Компоненти ресурсозберігаючого спеціалізованого технологічного обладнання

Скорняков, Ілля Олексійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8239

Title:	Компоненти ресурсозберігаючого спеціалізованого технологічного обладнання
Authors:	Лукашенко, Валентина Максимівна Скорняков, Ілля Олексійович
Issue Date:	Jun-2023
Abstract:	У кваліфікаційній роботі бакалавра проведено: - обґрунтування ресурсозбереження при використовуванні спеціалізованого лазерного технологічного обладнання; - аналіз існуючих сучасних лазерних технологічних обладнань; - аналіз впливу форми лазерного випромінювача параметрів режиму зварювання на мікроструктуру зварювального шва металу; - візуалізація процедури визначення з множини існуючих кращого лазерного випромінювача шляхом створення: - множини сучасних лазерних випромінювачів з основними техніко- економічними показниками; - умовних критеріїв якості на базі умовного моделювання; - критеріального рівняння, використовуючи множину критерії якості; - побудови багатокритеріальної-образно-знакової моделі. Виконана верифікація підвищення швидкості процедури визначення кращої моделі лазерних випромінювачів підтверджена візуалізацією результатів порівняльного аналізу множини багатокритеріальних образно-знакових моделей. Це дозволяє значно скоротити час при проектуванні системи ресурсозберігаючого спеціалізованого лазерного технологічного обладнання в цілому. Враховуючи щодо апаратурної реалізації математичної моделі (1.1) необхідно використовувати такі компоненти: суматори, або АЛП. Дослідженні існуючі інтегральні схеми цифрових суматорів двійкових операндів. Для аналізу евристично організована множина існуючих серійно випускових суматорів. На підставі цієї множини створена реляційна модель серійно випускових інтегральних схем суматорів, а саме - схеми відношення структурованих за відповідними основними технічними параметрами (напруга та струм споживання, час затримки, температурний діапазон, потужність споживання) типів ІС суматорів і побудовані відповідні гістограми. Визначена модель суматора з найкращими параметрами, що впливають на ефективність роботи спеціалізованих ресурсозберігаючих комп’ютерно-інтегрованих систем технологічними обладнань. Проведено інформаційний збір множини існуючих серійно випускових інтегральних схем арифметико-логічний пристроїв для компʼютерно-інтегрованої системи ресурсозберігаючого спеціалізованого лазерного технологічного обладнання. На базі визначення множини АЛП створення реляційна модель зі технічними параметрами приведена при робочій частоті fconst – 2 МГц. Використовуючи теорію розмірностей та умовного моделювання створені та обраховані критеріїв якості арифметико-логічних пристроїв, на базі яких побудовані знакова модель і гістограми критеріїв якості. Проведений аналіз результатів критеріїв якості та візуалізації знакової моделі та гістограм показав, що великий енергетичний резерв має модель АЛП CD400B АЛП при U = 5В, проте – низьку швидкодію. Пропонується подальшому, проектуванні цій недолік усунути через підвищення напруги живлення.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8239
Appears in Collections:	123 Комп’ютерна інженерія (Спеціалізовані комп’ютерні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_123_2023_Скорняков.pdf Restricted Access		3.12 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ
КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»
на тему: КОМПОНЕНТИ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОГО
СПЕЦІАЛІЗОВАНОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО
ОБЛАДНАННЯ

Виконав: здобувач вищої освіти
2-курсу, групи СКСС-2177
спеціальності 123 «Комп’ютерна
інженерія»
Скорняков І.О.
(прізвище та ініціали)

Керівник Лукашенко В.М.
(прізвище та ініціали)

Рецензент
(прізвище та ініціали)

Черкаси 2023 року
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ………………….... 3
Вступ…………………………………………………………………………….4
РОЗДІЛ 1 СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ ………………..…………11
1.1 Обґрунтування ресурсозбереження при використовуванні
спеціалізованого лазерного технологічного обладнання …………….……11
1.2 Аналіз існуючих сучасних лазерних технологічних обладнань……… 13
1.3 Методи впливу на процес
кристалізації…………………………………………………………………. 17
1.4 Аналіз впливу форми лазерного випромінювача параметрів режиму
зварювання на мікроструктуру зварювального шва
металу………………………………………………………………………. 19
1.5 Метод візуалізації визначення з множини існуючих кращого лазерного
випромінювача………………………………………………………………. 23
Висновки до розділу 1……………………………………………………… 27
РОЗДІЛ 2 АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ ІНТЕГРАЛЬНО-ВИПУСКОВИХ
ЦИФРОВИХ КОМПОНЕНТІВ………………………………………...…… 28
2.1 Математичні моделі для цифрових суматорів двійкових операндів у
різних базисах ……………………………………………………………...…29
2.2 Класифікація пристроїв додавання…………………………………...… 32
2.3 Реляційна модель даних серійно випускових пристроїв
додавання…………………………………………………...…………...…… 37
Висновок до розділу 2………………………………………………..……… 45

ЧДТУ.228030.001 ПЗ
Зм Арк. № докум. Підпис Да
Розроб. Скорняков І.О. Компоненти Літ. Лист. Листів
Перевір. Лукашенко В.М. ресурсозберігаючого 2 60
Реценз. спеціалізованого технологічного

обладнання
Н. Контр.
Затверд. Лукашенко В.М. Пояснювальна записка ЧДТУ, СКСС-2177

РОЗДІЛ 3 АРИФМЕТИКО-ЛОГІЧНИЙ ПРИСТРІЙ КОМП’ЮТЕРНО-
ІНТЕГРОВАНОЇ СИСТЕМИ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОГО
СПЕЦІАЛІЗОВАНОГО ЛАЗЕРНОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО
ОБЛАДНАННЯ ………………………………………………………………46
3.1 Реляційна модель даних за основними технічними показниками
арифметико-логічний пристрій АЛП………………………………………. 46
3.2 Розрахунки критеріїв якості…………………………………………….. 47
3.3 Порівняльний аналіз визначеної множини АЛП методом візуалізації. 49
Висновки до розділу 3…………………………..…………………………… 51
ВИСНОВКИ…………………………………………..……………………… 52
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………… 54

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
3
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

СКУД – системи контролю та управління доступом
РСЛТО – ресурсозберігаючі спеціалізовані лазерні
технологічні обладнання
СЛТК – спеціалізовані лазерні технологічні комплекси
МПС – мікропроцесорна система
АЛП – арифметико-логічний пристрій
СЛТО – спеціалізоване лазерне технологічне обладнання
ЗТВ – зони термічного впливу
ДДНФ – досконала диз'юнктивна нормальна форма
СРЧ – системи реального часу.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
4
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВСТУП
В даний час на підприємствах, де необхідно контролювати і
обмежувати доступ людей до різних приміщень, широке застосування
знайшли автоматизовані системи контролю та управління доступом
(СКУД). Ці системи призначені для забезпечення санкціонованого проходу
в приміщення та охоронювані зони. Крім своїх основних функцій з
організації доступу до ресурсу, СКУД допомагають вирішити багато інших
завдань. Сюди можна віднести облік робочого часу, швидке визначення
місцезнаходження співробітників, управління ліфтами, вентиляцією,
пожежною сигналізацією та багато іншого.

Ресурсозберігаюче спеціалізоване технологічне обладнання
складається з різних компонентів, які спрямовані на зниження споживання
ресурсів (таких як енергія, вода, сировина) і підвищення ефективності
процесів виробництва.

Нижче перераховано деякі основні компоненти ресурсозберігаючого
спеціалізованого технологічного обладнання:

1. Енергоефективні системи: Включають в себе технології, що
забезпечують оптимальне використання енергії. Це можуть бути
енергоефективні двигуни, системи регулювання потужності,
енергоефективне освітлення та системи керування
енергопостачанням.

