ЛЕКЦИИ
«Основы конструирования»
Лекция 1. «Основы конструирования»
Конструирование – логический мыслительный процесс, не исключающий, однако, элементов интуиции от абстрактно сформированного задания А (основного принципа) через функционирующие элементы (ФЭ)(Существующие ТР [элементы решений]) к желаемому результату (Рабочие принципу)[КД].
Т.е., конструирование направлено от сущности задачи к явлению, которое желают получить (вызвать).
Основы структуры конструирования как процесса – связь между ТЗ и наилучшим его вариантом (Решением) – которая позволяет определять основные положения (они не носят характер непреложных законов) для подразделения существенных рабочих этапов конструирования:
1) В ТЗ содержаться (в явной или не явной форме) необходимые и достаточные данные для всех возможных решений (Основной принцип);
2) Каждое отдельное решение является комбинацией функционирующих элементов (ТР), характеризуемых определенным действием;
3) Каждое решение имеет недостатки (ошибки), число которых возможно минимизировать;
4) ТР с минимальным числом недостатков является оптимальным.
Эти положения определяют строгую (единственно возможную) последовательность действий при конструировании объектов: повторения (возвраты) допустимы и необходимы.
Отсюда следует основные этапы конструирования как процесса:
I. Проанализировать ТЗ: сформулировать Основной принцип.
II. Выявить ТР, целесообразные комбинации которые дают все возможные решения задачи (Рабочие принципы);Þ Мыслительный образ объекта.
Анализ существующих конструкций и принципов их работы – выявление ТР–это единственный путь:
В КД и действующей конструкции ТР воплощены в определенной совокупности узлов, деталей или их элементов (Вспомним пример – Шестерня), они как бы «теряются» в этой массе. В процессе анализа выявляются ТР, являющиеся основой построения детали, узла или объекта в целом.
ТР – основа для сравнения и оценки разных объектов: всю разработку в целом сравнить трудно, особенно если объект сложный и включает в себя разные узлы и системы: электрические, гидравлические, мех. передачи и др. Сравнению поддаются ТР, к которым можно применить общий критерий, характеризующий Основной принцип.
III. Найти содержащиеся в каждом решении недостатки и принять меры к уменьшению их количества (ошибки должны быть исключены полностью) или их действия (Улучшенные рабочие принципы).
– Мысленные эксперименты (при недостаточном опыте – эскизная проработка): перестановка и замена элементов объекта; оценка эффективности изменений – их влияние на конечный результат.
Выявить ТР с min–min числом недостатков – путем сравнительной оценки (Оптимальный рабочий принцип).
IV. Изготовить КД для практической реализации объекта (Как –min– Рабочий чертеж).
Еще раз следует подчеркнуть, что эффективность применения методики (методик) конструирования во многом зависит как от обычной способности к мышлению, так и от ряда определенных качеств (в т.ч. и профессиональных) личности конструктора.
К сожалению подробное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки программы курса «ОК»: это – вопросы из «Психологии творчества».
Можно назвать основные: –
n живое человеческое мышление, управляемое диалектической логикой и включающее системный подход [!].
n образное мышление и творческое воображение.
Все эти качества – дело наживное: они формируются и развиваются в процессе деятельности на основе трех «само...»:
–самообразование (...воспитание);
–...анализ;
–...оценка.
В настоящее время в области инженерии (Инженерная Деятельность) наиболее дефицитна (престижна) третья категория инженеров: системотехник (или «универсалист») – инженер широкого профиля, задачи которого – организация и управление инженерной деятельностью и создание сложных технических систем (1к – производственник; 2к – исследователь–разработчик).
Принципы:–
–принцип первичности материального;
–принцип всеобщей взаимосвязи;
–принцип развития.
Рассмотрим более подробно основные этапы процесса конструирования.
I. Анализ ТЗ проводится на основании:
–требований к объекту конструирования;
–общих правил конструирования (см. Орлов кн.1, 1977г, стр. 63...67=52).
I.1. Основные требования к объекту конструирования.
Разработка (Проектирование, конструирование) технических объектов связанна с конкретными,–
–производственной необходимостью;
–и бытовыми потребностями человека.
Подготовка производства (конструкторская ПП–часть), изготовление и эксплуатация объекта, в свою очередь, происходят в конкретных производственных и эксплуатационных условиях.
Это вносит определенные ограничения в работу конструктора, с которым он всегда должен считаться в процессе конструирования: «обузды–вать фантазию».
В противном случае – без учета ограничений, приходится всегда вносить изменения в конструкцию при изготовлении и эксплуатации, а это Þ дополнительные затраты труда и материалов.
Перечислим основные требования к объекту, которые должны обеспечивать max. его соответствие конкретным условиям применения:
À – соответствие своему назначению и высокая производительность; высокое качество, надежность и ремонтопригодность. Результат выполнения этих требований – обеспечение назначенного (гарантийного) ресурса;
Á – удобство применения, функциональные свойства, необходимые для выполнения нужных операций; (специализация или универсальность)
 – соответствие конструкции объекта условиям изготовления его конкретными технологическими способами, на конкретном производстве в конкретном количестве. (Литье, штамповка, сварка и т.д.; – единичное – серийное – массовое; одно – серия (и) – много).
