Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ Для служебного пользования Экз. N На правах рукописи УДК 621.52 .1БАТРАКОВ ВАСИЛИЙ БОРИСОВИЧ 2СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 2ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ Специальность 27.07 Оборудование производства электронной техники Специальность 13.12 Системы автоматизации проектирования Д и с с е р т а ц и я на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Львов Борис Глебович Москва - 1992 2 - СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Современное состояние работ по созданию вакуумной коммутационной аппаратуры 10 1.1. Анализ связей ВКА с оборудованием электронной техники.

Основные требования, предъявляемые к ВКА 2. Функционально-структурный анализ ВКА 3. Структурно-конструктивная классификация ВКА 4. Аналитический обзор методов поискового конструирования 30 Выводы 2. Системный анализ вакуумной коммутационной аппаратуры 41 2.1. Системная модель ВКА при функциональном и схемо- техническом проектировании 2. Функции и структура ВКА 3. Свойства ВКА и ее структурных составляющих 4. Цели проектирования ВКА 5. Уравнение функционирования и критерии оптималь- ности ВКА 70 Выводы 3. Разработка методологии схемотехнического и функционального проектирования ВКА 1. Методические основы функционального и схемотех- нического проектирования ВКА 2. Методика параметрического анализа конструкций ВКА 3. Методика синтеза структур ВКА 4. Синтез и кинематический анализ механизмов ВКА 5. Моделирование процесса функционирования ВКА 109 Выводы 115 - 3 - 4. Создание новых конструкций ВКА на базе автоматизации схемотехнического и функционального проектирования 118 4.1. Программые средства анализа существующих конст- рукций ВКА 2. Программные средства синтеза и анализа структур ВКА 3. Структурно-функциональная модель САПР ВКА на этапе схемотехнического и функционального проектирования 4. Конструкции ВКА, разработанные на основе синтезиро- ванных структур 128 Выводы 135 Заключение 137 Литература 140 Приложения 157 4 - 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 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 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 6 - 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 8 - 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 9 - 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 10 - I.

Современное состояние работ по созданию вакуумной коммутационной аппаратуры

ВКА должна иметь заданную проводимость в открытом положении обеспечива... I.2. Таким образом, анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых современн... Несмотря на все возрастающую потребность в ВКА, имеющаяся по ней . к использованию высоко- и сверхвысокова- куумного оборудования, требую...

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 боль- шинстве случаев основывается на опыте конструктора.

При этом отсутствие единого научно обоснованного подхода к проектированию ВКА затрудняет создание конструкции, имеющей наилучшие характе- ристики по всем показателям качества, поэтому существующие вакуум- ные 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 литератур- ных источниках и каталогах отечественных предприятий-разработчиков и заводов-изготовителей и передовых в области вакуумного машиност- роения 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 последователь- ности цель - функция - устройство.

Плоский затвор рис. 1.5 а, е , имеющий минимальное расстоя- ние между присоединительными фланцами цель, во избежание износа уплотнителя требует при перемещении улотнительного органа 1 для открывания или перекрывания проходного отверстия 2 создания гаран- тированного зазора между ним и корпусом 3, что приводит к необхо- димости осуществления в клапане двух не совпадающих по направлени- ям 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 испол- нительных 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, приве- денной 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 по- воротный затвор с непосредственным воздействием ведущего звена 6 на уплотнительный орган 1 устройство не получил широкого расп- ространения вследствие необходимости создания значительных крутя- щих 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 характе- ристикам автоматического привода.

Для приближенной обобщенной оценки качества конструкций ВКА, исходя из ее основного назначения, сформулированного во введении, предлагается использовать условный показатель, определяемый отно- шением проводимости ВКА к диаметру перекрываемого отверстия, изме- нение значения которого для некоторых серийно выпускаемых типов устройств приведено на рис. 1.7. Большее значение данного показа- теля определяет лучшую конструкцию.

Подобный показатель позволяет провести сравнение конструкций как в рамках одного типа устройств, так и сравнение устройств раз- личных типов, а также оценить конструкции с нестандартными значе- ниями диаметров перекрываемых отверстий.

