ее механизмов предлагается интегральный критерий качества , минимизация которого при оптимизации механизмов ВКА дает наилучшее приближение к их теоретической функции положения и ведет к улучшению таких динамических характеристик, как перегрузки и скорость приложения усилия в уплотнительной паре, коэффициент полезного действия, время срабатывания, мощность привода [127]. Для ВКА с механизмами совмещенной структуры: (2.21) где - функция положения механизма ВКА; - угол поворота или ход ведущего звена ВКА. Для ВКА с механизмами переменной структуры: - 73 - (2.22) где , , , - соответственно: функции положения механизма ВКА и углы поворота или ход при открывании (перекрывании) и герметизации проходного отверстия.

Критерий дает количественную оценку качества воспроизведения закона движения, характерного для механизмов ВКА, и пригоден как для оптимизации конкретного механизма на этапе его конструктивной проработки, так и для оценки различных кинематических схем на этапе структурного синтеза.

Исследование уравнения функционирования и вывод критериев оптимальности ВКА подробно рассмотрены в главе 3. Выводы. 1. На основе системного подхода к анализу ВКА с позиций решаемых задач разработаны инвариантные относительно введенных уровней членения системная модель ВКА как объекта конструирования и системная модель процесса проектирования ВКА, являющиеся основой создания методики функционально-схемотехнического проектирования ВКА. Сформулированы основные понятия, предложены правила раскрытия системных характеристик ВКА и произведена их конкретизация. 2. Сформировано множество базовых функций ВКА и отмечена необходимость функционального анализа для эволюции ВКА. Рассмотрена взаимосвязь функции и структуры ВКА, определено множество структур ВКА, необходимое и достаточное для отображения процесса функционального и схемотехнического проектирования. 3. Исследованы взаимосвязи ВКА и ее структурных составляющих с окружением и произведена структуризация выявленных свойств. На - 74 - основе исследования взаимосвязей параметров свойств ВКА и ее структурных составляющих сформированы соответствующие таблицы связей. 4. Введено понятие цели проектирования ВКА и показана связь целей проектирования с генерацией вспомогательных функций и структурой ВКА. На основе анализа разработанных таблиц связей параметров свойств ВКА построено дерево целей проектирования ВКА. 5. Представлено необходимое с позиций системного подхода к описанию процесса проектирования ВКА уравнение ее функционирования, связывающее входные и выходные параметры ВКА с внутренними параметрами ее ФМ, и введены критерии, оценивающие качество синтезируемых конструкций ВКА. Проведенный системный анализ ВКА позволяет перейти к разработке методик и формализации основных этапов схемотехнического и функционального проектирования ВКА в соответствии с ранее описанным алгоритмом. . - 75 - 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВКА. 3.1. Методические основы функционального и схемотехнического проектирования ВКА. Предложенная во введении обобщенная модель функционально-схемотехнического проектирования ВКА представляет конструктору упорядоченную последовательность действий, необходимых для выбора стратегии при создании ВКА. При этом, как было показано ранее, процесс собственно проектирования ВКА на начальных стадиях формально является последовательным поиском, созданием и преобразованием различных структур ВКА и с учетом описанных в п. 2.2.2 структур в общем случае может быть представлен в виде: (3.1) Отметим, что структура строится тогда, когда конструктора не удовлетворяет ни одна из известных функциональных структур и необходим синтез принципиально нового технического решения.

Вместе с тем требования, предъявляемые к создаваемой ВКА, не вызывают необходимости изменения сформированной на основе анализа назначения ВКА и опыта ее конструирования структуры и базовых функций в структуре . При этом эволюция ВКА происходит в результате добавления или изменения возникающих из целей проектирования вспомогательных функций на всех уровнях иерархии, в результате чего добавляются, изымаются или заменяются различные ФМ, что позволяет ограничивать рассматриваемое число структур при практическом проектировании.

Предложенные принципы формирования требуемых видов структур позволяют построить множество всевозможных структур, включающее и недопустимые в смысле работоспособности. В связи с чем возникает - 76 - задача выделения из данного множества допустимых и рациональных структур ВКА, удовлетворяющих ТЗ, и нахождение среди них оптимальной. С учетом изложенного модель процесса проектирования ВКА можно представить в виде: (3.2) где - процедура выбора прототипов (ПР); - цели проектирования; - множество допустимых функциональных структур; , - соответственно, множества вариантных обобщенных и рациональных структур; , , - соответственно, допустимые, рациональные и оптимальная элементные структуры; , = 1,7 - правила соответствующих преобразований.

Выражение (3.2) описывает в общем виде методику функционально-схемотехнического проектирования ВКА и определяет основные задачи, требующие решения для ее конкретизации: - разработка методики параметрического выбора аналогов и прототипов по значениям требований ТЗ; - разработка и формализация правил синтеза и преобразования указанных структур и процедур структурной оптимизации. 3.2. Методика параметрического анализа конструкций ВКА. Необходимость поиска аналога или выбора прототипа (см. рис.1) при разработке новой ВКА требует проведения сравнительного анализа конструкций ВКА для их оценки и выявления конструкции, наиболее полно отвечающей предъявленным требованиям ТЗ. Сложность проблемы заключается в многономенклатурности ВКА, различиях в ее структуре, наборах и значениях параметров. Для решения этой задачи разработана методика параметрического выбора [125], включающая следующие этапы выбора оптимальной конструкции: построение матри- - 77 - цы значений параметров качества существующих вариантов конструкций ВКА; определение вектора параметров качества, регламентируемых предъявленными требованиями (ТЗ); разработка параметрической модели конструкции, удовлетворяющей ТЗ - 'идеальной' конструкции; формирование допустимого диапазона варьирования значений параметров качества; определение весовых коэффициентов параметров качества; выявление вариантов конструкций, удовлетворяющих ТЗ по значениям параметров качества; построение матрицы нормированных значений параметров качества выявленных вариантов и идеальной модели; вычисление интегрального критерия качества; выбор наилучшей конструкции. При этом вначале может быть произведен выбор типа ВКА согласно (3.13) (см. п. 3.3). Искомая конструкция ВКА должна удовлетворять некоторому набору параметров, определяемых предъявленными требованиями ТЗ: (3.3) где - число регламентируемых ТЗ параметров качества. В свою очередь, каждая из существующих конструкции ВКА описывается своим полным набором параметров: (3.4) где - номер рассматриваемого варианта конструкций ВКА ( , - число существующих вариантов конструкций), - число параметров качества ( ). Каждый из параметров обладает собственным коэффициентом весомости, который определяется отраслевыми документами на показатели качества, либо экспертными методами (например, методом парных сравнений). Значения параметров качества известных конструкций составляют матрицу (3.5): (3.5) - 78 - Идеальная параметрическая модель ВКА описывает некий гипотетический объект, обладающий наилучшими значениями всех параметров качества одновременно: Построение этой модели можно осуществлять либо выбором из матрицы (3.5) наилучших значений соответствующих параметров, либо синтезом предельно достижимых значений параметров качества, исходя из условий, определяемых ТЗ. Это может быть и конструкция, описываемая просто параметрами ТЗ. При этом параметры, нерегламентируемые ТЗ, из рассмотрения исключаются.

Допустимым считается диапазон варьирования показателей качества между значениями, определяемыми векторами и : и (3.6) На основе набора параметров на базе отношений типа 'не хуже' ( >, = ) из матрицы (3.5) осуществляется выбор конструкций ВКА, удовлетворяющих ТЗ. При этом возможны 3 случая: ТЗ соответствует несколько конструкций ВКА; ТЗ соответствует одна конструкция ВКА; ТЗ не удовлетворяет ни одна конструкция ВКА (т.е. аналоги отсутствуют). В первом случае для выбора наилучшей конструкции ВКА среди конкурирующих вариантов используют интегральный критерий (2.19), а для нормирования параметров качества - выражение (2.20).Проведя нормирование матрицы, образованной из параметров качества идеальной модели ВКА и параметров качества конструкций ВКА, удовлетворяющих ТЗ, получают матрицу нормированных параметров , необходимую для определения интегрального критерия : (3.7) - 79 - Здесь ( ) - число конструкций ВКА, соответствующих ТЗ. Выделив из этого множества два объекта и , которым соответствуют векторы и , по выражению (2.19) определяют значения . Наименьшее значение интегрального критерия определит наилучшую конструкцию ВКА. Во втором случае задачу можно считать решенной.

Наконец, в третьем случае, когда аналогов-конструкций ВКА, по всем параметрам удовлетворяющих ТЗ, нет, для расширения области применения известных решений предлагается произвести усечение ТЗ путем поочередного отбрасывания параметров качества с незначительными коэффициентами весомости ( например, с 0,05). В результате получаем матрицу с суженным набором параметров, анализ которой на соответствие усеченному ТЗ может выявить удовлетворяющие ему конструкции ВКА-прототипы.

Проведя оценку выявленных конструкций по критерию , аналогично первому случаю, определяют наилучшую по наиболее важным параметрам качества конструкцию ВКА. При этом известность отброшенного параметра качества, несоответствующего основному ТЗ, позволяет сформировать задание для модернизации соответствующего ФМ ВКА, т.е. возникает цель проектирования. Если ни одна из рассматриваемых известных конструкций ВКА не попадает в расширенную область применения, необходимо проектирование новой конструкции, либо смягчение соответствующих требований ТЗ. Следует отметить, что в первых двух случаях варианты конструкций ВКА, неудовлетворяющие ТЗ по параметрам с незначительными весовыми коэффициентами, выпадают из рассмотрения. При этом возможен вариант, когда в их числе оказывается конструкция с лучшим интегральным показателем качества ,если его определять для полной матрицы (3.5). В данной ситуации целесообразно проде- - 80 - лать операции, описанные в третьем случае.

