Міністерство освіти і науки України
Національна металургійна академія України
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
з дисципліни «Основи конструювання обладнання» для студентів ІІІ курсу спеціальності 6.070800 «Екологія»
Дніпропетровськ
НМетАУ
2005
Конспект лекцій з дисципліни “Основи конструювання обладнання” для студентів спеціальності 6.070800 “Екологія”/ Уклад. І.І. Іванов. – Дніпропетровськ: Національна металургійна академія України, 2005. - с.
Укладач:
І.І. Іванов, канд. техн. наук, доцент
Відповідальний за випуск завідувач кафедрою ІЕ та ОП В.П. Бобилєв, канд.. техн. наук, проф..
Тема 1. Вступ. Технічна система як об’єкт конструювання.
Задачі і нормативна база конструювання. Загальні вимоги до конструкції обладнання. Особливості конструкторської роботи в сучасних умовах. Стадії функціюнування технічної системи і етапи її створення. Принципи конструювання.
Призначення та структура САПР.
Слово «конструювати» у перекладі з латинської мови означає створювати, будувати, споруджувати. Перед тим, як щось створювати, людина формує у своїй уяві суб’єктивну модель предмету праці, а потім реалізує її. Тобто, існують два етапи створення об’єкту – це проектування та виконання. Розглянемо співвідношення понять “проектування” та “конструювання”.
Проектування (від латинського слова projctus – спрямований уперед) – це процес розробки проектної документації або проекту деякого об’єкту, тобто створення упорядкованої раціональним чином системи елементів, яка у випадку реалізації забезпечить виробництво технологічного продукту заданої якості у потрібній кількості. При проектуванні розробляється цілий технологічний комплекс (цех, підприємство), який включає як нові, так і типові елементи, що вже серійно випускаються.
Конструювання – це розробка тільки нових елементів об’єкту, які є відмінними від існуючих та володіють новими якостями. Тобто, конструювання – це складний творчій процес графічного перетворення знань, втілення наукових розробок у нові конструкції. Можна сказати, що поняття “проектування” є більш ширшим, ніж поняття “конструювання” і конструювання є невід’ємною складовою частиною проектування.
Якщо у процесі праці приймає участь одна людина, то модель предмету праці може замикатися у її власній уяві та поняттях. Це може стосуватися, насамперед, нескладного об’єкту. Як тільки до процесу праці буде залучений іншій учасник, з’являється потреба передачі йому інформації щодо предмету праці. Це може бути зроблено у тому чи іншому умовному коді – у формі мови, словесного або графічного опису.
Теоретичні основи конструювання механізмів були закладені у другий половині 18 – го сторіччя академіком Л. Ейлером. Численні досягнення у техніці 19 – го сторіччя, що випереджали розвиток науки, були для неї основою бурхливого розвитку. Існує два основні етапи конструювання:
Пошук та прийняття рішення;
2) Опис та перетворення опису об’єкту.
Саме другому етапу приділялася у цей період і у наступному основна увага. Це дозволило розробити фундаментальні основи таких наук, як нарисна та аналітична геометрія, креслення, теоретична механіка, теорія механізмів та машин, деталі машин та інш.
Основним документом, що закріплює у законодавчому порядку послідовність етапів конструювання, форму та зміст технічних документів, є єдина система конструкторської документації (ЄСКД). Що стосується першого етапу конструювання, тобто методів пошуку та прийняття рішень, таких великих досягнень немає, особливо щодо формалізації цього процесу.
Конструювання – це водночас і наука, і мистецтво. Наука тому, що воно спирається на узагальнені та систематизовані знання. Мистецтво тому, що воно нерозривно пов’язано з творчістю. У різні періоди співвідношення цих двох компонент у конструюванні були різними. Якщо, наприклад, у епоху Відродження технічною творчістю займалося багато видатних мислителів та митців, то з розвитком і удосконаленням техніки одних творчих здібностей стає недостатнім. Зараз самий талановитий митець навряд чи візьметься за технічне конструювання, якщо він не має фахової підготовки. Однак і зараз багато у процесі конструювання залежить від творчих здібностей людини, його уяви та інтуїції. Лише при наявності таких якостей, як грамотність, майстерність, зацікавленість, творчість, працелюбність можна розраховувати на успіх у процесі конструкторської роботи.
