Лекция 11. Матричный метод изобретения

Как было показано в современной вакуумной технике используется большое количество различных механизмов, подавляющее большинство из которых представляют собой вводы движения в вакуум или привод, созданный на их базе. Изучение работы вводов вращения, с целью улучшения их точностных или силовых характеристик, газовыделения, надежности и долговечности, а также создания новых более совершенных по дизайну и габаритным размерам конструкций часто выполняется разработчиками параллельно с конструированием вакуумного оборудования, когда существующие конструкции не обеспечивают совокупность заданных параметров.

Задача проектирования специального вакуумного привода, связанная со сложностью и высокой стоимостью объектов, а также много вариантностью выбора решений, требует использования научных методов поиска конструктивных решений, в которых разрабатываемый объект (здесь - привод движения в вакуум) рассматривается как часть системы (вакуумной установки), обладающей сложной структурой, а варианты оптимизации - как упорядоченное множество, например, как многомерные матрицы, позволяющие выбирать оптимальные для системы решения. В этом случае для проектирования механизма требуется четкое формальное описание ожидаемых параметров привода, позволяющее провести структурно-функциональный анализ. Анализ связей между структурой и функцией объекта (вакуумного привода) позволяет формализовать выбор механизма с заданными свойствами.

Считаем, что каждая структура механизма (кинематическая или силовая цепь, способ или система герметизации и т.п.) имеет К (К2) фиксированных свойств:

Х_i = {X₁; X₂; ... X_i ...; X_k}, (4.1)

а множество свойств и структур получаемых решений образуют прямоугольную матрицу:

X₁₁; X₂₁; ... X_i1; ... X_k1

X₁₂; X₂₂; ... X_i2; ... X_k2

: (4.2)

X_1j; X_2j; ... X_ij; ... X_kj

:

X_1m; X_2m; ... X_im; ... X_km

где X_ij - фиксированная связь “свойство- структура” для конкретного объекта, у которого индекс i обозначает текущий номер рассматриваемого свойства или параметра (i = 1...к), а индекс j - текущий номер рассматриваемой структуры или параметра (j = 1...m).

в случае большого количества параметров или набора принципиально различающихся структур, имеющих, в свою очередь, различные конструктивные решения, приходиться составлять многомерную матрицу (с числом топологических пространств n). В этом случае к индексу каждой фиксированной связи “свойство-структура” добавляется индекс пространства “l” (l = 1... n).

Учитывая большое число связей (параметров структур приводов) и, следовательно, большую размерность матрицы вариантов привода, одновременное исследование всех топологических пространств при поиске схемы и инженерной разработке нового привода могло бы быть решено путем использования специальной программы, но более наглядным является метод поиска и генерации требуемых решений с помощью двумерных матриц, отличающийся активной ролью конструктора и принципиальной возможностью создавать (генерировать) новые конструкции характеризуемые технической новизной.

Этапы матричного метода генерации новых

механизмов

1. сбор и систематизация информации об идеях, патентах, существующих конструкциях механизмов привода. Выделение и систематизация фиксированных свойств конструкций в соответствии с формулой (4.1).

2. анализ требований технологического оборудования к приводу и составление обобщенных критериев оценки, по которым устанавливается соответствие выбираемых или генерируемых конструкций, полученным от заказчиков требованиям. Поскольку критерии представляют собой трансформированные и формализованные требования оборудования, то наложение их на составляемую матрицу-классификацию позволяет выделить поле рациональных для реализации решений решений, отвечающих технологическим требованиям оборудования.

3. составление «образов» конструкций, т.е. формальное описание, свойств, структур и параметров, по которым производится оценка конструкций перед поиском их в матрицах. В принятых критериях оценки дается формальное описание требуемых свойств каждой рассматриваемой конструкции, что позволяет определить место анализируемого объекта в любом топологическом пространстве составляемой матрицы.