Предложенный подход позволяет также решить задачу оптимального комплектования конструкций ВКА в группы сходных однородных объектов [128]. Эту операцию, разбивающую всю совокупность ВКА на группы близких однотипных конструкций, целесообразно проводить на начальной стадии выбора.

Группу конструкций, которая включит в себя наилучшую, также можно подвергнуть анализу. Для комплектования групп строят матрицу парных расстояний: (3.8) где - расстояние между -ой и -ой конструкцией, и находят внутригрупповую сумму квадратов отклонений: (3.9) где - количество объектов в группе.

Лучшим будет разбиение, когда (3.10) где - число групп разбиения.

Рассмотренная методика устраняет недостатки известных методик [129,130], хорошо алгоритмизируется и более достоверно оценивает качество конструкций, чем, например, взвешенная сумма локальных критериев [131]. 3.3. Методика синтеза структур ВКА. Формализация процесса синтеза структур ВКА основана на описаниях, приведенных в главе 2, и проведена в соответствии с (3.2) с использованием языка исчисления предикатов, близкого конструктору, привыкшему оперировать понятиями, и позволяющего автоматизировать процесс структурного синтеза [132]. Учитывая сказанное, условие существования аналога в общем - 81 - случае запишем в виде: (3.11) где - множество существующих конструкций ВКА; , , - соответственно: множества имен свойств ВКА, параметров свойств и их значений; , , - соответственно имена, параметры и значения параметров свойств, регламентируемые ТЗ; - предикат, означающий отношение принадлежности; - предикат, означающий отношение эквивалентности; - предикат, означающий отношение ' ', - предикат, означающий, что конструкция является аналогом. В случае ложности в выражении (3.11) предиката или , рассматриваемая конструкция может быть отнесена к группе прототитов, а необходимость изменения ее конкретных , , формирует цели проектирования ВКА ( ), приводящие к возникновению соответствующих вспомогательных функций Найденные из анализа дерева целей вспомогательные функции добавляются к базовой и, находясь в отношении с основными , образуют новую (см. п. 2.4). При этом с учетом утверждений, сделанных в п. 2.2, правило формирования множества допустимых ( ) имеет следующий вид: (3.12) где , = 1, 3, 5 - обязательные функции ВКА, соответственно: создавать и передавать механическую энергию для перемещения уплотнительного диска, передавать движение из атмосферы в вакуумную среду и герметизировать стык седла с уплотнительным диском; - предикат, означающий отношение включения; - предикат, означающий допустимость структуры. В свою очередь каждой рабочей функции из можно поста- - 82 - вить в соответствие реализующий ее обобщенный родовой элемент - ФМ, являющийся абстрактным объектом : ( ), что позволяет сформировать множество абстрактных структур ВКА. Морфологическая структура ВКА определяет множества вариантных (состоящих из типов ФМ - ) и элементных (состоящих из вариантов исполнения (марок) различных типов ФМ - ) структур ВКА ( и ). Очевидно, что существующие множества данных структур содержат и такие структуры, которые заведомо не соответствуют конкретному ТЗ на проектирование ВКА, поэтому перед их генерацией целесообразно решить задачу выбора допустимых структурных составляющих и . Выбор типов ФМ и конструктивных вариантов их выполнения является важной процедурой схемотехнического проектирования ВКА и с позиций системного подхода определяется отношениями между типами (вариантами) структурных составляющих и значениями параметров требований, предъявляемых к ФМ частными ТЗ, которые могут быть сформированы из общего ТЗ на разработку ВКА на основе анализа взаимосвязей их свойств.

Формализация выбора типа ВКА и вариантов ее структурных составляющих осуществлена с помощью разработанных с учетом морфологии ВКА ( ) таблиц соответствия , в которых параметр , имеющий значений, представляется булевскими переменными , где = 1, если и = 0, если ; посредством отображения ( ): (3.13) где - -ое значение параметра -го требования к -ому ФМ; - множество вариантов -го ФМ. Аналогично может быть произведен при необходимости и выбор типа ВКА. Таким образом, решение задачи выбора типа структурных составляющих ВКА сводится к построению таблиц соответствия, в которых по - 83 - столбцам располагаются условия и критерии выбора, по строкам - типы . Основной задачей при этом является установление логических зависимостей между типами ФМ ВКА и значениями или интервалами значений , параметров . Следует отметить, что определение градаций условий и критериев выбора является ответственным и трудоемким процессом в связи с необходимостью максимального уменьшения дублирования исходных данных и обеспечения их полноты.

Выявленные при проведении системного анализа свойства ВКА, рассмотренные в принадлежности к типам основных ФМ с учетом предложенной классификации конструкций ВКА, позволили сформировать следующие таблицы соответствия (применимости): таблица 3.1 - таблица применимости типов приводов ВКА; таблица 3.2 - таблица применимости типов вакуумных вводов движения; таблица 3.3 - таблица применимости типов уплотнительных пар ВКА. Выбор производится следующим образом: исходя из значений требований ТЗ, по заданным интервалам параметров выбора из соответствующей таблицы применимости выбираются строки, имеющие единицы во всех рассматриваемых столбцах, что отражает допустимость соответствующих типов ФМ ВКА ( ). Введение отношений следования между найденными формирует обобщенную вариантную структуру . С учетом последовательности структуры ВКА и выражения (3.12) это можно записать в виде ( ): (3.14) где , , - обязательные ФМ, соответственно: привод, ввод движения в вакуум и уплотнительная пара; - предикат, означающий отношение следования между ФМ. Каждая структурная составляющая (ФМ) обладает набором параметров, в том числе описывающих ее входные и выходные свойства. - 88 - При этом указанные свойства могут быть описаны качественными признаками.

Рациональность структуры выявляется процедурой , определяющей качественную совместимость выбранных элементов и описываемой следующим выражением: (3.15) При этом обобщенное правило формирования имеет вид: (3.16) где , , , = 1, - множество качественных признаков, описывающих входные и выходные свойства ФМ; - предикат, означающий отношение принадлежности признаков к ФМ; - предикат, означающий отношение эквивалентности между признаками; - предикат, означающий отношение 'состоять из'. Использование морфологической структуры ВКА и значений требований ТЗ позволяет сформировать множество допустимых элементных структур , выбирая среди качественно совместимых типов ФМ ВКА соответствующие конструктивные варианты их исполнения ( ): (3.17) где , = 1, - множество параметров -го варианта -го ФМ; - множество параметров ТЗ; - предикат, означающий отношение ' ' между значениями параметров. На основе анализа отношений параметрической совместимости выбранных ФМ, описываемых выражением (3.18), формируют в соответствии с обобщенным правилом (3.19)( ): - 89 - (3.18) (3.19) где , - соответственно значения параметров входных и выходных свойств ФМ ВКА; - предикат, означающий отношение ' = ' между значениями параметров.

Причем отношения совместимости образуют следующее множество: (3.20) где = 1,4 - индекс, означающий соответственно отношение функциональной, параметрической, эксплуатационной и технологической совместимости; - номер сопряжения в структуре; = 1,2 - индекс, означающий, соответственно: качественную или параметрическую совместимость.

Вместе с тем возможна ситуация, когда по формулам (3.15) или (3.18) выявляется несовместимость входных и выходных параметров свойств сопрягаемых структурных элементов ВКА. В этом случае необходимо включение вспомогательного функционального элемента, согласующего эти параметры, что формально может быть представлено следующим образом: (3.21) где - предикат, означающий отношение ' = ' между значениями параметров.

Выражение (3.21) позволяет сформировать множество рациональных структур ВКА, включающих как основные, так и вспомогательные ФМ. В структуре ВКА такими вспомогательными ФМ являются меха- - 90 - низм преобразования движения ( ) и механизм перемещения и герметизации уплотнительного диска ( ), согласующие входные и выходные параметры движения основных ФМ. Обозначив через = 1,6 в (3.20) соответственно отношения совместимости между ФМ ( ), ( ), ( ), ( ), ( ), ( ), процедуру генерации типовых рациональных структур ВКА можно описать следующими выражениями: (3.22) где , , - соответственно: -ый вариант привода, -ый вариант ввода движения в вакуум, -ый вариант уплотнительной пары.

Выражение (3.22) описывает множество строго определенных элементных структур ВКА, состоящих из основных ФМ: привода, ввода движения в вакуум и уплотнительной пары. При невыполнении хотя бы одного из отношений совместимости для ФМ и , т.е. , где - значение 'ложь', необходим ввод элемента и выражение (3.22) принимает вид: (3.23) где - -ый вариант механизма преобразования движения. При (3.24) где - -ый вариант механизма перемещения и герметизации уплотнительного диска. - 91 - При и (3.25) Следует отметить, что при генерации вариантов элементных структур ВКА может использоваться как одна какая-либо из описанных формула, так по мере необходимости и несколько. При этом количество получаемых структур определяется мощностями множеств . Кроме того, появление новых ФМ, реализующих заданные цели проектирования, может в соответствии с (3.21) потребовать введения и новых вспомогательных ФМ, а возможно и дополнительных к ним элементов с рассмотрением отношений их совместимости и трансформацией соответствующих выражений.

