Ионно-плазменные и лазерные технологии в гироскопическом приборостроении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, доктор наук Юльметова Ольга Сергеевна

• Юльметова Ольга Сергеевна
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Юльметова Ольга Сергеевна

Введение

Глава 1. Ионно-плазменные и лазерные технологии как средство создания гироскопических приборов

1.1. Конструктивные особенности и технологические аспекты формирования функциональных параметров узлов и элементов современных и перспективных гироскопических приборов

1.1.1. Гироскопы с неконтактным подвесом сферического ротора

1.1.1.1. Электростатические гироскопы

1.1.1.2. Криогенный гироскоп

1.1.1.3. Алгоритм процесса изготовления сферических роторов

1.1.2. Криогенный акселерометр

1.1.3. Двухстепенной поплавковый гироскоп

1.1.4. Узлы роторных управляемых систем подземной навигации

1.2. Физические основы, механизмы воздействия и классификация процессов ионно-плазменной и лазерной обработки

1.2.1. Ионно-плазменные процессы

1.2.2. Лазерная обработка

1.3. Технологические аспекты практического использования ИПЛТ при решении прикладных задач

1.4. Выводы по главе

Глава 2. Системное моделирование процессов создания узлов и элементов гироскопических приборов на основе использования ИПЛТ

2.1. Принципы применения системных подходов к решению задач создания узлов и элементов гироприборов на основе ИПЛТ

2.2. Этапы технологического проектирования процессов изготовления гироприборов на основе ИПЛТ

2.3. Применение системных подходов к решению задач технологического проектирования гироскопа с неконтактным подвесом сферического ротора

2.3.1. Структурная схема корреляции показателей точности гироскопа и технических

характеристик его узлов и функциональных элементов

2.3.2. Информационно-логическая модель технологического проектирования процесса создания шарового гироскопа

2.4. Разработка и последовательная формализация концептуальной модели процесса формирования функциональных параметров узлов и элементов гироприборов

2.5. Ориентированный граф процесса изготовления ротора

2.6. Компоненты целевых функций моделей процесса изготовления сферических роторов

2.6.1. Термодинамический анализ процессов ИПЛТ

2.6.2. Кинематическая компонента в процесса изготовления ротора

2.7. Выводы по главе

Глава 3. Система моделей формирования функциональных параметров узлов и элементов гироскопических приборов на основе методов ИПЛТ

3.1. Моделирование процесса формирования тонкопленочных покрытий на сферических узлах

3.2. Математическое моделирование процессов формирования моментов инерции сферических узлов

3.2.1. Формирование моментов инерции для заготовки ротора в виде эллипсоида вращения

3.2.2. Формирование моментов инерции для ротора с бочкообразной заготовкой

3.2.3. Формирование моментов инерции для ротора для заготовки с кольцевой канавкой

3.3. Моделирование процессов корректировки дисбалансов сферических узлов

3.3.1. Корректировка дисбаланса сферических роторов за счет перераспределения масс формируемого функционального покрытия

3.3.1.1. Корректировка дисбаланса ротора за счет изменения расстояния от ротора до источника напыляемого материала

3.3.1.2. Корректировка дисбаланса за счет изменения скорости вращения ротора при напылении функционального покрытия

3.3.2. Корректировка дисбаланса роторов шаровых гироскопов посредством испарения локальной точечной массы материала

3.3.2.1. Предварительная корректировка масс ротора

3.3.2.2. Финишный этап балансировки ротора

3.4. Моделирование процесса формирования оптических параметров растровых рисунков

3.5. Управление электрофизическими характеристиками поверхности

3.6. Выводы по главе

144

145

Глава 4. Исследование механизма модификации материала при создании функциональных элементов узлов гироскопических приборов с использованием ионно-плазменных и лазерных

технологий

4.1. Исследование механизмов регулирования фазового состава наносимого растра при лазерной модификации бериллия

4.1.1. Термодинамический анализ и кинетическая оценка процессов лазерной маркировки бериллия в различных газовых средах

4.1.2. Анализ структурно-фазовых характеристик модифицированных слоев бериллия с использованием методов энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и дифрактометрии

4.2. Исследование механизмов лазерного цветообразования при создании изображений на поверхности тонкопленочного покрытия нитрида титана

4.3. Исследование механизмов цветной лазерной маркировки ниобия

4.4. Исследование механизмов модификации поверхности при лазерном конфигурировании тонколистовых аморфных магниточувствительных материалов

4.5. Выводы по главе

Глава 5. Средства обеспечения процессов ИПЛТ

5.1. Оборудование для ионно-плазменной и лазерной обработки

5.2. Модуль для формирования тонкопленочных эквидистантных покрытий

5.3. Устройство для формирования покрытий переменной толщины

5.4. Устройство для лазерной маркировки сферических роторов

5.5. Выводы по главе

Глава 6. Практическая реализация методов ИПЛТ при изготовлении узлов и элементов

гироскопических приборов

6.1. Сферические роторы шаровых гироскопов

6.1.1. Ротор криогенного гироскопа

6.1.2. Сплошной ротор бескарданного электростатического гироскопа

6.1.3. Тонкостенный полый ротор электростатического гироскопа

6.2. Формирование электродов подвеса и измерительных витков сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков чувствительного элемента криогенного гироскопа и

акселерометра

6.3. Узлы и элементы роторных управляемых систем

6.4. Результаты применения разработанных технологических решений

6.5. Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ионно-плазменные и лазерные технологии в гироскопическом приборостроении»

Введение

Актуальность проблемы. Научно-технический прогресс в последнее время приобрел ряд новых особенностей, которые проявляются в сфере взаимодействия науки, техники и производства и выражаются в том, что сегодня глубокая интеграция научного знания и новейших средств производства определяет, в конечном счете, темпы экономического развития государства.

В современных технологиях используются многочисленные достижения в области фундаментальных и теоретико-прикладных наук. Для развития наукоемких технологий необходимы современные фундаментальные разработки, открывающие широкие возможности применения новейших достижений научно-технического прогресса, принципов, идей и изобретений.

Масштабы и относительные размеры наукоёмкого сектора в экономике в значительной степени характеризуют экономический и научно-технический потенциал страны, они выступают в качестве основ стратегического развития промышленности и национальной безопасности, высокой конкурентоспособности отечественных производителей и изготавливаемой продукции, а также оказывают положительное влияние на развитие других отраслей экономики [1]. В основе представления о «наукоёмких технологиях» лежит само понятие «наукоёмкость» — показатель, отражающий степень взаимосвязи технологии с научными исследованиями и разработками [2].

В современных условиях конкурентоспособность выпускаемой продукции непосредственно связана с уровнем технологии, обеспечивающей процесс производства, и с организационным аспектом, который обусловлен использованием наиболее эффективных средств технологического обеспечения, методов управления и контроля. При этом требуется гибкость и адаптивность, поскольку следует учитывать постоянно меняющуюся рыночную конъюнктуру и, как следствие, характер и номенклатуру выпускаемой продукции, что определяет необходимость мониторинга и объективной оценки технической ситуации, корректировки, оптимизации и координирования взаимосвязей всех компонентов технологического процесса, определяющих разработку, создание и производство изделий. Это в полной мере относится к точному приборостроению.

Основными направлениями в точном приборостроении являются разработка и производство измерительных датчиков, приборов и комплексов, как средств получения и обработки информационных сигналов, определяющих конкретные технические ситуации, устройств регулирования и автоматизации управления. Наибольшее значение в этой области научно-технического прогресса имеет гироскопическое приборостроение, поскольку бурное развитие техники в последние десятилетия неразрывно связано с совершенствованием новых

систем автоматического управления движущимися объектами разных классов. Системы управления морскими кораблями, самолетами, ракетами и космическими объектами невозможно представить себе без гироскопических приборов [3].

Достижения гироскопического приборостроения последних десятилетий имеют фундаментальные основы, заложенные такими выдающимися отечественными учеными, как

A.Ю. Ишлинский, В.Г. Пешехонов, Д.М. Климов, Д.С. Пельпор, Ю.Г. Мартыненко, а также опыт научных исследований и разработок в ведущих организациях, в первую очередь в АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», где под руководством академика В.Г. Пешехонова изготавливаются электростатический гироскоп (ЭСГ) в кардановом подвесе с полым тонкостенным ротором, являющийся самым точным датчиком параметров угловой ориентации отечественных инерциальных навигационных систем, бескарданный электростатический гироскоп (БЭСГ), используемый для орбитальных космических аппаратов, двухстепенной поплавковый гироскоп (ДПГ), применяемый на объектах морского флота, а также ведутся исследования по созданию таких перспективных изделий, функционирование которых основано на новых физических принципах, как криогенный гироскоп (КГ), криогенный акселерометр (КА), феррозондовый инклинометр (ФЗИ), роторные управляемые системы (РУС) подземной навигации и т.д.

Исследования в области гироскопического приборостроения ведутся также в НИУ ИТМО и НИИ командных приборов (СПб), в Самарском НИУ им. акад. С.П. Королева, в МГТУ им. Н.Э. Баумана и институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН (Москва), в СГТУ им. Ю.А. Гагарина (Саратов) и др. Из зарубежных коллективов и организаций следует отметить Дрейперовскую лабораторию MIT, Стенфордский университет, фирма Honeywell (США), Sagem (Франция), Tsinghua University (Китай).

Современные гироскопические приборы можно определить как самые наукоемкие и уникальные изделия точного приборостроения, производство которых аккумулирует известные и стимулирует развитие новейших технологий, включая нанотехнологии.

В развитии технологии гироприборостроения решающую роль сыграли отечественные технологии, в создание которых существенный вклад внесли работы А.Г. Щербака,

B.А. Валетова, И.П. Бушминского, В.И. Гаврюсева, К. Н. Явленского, В.Г. Ковалева.

Совершенствование и разработка новых гироприборов связаны с повышением их точности и надежности. При этом требования к деталям и узлам современных и перспективных прецизионных гироскопических приборов определяются, с одной стороны, высокой геометрической точностью, которая нормируется сотыми и тысячными долями микрометра, а с другой стороны - широтой номенклатуры функциональных свойств этих деталей и узлов -оптических, электрофизических, трибологических, механических, динамических и т.д.

