Основні поняття технічних систем

Обчислення показників, що виражаються формулами, здійснюється застосуванням аналогових чи цифрових обчислювальних машин. При наявності графіків чи номограм можна отримати шукані показники для даних умов шляхом зчитування.

У випадку, коли певний еталон служить одночасно і моделлю, ступінь реалізації шуканої властивості визначають шляхом порівняння виробу із зразком.

Для визначення оптимального рівня властивостей використовують знання про співвідношення між властивостями. Зміни умов на дію деяких властивостей впливають позитивно, на інші - негативно. Оптимальний рівень властивостей може змінюватись:

а) дискретно (число опор, циліндрів двигуна) і б) неперервно (товщина покриття, швидкість руху).

3.3 Необхідні валастивості технічних систем

Сформульовані технічні умови або технічне завдання завжди передбачає наявність повного переліку необхідних властивостей технічних систем. Часто неповне формулювання такого переліку стає причиною істотних дефектів готових виробів.

Зміст і форма переліку необхідних властивостей - різні в кожному конкретному випадку, та їх зумовлюють такі фактори:

складність виконуваної функції (вона різна, наприклад, для промислового комплексу і окремої деталі машини);

конструктивна складність (складна конструкція на відміну від простої, нова конструкція на відміну від модернізованої);

потреба в додаткових властивостях (висока надійність, більший термін служби, привабливий зовнішній вигляд);

4) вимоги замовника (задоволення виробничої необхідності, наприклад, шляхом купівлі готового виробу або замовлення спеціального виробу).

Особливу групу утворюють постійні вимоги, які це встановлюються не в явній формі, але враховуються практично завжди. До таких вимог відносять:

а) максимально можливий рівень експлуатаційних властивостей (зокрема мінімальні габарити, маса, споживання енергії);

б) оптимальні ергономічні показники (обслуговування, захист від шуму, тепла, вібрацій, мінімальна шкода навколишньому середовищу);

в) врахування всіх особливостей існуючого виробництва (стандартизація, уніфікація, використання обладнання і технології);

г) найкращі економічні показники (мінімальні виробничі витрати).

Вимогами особливого роду є обмеження. Вони диктуються конструктору природою і суспільством, внаслідок чого він обмежений у виборі рішення. Наприклад, не можна створити вічного двигуна; існують і обмеження правового характеру.

За значенням для покупців необхідні вимоги поділяють на три категорії: обов'язкові вимоги (робоча функція, ціна); вимоги необов'язкові, або побажання.

3.4. Вимоги по вибору і опису критеріїв технічних систем

Серед властивостей і показників технічних систем є такі, що мають тенденцію монотонної зміни чи тенденцію підтримання на певному рівні при досягненні своєї межі. Ці показники усвідомлюються як міра досконалості і прогресивності. їх називають критеріями технічних систем і визначають одночасно як критерії розвитку і критерії якості.

Значення критеріїв технічних систем особливо важливе для розробки нових виробів на рівні кращих світових досягнень.

Кожна технічних систем має, як правило, декілька критеріїв розвитку. Принцип прогресивного розвитку для кожного нового покоління технічних систем полягає в покращенні одних і непогіршенні інших критеріїв.

Єдиний набір критеріїв технічних систем включає такі чотири групи (мал. 1):

- функціональні критерії, які характеризують найважливіші показники реалізації функції технічних систем;

- технологічні критерії, пов'язані з можливістю і простотою виготовлення технічних систем;

- економічні критерії, які визначають економічну доцільність реалізації функції технічної системи;

- антропологічні критерії, пов'язані з питаннями людського фактору чи дією позитивних і негативних факторів на людей, викликаних створенням технічної системи.

Представляється можливим визначити умови і вимоги щодо вибору і опису критеріїв технічної системи.

За критерії розвитку можуть бути вибрані тільки такі параметри техніческой системи, які допускають можливість кількісної оцінки на основі вимірювання.

Критерій повинен мати такі одиниці виміру, які дозволяють спів ставляти технічні системи у різних країнах і в різний час. Найкраще користуватися безрозмірними питомими величинами.

Умови виключення передбачають, що за критерій можуть бути прийняті такі параметри технічні системи, які в першу чергу характеризують її ефективність і здійснюють визначальний вплив на розвиток технічної системи.

При виборі критеріїв технічної системи повинна бути забезпечена також умова постійності.

Умова мінімальності і незалежності визначає, що вся сукупність критеріїв розвитку повинна містити лише такі, що не можуть бути логічно виведені із інших критеріїв і не можуть бути їх прямим наслідком.

Мал. 1. - Класифікація критеріїв розвитку технічних систем

Опис кожного критерію технічної системи містить такі дані;

сутність критерію, час і причини його виникнення;

формулу чи спосіб вимірювання критерію;

діапазон і характер зміни значень критерію в часі;

4) оцінку ступеню загальності критерію за певною шкалою (належність до певного класу, чи групи класів технічної системи);

5) оцінку перспективності критерію (актуальність зростає чи знижується);

6) основні способи і засоби покращення критерію.

3.5 Функціональні і технологічні критерії розвитку технічних систем

Для кожної технічної системи функціональні критерії розвитку є кількісними характеристиками основних показників реалізації функції технічної системи. Найбільш важливими серед них є критерії продуктивності, точності і надійності.

Критерій продуктивності представляє собою інтегральний показник рівня розвитку техніки, який безпосередньо залежить від ряду параметрів, що певним чином впливають на продуктивність праці. Ці параметри є частковими функціональними критеріями і можуть бути виміряними або обчисленими за певною залежністю. Це, зокрема:

1) швидкість обробки об'єкту (число обертів чи операцій за одиницю часу, швидкість руху робочих органів машини, протікання хімічної реакції і т.п.);

2) фізичні і хімічні параметри (температура, тиск, напруга та інші), що певним чином впливають на інтенсивність обробки технічного об'єкту чи предмету обробки:

3) ступінь механізації праці, який визначено як співвідношення механічної роботи, яку виконує власне технічна система, до всієї механічної роботи, яку виконуваної сумарно технічна система сумісно з людиною при виготовленні продукції;

4) ступінь автоматизації, який дорівнює відношенню кількості керованих операцій, які виконувану є власне технічна система, до загальної кількості операцій, які виконує сумарно технічна система сумісно з людиною;

5) неперервність процесу обробки, яка детермінується як співвідношення числа операцій, виконуваних з використанням неперервних процесів, до загального числа операцій з використанням неперервних і перервних процесів дії на предмет обробки. При цьому під неперервними процесами розуміють обертовий, чи поступальний рух, або беззупинкову обробку, а під перервними - зворотно-поступовий рух, операції з зупинками і т.п.