2. Автоматизовані системи керування: Включають в себе розумні
системи, які оптимізують та контролюють процеси виробництва.
Вони дозволяють автоматизувати роботу обладнання, оптимізувати
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

розклад роботи, мінімізувати втрати та забезпечувати оптимальний
режим роботи.

3. Системи рециркуляції та відновлення ресурсів: Включають в себе
системи, які забезпечують повторне використання відходів та
відновлення ресурсів. Наприклад, системи очищення та повторного
використання води, системи збору та переробки відходів, а також
системи рециклінгу та використання вторинної сировини.

4. Інноваційні матеріали та технології: Включають в себе використання
новітніх матеріалів та технологій, які дозволяють знижувати
споживання ресурсів та поліпшувати ефективність процесів.
Наприклад, використання легких композитних матеріалів замість
важких металів, застосування наноматеріалів для зменшення витрат
сировини, використання 3D-друку для точного формування деталей
та зменшення відходів.

5. Ефективні системи охолодження та вентиляції: Включають в себе
системи, що забезпечують оптимальне охолодження та вентиляцію
обладнання та приміщень. Це можуть бути системи рециркуляції
повітря, використання енергоефективних холодильних систем,
терморегулюючі матеріали тощо.

6. Моніторинг та аналітика: Включають в себе системи збору даних,
моніторингу та аналізу роботи обладнання та процесів. Це дозволяє
виявляти ефективність ресурсозберігаючих заходів, ідентифікувати
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

проблемні ділянки та приймати відповідні заходи для оптимізації
використання ресурсів.

7. Утилізація тепла та відходів: Включають в себе системи, що
дозволяють використовувати випромінювання тепла та відходів як
джерело енергії. Наприклад, використання теплових насосів для
рекуперації тепла, системи когенерації енергії тощо.

Ці компоненти спільно працюють для забезпечення оптимального
використання ресурсів і зниження негативного впливу на довкілля. Вони
дозволяють підприємствам знижувати витрати, покращувати ефективність
та відповідати стандартам сталого розвитку. Застосування
ресурсозберігаючого спеціалізованого технологічного обладнання є
важливим кроком у напрямку сталого виробництва та екологічної
відповідальності.

Відчутний вплив ресурсозберігаючого обладнання може бути
помітним у різних сферах виробництва, таких як промисловість, сільське
господарство, будівництво, енергетика та інші. Декілька сфер використання
ресурсозберігаючого спеціалізованого технологічного обладнання
включають:
1. Енергетика: В енергетичній галузі ресурсозберігаюче обладнання,
наприклад, високоефективні сонячні панелі, вітрогенератори та
системи енергоефективного керування, може сприяти зниженню
споживання енергії та використанню відновлюваних джерел енергії.

2. Промисловість: У промисловому секторі ресурсозберігаюче
обладнання, таке як ефективні системи освітлення та охолодження,
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

автоматизовані системи керування та відновлювані матеріали, може
допомогти знизити витрати на енергію та сировину, а також зменшити
викиди в атмосферу та негативний вплив на довкілля.

3. Сільське господарство: В сільському господарстві ресурсозберігаюче
обладнання, наприклад, ефективні системи поливу, сенсорні
технології для контролю врожайності та розумні системи годівлі
тварин, може сприяти оптимізації використання води, добрив та
інших ресурсів, покращити врожайність та знизити вплив на
навколишнє середовище.

4. Будівництво: В будівельній галузі ресурсозберігаюче обладнання,
таке як енергоефективні системи опалення та охолодження,
теплоізоляційні матеріали та системи управління енергією, може
сприяти зниженню енергетичних витрат у будівлях, зменшенню
викидів парникових газів та створенню комфортних умов для
мешканців.

У висновку до теми "Компоненти ресурсозберігаючого спеціалізованого
технологічного обладнання" можна зазначити, що ресурсозберігаюче
обладнання є важливим і необхідним елементом в сучасному світі, де
сталість розвитку та збереження ресурсів стають все більш актуальними.

Розглянуті компоненти ресурсозберігаючого обладнання, такі як
ефективні електроприводи, сенсори і системи контролю, інтелектуальні
алгоритми та системи управління, вторинні матеріали та інші, сприяють
зниженню споживання ресурсів, підвищенню ефективності виробничих
процесів, зменшенню викидів і негативного впливу на довкілля.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Ресурсозберігаюче спеціалізоване технологічне обладнання знайшло
широке застосування в різних сферах виробництва, таких як енергетика,
промисловість, сільське господарство, будівництво, транспорт тощо.
Впровадження такого обладнання допомагає економити ресурси, знижувати
витрати, поліпшувати якість продукції та зменшувати негативний вплив на
довкілля.
Проте, впровадження ресурсозберігаючого обладнання вимагає
вирішення викликів, таких як вартість інвестицій, технологічні аспекти,
політичні та правові аспекти, інформаційні бар'єри. Попри ці перешкоди,
впровадження ресурсозберігаючого обладнання є важливим кроком у
досягненні сталого розвитку та збереженні ресурсів.
Таким чином, ресурсозберігаюче спеціалізоване технологічне
обладнання є необхідним і ефективним інструментом для покращення
ефективності виробництва, зниження негативного впливу на довкілля та
досягнення сталого розвитку. Його впровадження сприяє економії ресурсів,
зменшенню витрат і покращенню якості життя.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 1
СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ
1.1 Обґрунтування ресурсозбереження при використовуванні
спеціалізованого лазерного технологічного обладнання

Підвищення ефективності роботи комп’ютерно-інтегрованих систем
управлення тісно пов’язано з постійно зростаючою складністю задач
функціонування сучасних автономних систем керування.
Актуально стоять проблемні задачи практичного дослідження та розробки
нових серійно випускових інтегральних компонентів комп’ютерно-інтегрованих
систем керування, особливо при обчислюванні результатів в реальному часі
значень прямих та обернених трансцендентних функцій, які застосовуються при
рішенні задач керування швидкими динамічними об’єктами, наприклад, в
гіроскопічних системах, лазерних технологічних комплексах, радарних
установках, робототехнічних комплексах та ін.
Одним з найважливіших напрямків у розвитку промисловості є
застосування лазерних технологій, що використовують ресурсозберігаючі
спеціалізовані лазерні технологічні обладнання (РСЛТО).
Останні забезпечують прогрес у багатьох нових галузях техніки, таких як:
- інформаційна,
- медична техніка,
- зв'язок,
- мікроробототехніка та багато інших,
які часто включають мікроелектроніки, оптоелектроніки та
електромеханічні системи як єдині вузли.
У мікроелектроніці лазерні технології ефективно використовуються при:
- осадженні тонких плівок;
- лазерної літографії (куди входять ретуш та генерація фотошаблонів, а в
загальному сенсі – формування топології);
- підстроювання резисторів;
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- електронних компонентів; запис інформації;
- процес відпалу;
- процес активації;
- процес легування мікроелектронних структур.
У мікромеханіці лазерна прецизійність використовується при:
- зварюванні;
- паянні;
- свердлінні;
- процесі поділу підложок мікросхем [1, 2] тощо;
- процесі моніторингу в роботах складально-монтажних.
У мікрооптики властивості лазерної прецизійності використовується при:
- формуванні мікрооптичних компонентів обробкою поверхні типу
мікропрофілювання;
- денсифікації пористого скла, зміною його структуру та властивість;
- аморфізації склокераміки;
- загартуванні, тощо.
При цьому в сферу можливостей та інтересів лазерної технології
включається все ширше коло операцій, до яких, поряд з перерахованими,
додаються процеси лазерного управління при зварюванні.
Лазерне зварювання можна успішно застосовувати для отримання
різних типів зварні з'єднань із багатьох однорідних і різнорідних металів.
Вагомий внесок у розвиток лазерної технології внесли опубліковані
роботи Г.А. Баранова, Н.А. Генералова, В.С. Голубева, С.Н. Григорьева,
М.С. Доманова, В.С. Коваленко, А.М. Оришича,та ін.[2,15,16].
Результати їх дослідних робіт сприяють прискоренню процесів
проектування, виготовлення і впровадження РСЛТО.
Проте їх інформаційні результати розрізнені, що викликає деякі
труднощі і втрату часу на пошук і порівняння необхідної інформації.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.2 Аналіз існуючих сучасних лазерних технологічних обладнань