Обеспечение указанных выше показателей точности узлов носит проблемный характер, поскольку необходимо учитывать факторы различной природы и значимости, связи между которыми носят неопределенный характер. Кроме того, требования повышения уровня технологического обеспечения процесса изготовления гироприборов связано с необходимостью решения многоцелевых и многокритериальных задач по создания принципиально новых методов обработки современных конструкционных материалов и устранению противоречий, определяемых традиционными технологическими решениями. Следует отметить, что на сегодняшний день традиционные методы обработки достигли предела своих инструментальных возможностей и не позволяют обеспечивать необходимые значения целой совокупности регламентированных параметров. Это означает, что эволюционное развитие средств технологического обеспечения процесса совершенствования существующих и разработки новых гироприборов подошло к порогу необходимости принципиальных качественных изменений.

Проблемы технологии гироприборостроения обусловливают необходимость создания и применения высокоинтенсивных технологий, в основу которых положено использование концентрированных источников энергии (ионных, плазменных, лазерных и т.д.), где рабочим инструментарием являются потоки высокоэнергетических частиц. К ним относятся технологии вакуумного напыления, ионного травления и лазерной обработки, а также различные сочетания этих технологий в процессах комбинированной обработки. Эффективность этих технологий определяется высокой энергетической концентрацией и возможностью решения широкого спектра технических задач, включая возможность обеспечения микро и наноразмеров, что особенно важно для сверхпрецизионных изделий, к которым относятся гироскопические приборы.

Внедрение и расширение технологических возможностей ионно-плазменных и лазерных технологий (ИПЛТ) связанно с созданием комплексных технологических решений, позволяющих использовать их интегральные достоинства. Такой подход позволяет разрабатывать новые варианты комбинированных технологий [4], в которых совместно применяются потоки ионов, плазмы и лазерного излучения. В этом отношении лазерная обработка и ионно-плазменные технологии согласуются, поскольку помимо указанных перспективных направлений по разработке новых совмещенных и комплексных процессов, эти технологии в своей основе опираются на подобные физические явления, определяющие механизм процесса обработки.

Сочетание лазерного облучения и плазмохимического воздействия потока ионов определяет появление и развитие нового направления поверхностной обработки материалов — лазерно-плазменной обработки материалов [5]. Поэтому вполне правомерно и технически

целесообразно рассматривать ионно-плазменные и лазерные технологии как единый комплекс технологических методов и средств, использование которых в гироскопическом приборостроении позволит на более высоком уровне решать задачи повышения точности и качества изделий. Тем более, что по известным классификациям [4] лазерная и плазменная обработки относятся к одному классу лучевых методов формообразования поверхностей.

Основы ИПЛТ заложены, а затем разработаны и исследованы академиком

A.К. Ребровым, Б.С. Данилиным, Ю. В. Панфиловым, Ю.Д. Клебановым, академиком

B.Я. Панченко, М.Н. Либенсоном, В.П. Вейко, А.Г. Григорьянцем, Е.Б. Яковлевым, а также такими зарубежными учеными как А. Ьеу1апё (США), Б. 81аёкеу1еИ (Израиль), N. Бе1уакишаг (Индия), А. I. АпШпегак (Польша), Ейап 2а1 ^гИаё (Корея) и др.

Общие положения и теоретические основы ИПЛТ в прикладном плане достаточно полно описывают общие закономерности протекания конкретных технологических процессов и активно используются для их оптимизации.

В числе конкретных направлений в ИПЛТ следует в первую очередь отметить работы по исследованию процессов лазерной обработки [6,7], нанесению вакуумных покрытий и ионному травлению объемных рельефных структур [8, 9]. В работах [10-12] приводятся примеры повышения твердости и износостойкости на основе лазерного легирования [10-12].

В работах [6, 13] показана эффективность применения процессов лазерной маркировки при формировании функциональных изображений [14] на различных изделиях, включая узлы и элементы гироскопических приборов [15], где в качестве наиболее наглядного примера можно привести сферический ротор электростатического гироскопа [16].

Вместе с тем, представленные технические решения носят в основном частный характер и в большей мере относятся к обработке конкретных конструкций и материалов. При этом принципиальная возможность ИПЛТ по обеспечению точностей на уровне сотых долей микрометра, что особо актуально для гироскопического приборостроения, показана лишь в отдельных публикациях [17, 18].

Положительные результаты известных разработок подтверждают обусловленные практическими потребностями важность и актуальность серьезных научных исследований по реализации потенциальных возможностей ИПЛТ применительно к технологии изготовления узлов и элементов гироскопических приборов. Очевидно, что практическая реализация потенциальных возможностей этих технологий требует учета, оценки и согласования целого ряда параметров и факторов процесса, которые находятся в состоянии множества взаимосвязей и непосредственно влияют на параметры деталей и узлов, а затем — и на функциональные характеристики изделия.

Анализ публикаций последних лет указывает на отсутствие необходимого общего, единого подхода к созданию средств и методов ИПЛТ для решения задач совершенствования существующих и создания новых гироскопических приборов. Это определяет важность решения проблемы создания научно-технологической базы и соответствующего обеспечения на организационном уровне производства гироскопических чувствительных элементов, что позволило бы обеспечивать устойчивый выпуск современных гироскопических приборов, а также создавать задел на будущее, выполняя разработки по повышению качества продукции и осваивая процессы изготовления новых перспективных типов изделий.

Для решения этой проблемы требуется проведение научно обоснованных комплексных теоретико-прикладных исследований, включающих моделирование процессов ИПЛТ с использованием системного анализа и разработкой системы взаимосвязанных и согласованных моделей. Необходимо выявление взаимосвязей и корреляции показателей точности гироприборов, технических характеристик их узлов и элементов и параметров процессов ИПЛТ, разработка методов и средств математического обеспечения и проведение экспериментальных исследований процессов формирования функциональных параметров узлов гироприборов, а также создание комплекса прецизионных средств оснащения ИПЛТ. Ранее такие комплексные исследования не проводились, в результате чего широкий круг важных вопросов использования таких прогрессивных методов, как ИПЛТ, для повышения точности новых гироскопических приборов оставался открытым.

Степень разработанности проблемы. На сегодняшний день возрастающая интенсификация технологических процессов требует применения мощных концентрированных потоков энергии в виде ионного, плазменного и лазерного воздействий. Высокие плотности мощности этих процессов позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, снижая общую трудоемкость, но и получать специфические свойства поверхностей деталей и узлов [19].

Развитие ионно-плазменных и лазерных технологий создало уникальную возможность получения новых видов воздействия, которые могут использоваться для решения большого числа научных и технологических задач, таких, как обработка твердых материалов, синтез новых композиционных материалов, включающих метастабильные фазы и соединения; модификация прочностных, триботехнических, антикоррозийных свойств деталей и узлов; получение тонких пленок и покрытий. Физические основы ионно-плазменных, лазерных и других технологий, основанных на воздействии концентрированных потоков энергии на вещество, рассмотрены в монографии [20] и обзоре [12].

В гироскопическом приборостроении также известны примеры практического применения ИПЛТ при изготовлении реальных изделий [21]. Однако масштабы использования

указанных технологий не отвечают растущим требованиям производства, а их потенциальные возможности не раскрыты.

Анализ публикаций В.П. Вейко, Ю.В. Панфилова, Клебанова Ю.Д., Григорьева С.Н. и ряда других авторов показывает, что при известных отдельных положительных примерах, отсутствует общий системный подход к созданию средств и методов ИПЛТ для изготовления узлов и элементов гироприборов. Основной причиной является узкая специфика изготавливаемых изделий и отсутствие единой концепции и научно обоснованного общего подхода. Формированию такого подхода на основе использования и сочетания элементов системного анализа и математического моделирования применения ИПЛТ, доведение его до практической реализации при создании чувствительных элементов гироприборов и посвящена данная работа.

Конкретным подтверждением актуальности исследований в области использования новых технологий, в данном случае ИПЛТ, является общепризнанная необходимость совершенствования технологии изготовления шаровых гироскопов с неконтактным подвесом сферического ротора. Гироскопы этого типа на сегодняшний день являются с одной стороны, самыми точными в мире и, с другой стороны, — самыми сложными в части технологии их изготовления. Подтверждением актуальности, даже для фундаментальных наук, служит эксперимент Gravity Probe B [22] по измерению чрезвычайно слабых эффектов геодезической прецессии гироскопов на околоземной орбите и проверке отдельных положений теории относительности Эйнштейна.

Примерами гироскопов высших классов точности и стабильности в нашей стране являются такие уникальные изделия, разработанные в ЦНИИ «Электроприбор» (С.-Петербург), как электростатический гироскоп ЭСГ (главный конструктор А.С. Анфиногенов) и бескарданный вариант электростатического гироскопа БЭСГ (главный конструктор Б.Е. Ландау). Эти уникальные приборы предназначены для использования на объектах морского флота и в орбитальных космических аппаратах

Принцип работы гироскопов этого класса, называемых гироскопами с неконтактным подвесом сферического ротора, основан на оптическом съеме информации о положении быстровращающегося ротора по светоконтрастному рисунку. Большой вклад в теоретическое и практическое решение проектно-конструкторских задач внесли О.И. Парфенов, Б.Н. Агроскин, Г.И. Емельянцев, В.Н. Цветков, В.Н. Нарвер. В создание технологических процессов изготовления основных узлов этих гироскопов, в том числе с использованием отдельных элементов ионно-плазменных технологий, значительный вклад внесли работы В.И. Гаврюсева, А.Г. Щербака, В.Г. Кедрова, С.М. Осипова, А.К. Гуттовской, В.А. Гинзбурга, Н.В. Марковской и С.М. Дюгурова. Однако применительно к созданию новых гироскопов на

бесконтактных подвесах, в том числе и построенных на иных физических принципах, эти технологии требуют дальнейшего развития и совершенствования.

Для разработки новых эффективных технологий требуется решение фундаментальной проблемы создания единого научно обоснованного подхода к проектированию технологических процессов изготовления гироприборов высшего класса точности при использовании ИПЛТ, проведения комплексных исследований на основе системного анализа и выявления научно обоснованной совокупности согласованных принципиально новых технических решений по применению ИПЛТ, что является важной и актуальной научной проблемой государственного уровня. Это позволит улучшить характеристики изделий и обеспечить нашей стране сохранение лидирующих позиций в одной из наиболее наукоемких областей техники, повышение обороноспособности страны и конкурентоспособности продукции прецизионного приборостроения.

Объект исследования. Объектом исследований являются такие прецизионные узлы и элементы, во многом определяющие точность и надежность гироскопических приборов, как полые и сплошные сферические бериллиевые роторы различных модификаций электростатического гироскопа, сферический ротор криогенного гироскопа, подшипники со сложным трехмерным рельефным профилем рабочих поверхностей двухстепенного поплавкового гироскопа и роторных управляемых систем для подземной навигации, пружинные элементы, тонкопленочные электродные системы и витки сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков (СКВИД-магнитометров) криогенного гироскопа и криогенного акселерометра, тонколистовые сердечники феррозондового инклинометра.