Исключение из рассмотрения ФМ 'корпус' - объясняется принятой априори его совместимостью с другими ФМ. Для выбора оптимальной элементной структуры может быть использован интегральный критерий (2.19). С целью упорядочения генерируемых структур для их анализа целесообразно проводить ранжирование полученных структур. В качестве критериев ранжирования предлагаются следующие: (3.26) где - количество структурных составляющих в структуре ВКА. (3.27) где - относительная стоимость сгенерированной структуры; - относительная стоимость -го варианта -го варианта -го структурного элемента ( ). Для сверхвысоковакуумной ВКА в первую очередь предпочтительнее структуры с отсутствием механизмов, работающих в вакуумной полости, т.е. механизмов перемещения и герметизации уплотнительного - 92 - диска ( ), поэтому при анализе в первую очередь следует рассматривать структуры, полученные с использованием выражений (3.22) и (3.23). - 112 - влияния на динамические характеристики ВКА: перегрузки на уплотнительной паре, скорость приложения усилия герметизации, быстродействие. Все искомые параметры связаны с перемещением уплотнительного диска, в частности зависят от приведенного максимального угла его 'выбега': (3.58) где - фактический угол останова выходного звена привода; - требуемый угол останова выходного звена привода (окончание цикла работы ВКА), поэтому результирующая информация представлена в виде зависимостей от перечисленных характеристик структуры ВКА: на рис. 3.6,а приведена усредненная зависимость ; на рис. 3.6,б - график ; на рис. 3.7,а - ; на рис. 3.7,б - . В связи с тем, что надежность работы ВКА во многом определяется действующими на ее элементы усилиями, необходимо уменьшение перегрузок на уплотнительную пару, определяемое минимизацией ( ). Для достижения этого, помимо изменения параметров структуры ВКА целесообразно ввести параметр - угол опережения отключения привода: (3.59) где - фазовый угол, характеризующий момент отключения двигателя.

Зависимость представлена на рис. 3.8. Анализ результатов моделирования функционирования ВКА позволил выделить следующие возможные пути уменьшения перегрузок на уплотнительную пару при определенной жесткости уплотнения: уменьшение мощности двигателя; уменьшение к.п.д. механизмов ВКА после отключения двигателя; увеличение передаточных функций применяемых механизмов; введение угла опережения отключения привода и использование накопленной кинетической энергии для герметизации уплотни- - 115 - тельной пары. С целью изучения влияния структуры ВКА на скорость приложения усилия герметизации ( ), была смоделирована конструкция вакуумного клапана КЭУн [54], гипотетически реализованная различными типами механизмов при сохранении единого . Результаты исследований в виде зависимости приведены на рис. 3.9. Как следует из данного графика, наименьшее значение на стадии герметизации у конструкции с механизмом переменной структуры, затем - совмещенной структуры, а худшее значение у механизма непосредственного действия, что хорошо согласуется с результатами проведенного ранее кинематического анализа, и, следовательно, выведенный в п. 3.4.2 критерий Ф, обобщенный вид которого приведен в выражениях (2.21,2.22), оценивает не только кинематические, но и динамические характеристики ВКА и его минимизация ведет к их улучшению, поэтому критерий Ф является интегральным критерием качества ВКА (обобщенным критерием) [127]. Помимо проверки работоспособности и оценки свойств синтезируемых конструкций ВКА подобный подход к моделированию функционирования ВКА, основанный на решении уравнения (2.18), обеспечивает нахождение рациональной совокупности перечисленных параметров ФМ ВКА путем их перебора, т.е. позволяет определить желательные значения параметров структурных составляющих ВКА, что является необходимым условием синтеза элементных структур ВКА и оптимизации конструкции при функционально-схемотехническом проектировании.

Выводы. 1. Предложена обобщенная модель функционально-схемотехнического проектирования ВКА, предоставляющая конструктору упорядоченную последовательность действий, необходимых для выбора страте- - 117 - гии при создании ВКА. 2. Разработана методика и математическая модель параметрического анализа конструкций ВКА, позволяющая выявлять необходимость модернизации конструкций и проводить их оценку. 3. Разработана методика функционально-схемотехнического проектирования ВКА, позволяющая генерировать и находить удовлетворяющие ТЗ технические решения ВКА. Предложены правила генерации, преобразования и выбора структур ВКА и проведена формализация процесса ее структурного синтеза. 4. Предложена методика синтеза ФПД ВКА как этапа ее функционального проектирования, позволяющая разрабатывать функциональную структуру ВКА тогда, когда разработка ее элементной структуры на основе известных функциональных структур не удовлетворяет требованиям ТЗ. 5. Показана важность синтеза механизмов при проектировании ВКА. Выделена группа классификационных признаков, имеющих определяющее значение для их синтеза, произведена систематизация структур ВКА применительно к механизмам и представлено их описание на введенном предметно-ориентированном языке схемотехнического проектирования.

Предложены пути синтеза кинематических схем механизмов ВКА. 6. Проведен кинематический анализ механизмов ВКА, на основании которого обоснованы и выведены критерии оптимальности ВКА. 7. Произведен анализ процесса функционирования ВКА на основе его моделирования.

Изучено влияние параметров структурных составляющих на динамические свойства ВКА, позволившее сформулировать возможные пути улучшения показателей качества ВКА. Отмечена важность моделирования функционирования ВКА при ее схемотехническом проектировании. . - 118 - 4. СОЗДАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВКА НА БАЗЕ АВТОМАТИЗАЦИИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Исследования, проведенные во второй и третьей главах настоящей работы, показали неизбежность использования средств вычислительной техники для решения задач функционального и схемотехнического проектирования ВКА вследствие их сложности и больших размерностей при необходимости охвата всех возможных вариантов синтезируемых решений, а также для исключения субъективизма при проведении оптимизации ВКА. 4.1. Программные средства анализа существующих конструкций ВКА. Созданные программные средства реализуют разработанную инвариантную [142] методику параметрического анализа ВКА (п.3.2), а также метод выбора типа структурных составляющих ВКА (п.3.3) и представляют собой три программых модуля 'WYBOR', 'VTIP', 'OPTIM'. Программный модуль 'WYBOR', построенный по функциональномодульному принципу, обеспечивает проведение параметрического анализа существующих конструкций ВКА на соответствие требованиям ТЗ и, позволяя найти аналоги или прототипы, обеспечивает выбор оптимальной конструкции [143]. Структура программного модуля, состоящего из блока управления (БУ), блоков выбора и анализа конструкций (БВК, БАК), блока формирования весовых коэффициентов (БФВК), блока управления базой данных (БУБД), связанного с блоками занесения (БЗК), удаления (БУК), коррекции (БКП) и просмотра параметров конструкций (БПП) и каталогов (БПК), блоков ввода-вывода и обработки файлов данных (БВВ, БОФД) приведена в приложении на рис. П.1. Программный модуль 'WYBOR' позволяет: осуществить параметри- - 119 - ческий выбор марки конструкции ВКА, наиболее полно соответствующей заданным параметрам ТЗ с учетом важности того или иного параметра в каждом конкретном случае выбора; работать с созданной базой данных в режимах: просмотра каталога имеющихся конструкций и значений их параметров, коррекции значений параметров конструкций, внесения новых или удаления устаревших конструкций из банка данных; формировать значения весовых коэффициентов рассматриваемых параметров либо путем назначения, либо с использованием метода парных сравнений.

Входными параметрами модуля являются: код режима работы; требуемые значения параметров конструкций ВКА (ТЗ); значения весовых коэффициентов рассматриваемых параметров.

Выходными параметрами модуля являются: марка конструкции ВКА, наиболее полно удовлетворяющей ТЗ, и ее параметры; информация о конструкциях-аналогах (также отвечающих ТЗ); информация о конструкциях-прототипах (не удовлетворяющих ТЗ) с указанием неудовлетворенных параметров (по желанию пользователя). Оптимизация выбора осуществляется блоком БАК в соответствии с критерием (2.19). При этом принято, что разброс значений параметров существующих конструкций подчиняется равномерному распределению, что объясняется дискретным рядом конструкций ВКА. Информационное обеспечение модуля включает значения параметров характеристик существующих конструкций ВКА, сформированные по данным источников п. 1.2, список критичных для выбора параметров ВКА и предлагаемые значения их весовых коэффициентов.

Программный модуль 'VTIP', также построенный по функционально-модульному принципу, обеспечивает качественный выбор типов основных ФМ ВКА на основании разработанных таблиц применимости (п. 3.3) [144]. Структура модуля, включающего блок диалогового взаимодействия (БДВ), блок выбора типов (БВТ) приводов (Пр), вводов дви- - 120 - жения (ВД) и уплотнительных пар (УП), блок анализа и оптимизации (БАО) и блок контроля ввода данных (БК), представлена на рис. П.2. При выборе вакуумных вводов движения программный модуль 'VTIP' позволяет производить поиск и выбор их типов по основным и дополнительным критериям качества, а также проводить оптимизацию полученных типов по критерию относительной стоимости.

Входными данными модуля является информация о требуемых параметрах ФМ, представляемая в соответствии с градациями соответствующих таблиц п. 3.3. Выходными данными являются: качественная информация о типах ФМ, удовлетворяющих ТЗ; информация о типах ФМ, не удовлетворяющих одному или двум заданным требованиям, с указанием параметров, подлежащих изменению.

