1.1.1. Понятие конструирования

В последние годы потребности промышленности стимулируют интенсивное развитие теории конструирования, т. е. учения о правилах и приемах конструирования с использованием систематизированных сведений о технических объектах (базы данных технических решений) и различных вспомогательных средств. Использование термина методическое конструирование подчеркивает наличие определенной методики. Области приложения этой научной дисциплины постоянно расширяются, и становится очевидной ее принципиальная полезность для решения практических задач. К сожалению, возможности применения этой' теории в повседневной конструкторской работе до сих пор ограничены довольно тесными рамками, поскольку в настоящее время у нас нет ни достаточного многообразия отработанных методов, алгоритмически применимых ко всему разветвленному множеству технических конструкций, ни надежных знаний, систематизированных и представленных в удобной форме.

Для конструирование мехатронных модулей различают основные методы конструирования

- процесс конструирования по Байтцу;

- алгоритмический избирательный метод конструирования по каталогам

- системное конструирование по Ханзену

1.1.2. Процесс конструирования по Байтцу

БАЙТЦ (Beitz) Бертольд. Германия, член МОК в 1972—1988.

(р. 20.09.1913, Земмин). Бизнесмен и финансист, занимал руководящие посты во многих компаниях. С 1953 его деятельность в основном связана с именем Альфреда Круппа и его предприятий. Занимался парусным спортом, стрельбой, греблей. Член руководства НОК Германии (ФРГ), член Совета директоров Оргкомитета ОИ 1972, президент административного совета по проведению Олимпийской регаты в Киле. Член Исполкома, вице-президент МОК (1984—1988). С 1988 почетный член МОК.

Конструирование по методу западногерманского исследователя В. Байтца [29] включает в себя три основные фазы: конструирование концепции, проектирование и выработка решения.

Каждая фаза делится на ряд рабочих шагов (см. рис. 2). Предложенная последовательность интересна прежде всего четким чередованием этапов синтеза и анализа информации.

В этом плане методика В. Байтца является полной. Совершенствование данной методики ведется прежде всего в направлении адаптации ее к возможностям вычислительной техники.

Всевозможные же ограничения вообще, согласно Палю и Байтцу, меняются от случая к случаю в зависимости от особенностей изготовления, и (функциональной) окрестности изделия. Это затрудняет обобщение и приводит к тому, что ограничения приходится вводить в диалоге с ЭВМ каждый раз заново.

1.1.3. Алгоритмический избирательный метод конструирования по каталогам

Метод предложен исследователем из ФРГ К. Ротом.

Важнейшими составляющими его являются алгоритмическая методика, задающая последовательность и правила выполнения этапов работы, и каталоги, служащие информационным фондом метода. Формированию каталогов К Рот уделяет большое внимание. Выбор информации из каталогов в процессе работы осуществляют с помощью специально определенных в каждом конкретном случае критериев выбора.

Собственно процесс конструирования разделен на несколько основных фаз: формулирование задания; поиск концепции функционирования; формирование внешнего облика изделия. Каждая фаза состоит из ряда рабочих шагов (см. рис. 3). В целом метод ориентирован на синтез новых конструкций на основе функционального подхода. Функцию в методе понимают как характеристику, определяющую действие объекта. В качестве возможных действий выделяют излучение, изменение, накопление вещества, энергии или информации и управление этими процессами.

Метод К. Рота предполагает многоцикловость работы.

Лекция 3.

1.1.4. Системное конструирование по Ханзену (метод организующих понятий)

Метод разработал в 1953 г. исследователь из ГДР Ф. Ханзен [31]. В рамках метода определены основные этапы процесса конструирования. По Ф. Ханзену процесс разработки нового объекта состоит из следующих операций:

определение главной идеи задания, общей для всех решений;

комбинирование всеми привлекаемыми элементами с целью получения возможных решений;

определение недостатков, присущих каждому решению, и поиск возможностей уменьшения их последствий;

поиск решений с минимальным числом недостатков;

создание основ для возможной практической реализации.

Интерес вызывает предложение Ф. Ханзена использовать перечисленные выше операции на четырех этапах:

1.Предварительное установление основного принципа;

2. Поиск решения элементов и комбинирование принципов действия;

3. Критика ошибок и улучшение принципов действия,

4. Оценка эффективности оптимального (выбранного) принципа действия.

Ф. Ханзен дает ряд указаний по организации работы с использованием его метода и выполнению основных операций. Так, главную цель задания нужно формулировать как можно более абстрактно, чтобы не отсечь возможные решения. Постановка задания включает в себя формулирование общих функций (функции цели), ограничения и информационный массив (фонд используемых элементов).