Предметом исследований являются технологические методы и комплекс средств обеспечения ИПЛТ, управляемые технологические процессы формирования функциональных параметров узлов и элементов гироскопических приборов.

Цель работы: разработка научно обоснованных принципов проектирования с использованием ионно-плазменных и лазерных технологий процессов изготовления и комплексного обеспечения основных функциональных параметров прецизионных гироскопических приборов.

Достижение поставленной цели требует постановки и решения следующих основных задач:

1. Разработка принципов проектирования технологических процессов изготовления узлов и элементов гироскопических приборов с использованием ИПЛТ на основе системного моделирования.

2. Разработка и исследование технологических методов и средств повышения точности и надежности чувствительных элементов гироскопов с неконтактным подвесом сферического ротора и технологических процессов их производства.

3. Разработка научно обоснованных технологических методов и средств создания основных узлов чувствительного элемента информационно-измерительного прибора нового поколения - ротора и электродов подвеса криогенного гироскопа.

4. Изыскание и внедрение новых технологических методов обработки перспективных конструкционных материалов для изготовления узлов и элементов гироприборов.

5. Исследование и анализ механизмов структурно-фазовой модификации материалов при использовании ИПЛТ.

6. Разработка новых технических решений и создание универсальных средств технологического обеспечения для практического использования ИПЛТ при изготовлении узлов и элементов гироприборов.

Теоретическая значимость результатов работы заключается в разработке принципов проектирования технологических процессов изготовления узлов и элементов гироскопических приборов на основе ИПЛТ с использованием системного моделирования. На первом этапе технологического проектирования осуществляется алгоритмическая декомпозиция изделия до уровня узлов и элементов с выявлением оптимизируемых функциональных параметров. На втором этапе проводится анализ системы, основанный на структурировании функциональных элементов, включающий определение последовательности процесса формирования функциональных параметров. На этом этапе определяется взаимосвязь механизмов формирования функциональных элементов и факторов воздействия ИПЛТ на обрабатываемый объект. Дальнейший синтез решений определяется разработкой и формализацией концептуальной модели, представляющей собой качественное описание механизмов формирования функциональных элементов с использованием ИПЛТ. Это позволяет в соответствии со сформулированными положениями рассматривать процессы ИПЛТ как воздействие потока высокоэнергетических частиц на обрабатываемый объект, вызывающее:

- изменение геометрии узла за счёт управляемого добавления или удаления материала, что описывается термодинамикой фазовых переходов;

- структурно-фазовую модификацию материала, которая определяется протекающими топохимическими реакциями, обеспечивая придание требуемых функциональных свойств обрабатываемой поверхности.

В этом случае состояние системы характеризуют термодинамические функции -энтропия, энтальпия, энергия Гиббса, а параметры, определяющие термодинамический процесс, переводящий систему из одного состояния в другое, - температура, давление и время -

являются управляющими факторами ИПЛТ. С другой стороны, важным аспектом процессов обработки методами ИПЛТ прецизионных узлов и элементов гироприборов, является управление траекторией перемещения объекта относительно потока высокоэнергетических частиц. Поэтому формализация концептуальной модели связана с определением согласованных сочетаний двух множеств управляющих факторов, образующих две компоненты концептуальной модели - термодинамическую и кинематическую. Дальнейшая формализация концептуальной модели обусловливает переход от качественных представлений к количественным и разработку математических моделей. Оптимизация предполагает определение с использованием разработанных моделей совокупностей управляющих факторов технологического процесса, обеспечивающих формирование заданных значений функциональных параметров.

Научная новизна

Новизна оригинальных полученных технических решений защищена шестью патентами РФ, которые внедрены в производство реальных изделий.

1. Сформулированы принципы проектирования технологических процессов изготовления гироприборов с использованием элементов системного моделирования, включающие на этапе синтеза технических решений разработку и последовательную формализацию концептуальной модели с формированием целевых функций на уровне узлов и элементов, где оптимизация аргументов, как совокупности сочетаний управляющих факторов, осуществляется на основе использования методов ИПЛТ.

2. Обоснована эффективность представления оптимизируемых аргументов в целевых функциях концептуальной модели в виде двух компонент - термодинамической, описывающей механизм структурно-фазовой модификации, и кинематической, определяющей траекторию перемещения узла в ходе обработки методами ИПЛТ, а перевод качественных зависимостей в количественные обусловливается разработкой моделей, переводящих концептуальную модель в математическую.

3. Впервые разработаны технологические методы и средства повышения точности и надежности чувствительного элемента гироскопа с неконтактным подвесом сферического ротора, включающие модели по формированию моментов инерции сферических узлов, корректировке статического удельного дисбаланса и формированию светоконтрастных изображений в инфракрасном спектре на основе использования ИПЛТ.

4. Впервые разработаны научно обоснованные технологические методы создания основного узла чувствительного элемента информационно-измерительного прибора нового поколения - сферического ротора криогенного гироскопа, выполненного из углеситалла.

5. Выявлены закономерности и механизм цветообразования при структурной модификации поверхностных слоев бериллия, нитрида титана и ниобия методами ИПЛТ для формирования контрастных изображений, обеспечивающих функционирование оптических систем гироскопов с неконтактным подвесом сферического ротора.

6. Разработаны кинематические схемы ориентации сферических узлов в трехмерной системе координат и определены значимые факторы процесса формирования тонкопленочных покрытий заданной конфигурации.

Практическая значимость

1. Впервые разработана технология и доказана принципиальная возможность изготовления ротора КГ из углеситалла с нанесенным ниобиевым покрытием, на котором сформирован лазерный рисунок с требуемой величиной контрастности в инфракрасном спектре.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Юльметова Ольга Сергеевна, 2019 год

источником

Системы магнетронного распыления

л

и Ч о

ч

о

4)

Я я

й

о &

си Н

Л

к м Н

в

и О 1=1

Р1 §

о и

3 т

£

и

в

и

о

и

и (Д

Н и о с

и

л

к

н

о

И

о

го

Ег §

о и

3 СО

г*.

о

Я

а я

а

и

ж

о а

н а

Рисунок 1.29 - Классификация методов физического осаждения покрытий

Магнетронные распылительные системы составляют отдельную группу, но относятся к диодным конструкциям.

С поверхности любого вещества, бомбардируемого ионами или атомами с достаточно большой энергией, вылетают атомы этого вещества, и такое явление называется «катодным распылением» [94].

Единой теории, объясняющей механизм катодного распыления до сих пор не существует, но исследование процессов продолжается уже более 150 лет. Ранние работы по катодному распылению связывают с именами Штарка [95], предположившего, что распыление является результатом передачи импульса от бомбардирующего иона атомам мишени; а также Кингдона и Ленгмюра [96], развивших эту теорию и подкрепивших ее доказательствами. В 1930-х годах Хиппель [97] сформулировал теорию испарения из горячих пятен, в которой постулировалось, что распыление происходит вследствие очень сильного локального нагрева поверхности бомбардирующими ионами. В начале 1950-х годов, благодаря работам Венера [98], была сформулирована импульсная теория катодного распыления.

Экспериментальные результаты по ионному распылению лучше всего объясняются теорией импульсного механизма распыления, которую можно проиллюстрировать схемой, представленной на рисунке 1.30.

Рисунок 1.30 - Иллюстрация теории катодного распыления: черные точки - ионы газа, 1 - первично смещенные атомы, 2 - атомы, смещенные вторично

Перемещающийся к мишени (катоду) ион газа Ми контактирует с атомами в решетке и отдает им энергию Е в течении последовательных соударений. Если при соударении атому в кристаллической решётке с массой Ма удастся получить энергию, большую чем энергия связи в атомной решетке Есм, то он приобретает неравновесное состояние и смещается. Смещенный атом, сталкиваюсь с другими-соседними, вызывает вторичные смещения.

Предельно допустимая энергия Етах, которую ион может передать атому в серии столкновений, определяется следующим образом:

Е„

4МиМа (Ми + Ма )

_. Е

2 Еи

(1.6)

где Ми, Ма — масса иона газа и атома мишени; Еи — энергия иона.

В подавляющем большинстве теории ионного распыления разработаны для узких диапазонов энергий и определенных типов соударений. Более того, в ряде случаев модели они содержат один или несколько неизвестных параметров.

Одна из наиболее известных и эффективных теорий распыления была предложена Пизом [99].

Наиболее обоснованная и законченная теория катодного распыления разработана Зигмундом [100]. Расчеты по соотношениям Зигмунда достаточно точно совпадают с экспериментальными значениями различных исследователей, и поэтому его теоретическая модель является наиболее признанной.

Эффективность процесса ионного распыления определяется следующими факторами: зависимостью коэффициента распыления от характеристик бомбардирующих ионов. свойствами обрабатываемого материала, плотностью тока бомбардирующих ионов, условиями обработки (парциальных давлений и состава газовой смеси) и т.п.

В соответствии с теорией Зигмунда [100, 101] для определения коэффициента распыления Б используется выражение:

х 3 ми-М. , (1.7)

П2 (Ми + м. )2 2Есуб

где Ми и Ма - атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль; Еи — энергия падающих ионов, эВ; Есуб — энергия сублимации атомов мишени, эВ; а— безразмерный параметр, зависящий от соотношения атомных масс ионов и атомов мишени.

Формула (1.7) справедлива для аморфных материалов и материалов, имеющих поликристаллическую структуру, а также для низких энергий ионов (менее 1 кэВ).

Значение угла падения ионов атах, при котором наблюдается максимальный коэффициент распыления, оценивается по формуле Линдхарда

_ п

атах 2

—11/2

5па2 N 02/3^2 Ек Е +122/3)

(1.8)

где а — радиус экранирования ядра орбитальными электронами; N,3 — атомная плотность распыляемого материала; Zl, Z2 — атомные номера иона и атома мишени; Ек _ 13,5 эВ — энергия связи электрона в атоме водорода.

Скорость распыления материалов определяется выражением:

7 -Б-М

V _ 7и Б Ма , (1.9)

е- NA - р

где ju - плотность ионного тока; S - коэффициент распыления материала; Ма - атомная масса атомов мишени; е - заряд электрона; NA - число Авогадро; р - плотность материала.