Программный модуль 'OPTIM' предназначен для проведения сравнительного параметрического анализа нескольких однотипных конструкций ВКА, задаваемых пользователем с целью выявления наилучшей, или для оценки технического уровня новой разработки [143], и является автономной реализацией блока БАК модуля 'WYBOR'. Отличие заключается только в типе используемых при оптимизации идеальных моделей. Если в модуле 'WYBOR' идеальной моделью является конструкция, описываемая требованиями ТЗ, то в модуле 'OPTIM' при сравнительном анализе конструкций - это конструкция с параметрами, лучшими, чем у существующих конструкций ВКА, хотя возможно и не достижимыми, а при оценке технического уровня - это параметры конструкции ВКА, являющейся лучшей (эталонной) в рассматриваемом классе устройств.

Входными параметрами модуля 'OPTIM' являются: код рассматриваемого класса ВКА; диаметр условного прохода; количество рассматриваемых конструкций; значения параметров сравниваемых конструкций ВКА и их весовые коэффициенты (аналогично модулю 'WYBOR'). - 121 - Выходными параметрами модуля являются: степень сходства рассматриваемых конструкций с идеальной моделью (%), номер наилучшей конструкции и ее параметры.

Информационное обеспечение модуля 'OPTIM', помимо данных, используемых в модуле 'WYBOR', содержит параметрическое описание идеальных моделей всех типоразмеров ВКА. Рассмотренные программные средства инвариантны [145] и могут быть использованы для анализа ТО любой предметной области при создании соответствующего информационного обеспечения. 4.2. Программные средства синтеза и анализа структур ВКА. Основополагающим этапом функционально-схемотехнического проектирования ВКА является синтез ее структур, проводимый на основе формализованных в п. 3.3 положений. При этом необходимость оперирования с параметрами входных и выходных свойств сопрягаемых элементов делает программные модули синтеза структуры ВКА и генерации ее ФПД идентичными.

Причем программный модуль структурного синтеза ВКА 'VP1' оперирует соответствующими параметрами допустимых вариантов ФМ ВКА, выбранных с помощью средств п. 4.1, а программный модуль генерации ФПД ВКА 'VP2' - параметрами входных и выходных свойств ФЭ из созданного предметно-ориентированного банка структуризованных описаний ФЭ. Модуль 'VP2' позволяет генерировать цепочки ФЭ по следующим алгоритмам: по описанию ВКА на физическом уровне, включающем связи между ее элементами на основе конкретной структурной модели; по заданному входному управляющему воздействию и требуемому результату с возможностью выбора желаемой длины цепочки ФЭ [146]. Следует отметить, что разработанная методология структурного синтеза применима и для создания других ТО, представимых в виде - 122 - последовательно взаимодействующих модулей [147 - 149]. Одним из важнейших аспектов автоматизации конструкторской деятельности при создании ВКА [150] является синтез ее механизмов, который, как отмечалось в п. 3.4, предлагается производить двумя путями: на основе типовых элементарных механизмов или на основе анализа форм цепей. В соответствии с этим разработаны два пакета прикладных программ (ППП), общим начальным этапом которых является синтез формулы строения ВКА (выражение (3.35)), реализованный программой 'SSVC1', которая запрашивает в диалоговом режиме данные в соответствии с выделеными классификационными признаками, описанными в п. 3.4. На основании конкретных признаков формируется описание желаемого принципа работы ВКА и определяются требования к механизмам ВКА с позиции реализации перекрытия и герметизации проходного отверстия. ППП 'Р4' предназначен для синтеза механизмов ВКА из типовых элементарных механизмов и расчета параметров типовых и синтезированных механизмов [144]. Структура ППП, включающая: модули расчета элементарных механизмов (МР): кулачкового механизма (КулМ), кулачкового механизма с архимедовой спиралью (КулМАС), кривошипно-ползунного механизма (КПМ), двухползунного механизма (2ПМ), клинового механизма (КлМ), винтового механизма (ВМ), зубчатого механизма (ЗубМ), механизма шарнирного четырехзвенника (Ш4Зв), кулисного механизма (КулисМ); модуль контролируемого ввода данных (МКВвД); модуль синтеза механизмов (МСМ); модуль расчета параметров синтезированного механизма (МРП); модуль оказания помощи (МОП) при работе с ППП - приведена на рис. П.3. Входными параметрами ППП являются: типы элементарных механизмов и их количество; фазовые углы циклограммы работы механизмов; длины звеньев механизмов; максимальное перемещение толкателя (для - 123 - кулачковых механизмов); вид движения на входе синтезируемого механизма; требуемый вид движения на выходе синтезируемого механизма; желаемое количество кинематических пар; коэффициент полезного действия; диаметр условного прохода перекрываемого отверстия.

Стандартные параметры 'зашиты' в пакет.

Выходными данными являются следующие параметры функционирования механизмов: функция положения, функция передаточного отношения, коэффициент передачи усилия, момент сил сопротивления, функция усилия уплотнения. ППП 'SSVC' предназначен для синтеза механизмов ВКА на основе анализа массива форм цепей и содержит два самостоятельных модуля: модуль формирования массива форм цепей и модуль формирования схем механизмов из форм цепей, обобщенные блок-схемы которых приведены на рис. П.4. ППП 'SSVC' позволяет реализовать следующие процедуры [134]: формировать машинный справочник форм цепей с автоматической оптимизацией описания их контуров; сформировать структуру механизмов перемещения и уплотнения ВКА; сформировать описание структуры кинематических цепей, из которых они образованы; формировать кинематические цепи из форм цепей.

Преобразование той или иной кинематической цепи в конкретный механизм выполняется непосредственно разработчиком ВКА. По результатам работы ППП 'SSVC' сформированы таблицы и описания форм цепей, содержащих в своем составе до четырех контуров, на основании анализа которых составлен атлас исполнительных механизмов, возможность использования которых для ВКА определяется, исходя из разработанных кинематических и динамических критериев качества. - 124 - 4.3. Структурно-функциональная модель САПР ВКА на этапе схемотехнического и функционального проектирования.

Созданный комплекс программных средств является ядром предлагаемой структурно-функциональной модели САПР ВКА для этапа ее схемотехнического и функционального проектирования [151], актуальность разработки которой отмечена в первой главе. На рис. П.5 приведена структура САПР ВКА, реализующая методики функционального и схемотехнического проектирования и состоящая из обслуживающих и проектирующих подсистем.

Обслуживающими являются подсистемы управления и контроля процессом проектирования ВКА (ПУПВКА), оперативного взаимодействия (ПОВ), отображения графической информации (ПОГИ), информационного 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 осуществляется с использованием алфавитно-цифрового дисплея (АЦД) и символьно-графического дисплея (СГД). Проектирующие подсистемы представляют собой функционально законченные части системы, последовательно реализующие выделенные этапы проектирования ВКА. К ним относятся подсистемы выбора и анализа аналогов и прототипов ВКА (ВАВКА, ААВКА, ВПВКА и АПВКА), синтеза и анализа физических принципов действия ВКА (СФПД и АФПД), структурного синтеза и анализа (ССВКА и САВКА), качественного синтеза 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 конкретной ВКА, являющемуся отправной точкой разработки, система осуществляет поиск аналога ВКА из числа хранимых в БнД и при наличии нескольких аналогов, соответствующих ТЗ, производит их анализ, выбирая наилучшую конструкцию, чертежи которой находятся в конструкторском архиве. Если аналоги отсутствуют, конструктор может произвести корректировку ТЗ (например, производя его усечение по неосновным 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 корректировка ТЗ нежелательна, то система анализирует внесенные конструктором в ТЗ изменения и выдает дополнительное ТЗ на модернизацию соответствующего функционального устройства - структурный синтез привода, ввода движения в вакуум, механизма или уплотнительной пары 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 выявление 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 синтезируется новая структура на основе другого ФПД или корректируется 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 прототипов этих структурных составляющих, аналогичные процедурам поиска и выбора аналогов и прототипов ВКА. При этом в подсистемах анализа прототипов в случае необходимости формируется ТЗ на структурный 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 синтез новых технических решений этих устройств: подсистемы (ССП, ССВВ, ССМ, ССУП). Структурный синтез и анализ новых конструкций ВКА или их элементов, аналогично выбору аналогов и прототипов ВКА, также проводится 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 модернизированных прототипов, либо из элементов, полученных в результате их синтеза, и осуществляет выбор оптимальной компоновки. После этого с использованием уравнения функционирования ВКА (этап моделирования) осуществляется окончательный параметрический анализ ВКА, спроектированной на основе оптимальной компоновки. Если полученная конструкция ВКА не соответствует ТЗ, то осуществляется корректировка ТЗ на элементы ВКА и процесс проектирования повторяется.

Введение в структуру САПР нового этапа - качественного синтеза и анализа ВКА позволяет выбирать наиболее целесообразные для - 127 - дальнейшего рассмотрения конструкции, что значительно снижает время 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 анализа аналогов и прототипов ВКА и их элементов, являются следующие: формирование по ТЗ параметрической модели ВКА; выбор аналогов и прототипов, соответствующих ТЗ, формирование интегральных критериев качества ВКА и ее элементов; выбор наилучшего аналога и прототипа из числа отвечающих требованиям ТЗ; формирование ТЗ на модернизацию 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 качественного состава структурных элементов схем ВКА и выбор среди качественных структурных схем рациональных решений. В подсистемах ПСВКА и ПАВКА осуществляют: проектировочные и поверочные расчеты ВКА; определение выходных параметров структурных элементов ВКА; формирование критериев оптимальности и ограничений; оптимизацию параметров ВКА; анализ оптимальной компоновки ВКА; корректировку принятого решения в подсистеме ССВКА или корректировку 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 критерия 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 синтезированных значений параметров ВКА требованиям, определяемым техническими характеристиками автоматизированной производственной ячейки (станок, робот, комплекты оснастки и инструмента), являющейся элементом конкретной ГАП [152]. Кроме того, предусмотрена система адаптации базы данных и накладываемых граничных условий к изменению станочного парка производства, появлению новых технологий и др.