В частности можно отме- тить 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 уст- ройств рис. 1.5, а. Обращает на себя внимание и трудность опти- мизации конструктивных решений ВКА с малыми диаметрами условных проходов Ду. Изложенное позволяет сделать вывод о влиянии цели проектиро- вания 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 движе- ния 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 - 10 циклов и в 10 - 20 раз меньшие усилия герметизации 55 по сравнению с цельнометаллическими конструкциями, такая ВКА обладает рядом не- достатков, ограничивающих область ее использования и заключающихся в невысоких температурных пределах прогрева, в значительной вели- чине скорости газовыделения, относительно высокой газопроницае- мости и влиянии на масс-спектрометрический состав вакуумной среды 7 . Лучшие марки вакуумных резин, применяемые в клапанах и затво- рах допускают прогрев только до 470 К, при этом величина скорости газовыделения лежит в пределах 3.10 - 7.10 л Па см с, а вели- чина 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 оп- ределяет актуальность создания цельнометаллических устройств.

Разработка цельнометаллической ВКА требует пересмотра подхода к проектированию ВКА в связи с большими удельными усилиями герме- тизации до 200 н мм, 67, 70 , и необходимостью учета дополни- тельных факторов, не рассматриваемых при проектировании конструк- ций с резиновым уплотнением например, обеспечения высокоточного взаиморасположения деталей уплотнительной пары в момент герметиза- ции, 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 . Преобла- дающие типы приводов, используемых в ВКА, отражены на рис. 1.3, 1.4. Кратко можно отметить, что использование ручного привода иск- лючает возможность автоматизации управления ВКА электропневмати- ческий привод требует наличия энергоносителя и дополнительных уст- ройств управления электромеханический привод громоздок и инерцио- нен использование электромагнитного привода требует специальных источников питания и сопровождается сильными динамическими удара- ми, снижающими ресурс работы уплотнителя и создающими помехи в ра- боте оборудования.

Свои особенности, связанные с надежностью, площадью поверх- ности, 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 характе- ристики обусловлены применением в конструкциях различных механиз- мов, выполняющих следующие функции преобразование вида движения ведущего звена и вида перемещения уплотнительного органа измене- ние направления движения исполнительного органа осуществление пе- редаточных 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 орга- нов, которые могут располагаться как в вакуумной полости уст- ройства, 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, рычажноползун- ные, рис. 1.8, и - м 63 . Основными функциями уплотнительного органа, состоящего из механизма герметизации и уплотнительного диска, является преобразование направления и вида движения выход- ного звена механизма перемещения и уменьшение усилий или крутящих моментов на ведущем звене устройства.

Особенностью уплотнительных механизмов является их расположение в большинстве случаев в ваку- умной полости.

На рис. 1.9 представлены некоторые кинематические схемы уп- лотнительных 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 предъ- являет сверхвысоковакуумное оборудование 51, 74 , т.к. необходи- мость сохранения определенного состава остаточной газовой среды, высокие температуры прогрева, повышенный износ и коэффициент тре- ния в вакууме требуют минимума сопряженных пар трения и малых кон- тактных усилий, в то же время исключая возможность применения смазки 50 . Частично устраняют конструктивные трудности, связанные с не- обходимостью обеспечения значительных усилий устройства, использу- ющие для герметизации тепловое расширение материалов 67 и пере- вод 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 зна- чительном перемещении уплотнительного диска, определяемом величи- ной диаметра проходного отверстия для устройств плоского типа или высотой подъема уплотнительного диска для прочих устройств II - стадия герметизации проходного отверстия, в которой развива- ются 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 откры- вании или закрывании проходного отверстия - перемещение угол поворота уплотнительного диска при герметизации проходного отверстия 1000 - 2000 1 - для ВКА с металлическими уп- лотнителями 80 - 250 1 - для ВКА с эластомерными уп- лотнителями, 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 уст- ройств и их крайне трудно или невозможно применить для разработки ВКА других типов.

Усугубляет ситуацию конструирования ВКА противо- речивость отдельных требований.

Так установленная существенная за- висимость ресурса уплотнительной пары от скорости приложения к ней усилия и перегрузок 70 и связанная с этим необходимость уменьше- ния движущих моментов на ведущем звене устройства и скорости пере- мещения уплотнительного диска, противоречит требованию высокого - 28 - быстродействия.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что ни одна из су- ществующих конструкций ВКА не удовлетворяет полному набору совре- менных 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 конструирова- нию, поэтому использование той или иной схемы носит эмпирический характер.

