авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

НАУЧНЫЙ СОВЕТ ПО ПРОБЛЕМАМ МАШИНОВЕДЕНИЯ

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ

МАШИНОВЕДЕНИЯ РАН

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

КАФЕДРА МЕХАТРОНИКИ

КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES

Council for theoretical engineering and manufacturing methods Research institute of mechanical engineering problems of RAS Saint-Petersburg state university of information technologies, mechanics and optics Mechatronic department Department of technology of instrument-making industry PROCEEDINGS OF THE 6th SESSION OF THE INTERNATIONAL SCIENTIFIC SCHOOL FUNDAMENTAL AND PRACTICAL PROBLEMS OF PRECISION THEORY AS APPLIED TO PROCESSES, MACHINERY, INSTRUMENTS AND SYSTEMS (FRIDLANDER’s READINGS) Part IS DEDICATED TO MEMORY OF V.P. BULATOV September 31 - October 3, Under the editorship V.M. Musalimov and B.S. Padun Saint-Petersburg, РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Научный совет по проблемам машиноведения и технологических процессов Институт проблем машиноведения РАН Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики Кафедра мехатроники Кафедра технологии приборостроения ТРУДЫ ШЕСТОЙ СЕССИИ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ПРОЦЕССОВ, МАШИН, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ (ФРИДЛЕНДЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ) Часть ПОСВЯЩЕНО ПАМЯТИ В.П. БУЛАТОВА 31 сентября - 3 октября, Под редакцией д.т.н., проф. В.М. Мусалимова и к.т.н., проф. Б.С. Падуна Санкт-Петербург, УДК 621.01+ ББК 34.41 Ф. Труды шестой сессии международной научной школы "Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и си стем Часть 2. / Под редакцией д.т.н., проф. В.М. Мусалимова и к.т.н., проф.

Б.С. Падуна - СПб: ИПМаш РАН, 2003. - 172 c.

В книге представлены материалы и доклады шестой сессии международ ной научной школы, посвященные решению фундаментальных и прикладных проблем обеспечения точности при проектировании, изготовлении и эксплу атации машин, приборов и систем.

Книга предназначена для научных сотрудников, специалистов промыш ленных предприятий и отраслевых институтов, а также для преподавателей, аспирантов и студентов технических университетов.

Works of the 6th session of the international scientic school "Fundamental and applied problems of the theory of accuracy of processes, machines, devices and systems Part 2. / Under the editorship V.M. Musalimov and B.S. Padun St. Petersburg: RIMEP of RAS, 2003. - 172 p.

Proceeding and papers of the 6th session of the international scientic school devoted to solving of fundamental and applied problems concerning design accuracy, manufacturing and machine operation.

The book is intended for scientists, experts of industrial enterprises and for lecturers, post-graduates and students of technical universities.

2003-11- © Коллектив авторов, © ИПМаш РАН, © СПбГУ ИТМО, © Кафедра Мехатроники, © Кафедра Технологии приборостроения, Компьютерная верстка Ларин А.С., Сенькин Д.С.

Дизайн обложки Ефремов Л.В.

Секция 4.

Проблемы точности при создании машин и приборов 6 Труды шестой сессии международной научной школы 4.1. НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Мусалимов В.М., Брагинский В.А., Резников С.С. (СПбГУ ИТМО), Ростовцев А.М. (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Рассмотрено современное состояние проблемы мониторинга ме ханических систем. Обсуждены вопросы пассивного, активного, транспортно - сборочного мониторинга, а также вопросы его тех ническихи теоретических возможностей. Показано, как резуль таты мониторинга используются для построения нечеткого кон троллера.

Введение В данной работе все возможности реализации механических систем и их свойств рассматриваются с использованием современного базового понятия "качество". Качество рассматривается как интегральная характеристика объ екта, включающая: надежность, работоспособность, прочность, точность и т.д. Управление качеством, таким образом, определяется возможностями ин тегрального управления, для чего представляется целесообразным использо вать (в процессе создания, контроля и управления качеством и точностью объекта) мониторинг функционирования объекта-системы с целью выявле ния реализации проектных целевых установок. Мониторинг по характеру ор ганизации, форме и содержанию весьма разнообразен. Это может быть:

- пассивный технологический мониторинг [1]: "исследование качества поверхностного слоя деталей машин, осуществляемое по окончании технологической операции [2]";

- активный технологический мониторинг "контроль состояния техно логического процесса, цикличности выполнения предписанных тех нологических операций в реальном времени [3]";

- транспортно-сборочный мониторинг: "контроль транспортных опе раций (загрузка-разгрузка, накопление, расходование деталей перед сборкой) и самого процесса сборки, включая сортировку деталей на группы по показателям качества перед селективной сборкой [4]".

Реализация мониторинга в любом варианте требует системного подхода [5]: Во-первых, строится динамическая модель на основе разделения процес сов, протекающих, например, в подвижных соединениях конструктивных эле ментов привода, несущей системы, инструмента и заготовки Все указанные элементы образуют сложную механическую систему, которая становится есте ственной частью динамической модели конкретной технологической системы.

Во-вторых, формируются прямые и обратные связи между отдельными ча стями модели технологической системы. Одновременно с этим составляется Проблемы точности при создании машин и приборов матрица оценки чувствительности производственной системы к нарушениям режима ее нормальной эксплуатации [6] и проводится минимизация элементов этой матрицы с целью повышения инвариантности технологического процесса по отношению к возмущающим факторам. Далее необходимо [7] интегриро вать метрологический процесс в процесс изготовления машиностроительной продукции. Это позволяет решить первоочередную задачу немедленного по лучения информации, которая может быть использована также и для опти мизации производственного процесса.

Требования к методам и средствам контроля сводятся к трем показате лям: экономичность, эффективность, надежность. Об эффективности такой интеграции можно судить, например, по тому, что фирма Ford Motors (США) в 1999г. вручила премию Q1 Quality Award итальянской фирме "Marposs S.

P.A.", присуждаемую производителям станков и инструментов за существен ные разработки в области обеспечения качества продукции [7], включающие в себя: "измерительные системы для технического контроля и неразрушающего контроля деталей и узлов машин;

" датчики для автоматизированной диагно стики станков и процессов механической обработки, а также для обеспечения селективной сборки.

В отечественной научно-инженерной практике идеи мониторинга разраба тываются применительно к этапам разработки продукции организации её се рийного производства и использования готовой продукции потребителем. На стадии разработки продукции- это так называемое параллельное проектиро вание основного объекта, а также подготовка производства;

концепция такой параллельной разработки предполагает высокий уровень детализации и син хронизации работ и четкое разделение целей качества(точности) продукции на каждой стадии(и на всех этапах внутри каждой стадии). На стадии выпус ка продукции - это опора на результат структурирования функции качества, разделение качества(точнеее петли качества) на две составляющие: до запус ка в производство и с момента начала производства;

реализация принципа робастности в системе "технология - оборудование - изделие", позволяюще го создать условия, противостоящие спонтанным колебаниям неуправляемых воздействий в достаточно широких пределах, и на этой базе оптимизировать параметры качества продукции и оценивать уровень воспроизводства каче ства, вводить нормы-индексы воспроизводимости качества (ИВК).

На стадии использования (или эксплуатации) продукции - это сопоставле ние отдельных элементов и(или) общего результата собственной деятельности с лучшими аналогами(так называемый Benchmarking). Мониторинг как систе ма требует определенных средств "расширения" от аналитико-эвристических до технических(база и метрология). Насыщение содержанием каждой из по зиций средств "расширения" достаточно сложна и противоречива. Особен ность состоит в том, что на выходе продукции оценка качества определяется ключевым неравенством[8]: T t T k T f, где обозначены соответственно допуски: технологический, сборочный, функциональный.

8 Труды шестой сессии международной научной школы Фазовый мониторинг механических систем Главная проблема мониторинга - организация сбора и анализа инфор мации. Мониторинг призван отслеживать формирование выходного каче ства(номиналов) и допусков выходных параметров. В технологии приборо строения (машиностроения) первоначальные элементы последовательного по операционного анализа качества нашли отражение в методиках "технологиче ской наследственности". Реализация мониторинга предполагает наличие наи более информативного параметра, каким-либо образом связанного с оценкой выходного качества объекта. Такая реализация предполагает наличие: при емника информации, анализатора, синтезатора(обратная связь). Теоретиче ские расчеты динамической точности механических систем, приведенные да лее на примере кривошипно-шатунного механизма [9], обосновывают необхо димость динамического отслеживания реакции связей узлов механизма, для чего предполагается вмонтирование специальных датчиков с системой усиле ния снимаемых сигналов.

В настоящее время при изготовлении механизмов производят контроль качества изделия, проверяя размеры, шероховатость, зазоры и другие стати ческие характеристики механизма, совершенно не учитывая динамику, свя занную с эксплуатационным режимом работы. Динамику отражают фазо вые портреты (характеризующие механическое состояние системы) или дру гие визуально-аналитические образы, связанные с обобщенными координа тами и обобщенными скоростями. Каждый механизм как динамическая си стема имеет свой фазовый портрет, который отличается от фазовых порт ретов других механизмов. Например, для кривошипно-шатунного механизма визуально-аналитический образ механического состояния построен в базисе обобщенных координат и квадратов обобщенных скоростей и характеризует ся четырьмя окнами семейств эквиреактивных кривых. Это набор эталонных семейств (норма-номинал), отклонение от которых (по анализу реакций свя зей) определяет состояние системы,связанное с появлением различных экс плуатационных дефектов: износ, появление остаточных деформаций звеньев и т.д. Для того, чтобы фиксировать отклонение реакции связей от номиналь ного значения, необходимо использовать технические средства. Технические средства фазового мониторинга. Практика показывает, что наиболее просто и эффективно эта и подобная ей задача решается измерением реактивных сило вых факторов, в данном случае, реакции обоймы, в которой ходит ползун. Ис пользование реакций опор для получения информации о параметрах механи ческого состояния представляется технически перспективным по следующим причинам: "отсутствие вращающихся токосъёмников подачи электропитания и съёма(ввода) информационно-управляющих сигналов," возможность схемо технического или программно-алгоритмического выделения силомоментных потоков, проходящих через опорные датчики механических величин интере сующих нас усилий и моментов в технологическом оборудовании.