Критерії точності також включають окремі часткові критерії, зокрема:

- точності вимірювання;

- точності обробки матеріалу чи сировини;

- точності позиціювання;

- точності обробки потоку енергії;

- точності обробки потоку інформації.

На даний час розроблено і розвинуто багато способів, методів і прийомів вимірювання, оцінки і дослідження точності, які описані в літературі. Так, в окрему область науки оформилось вивчення проблеми точності металорізальних верстатів. При цьому передбачається формування вимог до точності, її моделювання на основі сучасних методів, інженерний розрахунок, випробування на точність і експериментальні дослідження балансу точності обробки, напрацювання рекомендацій щодо підвищення точності.

Надзвичайно важливим є критерій надійності.

Надійність визначається, як властивість технічних систем зберігати свою працездатність із заданою ймовірністю на протязі певного проміжку часу. Критерій надійності є узагальненим, інтегральним і включає в себе часткові критерії:

1) безвідмовність, яка визначається ймовірністю Р(і) того, що в заданому інтервалі часу t = Т (в межах заданого напрацювання) не виникне відмова технічних систем;

2) довговічність, яка може характеризуватись рядом показників, наприклад, коефіцієнтом технічного використання:

КТВ = ТО / (ТО + ТПР)

де ТО - час роботи технічних систем за деякий період експлуатації, ТПР - сумарний час простоїв об'єкту через його ремонт і технічне обслуговування;

3) ремонтопридатність, яка визначає можливості технічних систем до попередження, виявлення та усунення відмов і пошкоджень шляхом проведення ремонтного і технічного обслуговування; ремонтопридатність, зокрема визначає час ТПР.

Зазначені функціональні критерії продуктивності, точності і надійності надзвичайно сильно взаємодіють один на одного, їх актуальність і вага завжди були вищими порівняно з іншими групами критеріїв.

Технологічні критерії головним чином забезпечують всесторонню економію праці при виготовленні технічних систем і підготовці її до експлуатації. Виділяють технологічні критерії трудомісткості виготовлення; технологічних можливостей; використання матеріалів; розчленування технічних систем на елементи.

Критерій трудомісткості виготовлення технічних систем дорівнює відношенню сумарної трудомісткості ПС проектування, виготовлення і підготовки до експлуатації виробу до головного показника Q ефективності технічних систем:

КТ = ПС / Q

Таким чином, цей критерій представляють як питому трудомісткість виготовлення на одиницю отримуваної ефективності.

Будь-яка технічних систем може складатись не більше як з п'яти типів елементів: АС - стандартних чи отримуваних в готовому вигляді; АУ - уніфікованих, які запозичені із існуючих технічних систем; АО1 - оригінальних, виготовлення яких не виключає труднощів; АО2 - оригінальних, виготовлення яких викликає значні труднощі, проте їх можна подолати; АО3 - оригінальних, виготовлення яких викликає принципові труднощі, які поки що неможливо подолати.

Критерій технологічних можливостей, який відображає, простоту і принципову можливість виготовлення технічних систем, визначається за формулою:

,

де є = 1 при АО3 = 0; є = 0 при А03 > 0; kу, kO1, kO2 - вагові коефіцієнти (kу > kО1 > kО2); АС, АУ, АО1, АО2, АО3 - кількість найменувань відповідних елементів. Частковими випадками цього узагальненого критерію є: критерій стандартизації (kу = kО1 = kО2 = О); критерій уніфікації (kу = 1; kО1 = kО2 = О). Розглядуваний критерій стимулює виключення абсолютно нетехнологічних елементів АО3 і мінімізацію елементів АО2, АО1, Ау у відповідності з їх ваговими коефіцієнтами.

Критерій технологічних можливостей відображає фактор спадковості в техніці аналогічно закону Дарвіна в живій природі. При переході від одного покоління технічних систем до інших, критерій КТМ сприяє в найбільшій мірі зберіганню і використанню перевірених практикою функціональних елементів і технологій.

Через те, що доля відходів, які отримуються при виготовлені технічних систем, в значній мірі залежить від технологічних процесів технологічного обладнання: існує і діє технологічний критерій використання матеріалів. Він визначений як співвідношення маси G виробу до маси ? використаних матеріалів:

KВМ = G / M

(при цьому закуплені комплектуючі елементи не враховуються).

Величину КВМ можна також інтерпретувати як коефіцієнт корисного використання матеріалів, бо за змістом, характером і діапазоном зміни він близький до енергетичного коефіцієнту корисної дії (к.к.д). Критерій КВМ почав проявлятись ще в епоху кам'яного віку, коли вперше формувались технології економного використання матеріалів.

При розробці технічних систем може здатись, що раціональніше виготовити її з меншої кількості елементів. Наприклад, деякі прості вузли можна замінити однією нероз'ємною деталлю і т.п. Проте ілюзорне спрощення конструкції, поряд з позитивними моментами, часто приносить значні втрати. Більші розчленування часто скорочують час і трудомісткість виготовлення технічних систем в цілому, полегшують і розширюють уніфікацію і стандартизацію з відповідними перевагами і т.п. Завжди існує оптимальне розчленування технічних систем на вузли і деталі, яке значно спрощує технологію розробки, виготовлення, ремонту і модернізації виробів.

Критерій розчленування технічних систем на елементи забезпечує у кожному новому поколінні виробів наближення до оптимального розподілу на елементи. Цей критерій стосується будь-якої технічної системи, яка складається більш, ніж з одного елементу.

3.6 Економічні критерії технічних систем

До економічних критеріїв технічних систем відносять критерії витрат матеріалів, енергії, витрат на інформаційне забезпечення, габаритних розмірів технічних систем.

