Общие принципы конструирования

1.Общие принципы конструирования. Метод инверсии. Техника компонования. Художественное конструирование.

Общие принципы конструирования.

При проектировании технических полезно придерживаться след. основных положений:

1.Новые техн. решения (в виде устр-ва, способа, вещества) появляются в результате постепенного приближения к цели.

2.Разработка проекта осуществляется от общего к частному, а не наоборот.

3.Наиболее рациональное решение вырабатывается при наличии максимально возможного числа вариантов и их углубленном анализе.

4.При поиске решения требования правильности функционирования ТО преобладают над другими требованиями.

5.Конструктивные параметры элементов ТО определяются главным образом физикотехническими, а не экономическими факторами, поэтому при проектировании необходимо в первую очередь производить инженерные расчеты.

6.Конструирование выполняют с учетом возможности и трудности ТО.

7.Экономическая оценка конструкции является важным стимулом получения рациональных проектных решений, но она может быть сделана не раньше чем появится

вариант требования функционирования ТО.

Примечание к п.5.: геометрические параметры элементов деталей определяются создателями ТО исходя из назначения детали и на основе расчетов различного характера, результатов экспериментального исследования, опыта эксплуатации аналогичных конструкций.

Метод инверсии.

Среди приемов, облегчающих сложную работу конструирования, видное место занимает метод инверсии (обращение функций, форм и расположения деталей).

В узлах иногда бывает выгодным поменять детали ролями, например, ведущую деталь сделать ведомой, направляющую - направляемой, охватывающую – охватываемой, неподвижную

– подвижной. Целесообразно иногда инвертировать формы деталей, например, наружный конус заменить внутренним, выпуклую сферическую поверхность вогнутой. В других случаях оказывается выгодным переместить конструктивные элементы с одной детали на другую, например, шпонку с вала на ступицу или боек с рычага на толкатель.

Каждый раз конструкция при этом приобретает новые свойства. Дело конструктора – взвесить преимущества и недостатки исходного и инвертированного вариантов с учетом прочности, технологичности, удобства эксплуатации и выбрать наилучших из них.

Техника компонования.

Компонование обычно состоит из двух этапов: эскизного и рабочего. В эскизной компоновке разрабатывают основную схему и общую конструкцию агрегата. На основании анализа эскизной компоновки составляют рабочую компоновку, уточняющую конструкцию агрегата и служащую исходным материалом для дальнейшего проектирования. Компоновку следует начинать с решения главных вопросов – выбора рациональных кинематической и

силовой схем, правильных размеров и формы деталей, определения наиболее целесообразного взаимного их расположения. При компоновании надо идти от общего к частному, а не наоборот. Другое основное правило компонования – разработка вариантов, углубленный их анализ и выбор наиболее рационального. В процессе компонования необходимо производить расчеты, хотя бы ориентировочные и приближенные. Основные детали конструкции должны быть рассчитаны на прочность и жесткость. Но нельзя полностью полагаться только на расчет. Необходимое условие правильного конструирования – постоянно иметь в виду вопросы изготовления и с самого начала придавать деталям технологически целесообразные формы. Компоновку необходимо вести на основе нормальных размеров (диаметры посадочных поверхностей, размеры шпоночных и шлицевых соединений, диаметры резьб и т.д.). При компоновании должны быть учтены все условия, определяющие работоспособность агрегата, разработаны системы смазки, охлаждения, сборки-разборки, крепления агрегата и присоединения к нему смежных деталей (приводных валом, электропроводки, коммуникаций); предусмотрены условия удобного обслуживания, осмотра и регулирования механизмов; выбраны материалы для основных деталей; продуманы способы повышения долговечности, увеличения износостойкости трущихся соединений, способы защиты от коррозии; исследованы возможности форсировки агрегата и определены границы.

Компонование лучше всего вести в масштабе 1:1, если допускают габаритные размеры проектируемого объекта. Если размеры агрегата не позволяют применять данный масштаб, то отдельные узлы и агрегаты объекта следует во всяком случае выполнять в натуру.