Толщина покрытия h определяется по формуле [102]:

V

h = —2C0S^C0S^' t, (1.10) таг

где V - скорость распыления; р- угол между нормалью к поверхности распыления и направлением распыления; ф- угол между нормалью к поверхности подложки и направлением осаждения; r - расстояние до источника распыляемого материала; t - время.

Приведенные данные можно использовать для оценки условий и определения режимов и параметров процесса формирования поверхностных структур с требуемыми свойствами при технологическом проектировании процессов формообразования конкретных узлов.

Теоретические аспекты исследований процессов ионно-плазменной обработки весьма разнообразны, определяются положениями термодинамики и кинетики межфазных взаимодействий и связаны с именами Герца, Кнудсена, Ленгмюра.

Основные проблемы, возникающие при анализе процессов ионного легирования, связаны с оценкой пространственного распределения и глубины внедрения примеси в легируемый материал. В данном случае используют теорию Линдхарда-Шарфа-Шиотта [103, 104]

Процесс формирования тонких пленок, являющихся результатом ионно-плазменной обработки, также рассматривают с позиций теорий зародышеобразования. В основу классификации моделей роста кристаллических пленок положены качественные признаки, определяющие морфологическим превращения в процессе их роста. На сегодняшний день выделяют зародышевый механизм по модели Фольмера-Вебера (Volmer-Weber), послойный механизм по модели Ван дер Мерве (Frank-Van der Merwe) [105] и механизм по модели Странского-Крастанова (Stranski-Krastanov).

1.2.2. Лазерная обработка

Лазерная обработка на сегодняшний день является одной из самых эффективных и передовых технологий, способных решать самые сложные производственные задачи.

Физическая сущность и механизм лазерной обработки описывается следующей совокупностью и последовательностью процессов: поглощение, нагрев, плавление, испарение и образование плазмы [106-108].

Поглощение осуществляется по закону Бугера-Ламберта-Бера [109], в соответствии с которым плотность мощности лазерного излучения экспоненциально спадает с увеличением глубины:

г

д(г) = ?о(1 - Я)ехр(-{а(гМг), (1.11)

о

Для изотропной среды

д(х) = Лд0 ехр(-аг), (1.12)

где q и до — плотности мощности на поверхности и на глубине г, Я — коэффициент отражения, а - коэффициент поглощения, Л = 1-Я — поглощательная способность.

При поглощении излучения вещество нагревается. Нагрев материалов во многих случаях при использовании математических моделей описывается решением краевых задач теплопроводности. Особенности постановки задач нагрева материала лазерным излучением определяют выбор метода их решения. Обычно используют следующие аналитические методы для решения линейных задач теплопроводности в виде дифференциальных уравнений в частных производных, сначала линейных, а потом нелинейных [110]: функции Грина, метод разделения переменных Фурье, метод интегральных преобразований (в том числе Лапласа) и т.д. Методы решения нелинейных задач теплопроводности систематизированы в работах [111].

Для полубесконечного тела уравнение теплопроводности, записанное в прямоугольной системе координат (х, у, 7) в случае неподвижного источника теплоты, имеет вид:

(д / дг)(ЫрТ) = <Иу( kgradT) + д^, (1.13)

где С (удельная теплоемкость), р (плотность) и к (теплопроводность) являются функциями температуры, т.е. зависят от пространственных координат и времени; д^ - источник, действующий в объеме тела, который в общем случае также зависит от температуры.

Наибольший интерес для практики представляют изотропные системы с постоянными теплофизическими коэффициентами. В этом случае уравнение можно представит в виде:

(1/а)(дТ /дг) = АТ + д¥, (1.14)

где а = к/(Ыу) - коэффициент температуропроводности и А - оператор Лапласа.

Если воздействие лазерного луча на металлы и ряд других непрозрачных материалов считать поверхностным, то д¥ в уравнении (1.14) обращается в ноль, и (1.14) принимает следующий вид:

дТ / дг = а-

Г д 2Т д 2Т д 2Т ^

+ —- + -

V дх 2 ду 2 дг 2 у

(1.15),

где 1 - время, х,у,7 - прямоугольная система координат, связанная с телом.

На практике обычно нет необходимости точного решения задачи теплопроводности, а достаточно оценить значение пороговой (также называемой критической) плотности мощности излучения, при которой максимальная температура в обрабатываемом материале достигает

значения Т (например, для испарения материала эта температура кипения). В данном случае эти характеристики могут быть определены из выражения, которое определяет температуру на поверхности тела в центре обрабатываемой области в виде круга радиусом г0 в момент окончания воздействия.

Поглощение излучения вызывает нагрев вещества: сильный (поверхностный) или слабый (объемный). Для облучения в режиме поверхностного поглощения действие поверхностного источника задает следующее граничное условие [112]:

* дТ

- к э7

= 4( х, у, X) (1.16),

г=0

Т = Т = Т = Т , (1.17),

I I I I н

где # описывается выражением (1.12), а ось г перпендикулярна поверхности и направлена вглубь материала, Тн начальная температура (Т|х=о = Тн).

Решение системы уравнений (1.15) - (1.17) позволяет получить формулу (1.18), которая позволяет определить максимальную температуру тела при его нагреве лазерным излучением:

т=ад-ы^ +Тн (1.18).

к [п 2л1 ат}

При этом центр облученной представлен в виде круга радиуса г0 в момент окончания лазерного воздействия с длительностью импульса т

Рассматривая облучение в режиме объемного поглощения, зависимость температуры от плотности мощности можно представить в виде соотношения (1.19)

Т = ~РГ^-еХР

( 2 Л 2 ( 2 Л

4а т у

Г

о

4а т г

где 8- глубина проникновения света, составляет 10-5-10-6 см для металлов, т- длительность импульса.

Выражения (1.18) и (1.19) имеют два частных случая [112-114].

а) При Го >> у[ат выражения (1.18) и (1.19) примут следующий вид:

Т = 2,оа - (120)

кп

Т = <1оО^>+Тн (1.21)

рс8

б) При г0 <<4ат выражения (1.18) и (1.18) преобразуются следующим образом:

Т = д°(1 - ЮГо + Тн (1.22)

к

4ат у

+ Тн 1.19),

о

о

Т = до(1 - Я)г0 1п 4кд

2 ( ^ 19.4 ^

V го у

+ Тн (1.23)

Последующий процесс испарения материала [115, 116], когда фронт испарения -продвигается вглубь материала со скоростью V (Т), описывается формулой Френкеля:

V (Т) = со ехр

( Ьм ^

V Яг Т у

(1.24)

где со - скорость звука в твердом теле, Ьм - энергия активации соответствующего процесса в расчете на единицу массы (теплота испарения и т.п.), ЯГ - универсальная газовая постоянная, ^ - молярная (атомная) масса обрабатываемого материала

Достаточно подробно модели поверхностного испарения материалов разработаны в работах С.И. Анисимова, Дж. Рэди, В. А Ботанова и других [115-116].

Как было отмечено, анализ и исследование процессов, протекающих при воздействии лазерного излучения на материалы, связаны с использованием понятия «критической плотности мощности» или «критической интенсивности». Это, в свою очередь, связано с понятием разрушения вещества, обычно определяемого как плавление поверхности тела.

Используя понятие «критической интенсивности», можно осуществить классификацию [117, 118] технологических процессов, основанных на лазерной обработке, в соответствии со схемой, представленной на рисунке 1.31.

Из представленной на рисунке 1.31 схемы [117-12о] следует, что, когда осуществляется нагрев до температур, не превышающих температуру плавления, становятся возможны процессы термообработки (закалка и термическое упрочнение), а также отжиг структурных дефектов полупроводников. Основой технологических процессов поверхностной обработки является плавление тонкого поверхностного слоя и формирование покрытий, что позволяет осуществлять химико-термические процессы, обеспечивающие создание новых структур, в том числе благодаря возможности варьирования состава газовой смеси.

Превышение критической интенсивности испарения открывает возможности реализации процессов лазерно-плазменной обработки, сопровождаемой процессами структурно-фазовой модификации, синтеза соединений с заданными свойствами, повышения физико-механических характеристик поверхностных слоев при решении триботехнических задач и т.д. Создание условий обработки, когда превышен порог интенсивности, при котором возникает плазменный факел, открывает возможности обеспечивать процессы упрочнения поверхностного слоя толщиной в единицы и доли микрометров под действием ударной волны.

Лазерные технологические процессы

Интенсивность излучения, Вт/см2 Время действия импульса, с

Отжиг имплантиро ванных слоев

1о8-1о9/1о-8

Геттерирование

1о7-1о9/1о-8

Термообработка

1о6/1о-3

Плавление

< 1о7/1о-5-1о-2

Сварка

1о6-1о7

Очистка поверхности

< Ю'

Легирование

Образование силицидов

Создание аморфных структур < 1о7

Пайка <1о7

Зонная очистка кристалла

< 1о

Плакирование

Химико-термическая обработка

Улучшение

свойств структуры

< 1о5

Испарение

< 1о9/1о-8-1о-2

с

Резка

< 1о8

ч У

Сверление < 1о9

Обработка пленок

Подгонка

Ударное воздействие

> 1о9/< 1о-8

Ударное упрочнение

1о9/ <1о-8

Создание р-п переходов

1о9/< 1о-8

Рисунок 1.31 -

Классификация

процессов лазерной обработки

1.3. Технологические аспекты практического использования ИПЛТ при решении прикладных задач

Перспективы использования ИПЛТ в приборостроении обусловлены их высокой универсальностью, которая характеризуется, с одной стороны, возможностью обработки новых конструкционных материалов, причем отсутствуют ограничения по формированию наноразмерных структур с требуемыми геометрическими и физико-химическими и свойствами, а с другой стороны - разработкой комбинированных, взаимозаменяемых технологий с использованием одного и того же базового оборудования.

Известны технические решения по разработке технологии формирования посредством лазерной обработки контрастных изображений в виде штрих-кодов на поверхности изделий для защиты их от подделок и идентификации [121]. В работе [122] доказана принципиальная возможность использования лазерной маркировки для идентификации стрелкового оружия.

Результаты исследований применения твердотельных лазеров с диодной накачкой для 3D-маркировки в объеме прозрачных диэлектриков представлены в работе [123].

Особенности взаимодействия лазерного излучения с прозрачными диэлектриками рассматриваются в статье [124]. Формирование цветных изображений на поверхности металлов на основе лазерно-окислительных процессов исследуется в работе [125]. Перспективы использования магнетронного напыления ТЮ2 в теплотехнике, оптике и нанооптике отражены в работе [126]. Результаты исследований трибологических свойств алмазоподобных покрытий в зависимости от легирующего элемента приводятся в работе [127] Анализ трибомеханических свойств и структурных характеристик тонкопленочных покрытий на основе нитрида титана с добавками различных материалов, полученных при магнетронном напылении в условиях ионной бомбардировки и без нее, приводится в работе [128].

