2. Система металлорежущий станок как объект

направленных действий процесса проектирования

Рассмотрение станка как объекта проектирования показывает, что он является сложной системой, наделенной особенностями. Процесс про­ектирования имеет дело с несуществующим объектом (технической системой), т. е. с аб­страктным образом несуществующей машины, на котором не­возможно поставить физический эксперимент.

Станок (станочная система) - это машина, выполняющая физико-химические процессы формообразования или соединения исходных материалов, полуфабрикатов, используя для этого направленное воздействие материальных, энергетических и информационных потоков.

Различают системы простые и сложные. Сложная система характеризуется большим числом элементов и большим числом связей. Элементы в сложной системе находятся в иерархическом взаимодействии. Из определения технической системы, а любой станок является таковой, вытекает, что оборудование следует представлять как совокупность элементов с указанием связей между ними и цели функциониро­вания. Наряду с физической при­родой элементов-объектов станка на характеристики проектируемой системы оказывают сильное влияние совокупности связей между этими элементами.

Более того, они могут даже вызвать изменение цели функци­онирования объекта, т. е. фактически это коренное изменение набора элементов и взаимосвязей. Следовательно, эти два свойства существенно меняют как методологию общего исследования систем, так и отношение к методам исследования отдельных объектов оборудования.

Современный станок, а тем более, станочная система, включает в себя гидравлические, электрические, электронные, механические узлы, содержащие де­сятки тысяч деталей. Эти узлы и отдельные детали находятся в сложной взаимосвязи под дей­ствием процессов малой, средней и большой скорости. Совокупность элементов и свя­зей еще более расширяется при проектировании станочных си­стем, когда каждый станок, узел, деталь имеют несколько исполнений по каждому и де­сяток и более вариационных признаков. Так, автоматическая ли­ния для обработки ступенчатых валов имеет сотни тысяч вариантов только компоновочных решений при наличии восьми вариа­ционных признаков.

Цель почти каждой проектно-конструкторской разработки - создание и выпуск изделий на уровне лучших мировых образцов. Достичь этого можно на основе изобретения комплекса согласованных и наиболее эффективных новых технических решений. Для этого требуется синтез и анализ очень многих вариантов конструкций. Без использования современных технических средств на базе ЭВМ это сделать или затруднительно, или невозможно. Формализация и программирование процесса поиска (синтеза) новых технических решений, связанного с постановкой и решением задач технического творчества, вызывает значительные трудности.

В настоящее время ведется большая и во многом плодотворная работа по автоматизации поискового конструирования или по использованию искусственного интеллекта в автоматизированном проектировании. При проектировании и разработке любого изделия или технологического процесса конструктор вынужден решать задачи поискового конструирования минимум трех типов.

Задачи первого типа - это выбор или поиск наиболее эффективного физического принципа действия для конкретных условий и требований. Например, если конструктор проектирует устройство для взвешивания, то он может положить в основу принципа действия закон рычага, или закон упругой линейной деформации, или пьезо-эффект, а также многие другие физические эффекты и их комбинации.

Задачи второго типа - выбор или поиск наиболее рационального технического решения при заданном физическом принципе действия. При решении этих задач варьируют конструктивными элементами и признаками до нахождения наиболее целесообразного их сочетания. Решение этих задач представляет собой материализацию выбранного физического принципа действия или технической идеи.

Задачи третьего типа - определение оптимальных значений параметров заданного технического решения. При решении этих задач варьируют значения параметров до нахождения их оптимального соотношения. К параметрам обычно относят размеры рабочего пространства, в котором может происходить процесс обработки детали, массу обрабатываемой детали, достижимые элементы режима резания (скорость, подача, число двойных ходов и другие).

Проблема выбора наилучшего конструктивного решения включает задачи трех вышеуказанных типов, с ней имеет дело каждый конструктор, поэтому решаются задачи по-разному, но в основном - с использованием методов оптимизации.

В результате усилий инженеров и математиков методы оптимального проектирования развились в важный раздел прикладной математики, а само автоматизированное оптимальное проектирование стало одной из наиболее эффективных областей применения ЭВМ. Определение на ЭВМ оптимальных параметров проектируемого изделия дает прямой, значительный по размерам экономический и технический эффект. В то же время выбор одного или группы параметров и критериев оптимальности, формирование ограничивающих условий, определение наиболее эффективного метода поиска решений, анализ результатов — все эти базовые операции остаются за человеком. Поэтому инженер-проектировщик должен реально оценивать возможности поиска оптимальных решений на математической модели, уметь формулировать задачу оптимального проектирования, осуществлять выбор достаточно эффективных математических методов, проводить анализ проекта изделия и разрабатывать (используя ЭВМ) рабочие чертежи изделия.

Основой всего процесса проектирования машин (станков) является совокупность многих подвидов проектирования, основанных на единстве видов и уровней. Одна из классификаций видов проектирования представлена на рис. 3.