Компоновку простейших объектов можно разрабатывать в одной проекции, в которой конструкция выясняется наиболее полно. При компоновке более сложных объектов обязательная разработка во всех необходимых разрезах и сечениях.

Художественное конструирование.

Художественное конструирование преследует цель сообщить среде образовавшейся в производстве не только практическое совершенство, но и эстетическую значимость. В настоящее время техническое и художественное конструирование это единый процесс рационального проектирования изделий. Технологическое конструирование создает предмет, технический объект (ТО) в материальной и функциональной основе. Художественное конструирование наполняет предмет общественным содержанием, удобством, гармонией, красотой. Художественное конструирование осуществляет дизайнер, владеющий законами эстетического воздействия и умеющий их применять в области технического конструирования. Поле деятельности дизайнера огромно: от разработки замысла и композиции до изучения эстетических вкусов потребителей. Он должен суметь вообразить будущую форму ТО, быть мечтателем и практиком, обладать даром научного предвидения. Согласно определению, дизайн - творческая деятельность, целью которой является определение формальных качеств промышленных изделий. Эти качества включают внешние черты изделия, но главным образом структурные и функциональные взаимосвязи, которые превращают ТО в единое целое, как с точки зрения потребителя, так и с точки зрения изготовителя. Теория дизайна получила название технической эстетики, которая охватывает широкий круг проблем, связанных с социальными, экономическими, эргономическими вопросами производства и потребления с закономерностями формообразования, принципами и методами творческой работы конструктора.

Определяя форму ТО, конструктор должен стремиться, чтобы она в максимальной степени соответствовала функциональному назначению и вытекала из этого назначения. Нельзя проектировать ТО не зная окружения и не учитывая его особенности. Форма изделия должна сочетаться с его образностью. Нельзя малоподвижным объектам давать форму стремительно движущихся и наоборот. Эстетическое совершенство объекта требует информационности его формы. В большинстве случаев форма объекта отражает его содержание. Часто по форме объекта можно определить его конструктивную основу. В таком случае дизайнер стремится показать рабочую конструкцию, открыть структуру, но эта связь гораздо сложнее, и форма мало информирует о строении изделия. Структура может быть скрыта корпусом, кожухом, оболочкой. Художественная разработка в таких случаях сводится к созданию компактных объектов и на первый план выступают технические требования. Корпуса из тонколистового металла не должны напоминать литые или ассоциироваться с напряженностью конструкции. Форма должна правильно информировать о действительных нагрузках. Изделие должно быть не только

физически, но и зрительно устойчивым. Зрительная устойчивость зависит от распределения масс компонента относительно его центра.

Зрительное восприятие формы может вызывать чувство динамичности или статичности объекта. Динамичность делает форму броской, активной, заметной, выделяя ее среди других. Художественная выразительность композиции во многом зависит от симметрии и асимметрии. Симметрия с давних пор считалась одним из важнейших условий красоты. Симметрия может быть зеркальной, осевой и др. Асимметрия также является важнейшим условием зрительной уравновешенности композиции. Если симметричная форма воспринимается легко и сразу, то асимметричная читается постепенно.

2.Критерии работоспособности и изнашивания деталей машин. Три типа задач при расчете на статическую прочность несущих элементов механизмов: оценка прочности, подбор

сечения, определение допускаемой нагрузки. Рациональные типы продольных и поперечных сечений несущих звеньев.

Основными критериями работоспособности деталей машин является прочность, жесткость, износостойкость, а в некоторых случаях теплостойкость и виброустойчивость.

Прочность – способность конструкции и ее элементов выдерживать определенную нагрузку не разрушаясь и без значительных деформаций.

Основным критерием прочности материала является предел текучести σТ для пластичных

материалов и предел прочности σВ для хрупких материалов, а также предел выносливости для материалов подвергнутых воздействию изменяющихся напряжений.

При расчете на статическую прочность различают 3 типа задач:

•Оценка прочности (проверка на прочность)

•Подбор сечения (проектная задача)

•Определение допустимой нагрузки

1 тип (оценка прочности)

Наибольшее распространение методом оценки прочности ДМ является расчет по допускаемым напряжениям. При данном методе устанавливаются допускаемые напряжения, которые обеспечивают безотказную работу рассматриваемого объекта.