Усестороння економія матеріалів викликана факторами зниження вартості технічних систем (вартість матеріалів складає 25...65% собівартості); економією енергії при експлуатації (значна частина енергії затрачається на здійснення різноманітних рухів); зниження транспортних і завантажувально-розвантажувальних витрат.

Критерій витрат матеріалу дорівнює відношення маси G технічних систем до її головного показника Q ефективності:

KМ = G / Q

Таким чином, критерій представляє собою питому масу матеріалів на одиницю отримуваної ефективності.

Критерій витрат енергії характеризує витрати енергії при виготовленні чи експлуатації технічних систем. Через те, що задоволення потреб людей жорстко обмежується енергетичними можливостями, то втрати енергії намагаються звести до мінімуму. Критерій розраховують за формулою:

де Wn - повні витрати енергії за час ? експлуатації технічних систем;

? - витрати енергії при виготовленні технічних систем.

По скільки для більшості технічних систем Wn > E, то отримуємо простішу формулу для критерію:

KE = W/Q

де W - витрати енергії при експлуатації технічних систем за одиницю часу.

В інженерній практиці широко використовують ще одну модифікацію цього економічного критерію - коефіцієнт корисної дії

KККД =WK / Wn1

де WK - корисна робота (енергія): Wn1 - затрачена робота (енергія).

Критерій КE, як правило, є монотонно спадаючою функцією, а КККД монотонно зростаючою в інтервалі 0 < КККД < 1, причому мається на увазі порівняння технічних систем з однаковим принципом дії.

Критерій витрат на інформаційне забезпечення в зв'язку з широким використанням комп'ютерної техніки формулюється як співвідношення

Ki3 = S / Q

де S - витрати на підготовку і обробку інформації, включаючи вартість і експлуатацію ЕОМ, програмного і інформаційного забезпечення і т.п.

Критерій габаритних розмірів технічних систем передбачає можливість зниження габаритних розмірів технічних систем і їх елементів, що пов'язано із отриманням таких переваг:

- зменшення площі і об'єму приміщень, в яких знаходяться технічних систем;

- зменшення площі землі, яку займають або технічних систем, або відповідні споруди;

- збільшення корисного об'єму (в технічних систем типу літальних апаратів, суден і т.п.);

- скорочення витрат на захист технічних систем (витрати на корпуси, кожухи, покриття);

- скорочення витрат на транспортування технічних систем.

Критерій габаритних розмірів дорівнює відношенню основних габаритних розмірів V технічних систем до його ефективності:

KT = V / Q

Якщо найбільш важливим є зниження об'єму: то V = LBH; якщо - зниження площі, то V = LB і т.п.

3.7 Ергономічні і естетичні критерії технічних систем

Ця група критеріїв складає антропологічні критерії розвитку технічних систем, які забезпечують їх пристосування до людини, зниження дискомфорту і шкідливих впливів від їх функціонування.

Ергономічністю вважають властивість людинно-машинної системи змінювати свою ефективність в залежності від ступеню використання оператора.

Критерій ергономічності конкретної технічних систем дорівнює відношенню реальної ефективності системи людина-машина до максимально можливої ефективності цієї системи. Цей критерій можна інтерпретувати як коефіцієнт корисної дії людини в людино-машинній системі.

Актуальність і значимість ергономічного критерію в останній час значно зростає. Це викликало формування і розвиток нової науки-ергономіки, основна прикладна орієнтація якої полягає в оптимальному проектуванні складних людино-машинних систем. Основними напрямками ергономіки є:

- антропометрія, яка передбачає вимірювання тіла людини з метою використання отриманих даних при проектуванні ТС, оптимізації розмірних співвідношень, економії рухів оператора;

- інженерна психологія, яка вивчає взаємозв'язок людини і техніки і їх взаємодію з орієнтацією на оптимальний розподіл функцій між ними;

- фізіологія і гігієна праці.

З останнім напрямком пов'язаний критерій безпеки технічних систем. Багато технічних систем, виготовлена ними продукція і сировина можуть чинити шкідливий вплив на людину, викликати пошкодження органів різного ступеню і навіть смертельний результат. Критерій безпеки має своєю тенденцією знизити і усунути шкідливі впливи технічних систем на людей. Його можна визначити за формулою:

де Si і Sін - величина і нормативно допустиме значення і-го шкідливого чи небезпечного фактору; і - ваговий коефіцієнт 1-го фактору у відповідності з градацією по важкості при умові, що

n - кількість шкідливих і небезпечних факторів; ?і = 1, а при:

Si > = SiH - і = 1 / і.

Критерій безпеки має відношення до всіх класів технічних систем, які здійснюють чи можуть здійснювати шкідливий чи небезпечний вплив на людину.

Критерій екологічності або критерій охорони навколишнього середовища регулює взаємовідносини між природою і технічною системою з точки зору комфортності і можливості життя людей. В загальному вигляді критерій можна виразити залежністю:

де SН - площа території, на якій є недопустимі забруднення (вище норми); SК - площа території, на якій є критичні для людини забруднення; SО - вся площа регіону.

Цей критерій повинен впливати на вибір засобів мінімального впливу на природу, обґрунтування нормативів забруднень, розробку компенсаційних заходів. В питаннях охорони навколишнього середовища кардинальне значення має психологічний фактор. При розв'язуванні конструкторсько-технологічних задач слід намагатись знизити КЕК.

Естетичний критерій технічних систем є критерієм краси. Естетичний вплив технічних систем повинен відповідати найкращим почуттям людини, високому рівню культури.

Краса будь-якого виробу складається із внутрішньої, чи функціональної краси і додаткової - декоративної.

Функціональна краса зумовлена в першу чергу законами фізики і створюється на основі глибокого знання і відчуття фізичної сутності роботи технічних систем,

Декоративна краса визначається законами психофізіологічної дії певних образів на навколишніх людей. Функціональна і декоративна краса повинні гармонійно і оптимально доповнювати одна одну.