Проблемы точности при создании машин и приборов Разработка параметрического ряда технологических датчиков механических величин для различных пределов измерений Особое значение приобретает подобный подход к определению механиче ских параметров непосредственно в зоне формообразования будущей дета ли из заготовки, особенно для токарных и фрезерных станков. Так, изме рительная информация о податливости системы шпиндель-патрон-заготовка токарного станка позволяет получить геометрический образ детали еще до её изготовления [10-12]. Не меньшее значение имеет контроль режущего ин струмента. Вышеизложенное не умаляет значения традиционных средств ак тивного контроля в процессе обработки, применяемых, в основном, на фи нишных операциях(шлифование и т.п.) [13]. Существенным является также модульность конструкций датчиков механических величин, выражающаяся в том, что его первичный преобразователь("сердце" датчика) выполняется в виде встроенного модуля из числа выпускаемых отечественной промыш ленностью. К таким модулям относятся механотронные преобразователи, до недавнего времени выпускавшиеся серийно электровакуумной промышлен ностью [14], и полупроводниковые тензомодули [15-16], серийный выпуск ко торых освоен приборостроительной промышленностью в середине 90-х г.г.

и продолжается в настоящее время в нарастающих масштабах. Эти модули могут быть укомплектованы вторичной аппаратурой, поставляемой как их заводом-изготовителем [17], так и другими предприятиями [18-19]. Общим для механотрона и полупроводникового тензомодуля является наличие кон сольного элемента, к которому прикладывается измеряемое усилие и дефор мируемой этим усилием мембраны [20]. Таким образом их можно назвать мембранно-рычажными преобразователями.

К консольным первичным преобразователям с податливой силоактив ной опорой отнесены балочные тензопреобразователи, виброчастотные (ВБЧ) преобразователи, преобразователи на нитевидных кристаллах(НК), на ис пользовании поверхностно-активных волн(ПАВ). В таблице они в целях более компактного представления условно совмещены на одной балке и показаны с одной стороны, имея ввиду аналогичную симметричную структуру с про тивоположной стороны для каждого из указанных преобразователей. К кон сольным первичным преобразователям с жесткой электропассивной опорой принадлежат тензомодули с гетероэпитаксиальной структурой "кремний на сапфире". Механотроны, а также перспективный преобразователь со струк турой "кремний на кремнии", который по аналогии с названием механотрон предлагается назвать "мехатрон", - все три принадлежат к изделиям мехатро ники, изготавливаемых методами микроэлектронной(тонкопленочной) техно логии, при использовании которой мембрану мехатрона получают анизотроп ным травление, обеспечивающим воспроизводимость параметров в условиях массового производства [21]. Альтернативой тонкопленочной технологии из готовления первичных преобразователей является толстопленочная техноло гия [22-24], однако габариты преобразователей получаются гораздо больши 10 Труды шестой сессии международной научной школы ми, точность - более низкая. Выигрыш здесь можно получить только за счет простоты и относительной дешевизны технологических операций, причем в условиях серийного, а не массового производства, как в первом случае, про изводства первичных преобразователей. В соответствии с порядком перечис ления преобразователей приводим их технические характеристики:

- предел измерений сН: 0,1-104;

2-50;

500-104;

0,01-104;

- рабочий прогиб мм: 0,01-0,05;

0,1-0,5;

0,15;

0,01-0,05;

- приведенная основная погрешность измерения %: 0,2;

0,5;

0,1;

0,05.

Результаты мониторинга:

Построение нечеткой экспертной системы Мониторинг проводится с целью определения состояния (качества) систе мы. Рассмотрим реализацию экспертной системы на примере простейшего механизма с помощью пакета нечеткой логики (Fuzzy Logic).

Пусть система имеет 3 входа: фазовая структура механизма (ФСМ), уз лы механизма (УМ), детали узлов (ДУ);

выходом установим качество си стемы (КС). Для ФСМ зададим 2 функции принадлежности: Z-функцию и S-функцию с соответствующими именами "плохо" и "хорошо";

для УМ зада дим 3 функции принадлежности трапецеидального типа с именами "плохо", "хорошо", "отлично";

для ДМ зададим 3 функции принадлежности гауссово го типа с именами "плохо", "хорошо", "отлично". Качество каждого из трех входов будем оценивать по 10-балльной системе. Для выходной переменной КС примем диапозон изменения от 0 до 100 и зададим 3 функции принадлеж ности тругольной формы с именами "плохо", "хорошо", "отлично". Приведем один из вариантов логических правил, ориентированный на применение ал горитма Мамдани:

1. Если ФСМ = хор. И УМ = отл. И ДУ = отл., то КС=отл.

2. Если ФСМ = хор., то КС = хор.

3. Если ФСМ = пл., то КС = пл.

4. Если ДУ = пл. ИЛИ УМ = пл., то КС = пл.

5. Если ФСМ = хор. И УМ = пл., то КС = пл.

Отметим, что в нечетких предикатных правилах в качестве связок исполь зованы логические операции конъюнкции И и дизъюнкции ИЛИ. На этом конструирование экспертной системы закончено. Далее, воспользуемся па кетом Fuzzy Logic Toolbox (Matlab), чтобы построить нечеткий контроллер.

Результат представлен на рис.1. окном просмотра правил контроллера.

Вертикальные линии, пересекающие графики, можно перемещать с помо щью мыши и изменять значения переменных входа. При этом меняются зна чения переменных выхода (качество). На рис. 2. представлена поверхность отклика (зависимость выходной переменной от входных).

Проблемы точности при создании машин и приборов Рис. 1.

Рис. 2.

Последующая интеграция экспертной системы с пакетами NNT (нейрон ные сети) и Simulink дает возможность для моделирования и создания систем управления КС с нечетким регулятором. Мониторингом обеспечивается пере дача определенной информации (распределения) на вход контроллера. Этот подход отражает современную точку зрения об изменении состояния систем только через функции распределения,но не через аргументы этих функций.

В этом, собственно, и состоит отличие мониторинга от диагностики.

12 Труды шестой сессии международной научной школы Заключение Таким образом, основу мониторинга механических систем составляет мо дельная база, а также современная техническая и технологическая с четкой организацией службы мониторинга. Средства нечеткой Логики, в свою оче редь, позволяют на всех этапах технологического процесса обеспечивать ре гулирование качества изделий.

Литература 1. Брагинский В.А. Расширение парадигмы точности: общая постанов ка и специфика в области технологии и применения пластмассовых де талей повышенного качества. В кн. Фундаментальные проблемы теории точности. -СПб.: Наука, 2001. 195-207 с.

2. Воробьев Е.А., Сенчило И.А., Егоров В.М., Васильков Д.В.

Мониторинг качества поверхностного слоя деталей машин. "Инстру мент", 1998, № 12, с.19.

3. Кудинов В.А. Системность и диалектика в динамике технологических процессов и машин. "Станки и инструмент", 2000, №1, с.5-9.

4. Юркевич В.В. Податливость системы шпиндель-патрон-заготовка то карного станка. "Станки и инструмент", 2000, №6, с.З-5.

5. Скиба В.М., Обидин С.М. Влияние упругой системы станка на про цесс резания. Известия ВУЗов. Машиностроение, 2001, с.92-98.

6. Воронцов Л.Н., Дорндорф С.Ф. Приборы автоматического контро ля в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1988, 272с.

7. Берлин Г.С. Механотроны. -М.: Радио и связь., 1984, 248с.

8. Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федоров Н.М. Взаимозаменяе мость, стан дартизация и технические измерения. -М.: Машинострое ние, 1986, 506с.

9. Мусалимов В.М. Анализ градиентных систем при синтезе точности механизмов. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2001, №1, 27-33c.

10. Стучебников В.М., Трухачев Б.С. Интегральные датчики механи ческих величин на современном этапе. Приборы и системы управления, 1985, №8, 14-17c.

11. Стучебников В.М. Интегральные полупроводниковые чувствитель ные элементы тензопреобразователеей механических величин. Приборы и системы управления, 1986, №4, 20-23c.

12. Номенклатурный каталог продукции на 2001г. ЗАО ОРЛЕКС, Орел.

13. Каталог продукции ЗАО ОВЕН, Москва, 2001.

Проблемы точности при создании машин и приборов 14. Каталог продукции 2001 ЗАО ЭТАЛОНПРИБОР, Челябинск.

15. Заседателев С.М., Беликов Л.В. О проектировании датчиков дав ления с интегральными преобразователями. Микросистемная техника, 2000.

16. Беликов Л.В. Проектирование топологии тензорезисрного моста Уит стона, расположенного на монокристаллической кремниевой мембране, ориентированной по (111). Микросистемная техника, 2001, №8.

17. Слепов В.Н. Европейский рынок датчиков давления. Приборы и сред ства автоматизации, 2001, №3, с.55.

18. Easily adjust the production process. "Modern Machinery Shop".

2000, V72, 9, p.202-203.

19. Klarheit im Zufuhrprozes: Lage erkennen, Qualitat prufen und Sortiere mit Checkbox-Sistem "Produktion", l.999, 20, s.32.

20. Transactions of the ASME. Jornal of Manufacturing Sciece and Engineering. 2000, V.122, 3, p.513-519.

21. Frey D. (Использование матрицы оценки чувствительности производ ственных систем к нарушениям ркжима их нормальной эксплуатации на стадии проектирования этих систем).