Для проведення евристичного аналізу сучасних РСЛТО в якості одних
з основних технічних показників обрані потужність випромінювача на
основі СО2-лазера, адекватного типу випромінювача, і площа обробки для
відповідного лазерного комплексу.Результати аналізу стосовно до РСЛТО
для розкрою листового металу в автоматичному режимі за довільною
траєкторії наведені в табл.1.1
Таблиця 1.1
Множина сучасних лазерних технологічних обладнань

Тип Тип
Потужність
спеціалізова лазерного Площа
лазера, Виробник
ного випромінюв обробки, мм
Вт
лазерного ача
комплекса
ROFIN
L2-3015 DC025 3048х1524 2500 SALVAGNINI
Compact
TRUMATIC
TLF 2000 3000х1500 2000 TRUMPF
L 3030
Bystronic
Bystar 3015 Bylaser 2200 3000х1500 2200

AMADA Co.
FO-3015 AF2000 3070х1550 2000

ЗАО
«Лазерные
ЛК-3015 ТЛ-1,5 3000х1500 1500
Комплексы»

ИЭС им. Е.О.
FEHA
ЛС-1200 3450х1750 1200 Патона
SM1200

ЗАО
«ИНСТИТУТ
Fanuc
Харьков Л 3000х1500 4000 УКРОРГСТАНК
C4000E ИНПРОМ»

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

З переліку РСЛТО видно, що лазерний технологічний комплекс
ЛС-1200 для розкрою листового матеріалу, перевершує інші завдяки
тому, що обробляє велику площу при використанні меншої потужності
лазерного випромінювача – типу FEHA SM1200.
Це РСЛТО спроектовано в ІЕЗ ім. Є.О. Патона.
Конструктивно воно складається з основних блоків:
лазера СО2 серії FEHA SM - 1200,
джерела живлення лазерного випромінювача,
системи автономного охолодження лазерного випромінювача,
вимірювача потужності,
маніпулятора, що складається з систем ЧПУ,
електроавтоматики,
хрестоподібної системи позиціонування з ходовими каретками і
напрямними.
Короткі технічно характеристики РСЛТО ЛЗ-1200 наведені в роботі [1].
Відомо, що при операції різання, зварювання максимальна потужність
лазерного випромінювача визначає необхідну продуктивність, а мінімальна
потужність – максимальну товщину оброблюваного матеріалу.
Тому доцільно мати для кожного РСЛТО синтезовані залежності
швидкостей лазерної обробки від товщини, типу матеріалу заготовки при
різної потужності лазерного випромінювання.
За цими залежностями досить легко, просто і швидко визначити
режим обробки, тобто для відповідного матеріалу і товщини заготовки
вибрати потужність, тип лазерного випромінювача і швидкість лазерного
різання, зварювання.
Ефективне використання енергетичних та матеріальних ресурсів у
зварювальному виробництві досягається шляхом впровадження
енергозберігаючих лазерних технологій та нового обладнання.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Високорозвинена лазерна індустрія фірм GmbH, DILAS, JENOPTIK,
SPECTRA-PHYSICS, COHERENT, SDL, IPG Group.
Динаміка зростання впроваджень спеціалізованих лазерних
технологічних комплексів (СЛТК) у промисловості США, Німеччини, Китаю,
Чехії, за попередні десять років, підтверджує збільшення потреби в лазерних
технологіях.
Проблемою створення лазерних технологічних комплексів є складність
обладнання, яка обумовлена наявністю в конструкції різнорідних систем, які
суттєво відрізняються принципами будування, процесами взаємодії та
великої кількості різноманітних елементів, компонентів, підсистем.
До основних відносяться: оптична система лазерного випромінювання,
маніпулятор, якій включає електроприводи, ангулярні та декартові системи
координат, мікропроцесорну систему (МПС), компоненти:
- мікроконтролери; співпроцесор;
-АЛП (арифметико-логічний пристрій);
- арифметичні розширювач (суматори, множники);
- елементи комбінаційні («І», «АБО» та ін.) і тригери;
- комутатори; мультиплексори;
- гібридні обчислюванні пристрої ( ЦАП, АЦП та ін).
На рис.1.3 наведено приклад образно-знакової моделі ресурсозберігаючого
спеціалізованого лазерного технологічного обладнання СЛТО. Особливо
ефективно в використовуються лазерні технології при зварюванні
тонколистових матеріалів встик.
Лазерні технології зварювання мають суттєві переваги, основні з яких:
- відсутність необхідності в застосуванні складних вакуумних камер; -
забезпечення малих розмірів зони термічного впливу (ЗТВ);
- мінімальні залишкові термічні деформації;
-забезпечення кращих механічних властивостей з'єднання через
дрібнодисперсну структуру шва.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Газовий
захист

ОКГ ВП Оптична
Деталь
система

БЖ Датчик
Привід Привід Привід
положення
X1, X2 Y Z
фокусу,
перетворювач
сигналу
Привід Привід
V W Підсилю Підсилю Підсилю
ДЗЗ, ДЗЗ, перетворювачі
вач вач вач
перетворювачі сигналів зворотного
потужності потужнос потужност
сигналів зв’язку
1,2 ті 3
зворотного координат X1, X2, Y,
Підсилюв
зв’язку Z
ач
координат V,
потужнос
Функціональний
Мультиплексор сигналів
Підсилюва цифро-аналоговий зворотного зв’язку
ч перетворювач
Формувач координат X1, X2, Y, Z, V,
потужност імпульсів W
управління
Блок введення-
РС Інтерфе виведення Мікропроцесорний ОЗП
йс технологічної операційно-логічний блок
інформації

Пульт
ПЗП
керування

Рисунок 1.3 - Образно-знакової моделі ресурсозберігаючого
спеціалізованого лазерного технологічного обладнання

ОКГ – оптичний квантовий генератор (лазер); ВП – вимірювач
потужності; БЖ – блок живлення; ДЗЗ – датчик зворотного зв’язку; ОЗП –
оперативний запам’ятовуючий пристрій; ПЗП – постійний запам’ятовуючий
пристрій.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.3 Методи впливу на процес кристалізації

Виділяють два основних способи впливу на формування структури
шва: металургійний і технологічний [22]. На основі системного аналізу
розроблена модель класифікації для методів модифікації структури шва
зварювального з’єднання, що зображена на рис 1.1
Металургійний [33] заснований на модифікуванні зварювальної ванни
хімічними елементами за допомогою як присадних матеріалів, що
подаються в зону зварювання, так і попередньою підготовкою металу перед
зварюванням, а саме: загартовування; наклеп; застосування технологічних
вставок.
Технологічний [22] спосіб, крім оптимізації режимів зварювання,
передбачає зовнішній вплив на зварювальну ванну: механічний; тепловий;
- електромагнітний.
Останнім часом велике поширення одержав метод зовнішнього
імпульсно-періодичного впливу із застосуванням в якості джерела тепла
лазерного випромінювання [1, 2, 5].
Вивчення фізичних процесів, що протікають в зварювальної ванні при
такому впливі, вкрай складно [8].
Відсутність строгих математичних моделей процесу та
швидкоплинність теплових процесів зумовлюють проведення досліджень
на основі комплексного підходу шляхом поєднання якісних оцінок,
експериментів, моделювання з теоретичним обґрунтуванням.
Отримання високих технологічної міцності і механічних
характеристик зварних з'єднань є однією з основних задач при лазерному
зварюванні тонкостінних конструкцій.
При цьому для запобігання гарячих і холодних тріщин в металі шва
при зварюванні тонких металів велике значення набуває можливість
отримання в ньому дрібнозернистої первинної структури [1, 5, 6].
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Основні методи отримання дрібнозернистої структури
зварювального з'єднання