Использование подобной САПР, повышая качество и эффективность труда конструктора, позволит ему получать принципиально новые технические 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 типового электромагнитного привода не позволяет обеспечить сложного - 129 - движения и требуемых перемещений уплотнительного диска для перекрывания проходного отверстия и герметизации УП в плоских устройствах, в качестве прототипа была выбрана разработанная нами базовая конструкция сверхвысоковакуумного затвора с двумя исполнительными 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 гидравлический усилитель, т.е. образован комбинированный привод, позволяющий применять подобное решение и для устройств с цельнометаллической УП. Проведенный анализ множества позволил модифицировать 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 затвора, повысить его быстродействие и уменьшить дестабилизирующее воздействие элементов затвора на вакуумную среду [154]. Дальнейшее развитие конструкций ВКА, включающих вводы движения - 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 , реализующей данную цель, приведен на рис. П.7, П.7А-В. Подобное выполнение затвора позволило использовать в структуре 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 затворов.

Рассмотрим конструкции ВКА, полученные с использованием различных путей синтеза ее механизмов (см. п. 3.4.1.). Кинематическая схема поворотного затвора, полученная на основе 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 механизма совмещенной структуры (рис. П.9) обеспечили рациональное движение уплотнительного диска при перекрывании и герметизации проходного отверстия: поступательное его движение на стадии герметизации и поворот уплотнительного диска на 90 на стадиях открывания и закрыванияя затвора при небольшом ходе ведущего звена привода.

Подобное выполнение устройства приводит к повышению ресурса и надежности работы затвора за счет исключения неравномерности сжатия уплотнителя и его трения о седло, а также обеспечения фиксированного 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 необходимость обеспечения различных передаточных функций на стадиях перекрывания и герметизации проходного отверстия.

Указанная цель реализована 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 производится эксцентриком с маленьким эксцентриситетом.

Подобное выполнение устройства позволяет существенно уменьшить приводное усилие для получения требуемого усилия герметизации [156]. По отношению к используемым механизмам, особенно расположенным в вакуумной полости, наиболее критичны сверхвысоковакуумные конструкции, качество которых зачастую определется дестабилизирующим 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, работающих в вакуумной полости ВКА, либо полное их устранение, что наиболее труднодостижимо для конструкций плоского типа.

Другим важным аспектом разработки конструкций с электромеханическим приводом является использование только одного привода для их функционирования, что определило цели проектирования описываемых ниже конструкций сверхвысоковакуумных прямопролетных плоских затворов. На рис. П.11, П.11А,Б представлен общий вид сверхвысоковакуумного затвора, в котором механизм, расположенный в вакуумной по- - 132 - лости, обеспечивает поворот уплотнительного диска для перекрывания проходного отверстия, что не требует больших усилий, а герметизация осуществляется механизмом, расположенным вне вакуумной полости.

Формула строения при этом имеет вид: Подобная конструкция является устройством переменной структуры с отключением механизма перемещения при герметизации: Достоинством разработанного механизма перемещения уплотнительного диска (рис. П.11Б) является его большое передаточное отношение 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 труднорегулируем, что определило цель проектирования - удаление механизма из вакуумной полости (замена его механизмом непосредственного действия), т.е. генерацию структуры по выражению (3.33). При этом формула строения принимает вид: Указанная проектная цель была достигнута в разработанном сверхвысоковакуумном затворе с электромеханическим приводом путем синтеза зубчато-кулачкового механизма, расположенного вне вакуумной полости (рис. П.12, П.12А,Б). Рассматриваемый затвор является конструкцией нового, ранее не описанного типа устройств с механизмами переменной структуры: с отключением механизма герметизации при перекрывании проходного отверстия и с отключением механизма перемещения уплотнительного диска при его герметизации, что отмечено при разработке структур- - 133 - но-конструктивной классификации ВКА (п. 1.3), а формально было предопределено при анализе множества возможных формул строения ВКА (выражение (3.33)). Подобное выполнение устройства позволило исключить механизмы из вакуумной полости, что повышает ресурс работы затвора, упрощает его управление и наладку при сохранении автономного (в сравнении с пневмоуправляемыми конструкциями) привода [158]. 4.4.3. Конструкции ВКА, разработанные на основе использования различных физических эффектов. При создании конструкций ВКА, описываемых в настоящем разделе использован программный модуль 'VP2'. Использование ФЭ в структуре ВКА как правило приводит к ее усложнению и удорожанию, поэтому их применение целесообразно, в основном, в сверхвысоковакуумных конструкциях, что объясняется сложностью и особенностями функционирования подобной ВКА. Главным недостатком цельнометаллической ВКА является большое усилие герметизации уплотнительной пары, что приводит к повышенной требуемой мощности привода, росту массо-габаритных характеристик и снижению ресурса работы устройств. В связи с этим основной целью проектирования является уменьшение действующих в ВКА усилий.

Достичь желаемого позволяет ФЭ, получивший название 'гистерезис натеканий' и заключающийся в возможном снижении после герметизации УП прикладываемых к ней усилий в 2-3 раза, не приводящем к разгерметизации стыка [70, 159]. С использованием данного ФЭ разработан способ герметизации цельнометаллического разъемного вакуумного соединения, который может быть реализован как с помощью средств управления [160, 161], так и с помощью ФЭ, преобразующих немеханическую энергию в механи- - 134 - ческую [162]. Уточненная с учетом выявленной вспомогательной функции - 'разгрузить уплотнительную пару' - обобщенная функциональная структура , представлена на рис. П.13. Причем выполнение функции может быть реализовано соответствующим перемещением уплотнительного диска.

Конкретная реализация подобной получена в конструкции сверхвысоковакуумного клапана, приведенной на рис. П.14, использующей ФЭ 'тепловое расширение' - преобразование тепловой энергии в механическую (перемещение уплотнительного диска за счет изменения линейных размеров штока при нагреве). При этом введение в структуру предлагаемого устройства ФМ 'нагреватель', включение которого герметизирует УП, а отключение - разгружает ее (после остывания штока), позволяет уменьшить усилия в элементах клапана в положении 'закрыто', избавиться от перегрузок на уплотнительную пару в момент герметизации и при прогревах; снизить мощность используемого привода, что существенно повышает надежность и ресурс работы конструкций [163]. Анализ дерева целей проектирования, представленного на рис. 2.8, позволяет сформировать косвенные пути решения поставленной задачи. В частности, как отмечалось в п. 2.4 уменьшение усилия герметизации, связанно с изменением свойств материала уплотнителя, например, предела его текучести. Более подробное изучение данной проблемы показало, что существенное влияние на этот параметр оказывает образующаяся на поверхности уплотнителя оксидная пленка [67]. Таким образом, сформировалась дополнительная функция ВКА - 'удалить оксидную пленку с поверхности уплотнителя'. Уточненная , учитывающая данную функцию представлена на рис. П.15. Для реализации выявленной дополнительной функции был использован ФЭ диссоциации окислов под воздействием потока электронов [164]. Конструкция сверхвысоковакуумного затвора, позволяющая воплотить - 135 - данный ФЭ, приведена на рис. П.16, П.16А,Б, из которых видно, что дополнительная функция ВКА повлекла за собой изменение структуры ВКА за счет появления нового ФМ 'катодный узел'. Подобное выполнение устройства позволяет уменьшить усилие герметизации вследствие устранения промежуточного слоя окисла и повышения пластичности уплотнителя путем уничножения оксидной пленки на его поверхности, что существенно повышает надежность и ресурс работы затвора и уменьшает массо-габаритные характеристики привода [165]. Выводы. 1. Создан комплекс программных средств, реализущий разработанные методики и позволяющий автоматизировать основные этапы функционального и схемотехнического проектирования ВКА. Использование программных средств, предоставляя возможность рассмотрения всех вариантов генерируемых технических решений ВКА, в 3-4 раза уменьшает трудоемкость конструкторских разработок по сравнению с нормами традиционного проектирования. 2. Разработанное программное обеспечение параметрического анализа конструкций ВКА инвариантно и может быть использовано для анализа ТО любой предметной области при создании соответствующего информационного обеспечения. 3. На базе предложенного алгоритма схемотехнического и функционального проектирования ВКА, а также созданных программных средств, разработана структурно-функциональная модель САПР ВКА, реализующая этапы синтеза, анализа и моделирования ВКА, использование которой позволит конструктору получать принципиально новые технические решения. 4. На основе применения созданных программных средств м раз- - 136 - личных методик схемотехнического и функционального проектирования разработаны новые перспективные конструкции ВКА, отличающиеся повышенными технико-экономическими показателями, в частности, в 2-4 раза меньшими потребляемой мощностью и массо-габаритными характеристиками, в 1,5-2 раза повышенными ресурсом и надежностью работы. 5. Практически реализована конструкция нового, ранее не встречавшегося в практике конструирования типа ВКА с механизмами переменной структуры: с отключением механизма герметизации при перекрывании проходного отверстия и с отключением механизма перемещения уплотнительного диска при его герметизации, выявленная в процессе разработки методических основ синтеза механизмов ВКА. . ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненный комплекс теоретических, исследовательских и конструкторских работ и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: 1. На основе анализа требований и эволюции оборудования производства изделий электронной техники выявлена потребность разработки новых конструкций ВКА. Показана необходимость новых подходов к проектированию ВКА, использование которых раскрывает и усиливает творческие возможности конструктора и предоставляет ему методы для поддержки принимаемых им решений. 2. Проведен системный анализ ВКА, позволивший разработать инвариантные относительно иерархического уровня модели ВКА как объекта конструирования и системную модель процесса проектирования ВКА, являющиеся основой создания методик функционального и схемотехнического проектирования. На основе системного анализа произведена структуризация требований, предъявляемых к ВКА, и формализованы процедуры формирования исходных данных для различных этапов проектирования, позволяющие устранить ошибки конструктора, уменьшить количество итераций и исключить неопределенность и противоречивость данных при проектировании. 3. Осуществлен функционально-структурный анализ ВКА, на основе которого выявлена обобщенная структура ВКА и установлена ее стабильность, что обеспечило использование методов поискового конструирования для схемотехнического проектирования ВКА. Показана целесообразность применения наиболее естественного для практики конструирования метода морфологического анализа и синтеза, позволяющего формализовать процесс синтеза структурных схем ВКА и облегчающего работу конструктора. 4. Разработаны математические модели ВКА на этапах функционального и схемотехнического проектирования.