22. Komplexe Produktionsprozesse sicher beherrrschen-eme herausforderung fur Fertigungsmesstechnik.

"Wettbewerbstaktor Produktionstecrinik".

Werkzeugmaschienen-Kolloqium, 10-11 Yuni 1999, Aachen, s.421-454.

23. Marposs wins award.American Machinist, 1999, V143, 2, p.36.

24. Ramp R., Muller D. Einer Schweizer spezialitat: Drucksensoren auf Keramikbasic in Dickshichttechnik. Sensor Magazin, 2000, 3.

14 Труды шестой сессии международной научной школы 4.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ FUZZY - КОНТРОЛЛЕРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЭМС.

Мусалимов В.М., Киреева А.А. (СПбГУ ИТМО), Акульшин Ю.Д., Козлов В.П. (СПбТУ) В материалах данной статьи детально описан алгоритм созда ния аналитической модели FUZZY - контроллера качества произ водства МЭМС. Подробно рассмотрен базовый технологический маршрут изготовления ММГ, для контроля качества производ ства которых и была создана модель. Выявлены т. н. "критиче ские параметры", на основе сбора и анализа статистических дан ных, полученных непосредственно во время производства изде лий.

Для создания экспериментально-аналитической модели контроллера ка чества производства был выбран базовый технологический маршрут изго товления микромеханического гироскопа (групповой метод). Данный марш рут условно разбит на три этапа. В свою очередь каждый этап состоит из нескольких технологических операций. Для каждой технологической опера ции характерны некоторые критические параметры, выявленные на основе сбора и анализа статистических данных, полученных непосредственно во вре мя производства ММГ. Технологический маршрут с указанием критических параметров.

1. Обработка кремниевой пластины:

- Глубокая диффузия бора в пластины КЭФ;

эффективная глубина p-слоя - 15 мкм. Очень критично, точность 10%, слой 15 мкм ( 1, мкм), = 0,5 мкм.

- Вакуумное магнетронное нанесение алюминия на рабочую поверх ность пластины;

толщина слоя 0,1 мкм. Не очень критично, точность 10% - Формирование слоя фоторезиста и фотолитография. Не очень кри тично, точность 0,5 мкм;

0,1% мкм соответственно.

- Химическое травление алюминия через маску фоторезиста. Не очень критично, уход 1 мкм, зависит от скорости травления.

- Химическое удаление фоторезиста.

- Реактивное ионное травление кремния через маску алюминия в плаз ме элегаза с добавками углеводородных соединений. Очень критич ный параметр, по площади 10-15%, несоблюдение приводит к сниже нию объёма выхода годных изделий.

Проблемы точности при создании машин и приборов 2. Обработка стеклянной пластины:

- Магнитронное вакуумное нанесение маскирующего слоя молибдена на полированные поверхности стеклянных пластин типа "Пирекс".

Не очень критично, толщина слоя - 0,5-0,6 мкм, точность 1 мкм.

- Химическое травление молибдена через маску фоторезиста. Критич ный параметр, уход от скорости травления (зависимость от темпе ратуры) 0,01 мкм, дополнительная составляющая = 0,2 мкм.* - Химическое травление стекла через молибденовую маску. Критич ный параметр, то же что и в п. *,формирование высот выступов.

- Магнетронное вакуумное нанесение алюминия (с добавкой кремния) на обрабатываемую поверхность стекла. Не очень критично, толщи на слоя 1,0 мкм (для приварки контактов), = 10%.

- Нанесение слоя фоторезиста и вторая в блоке операция фотолито графии.

- Химическое травление алюминия через маску фоторезиста.

- Химическое удаление фоторезиста.

- Второе магнитронное вакуумное нанесение алюминия с добавкой кремния. Не очень критичный параметр, толщина слоя - 0,17-0, мкм, = 10%.

- Нанесение слоя фоторезиста и третья в блоке фотолитография.

- Химическое удаление фоторезиста.

3. Cборка:

- Совмещение и электротермокомпрессионная сварка детали 1 и 2, точ ность совмещения. Не очень критичный параметр 5 мкм.

- Удаление балластного кремния (трапециевидное подтравливание).

Очень критично, большая вероятность поломки или деформации из делия (в зависимости от скорости травления).

Для создания контроллера качества производства ММГ, основанного на нечёткой логике, необходимо было найти адекватное математическое описа ние каждого процесса технологического маршрута. Наличие таких техноло гий, как напыление на кремний, фотолитография, травление, микросборка, нарезка, изменяющих качество микромеханического изделия на выходе, од нозначно определило описание данных процессов только через функции рас пределения. Данные функции характерны для каждой из технологических операций, что привело к необходимости использования нечеткой логики для контроля технологических процессов. Наличие погрешностей всегда связано с наличием вероятностных процессов (технологических процессов), которые описываются с помощью законов распределения. В этих целях широко при меняется таблица распределений Йошикавы, представленная в прил. 1.

Таблица распределений, соответствующих наиболее важным операциям данного технологического маршрута приведена в приложении 2.

16 Труды шестой сессии международной научной школы Логическая схема приведена в приложении 3. Три промежуточных кон троллера представляю собой исходные данные для создания основного кон троллера качества технологического маршрута производства ММГ, одновре менно являясь результирующими контроллерами качества всех трёх этапов данного маршрута. Таким образом, мы имеем возможность наблюдать за каждой технологической операцией в отдельности, каждым этапом техно логического маршрута и прогнозировать результат производства в целом.

Процесс создания Fuzzy-контроллера состоит из нескольких блоков:

1. Создание структуры контроллера (определение входных и выход ных переменных, тип системы нечёткого вывода, используемый ме тод фаззификации и т.д.). Для данного контроллера используется система нечёткого вывода Мамдани.

2. Подбор функций распределения/принадлежности для описания каж дого технологического процесса.

3. Остановимся подробней на формировании правил. Согласно схеме формируются правила для четырёх контроллеров - трёх промежу точных и одного итогового. Результаты сведены в таблицы прило жения 4.

В результате реализуется Fuzzy-контроллер визуализирующий, с помо щью программы просмотра правил, результаты нечёткого вывода и позволя ющий получать значения выходных переменных в зависимости от исходного значения входных переменных. Графический интерфейс программы просмот ра правил (приложение 5) даёт возможность оценить значения выходных пе ременных нечёткой модели и влияние каждого из правил на результат нечёт кого вывода посредством изменения значений входных переменных.

Также Fuzzy-контроллер позволяет просматривать поверхность системы нечёткого вывода и визуализировать графики зависимости выходных пере менных от отдельных входных переменных. Графический интерфейс про граммы просмотра поверхности системы нечёткого вывода представлен в при ложении 6.

Последующее использование пакета NNT (нейронные сети) дает возмож ность построения нечеткого регулятора.

Проблемы точности при создании машин и приборов Приложение 1.

Рис. 1. Таблица распределений Йошикавы 18 Труды шестой сессии международной научной школы Приложение 2.

Рис. 2. Таблица распределений, соответствующих наиболее важным операциям данного технологического маршрута.

Проблемы точности при создании машин и приборов Приложение 3.

Рис. 3. Логическая схема создания многоэтапного FAZZY - контроллера.

20 Труды шестой сессии международной научной школы Приложение 4.

Рис. 4. Правила Проблемы точности при создании машин и приборов Приложение 5.

Рис. 5. Окно просмотра правил Рис. 6. Поверохность отклика 22 Труды шестой сессии международной научной школы Литература 1. Пятышев Е.Н., Лурье М.С., Акульшин Ю.Д., Киреева А.А., Усова А.А. Особенности разработки микросистемной техники. -СПб.:

СПбГУ, 2002. 356 с.

2. Дьяконов В. MATLAB: учебный курс. -СПб.:Питер, 2001. 560 с.

3. Дьяконов В.;

Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: специальный справочник. -СПб.: Питер, 2001. 480 с.

4. Леоненков А. Нечёткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH. -СПб.: БХВ Петербург, 2003. - 716 c.

Проблемы точности при создании машин и приборов 4.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УРАВНЕНИЙ АППЕЛЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ РОБОТОВ Брицкий В.Д. (СПбГУ ИТМО) В работе предлагаются матричные преобразования, которые упрощают определение ускорений звеньев и точек манипуляцион ной системы робота. Расчетные уравнения представлены в стан дартной форме теоретической механики. Это позволило для ма нипуляционной системы формализовать расчет параметров диф ференциальных уравнений движения в форме Аппеля.

Введение Роботы широко применяются во всех сферах деятельности человека. Их эффективность и надежность с одной стороны определяется кинематикой зве ньев, а с другой стороны - системой управления. Современные адаптивные системы управления требуют знание функций положения, скоростей, ускоре ний звеньев и точек робота и дифференциальных уравнений движения. Для вывода уравнений движения используются уравнения Лагранжа второго ро да, уравнения Эйлера-Лагранжа, уравнения Аппеля, принцип наименьшего принуждения, кинетостатический метод [1,2]. Настоящая работа посвящена расчету уравнений движения робота в форме Аппеля, используя матричные методы исследования.

Уравнение движенияе Манипуляционная система робота - разомкнутая кинематическая цепь, со стоящая из последовательно соединенных звеньев вращательными или посту пательными кинематическими парами пятого класса. Один конец этой цепи соединен со стойкой, а другой свободен и снабжен схватом (рабочим инстру ментом). Стойке присвоим номер 0, подвижным звеньям номера от 0 до n, начиная от стойки. С каждым звеном жестко свяжем локальную систему координат. Движение звена s относительно звена (s 1) определяется обоб щенной координатой qs и описывается матрицей A(s1)s. Выбор систем ко ординат и составление матриц связи описан в работе [1]. Движение звена s относительно стойки описывается произведением матриц A0s (q1, q2,..., qs ) = A01 (q1 ) · A12 (q2 ) · · · A(s1)s (qs ).