Это требование диктуется экономической целесообразностью;
à – возможность изготовления объекта на конкретной производственной базе предприятия–изготовителя с min–min затратами (конструктор должен учитывать имеющиеся:
–оборудование, инструмент, оснастку для изготовления, сборки и контроля;
–квалификация персонала и состояние технологической дисциплины и т.п.).
Ä – соответствие конкретным условиям технологической подготовки производства (это – материалы, полуфабрикаты, заготовки, ПКИ (ГИЗы) Î их наличие и дефицитность).
Основа выполнения этого требования – согласования КД со службами (Предприятиями и организациями), участвующими при изготовлении.
Для выполнения этого требования проводится входной конструкторский, технологический и норма–контроль КД, полученной из др. Организаций и Предприятий.
Å – соответствие требованиям СТ (ГОСТ, ОСТ, СТП),ТУ, Правил, Инструкций, Норм, так называемые Нормативно–технические материалы, например, – ССБТ; П. без–й эксил ГПК; ПУиБЭ сосудов РД; ПУЭ и т.д. и т.п.
Æ – КД на объект должен соответствовать требованиям ЕСКД.
На что надо обратить внимание, это:
–не давать в чертежах технологических указаний (за исключением – когда технология единственная);
–не забывать указывать все Тех. Требования на изготовление, контроль (измерения) и испытания объекта.
Кроме того в процессе изучения и анализа ТЗ конструктор:
–наводит справки;
–знакомится с литературой;
–изучает чертежи, приложенные к ТЗ, и аналогов;
–уточняет ТТ к объекту и выясняет ограничения (условия, которые обязательно должны быть соблюдены при решении задачи).
Результат I этапа – уяснение цели конструирования (основного принципа работы объекта);
–Подтверждение того, что эта цель в ТЗ сформулирована правильно.
В противном случае – конструктор обязан обоснованно доказать необходимость корректировки ТЗ: ошибка разработчика ТЗ может привести, как min – к неверному направлению разработки объекта; max – к разработке негодной конструкции.
Лекция 2. «Качество конструкции объекта»
Качество конструкции объекта зависит от качества идеи или принципа, использованного в ТР объекта. Следует находить побольше ТР для выбора наилучшего; разрабатывать варианты известных ТР...;стремиться выяснить все необходимые детали, способные повлиять на конструируемый объект.
Оценивать сравнительную важность каждого варианта, чтобы облегчить выбор оптимального или создать компромиссный. Избегать поспешных решений и чрезмерного влияния авторитетных решений. Правильно оценивать результаты расчетов и рационально их использовать.
– Добиваться простоты конструкции. Например, если предполагается ввести новый узел или изменить уже существующий, надо уточнить, нельзя ли вообще обойтись без них.
Избегать сложных, многодетальных конструкций. Не использовать в конструкции объекта элементы (узлы и механизмы), работоспособность которых сомнительна и требует экспериментальной проверки.
NB – Улучшение конструкции по некоторым параметрам за счет ухудшения качества, надежности и безопасности работы ее недопустимо.
Требования предъявляемые к конструкции обычно противоречивы. Поэтому, улучшая один параметр объекта, конструктор влияет на др., нередко ухудшая их. Важно оценить эти влияния, принимая компромиссное решение, которое в конкретном случае будет оптимальным.
При оценки требований, предъявляемых к объектам разработки, необходимо учитывать следующее:
– Уменьшение массы объекта вызывает уменьшение прочности и жесткости.
– Компактная, малогабаритная конструкция влечет за собой улучшение условий сборки, обслуживания, регулировки и ремонта.
– Применение дешевых материалов вызывает ухудшение прочности, износостойкости и долговечности.
– Создание простой конструкции объекта накладывает ограничения на технические и технологические возможности его работы.
– Увеличение скорости действия механизма приводит к росту инерционных сил и нагрузок на детали и узлы.
– Разбивка конструкции на модули (узлы) для облегчения организации их сборки (или транспортировки) ведет к уменьшению жесткости конструкции, повышает трудоемкость сборки.
– Создание конструкции для разных режимов работы и разных операций (универсальной) наносит экономический ущерб при эксплуатации объекта на одной операции.
Для нахождения лучшего конструктивного решения конструктор должен создать как можно больше вариантов конструкции, т.к. в каждом варианте возможно решение тех или иных вопросов в разной степени.
Следует заметить, что разработка принципиально различающихся вариантов дело непростое. Кроме знания большого объема различных ТР, конструктивных схем и т.д. требуются способности и навыки использование приемов и методов конструирования.
Существуют методы, которые активизируют и направляют творческое мышление на пути создания новых, нешаблонных, нестандартных решений. Конструктору полезно знать эти методы (и учиться использовать их).
Приведем основные:
Инверсия (сделай наоборот) – метод получения нового ТР путем отказа от традиционного взгляда на задачу. При этом взгляд на задачу осуществляется обычно с диаметрально противоположной позиции. Если говорить об элементах объект, то они обычно меняются местами.
Принцип инверсии: –
– С наружи – изнутри;
Вертикально – горизонтально;
Вертикально – вверх дном (вверх ногами);
С лицевой стороны – с обратной стороны;
Поверхность охватывающая – поверхность охватываемая;
Симметрично – асимметрично;
Ведущее – ведомое;
Жидкое – твердое;
Вредное – полезное;
Жесткое – гибкое;
Растяжение – сжатие (Пример ?!).
Элемент на одной детали – Перенести на др. деталь, взаимодействующую с первой; и т.д. и т.п.