Розвиток науки у 20 – му сторіччі зіштовхнувся з низкою протиріч. Перше полягає у випередженні темпу зростання складності технічних систем над розвитком методів їх конструювання. Зростає розподіл праці і кількість фахівців, що розробляють технічну систему. Це ускладнює узгодженість їх дій; втрачається уява щодо технічної системи, що розробляється, як до єдиного цілого.
Друге протиріччя виявляється між тривалістю розробки та строком морального старіння технічної системи. Якщо строк розробки з підвищенням складності системи зростає, то час до морального старіння її неухильно зменшується з-за прискорення науково-технічного прогресу. Усунення цього протиріччя або його пом’якшення може бути досягнуто двома шляхами:
1)Підвищенням продуктивності праці при конструюванні;
2)Побудовою технічної системи на основі перспективних технічних рішень.
Важливим засобом досягнення цієї мети є використання систем автоматизованого проектування (САПР). Ефективність таких систем особливо зростає при конструюванні складних технологічних систем. Сутність застосування САПР полягає у сполученні праці людини для рішення творчих задач і роботи машини для рішення задач, що піддаються формалізації. Це скорочує витрати часу на відбір вихідної інформації, дозволяє проводити параметричний, а інколи і структурний синтез з високою надійністю та точністю, відмовитися від спрощень, що є невід’ємною частиною традиційних методів розрахунку.
У САПР кожну задачу вирішують як оптимізаційну, тобто знаходять такі параметри обладнання, що відповідають найкращому значенню вибраного критерію оптимальності. Таким чином, метою САПР є підвищення якості конструювання, зменшення строків та матеріальних витрат на конструювання, скорочення кількості працівників, що зайняті конструюванням. Основними труднощами запровадження САПР є значна вартість, зокрема програмного забезпечення, необхідність навчання персоналу та реорганізація кадрів.
САПР – це організаційно – технічна система, що складається з комплексу засобів автоматизованого проектування, які взаємодіють із підрозділами проектної організації, та виконує автоматизоване проектування. Комплекс засобів проектування групують за видами забезпечення технічне, математичне, програмне, інформаційне, лінгвістичне, методичне та організаційне. Структура САПР показана на рис. 1 і її функціонування є можливим лише за наявності та взаємодії усіх означених засобів.
Важливішою складовою САПР є математичне забезпечення, що включає у себе математичні моделі об’єктів, методи та алгоритми проектних процедур. Математичні моделі описують властивості об’єктів, а оперування ними з метою отримання корисної інформації щодо об’єктів називають математичним моделюванням. Математичні моделі повинні відповідати вимогам універсальності, адекватності, точності та економічності. Перші три вимоги суперечать вимозі економічності, тому звичайно шукають компромісне рішення.
Конструювання завжди пов’язано з необхідністю приймати рішення на основі критеріального, вольового або випадкового вибору. Випадковий вибір є найменш прийнятним і може застосовуватися лише як виключення. В умовах недостатньої інформації виконують вольовий вибір, який є цілком свідомою та відповідальною дією. Найбільш доцільним є критеріальний вибір. Теорія прийняття рішень ще не є досить розробленою і знаходиться у стадії бурхливого розвитку.
Як наслідок науково-технічної революції, виявляються принципові зміни у характері діяльності конструктора, його ролі у створенні нової техніки, у вимогах до його професійних знань, навичок, загальної ерудиції. До кола конструкторських дисциплін увійшли такі, як системотехніка, методи дослідження операцій, теорія рішень, мережне планування, ергономіка, технічна естетика та багато інших галузей науки і техніки. Якщо фахівець буде виявляти працелюбність, схильність до творчості та вирішувати проблеми оригінальним шляхом, то при дотриманні послідовності етапів творчого процесу і процесу конструювання він буде мати можливість створити виріб, що відповідає світовим стандартам.
Будь-яка галузь промисловості, якщо вона не буде розвиватися, удосконалюватися, на визначеному етапі стає нежиттєздатною у сучасному світі. На протязі усієї історії розвиток виробництва пов’язаний головним чином зі створенням нових видів продукції. Пошук та розробка нових ідей для створення нових видів продукції у останні роки набули великого значення. У майбутньому, з підсиленням конкуренції, появою все нових і нових видів продукції, строк використання існуючих виробів буде поступово неухильно скорочуватися.