Металургійний Технологічний

Основні види Оптимізація
модифікації зварної режимів
ванни зварювання

Зовнішній вплив на

Використання відповідних зварювальну ванну
припадочних матеріалів

Механічний
Попередня підготовка
металу перед зварюванням Тепловий

Електромагнітний
Наклеп

Нагартовка Термічний вплив з
використанням
лазерного
Використання
випромінювання
технологічних

вставок

Імпульси Імпульсно –
Одиничні імпульси спеціальної періодичний вплив
форми

Рисунок 1.1 – Схеми класифікації для методів модифікації
структури шва зварного з'єднання

Аналіз запропонованої схеми класифікації видно, що одним з методів
отримання дрібнозернистої структури шва є зовнішній тепловий вплив на
зварювальну ванну за допомогою лазерного випромінювання.
Крім того, вплив лазерним випромінюванням може бути представлено
у вигляді одиночного імпульсу, імпульсів спеціальної форми, а також у
вигляді імпульсно-періодичного впливу.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.4 Аналіз впливу форми лазерного випромінювача параметрів режиму
зварювання на мікроструктуру зварювального шва металу

Термічний цикл впливу є основою для керування параметрами
режиму зварювання і, тим самим, впливає на зміну структури в
зварюваному металі. Приклад залежності щільності потужності лазерного
випромінювання від часу його впливу в процесі зварювання для основних
стадій процесу зварювання [1, 4, 5] показаний на рис. 1.2.

P(τ), Вт/см2

P1 P1

P2
P2

P
P 3
3

τ1τ 2τ ττ3 τ4 τ5 τ6
0 τ1 2 3 τ4 τ5 τ6 τ, мс

Рисунок 1.2 – Графік залежності щільності потужності лазерного
випромінювання від часу впливу на зварюваний метал:
τ1-τ2 – час випаровування окисної плівки з поверхні металу;
τ2-τ3 – час плавлення метала;
τ3-τ4 – час плавлення по товщині;
τ4-τ5 – час кристалізації зварюваного метала;
τ5-τ6 – час термообробки (відпал, нормалізація).
Залежність щільності потужності лазерного випромінювання від часу
його впливу на зварюваний метал (рис. 1.2) показує, що для управління
параметрами режиму зварювання необхідно змінювати конфігурацію
імпульсу.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Енергетичні витрати на основних стадіях технологічного процесу різні
при отриманні зварювальної сполуки різних металів при одній і тій же
товщині (2 мм) з високою якістю показані в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Энергетические затраты при сварке различных металлов
толщиной в 2 мм на основных стадиях процесса
Вид
сварки
Шовне Точкове
Точкове Шовне
зварюв зварювання
стадії зварюван зварювання Шовне
№ ання низько
процесу ня алюмінієвого зварюв
п/ сплаву вуглецевої
п зварювання алюмінію сплаву ання
титану сталі
та титану
АК-8 ВТ-1
потужність

Р,
Вт/см2
Випаровува
ння окисної
1 1,5·108 2,0·108 3,0·108 5,0·108 2,5·105
плівки,
Р

2 Плавлення 1,3·106 2,5·106 1,0·107 1,5·107 8,2·104
Р
Термо
3 обробка, 1,2·103 1,5·103 0,5·104 1,0·104 0,5·104
Р

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

З табл. 1.2 видно, що густина потужності термічного циклу для
відповідної стадії технологічного процесу зварювання різна.
Тенденція зменшення необхідної щільності потужності зберігається
зверху вниз для всіх металів, що зварюються, і має індивідуальне конкретне
значення. Звідси, висновок, що отримання якісного з'єднання лазерним
випромінюванням необхідно на етапі підготовки процесу зварювання:
вибрати відповідний матеріал для з'єднання лазерним випромінюванням і
визначити конфігурацію модульованого лазерного випромінювання.
Для комп'ютерного моделювання пропонується математична модель
складного імпульсу:



P( ) = a j + b j , 
F ( j +1) − F ( 
j ) 
a j = F ( j +1) −  j +1,
 j +1 − j 
F ( 
j +1) − F ( j )
b j = . 
 j +1 − j  (1.1)

Аналіз результатів комп'ютерного та фізичного моделювань, проведених в
ІЕС ім. Е. О. Патона [5], для зразків тонколистової аустенітної сталі типу 18-
10 підтвердив оптимальність конфігурації лазерного випромінювання за
запропонованою моделлю (1).
Таким чином, з'явилася можливість регулювати ступенем переохолодження
металу, що зварюється.
Під впливом лазерного випромінювання, із прийменниковою
конфігурацією, забезпечувалося зміна температури зварювальної ванни в
області зони фазових переходів «liquidus - solidus».
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Результати експериментальних досліджень представлені на рис.1.3.

Рисунок .1. 3. Мікроструктура зварного з’єднання

Експериментальні дослідження підтвердили, що оптимальна
дрібнозерниста структура (рис.1.3) отримана при частоті модуляції
лазерного випромінювача 2000 Гц.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.5 Метод візуалізації визначення з множини існуючих кращого лазерного
випромінювача

Основним компонентом РСЛТО є лазерні випромінювачі.
Дослідження показують, що підвищення якісних показників
технологічних процесів в значній мірі залежить від вибору лазерного
випромінювача при обробці матеріалів.
Труднощі швидкого визначення з множини існуючих найліпшій
моделі лазерного випромінювача за багатьма параметрами полягає у
відсутності аналітичного виразу, якій містить усі основні показники.
Тому далі на підставі теорії розмірностей та умовного моделювання
пропонується метод вибору найкращій моделі лазерного випромінювача
через умовні критерії якості.
Метою роботи є підвищення швидкості процесу багатокритеріального
аналізу сучасних видів лазерних випромінювачів.
Для виконання поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:
- визначити множину сучасних лазерних випромінювачів з основними
техніко-економічними показниками;
- розробити умовні критерії якості;
- створити критеріальне рівняння, використовуючи множину критерії
якості;
- побудувати багатокритеріальну образно-знакову модель;
- провести порівняльний аналіз багатокритеріальних образно-знакових
моделей та визначити найкращу модель з розглянутої множини за
допомогою метода візуалізації.
Для вирішення поставленого завдання на основі евристичного
методу складена множина сучасних лазерних випромінювачів з основними
техніко-економічними показниками, а саме: дальність випромінювання,
довжина хвилі, займана площа, вартість експлуатації, що представлені в
табл.1.3
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 1.3.
Основні техніко-економічні показники сучасних лазерних
випромінювачів
Тип
YAG-Nd YAG-Nd
лазери з лазери з
Діодні Дискові Волоконн
ламповим діодним
лазери лазери і лазери
накачування накачування
м м
Параметр
1 2 3 4 5
Займана площа S,
11 9 4 4 0,5
м2
Довжина хвилі λ,
1,064 1,03 0,8 1,018 1,07
мкм
дальність
випромінювання 20…40 20…40 10…50 20…40 10…300
��������,… �������� ,м
Вартість
експлуатації КС, 1 0,6 0,2 0,3 0,13
у відносних
одиницях