Обоснованы и выведены критерии оптимальности ВКА, позволившие определить пути совершенствования и выбор наилучших технических решений ВКА. Изучено влияние кинематических и динамических свойств механизмов ВКА на ее показатели качества и процесс функционирования. 5. Предложена обобщенная модель функционально-схемотехнического проектирования ВКА, предоставляющая конструктору упорядоченную последовательность действий, необходимых для выбора стратегии при создании ВКА. 6. Разработаны методика и математические модели функционального и схемотехнического проектирования ВКА, позволяющие конструктору генерировать и находить удовлетворяющие ТЗ технические решения ВКА тогда, когда его опыта и интуиции недостаточно.

Методика позволяет конструктору как самому, так и с помощью средств вычислительной техники осуществить синтез ФПД ВКА и целенаправленный процесс генерации структур ВКА, их поиск и выбор рациональных технических решений. 7. Создана методика синтеза ФПД как этапа функционального проектирования ВКА, позволяющая разрабатывать функциональную структуру ВКА тогда, когда разработка ее элементной структуры на основе известных функциональных структур не удовлетворяет требованиям ТЗ. 8. Разработана методика и математическая модель оценки конструкций ВКА и ее структурных составляющих, позволяющая конструктору производить оценку их технического уровня и выявлять необходимость проведения модернизации конструкций. 9. Развита классификация ВКА, включающая признаки используемых механизмов и являющаяся основой их синтеза.

Выявлен новый, ранее не встречающийся в практике конструирования класс устройств с механизмами переменной структуры: с отключением механизма герметизации при перекрывании проходного отверстия и с отключением механизма перемещения уплотнительного диска при его герметизации.

Предложена методика синтеза механизмов ВКА, обеспечивающая возможность формирования их кинематических схем. 10. Создан комплекс программных средств, реализующий разработанные методики и позволяющий автоматизировать основные этапы функционального и схемотехнического проектирования ВКА, использование которого в 3 - 4 раза уменьшает трудоемкость конструкторских разработок по сравнению с нормами традиционного проектирования. На основе полученных результатов разработана функционально-структурная модель САПР ВКА, реализующая этапы синтеза, анализа и моделирования ВКА, использование которой позволит конструктору получать принципиально новые технические решения. 11. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые перспективные конструкции ВКА, отличающиеся повышенными технико-экономическими показателями, в частности, меньшими (в 2 - 4 раза) потребляемой мощностью и массо-габаритными характеристиками, повышенными (в 1,5 - 2 раза) ресурсом и надежностью работы.

Результаты работы внедрены на заводе 'Темп' (г.

Фурманов), экономический эффект оценивается в 55 тыс.руб., в ОИЯИ (г. Дубна), а также в НПО 'Вакууммашприбор' (г.

Москва) и в НИИТМ (г.

Зеленоград). . ЛИТЕРАТУРА 1. Данилин Б.С. Вакуумные технологические процессы и оборудование микроэлектроники. - М.: Машиностроение, 1987. - 71 с. 2. Sharma J.K.N. Vacuum systems for ion implantation equipment // Solid State Technol. - V. 17, N 12, 1974. 3. Тихонов А.Н. Особенности проектирования вакуумных систем современного микрозондового оборудования. / Межвузовский сборник.'Электронное машиностроение, робототехника, технология ЭВП'. - М.: МИЭМ, 1984. - с. 123 - 128. 4. Попов В.Ф. Ионно-лучевые установки. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 136 с. 5. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. - М.: Высшая школа, 1988. - 255 с. 6. Weston G.F. Materials for ultrahigh Vakuum. // Vakuum. - V. 25, N 7, 1975. 7. Jlsey R.J. Outgassing of vakuum materials. I. // Vakuum. - V. 25, N 7, 1975. 8. Жилнин В.С., Жилнина Л.П., Кузьмин А.А. Исследование десорбции паров воды с поверхности нержавеющей стали Х18Н10Т в вакууме 10 - 10 торр при различных температурах. / Сборник ЭТ, сер. 4 'Электровакуумные и газоразрядные приборы'. - М.: 1974. 9. Фигнер А.И. Высоковакуумная техника. / Сборник 'Электроника и ее применение'. - М.: 1978. 10. Дьяков Ю.Н., Лукичев А.В., Тимофеев Б.В. Современные требования к технологическим средам и химикатам, используемым для микроэлектроники. // Электронная промышленность. - Вып. 155, N 7, 1986. - с. 3 - 11. - 2 - 11. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. - М.: Радио и связь. 1986. - 232 с. 12. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 264 с. 13. Hoh P.D. Quantative particulate contamination studies utilirinq reduced turbulence pumping and Ventig. // J.Vac. Sci. and Technol. - V. 2, N 2, 1984. - p. 198. 14. Jolliver D.L. Contamination control: New dimensions in VLSI manufacturing.// Solid State Tehnol. - 1984,March. - 129 р. 15. Микролитография второй половины 80-х годов. - ЦНИИ 'Электроника', вып. 21, 1985. - 5 с. 16. Winkler O. Le developpement de la metallurgie sous vide et ses perspectives. // Le Vide. - V. 31, N 181, 1976. 17. Пипко А.И. Вакуумно-термическое оборудование в производстве изделий электронной техники.- М.:Машиностроение,1986.- 55с. 18. Bauer R. Der Vacuumofen-Grundlage wirtschaflicher Warmebehandlungsverfahren.// Techn. Zbl. prakt. Metallbearb. - V. 70, N 11, 1976. 19. Ковалев Л.К. Вакуумное оборудование для производства тонкопленочных структур квантовой электроники. // Обзоры по ЭТ, серия 11 'Лазерная техника и оптоэлектроника'. - 1982, вып. 2 (886) - 83 с. 20. Розанов Л.Н. Вакуумные машины и установки. - Л.: Машиностроение.(Ленингр.отд.), 1975. - 336 с. 21. Саксаганский Г.Л. Вакуумная техника и технология электрофизического аппаратостроения. - М.: ИТР. - Ч. 1., 1989. - 56 с., ч. 2., 1990. - 75 с. 22. Глазков А.А., Малышев И.Ф., Саксаганский Г.Л. Вакуумные системы электрофизических установок.- М.: Атомиздат,1975.- - 3 - 288 с. 23. Redhead P.A. Ultrahigh Vakuum applied to physics. // J. Vac. Sci. and Technol. - V. 13, N 1, 1976. 24. Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев А.В., Шокин Е.В. Оборудование ионной имплантации. - М.: Радио и связь, 1988. - 184 с. 25. Бирюкова Н.Е., Виноградов М.И., Данилов Н.Д., Шишловский С.К. Сверхвысоковакуумный безмасляный агрегат. // Электронная техника, сер. 7 'Технология, организация производства и оборудование'. - Вып. 1 (98), 1980. - с. 64 - 68. 26. Кузнецова Л.А., Саксаганский Г.Л. и др.

Вакуумные системы экспериментальных термоядерных установок и реакторов с магнитным удержанием. // Обзор ЦНИИ Атоминфор.: ОА-66. - М.: 1984. - 70 с. 27. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. - М.: Мир, 1975. 28. Левин А.М. Конструкционные материалы и герметики в вакуумном приборостроении. - М.: Машиностроение, 1986. - 59 с. 29. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979. - 504 с. 30. Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Цветков Ю.Б. Оборудование производства интегральных схем и промышленные роботы. - М.: Радио и связь, 1988. - 320 с. 31. Блинов И.Г., Кожитов Л.В. Оборудование полупроводникового производства. - М.: Машиностроение, 1986. - 264 с. 32. Large-area industrial vacuum coation in the 1990 s.: [Pap.] Prog. 36 th. Nat. Symp. Amer. Vac., Boston Mass, 23 - 27 Oct. 1989. / Johansen Paul R. // J. Vac. Sci. and Technol. A., 1990. - 8, N 3 - p. 2798 - 2801. 33. Аверина А.П., Лоскутов А.И. Вакуумные аналитические приборы и оборудование. - М.: Машиностроение, 1986. - 75 с. - 4 - 34. Некрасов М.И. Учет дестабилизирующего влияния внутрикамерных устройств на технологический процесс напыления в вакууме. / Межвузовский сборник 'Электронное машиностроение, робототехника, технология ЭВП'. - 1986. - с. 43 - 50. 35. Карасев Б.Г., Саксаганский Г.Л. и др.