Естетичний критерій передбачає гармонізацію форми при композиції технічних систем. Однією із умов виникнення художніх якостей форми є просторова єдність всіх її елементів, яка створює цілісне сприйняття форми. Вона досягається такими закономірностями, як: співвідношення, пропорції, ритм всіх елементів (ліній, поверхонь, фактури, маси, кольору), що утворюють форму. При розчленуванні поверхонь і об'ємів форми проявляються такі її властивості як масштабність, статичність, динаміка. Співвідношення є засобом гармонізації форми.

При виборі кольору необхідно вирішувати питання, пов'язані з його характеристиками, фізіологією зору і емоціональною дією на людину. Правильне використання кольору при фарбуванні обладнання та інтер'єру цеху зменшують втомлюваність робітника, підвищують продуктивність праці. Основними характеристиками кольору є тон, насиченість, яскравість, контрастність. Існують три теорії використання кольору при художньому конструюванні технічних систем: 1) динамічного кольору; 2) оптимальних кольорів; 3) узгоджених кольорів.

3.8 Алгоритм оцінювання технічних систем

Оцінювання технічних систем передбачає вибір критеріїв і проведення оцінки. Оцінювання здійснюється двома способами: а) інтуїтивно; б) об'єктивно, тобто на основі визначальних критеріїв.

Інтуїтивна оцінка не може бути повністю зігнорована. Вона визначається не лише суб'єктивними відчуттями, але і часто - багаторічним досвідом. Це особливо важливо при недостатньо повній інформації, що характерно для початкових етапів проектування.

Критеріальна оцінка відповідно до схем оцінювання, здійснюється за алгоритмами. В процесі оцінювання здійснюються такі процедури:

а) вибір узагальненого показника;

б) вибір критеріїв оцінки (властивостей);

в) визначення критеріальних оцінок;

г) перетворення оцінок в узагальнений показник.

Лекція № 4

Тема: ПРОЕКТУВАННЯ, СТВОРЕННЯ І ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

Питання лекції: Методологія створення технічних систем і роль прогнозування. Основні поняття про процес проектування. Стадії і етапи технічного проектування технічних систем. Загально-технічні основи конструювання технічних систем.

4.1 Методологія створення технічних систем і роль прогнозування

З розвитком техніки принципи і методологія створення технічні системи безперервно змінюються і удосконалюються внаслідок впровадження нових способів виготовлення машин, ускладнення їх конструкцій і умов збуту, більш повного вивчення ряду технічних і економічних питань.

В процесі створення технічної системи виконують такі роботи: обґрунтування необхідності створення нової технічної системи; науково-технічні дослідження; розробку конструкторського проекту; виготовлення, випробування та доведення дослідних зразків. Необхідність створення сучасної машини як технічні системи виникає із загальних умов розвитку нової техніки стосовно до конкретного випадку.

Нова техніка - це результат науково-технічного досягнення, яке впливає при його реалізації на розвиток продуктивних сил і задовільняе потреби суспільства у продукції на більш високому рівні, ніж відомі раніш прототипи або аналоги.

Враховуючи різноманіття об'єктів за ступенем їх новизни, можна відокремити два основних напрямки:

кількісний, при якому враховується термін, що пройшов з того чи іншого моменту появи або реалізації нових виробів (наприклад, термін з моменту появи нової техніки, реалізованої ідеї або термін з початку промислового виробництва нової продукції");

якісний, при якому технічна новинка (пристрій) в залежності від його рівня поділяється на декілька ступенів, починаючи від створення принципово нової конструкції і закінчуючи зміною її зовнішнього вигляду, а нова технологія (спосіб) призначена для виготовлення принципово нової продукції або підвищення ефективності виробництва.

Кожна впроваджена в експлуатацію нова технічна система повинна перевищувати за своїми показниками і техніко-економічними характеристиками кращі світові стандарти і зразки, які раніше використовувались. Процес створення нової технічна система або її окремого функціонального вузла складається з чотирьох етапів:

науковий (інженерне прогнозування);

констукторський (проектування);

технологічний {підготовка виробництва);

організаційний (освоєння виробництва).

Науковий етап пов'язаний з інженерним прогнозуванням, яке обґрунтовує необхідність створення нової технічної системи.

Основу інженерного прогнозування складають три напрямки, які визначають:

а) значимість нових відкриттів і винаходів;

б) мету і технічну стратегію;

в) перспективний рівень розвитку конструкцій технічних систем.

При інженерному прогнозуванні використовують теоретичні і експериментальні засоби аналізу і синтезу.

Прогнозування - це не передбачення, а наукове теоретичне обґрунтування того, що повинно здійснитись.

Успіх у створенні нових технічних систем і термін їх життєвого циклу здебільшого залежить від того, наскільки правильно перед проектуванням виконане прогнозування. Слід пам'ятати, що конструктор, який орієнтується на аналог, в тому числі і зарубіжний, який відповідає навіть вищим світовим досягненням, автоматично спонукає свою майбутню технічну систему на відставання. Тому необхідно йти не у форваторі зарубіжних фірм, а обирати нові шляхи прискореного розвитку технічних систем, побудованих на нових принципах.

У питаннях прогнозування і створення нових технічних систем, котрих ще не було у світовій практиці, доцільно використовувати фреймовий підхід (мал. 1). Згідно цього підходу повинен послідовно розглядатися розгалужений у вигляді дерева альтернатив ланцюг пошуку на декількох рівнях: функціональна модель об'єкту (функція Ф), альтернативні варіанти моделей принципів дій (фізичних ФПД або технологічних ТП), що реалізують розглядувану функцію; альтернативні варіанти моделей технічних рішень (ТР), що реалізують розглянуті принципи дій.

Мал. 1. Фреймонова модель прогнозування і створення нової технічної системи

Відомі багато методів складання прогнозу. З них на практиці в основному використовують такі:

1. Метод екстраполяції тенденцій (перенос недалекого минулого на майбутнє) для ТС, які розвиваються еволюційним шляхом і достатньо у часі.

2. Анкетування незалежних думок.

3. Метод зважених оцінок.

4. Матричний метод "мета-засіб".

5. Метод моделювання, який проводиться на моделях згідно з вимогами теорії подібності та інші.

