книги / Проектирование электронно-лучевых приборов

пределение плотности тока в пучке, сформированном электронной пушкой, и его зависимость от малых отклонений размеров моду­ лятора).

Достаточно сложным является вопрос об автоматизированном изготовлении конструкторской документации (КД). Здесь следует отметить два важнейших фактора, влияющих на принятие реше­ ния об уровне и формах автоматизации процесса изготовления КД:

1.Низкое качество и малая эффективность работы имеющихся технических средств, используемых для автоматизированного изготовления текстовой и графической КД. Обычно наблюдается обратная зависимость между скоростью изготовления и качест­ вом, что заставляет в настоящее время ограничивать объем КД, изготавливаемой с помощью средств вычислительной техники.

2.Использование сквозных маршрутов автоматизированного проектирования с прямым выходом на изготовление рабочего и

мерительного инструментов часто оставляет традиционной КД в основном правовые функции: в производстве используются управляющие программы для станков с ЧПУ и конструкторские таблицы, подробность и точность которых существенно превосхо­ дят аналогичные характеристики чертежей, которые при такой постановке дела главным образом играют роль подлинников КД, по которым осуществляется контроль изделий.

Подводя итоги, можно отметить что сколь выгодной ни была бы автоматизация отдельных этапов проектирования, многократ­ ное усиление ее технико-экономического эффекта достигается при комплексной автоматизации, реализуемой в виде так называемых сквозных маршрутов автоматизированного проектирования [28]

свыходом на процессы технологической подготовки производства

иохватывающей все звенья цикла «исследование—производство». Сквозные маршруты проектирования узлов ЭЛП. Б последние

годы во всем мире резко возрастает интерес к интеграции процес­ сов проектирования и технологической подготовки производства.

Кодировка, интерпретация и перекодировка данных при пере­ ходах от автоматизированных проектных процедур к неавтомати­ зированным и обратно вплоть до настоящего времени является главным фактором, ограничивающим производительность и сни­ жающим эффективность САПР. В тех отраслях промышленности, где удалось автоматизировать предыдущие этапы проектирования (проектирование печатных плат, интегральных схем и т. п.) и тем самым исключить необходимость кодировки громоздкой графиче­ ской информации, системы автоматизированного проектирования и изготовления элементов технологического оснащения (фотошаб­ лонов) быстро стали единственно возможной формой реализации цикла «исследование — производство».

Для ЭЛП решение аналогичных задач затруднено ввиду раз­ нородности и сложности процессов проектирования и подготовки

производства, однако их актуальность обусловлена следующими достоинствами интегрированных САПР/АСТПП1 и реализуемых ими сквозных маршрутов проектирования и подготовки производ­ ства (СМП/ПП).

1. Объединение всех этапов в СМП/ПП позволяет достичь большего эффекта, чем их изолированное совершенствование, осуществляя переход от работы нескольких «ремесленников»

кединой технологической цепочке.

2.С внедрением СМП/ПП на всех этапах маршрута вводятся единая дисциплина работы, единые геометрические описания объ­ ектов проектирования, унифицированные языки проектирования и конструирования, появляется возможность организации единой базы данных проектирования; сам процесс проектирования пре­ вращается в постепенное наполнение данными информационной модели объекта проектирования.

3.Процесс проектирования максимально упорядочивается, появляется возможность пооперационного контроля его качества, научной организации труда разработчиков, резко снижается чис­ ло ошибок, возникающих при перекодировках, копировании и передаче документации из одного подразделения в другое, появ­

ляется возможность эффективного управления процессами проек­ тирования и технологической подготовки производства.

4. Повышается производительность труда разработчиков изде­ лия, технологических процессов и средств технологического осна­ щения, сокращается цикл «исследование — производство».

5.Снижаются затраты всех видов ресурсов, расходуемых при проектировании и технологической подготовке производства (ТПП), поскольку тщательная отработка конструкции и сниже­ ние числа ошибок минимизируют число корректировок на этапе «доводки» изделия.

6.Существенно упрощается процесс внесения изменений в кон­ струкцию серийных изделий, что позволяет производству гибко реагировать на изменение требований потребителей.

7.Повышается эффективность использования гибких произ­ водственных комплексов (ГПК) в основном и инструментальном производстве, так как их гибкость определяется временем пере­ наладки при переходе на изготовление нового изделия (или ин­ струмента), а большая часть этого времени уходит на перепро­ граммирование ГПК, что в условиях СМП/ПП осуществляется автоматически.

