Разработка автоматизированной системы проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов

Усложнение объектов проектирования определяет задачу создания компьютеризированной методологии проектирования и построения на ее основе автоматизированных систем, способных решать не вспомогательные, а основные задачи синтеза объектов. Одним из наиболее мощных средств для исследования и проектирования технических систем является моделирование. Использование моделирования, начиная с ранних стадий проектирования, и постепенное накопление информации за счет уточнения и детализации модели позволяет говорить о расширяемой адаптивной модели всего цикла проектирования. Соответственно, при анализе различных свойств объекта проектирования (ОП) модельное представление должно формироваться наиболее подходящим для этой цели образом, независимо от конкретного процесса или этапа проектирования, и сохранять все требуемые свойства проектируемого объекта. При этом естественна и необходима модификация модели, т. е. исходное описание должно допускать внесение изменений.

Широкое внедрение компьютеризации в условиях научно-технического прогресса обеспечивает рост производительности труда в различных областях производства. Развитие новой техники в современных условиях замедляется не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие автоматизированных систем проектирования.

Развитие микроэлектроники, переход на нанотехнологии требует использования новых типов приводов для работы в вакууме. Одними из них являются пьезоэлектрические приводы (ПЭП). Принцип их действия основан на преобразовании высокочастотных механических колебаний в непрерывное вращательное или поступательное перемещение рабочего органа. Для большинства пьезоэлектрических приводов амплитуда колебаний преобразователей весьма мала — 0,1*10″ 3 — 10″ 3 мм. Предельные значения составляют амплитуды в 0,1−0,2 мм, применяемые в быстроходных устройствах.

Однако широкое внедрение таких приводов сдерживается сложностью их проектирования, отсутствием моделей и способов оценки конструкции на отдельных стадиях проектирования. Поэтому актуальна разработка автоматизированных систем проектирования таких приводов, включающая комплекс методических средств и моделей, а также способов оценки качества проекта в целом.

Важным моментом применения пьезоэлектрических двигателей в оборудовании электронной техники является их использование в вакууме без дополнительных устройств передачи движения через герметичную стенку, т. е. проблема создания ввода в вакуумный объём отпадает сама собой при использовании пьезоэлектрических приводов.

Автоматизированная система проектирования вакуумных пьезоэлектрических приводов (ПЭП) может играть роль мощного средства, эффективное применение которой невозможна без разработки комплекса методических указаний и инструкций, используемых на каждом этапе и регламентирующих их последовательность.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы проектирования ПЭП, позволяющей сократить время их проектирования, выбирать наилучшие варианты среди спроектированных, рассчитывать параметры работоспособности пьезоэлектрических приводов при заданных исходных данных с учётом привносимой дефектности по микрочастицам и газовому потоку и создание нового вида привода, удовлетворяющего всё возрастающим требованиям прецизионно-стерильного оборудования электронной техники и точного приборостроения.

В соответствии с поставленной целью на защиту выносится:

1. Способ оценки качества ПЭП.

2. Модели образования привносимой дефектности в условиях вибрационного режима работы ПЭП.

3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров работоспособности ПЭП.

4. Создание автоматизированной системы проектирования ПЭП, отвечающей критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности.

5. Технические решения ПЭП.

Методы исследования. В качестве методов исследования в работе используются положения теории систем, теории множеств, теории принятия решений и искусственного интеллекта. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов выполнена на специально созданных установках и стендах.

При проведении экспериментальных исследований применялись методики прямых и косвенных измерений методом тензометрии, с последующей обработкой результатов методами теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна обусловлена:

1. Созданием автоматизированной системы проектирования ПЭП.

2. Предложенной структурой модели сложных процессов, происходящих в ПЭП.

3. Представленным способом оценки качества для ПЭП.

4. Предложенной моделью сухого трения и износа в условиях вибрационного режима работы ПЭП.

5. Предложенными теоретическими формулами расчёта привносимой дефектности, кинематических и динамических параметров ПЭП.

Достоверность результатов. Достоверность проведённых теоретических исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, известными в литературе и полученными автором.

Практическая значимость:

1. Предложено автоматизированное рабочее место (АРМ) для разработчика ПЭП в структуре САПР.

2. Разработаны технические решения ПЭП, отвечающие критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам ПЭП.

3. Создан программный продукт «Вакуумный пьезопривод» (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 001 611 099).

Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе в МГИЭМ и практике системного конструирования для производства материалов и приборов электронной техники в НИИ МЭИИТ, НИИ ПМТ и НИИ СУВПТ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника" — на научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» в 2000, 2001, 2002 годах, а также на конференциях МГИЭМ для молодых учёных и специалистов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, сделано 4 доклада на Всероссийских конференциях, написано 3 депонированных статьи.

Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы по главе 5. Разработан пьезоэлектрический привод. Применение предлагаемого пьезопривода для нанотехнологии обеспечивает высокую точность углового перемещения порядка ± 3 сек, что позволяет использовать такой привод для реализации сверхточного углового перемещения.

Разработано устройство перемещения для нанотехнологии. Применение предлагаемого технического решения устройства перемещения для нанотехнологии расширяет его кинематические возможности, т. е. позволяет точно перемещать изделия на большие расстояния порядка 150−300мм, с погрешностью позиционирования ± 0,5 нм.

Заключение

.

1. Предложена методика оценки качества пьезоэлектрического привода (ПЭП), учитывающая функциональные, экологические и экономические локальные критерии качества, которые входят в обобщенный критерий с учётом их весовых соотношений,.

2. Разработанные модели образования привносимой дефектности в условиях вибрации позволяют аналитически реализовать конструкции ПЭП, дефектность от которых наименьшим образом влияет на технологическую среду, а также получить добавочную информацию о множестве параметров ПЭП.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований параметров работоспособности пьезоэлектрического привода в вакууме предложена морфологическая таблица приводов, которая обеспечивает эвристический подход к их проектированию с использованием известной и дополненной базы знаний автоматизированной системы проектирования.

4. На основе предложенных алгоритмов и пакетов прикладных программ разработана автоматизированная система проектирования ПЭП, позволяющая сократить время проектирования пьезоэлектрических приводов для работы в вакууме, выбирать наилучшие варианты среди спроектированных, рассчитывать параметры качества пьезоэлектрических приводов при заданных исходных данных с учётом привносимой дефектности по микрочастицам и газовому потоку, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности.

5. На основе разработанной автоматизированной системы спроектирован^ перспективные пьезоэлектрические приводы для работы в вакууме. Предложенные технические решения пьезоэлектрических приводов, механизмов и устройств отвечают критериям качества по привносимой дефектности, кинематическим и динамическим параметрам работоспособности.