24 Труды шестой сессии международной научной школы Скорости и ускорения Будем считать, что координаты радиуса- вектора точки K звена s в ло кальной системе координат известны, его проекции в неподвижной системе координат rKs = A0s (q1, q2,..., qs )s.

rKs Скорость и ускорение точки s A0s Ks V Ks = rs qi, qi i= s s 2 A0s Ks A0s Ks aKs = rs qi + rs qi qj qi qi qj i=1 j= Используя обратное матричное преобразование rs = A0s (q1,.., qs )Ks, по Ks r лучим (см. п. Свойства матриц связи систем координат) s V Ks = LV,i rKs qi, i= s i aKs = LV,i rKs qi + Ln,i rKs qi qi + LC,ij rKs qi qj i=1 j= A0i Ai0 - матрица аналога скорости, Ln,i = LV,i · LV,i где LV,s (q1,..., qi1 ) = qi L V,i матрица аналога нормального ускорения, LC,ij = qj +LV,i ·LV,ij +LV,j ·LV,i -матрица аналога кориолиссова ускорения. Матрица LV,i имеет следующую L,i V Oi блочную структуру LV,i =, где L,i - матрица аналога угловой 0 скорости.

Угловую скорость звена s представим в скалярной s и векторной Ls формах s s (s )T = |s s s | = T |ix iy iz | qi, i qi = x y z i=1 i= s s 0 s z y s s Ls = = L,i qi = z x s s 0 i= y x s s z 0 y s s s x z = qi s s y x i= Угловое ускорение звена s s i ds i Es = = i qi + qi q j dt qj i=1 j= Проблемы точности при создании машин и приборов Тензор инерции Тензор инерции звена s, как твердого тела, s s s Jxy Jxz Jx Cs s s s Jyx Jyz Jy = s s s s Jzx Jzx Jz относительно осей, проходящих через центр масс и параллельных осям си стемы координат, связанной со звеном, определяется по известным форму лам теоретической механики [2]. Тензор инерции звена относительно осей, проходящих через центр масс и параллельных осям неподвижной системы координат (см. структуру матриц связи систем координат) Cs = H0s Cs Hs0.

s Уравнения Аппеля S Дифференциальные уравнения движения в форме Аппеля = Q для q манипуляционной системы робота представим в виде n Si Fis Qs =, s = 1, 2,..., n qs i=s Энергия ускорения звена i робота как твердого тела в матричной форме 1 1 mi (Ci )T aCi + (E i )T Ci E i + (E i )T Li Ci i Si = a 2 Здесь Qs - обобщенная исполнительная сила, приложенная к звену s со сто роны звена (s 1), Fis - составляющая обобщенной силы от внешних сил, действующих на звено i, mi - масса звена, Ci - тензор инерции звена, aCi -ускорение центра масс звена, i - угловая скорость звена, E i - угловое ускоре ние звена. Все параметры задаются в неподвижной системе координат, свя занной со стойкой. Частная производная энергии ускорения Si = mi (LV,s rCi )T aCi + ( s )T Ci E i + ( s )T Li Ci i qs Внешние силы и моменты сил, действующие на звено i, заменяются глав ным вектором сил F i и главным моментом сил M i, приведенные к выбранной точке Ki. Составляющая обобщенной силы от данных сил Fis = (LV,s rKi )T F i + ( s )T M i При кинематическом исследовании рекомендуется вычислить следующие векторные произведения |(LV,s rCi )T aCi | и |( s )T Li |, при расчете тензора инерции звена - вектора |Ci E i | и |Ci i |, (i = s, (s + 1),..., n);

s = 1, 2,..., n).

26 Труды шестой сессии международной научной школы Свойства матриц связи систем координат Две системы координат Si и Sj связаны прямой и обратной матрицами Aij и Aji, которые зависят от n обобщенных координат q1, q2,.., qn. Данные матрицы имеют следующую блочную структуру:

Oi Hij Ri Aij =, 0 матрица Hij описывает относительный поворот систем координат, а матрица Oi Ri - перемещение. Произведение матриц Aij и Aji равно единичной матрице Aij · Aji = Aji · Aij = I, продифференцируем его по произвольной обобщенной координате Aij Aji Aji + Aij = qk qk A A Введем обозначение Li ij ji V,k = qk Aji = Aij qk, данную матрицу также продифференцируем по произвольной обобщенной координате Li 2 Aij Aij Aji V,k = Aji + qm qk qm qm qk Со вторым слагаемым произведем следующие преобразования Aij Aji Aij Aji Aij Aji = Li Li ·I · (Aji · Aij ) = = V,m V,k qm qk qm qk qm qk и тогда Li 2 Aij V,k + Li Li.

Aji = V,m V,k qk qm qm Действия с матрицами Однородные координаты радиус-вектора точки r и вектора V в матричной форме имеют вид ()T = |x y z 1|, (V )T = |Vx Vy Vz 0|.

r Векторные произведения: скалярное c = a · V, векторное V = r, смешанное f = [,, r]- представим в следующих матричных формах e c = aT · V = V T · a z 0 y V = L · r x z L = f = [T L r] y x e Проблемы точности при создании машин и приборов Пример расчета (взят из работы [1]). Робот состоит из двух звеньев (см. рис), звено 1 вра щается относительно стойки, а звено 2 поступательно перемещается относи тельно звена 1. Введем системы координат: неподвижную O, x, y, z, связанную со стойкой, O1, x1, y1, z1, связанную со звеном 1, и O2, x2, y2, z2, связанную со звеном 2. Точка O2 совмещена с центом масс C2 звена 2. Обобщенная коорди ната 1 определяют угол поворота звена 1, координата S2 - поступательное перемещение звена 2.

Прямые и обратные матрицы связи систем координат sin cos 1 0 0 cos 1 sin 1 0 sin sin 1 cos 1 0 0 cos 1 0 A01 =, A10 =, 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 S 1 0 0 S2 1 0 a 0 1 0 a 0 1 A12 =, A21 =, 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 Рис. 1. Кинематическая схема робота Матрицы аналога скорости 0 0 1 0 0 (A01 A12 ) A02 A LV,1 = A20 = (A21 A10 ) = A10 =, 1 1 1 0 0 0 0 0 0 (A01 A12 ) A LV,2 = A20 = (A21 A10 ) = S2 S 28 Труды шестой сессии международной научной школы 0 0 0 cos 1 0 0 0 0 sin 1 0 A01 A12 A21 A = =, 1 = 2 = S2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 Матрицы аналога ускорений 1 0 0 0 0 Ln,1 = LV,1 LV,1 =, 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Ln,2 = LV,2 LV,2 =, 0 0 0 0 0 0 2 sin 0 0 0 0 0 2 cos L LC21 = + LV,2 LV,1 + LV,1 LV,2 = 1 0 0 0 0 0 0 Угловые скорости и ускорения (1 )T = (2 )T = ( 1 1 )T = |0 0 1|1, E 1 = E 2 = 1 1, 0 1 0 L1 = L2 = L,1 1 = 0 0 Скорости и ускорения точек. Координаты центра масс звеньев в локаль ных и неподвижной системах координат (1 )T = |0 e 0 1 |, rC1 (C1 )T = (A01 r1 )T = |0 e sin 1 e cos 1 0 1 | C r (1 )T = |0 0 0 1 |, rC2 (C2 )T = (A01 A12 r2 )T = |B C 0 1 | C r B = (S2 cos 1 a sin 1 ), C = (S2 sin 1 + a cos 1 ) Скорость и ускорение центров масс C1 и C2 звеньев e cos e sin V C1 = LV,1 rC1 1 = 1, Проблемы точности при создании машин и приборов e cos 1 e sin LV,1 rC1 1 + e sin 1 e cos C a = = 1 + 1 +Ln,1 rC1 1 1 0 0 C cos LV,1 rC2 1 + B sin V C2 = = 1 + S +LV,2 rC2 S2 0 0 aC2 = LV,1 rC2 1 + Ln,1 rC2 1 1 + LV,2 rC2 S2 + +Ln,2 rC2 S2 S2 + LC,21 rC2 S2 1 = C B cos C B sin 1 = 1 + 1 1 + S2 + 0 0 0 0 2 sin 0 2 cos + S2 S2 + S2 0 0 Векторные произведения (LV,1 rC1 )T aC1 = e2 1, (LV,1 rC2 )T aC2 = (S2 + a2 )1 aS2 + 2S2 S2 1, (LV,1 rC2 )T aC2 = (a1 S2 1 1 + S2 ), T T T ( 1 L1 ) = ( 1 L2 ) = ( 2 L1 ) = 0, T T ( 1 H01 ) = ( 1 H01 H12 ) = [0 0 1 ] T ( 2 H01 H12 ) = [0 0 0 ], (H10 E 1 )T = (H21 H10 E 1 )T = [0 0 1 ]1.

Тензоры инерции звеньев в локальных системах координат Jxy Jx1 0 Jx2 0 C1 = C2 = Jxy1 Jyz Jy1 0 Jy2,.

1 Jyz 0 Jz1 0 0 Jz 30 Труды шестой сессии международной научной школы Матричные преобразования ( 1 H01 )C1 (H10 E 1 ) = Jz1 1, T ( 1 H01 H12 )C2 (H21 H10 E 1 ) = Jz2 1, T ( 1 L1 H01 )1 (H10 ) = ( 1 L1 H01 H12 )2 (H21 H10 1 ) = 0.

T C1 1 T C Составляющие обобщенных сил. На звенья действуют только силы тяже сти, приложенные в центрах масс (G1 )T = m1 g[0 1 0 ], (G2 )T = m2 g[0 1 0 ].