За наведеними в табл. 1.3 техніко-економічними показниками
узагальнена інформаційна модель має вигляд:
��(��, λ, �������� ,��������,Кс ), (1. 1)
де індекси max і min відповідають обраному параметру.
Аналіз моделі (1.1) показав, що відсутня аналітична залежність між
наведеними показниками лазерних випромінювачів.
Використовуючи умовне моделювання, теорію розмірностей
створюються такі умовні безрозмірні критерії якості:
��
�� = ������−��������
�� – величина, що характеризує дальність доставки
��������
випромінювання;
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

��⋅106
Кр = , - величина, що характеризує втрату робочого простору;
��������⋅��
Результати розрахунку відповідних умовних коефіцієнтів подібності
наведено в табл.1.2.
Таблиця 1. 4.
Умовні критерії подібності для сучасних лазерних випромінювачів

Тип YAG-Nd YAG-Nd
лазери з лазери з Діодні Дискові Волоконні

ламповим діодним лазери лазери лазери
Критерій накачуванням накачуванням
1 2 3 4 5
КД 0,5 0,5 0,8 0,5 0,97

0,258∙106 0,218∙106 0,081∙106 0,095∙106 0,002∙106
Кр
КС 1 0,6 0,2 0,3 0,13

Створюється критеріальне рівняння, яке через визначені безрозмірні
величини відповідних критеріїв якості має вигляд
��(����; Кр; ����) = 0 (1.3)
Рішення цього рівняння здійснюється, використовуючи дані табл. 1.3
та табл. 14, методом візуалізації через будування образно-знакових моделей
(рис..1.4) у таких безрозмірних координатах
����; ���� (1.4)
та
Кр; ���� (1.5)
Особливістю знакових моделей, що представлена на рис.1.4 являється їх
з’єднання квадрантів, де узагальненою координатою є критерій якості ����

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

����
1 5
5
3 3

0,8
0,7

0,6

1 2 4 4 2
1

0,4

0,3

0,2

0,1

К КС
р
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 0,2 0, 3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рисунок 1.4 – Образно-знакові моделі залежностей
критеріїв якості в координатах(К ; ����) та ( ����; ����)
р
для сучасних лазерних випромінювачів
Примітка:
1 – цифри – 1, 2, 3, 4, 5 відповідають порядковому номеру лазерних
випромінювачів, наведених у табл. 2;
2 - КС – Вартість експлуатації у відносних одиницях.
Це дозволяє збільшити швидкість процесу багатокритеріального
аналізу сучасних видів лазерних випромінювачів і значно скоротити час при
проектуванні системи РСЛТО в цілому.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Висновки до розділу 1
Проведено:
- обґрунтування ресурсозбереження при використовуванні
спеціалізованого лазерного технологічного обладнання;
- аналіз існуючих сучасних лазерних технологічних обладнань;
- аналіз впливу форми лазерного випромінювача параметрів режиму
зварювання на мікроструктуру зварювального шва металу;
- візуалізація процедури визначення з множини існуючих кращого лазерного
випромінювача шляхом створення:
- множини сучасних лазерних випромінювачів з основними техніко-
економічними показниками;
- умовних критеріїв якості на базі умовного моделювання;
- критеріального рівняння, використовуючи множину критерії якості;
- побудови багатокритеріальної образно-знакової моделі.
Верифікація підвищення швидкості процедури визначення кращої
моделі лазерних випромінювачів підтверджена візуалізацією результатів
порівняльного аналізу множини багатокритеріальних образно-знакових
моделей.
Це дозволяє значно скоротити час при проектуванні системи
ресурсозберігаючого спеціалізованого лазерного технологічного
обладнання в цілому [18,20].
Враховуючи щодо апаратурної реалізації математичної моделі (1.1)
необхідно використовувати таки компоненти: суматори, або АЛП.
Тому у розділах 2 та 3 проведено збір інформації та створені множини
існуючих цих компонентів.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 2
АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ ІНТЕГРАЛЬНО-ВИПУСКОВИХ
ЦИФРОВИХ КОМПОНЕНТІВ

Зростаючі вимоги до точності, швидкості процесів обчислювання
даних у комп’ютерно-інтегрованих системах управління змушують
імплементувати зовнішні математичні співпроцесори, які виконують
арифметичні операції (множення, додавання та інші) на базі
малорозрядних існуючих серійно випускових інтегрованих компонентів
(наприклад суматорів), тобто реалізовані апаратурним методом, а не
програмним, що забезпечують високу швидкодію та надійність.
Оскільки отримання прецизійних результатів здійснюється за
допомогою синтезування малорозрядних суматорів, тому для аналізу
евристично у розділу організована множина існуючих серійно
випускових суматорів, як до реляційна модель основних даних.
На підставі цієї множини створені схеми відношення
структурованих за відповідними основними технічними параметрами
(напруга та струм споживання, час затримки, температурний діапазон,
потужність споживання) різних типів ІС суматорів і побудовані
відповідні гістограми.
Візуалізація відповідних гістограм забезпечило підвищення
швидкості прийому інформації на три, чотири порядку при визначені
кращих ІС суматорів для побудови спеціалізованих високоточних
співпроцесорів операції додавання [11,27].

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2.1 Математичні моделі для цифрових суматорів двійкових операндів
у різних базисах

Цифровий пристрій додавання (цифровий суматор) - логічний
операційний вузол, що виконує арифметичне додавання кодів двох чисел.
У спеціалізованих комп’ютерних системах зазначені операції
виконуються в арифметично-логічних пристроях (АЛП) або процесорних
елементах які є суматори.
Найпростішим двійковим підсумовуючим елементом є
чвертьсуматор. Найбільш відомі для даної схеми назви: елемент "сума за
модулем 2".

Даний тип суматора має два входи а та b для двох доданків
та один вихід S для суми. Роботу його відображає відповідне
рівняння, що наведено нижче: (2.1)

Реалізуємо чвертьсуматор в базисах І-НЕ, АБО-НЕ та з використанням
тільки одного інвертора, для чого перетворюється рівняння (2.1) таким
чином:
(2.2)

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

(2.3)

(2.4)

Позначенням напівсуматора є літери HS (half sum - напівсума).
Роботу його відображає відповідне рівняння, що має вигляд:

(2.5)

З рівнянь (2.5) випливає, що для реалізації напівсуматора потрібно
один елемент "Виключний АБО" і один двовходовий вентиль І.
Повний однорозрядний двійковий суматор має три входи:
a, b — для двох доданків;
p — для перенесення з попереднього (молодшого) розряду;
два виходи:
S — сума;
P — перенесення до наступного (старшого) розряду.
Позначенням повного двійкового суматора є літери SM.