Доп. напряжения должны быть < тех предельных напряжений, при которых может произойти разрушение и (или) возникнуть недопустимые пластические деформации.

Каждая отрасль машиностроения устанавливает свои значения данного коэффициентов на основании опытов эксплуатации машин и последствий, которые будут иметь место в результате разрушения.

Ориентировочно можно принять для пластичных материалов коэффициент запаса прочности 1,5…2,5; для хрупких материалов: 2,5…5.

Максимальное расчетное напряжение не должно превышать допускаемое напряжение,

поэтому условие прочности будет иметь вид:

!"# ≤ [ ]!"# ≤ [ ]

В частных случаях нагруженные расчетные зависимости используемые при оценке прочности выглядят так:

	А) при растяжении-сжатии:
!"# =		!"#	≤	, где	!"# − max продольное усилие определяется из эпюры
						− площадь поперечного сечения стержня
=
!	Б) при кручении:					!_!"# − max момент определяется из эпюры !
!"# =		!_!"#		≤ , где
		!				! − полярный момент сопротивления

! = ∙ ! 1 − ! ≈ 0.2 ∙ ! 1 − ! 16

= !!

d-диаметр отверстия, D-диаметр детали.

Если = 0 => = 0 => ! = 0.2 ∙ !

В) Плоский поперечный изгиб.

Из эпюры и видно, что и max значений достигают в разных точках сечений. В точках, где !"# = 0, и наоборот. => необходимо рассмотреть 2 условия прочности относящиеся к разным точкам балки: т.е. по нормальным и касательным напряжениям.

Условие прочности по нормальным напряжениям:

Для балок из материалов различно сопротивляющихся растяжению-сжатию нужно составить 2 условия прочности:

По наибольшему растягивающему напряжению

!_!"# = !_!"# ∙ !_!"# ≤ [ !]

!

По наибольшему сжимающему напряжению

!_!"# = !_!"# ∙ !_!"# ≤ [ !]

!

Частный случай: для балок, поперечное сечение которых симметрично относительно центральной оси, обычно выполняют из пластичных материалов одинакового сопротивления растяжению и сжатию, т.е.

Р = ! =

Вместо двух условий прочности записывается одно:

!"# =

!!_!"#

∙ !"# =

!!_!"#

=

!!_!"#

≤ ,

!!

!!!

!!

!

!"#

− осевой момент сопротивления при изгибе.

где ! = !"#

! =

!

!

!

= 12

!"# =

2!

! =

6

! =

!

!

64 1 − !

, =

!

!

! =

!

=

!

)

!"#

32

(1 −

) ≈ 0.1

(1 −

Для круга:		!	!
Условие прочности по касательным напряжениям:
! =		32 ≈ 0.1
τ!"# =	Q!_!"# ∙ S!_!"#		≤ [τ]
		Y! ∙ b

Отметим, что в связи с малостью величин !"# расчет на прочность при поперечном изгибе часто производится только по нормальным напряжениям, касательные напряжения во внимание, как правило, не принимаются.

2 тип (проектные задачи, т.е. определение основных размеров конструкций)

Размеры поперечного сечения выбранной требуемой формы определяют из условий прочности, приняв в формулах !"# = [ ] или !"# = [ ]. Определяют значения соответствующих геометрических характеристик.

При р-с:

= !"#

[ ]

При кручении:

= !_!"#

![ ]

При плоском поперечном изгибе (для частного случая):

= !_!"#

![ ]

Затем используя зависимость, связывающую на найденные геометрические характеристики и искомые размеры, находят размеры поперечного сечения:

! =	∙ !	≈ 0,2	!	=> =	! !
	16				0.2

Замечание: при решении задачи на плоский поперечный изгиб следует проверить удовлетворяет ли найденное сечение условию прочности по касательному напряжению.