В результате исследований [129] установлено, что нитрид алюминий-кремний-титана (АШТ1)И является наиболее прочным и износостойким покрытием, которое рекомендуется наносить на рабочие поверхности деталей ролико-винтовых механизмов.

В работе [130] показано, что процесс ионного модифицирования в плазме титана позволяет изменять структурное состояние поверхности образцов из сталей ЭИ961 и ЭП866.

Результаты разработки чувствительного элемента навигационного сенсора на поверхностных акустических волнах с использованием технологий вакуумного напыления и последующего лазерного конфигурирования сложной топологии представлены в работе [131].

Особенности применения лазерных технологий для изготовления резонансных ячеек для атомных часов и гироскопов на эффекте ядерного магнитного резонанса рассматриваются в работе [132].

В работе [133] приводятся описание способа балансировки роторов, заключающийся в том, что устраняют дисбаланс ротора кратковременным периодическим воздействием на его поверхность лазерного луча, который перемещают поступательно и симметрично относительно «тяжелого места» ротора. Балансируемый ротор разгоняют до частоты балансировки и определяют величину дисбаланса и широтный угол расположения «тяжелого места» на поверхности ротора. По результатам этих замеров в процессе вращения ротора или при неподвижном роторе после его остановки осуществляют кратковременное периодическое воздействие на его поверхность лазерным лучом.

Недостатками данной технологии являются наличие следов в месте воздействия лазерного импульса в зоне балансировки и возможность образования облоя на поверхности ротора. Ограничивает технологические возможности способа и то, что не предусмотрено преимущественное устранение осевой или радиальной составляющей дисбаланса. Поэтому данное техническое решение требует доработки при его применении в отношении сверхпрецизионных узлов точность геометрии и формы, которых нормируется сотыми долями микрометров.

Приведенные примеры демонстрируют многофункциональность и универсальность ИПЛТ при решении различных прикладных задач. Однако описанные технологии имеют частный, адресный характер, а увеличивающаяся востребованность ИПЛТ в гироприборостроении требует разработки единого подхода к вопросам технологического проектирования. В свою очередь, это вызывает необходимость исследований ИПЛТ в рамках единого класса, что определяется подобием ионно-плазменной и лазерной обработки по механизму воздействия, связанному с обработкой потоками высокоэнергетических частиц, уровнем размерных параметров обработки, нормируемых нанометрами, и управляющими факторами процессов, в качестве которых выступают - температура, скорость и состав газовой среды.

Вполне правомерно и технически целесообразно рассматривать ионно-плазменные и лазерные технологии как единый комплекс технологических методов и средств, использование которых в гироскопическом приборостроении позволит решать задачи повышения точности и качества изделий, тем более что по известным классификациям [4] лазерная и плазменная обработки относятся к одному классу лучевых методов формообразования поверхностей.

Важным аспектом технологического проектирования процесса использования ИПЛТ при изготовлении прецизионных узлов гироскопических приборов является решение проблемы позиционирования и ориентации этих узлов относительно потока высокоэнергетических частиц, какими в данном случае являются поток ионов или фотонов. Узлы гироскопических приборов имеют, как правило, достаточно сложную конфигурацию, представляя собой, как

правило, тела вращения. Поэтому наряду с обрабатываемыми плоскими поверхностями, необходим анализ условий использования и средств оснащения ИПЛТ в отношении цилиндрических, сферических поверхностей, включая полную сферу.

Все указанное выше требует разработки новых подходов к технологическому проектированию узлов гироприборов для обеспечения совокупности перспективных технических требований с учетом аспекта преемственности (согласованность новых операций с предыдущими и последующими). Это означает, что не должны ухудшаться результаты предыдущих и возможности последующих операций в условиях, когда точности узлов и элементов нормируются долями микрометра.

Аспект преемственности операций в технологическом процессе неразрывно связан с применением системного анализа при технологическом проектировании, необходимость использования которого обусловлена высокой сложностью современных гироскопических приборов. Поэтому методы решения задач создания изделий гироприборостроения связаны с разделением конечной задачи на подзадачи с построением иерархии: материал, деталь, узел, изделие[134, 135]

Для каждого уровня решение подзадачи связано с разработкой и обоснованием критериев оценки и выявлением технологических методов и средств управления формируемыми свойствами и параметрами. Такое представление является основой выявления системных подходов к решению общей задачи, при этом имеется в виду, что параметры изделия определяются свойствами материалов и техническими характеристиками деталей и узлов в совокупности отношений и связей между ними.

1.4. Выводы по главе 1

1. Проведен анализ существующих и перспективных конструкций гироскопических приборов с выявлением тенденций их совершенствования и развития, включая создание принципиально новых модификаций.

2. В качестве основного объекта исследований определен чувствительный элемент гироскопов с неконтактным подвесом сферического ротора, совершенствование процесса изготовления которого требует разработки комплекса технологических методов и средств создания моментов инерции для роторов из новых неметаллических конструкционных материалов, корректировки дисбалансов и формирования контрастных изображений.

3. Представлены конкретные примеры ограниченных возможностей и противоречий существующих технологий, что обусловливает важность и необходимость выявления новых подходов к решению проблем развития гироскопического приборостроения.

4. Рассмотрены классификация, физические основы и параметры процессов ионно-плазменной и лазерной обработки.

5. Выявлено, что известные технологические решения по формирования изображений и корректировки дисбалансов на основе лазерных технологий требуют уточнения и совершенствования в отношении изготовления узлов, точность формы которых нормируются долями микрометров.

5. Определены возможности использования особенностей механизмов воздействия ИПЛТ на обрабатываемые детали для эффективного решения задач гироскопического приборостроения, включая многоцелевые и многокритериальные.

Глава 2

Системное моделирование процессов создания узлов и элементов гироскопических приборов на основе использования ИПЛТ

Как было показано в главе 1, разработка и создание современных гироскопических приборов требует использования при изготовлении их узлов и элементов новых прогрессивных технологических методов, к которым относятся ионно-плазменные и лазерные технологии [6]. В свою очередь, это вызывает необходимость рассмотрения ИПЛТ как важнейшего компонента процесса создания гироскопических приборов с учетом технических перспектив и взаимосвязи локальных, тактических и стратегических целей исследований и обусловливает научную потребность выявления направлений, методов и средств методологического обеспечения использования ИПЛТ.

Основой для повышения эффективности поиска и выявления оптимальных технических решений в данном случае могут быть рекомендованы целевые подходы к задачам технологического проектирования [136-138] с использованием принципов такой универсальной методики, как системный анализ, в наибольшей степени отвечающий условиям разработки процессов создания объектов новой техники.

Исходя из известных общих представлений [139-141], можно выделить следующие основные положения, позволяющие использовать системные подходы в гироскопическом приборостроении для решения задач технологического проектирования.

1. Гироскопический прибор и технологический процесс его создания можно рассматривать как системы, которые можно расчленить на взаимосвязанные подсистемы, при этом формально предел уровней декомпозиции отсутствует. В этом проявляется один из основных принципов системного анализа - блочно-иерархический.

2. Объективный анализ процесса создания гироскопических приборов возможен с учетом их предыстории (ретроспективы) и тенденций (прогнозов) развития, включая анализ соответствующих данной системе подсистем.

3. Разрабатываемые при создании гироскопических приборов и процессов их изготовления технические решения являются моделями данного предмета, а сам процесс проектирования, в том числе и технологического, можно обозначить как построение соответствующих конкретных моделей.

В соответствии с этими общими принципами, в данной главе представлены концептуально-теоретические аспекты исследований и принципы применения системных подходов к решению задач создания узлов и элементов гироприборов на основе ИПЛТ.

2.1. Принципы применения системных подходов к решению задач создания узлов и элементов гироприборов на основе ИПЛТ

Анализ конструктивных особенностей современных и перспективных гироскопических приборов, представленный в главе 1, показывает, что каждое из изделий современного гироскопического приборостроения можно рассматривать, как сложную систему, состоящую из совокупности подсистем, связанных общими целями функционирования. Аналогично конструкции, технологию изготовления современных гироприборов также следует рассматривать как сложную систему, образованную большим количеством технологических операций, имеющих взаимосвязи и образующих свою иерархическую структуру. Поэтому правомерно и целесообразно при разработке технологии изготовления современных гироскопических приборов использовать принципы системного моделирования.

В общем случае при рассмотрении любой существующей системы и процесса её функционирования выявляются проблемные ситуации. Для разрешения каждой проблемной ситуации проводится системное исследование при помощи методов декомпозиции, анализа и синтеза системы. Моделирование системы часто позволяет провести оценку степени сложности и определения путей снятия каждой проблемной ситуации. Общий подход к разрешению проблемных ситуаций, применяемый в рамках системного анализа, может быть основан на следующих принципах применения системных подходов [142].

1. Декомпозиция объекта, каким является гироскопический прибор, до узлов, деталей и элементов, с выявлением на каждом уровне декомпозиции корреляции функциональных параметров и технических требований с построением структурных схем и алгоритмов. Поэтому в рамках процесса декомпозиции гироскопический прибор и процесс его создания рассматривается как система, которую можно расчленить на взаимосвязанные подсистемы (рисунок 2.1), в качестве которых выступают узлы (У), и функциональные элементы (ФЭ).

В этом проявляется один из основных принципов системного анализа - блочно-иерархический. Декомпозиция осуществляется до уровня функциональных элементов, процесс формирования которых обусловлен механизмами воздействия ИПЛТ и управляющими факторами технологического процесса.

Как было определено в главе 1, функциональный элемент - часть технической системы, представляющая собой составную часть детали или узла, которая выполняет определенные технические функции, обеспечивающие выполнение всей совокупности функций технической системы. Например, АЭ обеспечивают создание моментов инерции ротора, а тонкопленочные покрытия позволяют формировать требуемые

Рисунок 2.1 - Декомпозиция гироскопа

оптические, трибологические или электрофизические свойства поверхности. При этом создание того или иного функционального элемента обеспечивает формирование конкретного функционального параметра, нормируемого согласно техническим требованиям. Функциональные параметры задаются на уровне системы - это точность и надежность, например, шарового гироскопа, подсистемы - например, точность оптической системы списывания, далее - точность узлов (ротора) и его функциональных элементов.