Комплекс экспер ментальных установок для исследования радиационно-вакумных и физикомеханических характеристик конструкционных материалов ТЯР. / Сборник 'Исследование и разработка материалов для реакторов термоядерного синтеза'. - М.: Наука, 1981, - с. 134 - 137. 36. Александров В.С., Саксаганский Г.Л. и др.

Ускорительный комплекс тяжелых ионов в ОИЯИ. - Дубна: Препринт ОИЯИ: Р9-83-613, 1983. - 196 с. 37. Vacuum. / Mizobuchi A., Chida K.. // Annu. Rept, Jan. - Dec. 1989. / Inst. Nucl. Stady Univ. Tokyo. - Tokyo, 1990. - p. 143 - 144. 38. Денисов А.Г., Кузнецов Н.А., Макаренко В.А. Оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии. // Обзоры по ЭТ, сер. 7 'Технология, организация производства и оборудование. - N 17 (828), 1981. - 52 с. 39. Саксаганский Г.Л., Котельников Ю.Н., Малев М.Д., Смирницкая Г.В., Юферов В.Б. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. - М.: Атомиздат, 1976. - 288 с. 40. Прогресс технологии БИС. // Дэнси дзайре. - Т.23, 1984. - с.30. 41. Уэстон Д. Техника сверхвысокого вакуума. - М.: Мир, 1988. - 365 с. 42. Achievement of extreme high vacuum in the order of 10 Pa . without baking of test chamber.: [Pap] Proc. 36 th. Nat. Symp. Amer. Vac. Soc., Boston, Mass., 23 - 27 Oct., 1989/ Kato S., Aono M., Sato K., Baba Y. // J. Vac. Sci. and - 5 - Tehnol. A. - 1990. - 8, N 3. - p. 2860 - 2864. 43. Hamacher H. Berechnung des Saugvermogens in Raumsumulations- . kammern unter Berucksichtigung des Kaltewandeinflusses. // Vakuumtechnik. - V.25, N 2, 1976. 44. Котельников Ю.Н. Автоматизация вакуумно-технологических процессов и оборудования.- М.:Машиностроение, 1987. - 55 с. 45. Александрова А.Т., Ермаков Е.С. Гибкие производственные системы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1989. - 319 с. 46. Волчкевич Л.И. Автоматизация производства электронной техники. - М.: Высшая школа, 1988. - 287 с. 47. Батраков В.Б. и др.

Разработка информационного и программного обеспечений САПР вакуумного оборудования. / В кн.'Разработка САПР вакуумного оборудования и САПР систем автоматизированного управления'. - НТО МИЭМ, N гос.регистрации 01890052063, Деп. ВНТИЦ. Инв. N 02900008823. - М.: 1989. - 8 - 34 с., ДСП. 48. Хруничев Ю.А. Анализ производительности оборудования для производства электронных приборов./ Межвузовский сборник 'Электровакуумное машиностроение'. - М.: Вып. 2, 1978. - с. 9 - 11. 49. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. - М.: Высшая школа, 1984. - 207 с. 50. Александрова А.Т. Математическая модель процеса изменения концентрации газа в вакуумном объеме при газовыделении из очага трения. / Межвузовский сборник 'Электронное машиностроение, робототехника, технология ЭВП'. - М.: 1984. - с. 12 - 17. 51. Львов Б.Г. Новые конструкции высоковакуумных прямопролетных клапанов. - М.: Высшая школа, 1980. - 72 с. - 6 - 52. Wheeler W.R. Recent developments in metal-sealed gate valves. // J. Vac. Sci. and Technol. - V. 13, N 1, 1976. 53. Вакуумная техника.

Справочник / Под ред.

Фролова Е.С., Минайчева В.Е. - М.: Машиностроение, 1985. - 351 с. 54. Львов Б.Г., Шувалов А.С. Техническое обслуживание новой коммутационно-регулирующей аппаратуры. - М.: Высшая школа, 1987. - 72 с. 55. Рот А. Вакуумные уплотнения. - М.: Энергия, 1971. - 464 с. 56. Вакуумное оборудование. / Каталог. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985. - 60 с., ДСП. 57. Дополнения и изменения к номенклатурному каталогу на освоенные и серийно выпускаемые изделия вакуумного машиностроения. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1986. - 11с., 1987. - 12 с., 1988. - 15 с. ДСП. 58. Вакуумная запорная и регулирующая арматура.

Справочные материалы. - М.: ОТЭИНТИ, 1987. - 55 с. 59. Vacuum valves. Каталог фирмы VAT., 1989. - 220 р. 60. Vacuum Equipment. Каталог фирмы PERKIN ELMER, 1988. - 185 р. 61. Vacuum Components. Каталог фирмы BALZERS, 1987. - 300 р. 62. Ventile. Каталог фирмы LEYBOLD-HERAUES, 1989. - 35 р. 63. Вакуумная техника.

Каталог компонентов фирмы Alcatel, 1986. - 245 с. 64. Vacuum Valves. Информационно-справочные материалы фирмы Alcatel, 1989. - 12 р. 65. Vannes d'equeppe. Информационно-справочные материалы фирмы Alkatel, 1987. - 4 р. 66. UHN Components. Каталог фирмы VACUUM GENERATORS, 1989. - 40 р. 67. Львов Б.Г., Шувалов А.С. Современные сверхвысоковакуумные уплотнения. - М.: Высшая школа, 1984. - 71 с. 68. Chernatony L. Recent advances in elastomer technology vor - 7 - UHV application. // Vakuum. - V. 27, N 10, 1978. 69. Гойхман У.М., Антонов Б.Н. О газопроницаемости некоторых резин. // Каучук и резина. - N 7, 1976. 70. Домрачев С.Н., Моисеев В.Я., Саксаганский Г.Л. Конструирование разъемных вакуумных соединений с металлическими уплотнителями. // Электронная техника., сер. 4 'Электровакуумные и газоразрядные приборы'. - Вып. 3,1975. - с. 67-75. 71. Романенко Н.Т. Агрегаты пневматических систем летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1976. - 98 с. 72. Бушенин Д.В., Марусев В.А. Новые виды сильфонных уплотнений в вакуумной арматуре. - Владимир, 1982. - 88 с. 73. Медников М.И. Вводы движения в вакуум. - М.: Машиностроение, 1974. - 180 с. 74. Деулин Е.А. и др.

Расчет, конструирование и особенности эксплуатации механизмов для работы в вакууме. - М.: Машиностроение, 1986. - 79 с. 75. Wheeler W.R. High vacuum gate valves. Пат. США, кл. 251-204, N 3973753, 1976. 76. Дривинг Н.Я., Назаров Л.Н. Сверхвысоковакуумный затвор произвольной ориентации с использованием легкоплавкого уплотнителя. / Межвузовский сборник 'Электронное машиностроение, робототехника, технология ЭВП'. - М.: 1986. - с. 96 - 101. 77. Усов В.В., Гутник Г.Н. К вопросу об унификации некоторых вакуумных изделий в ХФТИ. / Сборник 'Вопросы атомной науки и техники'. Сер. 'Физика и техника высокого вакуума'. - Харьков: вып. 1, 1974. 78. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. - М.: Высшая школа, 1990. - 319 с. 79. Verfahren zum Abdichten von Hochvakuumverbindungen und komponenten im Anlagenban.: Пат. 281229 ГДР, МКИ . - 8 - F16V15/08 / Appel Fritj, Akademie der Wissenshaften der DDR. N 3272353. Заявл. 4.04.89. Опубл. 1.08.90. 80. Батраков В.Б., Львов Б.Г., Шувалов А.С. Структурно-конструктивная классификация высоковакуумных клапанов и затворов. / Тезисы докл. V Всесоюз. конференции 'Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума', ч. II. - Л.: 1985. - с. 134 - 135. 81. Батраков В.Б., Львов Б.Г. Анализ математических методов автоматизации поискового конструирования и метод выбора технических объектов для САПР в ГАП. / В кн. 'Разработка теоретических основ проектирования ГАП'. - НТО МИЭМ, N Гос. регистрации 01840047750. Деп. ВНТИЦ. Инв. N 02850050183. - М.: 1984, с. 4 - 31. ДСП. 82. Половинкин А.И. Методы инженерного творчества. - Волгоград, 1984. - 365 с. 83. Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем. - М.: Радио и связь, 1982. - 152 с. 84. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. - М.: Советское радио, 1975. - 216 с. 85. Одрин В.М., Картавов С.С. Морфологический анализ систем. - Киев: Наукова думка, 1977. - 147 с. 86. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.: Советское радио, 1979. - 175 с. 87. Мюллер И. Эвристические методы в инженерных разработках. - М.: Радио и связь, 1984. - 142 с. 88. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании) / Под. ред.

Половинкина А.И. - М.: Радио и связь, 1981 - 344 с. 89. Буш Г.Я. Аналогия и техническое творчество. - Рига: Лиесма, - 9 - 1979. - 128 с. 90. Дворянкин А.М., Половинкин А.И., Соболев А.Н. Методы и синтез технических решений. - М.: Наука, 1977. - 103 с. 91. Дворянкин А.М. и др.