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

Существуют различия и в трактовании терминов.

Нап- ример, в 58 клапаны - устройства с Ду до 100 мм, а затворы - устройства с Ду свыше 100 мм в 54 клапан - устройство, позволя- ющее регулировать или полностью прекращать поток газа в вакуумной системе, затвор - клапан, позволяющий соединять и разобщать эле- менты 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 многовариант- ности 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 ог- раничений 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 давле- нию 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 функ- циональные модули ФМ , его составляющие.

При этом каждый ФМ ВКА решает определенную задачу, хотя монтажно они могут быть неразде- лимы и иметь общие элементы, через которые осуществляется переда- ча, 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 не- основные, способствующие выполнению функций основных ФМ. К основ- ным ФМ ВКА относятся привод, генерирующий энергию для перемещения уплотнительного диска и герметизации уплотнительной пары ввод движения, предназначенный для передачи движения из атмосферы в ва- куумную среду без нарушения ее свойств уплотнительная пара, реа- лизующая основную функцию ВКА - перекрывание и герметизацию про- ходного отверстия корпус, обеспечивающий требуемое взаиморасполо- жение ФМ ВКА и присоединение самой ВКА в ВС. Особенностью подобно- го структурного членения является выделение в виде самостоятельно- го ФМ уплотнительной пары включающей уплотнительный диск - ведо- мое звено уплотнительного органа, и седло - элемент корпуса, поз- воляющее 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, расположен- ные между основными ФМ и согласующие их входные и выходные харак- теристики параметры движения. Особую сложность вызвало проведение систематизации многообра- зия возможных схем механизмов ВКА с целью их упорядочения.

Подроб- но решение данной задачи рассмотрено автором в 80 , где предложе- на классификация ВКА, проведенная по структурно-конструктивным признакам расположению и сочетанию механизмов относительно ваку- умной полости и по типу механизмов. Предлагаемая обобщенная классификация ВКА приведена на рис. 1.12 и включает ее разбиение по признакам используемых механизмов.

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

Необходимость учета труднообозримого множества различных фак- торов при разработке ВКА, возможность использования формальных представлений там, где заканчивается интуитивное мышление, прове- дение детального анализа как можно большего числа аналогов и про- тотипов, стремление к повышению эффективности разработок и росту производительности труда конструктора требуют перехода к автомати- зированному проектированию ВКА. При этом отмеченная стабильность структуры существующих конструкций ВКА, составные элементы которой выбираются, как прави- ло, из систематизированных рядов, позволяет считать применимыми - 33 - для процесса схемотехнического проектирования ВКА методы поисково- го конструирования.

Детальный анализ математических методов поискового конструи- рования и методов выбора технических объектов с позиций автомати- зации процесса проектирования проведен автором в 81 . Рассмотрим основные методы, используемые при автоматизации начальных этапов проектирования, известные в отечественной и зару- бежной 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 просле- живаются три основных направления разработок 82 - 85 создание принципиально новых методов, создание новых методов на основе ком- бинации известных и увеличение эффективности известных методов.

Анализ известных методов формирования ТР показал, что наибо- лее эффективными, а потому широко используемыми на практике, явля- ются теория решения изобретательских задач ТРИЗ , метод эв- ристических приемов, обобщенный эвристический метод, метод гирлянд ассоциаций и метафор, морфологические методы анализа и синтеза та- кие, как метод матриц открытия, метод десятичных матриц поиска и другие, направленные на исследование самого объекта проектирова- ния, а не психологических особенностей человека.

Кроме того, ука- занные методы могут быть в значительной мере формализованы, что немаловажно с позиций поставленных задач.

В работах 86, 87 разработана методика решения конструк- торско-изобретательских задач, которая получила название теория решения изобретательских задач. ТРИЗ представляет собой система- тизированный набор преимущественно эвристических правил, выполне- ние 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 по- мощью определенного набора эвристических приемов, и получение мно- жества новых конструктивных решений, отвечающих заданным условиям, среди которых ведется затем поиск оптимального варианта.