2. Анализ основан на структурировании функциональных элементов с определением состава и последовательности процесса их формирования. На этом этапе определяется взаимосвязь механизмов формирования функциональных элементов и факторов воздействия ИПЛТ на обрабатываемый объект.

3. Синтез решений определяется разработкой и последовательной формализацией концептуальной модели, представляющей собой качественное описание механизмов формирования функциональных элементов с использованием ИПЛТ. Построение и последовательная формализация концептуальной модели, сопровождаемая переходом от качественного описания к количественному, позволяет разработать систему моделей, обеспечивающих формирование функциональных параметров узлов и элементов. Эти модели определяют зависимости функциональных параметров от управляющих факторов процесса формирования этих параметров при использовании ИПЛТ.

4. Оптимизация позволяет с использованием разработанных моделей определить сочетания управляющих факторов технологического процесса, обеспечивающие формирование заданных значений функциональных параметров.

Выявление оптимальных значений управляющих факторов и оценка адекватности выявленных технических решений позволяет перейти к практической реализации, после чего следует контроль соответствия функциональных параметров узлов и элементов сначала технической документации (на уровнях функциональный элемент - деталь - узел), а затем -оценка при испытаниях эксплуатационных и рабочих характеристик гироприбора.

2.2. Этапы технологического проектирования процессов изготовления гироприборов на основе ИПЛТ

Использование системных подходов позволяет упорядочить и структурировать последовательность действий процесса технологического проектирования и представить эту последовательность в виде совокупности этапов, каждый из которых может быть определен как алгоритм, блок-схема, информационно-логическая модель, ориентированный граф и т.д.

На рисунке 2.2 с учетом сформулированных принципов использования системных подходов представлена формализованная последовательность этапов, определяющих

технологическое проектирование процессов изготовления гироскопических приборов на основе ИПЛТ.

Как видно из рисунка 2.2., на первом этапе (блок 1) технологического проектирования осуществляется декомпозиция прибора на входящие в его состав подсистемы, узлы и элементы и анализ (блок 1.1) взаимосвязей узлов и элементов разных уровней, и разрабатывается структурная схема корреляции параметров гироскопа и технических характеристик его узлов и функциональных элементов (блок 1.2). Анализ структурной схемы позволяет определить параметры гироскопического прибора, как функции внутренних параметров, формируемых в результате декомпозиции элементов схемы.

1.

Рисунок 2.2 - Основные этапы технологического проектирования процесса изготовления

гироприбора на основе ИПЛТ

На втором этапе (блок 2) в общем виде осуществляется синтез технических решений (блок 2.1), включая альтернативные варианты, и критериев сравнения промежуточных результатов с требуемыми значениями, с построением информационно-логической модели технологического проектирования (блок 2.2).

Далее (блок 3) на основе выявленной корреляции характеристик прибора и функциональных параметров его узлов и элементов, с одной стороны, и предполагаемых технических решений, с другой стороны, разрабатывается концептуальная модель (блок 3.1), которая определяет процесс формирования функциональных параметров узлов и элементов гироприборов с использованием ИПЛТ. В процессе формализации концептуальной модели

(блок 3.2) учитывается взаимосвязи механизмов ИПЛТ и физической сущности процессов формирования функциональных параметров узлов.

Формализация концептуальной модели предполагает качественное (блок 3.3) и затем количественное определение целевых функций, что обусловливает использование концептуальной модели как основы для разработки математической модели (блок 4). В процессе формализации и преобразования целевых функций на уровне узла определяется содержание составляющих компонент этих функций и сочетаний управляющих факторов, в качестве которых выступают параметры ИПЛТ, с определением оптимальных сочетаний, обеспечивающих решение конкретной задачи.

Представленная на рисунке 2.2 в виде блок-схемы последовательность этапов технологического проектирования процесса изготовления гироприборов на основе ИПЛТ основана на системных подходах и в полной мере предполагает возможность формирования и представления этих этапов в виде взаимосвязанных и согласованных алгоритмов, графов, структурных схем и моделей. Это обеспечивает объективный и корректный характер процесса технологического проектирования.

2.3. Применение системных подходов к решению задач технологического проектирования гироскопа с неконтактным подвесом сферического ротора

Эффективность предложенных принципов применения системных подходов к задачам технологического проектирования была продемонстрирована на примере изготовления шарового гироскопа (или гироскопа с неконтактным подвесом сферического ротора). С использованием принципов декомпозиции и анализа были разработаны структурная схема корреляции показателей точности гироскопа и характеристик его узлов и элементов и на ее основе - информационно-логическая модель, предусматривающая синтез технических решений и формирование результатов при использовании методов ИПЛТ для изготовления узлов и элементов гироскопических приборов.

2.3.1. Структурная схема корреляции показателей точности гироскопа и технических характеристик его узлов и функциональных элементов

Корректность моделирования процесса создания гироскопа с использованием ИПЛТ связана с формированием и анализом на примере прибора БЭСГ структурной схемы корреляции характеристик прибора и функциональных параметров его узлов и элементов (рисунок 2.3.), где уровни показателей точности выделены с использованием декомпозиции и структурирования.

Структурная схема является комбинированной, одна ее часть формализуется в виде аналитических зависимостей, а другая часть - в виде имитационной модели, представляющей собой совокупность алгоритмов функционирования системы или правил изменения ее состояния. Можно предполагать, что показатель точности гироскопа, является функцией внутренних параметров, которые формируются в результате декомпозиции узлов и элементов схемы.

Важным фактором в структурной схеме является установление взаимосвязей между ее элементами, как вертикальных, определяющих иерархическую подчиненность элементов, так и горизонтальных. Кроме того, необходимо выявление взаимосвязей между элементами различных уровней из соседних вертикальных ветвей схемы, которые позволяют учитывать неочевидный характер этих взаимосвязей, и которые можно квалифицировать как использование эвристических подходов в процессе моделирования.

На представленной структурной схеме в качестве целевой функции определен наиболее важный параметр - показатель точности гироскопа, а схема определяет порядок решения, которое, в конечном счете, обеспечивает оптимизацию по этой целевой функции. Поскольку вид целевой функции показывает, как зависит оптимизируемый показатель от различных параметров, то таким образом осуществляется формализация понятия цели и можно предполагать, что показатель точности гироскопа является функцией внутренних параметров.

Рисунок 2.3 - Структурная схема корреляции характеристик прибора (БЭСГ) и функциональных параметров узлов.

Решая, в конечном счете, задачу оптимизации проектирования процесса создания гироскопа, важно отметить, что для приведенной структурной схемы характерно использование метода локальной оптимизации, когда решаются проблемы повышения точности узлов и элементов гироскопа на нижележащих уровнях схемы. При этом можно использовать понятие аддитивных критериев, когда целевая функция образуется путем сложения с заданными коэффициентами параметров, определяющих точности узлов и элементов.

В соответствии с общими положениями в разработанной схеме (рисунок 2.3.) точность шарового гироскопа обеспечивается: повышением точности определения углового положения ротора, то есть точностью ОСС (первая ветвь схемы на рисунке 2.3), и минимизацией уводящих моментов, напрямую определяемой точностью изготовления ротора (вторая ветвь схемы на рисунке 2.3). Таким образом, выбирая в качестве целевой функции показатель точности гироскопа и определяя его на первом уровне декомпозиции структурной схемы, на втором, иерархически подчиненном уровне, можно представить узлы гироскопа, показатели точности узлов и критерии оценки этих показателей.

Контролируемыми метрологическими характеристиками точности ОСС БЭСГ и перспективной модификации КГ можно считать: пространственные карты отражения растрового рисунка на поверхности ротора, определяемый в экваториальной зоне сигнал оптического датчика, а также кривые нелинейности [143].

Точность ОСС (уровень узлов на рисунке 2.3) характеризуется чувствительностью 5 оптического измерителя и определяется геометрией формируемого рисунка - числом полос п и углом их наклона в к экваториальной плоскости ротора по формуле [144]:

5 _ _ 2п

da tgв'

где ф — разница фаз сигналов с двух, разнесенных по диаметру оптических датчиков на входе первого преобразователя фаза-код, а — широтный угол рисунка. Из приведенной формулы следует, что изменяя конфигурацию рисунка, например широтный угол или количество полос, можно изменить чувствительность 5.

Другой характеристикой чувствительности ОСС является контраст рисунка К [143], определяемый нормированной разностью коэффициентов отражения базовой Кб поверхности ротора и нанесенного рисунка Кр,

К _ К б — К р

К б + К р

Из анализа второй ветви общей структурной схемы (рисунок 2.3) следует, что точность гироскопа определяется минимизацией уводящих моментов, обусловленной геометрической точностью формы ротора, величиной дисбалансов и однородностью поверхности ротора.

Динамика ротора, в первую очередь, характеризуется параметрами годографа (траектория движения динамической оси ротора при функционировании гироскопа) и условиями разгона/торможения ротора (уровень узлов структурной схемы). При этом радиальная ер составляющая дисбаланса ротора служит плечом подкручивающего момента и не может иметь нулевое значение (уровень функциональных элементов структурной схемы). Осевая же составляющая дисбаланса должна быть минимизирована, так как она определяет систематическую составляющую ухода гироскопа, определяемую зависимостью: (Одр ~ А ■ £о,

где А — константа, полученная в результате анализа (при статистической обработке) данных по изготовленным роторам, £о — осевая составляющая дисбаланса ротора.

Таким образом, оптические характеристики основного узла БЭСГ - сферического ротора - обусловливают точность функционирования ОСС, а геометрия, дисбалансы и однородность поверхностной проводимости ротора предопределяют величины уводящих моментов и дрейф, который, в конечном счете, определяет точность гироскопа.

2.3.2 Информационно-логическая модель технологического проектирования процесса

создания шарового гироскопа

Обобщенному представлению процесса создания гироскопических приборов в наибольшей степени отвечает абстрактное отображение этого процесса, представляемое информационно-логической моделью (ИЛМ), которая в соответствии с блочно-иерархическим принципом построения объекта включает в себя совокупность взаимосвязанных систем, реализующих содержание основных этапов технологического проектирования процессов изготовления изделия.

На основе анализа взаимосвязей между элементами различных уровней структурной схемы (рисунок 2.3) была разработана [141] информационно-логическая модель (ИЛМ) (рисунок 2.4), в которой определена и конкретизирована совокупность этапов принятия технических решений при технологическом проектировании процесса создания шарового гироскопа (БЭСГ и КГ), где в качестве основного узла рассматривается сферический ротор.