3 тип (Определение допускаемой нагрузки, обычно делается для известной конструкции)

Определяют внутренний силовой фактор:

= ∙ − растяжение − сжатие

! = ∙ ! − кручение

! = ∙ ! − поперечный изгиб

Затем, приняв, что при Растяжении-сжатии: !"# = [ ]

Кручении: !_!"# = [ !] Поперечном изгибе: !_!"# = [ !]

И опираясь на уравнения, выражающие связь между нагрузкой и силовыми факторами определяется значение допускаемой нагрузки.

3.Кинематический анализ манипуляторов с прямоугольной, цилиндрической, сферической и угловой системой координат

4.Концепция построения мехатронных модулей.

От механики к мехатронике – формула, выражающая ведущую тенденцию в современном машиностроении, которая появилась в 80-х годах ХХ века. Мехатроника – область науки и техники, основанная на синергетическом объединении механизмов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающие проектирование и производство качественно новых модулей, машин, систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями

Предмет мехатроники - методы проектирования и компьютерного управления (КУ), новые технологические и информационные процессы, обеспечивающие все этапы жизненного цикла при создании качественно новых модулей и машин.

Главная методологическая идея МТ состоит в системном сочетании точной механики, микроэлектроники, электротехники, КУ и информатики.

Требования, предъявляемые к функциональным характеристикам приводной техники для технологических машин:

•Сверхвысокие скорости движения РО машин, которые определяют новый уровень производительности технологических комплексов.

•Сверхвысокая точность движения, необходимая для реализации прецизионных технологий (вплоть до микро- и наноперемещений).

•Максимальная компактность конструкции и минимизация массогабаритных показателей модулей вплоть до миниатюризации в микросхемах).

•Интеллектуальное поведение машин, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних средах.

•Реализация быстрых и точных перемещений РО по сложным контурам и поверхностям.

•Существенное расширение технологических и функциональных возможностей оборудования, желательно без увеличения цены.

•Способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой задачи или операции.

•Высок надёжность и безопасность функционирования.

Добиться качественно новых характеристик позволяет мехатронная концепция «встроенного проектирования», которая предполагает конструктивное объединение элементов системы в единый модуль. Мехатронный модуль – функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу (элементы механические: двигатели, тормоза, муфты, электронные: электронные блоки и микропроцессоры, информационные: датчики информации)

5. Функция и структура мехатронного модуля (ММ)

Два основных подхода к построению моделей сложных технических систем:

•функциональное определение системы ч/з её поведение по отношению к внешним объектам и внешней среде,

•структурное описание состава системы и связей м/у её элементами.

Функциональный анализ мехатронной системы или ММ, результатом которого является построение функциональной модели.

Основная функциональная задача МС или ММ: преобразование информации о программе движения в целенаправленное управляемое движение выходного звена.

Программа движения м/б задана управляющим компьютером как набор команд высокого уровня или оператором. Управляемое движение осуществляется механической подсистемой ММ, его конечное звено взаимодействует с объектами внешней среды. Внешние воздействия должны отражаться ММ в процессе движения. Информационная обратная связь необходима для оценки текущего состояния ММ как объекта управления внешней среды в режиме реального времени.

Дополнительные функции: реконфигурирование системы, обмен сигналами и информацией с другим технологическим оборудованием, самодиагностика. Представление ММ имеет два информационных входа, энергетический вход и механический выход, т.е. модель ММ м/б определена как информационно-механический преобразователь.

Структурная модель должна отражать состав элементов ММ и связи м/у ними. В качестве исходной структуры ММ - традиционный электропривод с компьютерным управлением (КУ). Для дальнейшего анализа в структурной схеме выделим управляющую и электромеханическую подсистемы.

Основные элементы структурной модели:

•устройство КУ (функция: информационное преобразование (обработка цифровых сигналов, цифровое регулирование, расчет управляющих воздействий);

•ЦАП (функция: информационно-электрическое преобразование);

•силовой преобразователь(функция: усиление электрического сигнала);

•управляемый ЭД переменного/постоянного тока (функция: преобразование электрической энергии в механическую);

•механический преобразователь (функция: реализация задан управляемого движения, взаимодействие с внешними объектами; редукторы, вариаторы, РО);

•устройство обратной связи (функция: контроль текущих напряжений и токов в силовом преобразователе, управляющие функции);

•датчики обратной связи по положению и скорости движения выходного звена механического устройства(функция: механико-информационное преобразование);

•интерфейсные устройства (I1-I8).