Библиоте- ка 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 эвристи- ческих методов поискового конструирования, требующим минимальной информационной подготовки и в наибольшей мере использующим инфор- мацию, содержащуюся в мозгу конструктора 89 . Суть метода заклю- чается в определении гирлянд синонимов и гирлянд случайных объек- тов с последующим составлением комбинаций из этих случайных гир- лянд. Конечным результатом является выбор рационального варианта технического объекта и отбор наилучшего из рациональных, как пра- вило, методом экспертных оценок.

Во многих методах поиска новых ТР присутствуют одинаковые или близкие этапы и процедуры, причем существует некоторый инвариант- ный порядок следования этапов и процедур.

Это послужило основанием для создания обобщенного эвристического метода.

В работе 90 на основе анализа большой группы известных методов решения техни- ческих 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 про- цедур этапов проектирования.

Порядок следования процедур и выбор процедур в процессе решения задачи определяется разработчиком.

По- иск 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 мето- дов и установлению полного набора и иерархии этапов и процедур об- работки информации при поиске новых ТР. Для поиска новых ТР на основе взаимосвязи показателей техни- ческих объектов и эвристических приемов разработан метод десятич- ных 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 за- писаны меняющиеся характеристики технического объекта, а в столб- цах - 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 общетехни- ческий, отраслевой или предметный характер.

При построении ДМП должна использоваться патентно-техническая литература.

Значение взаимосвязей показателей технических объектов и групп эвристи- ческих приемов, а также конкретных требований решаемой задачи пре- допределяет целенаправленный выбор пути ее решения. Ф. Цвикки предложил чрезвычайно простую модель ситуации выбо- ра, 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 реализа- ции. 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 мно- гозвенную линию, которая символизирует описание признаков некоторой конструкции.

Выбор предпочтительной конструк- ции инженер делает интуитивно, по очереди перебирая комбинации альтернатив.

Другой формой морфологического анализа и синтеза ТР является комбинирование признаков, характеризующих различные системы орга- низующие 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 приз- наки другого организующего понятия.

В каждой клетке таблицы нахо- дится рабочий принцип из комбинации двух элементов решения.

При комбинировании более чем двух организующих понятий пользуются мат- ричной 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.

Значе- ния параметров, типы форм и элементов образуют таблицу матрицу. Различные сочетания перечисленных характеристик рождают альтерна- тивные идеи или рекомендуемые решения задачи.

Морфологический ана- лиз применяется для решения задач поиска рациональных структур, схем и компоновок.

При возможности синтеза большого множества но- вых ТР в этом методе практически не решена проблема выбора наилуч- шего решения из числа синтезируемых. В последнее время на основе идеи Цвикки предложена комбина- торная концепция работы с альтернативами, на основе которой разра- ботаны новые системно-морфологические алгоритмы оптимизации и об- щая логическая схема принятия решений при конструировании 85 . В работе вводится понятие комбинаты, являющейся сопряженной к поня- тию альтернативы, отражающей все локальные, исключающие друг друга варианты взаимной подмены блоков при конструировании.

Не всякая комбинация при замене одного функционального блока другим из од- ной и той же альтернативной серии, описывающей данный признак правомерна.

Фиксацию этого факта отражает комбината, т.е. совокуп- ность всех мыслимых альтернатив формально порождает множество ком- бинаций, 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 комби- наторный 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 по- казывает, что большинство из них представляет собой комбинацию из нескольких известных методов или же являются производными какого- либо метода, но более эффективными.