Рівняння, що описують роботу повного двійкового суматора,
представлені у досконалій диз'юнктивній нормальній формі (ДДНФ), мають
вигляд:

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

(2.6)

Рівняння для перенесення може бути мінімізовано:
P = ab + ap + bp.
(2.7)

При практичному проектуванні суматора рівняння (2.6) і (2.7) можуть
бути перетворені до виду, зручного для реалізації на заданих логічних
елементах з деякими обмеженнями (за кількістю логічних входів та ін) і
задовольняє вимогам щодо швидкодії, що пред'являються до суматора.
Наприклад, перетворимо рівняння (6) наступним чином:

(2.8)

Із виразу (2.8) для S також слідує:

S = a  b  p.
(2.9)

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2.2 Класифікація пристроїв додавання

Цифрові суматори класифікують за різними ознаками.
Залежно від системи числення розрізняють:
− двійкові;
− двійково-десяткові (загалом двійково-кодовані);
− десяткові;
− інші (наприклад, амплітудні).
За кількістю одночасно оброблюваних розрядів чисел, що складаються:
− однорозрядні;
− багаторозрядні.
За кількістю входів та виходів однорозрядних двійкових суматорів:
− чвертьсуматор (елементи “сума за модулем 2”; елементи “що
виключає АБО”), що характеризуються наявністю двох входів, на
які подаються два однорозрядні числа, і одним виходом, на якому
реалізується їх арифметична сума;
− напівсуматори, що характеризуються наявністю двох входів, на які
подаються однойменні розряди двох чисел, і двох виходів: на
одному реалізується арифметична сума в даному розряді, а на
іншому - перенесення до наступного (старший розряд);
− повні однорозрядні двійкові суматори, що характеризуються
наявністю трьох входів, на які подаються однойменні розряди двох
чисел, що складаються, і перенесення з попереднього (молодшого)
розряду, і двома виходами: на одному реалізується арифметична
сума в даному розряді, а на іншому — перенесення в наступний
(більше старший розряд).
За способом представлення та обробки чисел, що складаються,
багаторозрядні суматори поділяються на:
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− послідовні, в яких обробка чисел ведеться по черзі, розряд за
розрядом на тому самому обладнанні (рис.2.1);
− паралельні, в яких доданки складаються одночасно за всіма
розрядами, і для кожного розряду є своє обладнання.
Послідовний суматор у найпростішому випадку є n
однорозрядних суматорів, послідовно (від молодших розрядів до
старших) з'єднаних ланцюгами переносу.
Однак така схема суматора характеризується порівняно
невисокою швидкодією, так як формування сигналів суми і перенесення
в кожному i-му розряді проводиться лише після того, як надійде сигнал
перенесення з (i-1)-го розряду.
Таким чином, швидкодія суматора визначається часом
поширення сигналу з ланцюга перенесення.
Зменшення цього часу - основне завдання при побудові
паралельних суматорів.
Для зменшення часу поширення сигналу перенесення
застосовують:
- конструктивні рішення, коли використовують у ланцюзі
перенесення найбільш швидкодіючі елементи;
- ретельно виконують монтаж без довгих провідників та
паразитних ємнісних складових навантаження та (найчастіше)
структурні методи прискорення проходження сигналу переносу.
За способом організації міжрозрядних переносів паралельні
суматори, що реалізують структурні методи, поділяють на суматори:
− з послідовним перенесенням;
− з паралельним перенесенням;
− із груповою структурою;
− із спеціальною організацією ланцюгів перенесення.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Серед суматорів із спеціальною організацією ланцюгів
перенесення можна зазначити:
− суматори з наскрізним переносом, у яких між входом та виходом
перенесення однорозрядного суматора виявляється найменша
кількість логічних рівнів [1];
− суматори із двопровідною передачею сигналів перенесення [1, 2];
− суматори з умовним перенесенням (варіант суматора з груповою
структурою, що дозволяє зменшити час підсумовування у 2 рази зі
збільшенням обладнання у 1,5 раза) [3];
− асинхронні суматори, що виробляють ознаку завершення операції
підсумовування, при цьому середній час підсумовування
зменшується, оскільки воно суттєво менше максимального.
Суматори, які мають постійний час, що відводиться для
підсумовування, незалежне від значень доданків, називають
синхронними[19, 27].
За способом виконання операції складання та можливості
збереження результату додавання можна виділити три основні види
суматорів:
− комбінаційний, що виконує мікрооперацію

"S = A + B",

в якому результат видається в міру його утворення (це
комбінаційна схема в загальноприйнятому значенні слова);
− суматор із збереженням результату

Sі = A + B;

− накопичувальний, виконує мікрооперацію
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

S = Sі + B.

Останні дві структури будуються або на рахункових тригерах (зараз мало
використовують), або за структурою «комбінаційний суматор» + регістр
«зберігання».

Рисунок 2.5 – Суматор з послідовним перенесенням

де Аі, Ві, Sі, Pі – доданки та результати додавання та переносу
відповідні (1; 2; 3; 4) операцій.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.6 суматор з паралельним перенесенням доданків Pі,
де аі, ві, Pі – доданки
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2.3 Реляційна модель даних серійно випускових пристроїв
додавання

Одним з головних компонентів комп’ютерно-інтегрованих систем
управлення являються: суматори, тригери та ін., характеристики яких
впливають на ефективність широкого класу засобів обчислювальної
техніки та забезпечують в цілому високі економічні та технічні
характеристики якості їх роботи. Від них в значній мірі залежить
швидкодія системи, особливо для високоточних співпроцесорів через
залежність часу відпрацювання операції додавання від розрядності
інформації.
Тому, враховуючи складну економічну ситуацію в Україні, досить
актуально стоять задача використовувати існуючі найкращі компоненти.
Для визначення існуючих кращих сучасних інтегрованих суматорів
серійного випуску створюється реляційна модель даних за основними
технічними параметрами існуючих суматорів, а саме: розрядність;
− статичні параметри: Uвх, Uвх, Iвх і таке інше, тобто звичайні
параметри інтегральних схем;
− динамічні параметри.
Суматори характеризуються чотирма затримками розповсюдження:
− від подачі вхідного перенесення до встановлення всіх виходів суми
при постійному рівні на всіх входах доданків;
− від одночасної подачі всіх доданків до встановлення всіх виходів
суми при постійному рівні на вході перенесення;
− від подачі вхідного перенесення до встановлення вихідного
перенесення при постійному рівні на входах доданків;
− від подачі всіх доданків до встановлення вихідного
перенесення при постійному рівні на входах доданків.
− Основні характеристики ІС додавання наведені в табл. 2.1.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 2.1
Реляційна модель даних серійно випускових пристроїв
додавання

Тип 74S283 CD400B 7483 74F83 HD74HC 74LS CD74AC283 74LS283
МІС 83 83
№ 1 2 3 4 5 6 7 8
supply 4.75,…, 2,…, 4.75,…,5.25 4.5 - 2- 4.75 4.5 - 4.75 --
voltage 5.25 6 -5.5 - 6 -- - 5.5 5.25
e(V) 5.25
Р, 498 300 116 303 300 178 275 346
(mW)

HIGH 2 3.15 2 2 3.15 2 2.1 2
Level
Input
Voltage
(V)
LOW 0.8 1.35 0.8 0.8 1.35 0.8 0.9 0.8
Level
Input
Voltage
(V)
HIGH -1 - -0.4 -1 - -0.4 - -0.8
Level
Output
Current
(mA)
LOW 20 - 16 20 - 8 - 16
Level
Output
Current
(mA)

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Продовження таблиці 2.1

Тип МІС 74S283 CD400B 7483 74F83 HD74HC83 74LS83 CD74AC283 74LS283
№ 1 2 3 4 5 6 7 8
Free Air 0 -40 0 0 -40 0 -40 0
Operating - 70 to 125 to to 70 To to 70 to to
Temperature(°C) 70 85 85 70
=Tmax-Tmin, 70 165 70 70 125 70 125 70
(K)
HIGH Level 3.4 3.7 3.4 3.4 4.4 3.4 3.8 3.6
Output
Voltage(V)
LOW Level 0.5 0.4 0.2 0.35 0.1 0.35 0.44 0.2
Output
Voltage(V)
HIGH Level 50 - 40 20 - 40 - 40
Input
Current(µA)
LOW Level -2 - -1.6 -1.2 - -0.8 - -1.6
Input
Current(mA)
Supply 95 50 22 55 50 34 50 66
Current(mA)
Delay Time(nS) 18 23 22 10.5 30 30 16.5 21