Аналогия (метод прецедента) – использование ТР из др. областей науки и техники. Аналогичные решения, используемые для решения инженерных задач, могут быть заимствованы из живой природы как конструкции и элементы биомеханики.
Метод прецедента использует аналогию с ранее разработанными конструкциями.
Аналогия может не только использовать ранее созданные конструкции, но и моделировать разные качества: форму, цвет, звук и т.п.
Эмпатия – отождествление личности конструктора с объектом разработки, т.е. элементом или процессом: «вхождение в образ». Этот метод приводит к новому взгляду на задачу.
Комбинирование – использование в конструкции в разном порядке и в разных сочетаниях отдельных ТР, процессов, элементов. При этом можно найти новое качество, дополняющий положительный эффект.
Метод комбинирования может применяться по трем схемам объединения элементов:
новое + новое,
новое + новое,
старое + старое.
Комбинации элементов могут быть разного характера: мех. соединение, соединение через промежуточные элементы, дублирование, образования многоступенчатых конструкций и др.
Компенсация – уравновешивание нежелательных и вредных факторов средствами противоположного действия. Например, часто необходимо компенсировать влияние массы, сил инерции, трения, различные потери... – это осуществляется с помощью компенсаторов (постоянных, регулируемых, автоматических, пружинных и др.).
Динамизация – превращение неподвижных и неизменных элементов конструкции в неподвижных и неизменных элементов конструкции в подвижные и изменяемой формы.
Агрегатирование – создание множества объектов или их комплексов, способных выполнять различные функции, либо существовать в различных условиях. Достигается путем изменения состава объекта или структуры его составных частей.
Способы агрегатирования:
n соединение агрегатов с самостоятельным объектом представляющим комплекс (транспортер с подвесными орудиями);
n агрегатирование присоединением, когда к базовой составной части могут присоединяться различные зависимые составные части;
n агрегаты, узлы, детали (например, агрегатные станки; поворотно–делительные столы + силовые узлы: механизм главного движения и механизм подач);
n агрегатирование изменением, когда в объекте могут применяться всевозможные варианты составных частей при различной компоновке (например, различные варианты кузова автомобиля на одном шасси...).
Компаундирование – состоит с том, что для увеличения производительности параллельно соединяются два технических объекта. Соединение производится различными приемами:
n объекты устанавливаются независимо параллельно и связываются синхронизирующимися устройствами;
n ... конструктивно объединяются в один агрегат и т.д.
Блочно–модульное конструирование – предусматривает создание изделий на основе модулей и блоков. Модуль – составная часть изделия, состоящая преимущественно из унифицированных или стандартных элементов различного функционального назначения (например, М. С. У.).
Резервирование (дублирование) – увеличение числа технических объектов для повышения надежности изделия в целом.
Мультипликация – повышение эффективности за счет использования нескольких рабочих органов, выполняющих одни и те же функции (по местам; многодетальная обработка; многоэтажные конструкции; многослойные конструкции и т.п.).
Метод расчленения – заключается в мысленном разделении традиционных технических объектов с целью упрощения выполняемых или функций и операций. Секционирование предполагает дробление ТО на конструктивно подобные составные части – секции, ячейки, блоки, звенья.
Ассоциация – использование свойства психики при появлении одних объектов в определенных условиях вызывать активность других, связанных с первыми. Совпадение определенных признаков разных объектов позволяет найти нехарактерные решения. (Например, мех. манипулятор, имитирующий работу руки...).
Идеализация – падение реальных объектов нереальными, неосуществимыми свойствами и изучение их как идеальных (точка, линия, абсолютно твердое (черное) тело и др.). Этот метод позволяет значительно упростить сложные системы, обнаружить существенные связи и применить математические методы исследования.
Перенос свойств (или метод «фокальных» объектов) – конструируемый объект помещают в «фокус» внимания и переносят на него свойства или функции нескольких произвольно выбранных объектов.
Совокупность комбинаций найденных ТР – основа для создания конструкции объекта.
Следующий этап (III) – анализ вариантов и выбор оптимального – труднейший и самый ответственный этап конструирования. От результатов его выполнения зависит качество объекта на всех стадиях жизненного цикла.
? – Язык конструктора. –?
? – Источники информации. –?
?? – специальный научно–технический язык терминов.
Термин (от лат. terminus – граница, предел) – слово или сочетание слов, употребляемое с оттенком специального значения. Система терминов–терминология.
Конструкторский язык – терминология, при внимательном рассмотрении обнаруживает свою образную первооснову:
ось – палец – вал – вал ^ муфта
стакан – гильза ^ патрон
баба – бабка ^ пиноль
гитара
хвостовик.
Образный смысл терминов помогает глубже понять их содержание [и способствует развитию творческого воображения]. Однако, следует заметить, увлечение образами создает заряд психологической инерции, которая может препятствовать поиску новых ТР. Поэтому при решении конструкторских задач нужна большая независимость от конкретных технических средств.
Источники [научно–технической] информации.
Роль технической информации при конструировании огромна.
Конструктор творчески перерабатывает имеющиеся в его распоряжении (арсенале) или заимствованные из технической литературы информацию, существующие ТР, приспосабливая их к конкретным условиям.
Чаще всего в структуре разработанного объекта отсутствуют существенно новые ТР (изобретения). Это объясняется тем, что конструкторы, решая например, задачу повышения уровня технического оснащенности м/с, на многих предприятиях отрасли занимаются одними и теми же проблемами: Ежедневно происходит повторение одних и тех же конструктивных решений.