Наиболее простым и формализуе- мым 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 органи- зации различных видов обеспечений САПР математического, программ- ного, информационного и других теоретических аспектов автоматизи- рованного 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, авто- матизированное проектирование отдельных элементов, автоматизацию технологической подготовки производства и изготовление конструк- торской документации 110 - 113 . При этом отмечается сложность выработки единого универсального принципа конструирования техни- ческих объектов машиностроения, основанного во многом на трудно 39 - формализуемом творческом подходе 102, 114 и неизбежность, в свя- зи с этим, модификации типовых структур их САПР. Принципиальная возможность решения задачи автоматизации про- ектирования конкретного класса ТО делает актуальной разработку ме- тодических 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 тех- нологическим и научным оборудованием, и необходимости автоматиза- ции процесса проектирования ВКА, можно сделать следующие выводы 1. Проанализированы характерные режимы эксплуатации ВКА, оп- ределены условия ее применения в различных группах оборудования и сформулированы основные требования к показателям качества ВКА. Установлено, что в ряде случаев ВКА регламентирует производитель- ность и надежность ВТО. 2. Проведен анализ существующих конструкций ВКА, показана от- носительная стабильность структуры и выделены основные ФМ ВКА. От- мечено влияние различных вариантов ФМ на показатели качества ВКА. Предложен обобщенный показатель, позволяющий производить прибли- женную оценку эффективности конструкций ВКА, показавший преиму- щество устройств плоского типа. Установлено отсутствие конструкций ВКА, полностью удовлетворяющих разнообразным диапазонам требова- ний, предъявляемых ВТО, в частности отмечено отсутствие цельноме- таллических 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, позво- ляющие 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, вхо- дящих в структуру ВКА. 5. Показана возможность формирования структуры ВКА выбором из множества вариантов составляющих ее элементов, что позволяет счи- тать применимыми для схемотехнического проектирования ВКА методы поискового конструирования. 6. Анализ методов поискового конструирования показал це- лесообразность использования метода морфологического анализа и синтеза, позволяющего формализовать процесс проектирования ВКА на этапе синтеза ее структурных схем. Отмечены перспективные возмож- ности 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 сущест- вующих систем автоматизированного проектирования подтвердил отсутствие разработок по автоматизации схемотехнического и функци- онального проектирования объектов класса ВКА 41 - 2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ 2.1. Системная модель ВКА при функциональном и схемотехни- ческом 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 це- лое, 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 конструирова- ния ТО до детальной проработки и формирующего на 70 - 80 облик будущего изделия 88 , достаточно рассматривать ВКА в виде двуху- ровневой системы.

Структурирование и формализация описания ВКА и этапов про- цесса ее функционального и схемотехнического проектирования выдви- гает в качестве основной задачи установление логических и функцио- нальных зависимостей между модулями ВКА, их параметрами и требова- ниями 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, предста- вим системное описание ВКА на начальных стадиях проектирования в виде двух групп соотношений 2.1 2.2 - 42 - где - множество функций - множество структур - мно- жество функциональных свойств - множество свойств, проявляю- щихся 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 соот- ветствий, 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 описы- вает ВКА в целом, а вторая строка описывает ФМ ВКА. Построенная системная модель ВКА позволяет перейти к формали- зации установленных взаимосвязей, используя известный математи- ческий 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 способ- ностью реализовывать интересующую человека потребность, в основу определения функций ВКА и ее структурных составляющих положен сле- дующий 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 вы- полнения ряда условий т.е. достижения ряда целей, характеризуе- мых, в частности, функцией разобщать герметично и сообщать полости элементов ВС между собой и внешней средой, что определяет необхо- димость 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 сформиро- вать понятийное описание обобщенной функции ВКА, представленное в таблице 2.1 2.3 где - множество действий, производимых ВКА и приводящих к же- лаемому результату - множество объектов, на которые это действие направлено - множество особых условий и ограничений, накладываемых на реализацию функции.

При этом компонент может отсутствовать в описании функ- ции, 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 T T 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 закры- вать 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 по- нятием ВКА, при этом регулирование газового потока с учетом того, что ВКА является самостоятельным конструктивно законченным элемен- том ВТО 54 , присоединенным к другому законченному элементу ВТО трубопроводу, рабочей камере и т.п сводится к частичному пе- рекрыванию 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 выполне- ние 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 осущест- вления функции создать и передать необходимую для движения энер- гию, а расположение уплотнительного диска в вакуумной среде, а источника энергии - вне ее, определяет необходимость функции пе- редать движение уплотнительному диску из атмосферы в вакуумную среду. Основываясь на том, что каждая рабочая функция может быть реализована неким самостоятельным функциональным модулем, обладаю- щим собственным набором входных и выходных функцио- нальных параметров, заключаем, что в ВКА необходимо также согласо- вание параметров и последовательных перемещений, приво- дящее 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 пере- мещения и герметизации уплотнительного диска - герметизировать стык седла с уплотнительным диском - фиксировать положение элементов в пространст- ве и содержать вакуумную среду.