В зависимости от физической природы входных и выходных переменных интерфейсные блоки м/б механическими преобразователями движения (передачи, трансмиссии, связывающие выходное механическое устройство с двигателем-I4 и датчиками обратной связи-I7,I8) или содержать электронные аппаратно-программные компоненты. Интерфейсные электронные У расположены на входах и выходах УКУ

6. Синергетическая интеграция в ММ Суть СИ - объединение в единый модуль элементов различной физической природы при со-

хранении функционального преобразования, выполняемого данным модулем. СИ элементов при проектировании ММ основана на 3х принципах:

•реализации заданных функциональных преобразований минимально возможным числом структурных и конструктивных блоков путем объединения 2х и более элементов в единые многофункциональные модули;

•выборе интерфейсов в качестве локальных точек интеграции и исключение избыточных структурных блоков и интерфейсов как сепаратных элементов;

•перераспределении функциональной нагрузки в мехатронной системе от аппаратных

блоков к интеллектуальным (электронным и компьютерным) компонентам. Практическая реализация принципов СИ при проектировании позволяет обеспечить

основные преимущества мехатронных систем по сравнению с традиционными машинами и добиться качественно новых показателей (по компактности конструкции, скорости и точности движений).Снятие с аппаратной части системы функциональной нагрузки (ч/з упрощение механического узла) и ее перенос на управляющую и электронную подсистемы придает системе свойство гибкости, делает ее способной к легкой реконфигурации под новые технологические задачи. Интеграция предполагает аппаратное объединение элементов и организацию интегрированных информационных процессов в интеллектуальных модулях.

Функционально-структурная интеграция (поиск мехатронных структур, реализующих заданные функциональные преобразования с помощью min кол-ва структурных блоков. ФСИ направлена на выбор проектных решений, которые обеспечивают исключение некоторых основных блоков, а значит и смежных с ними интерфейсов из структуры системы.

Структурно-конструктивная интеграция основана на анализе структурной модели ММ, которая сформирована на этапе ФСИ. Заданная структура модуля м/б реализована различными конструктивными решениями. СКИ нацеливает разработчика ММ на выбор проектных решений, которые обеспечивают исключение интерфейсов как сепаратных блоков путем встраивания их в отдельный корпус.

7. Технические требования к мехатронным модулям

Технические требования к ММ м/разделить на 4 группы:

1группа – требования, содержащие ограничения геометрического и конструктивного характера.

Пример формулировки: предельное отклонение межосевого расстояния ±0,5мм. (пополняется в результате выявления ограничений, связанных с местом установки конструируемого ММ).

2группа – требования, выраженные при помощи технических или физических понятий, записанные в виде чисел с размерностями.

Пример формулировки: сила сопротивления на выходном звене не более 100Н. (является результатом количественного отображения взаимосвязей ММ с внешним окружением и особенностей принципиальной схемы. Конструктивная реализация требований, выраженных при помощи четких технических понятий, определенных количественно (н-р, передат отношение), м/б осуществлена различным образом. Преимущества такой формы очень велики, т.к она не несет в себе неопределенности и служит средством объективной проверки правильности конструкции.

3группа – требования, выраженные словесно, не включающие в себя ни понятий, определенных количественно, ни геометрических ограничений в конструкции.

Пример формулировки: устройство д/б быстросъемным (такая форма требований часто свидетельствует о незаконченности процесса формализации реальной физической картины,

отсутствии информации о количественной стороне к-либо взаимосвязей, незнании сущности к- либо процессов в мехатронной системе "ММ—окружение". Нередко словесная формулировка посредством общих понятий объединяет множество нераскрытых связей, н-р, "ММ д/б удобным в эксплуатации, при монтаже и демонтаже. Конструктор, уточняющий и дополняющий тех задание для себя, д/расшифровать такой пункт, рассмотрев наиболее существенные взаимосвязи м/у ММ и обслуживающим персоналом. Степень необходимой формализации определяется трудностями ее осуществления и требованиями послед этапов конструирования).