Нові вироби характеризуються кривою циклу життя (рис. 2). Поняття циклу життя пов’язане з біологічними системами, наприклад, організмами. Їхнє життя досить чітко поділяється на такі стадії, як зародження, розвиток, зрілість, старіння, смерть. Аналогічно і у штучних системах, у тому числі технічних виробів, можна розділити період існування на послідовні етапи від створення до руйнації, зникнення. Збут продукції після її появи швидко зростає, досягає максимуму, коли ринок насичується, а потім починає скорочуватися. Форма кривої прибутку є аналогічною, але не співпадає з кривою збуту за фазою. Зменшення прибутку розпочинається раніш, ніж відбувається скорочення збуту. Максимальний розмір прибутку відповідає точці максимального нахилу кривої збуту. Як тільки приріст збуту починає зменшуватися, можна очікувати зменшення прибутку. Тому стратегію виробництва треба будувати на основі кривої прибутку, оскільки у такому випадку можна скласти довгостроковий прогноз і своєчасно переорієнтувати ресурси на розробку та випуск нового виробу.
Першу фазу циклу життя, тобто процес появи нового виробу можна розділити на низку етапів:
-пошук нових ідей;
-аналіз можливостей виробництва та збуту;
-розробка виробу;
-спробна продукція;
-перевірка стану ринку;
-організація масового виробництва.
Сам процес створення нового виробу умовно можна розділити на два етапи це розробка виробу та розробка технологічного процесу.
Розробка виробу включає конструювання, аналіз та випробування. Конструювання – це найбільш відповідальний етап, на якому визначається фізична форма та технічні характеристики виробу, перевіряється можливість здійснення самої ідеї. При аналізі можливості здійснення ідеї треба розрізняти інтуїтивні думки та формалізовану оцінку. Інтуїтивний підхід часто-густо призводить до великих втрат, оскільки на розробку виробу за методом спроб та помилок може бути витрачено багато часу та ресурсів. Формалізованому підходу треба віддавати перевагу, оскільки він базується на розрахунках оптимального використання матеріалів, робочої сили і дозволяє визначити відповідність виробу прогнозним характеристикам. Випробування – це найбільш дорогий етап; на їх проведення потрібні спеціально обладнані місця та апаратура. Випробування ретельно планують; вони дозволяють підтвердити прогнозні технічні характеристики, виявити недоліки виробу, перевірити його надійність та довговічність.
Друга стадія створення виробу, тобто розробка технологічного процесу включає також три етапи: виготовлення виробу, рух матеріалів, управління підприємством. Технологію виготовлення виробу розробляє фахівець – технолог разом з конструктором. Рух матеріалів включає купівлю, отримання та обробку всіх матеріалів, що потрібні для виготовлення виробу, а також зберігання та перевезення готової продукції. Управління підприємством є одним з найбільш складних видів діяльності, що дуже тяжко піддається формалізації. Він пов’язаний з відбором, фаховою підготовкою та розподілом кадрів.
Конструювання являє собою неперервний процес, у якому наукова та технічна інформація використовується для створення нової системи, нового пристрою або процесу, які приносять деяку користь суспільству. Методологія конструювання базується на двох принципах – еволюційних змін та створення нового. У методі еволюційних змін виріб удосконалюється поступово на протязі деякого проміжку часу шляхом внесення незначних його перетворень. При такому підході ризик припуститися великих помилок є невеликим. В умовах науково-технічної революції, конкуренції за ринки сировини та збуту на перший план виходить задача створення принципово нових виробів на основі технічних новинок. Але така практика конструювання пов’язана зі значним ризиком з-за відсутності досвіду побудови подібних систем або пристроїв. Конструювання повинно бути спрямоване у майбутнє, але воно повинно спиратися на те, що було відомо у минулому. Тобто, при конструюванні водночас створюється нове і здійснюються еволюційні зміни відомого.
При конструюванні виробу треба враховувати різноманітні вимоги до нього – експлуатаційні, екологічні, соціальні. Головною вимогою є безпека та добрі умови праці для обслуговуючого персоналу.