Перечисленные преимущества показывают актуальность по­ строения СМП/ПП для важнейших узлов электронно-лучевых приборов: ЭОС и баллона.

1 АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки про­ изводства.

Сквозной маршрут проектирования и технологической подго­ товки производства ЭОС. На рис. 2.4 представлена укрупненная схема СМП/ПП ЭОС, в центральной части которой показана по­ следовательность выполнения его алгоритмических блоков (про­ ектных и производственных процедур), в нижней части —услов­ но-постоянная информация, используемая этими блоками, в верх­

строится совокупность данных, составляющих полное описание разрабатываемого прибора, т. е. его проект. Начальное заполне­ ние ИМОП осуществляется на этапе формирования ТЗ на ЭОС

Результатом эскизного проектирования является, как уже отме­ чалось, принципиальная схема, которая в зависимости от специ­ фики конкретной разработки может в большей или меньшей мере учитывать требования технологичности и унификации деталей. Особенностью конструирования ЭОС является сравнительно ма­ лое число типов используемых деталей, что дает возможность систематизации конструкций в пределах каждого из этих этапов (см. гл. 1). Данные о систематизации конструкций деталей могут быть использованы уже при формировании заданий на проекти­

ограничивающих факторов, связанных с реализуемостью принци­ пиальной схемы ЭОС «в металле», множество ее параметров определяет лишь конфигурацию и размеры рабочих (внутренних) контуров электродов, которые влияют на распределение поля.

Результатом работы блока 7 является комплект детальных и сборочных чертежей ЭОС. Конструирование ЭОС и ее электродов осуществляется с учетом всех факторов, описанных выше в на­ стоящей главе и подробно рассмотренных в гл. 4. Оно осуще­ ствляется в диалоговом режиме с оперативным использованием всей необходимой информации, хранящейся в базах данных инте­ грированной САПР/АСТПП: данных ТЗ, структурной и принци­ пиальной схем, систематизированных данных об известных кон­ струкциях деталей, материалах, технологических процессах изготовления и сборки деталей, а также ряда других сведений технико-экономического характера.

В блоке 8 осуществляется разработка конкретных технологи­ ческих процессов (ТП) изготовления и сборки деталей ЭОС, включающая выбор заготовок, раскрой материала, выбор типов станков и другого оборудования, содержание и последователь-

ность переходов, нормирование труда и материалов и т. д. Раз­ работка этих технологических процессов ведется в соответствии с действующими стандартами и другими регламентирующими ма­ териалами (см., например, [4]). Ее результатом является комп­ лект технологической документации, а также задания на проекти­ рование сборочной оснастки (оправок) и штампов для изготовле­ ния деталей ЭОС.

В блоке 9 для проектирования оснастки помимо результатов работы предыдущих этапов используются сведения об оборудова­ нии и технологии инструментального производства. Проектиро­ вание штампов является традиционным объектом автоматизации в машиностроении, однако большинство известных САПР штам­ пов имеют универсальный характер и рассчитаны на автономное применение: их входные языки ориентированы на кодировку ин­ формации, взятой из чертежа. Главным преимуществом сквозных маршрутов является отсутствие перекодировок, поскольку вся гео­ метрическая информация об изготавливаемых деталях уже нахо­ дится в системе. С другой стороны, отказ от универсальности и ориентации на специфику деталей ЭОС дает возможность мини­ мизировать затраты на создание и эксплуатацию пакета приклад­ ных программ, осуществляющего автоматизированное проектиро­ вание штампов, и снизить требования к используемой вычисли­ тельной технике. Для сборочной оснастки набор входящих в нее элементов определяется выбором одного из известных способов базирования деталей и монтажа арматуры (см. гл. 4).

Результатом работы блока 9 является комплект конструктор­ ской документации на всю необходимую оснастку. При этом для рабочих деталей штампов, а также большинства типовых деталей другой оснастки с помощью универсального постпроцессора [29] могут быть получены управляющие программы (УП) для электроэрозионных станков с ЧПУ, обеспечивающих высокую точность при обработке сложно-контурных деталей и тем самым воспроиз­ водимость и точность инструмента и оснастки для производства ЭОС. Особенности использования универсального постпроцессора обсуждаются в гл. 5.