Составляющие обобщенной силы от данных сил F11 = (G1 )T (LV,1 rC1 ) = m1 ge sin 1, F21 = (G2 )T (LV,1 rC2 ) = m2 gB, 2 )T (LV,2 rC2 ) = m2 g sin 1, F22 = (G Дифференциальные уравнения движения звеньев робота S1 S = (Jz1 + m1 e2 + Jz2 + m2 (S2 + a2 )) F11 F Q1 = + m2 aS2 + 2m2 S2 S2 1 m1 ge sin 1 + m2 g(S2 cos 1 a sin 1 ).

S2 F22 = m2 (S2 a1 S2 1 1.) + m2 g sin Q2 = S Заключение 1. Предложенные матричные преобразования упростили определение ускорений звеньев и точек манипуляционной системы робота.

2. Для манипуляционной системы робота процесс расчета дифферен циального уравнения движения в форме Аппеля формализован.

3. Дифференциальные уравнения движения позволяют оценить дина мические ошибки и повысить точность функционирования систем управления.

Литература 1. Коловский М.З., Слоущ А.В. Основы динамики промышленных роботов. - М., Наука, 1988.

2. Лурье А.И. Аналитическая механика. - М., Физматгиз, 1961.

Проблемы точности при создании машин и приборов 4.4. ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА СИЛЬФОННЫХ УЧЭ Ткалич В.Л., Рыбакова Н.А. (СПбГУ ИТМО) Для решения проблемы управления качеством сильфонных УЧЭ разработаны количественные оценки многофакторной функ ции качества. Выведен ряд комплексных критериев оценки ка чества при статическом и динамическом режимах эксплуатации сильфонных УЧЭ. В качестве управляющих функций в матема тических моделях оптимального управления качеством производ ства сильфонных УЧЭ могут являться критерии трех типов: мет рологический (погрешность), эксплуатационно-метрологический (надежность) и общий критерий (стоимость). Разработана и про шла промышленную апробацию оригинальная методика, позво ляющая осуществлять комплексную оценку технического уровня УЧЭ сильфонного типа, предусматривающая последовательное выполнение восьми этапов. При оценке надежности сильфонных УЧЭ использованы расчеты в среде проектирования Solid Works.

Основой построения систем управления, как известно, являются первич ные измерительные приборы, датчики, и исполнительные механизмы, управ ляемые системой по заданному алгоритму. Характеристики систем управ ления в значительной степени определяются первичными измерительными приборами, формирующими сигналы обратной связи. Тонкостенные упругие чувствительные элементы (УЧЭ) - сильфоны, воспринимающие измеряемую величину, являются одним из элементов таких первичных датчиков систем автоматического управления.

Рост требований к датчикам, в первую очередь, к их метрологическим характеристикам и показателям надежности, делает актуальной проблему повышения качества сильфонных упругих элементов. При разрушении силь фонных УЧЭ или выходе их рабочих характеристик за пределы допускаемых значений нормальная работа датчика, а следовательно и всей измеритель ной системы становиться невозможной. Из этого можно сделать вывод, что вопросам повышения качества и надежности УЧЭ измерительных приборов необходимо уделять большое внимание.

Решение проблемы управления качеством сильфонных УЧЭ необходимо начинать с разработки количественных оценок многофакторной функции ка чества, т.е. таких числовых показателей, которые способны служить базой в создаваемой модели управления. Теоретической основой по вопросам квали метрии может служить работа [1].

Оценка качества промышленных изделий производится по многим пока зателям (восемь групп показателей), из которых основным является надеж ность.

Понятием качества определяется совокупность свойств, включающих в себя применяемость и моральную долговечность, статические и динамические 32 Труды шестой сессии международной научной школы свойства, а также надежность.

Применяемость и моральная долговечность включают в себя ретроспек тивную и перспективную составляющие. Ретроспективная составляющая ха рактеризуется удельным весом в выпуске в прошлом и в настоящее время, перспективная - перспективным прогнозом на базе открытий и научных ис следований и перспективным планированием на базе функций спроса. Коли чественно факторы применяемости и долговечности выразить не представ ляется возможным.

Статические свойства включают в себя точность и прочность сильфонных УЧЭ. Первое понятие объединяет разрешающую способность (чувствитель ность) УЧЭ и его упруго-пластические несовершенства (нелинейность, гисте резис, и т.д.). Второе - статическую и циклическую прочность. Этот фактор можно выразить количественно.

Динамические свойства и параметры надежности УЧЭ включают в себя безотказность и долговечность работы в статических и динамических услови ях. Критерием в данном случае могут служить показатели надежности (на работка на отказ и интенсивность отказов), оцениваемые соответственно по статической и динамической погрешностям. Надежность зависит в основном от технологии изготовления и условий эксплуатации сильфонных УЧЭ [3].

При переходе от статики к динамике показатели динамической эффек тивности УЧЭ будут являться функциями собственной частоты исследуемого элемента [2,5].

Таким образом, в роли управляющих функций в математических моделях оптимального управления качеством производства сильфонных УЧЭ можно использовать критерии трех типов [1]:

- метрологический (энергетический) критерий, который учитывает весь комплекс метрологических свойств изделия (он служит для оценки качества изделия, предназначенного для работы а нормаль ных условиях);

- эксплуатационно-метрологический критерий, который учитывает на ряду с метрологией влияние на измеритель динамических факторов и условий эксплуатации, отличных от нормальных (он служит для оценки качества изделия, предназначенного для работы в жестких условиях эксплуатации;

возможен также учет дополнительных тре бований по микроминиатюризации изделия);

- общий критерий, который наряду с метрологией и условиями экс плуатации учитывает его технологические и экономические харак теристики (он служит для общей оценки качества изделия).

Управляющими факторами являются: в первом случае - точность (по грешность), во втором - надежность, в третьем - стоимость (при оптимальной точности и надежности).

Творческим научным коллективом СПбГУ ИТМО разработана и прошла промышленную апробацию методика, позволяющая осуществлять комплекс Проблемы точности при создании машин и приборов ную оценку технического уровня УЧЭ сильфонного типа. В ее основу по ложены принципы решения подобных задач, регламентированные соответ ствующими стандартами для промышленного производства отдельных ви дов амортизирующих конструкций. Применительно к оценке уровня качества сильфонных УЧЭ исходные методические предпосылки могут быть сформу лированы следующим образом.

Оценка уровня качества предполагает сравнение количественных значе ний показателей качества рассматриваемого типа сильфонных УЧЭ, опре деленных экспериментальным, расчетным или экспертным методом и значе ний аналогичных показателей базового (эталонного) образца, причем за меру сравнения может приниматься абсолютная разность или отношение значений показателей, выраженное в процентах к показателю базового образца, при нимаемого за 100%.

За базовый образец может быть принято существующее конкретное из делие - аналог, выпускаемое отечественным или зарубежным предприятием, либо проектируемое, если для него установлены нормативно-технической до кументацией численные значения соответствующих показателей.

Предлагаемой методикой предусматривается последовательное выполне ние следующих этапов [6]:

- выбор номенклатуры показателей качества;

- определение коэффициентов весомости показателей качества;

- определение абсолютных значений показателей качества;

- выбор базовых образцов;

- определение относительных значений единичных показателей каче ства;

- определение групповых комплексных показателей качества;

- определение обобщенного показателя качества;

- присвоение категории качества УЧЭ.

Предварительный перечень показателей качества сильфонных упругих элементов (СУЭ), составленный в результате анализа нормативно-технической документации и предложений ряда ведущих специалистов отрасли, был впо следствии уточнен методом экспертного опроса. При этом, в частности, были признаны несущественными для уровня качества СУ и исключены из перечня патентно-правовые, эргономические и эстетические показатели. Окончатель ная номенклатура приведена в таблице 1.

34 Труды шестой сессии международной научной школы Таблица1. Коэф-ты весомости групповых показ-лей качества СУЭ №группы Наименование групп показ-лей показателей качества Коэфф. весомости 1 Показатели назначения 5. 2 Надежность 2. 3 Технологичность 1. 4 Стандартизация и унификация 1. 5 Экономичность 1. Показатели назначения, как правило, играют основную роль при оцен ке уровня качества изделий приборостроения, поэтому выбор номенклатуры и количественных характеристик этих показателей является важнейшей ча стью проектирования и аттестации технического уровня изделий. Определе ние номенклатуры показателей назначения состоит в рассмотрении техни ческих параметров и отделении классификационных показателей от показа телей качества. Под классификационными параметрами понимают количе ственные характеристики, по которым производится подбор аналогов, они являются косвенными показателями технического уровня изделия и при со поставлении с базовым образцом их относительные оценки не вычисляют ся. Классификационными параметрами и признаками СУЭ могут служить статическая нагрузка, жесткости, рабочая среда и ее параметры, условные проходы.

Основными исходными данными для прогнозирования надежности СУЭ являются расчеты максимальных напряжений, критического давления и соб ственных частот колебаний.

В данной статье приводится расчет напряженно-деформированного состо яния СУЭ, выполненный в программном комплексе COSMOS/ DesignStar 4. американской фирмы Structural Research & Analysis Corp, входящем в единую систему инженерных CAD/CAM/PDM приложений SolidWorks [6].

Для расчета в COSMOS/DesignStar 4.0 был выбран однослойный измери тельный СУЭ с геометрическими параметрами, заданными по ГОСТ 21482 76, с внешним радиусом 38 мм, общей длиной 60,5 мм, числом гофров штук и толщиной стенки 0,2 мм из бериллиевой бронзы БрБ2. На рисунке 1 представлена конечно-элементная модель при заделке одного торца СУЭ и свободном втором торце. Тип конечных элементов - ободочечные шестиузло вые треугольной формы. Количество элементов - 11502, количество узлов 23076. На рисунке 2 представлен результат расчета эквивалентных напряже ний, а на рисунке 3 - деформаций при действии на СУЭ осевой сжимающей силы 150Н.

Из приведенных расчетов, показанных на рисунке 2 следует, что величина напряжений изменяется периодически и максимальные напряжения возника ют в вершинах и впадинах гофров.