Перші три методи носять суб'єктивний характер, здійснюються із запрошенням експертів і можуть бути об'єднані як метод експертних оцінок (математична обробка опитування групи спеціалістів-експертів при недостатньо систематизованій інформації у минулому). Методи експертного оцінювання альтернатив призначені для заполучення якісних (парні порівняння, множинні порівняння, гіпервпорядкування, вектори переваг, класифікація та інше) і кількісних (безпосередня чисельна оцінка альтернатив, методи оцінок Чермена-Акожа, Терстоуна, фон Наймана-Моргенштерна та інші).

Існує два принципових шляхи побудови прогнозу, котрі використовуються пара-лельно: 1) той, що йде від існуючого базису у майбутнє (дослідницьке або наукове прогнозування); 2) той, що рухається від мети, яка повинна бути досягнута у майбутньому, до теперішнього (нормативне прогнозування).

Прогнозування - частина науково-дослідної роботи по підбору вихідних даних для розробки технічного завдання на проектування, яке містить: функціональне призначення, основні технічні і економічні параметри, можливі компоновочні схеми, нові матеріали і види заготовок, нові технологічні процеси, верстати, технологічне оснащення та інше обладнання, нові форми керування виробництвом, потребу і допустимий план виробництва машин, будівництва нового або реконструкції діючого заводу.

Вирішення багатоваріантних задач створення нових технічної системи на всіх етапах стає нераціональним і навіть неможливим без використання ЕОМ.

Вихідним положенням при прогнозуванні є мета прогнозування. В залежності від неї приймають і об'єкт прогнозування. Період упередження і точність прогнозування встановлюють в залежності від мети і об'єкту прогнозування: чим більший період упередження, тим менша точність прогнозування; при необхідності підвищити точність прогнозування зменшується період упередження.

В залежності від періоду упередження встановлюють необхідний обсяг і зміст вихідних даних про об'єкт прогнозування.

Обраний метод обробки вихідних даних залежить від потрібної точності прогнозування: чим вища точність прогнозування, тим точнішим повинен бути метод обробки вихідних даних; при зниженні точності прогнозування приймають менш точний метод обробки вихідних даних. Для забезпечення потрібної точності прогнозування необхідно мати відповідний обсяг і зміст вихідних даних про об'єкт прогнозування. З підвищенням точності прогнозування обсяг і зміст вихідних даних повинні бути більш повними.

Вибір методу обробки вихідних даних про об'єкти пронозування залежить від прийнятого періоду упередження: чим більший період упередження, тим точнішим повинен бути метод обробки вихідних даних.

Наявність обсягу і змісту вихідних даних визначає вибір методу їх обробки: чим повніші вихідні дані, тим точнішим може бути метод їх оброки. В той же час певний метод потребує відповідного обсягу вихідних даних.

Визначивши обсяг і зміст вихідних даних про прогнозування об'єкту і прийнявши відповідний метод обробки вихідних даних, можна виконати необхідні розрахунки. Виконані розрахунки повинні дати можливість отримати потрібний результат прогнозування, на підставі якого можуть бути розроблені припустимі варіанти прогнозу. Не виключено, що отриманий результат прогнозування не буде повністю відповідати поставленій меті. В цьому випадку необхідно уточнити окремі етапи прогнозування, використовуючи зворотні зв'язки.

Розглянута схема процесу прогнозування може виявитися для деяких класів задач проектування несприятливою. В цьому випадку прогнозування слід вести в такій послідовності: 1) розробка загальної схеми прогнозування; 2) встановлення комлексу прогнозованих параметрів; 3) визначення потрібної точності прогнозування; 4) встановлення величини періоду упередження.

Процес прогнозування, виходячи з вимог по точності, може бути розподілений на такі три частини 1) детерміновану, яка піддається точному розрахунку; 2) вірогідну, яка дозволяє встановити допустиму закономірність протікання процесу; 3) "чисто" раптову, котра не піддається розрахунку. Співвідношення між частинами залежить від рівня наукового пізнання розглядуваного процесу і може змінюватись з часом. Науково-технічний прогрес сприяє підвищенню впливу детермінованої частини і зниженню впливу інших частин. Тому підвищення значимості детермінованої частини і точності вірогідної частини сприяє підвищенню загальної точності прогнозування.

Прогнозувати можна і окремі параметри машин, наприклад, маси, швидкості, тиски та інше.

В ряді конструкцій особливе значення має необхідність обмеження маси (ваги) машини на ранніх стадіях проектування.

4.2 Основні поняття про процес проектування

Необхідність створення техніки за короткий термін на рівні кращих світових зразків висуває особливі вимоги до другого (конструкторського) етапу, котрий поділяється на творчий і технічний підетапи.

Процес творчого проектування технічної системи носить багатоваріантний характер, є складними є послідовним рішенням багаторівневих, багатоциклічних, багатокритеріальних і багатоекстремальних задач синтезу, аналізу і вимірювання, починаючи з вибору технічних ідей (технологічний принцип, спосіб формоутворення, принцип затиску і т.д.) і закінчуючи створенням конструкції з оптимальними параметрами.

Технічне проектування технічної системи - це процес створення необхідної для виготовлення і експлуатації технічної системи технічної документації (наглядне відображення конструкції машини в цілому і її деталей - ескізи, моделі, макети, креслення із зазначенням необхідних розмірів, посадок, ступенів точності та інших технічних умов; інструкції, які стосуються випробовувань і доводки машини; механічні паспорти виробів, які містять основні відомості про їх техніко-економічні параметри і вказівки щодо експлуатації).

Процес розробки конструкторської документації є поступовим уточненням проекту і наближенням t до розробки робочої документації, за якою виготовляють вироби в одиничному, серійному або масовому виробництві. Багатостадійність процесу проектування вказує на складність задачі і високі вимоги до якості рішень, що приймаються, тому що помилки призводять до необхідності усунення їх у ході виробництва, що викликає невиправдані додаткові витрати часу і засобів.

Рівень конструкторської діяльності можна оцінити ступенем новизни розробки. Найвищим І рівнем є творче конструювання (оригінальне), коли розробляються конструкції на підставі нових принципів роботи машин; наступним II рівнем - конструктивне удосконалення, коли створюються машини, принцип роботи яких відомий, але контруктор добивається нових якісних характеристик. До III рівня можна віднести розробку відомих за принципом роботи машин, пристосованих до певних умов експлуатації. До IV рівня відносять створення ряду (гами) машин певного призначення, які відрізняються лише деякими параметрами. Найменш творчий вклад вноситься на V рівні конструювання деталей або складальних одиниць з метою погодження їх з умовами конкретного виробництва і стандартами. Починаючи свою роботу з останнього V рівня конструкторської діяльності, набуваючи досвід і навики, можна досягнути значного успіху, - творчого рішення серйозних конструкторських задач, тобто навчитися бути конструктором.

Іноді свідомо, а інколи і несвідомо процес проектування і пошуку рішень продовжується у вільний від роботи час, і навіть під час сну. Відомий письменницький закон "ні дня без рядка" стосовно до конструкторської діяльності буде звучати так: "ні дня без роботи над створюваною конструкцією" - роботи у будь-якому розумінні: біля креслярської дошки, за комп'ютером, над книгою, довідником, тощо. І подібно тому, як не кожен написаний рядок залишається у творі, так не кожен розроблений варіант конструкції деталі, вузла, машини виявляється кінцевим.

В процесі проектування треба дотримуватись деяких принципів, таких як: конструктивне наступництво, оптимум, уніфікація, стандартизація тощо.

За масштабами проведення розрізняють уніфікацію: заводську, міжзаводську, галузеву і міжгалузеву. Існують також 4 форми проведення уніфікації: модифікаційна (відносно базової моделі), розмірна, міжтипова, загальна.

4.3 Стадії і етапи технічного проектування технічних систем

Державний стандарт передбачає 5 стадій розробки конструкторської документації на вироби усіх галузей промисловості: технічне завдання (ТЗ), технічна пропозиція (ТП), ескізний проект (ЕП), технічний проект (ТП-П), розробка робочої документації (РД) або робочий проект (РП).

Процес розробки конструкторської документації є поступовим уточненням проекту і наближенням до розробки робочої документації, за якою виготовляють вироби в одиничному, масовому виробництві. Багато стадійність процесу проектування вказує на складність задачі і високі вимоги, що викликає невиправдані додаткові витрати часу і засобів.

Технічне завдання (ТЗ) включає призначення, технічні характеристики і показники якості, а також техніко-економічні вимоги, які висувають до розроблюваної конструкції машини. Бажано, щоб в ТЗ була вказана виробнича база, обсяг потрібної і планованої продукції, термін її виготовлення, можливі шляхи модернізації і т.і. ТЗ після погодження і затвердження є підставою для виконання проектних розробок.

Технічна пропозиція (ТП) містить технічне і економічне обгрунтування доцільності проектування машини згідно з ТЗ, можливі варіанти його реалізації, а також порівняння розроблюваної конструкції з аналогічними, перевірку патентоспроможності і т.і.

Ескізний проект (ЕП) містить принципові конструктивні рішення, які дають загальне уявлення про будову і принцип роботи машини, а також дані, які визначають її призначення, основні параметри і загальний вигляд. ЕП після погодження і затвердження служить підставою для подальшої розробки проекту.

Технічний проект (ТП-П) містить кінцеві технічні рішення, які дають повне уявлення про будову розроблюваної машини, і необхідні вихідні дані для підготовки робочої документації. ТП-П після погодження і затвердження служить підставою для розробки робочої документації.

Робочу документацію (РД) використовують для одиничного, серійного і масового виробництва машин. У процесі розробки РД найбільш повно враховують технологічні і організаційні фактори виробництва. Ця стадія розробки найбільш довготривала і потребує найбільших витрат часу і засобів. РД розробляють послідовно для виготовлення і випробування дослідного зразка (партії), установчої серії, серійного та масового виробництва.

Інженерні розрахунки у процесі конструювання, як і весь процес проектування машин, носять багатоваріантний характер, що створює сприятливі передумови для вибору оптимального рішення.

ГОСТ 2.103-68 передбачає виконання робіт по ТЗ, ТП, ЕП, ТП-П, РД. Після співставлення розроблених прогнозів з цими ТЗ знаходять оптимальне рішення по прогнозуванню (ОП), на підставі якого потім розробляють кінцеві варіанти ТЗ.

Розробленим варіантам ТЗ відповідають кілька варіантів попередніх ТП (ТП1, ТП2,..., ТПК). Співставляючи ці ТП з варіантами ТЗ, встановлюють оптимальне ТЗ (ОТЗ). По аналогії можуть бути встановлені оптимальні: технічна пропозиція (ОТП), ескізний проект (ОЕП), технічний проект (ОТП-Т).

Оптимальні варіанти визначають на підставі порівняння оцінок за двома стадіями розробки; зворотні зв'язки між стадіями проектування вказують на можливість уточнення прийнятих раніше рішень.

Як було відмічено вище, розробку ТЗ і увесь процес проектування слід розглядати як процес техніко-економічний на основі суспільної потреби у створенні нової технічної системи, яка повинна відповідати сучасному рівню розвитку техніки, меті і задачам проектування. Тому при розробці ТЗ мова повинна йти про виконання при проектуванні техніко-економічних вимог (ТЕВ), які враховують розвиток потреб суспільства, науково-технічного прогресу і існуючої матеріально-технічної бази.

ТЕВ - це сукупність обмежень на технічні і економічні показники, структуру і склад техніки, отримані як результат найбільш раціонального врахування потреб суспільства в техніці і найкращих способах їх задоволення.

4.4 Загально-технічні основи конструювання технічних систем

Процес конструювання безперервно удосконалюється у напрямку розробки нових методів роботи конструктора, розширення повторного використання конструкторської документації, покращення умов інформованості, застосування технічних засобів ЕОМ. Повторне використання існуючої конструкторської документації сприяє економії засобів на проектування, а також і економії на підготовку виробництва, тому що якщо виріб вже використовувався, то, отже, і технологічна сторона питання вирішена. Ефективне також часткове використання готової документації або повне використання розробки як частини нового проекту.

Слід пам'ятати, що в процесі конструювання необхідно:

- суворо дотримуватись вимог ЄСКД;

- дотримуватись патентної чистоти конструкції, пам'ятаючи, що використання закордонних запатентованих конструкцій допустимо лише на законних підставах;

- широко використовувати стандартні, нормалізовані і уніфіковані у даній галузі (на даному підприємстві) деталі;

прямувати до обмеження номенклатури матеріалів, намагаючись застосувати лише ті, котрі не є дефіцитними в певній галузі;

- пам'ятати, що як і у всякій життєвій ситуації, на завжди перше рішення є найкращим; найкраще рішення знаходять іноді завдяки (або в результаті) послідовної розробки ряду варіантів. Корисно кілька варіантів забракувати на папері, ніж один у натурі.

При створенні нових технічних систем необхідно враховувати такі технічні вимоги: систему типізації машин; автоматизацію керування сучасними машинами; зниження маси сучасної машини; технологічність сучасної машини; надійність машини; художньо-естетичне оформлення машин; небезпечність роботи машини; конкурентоздатність машинн; характер діяльності оператора у керуванні машиною; систему людина-машина; розподіл функцій керування в сучасних машинах; надійність людини-оператора; системний підхід до конструювання.

Конструкторські документації (КД) ескізного, технічного і робочого проектів істотно відрізняються.

Склад КД на стадії ескізного проекту: 1) загальний вид машини (ескізний); 2) кінематична схема; 3) загальні види основних вузлів; 4) пояснювальна записка з такими розділами: а) технічна характеристика машини (призначення, габарити, маси, потужність, продуктивність, режим роботи і т.і.); б) опис конструкції машини із зазначенням ії особливостей; в) розрахунок ТЕП роботи машини в порівнянні з найбільш високими показниками на даний час; 5) розрахунки (кінематичні, динамічні, на міцність та інші).

Склад КД на стадії технічного проекту: 1) креслення загального виду машини;

2) креслення загальних видів вузлів машини; 3) кінематичні, електричні, гідравлічні та інші схеми; перелік комплектуючих виробів; перелік спеціального інструменту і запасних частин; 4) пояснювальна записка з такими розділами:

а) призначення та область використання розробленої машини;

б) огляд існуючих зразків машин конкретного призначення вітчизняного і закордонного виробництва і порівняльна оцінка їх конструктивних особливостей і експлуатаційних показників;

в) короткий опис конструктивних особливостей нової машини;

г) рішення питань техніки безпеки і виробничої санітарії;

д) рішення питань технологічності з точки зору виробничих умов заводу-виробника;

є) розрахунки масштабу виробництва нових машин і ефекту від впровадження їх у народному господарстві;

4) розрахункова записка, яка містить детальні розрахунки: кінематичні, динамічні, на міцність та інші.

Склад КД на стадії робочого проекту: 1) креслення загальних видів; 2) креслення вузлів та деталей; 3) специфікація деталей; 4) кінематична, електрична, гідравлічна, пневматична схеми, циклограми та інше; 5) пояснювальна записка з технічною характеристикою і перевірочними розрахунками вузлів і деталей; 6) проект технічних умов на виготовлення, приймання, упаковку і транспортування (при необхідності включаючи креслення тари, розміщення і закріплення на залізничному рухомому потязі); 7) відомості оригінальних і нормалізованих деталей і вузлів, покупних деталей і виробів, застосування посадочних розмірів, різей, модулів тощо; 8) технічний паспорт і інструкція з експлуатації, догляду та монтажу (з пояснювальними схемами і кресленнями) з картою змащування, складеною згідно з відповідною інструкцією; 9) відомі погодження комплектуючих виробів; 10) проект програми випробувань.

Лекція № 5

Тема: ПРОЕКТУВАННЯ, СТВОРЕННЯ І ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

Питання лекції: Проектні критерії. Поняття про функцію мети і проектні обмеження. Пошукове конструювання технічної системи. Підготовка виробництва і виготовлення нових конструкцій. Автоматизація проектування і виготовлення технічних систем. Використання та експлуатація технічних систем. Поняття про аналіз технічних систем. Математична постановка типових задач аналізу. Аналіз технічних процесів.

5.1 Проектні критерії. Поняття про функцію мети і проектні обме-ження

Проектована технічна система повинна відповідати вимогам експлуатації тому, що це визначає ефективність її використання, а також відповідає і вимогам виробництва. Ці вимоги неоднозначні. Кожна категорія цих вимог може містити окремі види вимог, які складаються з комплексів конкретних вимог до проектованих окремих моделей технічна система.

На рівні методологічних розробок можна розглядати і аналізувати тільки окремі види вимог стосовно певного класу машин. Вимоги експлуатації, як і вимоги виробництва, в більшості випадків неоднозначні і можуть бути представлені кількома варіантами.

Аналогічна ситуація має місце при розгляді кожного варіанту вимог, тому що йому може відповідати деяка множина варіантів конструкції машини, з котрих обирають оптимальний.

Вимоги експлуатації можуть мати деяке число варіантів (ЕВ1, ЕВ2, ... , ЕВJ), котрі, наприклад, відрізняються за рівнем автоматизації керування машиною. Вимоги виробництва можуть також мати деяке число варіантів (ВВ1, ВВ2, ... , BВJ), котрі відрізняються за рівнем поточності виробництва, який визначається залежно від обсягу випуску машини.

Кожному варіанту вимог експлуатації може відповідати деяке число варіантів конструкції (МЕ11, МЕ12, ... , МЕ1К) і кожному варіанту вимог виробництва може відповідати деяке число варіантів конструкції (МВ11, МВ12, ... , МВ13).

У варіантах конструкції машини MЕ, крім вимог експлуатації в деякій мірі враховані і вимоги виробництва, а у варіантах конструкції МВ вимоги виробництва враховані найбільш повно. Повнота вимог залежить від стадії розробки проекту.

Таким чином, є дві групи варіантів конструкції машин, котрі слід оцінювати за допомогою заданого або прийнятого народногосподарського критерію і на цій підставі розробити оптимальний варіант машини, яка підлягає реалізації.

Кожну властивість об'єкту проектування технічної системи можна визначити трьома чисельними характеристиками:

1) абсолютним значенням одиничного показника якості ??, визначеним метрологічним методом;

2) відносним показником якості К?К, що характеризує ступінь задоволення споживачів у даному об'єкті;

3) ваговий коефіцієнт ??, який визначає важливість даної властивості серед інших властивостей.

У формалізованому вигляді задача оптимального проектування у загальній постановці полягає у визначенні незалежних змінних (незалежних конструктивних параметрів) ?1, Х2, ... , ?n, при яких критерій оптимальності - функція мети проектованого об'єкту O = F (?1, Х2, ... , ?n), яка є нелінійною функцією змінних, має мінімально (або максимально) можливе значення при умові, що змінні ?1, Х2, ... , ?n приймають лише позитивні значення, тобто Xj > 0; j = l, 2,..., n, і виконуються обмеження, які задані у формі нерівностей для деяких, у загальному випадку нелінійних, функцій цих змінних (функцій обмежень або проектних обмежень) Ri (X1, X2,... , Xn) < 0 (і = l, ..., m, m n і m > n).

5.2 Пошукове конструювання технічної системи

Методологія пошукового конструювання (творчого конструювання) містить чотири характерних етапи, кожен з яких вимагає застосування певної системи методів:

I етап - зовнішнє проектування, застосування методу формулювання узагальненого критерію якості К на підставі кваліметрії і визначення сукупності обмежень;

II етап - синтез знакової моделі (принципової схеми) з прийнятими умовними знаковими позначеннями, застосування методу синтезу на підставі математичного програмування на цифровій ЕОМ, яке зводиться у більшості випадків до пошуку глобального екстремуму багато розмірної цільової функції (найбільш корисно на сітці коду Грея);

III етап - синтез образної моделі (конструктивної схеми), застосуванням еврістичного методу синтезу без чіткої формалізації процедур синтезу;

IV етап - перевірка виконання деяких умов функціювання технічних систем, застосуванням методу аналізу додаткових властивостей, тому що може виявитися, що деякий з показників якості не був врахований на II і III етапах.

При позитивних результатах перевірки проектування технічної системи вважається економічним і можна переходити до розробки документації (робочих креслень).

Пошукове конструювання може бути машинним і без машинним. Без

машинне пошукове конструювання верстату на рівнях пошуку технічних ідей і структур. Пошук нової технічної ідеї створення верстату або іншої технологічної машини для обробки заданої номенклатури деталей може зводитись до пошуку нових технологічних принципів або способів формоутворення з використанням положення Л.М.Кошкіна про те, що всі технологічні процеси з точки зору підготовленості їх до комплексної автоматизації поділяються на чотири класи. За основну ознаку прийнятий спосіб дії оброблюючого середовища (інструменту) на оброблюване середовище (заготовку або деталь). Взаємодія від нижчого до вищого класу технологічного процесу може бути: точкова (точіння гострим різцем, тощо); лінійна (фасонне точіння, свердлування, тощо); поверхня (обробка тиском, лиття по виплавлюваним моделям, порошкова металургія, тощо); об'ємна (фарбування в електростатичному полі, підігрів виробу, розлив у пляшки тощо). Запропонована класифікація дозволяє формалізувати задачі пошукового конструювання на І і II рівнях. Для вибору кінематики різання на І етапі і пошуку нових структур (кінематичних і компоновочних) з формалізацією задач II рівня можна використовувати класифікацію кінематичних схем різання, запропоновану Грановським Г.І. у роботі "Кінематика різання", де закодовані усі схеми сполучення елементарних поступових і обертових рухів.

5.3 Підготовка виробництва і виготовлення нових конструкцій

При технологічній підготовки до виробництва вирішують такі основні задачі:

а) відпрацювання конструкцій технічних систем на технологічність;

б) розробка технологічних процесів виготовлення і технологічного контролю заготівок і деталей, складання, а також допоміжних робіт, починаючи з отримання вихідних матеріалів і заготівок і закінчуючи упаковкою готової продукції;

в) типізація і нормалізація технологічних процесів, в тому числі з використанням групової або модульної технології і технологічного оснащення;

г) встановлення технічних норм часу на виготовлення технічних систем, норми витрат матеріалів і технологічного оснащення;

д) проектування спеціального і нормалізованого інструменту, інструменту пристосувань, штампів та іншого технологічного оснащення;

є) виготовлення і доводка запроектованого технологічного оснащення;

ж) проектування і виготовлення спеціального обладнання, засобів механізації і автоматизації основних і допоміжних виробничих процесів, транспортних засобів і нестандартного обладнання, пов'язаних з технологічним процесом і організацією робочих місць;

з) розрахунок необхідного обладнання і розробка планування його розміщення;

і) розрахунок виробничої потужності цехів, ділянок, ліній;

к) доведення технологічних процесів для забезпечення впровадження запроектованих режимів різання і норм, а також налагодження обладнання і технологічного оснащення.

Технологічна підготовка виробництва на підставі конструкторської документації повинна забезпечити комплексну розробку технології основних і допоміжних процесів виготовлення нових конструкцій машин на всіх стадіях виробництва. Головною і найбільшою відповідальною частиною підготовки виробництва є проектування технологічних процесів і конструювання технологічного оснащення.

Велике значення для обсягу технологічної підготовки має ступінь конструктивно-технологічного наслідування (наступності) нової конструкції машини.

Розробка технології виготовлення машин потребує багато часу, але більш трудомісткою роботою є проектування і виготовлення технологічного оснащення, на долю якого доводиться до 80% загальної трудомісткості підготовки виробництва і відповідно до 90% загального продовження циклу підготовки виробництва нової конструкції машин.

Одним з найважливіших напрямків скорочення терміну підготовки виробництва є типізація конструктивних елементів і модульний принцип. Цей напрямок дозволяє широко використовувати уніфіковане технологічне оснащення.

В багатьох випадках технологічну підготовку виробництва ведуть паралельно з розробкою конструкторської документації.

Відпрацювання конструкції машини на технологічність повинно забезпечити зниження трудомісткості і собівартості виготовлення, скорочення циклу виробництва, зниження вартості робіт по обслуговуванню машин, включаючи підготовку до функціонування, контроль працездатності, профілактичне технічне обслуговування і ремонт.

...