Так, например, формальное описание сверхвысоковакуумного, длинноходового ввода - поступательного движения содержит следующие требования к оборудованию (или заказчика):

Длина хода Рабочий вакуум (поток газовыделения) Характер вакуума (парциальный состав) Передаваемое усилие погрешность

L = 0  1м Р  10-10 Па (Q < 10-9 м3Пас-1) безмаслянный Рос 100 Н   30 мкм

а также требования технолога-изготовителя, экономиста и оператора- эксплуатационника:

Долговечность Трудоемкость Компактность

N > 106 цикл Т  150 н.час Р’ 0.5 Нмм-1

1. Составление матриц-классификаций. Составляемая матрица- классификация представляет, как минимум, n-мерное топологическое пространство (где n - количество параметров, свойств, структур, составляющих формальное описание конструкций в соответствии с п.3). Наличие или отсутствие реальных конструкций, соответствующих фиксированным, в соответствии с формулой (4.2), связям позволяет определить области пустых множеств и неплотностей матриц. Эти неплотности представляют нереализованные принципы, схемы, конструктивные варианты механизмов.

При традиционном методе проектирования эти сочетания обычно или представляются бесперспективными с точки зрения “здравого смысла” или просто выпадают из поля зрения конструктора, производящего подсознательный перебор вариантов, как варианты, образующие, на первый взгляд, несовместимые сочетания структуры и свойств, нетрадиционные и непривычные для принятого стереотипа инженерного мышления.

Для упрощения инженерной работы последовательно составляются двумерные матрицы [1], начиная с матриц наиболее высокого уровня, отражающих принцип построения механизма, и, кончая матрицами n-го уровня, отражающими варианты конструктивных решений. Таким способом можно записать основные параметры и свойства объектов проектирования применительно к вакуумному оборудованию. По уровням значимости для конструктора оборудования и технолога классификация параметров и их индексация будут иметь следующий вид:

-параметры первого уровня:

1. структура потока газовыделения из элементов вакуумного привода движения – m;

2. способ удержания уплотнителя (механический, капиллярный, гидростатический, динамический) – y;

3. способ передачи усилия (например: через сплошной вал, гибкую стенку, посредством магнитного или электростатического поля) – n;

4. способ преобразования энергии (термический, пьезоэлектрический, магнитострикционный, электромагнитный, механический) – l;

-параметры второго уровня:

1. передаточное число (муфта u =1, редуктор u =c, преобразователь вращения в поступательное движение u = c /, понижающая передача u <0, повышающая передача u >0) – i;

2. тип передаточного механизма (например: сильфон и сплошной вал, планетарный редуктор, волновой редуктор, пара винт- гайка и т.д.) – s;

3. вид загруженности передающих элементов (например, наличие или отсутствие элементов разгружающих герметизирующий элемент, наличие упоров и т.п.) – z;

-параметры третьего уровня:

1. форма гибкого элемента (мембрана, цилиндрическая трубка, трубка Бурдона, сильфон, герметичная волновая зубчатая оболочка) – f;

2. вид деформации (например, вид упругой линии сильфона) – ;

1. вид передающего элемента (радиальный подшипник, радиально-коаксиальный подшипник, упорный подшипник, сферический подшипник, эксцентриковый вал, кривошип, эксцентриковая обойма, наклонная обойма, двойная эксцентриковая обойма, несколько эксцентриковых валов и т.д.) – k;

-параметр четвертого уровня:

1. точность – ;

2. скорость скольжения в кинематических парах в вакууме -v;

3. жесткость системы – j;

4. относительное перемещение, т. е. величина результирующего перемещения, создаваемого вакуумным вводом, по отношению к исходному перемещению основных элементов ввода (l= f(L), l > L, l < L) – .

Сводный перечень параметров, использованных различными авторами при разработке известных вакуумных механизмов, приведен в разделе «Перечень параметров, использованных при матричном анализе вакуумных механизмов». Следует еще раз заметить, что этот перечень может дополняться и расширяться при разработке новых механизмов.

Следует отметить, что «уровень» параметра является условным понятием и отражает субъективное отношение к нему конструктора или технолога.

Таким образом, обозначение выбранного вакуумного ввода движения прошедшего отбор по всем перечисленным параметрам будет иметь следующий вид:

Х (4.3)

Как видно матрица индексов параметров может расширяться, т.е. имеет свободные места, в которые можно вписывать дополнительные параметры, значимые, для нового создаваемого оборудования, (например, технологичность, стоимость, надежность, компактность, шероховатость поверхности и т.д.). Косвенно эти параметры уже включены в вышеприведенные, как пример, надежность, которая косвенно присутствует сразу в нескольких параметрах: форма гибкого элемента, вид деформации гибких элементов, вид передаточных элементов, скорость скольжения. Рассмотрим метод на примере матриц -классификаций вводов движения в вакуум, показанных на рис.4.14.7 и использованных авторами для выбора схем при разработке сверхвысоковакуумных прецизионных вводов -редукторов вращения. так, четырехмерная матрица, представленная на рис. 4.1, определяющая наиболее высокий уровень систематизации и наиболее полно описывающая множество вводов движения, образует три подмножества (в четырех измерениях), систематизирующих вводы по структуре газовыделения, по способу удержания уплотнителя, способу передачи усилия и способу преобразования энергии в движителе привода. В каждом из названных пространств сочетание соответствующего способа с типом уплотнителя (сальниковым, жидкостным, гибким и т.д.) образует ряд подпространств характеризующих структуру, газовыделение и предельный вакуум, достигаемый в оборудовании, использующем подобные вводы движения.

Основой для составления подобных матриц могут являться традиционные классификации, встречающиеся в научных монографиях по соответствующим разделам техники, в которых объекты упорядочены лишь частично, например, по одному из параметров. Так, классификации [2, 3] вводов движения, явилась базой для составления матрицы-классификации вводов, рис. 4.1.

последовательное введение новых критериев более низких уровней анализа позволяет представить анализируемые множества объектов как матрицы более низкого порядка. Так, например, связь Х₅₀₂, рис. 4.1, может быть представлена в свою очередь, как двумерная матрица, рис. 4.3, в которых свойства объекта (допустимый эксцентриситет сильфона, допустимые напряжения в гибком элементе) связываются с кинематической структурой (передаточным числом) и надежностью функционирования Р (Т) механизма, рис. 4.4, 4.5 [4].

Далее, введение нового локального критерия - относительной скорости скольжения поверхностей кинематических элементов _ск, позволяет отобразить и проанализировать схемы тех же вводов, в другом топологическом пространстве (см. рис. 4.6) и также найти в новой матрице те неплотности, которые скрывают неизвестные перспективные решения.

1. выбор принципиальной схемы. является результатом сопоставления систематизированного матрицей множества свойств анализируемого устройства (привода) с допустимыми значениями параметров.

Представляет собой область поверхности отклика (область удовлетворительных решений) отсекаемую допустимыми значениями параметров, включающую совокупность удовлетворительных решений, среди которых может быть найдено оптимальное.

Так, при разработке сверхвысоковакуумных вводов для комплектования привода напылительного оборудования из 3-х матриц, изображенных на рис. 4.1, по критерию “поток газовыделения” были выделены две строки, из матрицы на рис.4.3 по критерию “передаточное отношение” - выделен левый столбец, из матрицы на рис. 4.4 по критерию “изгибные напряжения” в сильфоне - выделены три верхних строки, а по критерию “надежность функционирования Р(Т)” - два левых столбца. Из оставшихся в левом верхнем квадранте пяти конструкций по дополнительному критерию “технологичность” (трудоемкость), образующему новое топологическое пространство, были отобраны схемы имеющие следующие обозначения:

Х и Х ,