Индекс обозначает необходимость выполнения соответствую- щих функций для каждого из трех основных действий см. табл. 2.1 , т.е. как при закрывании проходного отверстия, так и при герметиза- ции и открывании 1, 2, 3 - соответственно. Помимо основных базовых функций, задающих принцип функциони- рования и общую структуру, ВКА может обладать рядом дополнительных функций, направленных на улучшение исполнения качества основ- ных 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 абстрагиро- ваться от существующего объектного воплощения ФМ, например, пере- давать движение из атмосферы в вакуум не механическим путем, а используя воздействие магнитного поля использовать дополнительные функции - нагреть элементы уплотнения, разгрузить уплот- нительную 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 схемотехни- ческого проектирования.

С учетом изложенного структуру ВКА в общем случае можно описать следующим образом 2.7 где соответственно принципи- альная, функциональная, абстрактная, морфологическая, вариантная, элементная и компоновочная структуры.

Принципиальная структура или структура действий состоит из множества выполняемых ВКА действий и отношений сле- дования, 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, обла- дающим неким множеством общих свойств и имеющим множество вариан- тов исполнения, которые наследуют общие свойства ФМ и отличаются от него оригинальными свойствами 119 . Таким образом, абстрактная структура имеет множество взаимосвязанных абстракт- ных родовых элементов, исполняющих базовые функции. Установим требуемые соответствия - функция привода ФМ - множество типов приводов - функция меха- низма преобразования движения ФМ - множество механизмов - функция вакуумного ввода движения ФМ - множество ти- пов вводов движения - функция механизма перемещения уплотни- тельного диска и герметизации ФМ - множество механизмов - функция уплотнительной пары ФМ - условного ФМ, образуемо- го седлом и уплотнительным диском - множество типов уплотни- тельных 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-схемотехни- ческого проектирования ВКА целесообразно и достаточно представить двухуровневым деревом.

Первый уровень - ВКА как техническая систе- ма 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 уп- лотнительного диска К - корпус.

Намечен третий иерархический уро- вень - множество вариантов ФМ. Морфологическая структура, имеет два подмножества вершин - типы ФМ вершины и и - множество вариантов исполне- ния 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 дальней- шее расширение данного дерева и вглубь и в ширину. При этом раз- ветвление 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 обоб- щенной структуры ВКА. Отличие структуры от состоит в том, что множество элементов в ней имеет конкретное имя вместо абстрактного, а абстрактные отношения связи заменены на конк- ретные отношения соединения. На рис. 2.5 показан граф струк- туры одного из вариантов ВКА 120 рис. 1.4, а, в котором вершины - ручной привод эксцентриковый механизм преобразования движения сильфонный ввод движения в ваку- ум рычажный механизм перемещения уплотнительного диска 53 резино-металлическая уплотнительная пара проход- ной корпус. Компоновочная структура есть развитие графа, отража- ющая компоновку ВКА , где - множество элементов из - множество пространственных отношений взаимного расположения, принадлежности, направления, характеризуемых поняти- ями типа перпендикулярно, параллельно, соосно, внутри, снаружи, по оси Х и т.п. Таким образом, ВКА представляет собой некий состав определен- ным образом взаиморасположенных и взаимосвязанных ФМ, что позволя- ет сформулировать следующие утверждения, объясняющие некоторые ра- нее 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 уплотни- тельная пара всегда расположена внутри корпуса, в то время как привод расположен с внешней стороны корпуса.

Следует отметить, что в ВТО бескорпусное выполнение ВКА прак- тически не используется.

В соответствии с утверждением 2 передача движения от ФМ при- вод к элементу уплотнительный диск ФМ уплотнительная пара влечет за собой появление обязательного ФМ ввод движения в ваку- ум с новой рабочей функцией передавать движение из ат- мосферы в вакуум, связанного с ФМ корпус функция со- держать 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 харак- теризуемых согласно 2.7 соответствующими и. При этом главным условием возможности сопряжения ФМ является идентич- ность предшествующего ФМ с функцией с последую- щего 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 сопря- гаемых ФМ ВКА не совпадают, то между ними располагается вспомога- тельный 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 характе- ристики движения, то вспомогательными ФМ ВКА являются механизмы, что нашл.