2. Общие вопросы конструирования механизмов и узлов приборов и экспериментальных установок

Конструкция (лат. construction – строение, устройство, построение, план, взаимное расположение частей) - совокупность деталей и узлов, изготовленных из различных материалов с различными физическими свойствами, находящихся в определённой функциональной и физической связи (механической, оптической, электрической, электромагнитной и пр.), обеспечивающая выполнение заданных функций с необходимой точностью под влиянием внешних и внутренних воздействий и воспроизводимая в условиях производства. Конструкция определяет взаимное расположение частей в пространстве, способы их соединения и компоновки, характер взаимодействия.

Конструирование – информационный творческий логико-интуитивный про­цесс поиска, создания и получения оптимального варианта пакета документов изделия, содержащих информацию о структуре, форме, размерах, матери­а­лов, внешних и внутренних взаимосвязей совокупности физических тел и веществ, предназначенных для выполнения заданных функций в соответст­вии с требованиями технического задания. Результатом конструирования является полный комплект конструк­торских документов, а основная цель данного курса – изучение методов рационального конструирования механи­чес­ких элементов, деталей, узлов приборов и экспериментальных установок.

Механические функциональные узлы в приборах используют в первую очередь для передачи и преобразования механических сигна­лов и значений функций. Передача энергии при этом- второстепенная задача, поэтому, в от­ли­чие от механизмов машин, они малогабаритны, что позволяет развивать большие угловые скорости и одновременно обеспечивать высокую точность позиционирования.

Требования, предъявляемые к отдельным механизмам приборов, тесно связаны с назначением всего прибора. Основные из них следующие:

- точность выполнения заданных функций;

- высокая надёжность механизма;

- технологичность механизма;

- экономичность изготовления, содержания и эксплуатации;

- эстетичность.

В удовлетворении этих требований, рассматриваемых как критерии опти­­мизации прибора, состоит главная задача констру­и­ро­ва­ния, решение которой обеспечивается, главным образом, правильным вы­бо­ром кине­матической схемы механизма, материала его деталей, их фор­мы и размеров, допусков на эти размеры и шероховатости поверхности, рас­чё­том и выбором типа сопряжения или способа связи одной детали с другой. Кроме перечисленных критериев оптимизации, при проектировании при­бо­ров и экспериментальных установок необходимо учитывать удобство работы, простоту сборки и разборки. Последнее важно ввиду сложности кинематических схем приборов и большого объема сборочных и юстиро­воч­ных работ (юстировка - регулирование, выверка, умень­шение погреш­ностей измерения).

Создание нового прибора или установки имеет три этапа:

- разработка технического задания ;

- разработка конструкции (конструирование);

- изготовление опытных образцов.

При разработке технического задания устанавливаются: функцио­нальное назначение, технические характеристики и показатели качества разра­баты­ваемого изделия, предъявляемые к нему эксплуатационные, технико-эконо­мические и специальные требования. Основные требо­вания должны:

- касаться общих условий функционирования (точность, надёж­ность, быстродействие, диапазоны работы и т.п.) и условий эксплу­атации;

- быть максимально формализованными в виде математических зависи­мос­тей с возможным сокращением словесных формулировок;

- конкретизированы в отношении объёма производства, стоимости, габа­ритов, массы, веса, возможностей технологического характера.

Методология конструирования базируется на вскрытии основных зако­но­мерностей решаемой задачи, формулировке основных проти­воречий и выборе способа их разрешения, нахождении лучшего варианта решения в виде конкретной схемы или конструкции.

Будучи связанными с упрощающим решение задач физическим и матема­тическим моделированием сложных процессов и функций, расчёты всегда имеет определённую погрешность. Для повышения точности расчётов конструктор должен вносить в них определённые поправки на основе использования опыта эксплуатации и изготовления подобных изделий.

Процесс конструирования приборов и экспериментальных устано­вок состоит из следующих этапов:

1.Предварительное конструирование, при котором производится предва­ри­­тельный поиск вариантов принципиальных схем или конструкций, сос­тав­ляется несколь­ко вариантов структурных и кинематических схем, вы­би­ра­ется наиболее надёжная из них, выполняется кинемати­ческий, динамичес­кий и точностной расчёт механизма. В ходе расчётов определяются усилия и моменты, действующие на звеньях механизма и в его кинематических парах, выполняются расчёты деталей на проч­ность, жёсткость, износо­стой­кость.

При этом возможны два основных случая:

- прототипов приборов и экспериментальных установок не имеется. Тех­ни­­­ческие требования разрабатываются на основе технического задания, вы­да­ваемого заказчиком. В этих случаях прибор или установка строятся по новому принципу, основанному на новом физи­чес­ком эффекте или его новой интерпретации, а от конструктора требуется логически обусловленная последовательность мышления и достаточно ши­рокий круг знаний в области моделирования, математики и физики, позволяющие выпол­нить многочис­ленные аналитические и чисто экспериментальные исследо­вания;

- прототипы прибора имеются. Технические требования при этом разра­ба­тываются по аналогии на основе уже изготовленного образца, а от конструктора тре­бу­ются знания и опыт графического отображения элементов прототипа и оформления конструкторского материала по правилам ЕСКД.

2. Разработка вариантов эскизной компоновки, когда производятся эс­киз­ные наброски и масштабное прочерчивание, совмещение конструк­тив­ных функций различных частей устройства.

3. Разработка окончательного варианта компоновки. Выполняется в масштабном изображении, прорабатываются варианты упрощения конст­рук­ции, удаления деталей, без которых можно обойтись.

4. Построение и вычерчивание общей сборки. Здесь, хотя и чистовое вычер­чивание но происходит подгонка деталей и подготовка деталировки. Производится методом “проб и ошибок”, иногда с возвратом назад.

5. Разработка рабочей конструкторской документации.

Первый этап конструирования называется проектированием, при кото­ром на основе учёта требований технического задания и знаний основных физических закономерностей производится поиск оптимального варианта прин­ципа действия и устройства разрабатываемого изделия. В соответствии с этим конструк­торские документы подразделяются на проектные (техничес­кие предложения, эскизный и технический проекты) и рабочие (рабочая конструкторская документация). Разработка документов, их оформление, обращение и хранение должны соответствовать опреде­лён­ным правилам и положениям, сформулированным в единой системе конструкторской документации (ЕСКД) – комплексе государственных стандартов. ЕСКД обеспечивает:

- возможность взаимообмена конструкторскими документами между различными организациями без их переоформления;

- стабилизацию комплектности документов;

- возможность расширения унификации при конструкторских разработках;

- упрощение форм конструкторских документов и графических изображений;

- автоматизацию обработки технических документов;

- улучшение условий подготовки и переналадки производства.

Установленные стандартами ЕСКД правила и положения по разработке, оформлению и обращению документации распространяются на все виды конструкторских документов (чертежи, схемы, технические условия и др.), а также учётно-регистрационную документацию (карточки учёта, инвентарная книга регистрации и др.)