Методика поиска рациональных технических решений. // Управляющие системы и машины. - N 5, 1977. - с. 102 - 107. 92. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учебное пособие для студентов втузов. - М.: Машиностроение, 1988.- 368 с. 93. Повилейко Р.П. Классификация методов решений конструкторско-изобретательских задач (ДМП). / В кн.

Информатика и ее проблемы. - Новосибирск, вып. 5, 1972. - с. 1 - 37. 94. Zwicky F. Entdeeken, Erfinden, Forschen im morphologischen. Weltbild. Munchen, Zurich, Knaur, 1966. 95. Ханзен Ф. Основы общей методики конструирования.

Систематизация конструирования. - Л.: Машиностроение, 1969. - 166с. 96. Капустян В.М., Махотенко Ю.А. Конструктору о конструировании атомной техники. - М.: Атомиздат, 1980. - 190 с. 97. Холян А., Элюким С. Формализация составления варианто в задачах конструирования. // Техническая эстетика. - N 7, 1970. - с. 3 - 5. 98. Baaty U. Rechnergestutzte Prinziperarbeitting mit Hilvfe der morphologichen Analyse und Sunthese T.1. / IndustrieAnzeiger. - 1971, N 17, p. 349 - 353. 99. Lotter R.Die rechnergestutzte Kourbinatious - methode im konstruktiven Entwicklimgesprozess / Feingeratetechnik. - 1976, N 6. - p. 270 - 273. 100. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. - М.: Наука, 1982. - 200 с. 101. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические - 10 - основы САПР. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 400 с. 102. Быков В.П. 'Методическое обеспечение САПР в машиностроении', Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1989. - 255 с. 103. Аветисян Д.А., Башмаков И.А., Геминтер В.И. и др.

Системы автоматизированного проектирования.

Типовые элементы, методы и процессы. - М.:Издательство стандартов, 1985. - 179 с. 104. Норенков И.П. 'Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем'. - М.: Высшая школа, 1980. - 311 с. 105. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования.

Принципы построения и структура. Кн. 1. - М.: Высшая школа, 1986. - 127 с. 106. Жук Д.М., Мартынюк В.А., Сомов П.А. Технические средства и операционные системы. САПР. Кн. 2 - Минск: Высшая школа, 1988. - 156 с. 107. Кулон Ж.-Л., Сабоннадьер Ж.-К. САПР в электротехнике. - М.: Мир, 1988. - 208 с. 108. САПР в радиотехнике.

Справочник. / Под ред И.П. Норенкова. - М.: Радио и связь, 1986. - 368 с. 109. Ильин В.Н., Фролкин В.Г., Бутко А.И. и др.

Автоматизация схемотехнического проектирования. - М.: Радио и связь, 1987. - 368 с. 110. Капустин Н.М., Васильев Г.Н. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования. САПР. Кн. 6. - Минск: Вышэйшая школа, 1988. - 191 с. 111. Керимов З.Г., Багиров С.А. Автоматизированное проектирование конструкций. - М.: Машиностроение, 1985. 112. САПР изделий и технологических процессов в машиностроении.

Справочник. / Под ред. Аллик Р.А. - Л.: Машиностроение, 1986. - 319 с. - 11 - 113. Челищев Б.Е., Боброва И.В., Гонсалес-Сабатер А. Автоматизация проектирования технологии в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с. 114. Дризовский Л.М., Киселева Э.В., Буторина Т.С. Состояние и перспективы развития САПР. // Приборы и системы управления. N 11, 1983. - с. 15 - 17. 115. Проников А.С. Надежность машин. - М.: Машиностроение, 1978. - 592 с. 116. Тамм Б.Г., Пуусепп М.Э., Таваст Р.Р. Анализ и моделирование производственных систем. - М.: Финансы и статистика, 1987.- 191 с. 117. Батраков В.Б., Барашкова Г.Н., Кожевников А.И. Формирование концептуальных моделей объекта в САПР вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры'. / Тезисы доклада ВНТС 'САПР в машиностроении'. - Ульяновск: 1990г. - с. 59. 118. Арменский Е.В., Львов Б.Г., Митрофанов С.А. Стратегия построения концептуальной модели технического объекта. / Межвузовский сборник 'Методы моделирования и оптимизации в САПР конструкторско-технологических работ'. - М.:1989. - с. 3-6. 119. Батраков В.Б. Функционально-структурная модель вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры'. / Межвузовский сборник научных трудов 'Методы моделировани и оптимизации в САПР конструкторско-технологических работ'. - М.: МИЭМ, 1989. - с. 81 - 87. 120. А.с. N 1346894 (СССР). Поворотный вакуумный затвор. / Батраков В.Б., Косухин В.В., Львов Б.Г.- Опубл. в Б.И. N 39, 1987. 121. Патент СССР N 368766, 1973. 122. Артоболевский И.И. Теория механизмов. - М.: Наука, 1967. - 720 с. - 12 - 123. Батраков В.Б., Львов Б.Г., Шихов А.И. Исследование динамики системы 'вакуумная коммутационно-регулирующая аппаратура - автоматический привод'. / Тезисы доклада V Всесоюзной конференции 'Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума', ч.II. - Л.: 1985. - с. 134. 124. Батраков В.Б., Львов Б.Г., Шихов А.И. Исследование динамики системы 'вакуумный натекатель - электромеханический привод'. / Межвузовский сборник 'Электронное машиностроение, робототехника, технология ЭВП'. - М.: 1984. - с. 3 - 8. 125. Батраков В.Б., Львов Б.Г. Параметрический выбор элементной базы при автоматизированном проектировании вакуумных систем научно-космической аппаратуры. / В сб. 'Конструирование и технология изготовления космических приборов', АН СССР ИКИ. - М.: Наука, 1988. - с. 32 - 37. 126. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистичекие методы экспертных оценок. - М.: Статистика, 1980. - 263 с. 127. Батраков В.Б., Львов Б.Г. Интегральная оценка качества механизмов вакуумных клапанов. - Деп. ВИНИТИ, N 7435-В87. - М.: 1987. - 10 с. 128. Дюран Б., Оделл П. Кластерный анализ. - М.: Статистика, 1977. - 128 с. 130. Назаров Л.Н., Лавыгин В.Л. Оптимизация конструкций оборудования вакуумной техники. // ЭТ, сер. 7, ТОПО, вып. 6 (109), 1981. - с. 38 - 40. 131. Ипатов М.И. Расчет себестоимости проектируемых машин. - М.: Машиностроение, 1968. - 179 с. 132. Батраков В.Б., Львов Б.Г. Методические основы формализации структурного синтеза вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры (ВКРА). / Межвузовский сборник 'Автоматизация проектно-конструкторских работ в машиностроении'. - М.: МИ- - 13 - ЭМ, 1991. - с. 89 - 96. 133. Батраков В.Б., Львов Б.Г. и др.

Разработка математического обеспечения автоматизированного синтеза структурных схем механизмов вакуумных клапанов. / В кн. 'Разработка теоретических основ проектирования гибких автоматизированных производств'. - НТО МИЭМ, N гос.регистрации 01840047750. Деп. ВНТИЦ.Инв.N 02850049753. - М.: 1984.- с. 45-87. ДСП. 134. Петров Ю.А., Батраков В.Б., Львов Б.Г. и др.

Разработка ППП синтеза и анализа механизмов вакуумно-коммутационной аппаратуры. - НТО КнАПИ и МИЭМ, N гос.регистрации 01880018619. Деп. ВНТИЦ. Инв. N 02890019044, 1989.- 262 с. 135. Озол О.Г. Исследование топологических свойств кинематических цепей. / Труды ЛСХА, вып. XVII - Рига: 1965. 136. Артоболевский И.И., Руссман И.Б., Сергеев В.И., Статников Р.Б. О некоторых способах выбора интегрального критерия качества в задачах оптимального проектирования машин./ 'Машиноведение', N 2, 1978. 137. Батраков В.Б., Львов Б.Г., Шихов А.И. Кинематический анализ механизмов вакуумных прямопролетных затворов. Деп. ВИНИТИ, N 3455-85. - М.: 1985. - 15 с. 138. Львов Б.Г., Шихов А.И. Методика расчета коэффициента полезного действия механизмов вакуумных клапанов и затворов. Деп. ВИНИТИ, N 3454-85. - М.: 1985. - 12 с. 139. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. - М.: Мир, 1980. 140. Батраков В.Б. Разработка сверхвысоковакуумной арматуры на основе синтеза физического действия. / Тезисы доклада ВНПК 'Состояние и перспективы развития вакуумной техники' ('Вакуум-91'), ч. 2 - Казань: 1991. - с. 139 - 140. 141. Банк данных по физическим эффектам и явлениям, предназна- - 14 - ченный для поискового конструирования. - НТО ИЭИ, N гос.регистрации 01830066993. Деп. ВНТИЦ. Инв. N 02850047810. - Иваново: 1984. ДСП. 142. Батраков В.Б., Кожеников А.И., Львов Б.Г. Метод автоматизированного выбора оптимального конструктивного варианта детали. / Тезисы доклада Московской городской НТК 'Автоматизация производственных процессов и управление качеством'. - М.: 1986. - с. 38. ДСП. 143. Батраков В.Б., Львов Б.Г. и др.

Подсистема параметрического выбора и анализа ВКРА. / В кн. 'Автоматизация конструкторской и технологической подготовки ГПС'. - НТО МИЭМ, N гос. регистрации 01840047751. Деп. ВНТИЦ. Инв. N 0280012444. - М.: 1987. - с. 22 - 31. ДСП. 144. Батраков В.Б., Львов Б.Г. и др.