На схеме рис. 2.4 не выделен этап проектирования техноло­ гии изготовления инструмента и оснастки, поскольку он тесно связан с их конструированием и имеет сугубо машиностроитель­ ную специфику. В инструментальном производстве проектирова­ ние технологии осуществляется фактически одновременно с кон­ струированием сборочной оснастки и штампов, и его результатом является комплект соответствующей документации. Для автома­ тизации проектирования в инструментальном производстве доста­ точными являются вычислительные мощности предоставляемые, например, интерактивной графической системой 15 УТ-4-017 [30—31] на базе ЭВМ «Электроника 100-25». В блоках 9 и 10 осуществляется также проектирование и изготовление нестандарт­

ного мерительного инструмента для контроля изделия и оснастки. После изготовления опытных партий деталей и сборки партии ЭОС производятся испытания приборов, по результатам которых принимается решение о завершении разработки и технологической подготовки производства ЭОС.

Аналогичный подход в случае необходимости может быть при­ менен и на ранних стадиях проектирования (этап НИР), при этом возрастает достоверность и воспроизводимость эксперименталь­ ных данных, поскольку для изготовления макетов ЭОС использу­ ется высокоточный инструмент. Альтернативой этому может быть использование для макетирования ЭОС плоских деталей, изготов­ ленных методом фотолитографии или на электроэрозионном станке.

Сквозной маршрут проектирования и подготовки производства баллонов ЭЛП. На рис. 2.5 приведена укрупненная схема СМП/ПП баллонов ЭЛП, построенная подобно схеме аналогично­ го маршрута для ЭОС (рис. 2.4): в центральной части — после­ довательность проектных и производственных процедур, в ниж­ ней — условно-постоянная информация, в верхней — переменная информация, составляющая ИМОП. Структура ИМОП для бал­ лона определяется унифицированным описанием его конструкции, которое позволяет задавать конструкции подавляющего большин­ ства баллонов ЭЛП путем: а) выбора одной схемы из .набора стандартных конструктивных схем; б) определения численных значений ее параметров. Основой этого описания является пред­ ставление поверхностей экрана и конуса в виде линейно-непре­ рывных каркасов: для экрана используются каркасы продольных, а для конуса — поперечных образующих (см. § 3.8), что обуслов­ лено не только особенностями геометрии, но и технологией фре­ зерной обработки соответствующих рабочих поверхностей инстру­ мента. Применение такого представления в качестве единой гео­ метрической модели конструкции баллона на всех этапах его проектирования позволяет установить между ними четкую инфор­ мационную связь и осуществлять постепенное определение и уточнение параметров модели по мере осуществления проектных процедур. При проведении всех видов расчетов (геометрических, прочностных, оптимизационных) эта модель задает описание рас­ считываемой конструкции, на основе которого формируется ее внутреннее представление зависящее от специфики используемых физических и математических моделей.

Отличительной чертой СМП/ПП баллонов является относи­ тельно высокая степень автоматизации большинства проектных процедур — использование эвристических методов проектирования здесь носит вспомогательный характер. В связи с этим возрастает роль процедуры формирования ТЗ на баллон (блок 1), которая должна осуществляться под контролем главного конструктора приборной разработки.

Наиболее эффективным для большинства процедур СМП/ПП баллона является режим диалога: разработчики ЭЛП, баллона и стеклоформующего инструмента (СФИ), специалисты по расче­ там, изготовители конструкторской документации, технологи основного и инструментального производства, действуя по от­ дельности или в различных сочетаниях, вводят в систему различ­ ные данные и оперативно оценивают предлагаемые ею решения на всех этапах маршрута (в дальнейшем каждый из этих специали­ стов будет именоваться пользователем системы).

Определение конструктивной схемы баллона может осуще­ ствляться двумя путями:

пользователь задает тип одного из стандартных вариантов схемы;

пользователь вводит данные ТЗ на баллон, а система сама формирует схему, которую можно просмотреть и откорректиро­ вать.