Бурный рост объема НТИ: удвоение в течении семи лет (в середине 80–х в нашей стране общее число информационных документов составляло в год ³ 10 млн. Экземпляров), – все больше затрудняет поиск и изучение необходимого.
Парадокс. Поэтому – как правило, легче разработать новый объект, чем убедиться, что такое где–то уже существует. (изобретение велосипеда).
В то же время – изучение и накопление положительного опыта конструирования – жизненная необходимость, особенно для молодых специалистов.
Т.к. стремление освоить всю предыдущую информацию – тщетно!!!, то – выход: изучать информацию по конкретным актуальным для данного специалиста вопросам, начиная с новейших достижений и кончая ретроспективной информацией.
Результат изучения информации Þ обеспечение Конструктивной преемственности – использование при разработке предшествующего опыта по профилю специализации и смежных отраслей, введение в конструкцию разрабатываемого объекта всего полезного, что имеется в существующих конструкциях.
Основные источники НТИ:
Техническая литература: Учебники; Справочники конструктора (межотраслевые и отраслевые); Энциклопедии технические (универсальные и отраслевые); Словари терминологические и разъяснительные; Типажи машин и оборудования и т.п.
Производственно–техническая информация – информация о новейших достижениях научной и производственной практики: Обзоры; Реферативные издания; Экспресс–информация; ИЛ; Бюллетени; Типовые РМ и в том числе изобретения и т.п.
Патенто–лицензионная информация (о содержании – в разделе Патентоведение).
БНТИ Þ помощь Специалистам.
Лекция 3. «Анализ вариантов конструкции и выбор оптимального варианта»
Этот этап заключается в подборе и разработке вариантов, относящихся к объекту и принципу работы.
III этап Þ принятие одного, окончательного варианта.
Важно отметить, что принятие конкретного варианта имеет решающее значение на всех стадиях разработки. Оптимальное решение придает направление всей разработке.
Вероятность выбора оптимального варианта... тем выше, чем больше число вариантов, из которых выбирается это решение, и чем выше качество этих вариантов.
Как мы сказали ранее, основа для отбора ТР – требования (ТЗ) к разрабатываемому объекту. Эти требования могут предъявляться к объекту в целом или к его составным частям и функциональным элементам.
Как требования к объекту, так и варианты ТР нередко являются противоречивыми. Противоречивость вариантов может иметь самую различную степень, вплоть до взаимного исключения.
В любом случае выполняется проверка совместимости принимаемых решений по разным частям конструкции и принципам работы конструируемого объекта.
В случаях, когда имеется определенное число вариантов и выбор наилучшего (оптимального) не очевиден, на помощь конструктору приходит метод оптимизации.
Оптимальным решением задачи назначается решение, которое по тем или иным признакам предпочтительнее.
Отсюда следует: чтобы среди большого числа вариантов найти оптимальный, нужна информация о предназначительности различных сочетаний значений показателей характеризующих варианты,– критерий оптимизации.
Задача выбора оптимальных параметров разработки в соответствии с выбранными критериями называется задачей оптимального проектирования (конструирования).
Здесь следует отметить, что под оптимальным проектированием (чаще всего) понимается процесс принятия оптимальных (в некотором смысле) решений с помощью ЭВМ. Эта проблема, связанная с получением оптимального решения из множества допустимых, является общей для всех стадий разработки и во многом определяет технико–экономическую и технологическую эффективность разрабатываемых (конструируемых) объектов.
Рассмотрим некоторые положения теории оптимального проектирования.
Процесс оптимального проектирования включает в себя три основных этапа:
1) выбор объективного критерия оптимизации;
2) описание целевой функции и множества (области) допустимых решений (математическое моделирование объекта);
3) выбор эффективного метода решения задачи и его реализация.
À Критерий оптимизации конструируемого объекта служит показатель, который оптимален для данного объекта.
Выбор критерия определяется следующим:
n критерий–средство, с помощью которого должны сопоставляться конкурирующие варианты конструкции объекта;
n критерий должен выражать соответствие между целесообразным качеством объекта и реальными процессами конструирования, изготовления и эксплуатации объекта.
Критерий предназначен не для того, чтобы «заменить цель поставленной задачи», а для того, чтобы проверить предпочтительность выбранных вариантов.
Критерий должен быть объективным и оправдывать свое назначение. Для этого он должен обладать рядом свойств:
n быть независимым;
n быть однозначным, т.е. не являться функцией других факторов;
n быть непосредственно связанным с параметром оптимизации;
n быть совместимым с другими факторами, чтобы не нарушать их работу и др.
В качестве критерия оптимизации в зависимости от характера и назначения объекта конструирования могут быть приняты:
n его стоимость;
n конструктивные и точностные показатели;
n масса (вес);
n долговечность (ресурс) и др.
Á Оптимизация как процесс рационализации элементов конструкции возможна только тогда, когда сформулирована цель.
При решении задач оптимизации математическими методами: математическая зависимость критерия оптимизации от искомых параметров объекта носит название целевой функции.
Название не случайно: оптимизация проводится с целью получения наилучшего значения критерия оптимизации.
Z=Z(X,U) ® min, [ x1,...,xn ] =X
- n искомых параметров объекта;
- Ui(t) - неизвестные функции конструирования.