Вид любых проектных работ определяется уровнем проектирования и методикой проектирования. По уровню проектирования различают функциональное и конструкторское проектирование, а в зависимости от методики проектирования — аналитическое и эмпирическое проектирование. Эти виды работ необходимо рассматривать в комплексе, так как ка­чество выполнения одних проектных работ определяет трудоем­кость и эффективность последующих проектных работ. Функциональное проектирование включает в себя концеп­туальное проектирование и схемотехническое. Указанные проектные работы наиболее ответственные. Поскольку они выполняются на ранних стадиях проектирования, то они являются определяющими. При этом важнейшим из них является концептуальное проектирование, так как именно оно предполагает поиск прин­ципа функционирования станка и его основных узлов. В итоге концептуальное проектирование определяет тип устройств, выполняющих от­дельные функции станка: главное движение, движение подачи, вспомогательные движения и т. д.

Принцип функционирования станка и узлов должен обеспечивать выполнение характеристик, заложенных в техническом задании. В некоторых случаях необходима раз­работка принципиально новых технических решений, чтобы до­стичь требуемых характеристик. Например, привод главного движения металлорежущего станка может быть гидравлического или электрического типа. По способу регулирования частоты вращения шпинделя — сту­пенчатый и бесступенчатый.

Ступенчатый привод проектируют на основе одно- или многоскоростного двигателя, шестеренкой коробки скоростей или ступенчато-шкивной передачи. Привод бесступенчатого регулирования включает в себя либо нерегулиру­емый двигатель и вариатор, либо регулируемый двигатель. Примеры можно продолжить, но уже очевидно, что концептуальному проектированию следует уделять особое внимание. Таким образом, выбор типа устройств, реализующих те или иные функции станка, осу­ществляется на базе исходных данных, содержащихся в техни­ческом задании. При этом технические параметры станка, требования на­дежности и долговечности, габаритные размеры, эксплуатацион­ные требования, а в конечном итоге и ориентировочная стоимость станка просчитываются на первых этапах проектирования, включая концептуальное.

Рис. 3. Виды проектирования /8/

При схемотехническом проектировании разрабатываются принципиальные и функциональные схемы: электрические, элек­тронные, кинематические, гидравлические, пневматические. Обычно в процессе разработки станка конструкторские виды работ, включающие компоновочное и геометрическое проектирование, занимают наибольший объем работ и времени. Их выполняют по результатам функционального проектирования.

Компоновочное (топологическое) проектирование в основном заключается в разработке компоновки систем станков, отдельного станка или его узлов. Процесс компоновки связан с размещением конструктивных элементов в пространстве с учетом их функци­онального назначения и принятых ограничений.

Расчетами в процессе компоновки, кроме компактности кон­струкции, оценивается также эффективность компоновочного ре­шения для обеспечения процесса функционирования станка или станочной системы. Большое значение при выборе конструкции и размещения элементов имеют требования художественного конструирования, эргономики и условий эксплуатации.

Эффективное конструктивное решение достигается лишь при разработке нескольких вариантов конструкции, их всестороннем анализе и выборе наиболее рационального из них. Любой вариант не является наилучшим во всех отношениях, обычно он обладает либо средними значениями всех характеристик, либо высокими значениями наиболее важных характеристик, принятых при компро­миссном решении.

Требование снижения затрат на эксплуатационные расходы обеспечивается соответствующей ремонтопригодностью узлов, условиями настройки их параметров.

Основой для создания конструкций станочных узлов является конструктивная преемственность, т. е. использование предше­ствующего опыта отрасли. Каждый современный станок в той или иной степени является результатом работы конструкторов нескольких поколений.

Основной объем работ, выполняемых при геометрическом проектировании, заключается в подготовке конструкторской до­кументации. При выполнении чертежных работ необходимо придерживаться требований ЕСКД для обеспечения чте­ния конструкторской документации. Безусловно, предпочтение отдается электронной версии исполнения графических работ.

При аналитическом проектировании проектные параметры вычисляют с помощью математических зависимостей, полученных на основе научных исследований, опыта проектирования, изготовления и экс­плуатации оборудования.

Расчетное проектирование позволяет получать рациональные с точки зрения выполнения всех условий и ограничений конструкторские решения. Для этого проектирования, учитывающего оптималь­ные параметры конструкции, используют оптимальное проектирование. Обычно расчетное проектирование выполняют по апробированным аналитическим зависимостям. Для удобства некоторые зависи­мости представлены в виде таблиц, графиков или номограмм. Иногда приходится задаваться конструктивными параметрами, тогда их правильность оценивают при проверочных расчетах.

При не­автоматизированном проектировании расчетное проектирование является преобладающим. Оно базируется на методиках расчета, которые изложены в справочной литературе, предназначенной для конструктора-машиностроителя, а так же в специальной ли­тературе по расчету и конструированию станков, машин и специального оборудования, в руководящих и других материалах. В любом проектном отделе имеются инженерные методики расчета различных механизмов, например, ременных, винтовых, зубчатых передач и т. д.