После определения конструктивной схемы (блок 2) начинает­ ся последовательность проектных процедур, объединенная в блок 3 и относящаяся к эскизному проектированию (состав этих про­ цедур определен выше). Вначале пользователем одним из стан­ дартных способов задаются исходные значения геометрических параметров конструктивной схемы, после чего система доопреде­ ляет конструкцию в рамках единой геометрической модели и пользователю представляются результаты геометрического проек­ тирования для внесения возможных корректировок. Затем осуще­ ствляется приближенный прочностной расчет построенной кон­ струкции, для чего пользователь дополнительно вводит сведения о внешней нагрузке и марке стекла, применяемого для изготовле­ ния экрана и конуса (на основании этих данных и условно-посто­ янной информации система определяет значения упругих констант материалов). На этом этапе для прочностного расчета использу­ ются упрощенные модели, поскольку для диалога требуется вы­ сокое быстродействие. По этой же причине такие модели исполь­ зуются и в оптимизационных процедурах, где приходится много­ кратно оценивать прочность перебираемых вариантов конструк­ ции.

Работа в блоке 3 носит итеративный характер: после выпол­ нения очередной вычислительной процедуры пользователь может оценить ее результаты (в том числе в графическом виде), внести при необходимости изменения в значения параметров ИМОП и повторить вычисления. Окончательным результатом работы бло­ ка 3 являются теоретические чертежи основных сечений баллона, которые могут быть просмотрены на графическом дисплее или построены на графопостроителе.

На следующих этапах (блоки 4 и 5) определяются допуски на отклонение размеров баллона от их номинальных значений, за­ данных теоретическими чертежами, и проводится детальное

исследование прочностных характеристик конструкции с исполь­ зованием точных алгоритмов, основанных на методе конечных элементов (см. § 3.8). Поскольку уточненный расчет требует зна­ чительных затрат времени, рекомендуемым режимом проектиро­ вания здесь является задание сразу нескольких вариантов кон­ струкции (или одного варианта с различными сочетаниями отклонений размеров в пределах полей допусков) с тем, чтобы просмотреть результаты спустя некоторое время, необходимое для расчета всех вариантов. При назначении допусков также возмож­ ны два варианта:

пользователь назначает допуски самостоятельно (эвристиче­ ски) ;

на основании имеющейся информации о зависимости допусков от размеров баллона система предлагает их значения, а пользо­ ватель может согласиться с ними либо произвести необходимую корректировку.

При проведении уточненных расчетов пользователь при жела­ нии также может вмешаться в действия системы на этапе конеч­ но-элементной дискретизации конструкции баллона: точность и время расчета во многом зависят от удачной дискретизации, что особенно актуально для конструкций, имеющих отличия от обыч­ но применяемых (необычное соотношение сторон экрана и т. п.). Результаты уточненного анализа выводятся в виде эпюр напря­ жений в основных сечениях баллона на графический дисплей или графопостроитель (см. пример на рис. 2.6). В тех случаях, когда уточненный анализ прочностных характеристик баллона выявляет необходимость корректировки отдельных параметров его кон­ струкции, влияние которых на прочность не могло быть учтено ранее при использовании упрощенных моделей, пользователь вно­ сит соответствующие изменения и повторно осуществляет все необходимые действия вплоть до получения удовлетворительного результата.

Проектирование баллона завершается изготовлением кон­ структорской документации (блок 6), включающей чертежи бал­ лона и его деталей, значения их размеров и допусков, а также необходимые подписи. Несмотря на кажущуюся очевидность, целе­ сообразность полной автоматизации этой процедуры сомнительна

чертеже символьной и размерной информации зачастую более трудоемко, чем непосредственное нанесение их вручную. Более рациональным представляется использование графопостроителя для нанесения обводов основных сечений спроектированной кон­ струкции на заранее изготовленные стандартные бланки; при этом вся необходимая символьная информация печатается отдельно в виде таблиц и текстовых документов, прилагаемых к чертежам (или используемых для их дооформления).

Рис. 2.6. Конечно-элементное разбиение конструкции баллона и эпюры напряже­ ний

Спецификой последующих этапов рассматриваемого маршрута является относительно малая изменяемость технологических про­ цессов изготовления деталей и сборки баллона (обычно они пол­ ностью определяются спецификой подгруппы, к которой относится проектируемый ЭЛП). Поэтому основной объем работ по подго­ товке производства вновь разработанного баллона составляют проектирование и изготовление изменяемой части технологической оснастки и в первую очередь — стеклоформующего инструмента (блоки 9 и 10). Ключевыми здесь являются вопросы обеспечения высокой степени согласованности и точности обработки рабочих