Враховуючи, що візуалізація інформації підвищує швидкість аналізу
відповідних показників інтегральних мікросхем, тому нижче наведено
відповідні гістограми [15.30].
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На рис. 2.6 побудована гістограма залежності часу затримки обробки
інформації інтегральними мікросхемами

35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00 №
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2.6. Гістограма залежності часу затримки для
інтегральних мікросхем
Примітка: цифри, що представлені на рис. 2.5 відповідають табл. 2.1
1. 74S283 2. 74HC283 3. 7483 4. 74F83
5. HD74HC83 6. 74LS83 7. CD74AC283 8. 74LS283

Аналіз рис. 2.6 показує, що мікросхема №4 74F83, має найкращі показники
часу(t) затримки обробки інформації. Найгірші показники - мають
мікросхеми №5 HD74HC83 та №6 76LS83.
На рис. 2.7 побудована гістограма залежності часу затримки обробки
інформації інтегральними мікросхемами
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

t, nS

200,00
180,00
160,00
140,00
120,00
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
№
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2.7. Гістограма залежності температурного діапазону для
інтегральних мікросхем
Примітка: цифри, що представлені на рис. 2.6 відповідають табл. 2.1
1. 74S283 2. 74HC283 3. 7483 4. 74F83
5. HD74HC83 6. 74LS83 7. CD74AC283 8. 74LS283

Аналіз рис. 2.7 показує, що мікросхеми №1, №3, №4, №6 та №8 мають
однаково задовільні показники температурного діапазону роботи (D).
На рис. 2.8 побудована гістограма залежності часу затримки обробки
інформації інтегральними мікросхемами.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

D=Tmax-Tmin,
K

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0 №
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2.8. Гістограма залежності струму живлення для
інтегральних мікросхем
Примітка: цифри, що представлені на рис. 2.7 відповідають табл. 2.1
1. 74S283 2. 74HC283 3. 7483 4. 74F83
5. HD74HC83 6. 74LS83 7. CD74AC283 8. 74LS283

Аналіз рис. 2.8 показує, що мікросхема №3 74HC283, має найкращі
показники струму живлення(І).
Найгірші показники – має ІС №1 74S283
На рис. 2.9 побудована гістограма залежності часу затримки обробки
інформації інтегральними мікросхемами.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

I, mA

600,00
500,00
400,00
300,00
200,00
100,00
0,00 №
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2.9. Гістограма залежності потужності споживання для
інтегральних мікросхем
Примітка: цифри, що представлені на рис. 2.8 відповідають табл. 2.1
1. 74S283 2. 74HC283 3. 7483 4. 74F83
5. HD74HC83 6. 74LS83 7. CD74AC283 8. 74LS283

Аналіз рис. 2.9 показує, що ІС №3 74HC283, має найкращі показники
потужності споживання(P).
Найгірші показники – має ІС №1 74S283.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

P, mW

Зростаючі вимоги до точності, швидкості процесів обчислювання
даних у комп’ютерно-інтегрованих системах управління змушують
імплементувати зовнішні математичні співпроцесори, які виконують
арифметичні операції (множення, додавання та інші) на базі малорозрядних
існуючих серійно випускових інтегрованих компонентів (наприклад
суматорів), тобто реалізовані апаратурним методом, а не програмним, що
забезпечують високу швидкодію та надійність.
Оскільки отримання прецизійних результатів здійснюється за
допомогою синтезування малорозрядних суматорів, тому для аналізу
евристично У розділу організована множина існуючих серійно випускових
суматорів.
На підставі цієї множини створені схеми відношення структурованих
за відповідними основними технічними параметрами (напруга та струм
споживання, час затримки, температурний діапазон, потужність
споживання) типів ІС суматорів і побудовані відповідні гістограми.
Візуалізація відповідних гістограм забезпечило підвищення швидкості
прийому інформації на три, чотири порядку при визначені кращих ІС
суматорів для побудови спеціалізованих високоточних співпроцесорів
операції додавання.
Отже, відповідно до реляційної моделі даних, завдяки візуалізації
визначено, що по сукупності характеристик, а саме: часу затримки,
температурному діапазону, струму живлення і потужності споживання,
найкращими є 7483 та 74F83, 4-бітові двійкові повні суматори. Враховуючи,
що в різних ситуаціях може бути потрібно як вища швидкодія, так і менша
потужність споживання, є можливість варіювати параметри схем за рахунок
використання того чи іншого суматора.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Висновок до розділу 2

В другому розділі дослідженні існуючі інтегральні схеми цифрових
суматорів двійкових операндів.
Для аналізу евристично організована множина існуючих серійно
випускових суматорів. На підставі цієї множини створена реляційна модель
серійно випускових інтегральних схем суматорів, а саме - схеми відношення
структурованих за відповідними основними технічними параметрами
(напруга та струм споживання, час затримки, температурний діапазон,
потужність споживання) типів ІС суматорів і побудовані відповідні
гістограми.
Визначена модель суматора з найкращими параметрами, що
впливають на ефективність роботи спеціалізованих ресурсозберігаючих
комп’ютерно-інтегрованих систем технологічними обладнань.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ3
АРИФМЕТИКО-ЛОГІЧНИЙ ПРИСТРІЙ КОМП’ЮТЕРНО-
ІНТЕГРОВАНОЇ СИСТЕМИ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОГО
СПЕЦІАЛІЗОВАНОГО ЛАЗЕРНОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО
ОБЛАДНАННЯ
Арифметико-логічний пристрій (АЛУ) блок процесора, який під
управлінням пристрою управління служить для виконання арифметичних і
логічних перетворень над даними.
3.1 Реляційна модель даних за основними техніко-економічними
показниками АЛП
Реляційна модель множини існуючих АЛП зі структурованими технічними
параметрами приведена у табл.3.1. При цьому fconst – робоча частота 2 МГц;
Таблиця 3.1
Реляційна модель структурованих технічних параметрів АЛП
№ Параметри Критерії якості Узагальнений
Рс tзт Тmах Pp Кр =Pp/ Рc – Кf =fconst ·tзт– показник Кузаг
з/п
→ max → min через
мВт нс °С мВт
нормування
Модель критеріїв
Кр та Кf
1 SN54181 22 27 125 108.7 4, 94 0,054 0,65
2 СD4000B 2,5 50 70 347.8 139,1 0,1 1,33
3 SN74181 22 22 70 347.8 15,8 0,044 0,87
4 SN74S181 19 4,8 70 347.8 18,31 0,096 1,25
5 SN54LS181 2,4 18 125 108.7 45,29 0,036 1,28
6 SN74LS181 5 20 70 347.8 49,56 0,040 1,1
7 SN74F181 10 3,9 125 108.7 10,87 0,078 0,48
8 SN74ALS181 2,4 18 125 108.7 45,29 0,036 1,28
9 SN54182 22 27 125 108.7 4,94 0,054 0,65
10 SN54L182 2 70 125 108.7 54,35 0,14 0,58
11 SN74182 22 22 70 347.8 15,8 0,044 0,87
12 SN74F 23 22 85 282,6 12,3 0,044 0,85
13 SN74182J 22 22 85 282,6 12,8 0,044 0,85
14 КР588ВС 6 500 85 282,6 47,1 1,0 0,29
15 МС14000В 2,5 50 125 108.7 43,5 0,1 0,6
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.2 Розрахунки критеріїв якості

Визначення моделі АЛП для створення оригіналу з підвищеною
швидкістю обробки інформації [20.30] та завадостійкістю представляється
як вектор з наступними параметрами ��∗ = (��∗, ��∗), котрий задовольняє
умови