Пространства, в которых изменяются X,U - назовём пространствами проектирования.
- условие min функционала, определяющее выбранный критерий - есть критерий оптимальности.
Функционал - (в вариационном исчислении) математическое понятие, означающее переменную величину, зависящую от выбора одной или нескольких функций.В общем смысле - оператор, отображающий бесконечно мерное пространство, в множестве действительных или комплексных чисел.
Параметры оптимизации:
В качестве искомых параметров объекта могут служить любые численные значения:
- принцип работы изделия (н.)
- технические показатели (Vmax или Vmin; производительность; to; M и др.);
- показатели качества (Qu; HRC - поверхности вала и тп.).
Параметры оптимизации должны соответствовать следующим требованиям,-
- поддаваться измерениям с достаточной степенью точности и ограничиваться пределами допусков;
- быть информационными, т.е. всесторонне характеризовать объект;
- иметь физический смысл, т.е. должна быть возможность достижения полезных результатов определенного свойства объекта в соответствующих условиях;
- быть однозначными т.е. максимизировать или минимизировать только одно свойство объекта.
Параметры оптимизации в зависимости от цели, для которых они предназначены, могут быть,-
- пространственно – временными (длина; время; площадь; объём; скорость; ускорение и т.д.);
-механическими (масса, плотность, сила, момент силы, работа, энергия, мощность, давление и т.д.);
- электромагнитными (количество электричества, плотность тока, удельное сопротивление,магнитный поток и т.д.);
- тепловыми (to, количество теплоты, тепловой поток, коэффициент теплообмена и т.д.);
- акустическими (звуковое давление, интенсивность звука и т.д.);
- качественными (внешний вид, качество поверхности и т.д.).
В задачах оптимизации к критериям оптимальности обычно приходится присоединять ограничения, чтобы сузить пространство проектирования (это не только системы математических уравнений, но и логические выражения типа ² если... то... ²).
Основные ограничения для механических конструкций:
1) на величину напряжений (мех.), налагаемые требованиями надёжности и экономичности (условия прочности и устойчивости);
2) на перемещение элементов, налагаемые требованиями жёсткости, работоспособности действующей НТД (условия жёсткости);
3) условие совместности деформаций: неразрывность элементов конструкции при действии внешних нагрузок;
4) функциональные ограничения, связанные с условиями и эксплуатации элементов объекта (Н, габаритные ограничения, материал, сортамент, крепёж и т.п.)
 Задача о минимуме функционала при заданных ограничениях в общем случае является задачей теории оптимальных систем с определёнными параметрами, описываемой системой дифференциальных и интегральных уравнений. Единого метода решения столь общих задач не существует.
В основном применяются,– аналитические (дифференциальные и вариационные исчисления) и,– численные методы (линейное, нелинейное и динамическое программирование; метод ветвей и границ.
Эвристическое программирование в системе человек – ЭВМ
I оптимизация по нескольким (многим) параметрам при помощи ЭВМ.
II Если удаётся выделить один главный параметр, который достаточно полно характеризует объект оптимизации, применяются методы отличающиеся более простыми вычислительными процедурами.
!!! Решение задач оптимизации математическими методами даёт наилучшие результаты. Однако не всегда возможен выбор математических методов оптимизации с использованием ЭВМ.
Ограничения: отсутствие СВТ и соответствующих специалистов; кроме того, не все задачи оптимизации имеют математическое решение.
По этому конструктор, работающий на промышленном предприятии, 1), применяет т.н. вариантное конструирование (сравнение нескольких вариантов конструкции и выбор варианта с минимумом недостатков); 2), выполняет оптимизацию на интуитивном уровне.
Ведь задачи оптимизации приходится решать не только при определении основных параметров объекта, но и по многим второстепенным вопросам.
Любой выбор конструкторского решения формы и размеров элементов объекта – решение оптимизирующей задачи, когда конструктор выбирает оптимальное решение из той совокупности вариантов, которые хранятся в его памяти. Эти варианты удовлетворяют ТЗ на конструкцию,т.е. находятся в допустимой области. Знание конструктором основных критериев и методов конструирования позволяет делать правильные логические выводы.При этом помогает модель конструируемого объекта – мыслительный образ (в воображении конструктора) или графическое изображение (схема, эскиз). Модель отражает упрощённую принципиальную схему, которую в процессе конструирования обрастает IP. Здесь на помощь конструктору приходит ² мыслительный эксперимент ²: например, проводится ² нагружение ²образца на основе чего определяется рациональное поперечное сечение, и т.п.
Знание методов оптимизации, опыт работы, способность творчески мыслить позволяют конструктору избежать недостатков и ошибок в конструкции объекта.
Основные параметры.
При конструировании оптимизацию целесообразно выполнять по следующим (основным) параметрам,–
– 1. Оптимизация нагружения – самый главный параметр, который определяет конструкцию объекта: равнопрочность, оптимальное использование материала, надёжность и т.д.
– 2. Оптимизация материала зависит от конструкции объекта. Применяемый материал может быть различным, но его выбирают по необходимым механико-физическим свойствам, технологичности, стоимости, доступности и т.д.
– 3. Оптимизация надежности включает в себя показатели качества, коэффициент безопасности, точности и т.д.
– 4. Оптимизация отношений взаимосвязанных величин заключается в оценке следующих характеристик объекта: геометрические размеры (характеристики), кинематические и динамические свойства, масса, упругие свойства и отношения между ними.