4группа – сформулированные при помощи сложных понятий или математических зависимостей.

ПФ: для данного конструируемого устройства распределение атмосфер давления в раб диапазоне высот следует принимать согласно МСА (международной стандартной атмосферы). Процесс реализации требований в конструкции сопровождается обратными взаимодействиями на тех требования. Для осуществления рационального процента "реализации требований" конструктор д/иметь возможность в допустимых пределах варьировать параметры тех требований. Важно поэтому в треб-х отражать номинальные и предельные значения закладываемых величин.

Требования к ММ не м/б сформулированы, если общее направление конструирования не выбрано. Вопрос что делать неотделим при конструировании от вопроса как делать. Законченный перечень тех требований всегда отражает степень ясности представлений конструктора о выбранном направлении работы.

8. Типы и стадии разработки конструкторской документации.

Конструкторский документ (КД) в зависимости от его назначения отдельно или в совокупности с другими документами определяет состав и устройство изделия и содержит необходимые данные для его разработки, изготовления, контроля, приемки, поставки, эксплуатации, ремонта.

В зависимости от содержания КД подразделяют на два типа:

1.Графические КД — док, содержащие графическое изображение изделия и/или его составных частей, устройства и принципа работы, внутренних и внешних связей его функциональных частей;

2.Текстовые КД — док, содержащие текст сплошной или разбитый на графы, могут в виде иллюстраций содержать графический материал.

В зависимости от стадии разработки КД подразделяют на:

1.Проектные (техническое предложение, эскизный проект, технический проект)

2.Рабочие (графические документы — чертежи деталей, сборочные чертежи; текстовые - спецификации на сборочные единицы).

Техническое предложение (ТП) — совокупность КД, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации на изделие на основании тех задания и различных вариантов возможных решений изделия, сравнительной оценки решений с учетом конструкторских и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий и патентные исследования. ТП разрабатывают для выявления дополнительных или уточненных требований к изделию(технических хар-к, показателей качества и др), которые не могли быть указаны в тех задании; это целесообразно сделать на основе предварит конструкторской проработки и анализа различных вариантов изделия.

Техническое предложение является первым этапом компоновки изделия в рез-те чего выявляют относительное расположение его деталей и габариты изделия; Техническое предложение после рассмотрения и утверждения является основанием для разработки эскизного проекта.

Эскизный проект(ЭП) - совокупность КД, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия.

ЭП разрабатывают для установления принципиальных (конструктивных, схемных, др) решений изделия, дающих общее представление о принципе работы и устройстве изделия

Чертеж изделия - дальнейшая разработка 1го этапа компоновки и д/включать 2-3 проекции, дополнит виды, разрезы и сечения. После рассмотрения и утверждения ЭП служит основанием для разработки технического проекта или рабочей конструкторской документации.

Технический проект(ТП) - совокупность КД, которые д/содержать окончательные технические решения, дающие представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исход данные для разработки рабочей документации. ТП разрабатывается для выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции изделия

9. Классификация мехатронных модулей

В полной мере фундаментальному определению мехатроники соответствуют только ИММ, которые содержат 3 определяющие подсистемы и имеют аппаратно-встроенную компьютерную часть. МД и ММД включены в классификацию, т.к. построены на мехатронных принципах проектирования и являютсяся базой для создания ИММ.

10. Модули движения. Структура и конструктивные особенности

Модули движения – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее механическую и электрическую части, которые можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Главный отличающий признак МД от общепромышленного привода - использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя движения,

н-р: мотор-редуктор, мотор-колесо, электрошпиндель.

При проектировании мотор-редукторов (МР) применяется блочно-модульный принцип конструирования, который позволяет комбинировать в модуле двигатели и преобразователи движения различных типов, обеспечивая широкий спектр механических характеристик МД по частоте и вращающему моменту.

Плюсы:

-уменьшение габаритных размеров.

-уменьшение кол-ва присоединённых деталей.

-умен затрат на установку, отладку, запуск.