На рисунке 4 представлена первая форма собственных частот колебаний СУЭ. В таблице 2 представлен результат расчета собственных частот и форм Проблемы точности при создании машин и приборов колебаний, с использованием метода Ланцоша.

Рис. 1. Общий вид конечно-элементной модели СУЭ Рис. 2. Распределение деформаций СУЭ при действии осевой силы Таблица 2. Результат расчета собственных частот колебаний СУЭ №формы Частота, рад/сек Частота, Гц Период, сек.

1 257.85 41.038 0. 2 258.23 41.099 0. 3 299.20 47.619 0. 4 746.20 118.76 0. 5 747.59 118.98 0. 36 Труды шестой сессии международной научной школы Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений СУЭ при действии осевой силы Рис. 4. Определение собственных частот колебаний СУЭ На рисунке 5 представлена первая форма потери устойчивости при дав лении 1 атм = 0,1013 МПа. В таблице 2 представлен расчет форм потери устойчивости и давлений, при которых наступает потеря устойчивости.


Таблица 3. Расчет форм и давлений потери устойчивости №формы Коэффициент Давление потери устойчивости, МПа 1 -3.9374 -0. 2 0.28313 0. 3 0.28519 0. 4 2.6523 0. 5 2.695 0. Проблемы точности при создании машин и приборов Рис. 5. Форма потери устойчивости СУЭ Исследование поведения СУЭ в составе первичных датчиков систем управления в COSMOS/DesignStar 4.0 представляется наиболее перспектив ным направлением, так как не требует затрат на изготовление образцов для проверки их работоспособности, и позволяет уже на стадии проектирования выбрать наиболее оптимальный режим эксплуатации СУЭ.

Таким образом, параметры надежности сильфонов включают в себя без отказность и долговечность работы в статических и динамических условиях.

При переходе от статики к динамике показатели динамической надежности СУЭ будут являться функциями собственной частоты исследуемого элемен та. Для сильфонов применительно к современному состоянию производства и эксплуатации, надежность будем связывать в основном с их циклической прочностью.

38 Труды шестой сессии международной научной школы Литература 1. Ткалич В.Л., Иванов В.А., Марусина М.Я. Прикладная метро логия. //Учебное пособие. -СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002.

2. Ткалич В.Л. Принципы построения, анализ и математическое модели рование упругих чувствительных элементов систем управления. //Со временные технологии: Сборник научных статей / Под ред. проф. С.А.

Козлова. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - с.79-96.

3. Рыбакова Н.А. Моделирование сильфонов // Современные техноло гии: Сборник научных статей / Под ред. проф. С.А. Козлова. - СПб:

СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - с.312-319.

4. Ткалич В.Л. Анализ динамики упругих чувствительных элементов.

//Материалы 5 сессии Международной научной школы "Фундамен тальные прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем"/ Под ред. д.т.н., проф. В.П. Булатова и д.т.н., проф.

Л.В. Ефремова - СПб: СПб ИПМаш РАН, 2002. - с. 121-124.

5. Ткалич В.Л., Рыбакова Н.А., Гвоздев С.С. Определение коэффи циентов матрицы масс нелинейного уравнения динамики сильфонных элементов датчиков. // Датчики и системы. Ноябрь 2000. - № 10 (18). с. 26-28.

6. Рыбакова Н.А. Моделирование и исследование напряженно - дефор мированного состояния сильфонных упругих элементов систем управ ления // Автореферат кандидатской диссертации. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003.

Проблемы точности при создании машин и приборов 4.5. СООТНОШЕНИЕ СИЛ ТРЕНИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИЯХ ИЗГИБА Исмаилов Г.М., Соханёв Б.В. (ТГПУ), Сапожков М.А. (СПбГУ ИТМО) Известно, что гибкие кабели при эксплуатации подвергаются циклическим деформациям. При этом работоспособность и надежность гибкого кабеля во многом зависит от механических характеристик таких как минимальный ра диус изгиба, влияния кинематических условий на механические параметры и от износа элементов кабелей. Методы определения механических характери стик обусловлены характером нагрузок, которые испытывают при эксплуата ции. Разработаны устройства для испытания кабелей при различных видах деформации, которые имитируют условия нагружения в процессе работы.

кабеля. На этих устройствах были определены механические характеристики гибких кабелей на стадии проектирования.

Авторами было разработано, устройство, позволяющие оценить жестко сти при изгибе и кручении. Схемы нагружения образцов приведены на ри сунке 1. Для чистого изгиба - эта схема однопролетной двухопорной балки с равными сосредоточенными моментами в концевых опорных ее сечениях (рис.1а). Для деформации кручения - эта схема однопролетной балки, за щемленный одним концом и сосредоточенном крутящим моментом на другом (рис.1б).

Достоинства способа загружения по схеме чистого изгиба заключается в сохранении условий чистого изгиба при значительных поворотах концевых сечений, что очень важно для гибких кабелей. Кроме того, в этом случае ре гистрация деформации изгиба может осуществляться не только поворотом концевых сечений, но по изменению кривизны образца между опорными точ ками, что в значительной мере ослабляется влияние эффекта обжатия.

На этом приборе строится диаграмма М- : момент - угол поворота попе речного сечения (рис.2). Для первоначальных оценок пренебрегают гистере зисным характером диаграмм, а слабая нелинейность позволяет осуществить линейную аппроксимацию зависимости М-.

Получаем жесткость при изгибе EI = M l/2 (1) Жесткость при кручении GI = l(M/) (2) где l - длине образца, M -момент прикладываемый к образцу, -угол поворота сечения.

40 Труды шестой сессии международной научной школы Определен спектр жесткостей кабеля: изгибные жесткости, крутильные жесткости, продольная жесткость и сдвиговые жесткости. По величине жест костных характеристик гибкие кабели оказываются в промежуточном поло жении между жесткими материалами типа металлов, композитных материа лов и жестких пластмасс и гибкими материалами типа резин и полимерных материалов.

В настоящее время отсутствует теоретическая зависимость между инте гральной жесткостью кабеля и жесткостью его отдельных его элементов. Од нако полученные жесткости экспериментальным путем позволяют оценить работу при деформациях изгиба.

Из закона сохранения энергии при деформациях упругих систем.

Up = U = Ap (3) где U -потенциальная энергия деформации, (Up ) - уменьшение потенциальной энергии внешних нагрузок, (Ap ) - работа внешних нагрузок;

Работа внешних нагрузок Ap = M (4) Для некоторых типов кабелей в Таблице 1. приведены работа сил дефор мации изгиба при изменении угла Таблица 1.

Экпериментальный Экпериментальный Кабель КПГС 3x4 кабель прямоугольного круглый кабель сечения 20x35mm, M, A,, M, A,, M, A, рад Нм Нм рад Нм Нм рад Нм Нм 0,07 0,18 0,006 0,07 0,05 0,002 0,07 0,07 0, 0,14 0,30 0,021 0,14 0,07 0,005 0,14 0,042 0, 0,21 0,38 0,040 0,21 0,12 0,013 0,21 0,071 0, 0,28 0,48 0,070 0,28 0,15 0,021 0,28 1,06 0, 0,35 0,55 0,090 0,35 0,18 0,032 0,35 1,34 0, 0,42 0,65 1,140 0,21 0,044 0,42 1,61 0, 0,79 0,72 0,180 0,049 2,032 0, 0,56 0,78 0, Анализ причин отказа привели к необходимости определения критерий работоспособности гибкого кабеля. Классифицированы основные механизмы разрушения, которые дают теоретические предпосылки к исследованию того или иного вида отказа. Описанные механизмы разрушения содержат условия реализации механизмов, характер их развития и конечного результата, а так же параметры конструкции гибкого кабеля и режимы деформации, которые в первую очередь должны присутствовать в критериях работоспособности.

Проблемы точности при создании машин и приборов Созданная геометрическая теория сдвигов дала импульс развития меха ники гибкого кабеля. Этой теорией доказано, что процессы происходящие при различных видах деформации тесно связаны с геометрическими параметрами и внешними нагрузками. Впервые теоретически была выведена формула для определения работы сил трения отдельных элементов кабельной конструк ции(4).

Сложность использования этой формулы заключается в том, что труд но определить площадь контакта элементов и касательные напряжения. Тем не менее формула связывает параметры деформации деформации изгиба и циклического износа кабеля.

До сих пор не определено соотношение работ сил трения и изгиба кабеля.

Работа сил трения была определена трибологических пар кабеля эксперимен тальным путем( 5). Численные значения работ сил трения для гибких кабелей приведены в Таблице 2. В среднем работа сил трения составляет от 15 до % общей работы деформации кабеля.

Таблица 2.

Нагрузка, Н Работа сил трения А 10 Дж КПГВ 5x6 КПГВ 5x 1,3 27,2 10, 1,7 27,2 14, 2,3 29,2 22, 2,9 34,8 23, 2,5 36,5 29, 4,1 30,6 27, 4,6 27,2 27, 5,2 25,2 30, 5,8 28,6 40, Анализ полученных данных показывает, что чем меньше коэффициент трения, тем меньшая работа тратиться на деформацию изгиба кабеля. С уве личением сжимающих усилий также уменьшается процентное соотношение работ, так как при этом происходит упрочнение полимерной изоляции эле ментов кабеля т.е. снижается коэффициент трения (5).

В настоящее время происходит более интенсивное развитие теоретической и экспериментальной базы для определения критерий работоспособности и влияния механических и эксплуатационных параметров на надежность кабе ля.

42 Труды шестой сессии международной научной школы Рис. 1. Варианты схем загружения образцов кабеля:

a) Изгиб встречными моментами;

б) Изгиб сонаправленными моментами;

в) кручение.

Рис. 2. Экспериментальные зависимости M.

Литература 1. Мусалимов В. М., Соханёв Б. В., Мокряк С. Я. Элементы меха ники кабельных конструкций. -Томск.: Издательство ТГУ, 1981.

2. Мусалимов В. М., Соханёв Б. В. Механические испытания гибких кабелей. -Томск.: Издательство ТГУ, 1984.

3. Шиянов В. Д. Методика и устройства оценки договечности гибких кабелей. Автореф. дис. канд. техн. наук. -Томск. 1987. 16 с.

4. Соханёв М.Б. Относительные сдвиги элемнетов конструкции гибких кабелей и методика ускоренной оценки их работоспособноти на шаговых образцах. Автореф. дис. канд. техн. наук. -Томск., 1987. 18 с.

5. Исмаилов Г. М. Исследования циклического износа элементов кабель ных конструкций. Автореф. дис. канд. наук. -Томск., 1993. 21 с.

Проблемы точности при создании машин и приборов 4.6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МОНТАЖА МИНИАТЮРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Бахматов К.В., Грязин Д.Г. (СПбГУ ИТМО) Поднимается проблема автоматизации одной из самых слож ных операций при сборке светодиодов.


В последнее время повысился интерес к созданию светосигнальных прибо ров на основе светодиодов с увеличенным световым потоком. Видимые свето диоды являются важной частью устройств таких как: информационные пане ли, цветные индикаторы, профильные шкалы, системы сигнализации, свето форы для регулировки движения. Планируется использовать их для обозна чения вертолетных посадочных площадок, оградительных огней на высоких зданиях, створных огней в навигационных системах водных путей, а также в медицинском оборудовании.

Применение этих приборов в светосигнальной и радиотехнической аппа ратуре позволит повысить ее надежность и долговечность, вибро - и ударо прочность, а также снизить потребление электроэнергии.

В связи с возросшим спросом на светоизлучающие диоды (СИД) с уве личенным световым потоком появилась необходимость автоматизации про изводственного процесса. Автоматизация технологического процесса сборки СИД должна значительно увеличить скорость сборки и в то же время каче ство изготавливаемых полупроводниковых приборов. Как правило, светодиод (рис.1) состоит из ножки-корпуса, кристалла, выводов для подведения потен циала к кристаллу, и линзы, которой закрывается кристалл.

Одной из самых сложных операций при сборке светодиода является мон таж кристалла на ножку. Сложность этой операции обусловлена малыми раз мерами кристалла 0,3х0,3 мм и необходимостью его припаивания или при клейки. Особенностью автоматизации этого процесса является то, что за хват кристалла производится из тары, которая представляет собой липкую поливинилхлоридную плёнку, на которой наклеены указанные кристаллы.

Очевидно, что в автоматизированном процессе, функция человека-оператора должна быть сведена к минимуму и, желательно ограничить её управлением манипулятором. Человек-оператор, визуально наблюдая по монитору переме щение манипулятора с вакуумным пинцетом, должен навести его на кристалл.

Затем, нажатием на кнопку дать команду на автоматический захват кристал ла вакуумным пинцетом и дальнейший перенос его для монтажа в ножку светодиода. Подобные установки существуют в полупроводниковой промыш ленности, однако не обеспечивают захват кристаллов с линейными размерами 0,3х0,3 мм. Это связано с тем, что вакуум, который создаётся в трубке за хвата, может обеспечить очень незначительную силу, которой недостаточно для отрыва кристалла от липкого носителя. В некоторых установках, напри мер "Зонд-А5"для этой цели используется подколка кристалла, аналогичный 44 Труды шестой сессии международной научной школы стенд, изготавливаемый КБТМ г.Минск представлен на рис.2. Однако такие установки предназначены для монтажа кристаллов с площадью более 0.3х0.3, кроме того, при подъёме кристалла он может размещаться на острие иглы перекосом. Таким образом, задача создания установки автоматизированной сборки светодиодов сводится к проектированию узла захвата кристаллов с липкого носителя. Остальные детали установки могут быть заимствованы из других изделий или спроектированы на основе известных технических реше ний. Одним из возможных путей уменьшения адгезии при захвате кристалла является подогрев липкого носителя. Для проверки указанной гипотезы были произведены лабораторные исследования, которые включали в себя опреде ление силы адгезии в зависимости от температуры и площади кристаллов, установленных на липком носителе. Как правило, в качестве липкого носи теля или как её называют ленты - спутник используется лента ЛС-А1 ТУ 6365-01-00205133-97, которая представляет собой поливинилхлоридную плён ку с односторонним липким покрытием.

На первом этапе исследований производилось экспериментальное опре деление значение силы, удерживающей кристалл на носителе. Эксперимент проводился с кристаллами, имеющими характерные размеры для светоизлу чающих диодов с повышенной мощностью светового потока. Размеры кри сталла: 0.3х0.3 мм. Целью данного эксперимента было получить численное значение величины силы отрыва кристалла от носителя, направленной по нормали к кристаллу. Кристаллы, расположенные на носителе, по одному закреплялись тонкой проволокой к граммометру, с помощью которого к кри сталлу подводилась указанная сила, направленная по нормали. Поверхность кристалла заливалась клеем для обеспечения достаточной прочности полу проводниковой структуры и надежности крепления проволоки к кристаллу рис.3. Значения силы Fn, полученное в момент отрыва кристалла от носителя, и является значением силы, обусловленной адгезией лены-спутника. Среднее значение силы F n, полученное при комнатной температуре после ряда изме рений составляет 2,33 гр.

Анализ полученных результатов показал, что значение силы, которую необходимо приложить к кристаллу для его отрыва существенно больше, чем может обеспечить вакуумный пинцет. Элементарный расчёт показывает, что вакуумный пинцет имея площадь контакта с кристаллом S = 0, 0707mm может обеспечить силу отрыва F n не более 0, 73 грамма.

На втором этапе работы были произведены исследования с целью опреде ления зависимости силы адгезии от температуры. Для этого использовался нагревательный стол с датчиком температуры, на который устанавливались лента-спутник с размещёнными на ней кристаллами.

Следует отметить, что повышение температуры возможно лишь до опре делённых пределов т.к. в технических условиях на ленту - спутник указано, что при температуре более 150 происходит разложение полимеров, из кото рых изготовлена эта лента. В связи с этим нагрев указанной ленты-спутника, производился в диапазоне от 22 до 70 измерения нормальной силы выпол Проблемы точности при создании машин и приборов нялись аналогично исследованиям, приведённым ранее. На рис.4 представлен график зависимости силы отрыва Fn от температуры T, построенный по ре зультатам этих экспериментов.

Анализируя полученные результаты видно, что при увеличении темпе ратуры от 22 до 50 сила адгезии, удерживающая кристалл на ленте спутнике уменьшилась примерно в два раза. Кроме того, при осмотре по верхности опытного кристалла не было обнаружено остатков липкого слоя, которые могли бы помешать при дальнейших технологических операциях.

Отметим, что при температуре 70 было получено значение нормальной силы F n удерживающей кристалл на носителе, которое на порядок меньше, чем значение силы, полученное при комнатной температуре. В этом случае на кристаллах также отсутствовали следы липкого носителя.

На последнем этапе работы производилось исследование изменения силы адгезии в зависимости от площади кристалла. Указанные исследования необ ходимы в случае использования кристаллов с геометрическими размерами отличными от приведённых ранее.

Исследования производились с использованием полупроводниковых пла стинок с различной площадью. Опытным путем было получено значение нор мальной силы отрыва F n при комнатной температуре, при температуре и 70 Полученные значения приводятся на рис.5, где отображены зависимо сти F n(T ) для каждой из пластин.

На основе результатов выполненных исследований можно сделать следу ющие выводы:

1. Построение стенда автоматизированной сборки на базе узлов произ водящих только подколку кристаллов при их монтаже не целесооб разно.

2. Сила адгезии между кристаллами и липким слоем ленты - спутника существенно зависит от температуры подогрева и площади кристал ла. При температуре нагрева до 70 она может быть уменьшена на порядок 3. Технология захвата кристаллов размером 0,3х0,3 мм. должна вклю чать как элемент подколки, так и элемент нагрева ленты - спутника.

4. Анализ особенностей работы вакуумного пинцета показывает, что подобная технология может быть использована для кристаллов с площадью не более 3,303 мм2.

В результате предложенных выводов следует, что целесообразно созда ние экспериментального узла по монтажу кристаллов в ножку светодиода с применением исследованной технологии.

46 Труды шестой сессии международной научной школы Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Проблемы точности при создании машин и приборов Рис. 4.

Рис. 5.

48 Труды шестой сессии международной научной школы 4.7. ДЕМПФИРОВАНИЕ В КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ Мурашев В.А. (СПбГУ ИТМО) В статье рассматриваются вопросы жидкостного демпфиро вания механической колебательной системы. При использовании таких демпферов сила сопротивления в большинстве случаев не пропорциональна первой степени скорости, в результате чего, как показали приведенные в статье лабораторные исследования, вместо одной имеем семейство амплитудно-частотных характери стик. В статье приводятся формулы для расчета демпферов с ис пользованием пористых материалов и результаты эксперимента для одной из конструкций таких демпферов.

Рассматривается возможность получения линейной зависимости силы от скорости в конструкции жидкостного демпфера с пористым материалом.

Целью работы является разработка методики расчета жидкостных демп феров с пористыми материалами и эксперементальные исследования обыч ных демпферов поршневого типа.

Движение системы с одной степенью свободы принято описывать линей ным дифференциальным уравнением второго порядка:

m + bx + cx = m x y (1) где x - перемещение массы m, y - перемещение основания, b - коэффициент вязкой силы сопротивления, c - жесткость упругого элемента.

Наиболее широко используются вязкостные демпферы трёх типов: элек тромагнитные, воздушные и жидкостные. В электромагнитных демпферах демпфирующая сила всегда пропорциональна первой степени скорости, что соответствует уравнению (1). Однако получение требуемого коэффициента демпфирования (обычно 0,6-0,7) зачастую связано с увеличением массы и габаритов демпфирующего устройства.

Жидкостные демпферы получили широкое распространение [1] благодаря тому, что:

1. Легко добиться требуемого коэффициента демпфирования при от носительно небольших габаритах устройства.

2. Подбором жидкости соответствующей вязкости можно, не меняя конструкции демпфера, получать требуемые значения коэффициен тов демпфирования.

3. Выталкивающая сила может быть использована для разгружения направляющих.

Однако, как показала практика, в большинстве случаев использования жидкостных демпферов сила сопротивления не пропорциональна первой сте пени скорости [2] и уравнение (1) принимает вид:

m + b x + cx = m, b = f (x) x y (2) Проблемы точности при создании машин и приборов Уравнение (2) нелинейно, в результате его решения получим семейство амплитудно-частотных характеристик для различных амплитуд колебания основания.

Амплитудно-частотные характеристики системы с жидкостным демпфе ром поршневого типа представлены на рис. 1 графиками 1 (Adin - динами ческая амплитуда, st - статическая амплитуда, fb - частота вынуждающей си лы, f0 - частота собственных колебаний.). Здесь же изображена расчетная амплитудно-частотная характеристика линейной системы с коэффициентом демпфирования, равным 0,7 (кривая 2).

Рис. 1.

Воздушные демпферы отличаются от жидкостных лишь тем, что газ необ ходимо рассматривать как сжимаемую жидкость, т.е. учитывать упругие свойства, т. к. при перемене направления движения демпфер работает как пружина.

Как показали исследования, обеспечение ламинарного потока жидкости и заданной степени затухания может быть достигнуто при протекании жидко 50 Труды шестой сессии международной научной школы сти через пористые материалы за счет выбора структуры, толщины и площа ди, в зависимости от параметров системы. При ламинарном истечении жидко сти расчет коэффициента вязкого сопротивления для демпфера может быть произведен по методу Слихтера [3].

Формула объемного расхода жидкости в демпфере имеет вид:

SD2 R Q = p( + ) (3) 96µh 6µln где Q - объемный расход жидкости в единицу времени, p - перепад давлений, S - площадь поверхности пористого материала, µ - коэффициент абсолютной вязкости, = (1 q)/2 - коэффициент, зависящий от величины пористости q и просветов, D - диаметр шариков, образующих пористую структуру, R - радиус поршня, - зазор между поршнем и цилиндром (выполняется ми нимальным для обеспечения перетекания преимущественно через пористый материал), lp - высота поршня.

Сила демпфирования Fd = pSp (4) где Sp - площадь поршня.

Так как величина зазора ничтожна, для объемного расхода жидкости можно записать dx Q = Sp ( ) (5) dt где x - перемещение поршня.

Из (3) и (5) после преобразований получим зависимость для коэффици ента вязкого сопротивления (R2 ) Fd b= = (6) V k 2 где V = dx, R - радиус поршня, k = SL D +16 R dt 96µhlp При расчетах демпферов удобно также пользоваться графиками зависи мости силы сопротивления от скорости при истечении жидкости через пори стые материалы различной структуры, толщины и пористости по методике, рекомендованной в [4] (рис. 2).

В процессе колебаний практически не наблюдается ощутимых измене ний декремента, что свидетельствует о возможности осуществления систе мы, близкой к линейной. Амплитудно-частотные характеристики, снятые на стенде МП - I для системы с измененным демпфером представлены на рис. графиком 3.

Данные расчета удовлетворительно совпадают с экспериментом в отличие от демпферов с рабочими сечениями в виде кольцевого зазора или дроссель ного отверстия.

Проблемы точности при создании машин и приборов Рис. 2.

Литература 1. Асс Б.А., Жукова Н.М., Антипов Е.Ф. Детали и узлы авиацион ных приборов и их расчет. -М.: Машиностроение, 1956.

2. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. -М.: Ма шиностроение, 1967.

3. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. -М.: Гостехиздат, 1947.

4. Мурашев В.А., Макаркин С.И. К динамике датчиков ускорений с жидкостным демпфированием. Изв. вузов СССР, Приборостроение, 1970, т.13, №12, с.71-73.

52 Труды шестой сессии международной научной школы 4.8. ТРИБОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ЦИКЛИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ Мусалимов В.М., Ларичкин М.П., Аникеенко А.Д. (СПбГУ ИТМО) Рассмотрена исследовательская система на базе компьютерных и мехатронных технологий для идентификации процессов трения изнашивания. На конкретном примере с использованием ППП MATLAB показаны некоторые фрагменты идентификации: даны результаты оцифровки данных и их вейвлет-преобразований, про строены эволюционные модели процесса изнашивания.

За последние годы в исследовательских лабораториях были разработаны высокоточные трибометры, снабженные чувствительной и анализирующей аппаратурой[1-4]. Применение этих трибометров полезно в основном для ис следования изменений свойств деталей под влиянием процессов изнашивания.

Наибольшая отдача от них достигается при использовании в определенной исследовательской системе, оснащенной современными высшими технология ми. Работа посвящена разработке средств и методов модельных исследований процессов циклического изнашивания в реальном режиме времени с исполь зованием мехатронных технологий, когда в процессе лабораторных испыта ний трибологических пар трибологическая система идентифицируется при заданных входе-выходе. Предложено оригинальное решение проблемы ввода данных в ПК через COM порт, разработано соответствующее программное обеспечение, в результате чего трибологическая установка получила неоспо римые преимущества перед известными аналогичными установками. Прове дена серия испытаний трибологичеcких пар, произведена идентификация ди намики процесса изнашивания с использованием ППП MATLAB.Здесь ха рактеристики функциональных входов и выходов системы рассматривались с точки зрения идентификации и моделирования динамических систем[5,6] с одновременным осуществленим контроля структуры работающей системы.

В данной работе мы представляем трибометрическую систему, разработан ную с привлечением компьютерных и мехатронных технологий на кафедре мехатроники СПбГИТМО(ТУ).

Проблемы точности при создании машин и приборов 1. Трибометрическая система Трибология является междисциплинарной наукой и в ней эксперимен тальные методы играют важную роль. Область экспериментальных исследо ваний в трибологии называется трибометрией[1]. Достижения современного приборостроения позволили создать современную систему для изучения вли яния на процесс трения-износа множества факторов. Принципиальная струк тура этой системы изображена на рис. 1, Рис. 1.

где обозначено: 1 - нижняя платформа с приводом P 2 и датчиком переме щений U ;

2 - исследуемая трибопара;

3 - прижимная платформа;

4 - стойка нагружения (заданная сила или заданное перемещение);

P 1 - привод стой ки нагружения с датчиком перемещения D;

F N - датчик нормальных уси лий;

F - датчик сил сопротивления;

T - оптический инфракрасный пиро метр(прижимная платформа имеет отверстие для обеспечения оптического контакта с образцом);

W - оптический датчик износа(получение интерфер рограмм);

S1,S2 - сигналы обратной связи;

SHC - программно-аппаратный комплекс;

S - экран.

Нагружение трибопары стойкой 4 осуществляется таким образом, чтобы осуществлялось относительное скольжение образцов при заданном цикличе ском режиме перемещения нижней платформы.

Мы дадим описание только некоторых электронных и электромеханиче ских подсистем.

1.1. Датчики цифрового сигнала вход-выход (U, F ).

54 Труды шестой сессии международной научной школы Схема оптико-механического датчика приведена на рис. На ось 1 стрелки измерительного индикатора насажен легкий диск 2 с прорезями (прерыватель), через который проходит (или не проходит) поток инфракрасного излучения от соответствующего источника 3 (инфракрасный излучающий диод). При вращении диска поток излучения периодически пре рывается, что регистрируется соответствующим фотодатчиком 4 (фототран зистором). Каждый импульс прошедшего излучения расценивается как пере мещение на один шаг по одной из координат (координате перемещений или координате сил). Сигналы от датчиков обрабатываются специализированным микроконтроллером (рис.3) и передаются системе по последовательному ин терфейсу.

Подключение к компьютеру осуществляется либо через 25- или 9-pin разъ ем RS-232C, занимает COM - порт и требует монопольного использования его штатной линии прерывания (IRQ4 для COM1 и IRQ3 для COM2), либо через PS/2 или USB порт. В случае использования USB не требуется выделение IRQ для монопольного использования, а также наблюдается заметный при рост точности. В нашем случае это 9pin разъем RS-232C, подключенный к COM1. Двухполярное питание осуществляется от управляющих линий ин терфейса, передача данных - асинхронная.

Рис. 2.

Проблемы точности при создании машин и приборов 1.2.Микроконтроллер.

Рис. 3.

На рис.3 изображено: КМ 203s002-чип (производитель Mitsumi Key Mouse - мышь);

D2,D1 - инфракрасный излучающий диод;

U2,U1 - фототранзисто ры;

С1 - конденсатор: 10Mf, 25V;

R1- резистор: 1 Ом.

Схема подключения, как отмечено, осуществляется через 25- или 9-pin разъем RS-232C (рис.4).

56 Труды шестой сессии международной научной школы 1.3.Распайка 9- или 25-pin разъемов RS-232C (СОМ) портов.

На рис.4 обозначено: TxD, RxD используются для передачи данных, V для питания и Gnd- земля.

Рис. 4.

1.4. Датчики: сближения (D), нормальных усилий (F N ), температуры (T ), состояния поверхности (W ).

Для оцифровки информации, поступающей с этих датчиков, разработа на специальная высокоточная и высокоскоростная программа[5], являющаяся частью специально разработанного программного комплекса. Одна из функ циональных частей которого позволяет получать данные не только при обра ботке аналоговых сигналов, но и при обработке сигналов с бумажного носите ля. Следует отметить, что программный комплекс оригинален и находит свое применение не только в технических науках, но и в медицине при обработке кардиограмм и энцефалограмм.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.