Анализ конструкций на технологичность
— выполняется при разработке технического (технорабочего) проекта объекта
— после разработки окончательных технических решений
— для оценки объекта по технологическим параметрам и отработки его на технологичность.
Чтобы улучшить технологичность изделий (для снижения себестоимости) выполняется технологический контроль конструкторской документации по ГОСТ 2.121–73.
Основной субъект, разрабатывающий конструкторскую документацию – чертежи, схемы, текстовые документы и др. – конструктор. Он определяет “лицо” сконструированного объекта: содержание конструкторской документации (КД) и все отраженные в них технические решения (ТР). За это он несет ответственность, оговоренную в Должностной инструкции, в соответствии с действующим законодательством.
Исходя из этого, в производственной практике наблюдается некоторая переоценка (мягко выражаясь) роли конструктора в создании конструкции объекта.
При этом сложилось антагонистические отношения между конструкторами и технологами: технолог “противник” конструктора, следовательно “ретроград”, тормозящий технический прогресс.
Эта недооценка роли технолога в конструировании объектов не приносила бы вреда, если бы конструктор владел всем объёмом технологических знаний и опыта.
Но – “нельзя объять необъятное”,–поэтому конструкторская документация (КД) – должна быть творчеством не одного исполнителя, а быть результатом совместной плодотворной работы разных специалистов.
И первое, ведущее место в этом процессе занимают технологи.
Качество КД и её технический уровень определяются тем, насколько тесным и плодотворным было это сотрудничество.
Технолог должен совместно с конструктором разрабатывать конструкцию объекта на всех стадиях разработки.
Это реализуется в отработке изделия на технологичность:
Какие недостатки имеют эти технические решения с точки зрения технологичности
технологично
нетехнологично
Технологичность конструкции и её виды
В соответствии с ГОСТ 22851–77 “Показатели качества продукции” установлено 8 видов показателей качества, в т.ч. – показатели технологичности… Главный критерий технологичности конструкции – её экономическая… Единые термины и определения в области технологичности конструкций устанавливает ГОСТ 18831–73 “Технологичность…
Приводной элемент ШУ расположен между опорами
Эта схема типична для токарных, фрезерных станков и для многоцелевых станков с… Радиальное упругое перемещение шпинделя в расчетной точке слагается из следующих перемещений:
Система « Человек – машина « [ «Человек–машина–среда»].
Ведущий принцип организации взаимодействия в системе « Человек–Машина « – ориентация на человека, как субъекта труда и творчества, с целью наиболее… N Научная и практическая задача организации систем «Человек–Машина–(Среда)»… Эту задачу решает Инженерная психология. При этом Человек–Оператор рассматривается в первую очередь не как звено…
Основные требования к конструкции индикаторов.
Основной аппарат приёма – органы чувств, являющиеся частью анализаторов.
При работе с объектами управления Человеке–оператор обычно использует только… Особенности этих анализаторов человека (физиологические) представляют определённые требования к конструкции…
Все цвета, кроме синего ! = Различимость.
Счётчики – самые точные отчетные устройства. Но их недостаток – они не могут показывать направления и скорость изменения параметра. Темп подачи сигналов, лишняя информация: нули слева.
Шкалы – по форме, подвижности. Основные требования – различимость делений и знаков.
Светопланы – электронно–лучевые трубки, люми– и газоразрядные индикаторы, жидко–кристальные индикаторы (ЖКИ) и светоизлучающие диоды (СИД), выполняемые часто в виде комбинированных дисплеев.
Для облегчения работы рекомендуется использовать мнемосхемы.
Например, проекция на лобовое стекло в летательных аппаратов.
Слуховой анализатор, основной элемент которого – ухо, воспринимает звуковые колебания простые (чистые тона) и сложные (речь, музыка) в широком диапазоне частот и уровней сигнала (20.....2000 Гц, 0,002 Нм2...... 100 Нм2).
Слух обеспечивает стереоэффект (~ 0..... 120 Дб), биноуральный слух имеет незначительную разрешающую способность по углам, но обеспечивает приём сигналов из любой точки сферы, в центре которой Человек–оператор.
Основные рекомендации по акустическим индикаторам:
· tзвучания сигнала ? 0,3.....0,5 с.;
· если используется несколько АС угол между ними должен быть 15....20°(без поворота головы) или 3.....4° (при возможности повернуть голову на источник звука);
· учитывать биноуральность слуха и эффекты адаптации;
· наличие шума (мешающих сигналов), модуляцию сигнала.
Тактильный (осязательный) анализатор – даёт возможность на ощупь определять характерные формы органов управления и облегчать или ускорять процесс управления.
Тактильные индикаторы – различимые на ощупь: рукоятки, кнопки, тумблеры.
Для лучшей различимости – размеры должны различаться между собой ? 20 %.
NB: когда органы управления рядом – но результат воздействия разный: цвет и форма !
На основании сказанного рекомендуется (общие рекомендации):
· использовать зрительные анализаторы – для решения задачи само ориентации; снятия искажений с много шкальных приборов; сравнения быстро следующих друг за другом сигналов; наблюдения за источником информации и получения точной количественной информации; оценки движения. Лучшая различимость – у дискретных сигналов;
· использовать слуховые анализаторы – для обеспечения индивидуальной одноканальной связи; передачи кратких сообщений; сигнализации о завершении ряда следующих друг за другом операций; для дублирующих сигналов. Для различимости– один уровень, но разная частота;
· использовать тактильные анализаторы– для тех случаев, когда зрение или слух заняты; когда требуются подтверждающие сигналы или когда формируются простые команды управления.