На этапе комбинирования проводят методический поиск исполнения тех или иных элементов. При этом для каждого элемента (составная часть, узел) отыскивают организующее понятие (как правило, на функциональном уровне), которое затем развивают до уровня конкретной реализации. Оценку сформулированных организующих понятий производят на основе следующего критерия: данное понятие (функция) должно содержаться в каждом возможном решении.

Подобной оценке Ф. Ханзен уделяет большое внимание, считая ее важным элементом в уменьшении числа развиваемых вариантов. По его мнению, тщательная отработка организующего понятия позволяет на ранних стадиях исследования уйти от слабых вариантов, неперспективных направлений работы.

Методическое конструирование по Роденакеру

Информация о методе В. Г. Роденакера (ФРГ) дается здесь по содержащему ее источнику.

Базой подхода в методическом конструировании по В. Г. Роденакеру является предположение, что в основе всех машин и аппаратов лежит так называемое физическое происхождение, которое должно выполнять определенную функцию. В. Г. Роденакер рассматривает конструирование как процесс обмена информацией, протекающий от абстракции к конкретности. Он уточняет и абстрагирует постановку задания (превращение исходного продукта в готовый) через установление функциональной структуры, ищет для этого физические зависимости, которые затем предопределяют конструктивные зависимости (см. рис. 4).

В. Г. Роденакер развил свои методические рекомендации на примере машин и аппаратов, преобразующих вещества. При этом должны выполняться следующие этапы.

1. Разъяснение постановки задания или потребных зависимостей.

2. Установление функциональной структуры или логических зависимостей.

3. Установление физического происхождения или физических зависимостей.

4. Установление места действия или конструктивных зависимостей

5. Алгоритмизация и программирование логических, физических и конструктивных зависимостей.

6. Подавление помех и ошибок.

7. Установление общей конструкции.

8. Критерии выбора решения.

Характерным признаком этого метода конструирования является то, что В. Г. Роденакер при установлении функциональной структуры на втором этапе формулирует только функции, составляющие законченные формально-логические системы. Это функции: разделение, связь для энергии, вещества и (или) истечение сигналов технических систем и управление.

После выявления логических зависимостей отыскивают физические, устанавливающие возможную реализацию. В. Г. Роденакер работает с физическими эффектами и уравнениями, причем прежде всего он оценивает временной ход процесса. Для получения информации предлагает прежде всего эксперимент.

С целью дальнейшего конкретизирования В. Г. Роденакер ищет конструктивные зависимости, установленные на четвертом этапе через так называемые конструктивные отличительные черты места действия, которые находятся на площади действия, пространства действия и предметов действия, а также действующего движения (наличный вид энергии) Затем следует установление конструктивных принципов через расчеты, учитывающие конкретный физический процесс, место действия и выбор материалов, соответствующих требованиям (пятый этап).

Особое внимание В. Г. Роденакер уделяет подавлению воздействия возмущений, следствием которого является ухудшение количества и качества получаемых решений (шестой этап).

На переднем плане методического конструирования по В. Г. Роденакеру стоит понятие физического происхождения. На основе этого он занимается не только методической переработкой конкретных конструктивных заданий, но также методически "изобретает" новые аппараты и машины, отвечая на вопрос "Для чего можно применить известный физический эффект".

Следует отметить, что в 60-70-х годах методика В. Г. Роденакера приобрела в ФРГ наибольшую известность.

По всей вероятности, только вопросом времени являются как поиск новых методов конструирования, оптимальных в конкретных областях, так и анализ и систематизация знаний в области теории аппаратов, машин и приборов с новой точки зрения. Точно так же в недалеком будущем должны появиться возможности обработки на ЭВМ соответствующим образом подготовленной конструкторской документации [12].

Нельзя, однако, не отметить, что даже для тривиальных конструкций часто требуются обширные сведения об ограничениях, а также сведения общего характера, которые накапливаются специалистом лишь за долгие годы.

Детали машин — совокупность конструкционных элементов и их комбинаций, представляющая собой основу конструкции машины [1]. Деталью машины называют такую часть механизма, которая изготавливается без сборочных операций [2]. Детали машин является также научной и учебной дисциплиной, рассматривающей теорию, расчёт и конструирование машин.

Часто в это понятие входят узлы общего применения, например, подшипники, муфты, тормоза, механические передачи и т. п.

Детали (частично или полностью) объединяют в узлы (сборочные единицы).

Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т. п.) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т. п.).

Лекция 4.