Разработанная ИЛМ представляет собой классификацию последовательного типа, которая с позиций системного анализа представляет классификационные признаки различных уровней. Эти признаки в ИЛМ определены как совокупность элементов ротора (блоки 2-5), рабочие характеристики БЭСГ (блок 6), технические характеристики узлов и элементов (блоки 7-8), формирование технических требований к гироскопу {ТТ }г (блок 9), ротору {ТТ}р (блок 10) и элементам ротора {ТТ}э (блок 11), синтез результатов {Я} (блок 12) с использованием

ИПЛТ, а также оценка соответствия синтезированных результатов {Я} сформированным техническим требованиям {ТТ}э, {ТТ}р и {ТТ}г, определяемая содержанием блоков 13 -15.

Направление информационных потоков в представленной ИЛМ характеризуется двунаправленностью. При выявлении зависимости функциональных параметров прибора от параметров функциональных элементов, определяемых технологией их изготовления, предусмотрено перемещение информации в соответствии со структурой ИЛМ от гироскопа к его узлам и элементам. При этом оценка соответствия результатов и требований предполагает обратное направление информационного потока - от элементов ротора к изделию в целом. Очевидно, что каждый блок ИЛМ может быть представлен в виде самостоятельной структурной схемы, уточняя тем самым детализацию процесса технологического проектирования.

Используемый принцип декомпозиции позволяет установить основные параметры сферического ротора: геометрические, оптические и динамические, определяемые моментом инерции, дисбалансом, формой и контрастом растрового рисунка. Формирование этих функциональных параметров целесообразно соотнести с выявлением конкретных технических решений и представить как алгоритм процесса изготовления ротора. При этом выявление технических решений обусловлено моделированием соответствующих процессов [141] и может включать комбинирование различных элементов возможных альтернативных решений.

Важным аспектом процесса технологического проектирования является формирование критериев для оценки возможности использования технологических факторов ИПЛТ, что может быть определено в алгоритмах, разрабатываемых на основе ИЛМ и структурной схемы корреляции показателей.

Наибольший интерес представляют интегральные критерии, наиболее объективно определяющие эффективность использования какого либо альтернативного технического решения. Например, при выборе материала покрытия целесообразно использовать интегральный критерий, представляющий собой сочетание признаков, характеризующих собой требования к свойствам материала покрытия с точки зрения обеспечения требований к элементам ротора и ротору.

Представленные на рисунках 2.3 и 2.4 структурная схема и ИЛМ относятся к шаровым гироскопам (БЭСГ и КГ), однако используя те же общие принципы системных подходов можно построить аналогичные схемы и для других гироскопических приборов. Например, для криогенного гироскопа уровень точности системы съема информации во многом определяется также качеством выполнения тонкопленочных измерительных витков сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков (СКВИД-магнитометров) [49], при конфигурировании которых весьма эффективно использование методов ИПЛТ. Для двухстепенного поплавкового гироскопа при определении надежности и ресурса работы в качестве основных показателей [73], процесс декомпозиции связан с последовательным анализом цепочки: гироскоп, газовые подшипники, опоры и фланцы подшипника, износостойкое покрытие на опорах и фланцах, аэродинамический профиль на полусферической поверхности опор. К функциональным элементам, формирование которых осуществляется с использованием методов ИПЛТ [145], в этом случае можно отнести профиль канавок на опорах аэродинамического подшипника, а к требуемым параметрам - точность их выполнения, переменную глубину канавок в продольном и поперечном сечениях, а также шероховатость поверхности после обработки.

2.4. Разработка и последовательная формализация концептуальной модели процесса

формирования функциональных параметров узлов и элементов гироприборов

Согласно представленной на рисунке 2.2 схеме, один из основных этапов технологического проектирования процесса создания конкретного объекта на основе использования ИПЛТ связан с разработкой и формализацией концептуальной модели, которая включает описание основных элементов моделируемой системы и взаимодействий между ними, и обусловлена, в конечном счете, выводом аналитического или эмпирического вида целевых функций, условий и ограничений, определяющих эту модель. [138, 146].

Фактически этот этап определяет и конкретизирует содержание блока выявления технических решений (блок 12) в ИЛМ технологического проектирования (рисунок 2.4), в рамках которого концептуальная модель устанавливает механизм формирования функциональных параметров узлов и элементов гироприборов, учитывая корреляцию характеристик прибора и функциональных параметров его узлов и элементов.

В концептуальной модели операторы перевода объекта в требуемое состояние определяются множеством сочетаний управляющих факторов. Это усложняет модель и обусловливает затруднения с интерпретацией результатов. Последовательная формализация модели с декомпозицией, как самого объекта, так и этих множеств, и использованием методов непараметрической и параметрической аппроксимации, позволит перейти к более наглядным и

простым структурам и построить систему взаимосвязанных моделей, которая, по сути, является многокритериальной системой.

При качественном определении на первом этапе формализации и последующем выводе целевых функций в виде математических выражений, т.е. функций, связывающих цель (оптимизируемый параметр) с управляемыми факторами в задаче оптимизации, подбираются такие значения факторов, при которых значение функции в наибольшей мере обеспечивает требуемое конечное состояние объекта.

В качестве целевой функции для сложных систем, как правило, принимают параметр, наиболее важный и наиболее полно характеризующий свойства объекта, определяя его как частный критерий.

Принимая точность гироскопа в качестве основного оптимизируемого параметра или критерия оценки [147], на первом этапе формализации можно представить целевую функцию ¥} в виде:

¥=¥(Х1, Х2, Х3... Хп), (2.1)

где Х1, Х2, х3... хп — аргументы, подлежащие оптимизации. При этом указанные аргументы относятся к узлам и деталям гироскопа и определяют их точность, являясь, как правило, комплексными показателями, для определения которых в известной мере возможно использование принципа формирования аддитивных критериев.

Рассматривая узлы и детали гироскопа, для каждого из них в общем виде целевую функцию ¥2 можно представить следующим образом:

¥г=¥г(Уl, У2, У3. Уп), (2.2)

где ух, У2, у3... уп — аргументы, которые относятся к функциональным элементам гироскопа, определяя точность их выполнения, и также являясь, как правило, комплексными показателями.

Для каждого функционального элемента также существует целевая функция ¥3

¥3=¥3(ц, гг, г.- гп), (2.3)

где ц, г2, г3...гп - аргументы, определяющие технические характеристики функционального элементов, процесс оптимизации которых можно представить на основе использования методов ИПЛТ.

Поскольку функциональные параметры, формируемые при создании функциональных элементов, определяют характеристики узла, то можно считать, что для целевых функций узлов (выражение 2.2) оптимизация аргументов производится на основе использования методов ИПЛТ. Последовательная формализация с качественным и количественным определением целевых функций представляет концептуальную модель как основу будущей математической

модели, поскольку в ней отражается состав критериев оптимальности [148, 149]. В качестве этих критериев принимаются количественные оценки оптимизируемых показателей, в данном случае функциональных параметров узлов гироприборов. Процесс преобразования на конечном этапе формализации качественных зависимостей в количественные переводит концептуальную модель в математическую.

В этом случае целевая функция, устанавливающая оптимизацию функциональных параметров узлов гироприборов на основе использования ИПЛТ, определяется содержанием двух компонент - термодинамической, описывающий механизм структурно-фазовой модификации и кинематической, определяющей траекторию перемещения узла или инструмента в ходе обработки [147].

Оптимизация аргументов на уровне функциональных элементов и последующее формирование термодинамической и кинематической компонент целевой функции узлов обусловлена выявлением технологических решений на основе использования новых методов и средств, к которым можно отнести ИПЛТ [6].

Разработку и последовательную формализацию концептуальной модели совокупности технологических процессов формирования функциональных параметров узлов и элементов гироприборов предложено осуществлять, исходя из следующих положений.

1. При переходе Р объекта из состояния X в состояние У воздействие ИПЛТ вызывает изменение геометрии (О) объекта, либо структурно-фазовую модификацию (М) материала, либо и то и другое.

2. Переход Р объекта из состояния X в состояние У характеризуется изменением термодинамического состояния системы, связанного либо с фазовыми переходами, определяющими изменение формы объекта, либо с протеканием топохимических реакций, приводящих к модификации поверхностного слоя. В этом случае состояние системы

характеризуют термодинамические функции - энтропия энтальпия АЛ 0, энергия

Гиббса А^Т, а параметры, определяющие термодинамический процесс, переводящий систему из одного состояния в другое, - температура, состав и парциальное давление газовой среды и время - являются управляющими факторами ИПЛТ.

3. Использование ИПЛТ требует создания специальных средств оснащения, обеспечивающих, либо движение инструмента - потока (или источника) высокоэнергетических частиц, либо перемещение объекта обработки, либо одновременное движение и объекта, и инструмента

4. Практическая реализация ИПЛТ требует разработки двух согласованных компонент -термодинамической и кинематической, а концептуальную модель на стадии формирования

функциональных параметров можно представить в виде функции от совокупности разнородных множеств и отношений между ними:

[Р : X ^ У} о

[Чл е X|Р(х) = у, у е О, О е У} ^ ¥о [{{Ф^ 1 }О, {Фкинем, ,О

I }о ]

V

[Чле Хр(л) = у, у е М,М е У}^ ¥м [{[Ф^). }м, {Ф^ем). }м ]

V

Чл е X

р(л) = у, у е м П о} ^ ¥оМ | [{фтд)I }см , [Фкинем)}ОМ

(2.4),

где используются в качестве переменных при формировании целевой функции на этой стадии множества сочетаний управляющих факторов процесса ИПЛТ - термодинамических |<Фтд>г| и кинематических |<Фкинем>/|.

В представленной системе (2.4) первое выражение описывает изменение геометрии обрабатываемого объекта - добавление, удаление, перераспределение материала, например, в ходе напыления, ионного травления, лазерного испарения и т.д. Второе выражение определяет изменение структурно-фазового состояния материала - реактивное напыление, лазерное легирование, ионная имплантация. Третье выражение характеризует согласованное изменение геометрии объекта и структурно-фазового состава материала формируемых функциональных элементов. При этом каждое из этих выражений определяется содержанием факторов из двух множеств - термодинамического и кинематического.

Раскрывая содержание компоненты |<Фтд>г|, выделим такие значимые параметры и управляющие факторы в задаче оптимизации, как скорость и время обработки, температура, парциальное давление компонентов газовой среды [150]. Множество |<Фкинем>/| включает сочетания значимых параметров и управляющих факторов процесса обработки, определяющих ориентацию и перемещения обрабатываемого объекта относительно ионного потока или лазерного луча.