Конкретно, смотреть Вудсон У., и другие « Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников–конструкторов. « Москва, «Мир», 1968 год.
Основные характеристики рабочей среды.
¬ лёгкая (комфортная) рабочая среда;
средняя (относительно дискомфортная) рабочая среда;
® тяжёлая (экстремальная) рабочая среда;
Лекция 5. Эргономическая отработка конструкций – часть процесса художественного конструирования
Эргономика изучает функциональные возможности человека в процессах труда с целью создания совершенных изделий и оптимальных условий труда.
ГОСТ 16456–70 устанавливает четыре группы комплексных эргономических показателей:
· гигиенические;
· антропометрические;
· физио– и психофизио– логические;
· психологические.
По этим показателям оценивается качество продукции в целом и в частности, конструкции.
¬ Гигиенические показатели: уровни освещённости; вентилируемости; температуры; влажности; запыленности и давления воздуха –микроклимат;механические и физические факторы: напряжённость магнитного и электрического полей; радиация; токсичность; шум и вибрации; гравитационные перегрузки и ускорения Ô эти показатели предмет Охраны труда и техники безопасности.
Антропометрические показатели определяются соответствием конструкции объекта размерам и форме тела человека, распределению массы его тела.
Эти показатели проверяют сравнением определяющих размеров тела человека при различных рабочих позах с соответствующими размерами изделия. В ряде случаев необходимо учитывать размеры головы и кисти рук человека.
® Физиологические и психофизиологические показатели определяются соответствием конструкции объекта следующим возможностям человека:
n силовым;
n скоростным;
n энергетическим;
n зрительным;
n слуховым;
n осязательным;
n обонятельным и вкусовым.
Для проверки этих показателей анализируют:
¬ размеры органов управления, их форму и прилагаемые усилия;
зоны обзора
1. 30....40°
2. 50....60°
3. 90°
® рабочие зоны Человека–оператора при управлении ручными и ножными регуляторами;
¯ анализируют характер движений.
Зона обзора: 30....40° соответствует максимальной – разрешающей способности;
50....60° – чёткому цветному, а 90°– черно– белого зрения.
Наиболее удобное расположение индикаторов –по горизонтали 30° ниже линии взора, но не более 30° (вверх) или 40° (вниз).
При рассмотрении рабочих зон следует иметь в виду, что величина усилия, прилагаемого к Объекту управления, зависит:
n от направления: вверх, вниз, в сторону;
n высоты расположения: от 300 до 1800 мм;
n и руки: у большинства людей правая рука сильнее левой в 1,2 раза.
Если Человек–оператор должен часто выполнять переключение, то величины усилий должны быть уменьшены в 2....3 раза.
Во всех случаях усилия больше 150 Н – для рук и более 250Н –для ног при продолжительности нажатия более 3 секунд – УТОМИТЕЛЬНЫ.
¯ Психологические показатели конструкции изделия определяются соответствием закреплённых и вновь формируемых рабочих навыков человека его возможностям по восприятию и переработке информации.
Лекции 6. Эргономический анализ и отработка конструкций
В основе эргономической отработки конструкции лежит полная совокупность эргономических параметров, что позволяет найти оптимальное… Эргономическая отработка производится на основе эргономического анализа.
Эргономический анализ применяет разнообразные методы исследования, такие как:
Иерархическая структура
Поиск новой технической идеи (ТР) решения задачи состоит в последовательном выявлении внутренних противоречий и их решении.
Если вспомните критерии изобретения: ²новизна² и ²существенные… Эта характеристика количественно описывается,–
Морфологическая таблица
С П
Варианты признаков
А
А1; А2; А3; А4; А5; А6
Б
Б1; Б2; Б3;...; Б7
В
В1; В2; В3; В4
...
...
Всех решений будет
Например, решение А2 – Б3 – В1 Þ Ка–50
Если рассмотреть все возможные решения (168), то часть этих решений будет –
—известна;
—новая;
—бессмысленная (нереализуемая), например А2 - Б3 - В2
Следует отметить, что морфологический анализ можно применять при анализе технического задания для выявления взаимосвязей ТТ к объекту.
Резюме: Приведённые методы активизации творческой деятельности –
—имеют экстенсивный (затратный) характер – очень трудоёмки;
—основаны на психологической активации, действии интуиции, использовании случайных ассоциаций, увеличении числа учавствующих в поиске специалистов.
Эти методы распространены за рубежом.
5 В нашей стране (СССР) получила применение алгоритмическая методика, которая затем превратилась в АРИЗ (79–85).
Автор этой методики Генрих Саулович Альтшуллер – изобретатель, специалист ТРИЗ (Г.С. Альтов – литературный псевдоним).
В разработке АРИЗ применена диалектическая логика, он основан на законах развития технических систем и представляет собой комплексную программу алгоритмического типа, включающую последовательные операции для выявления и устранения технических противоречий, средства управления психологическими факторами и информационный фонд.
Направление решения проблемы может включать прямую и обходные задачи (умный в гору не пойдёт).
Если при решении задач не сталкиваются несовместимые требования, то они решаются известными инженерными методами без существенных изменений объекта – прототипа.