�� = �� ∗ ∗
с(�� ) → mах при обмежені ��с(�� ) < ��р, (3.1)
��∗

де ��∗ – напруга споживання АЛП;
��∗– робоча частота АЛП існуючій моделі дорівнює 2 МГц;
�� (��∗
с )=(��∗ ∙ ��) – потужність споживання АЛП;
�� – струм споживання АЛП;
��р – потужність розсіяння кристалу АЛП, яка визначається за формулою

Рр = (150-Тmax )0,23, мВт;

Тmax – максимальна робоча температура, оС .
На базі даних (табл.3.1) компонентів АЛП створюється узагальнена
інформаційна модель (УІМ), яка має наступний вигляд

 (Рс, fconst, tзт, Тmax , Рр ). (3.2)

Аналіз УІМ (3.2) показав відсутність аналітичного виразу, що пов’язує
усі параметри АЛП, тому визначається умовне моделювання та
створюються КЯ. Основними КЯ, що характеризують моделі АЛП є
Кр=(Pp/Рс) → max – КЯ,

що характеризує енергетичний резерв відповідних моделей АЛП;
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Кf =(fсоnst· tзт) → 0 але  0,
КЯ, що характеризує швидкість обробки інформації моделлю АЛП
через час затримки при f=const=2 МГц,
На базі визначених КЯ створюється критеріальне рівняння

[(Pp/ Рс ); (fconst · tзт)]=0. (3.3)
Таблиця 3.2
Реляційна модель відповідних критеріїв якості та узагальнений
показник ефективіності

№ Критерії якості Узагальнений
Кр =Pp/ Рc – Кf =fconst ·tзт– показник Кузаг
з/п
→ max → min через нормування
критеріїв
Кр та Кf
1 4, 94 0,054 0,65
2 139,1 0,1 1,33
3 15,8 0,044 0,87
4 18,31 0,096 1,25
5 45,29 0,036 1,28
6 49,56 0,040 1,1
7 10,87 0,078 0,48
8 45,29 0,036 1,28
9 4,94 0,054 0,65
10 54,35 0,14 0,58
11 15,8 0,044 0,87
12 12,3 0,044 0,85
13 12,8 0,044 0,85
14 47,1 1,0 0,29
15 43,5 0,1 0,6

Примітка: Цифри 1,…, 15 відповідають табл.3.1.
Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.3 Порівняльний аналіз визначеної множини АЛП методом візуалізації

На підставі визначених КЯ будується знакова модель, що представлена
на рис 3.1 та гістограма відповідні критеріїв якості на рис. 3.2.
Множина точок КЯ відповідних АЛП, що досліджуються, створює
узагальнену множину
к={кі,кj |0..max (Pp / Pc ) ;K = 0...min ( f }.
j constt зт)

fconst · t -1
зт ∙10 14
І
І ІІ
10,0
І І

10

А
1,4

1,2 15
4

1,0

Б 2
0,8
7
0,6
1; 9 5; 8

0,4
12; 13
3; 11
0,2
6
В Рр / Рс

0 10 20 40 50 60 130 140

Рис. 3.1. Знакова модель двох координатного простору
критеріїв за п’ятьма показниками множини різних типів АЛП

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Цифри 1,…,15 відповідають АЛП, що наведено у табл. 3. 1

[Кр; (1/ Кf)]∙∙10

14

12

5

3

1

№ табл.3.2
1 2 3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис.3.2. Гістограма критеріїв якості
арифметико-логічний пристрій

Примітка: цифри 1,…,15 відповідають АЛП, що наведено у табл.3.1;
Кр – характеризує енергетичному резерву → max;
(1/Кf) – (при f=const= 2МГц) характеризує час затримки → min

Аналіз результатів критерій якості (табл.3.1) та візуалізація рис. 3.1 і
рис.3.2 [14.20] показав, що великий енергетичний резерв має існуюча
модель АЛП СD4000B при ��∗ = 5В, але при цьому – низьку швидкодію.
При подальшому проектуванні цей недолік є можливість усунути через
підвищення напруги живлення.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Висновки до розділу 3

У третьому розділу проведено інформаційний збір множини існуючих
серійно випускових інтегральних схем арифметико-логічний пристроїв для
комп'ютерно-інтегрованої системи ресурсозберігаючого спеціалізованого
лазерного технологічного обладнання.
На базі визначення множини АЛП створення реляційна модель зі
технічними параметрами приведена при робочій частоті fconst – 2 МГц.
Використовуючи теорію розмірності та умовного моделювання
створені та обраховані критеріїв якості арифметико-логічних пристроїв на
базі яких побудовані знакові моделі і гістограма критеріїв.
Проведений аналіз результатів критеріїв якості та візуалізації знакової
моделі та гістограм показав що великий енергетичний резерв має модель
CD400B АЛП при U = 5В, проте – низьку швидкодію.
Отже пропонується подальшому проектуванні цей недолік усунутий
через підвищення напруги живлення.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

У кваліфікаційній роботі проведено:
- обґрунтування ресурсозбереження при використовуванні
спеціалізованого лазерного технологічного обладнання;
- аналіз існуючих сучасних лазерних технологічних обладнань;
- аналіз впливу форми лазерного випромінювача параметрів режиму
зварювання на мікроструктуру зварювального шва металу;
- візуалізація процедури визначення з множини існуючих кращого
лазерного випромінювача шляхом створення:
- множини сучасних лазерних випромінювачів з основними техніко-
економічними показниками;
- умовних критеріїв якості на базі умовного моделювання;
- критеріального рівняння, використовуючи множину критерії якості;
- побудови багатокритеріальної-образно-знакової моделі.

Виконана верифікація підвищення швидкості процедури визначення
кращої моделі лазерних випромінювачів підтверджена візуалізацією
результатів порівняльного аналізу множини багатокритеріальних образно-
знакових моделей.
Це дозволяє значно скоротити час при проектуванні системи
ресурсозберігаючого спеціалізованого лазерного технологічного
обладнання в цілому.
Враховуючи щодо апаратурної реалізації математичної моделі (1.1)
необхідно використовувати таки компоненти: суматори, або АЛП.
Дослідженні існуючі інтегральні схеми цифрових суматорів
двійкових операндів.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для аналізу евристично організована множина існуючих серійно
випускових суматорів. На підставі цієї множини створена реляційна модель
серійно випускових інтегральних схем суматорів, а саме - схеми відношення
структурованих за відповідними основними технічними параметрами
(напруга та струм споживання, час затримки, температурний діапазон,
потужність споживання) типів ІС суматорів і побудовані відповідні
гістограми.
Визначена модель суматора з найкращими параметрами, що
впливають на ефективність роботи спеціалізованих ресурсозберігаючих
комп’ютерно-інтегрованих систем технологічними обладнань.
Проведено інформаційний збір множини існуючих серійно
випускових інтегральних схем арифметико-логічний пристроїв для
компʼютерно-інтегрованої системи ресурсозберігаючого спеціалізованого
лазерного технологічного обладнання.
На базі визначення множини АЛП створення реляційна модель зі
технічними параметрами приведена при робочій частоті fconst – 2 МГц.
Використовуючи теорію розмірностей та умовного моделювання
створені та обраховані критеріїв якості арифметико-логічних пристроїв, на
базі яких побудовані знакова модель і гістограмі критеріїв якості.

Проведений аналіз результатів критеріїв якості та візуалізації знакової
моделі та гістограм показав, що великий енергетичний резерв має модель
АЛП CD400B АЛП при U = 5В, проте – низьку швидкодію.

Пропонується подальшому, проектуванні цій недолік усунути через
підвищення напруги живлення.

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
ЧДТУ.228030.001 ПЗ
59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets