Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной апаратуры

                            СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................................  4

1. Современное состояние работ по созданию вакуумной    коммутационной аппаратуры ................................ 10

   1.1. Анализ связей ВКА с оборудованием электронной         техники. Основные требования, предъявляемые к ВКА ... 10

   1.2. Функционально-структурный анализ ВКА ................ 15

   1.3. Структурно-конструктивная классификация ВКА ......... 28

   1.4. Аналитический обзор методов поискового         конструирования ..................................... 30

   Выводы ................................................... 39

2. Системный анализ вакуумной коммутационной аппаратуры ..... 41

   2.1. Системная модель ВКА при функциональном и схемотехническом проектировании .......................... 41

   2.2. Функции и структура ВКА ............................. 42

   2.3. Свойства ВКА и ее структурных составляющих .......... 55

   2.4. Цели проектирования ВКА ............................. 62

   2.5. Уравнение функционирования и критерии оптимальности ВКА ........................................... 70

   Выводы ................................................... 73

3. Разработка методологии схемотехнического и функционального

   проектирования ВКА ....................................... 75

   3.1. Методические основы функционального и схемотехнического проектирования ВКА ........................ 75

   3.2. Методика параметрического анализа конструкций ВКА.... 76

   3.3. Методика синтеза структур ВКА ....................... 80

   3.4. Синтез и кинематический анализ механизмов ВКА ....... 94

   3.5. Моделирование процесса функционирования ВКА .........109

   Выводы ...................................................115

4. Создание новых конструкций ВКА на базе автоматизации схемотехнического и функционального проектирования .......118

   4.1. Программые средства анализа существующих конструкций ВКА ..........................................118

   4.2. Программные средства синтеза и анализа структур ВКА..121

   4.3. Структурно-функциональная модель САПР ВКА на этапе схемотехнического и функционального проектирования...124

   4.4. Конструкции ВКА, разработанные на основе синтезированных структур .....................................128

   Выводы ...................................................135

Заключение ..................................................137

Литература ..................................................140

Приложения ..................................................157

.                             ВВЕДЕНИЕ

     Необходимость всесторонней интенсификации экономики  нераз-

рывно  связана с ускорением научно-технического прогресса,  важ-

нейшими направлениями  которого  являются  создание  и  освоение

принципиально новой техники и технологии,  автоматизация и меха-

низация производства.  Выполнение этих задач  требует,  в  част-

ности, развития вакуумной техники, оказывающей определяющее вли-

яние на создание и производство изделий электроники и все  более

широко используемой в других отраслях промышленности.

     Разработка новых вакуумных технологий предъявляет к вакуум-

ному оборудованию повышенные требования,  разнообразный и меняю-

щийся диапазон значений которых обуславливает необходимость  мо-

дернизации 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  ва-

куумным  режимом.  Конструкцией  и правильной эксплуатацией ВКА,

являющейся неотъемлемой частью вакуумных систем (ВС),  в  значи-

тельной степени определяется надежность работы вакуумного техно-

логического оборудования.  (ВТО). Вместе с тем традиционное про-

ектирование,   основанное  на  интуитивно-эмпирическом  подходе,

исходя из уровня знаний конструктора,  не удовлетворяет в полной

мере ужесточившимся требованиям к созданию ВКА (например,  необ-

ходимости минимального воздействия потоков газовыделения и  заг-

рязнений  на технологическую среду оборудования производства из-

делий электронной техники,  работе при температурах 600 - 800 К,

повышению показателей надежности в десятки раз и т.д.), что осо-

бенно заметно на примере цельнометаллической ВКА, показатели ка-

чества которой, начиная с начала 70-х годов по существу не улуч-

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 ка-

честву конструкций и,  как следствие, к отказам и простоям доро-

гостоящего оборудования при эксплуатации.  Кроме того,  проявля-

ется тенденция к значительному уменьшению сроков  проектирования

ВКА,  которая  наряду  с указанными факторами вызывает необходи-

мость автоматизации процесса проектирования.

     Одним из выходов из сложившейся ситуации является разработ-

ка и применение новых развивающихся методик проектирования, поз-

воляющих  генерировать множество различных технических решений и

проводить целенаправленный их поиск и выбор,  исходя  из  техни-

ческого задания (ТЗ),  имеющего жесткие и иногда полярные требо-

вания.

     Изложенное определило цель настоящей работы,  которой явля-

ется создание научно обоснованной методологии  схемотехнического

и  функционального  проектирования ВКА,  направленной на решение

проблем проектирования ВКА,  с конкретной реализацией в виде но-

вых  конструкций ВКА и программно-информационных средств,  пред-

назначенных для анализа, синтеза и моделирования работы ВКА.

     Принципиально функциональное  и схемотехническое проектиро-

вание ВКА, заключающееся в синтезе и анализе ВКА на этапе техни-

ческого  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 обуслав-

ливает  необходимость  формального  описания структур,  функций,

свойств, объектов для определения проектных целей в виде измене-

ния структур ВКА и определения связей свойств ВКА для построения

этих структур.

     Более детально  модель  процесса  проектирования ВКА на на-

чальных 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 бо-

лее 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 требо-

ваниям.

     В случае отсутствия аналогов необходимо проанализировать ТЗ

для выявления заведомо завышенных требований с целью их  смягче-

ния.  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  потре-

бительские  цели проектирования ВКА в виде необходимости измене-

ния соответствующих значений параметров ВКА или  ее  структурных

составляющих.

     Цели и критерии позволяют конструктору осуществлять направ-

ленный поиск и синтез технических решений ВКА.  Исходя из целей,

определяют необходимые функции и функциональные модули,  их реа-

лизующие.  Вводя соответствующие отношения среди найденных функ-

циональных модулей, получают возможные структуры ВКА, из которых

с  помощью  критериев  выбирают  структуру,  наиболее отвечающую

предъявленным требованиям ТЗ  (происходит  достижение  проектной

цели).

     Отсутствие среди известных удовлетворительной  функциональ-

ной  структуры или появление новых функций для достижения потре-

бительской цели проектирования ВКА приводит к необходимости син-

теза  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 проек-

тирования,  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 проекти-

рования ВКА на уровне  формирования  ее  структурных  схем;

- построение и исследование модели функционирования ВКА;

- разработка  формализованных  методов  выбора и критериев опти-

мальности при структурном синтезе ВКА;

- разработка комплекса программных средств автоматизации началь-

ных этапов проектирования ВКА;

- разработка новых конструкций ВКА на основе использования  соз-

данного методического и информационно-программного обеспечений.

     На защиту выносятся:

     1. Системные  модели  ВКА  и  процесса ее функционального и

схемотехнического проектирования.

     2. Методика и математические модели функционально-схемотех-

нического 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 функциони-

рования ВКА и критерии оптимальности конструкций ВКА.

     6. Новый класс ВКА переменной структуры и конструкции ВКА.

.

     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,  предъяв-

ляющая наиболее жесткие, зачастую противоречивые и трудно реализу-

емые требования к создаваемым ВС.

     Используемое в  электронной технике вакуумное технологическое

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12