В других случаях возникает необходимость преобразования технической задачи в физическую путём развёртывания внутриобъектных противоречий в процессе постановки задачи.
Структура АРИЗ
Пояснения к структурной схеме:особенностью II этапа является то, что с момента определения ОНО‑П осуществляется формирование цели РЗ, которая развёртывается в последовательность ИКР 1...4 – идеальных конечных результатов, соответствующих различным уровням внутриобъектных противоречий.
ИКР отражает особенность идеи решения: объект (его часть или элемент) наделяются требуемым свойством и сам выполняет требуемую функцию без усложнения конструкции.
Окончательное ТР всегда является отступлением от ИКР и сопровождается изменениями объекта-прототипа.
Изменяемый фактор (ИФ) – характеристика объекта, которая допускает количественные изменения, например, число элементов конструкции, размеры элементов, режимы работы и т.п. Техническое противоречие ® невозможно устранить ОН при ¯ ИФ.
Конфтликтующая пара (КП)– элементы объекта, взаимодействие которых обуславливает основной недостаток. Одному из элементов КП присваивается наименование “инструмент”, а другому “изделие”.
Функциональное противоречие (ФП) проявляется в том, что неудовлетворительное взаимодействие элементов КП не устраняется вариацией изменяемого фактора.
Другими словами: к функциям одного из элементов КП предъявляются противоречивые требования, не совмещаемые известным способом.
Оперативная зона (ОЗ) – зона проявления ФП, которой может оказаться “инструмент”, “изделие”, часть того или другого. Характеристика ОЗ включает пространство и время, в пределах которых происходит неудовлетворительное взаимодействие элементов КП; а также вещественные и энергетические ресурсы, которые можно использовать для решения задачи. Причина технического и функционального противоречий – отсутствие требуемого сочетания физических свойств в ОЗ, которое не достигается без существенных изменений объекта.
Таким образом, цель решения задачи (ИКР–4):совмещение противоречивых требований к физическим свойствам, и задача преобразована в физическую, что позволяет облегчить поиск её решения.
Физические задачи решаются на основе использования известных физических законов и явлений, которых насчитывается десятки тысяч [ физика º фундамент инженерных решений ].
Такова сущность АРИЗ.
5.1 Дальнейшим развитием АРИЗ является программный продукт для ПЭВМ “Изобретающая машина”, полное имя которого: “Семейство интеллектуальных систем поддержки решения изобретательских задач”.
Он может применяться практически в любой области техники. Язык программирования: LPA – Prolog Professional (Gbr). ЭВМ: IBM PC/XT/AT с графической платой EGA или VGA.
Лекция 11. «Конструкторский бизнес»
Бизнес – делание денег из денег, но обязательно посредством полезной производительной деятельности – изготовления продукта или оказания услуги.
Формула бизнеса проста: Д – Д’ (Д’>Д) — бизнесмен вкладывает в дело деньги Д и по завершении дела, или некоторого делового цикла, получает обратно Д’: деньги с приростом, т.е. с прибылью.
Формула проста, но процесс сложен, ведь за чёрточкой стоящей между двумя Д, скрывается очень многое, сложнейший жизненный процесс, иногда включающий в себя работу сотен, тысяч и десятков тысяч людей.
Бизнес – это сначала организация производства, экономической деятельности, самой жизни, а потом уже – собственно делание денег.
По-русски бизнес есть предпринимательство, а бизнесмен – предприниматель. Русские эквиваленты придают словам дополнительный смысл: за словами “ предпринимательство ” и “ предприниматель ” стоит предприятие, т.е., сложное, значительное дело.
Бизнес, таким образом, ничто иное, как организация предприятия –... бизнес – организация производительной деятельности, производства продукта (полезной вещи) или услуги (невещественного продукта).
Чтобы стать предпринимателем, недостаточно владеть некоторой суммой денег или набором средств производства: или надо правильно распорядиться, чтобы они могли принести новые деньги, прибыль. Предпринимателем может быть только умеющий.
А умеющий – прежде всего знающий: знающий своё дело, умеющий его делать.
Любой предприниматель должен рассчитывать прежде всего на себя, уметь принимать самостоятельные решения, быть творцом, а для этого – быть не только знающим, умеющим, но и думающим.
Нет и не может быть рецептов для предпринимателя на все случаи жизни.
Предпринимательству надо учиться, и не только на первых порах, но и всегда, постоянно: постигать предпринимательское искусство, то самое, сделало Эдисона – Эдисоном, Форда – Фордом, Нобиля – Нобилем, Сикорского – Сикорским...
В заключение: всякая инженерная деятельность является творческой деятельностью.
В ней используется совокупность логических, информационных и других рекомендаций по практическому применению методов активизации творчества.
Для нетворческой деятельности характерно использование готовой задачи, готового решения, конструкции и её применения.
Работа конструктора (конструкторского коллектива) его умение применять свои знания и творческие способности в значительной степени определяют технический уровень и качество разрабатываемого объекта.
Для решения всех вопросов разработки новой техники, недостаточно знания основ конструирования, уровня развития техники и мировых достижений в какой-то конкретной области.
Требуется нестандартный, нешаблонный подход к решению любой технической задачи.
Как все знания и методы работы приобретаются в процессе учёбы или практической деятельности, так и нешаблонность мышления приобретается этим же путём, но при наличии стремления все вопросы решать по-новому.