Рассматривая сферический ротор БЭСГ, как наиболее важный узел шарового гироскопа (раздел 1.1.1.1), можно выделить следующие функциональные параметры, непосредственно определяющие качество ротора и точность гироскопа: момент инерции, дисбаланс, контраст растрового рисунка, показатель однородности электрофизических свойств поверхности. Процессы формирования этих функциональных элементов можно сопоставить с механизмами воздействия методов ИПЛТ на обрабатываемый ротор.

Физическая сущность процессов формирования моментов инерции и дисбалансов связана с добавлением или удалением массы материала с поверхности узла. Требуемые

оптические и электрофизические свойства обеспечиваются за счет структурно-фазовой модификации поверхностного слоя материала. Структурно-фазовая модификация поверхностного слоя материала определяется топохимическими взаимодействиями и связана с образованием в поверхностном слое новых фаз - различных оксидов, нитридов, интерметаллических соединений, твердых растворов и фаз сложного, в том числе и нестехиометрического состава.

Технологическое проектирование процессов формирования функциональных элементов связано с использованием системных подходов, позволяющих на основе приведенных положений по формализации концептуальной модели определить взаимосвязь, структуру и последовательных действий по технологическому проектированию процессов формирования функциональных параметров узлов гироприборов на основе ИПЛТ.

2.5. Ориентированный граф процесса изготовления ротора

Процесс технологического проектирования очевидным образом связан со структурированием данных, необходимых для выявления и корректной организации процесса технологического проектирования [151]. Наиболее эффективно в данном случае использовать построение графов [152]. Применение теории графов обусловлено определением понятия графа как нелинейной структуры данных, поскольку линейные структуры данных, к которым относятся таблицы, списки, стеки характеризуются тем, что связывают элементы отношениями типа «простого соседства». В противоположность им в нелинейных структурах данных элементы располагаются на различных уровнях иерархии и подразделяются на три вида: исходные, порождённые и подобные [152-154].

С учетом приведенной ИЛМ на рисунке 2.4 в разделе 2.3.2, известных технических решений [6, 155] и, исходя из сформулированных положений и принципов использования ИПЛТ, для ротора шарового гироскопа разработан ориентированный граф процесса его изготовления (рисунок 2.5), позволяющий наглядно представить состав и структуру анализируемой системы.

На графе, представленном на рисунке 2.5, последовательные состояния ротора Х1...Х9, определяются переходами Р1...Р12 (ребра графа), которым сопоставлены механизмы ИПЛТ, описываемые разработанной концептуальной моделью, и формируемые при этом функциональные параметры. При этом каждое ребро графа определяется соответствующей моделью. Маршруты в графе для полного цикла изготовления ротора начинаются вершиной 1 (состояние Х1) и заканчиваются вершиной 9 (состояние Х9). Очевидно, что возможно множество маршрутов перемещения по ребрам между вершинами Х1 и Х9.

Согласно графу, процесс технологического проектирования изготовления ротора шарового гироскопа на основе ИПЛТ включает следующие операции: создание моментов инерции, устранение и корректировку дисбаланса и формирование оптических характеристик.

В соответствии со сформулированными положениями по разработке и последовательной формализации концептуальной модели [147] формирования функциональных параметров узлов и элементов гироприборов, определяющими механизм воздействия ИПЛТ, как добавление или удаление материала, формирование моментов инерции сферических роторов целесообразно рассмотреть, исходя из последовательных переходов ротора из одного состояния в другое. Эти переходы осуществляются в два этапа. На первом этапе, производится удаление материала основы ротора: Хх^Х2, Х\^Х3 и Хх^Х4, а на втором этапе: Х2^Х5, Х3^Х5 и Х4^Х5, -добавление материала, имеющего более высокую плотность по сравнению с основой. Регулируя конфигурацию удаляемого и добавляемого материала, можно управлять процессом создания моментов инерции ротора. При этом следует отметить, что удаление или добавление материала осуществляется на макроуровне, когда размерные параметры составляют десятые доли миллиметра. Представленная схема определяет альтернативные варианты процесса создания моментов инерции [155].

Механизм ИПЛТ

Удаление массы (микроуровень)

Добавление массы (микроуровень)

Структурно-фазовая

модификация

материала

Формируемый параметр

I - Момент инерции

II -

Дисбаланс, Кб

III - Кр,

^ Контраст растра К

Рисунок 2.5 - Ориентированный граф процесса изготовления ротора шарового гироскопа

Как наиболее эффективные альтернативные технические решения по созданию моментов инерции можно определить формирование из сферической заготовки Х1 эллипсоида вращения Х2, (ребро Р1), сферу с отсеченным в экваториальной зоне кольцевым фрагментом -«бочкообразную конструкцию» Х3 (ребро Р2), или сферу, имеющую в экваториальной зоне канавку Х4 (ребро Р3). Последующее, осуществляемое на втором этапе, восстановление сферической формы Х5 (ребра Р4-Р6) обрабатываемой заготовки ротора, например, путем напыления покрытия с большей плотностью по сравнению с плотностью исходной заготовки Х1, позволяет сформировать момент инерции.

На следующих стадиях обработки осуществляется устранение или корректировка дисбаланса ротора, также основанная на добавлении или удалении материала, либо путем испарения Р8 локальной точечной массы [156] с «тяжелого места» ротора для бочкообразной конструкции (состояние Х6), либо путем напыления покрытия со смещенным центром [157], либо переменной скоростью вращения сферической заготовки ротора при напылении [158] (описывают ребра Р7 и Р9) для двух других конструкций (состояние Х7 и Х8). В данном случае добавление или удаление материала осуществляют на микроуровне и оперируют величинами удельного дисбаланса и смещения центра в сотые и тысячные доли микрометра.

Финишная операция - это формирование оптического изображения, которое также выполняется в два этапа. В начале в процессе нанесения покрытия (описывают ребра Р7, Р9 и Рц) формируется коэффициент отражения базовой поверхности, затем (ребра Р10-Р12) на поверхности ротора, например, путем локального лазерного окисления функционального покрытия, создается растровый рисунок с требуемым коэффициентом отражения поверхности растра, что обеспечивает заданную контрастность рисунка.

Из представленного графа наглядно видно, что в процессе формирования функциональных параметров ротора возможно решение многоцелевых задач, т.к. формирование покрытия, обеспечивая корректировку дисбаланса (ребра Р7 и Р9), одновременно создает коэффициент отражения базовой поверхности ротора, который определяет получение оптических характеристик на последующих стадиях процесса (ребра Р10, Р11 и Р12).

Последовательные состояния ротора Х1...Х9, связанные с формированием функциональных параметров, определяются операторами переходами (ребрами графа) Р1.Р12, что позволяет, в конечном счете, определить количество и содержание моделей ИПЛТ, обеспечивающих указанный процесс с учетом альтернативных технических решений.

В представленном на рисунке 2.5 ориентированном графе процесса создания ротора шарового гироскопа операторы перехода ротора из одного состояния в другое (вершины графа) можно определить как элементы информации. Последовательность вершин и ребер является маршрутом графа, а число ребер в маршруте - длиной маршрута. Каждый маршрут определяет

конкретный альтернативный вариант процесса изготовления ротора и может использоваться при технологическом проектировании этого процесса. А обозначенная в маршруте совокупность технологических методов и средств связывает параметры ИПЛТ с характеристиками ротора и условиями, определяющие диапазоны варьирования параметрами ИПЛТ.

Из представленного на рисунке 2.5 графа можно выделить следующие основные маршруты.

1. При создании моментов инерции ротора формированием из сферической заготовки Х1 эллипсоида вращения Х2 с устранением дисбаланса локальным лазерным испарением точечной массы материала:

Х^ Х2^Х5^Х6^ Х9 (2.5)

2. При создании моментов инерции посредством формирования бочкообразной конфигурации заготовки и балансировки посредством смещения центра сферы напыляемого функционального покрытия относительно центра заготовки за счет изменения расстояния от ротора до источника напыляемого материала:

Х^ Х3^ Х5^ Х7^ Х9 (2.6)

3. При создании моментов инерции посредством изготовления сферической заготовки,

имеющей в экваториальной зоне кольцевую канавку, балансировки за счет смещения центра сферы напыляемого функционального покрытия относительно центра сферической заготовки, определяемого переменной скоростью вращения сферической заготовки ротора при напылении:

Х^ Х4^ Х5^ Х8^ Х9 (2.7)

Очевидно, что, исходя из структуры графа, можно привести еще целый ряд маршрутов, определяющих альтернативные варианты процесса изготовления ротора.

Вместе с тем, следует отметить, что в представленном ориентированном графе (рисунок 2.5) не учитываются особенности процесса балансировки, которые включают устранение дисбаланса, с одной стороны, определяемое свойствами материала, например, анизотропия, и корректировку дисбаланса, а с другой стороны, обусловленное возможными погрешностями процесса формирования функциональных элементов ротора.

Для более детального представления структуры данных и расширения возможностей процесса технологического проектирования на базе графа, представленного на рисунке 2.5, был разработан ориентированный мультиграф (рисунок 2.6), на котором определены линейные участки, объединяющие операторы, которые выполняются последовательно один за другим, а также циклы и ветвления.

Рисунок 2.6 - Мультиграф процесса изготовления ротора шарового гироскопа

В мультиграфе (рисунке 2.6) после формирования заготовки ротора в виде эллипсоида вращения (что описывается переходом X1 ^ X2), бочкообразной конфигурации (переход X1 ^ X3) или сферы с кольцевой экваториальной канавкой (X1 ^ X4) предусмотрено разветвление. Первый из альтернативных вариантов при отсутствии необходимости балансировки заготовки, аналогично графу на рисунке 2.5, определяет следующий этап формирования момента инерции посредством нанесения покрытия - состояние

X5 и ребра Р4, Р5 и Р6. Второй вариант предусматривает балансировку заготовки X3 и X4)

* * * *

посредством испарения локальной точечно массы - ребра Р8 и состояни X2 , X3 и X4 .

Далее осуществляется нанесение материала покрытия - Р*4, Р*5 и Р*6 с получением

*

сферы, соответствующей состоянию ротора X5 . После этого осуществляется устранение и корректировка дисбаланса сферических заготовок X5 и X5*, что обозначено блоком состояний X6, X-] и X8 и переходами Р*7 Р*8 и Р*9. В этом блоке предусмотрена возможность циклической обработки ротора, связанной с последовательным устранением и корректировкой дисбаланса. В блоке циклов используются методы устранения и корректировки дисбаланса, основанные на

*

испарении локальной массы материала Р8 , или смещении центра сферы напыляемого

* *