Основным недостатком расчетного проектирования являются большая трудоемкость, малая производительность, при этом получают лишь допустимые конструктивные параметры, причем нередко они могут быть в виде области значений предпочтительных параметров. Поэтому выбор конкретных значений определяется опытом и интуицией проектировщика. Методики расчетного проектирования имеют ограниченную область применения, так как их создают для типо­вых конструкций, но широко используют при модернизации станков. Если конструктивная схема оборудования меняется или не отвечает определенным ограничениям, то необходима другая расчетная методика.

Если возникает необходимость выбора конструктивного решения из нескольких вариантов, то применяют оптимальное проектирование. Особенностью этого вида проектирования является формирование особых критериев, используемых для оценки качества проектных решений. Обычно для станков основными критериями качества являются надежность, производительность и экономичность конструкции. В большинстве случаев значения критериев не дают предпочтения одному из предлагаемых вариантов, поэтому отбирается два или более конкурирующих варианта, у которых значения базовых критериев являются наиболее высокими. Иногда окончательный выбор конструктивного решения возможен только после эксперимен­тального исследования опытного образца станка или модернизируемой машины.

Неопределенности, возникающие при выборе конструк­ции из конкурирующих вариантов, а также значительные затруднения, возникающие при формировании критериев, не позволяют точно оценивать качество конструктивных вариантов. На вычисления значений критериев тратятся большие затраты времени, поэтому иногда для поиска конкуриру­ющих вариантов используют относительную систему оценок. Окончательный вариант выбирают по одному или двум наиболее важным критериям. Если удается получить критерии в аналитическом виде как функции конструк­тивных параметров, то выбор этих параметров может осуще­ствляться путем нахождения их значений, обеспечивающих наи­лучшее качество конструкции. При оптимальном проектировании может осуществляться не только выбор наилучшей конструктивной схемы узла станка, но и выбор оптимальных параметров кон­струкции. Вследствие многокритериальности задачи выбора кон­структивного варианта и его параметров правильность при­нимаемого решения во многом определяется интуицией и опытом проектировщика, следовательно, нужны высококвалифицированные инженерные кадры.

При макетном проектировании изготовляют макет, который представляет собой физическую модель исследуемого узла или станка, воплощенную в металле. В то же время, например, станины станка выполняют из оргстекла или другого легкообрабатываемого мате­риала. Обычно модель реализует одну важнейшую характеристику станка или несколько или весомые процессы, происходящие в станке, узлах. Макет может быть объемной моделью станка, наглядно воспроизводящей в масштабе компоновку станка, например, тепловой моделью станины станка. Макетирование исполь­зуют и при оценке конструктивных вариантов деталей несущей системы станка. По результатам испытаний макета, который подобен реальной конструкции, делают заклю­чение о целесообразности того или иного конструктивного реше­ния. Широко применяют макетирование при отработке компоновочных решений металлорежущих станков с точки зре­ния технической возможности, эстетики и эргономики. Эффективно макетное проектирование при поиске конструк­тивных решений систем управления оборудованием. Оно позво­ляет подобрать основные элементы системы и отладить их взаимо­действие. Достоверность рекомендаций, полученных при ма­кетировании, зависит от правильности расчета значений коэффициентов подобия, с помощью которых результаты исследо­вания макета переносятся на реальную конструкцию. Ограничен­ные возможности макетирования в основном проявляются при имитации процесса обработки на станке, а также при варь­ировании конструктивных параметров макета. Макетирование требует немало средств и времени, но решает много важных задач по апробированию идеи на практике.

Используемое экспериментальное проектирование заключается в отработке конструкции на стенде, имитирующем конструкцию основных узлов станка и условия его работы. Уменьшение стоимости экс­периментального стенда достигается за счет изготовления лишь тех узлов, работоспособность которых вызывает сомнение. Изме­няя конструктивные элементы стенда, добиваются запаса работоспособности узлов, что может гарантировать требуемые характеристики проектируемого станка.

Корректировка конструкторской документации на последних этапах проектирования производится по результатам экспери­ментального исследования опытного образца. Окончательное за­ключение о качестве проекта и необходимых конструктивных изменениях может дать только производственный эксперимент, т. е. наблюдение за работой станка в производственных условиях. Кроме затрат на изготовление объекта испытаний и проведение эксперимента учитывают затраты на обработку результатов эксперимента, которые являются основой для оценки работо­способности конструкции и определения направлений ее улучшения.

Достоинством этого вида проектирования является максималь­ная достоверность принимаемых конструкторских решений, что, в свою очередь, обеспечивает сокращение временных и материаль­ных затрат на доводку станка. Основные недостатки — более низкие, чем при макетировании, возможности экспериментальной установки в части варьирования конструктивных решений и зна­чительная стоимость. Экспериментальное проектирование необ­ходимо особенно при разработке станков, использующих новые технологические процессы обработки или новые конструктор­ские решения.

Отметим, что каждый вид указанного проектирования включает творче­ские (эвристические) и рутинные алгоритмические операции, хотя последние можно реализовать на ЭВМ.

Основным признаком, определяющим долю творческой де­ятельности в процессе проектирования, является неопределен­ность проекта. На начальных этапах проектирования, когда неопределенность проектных параметров наибольшая, объем эв­ристических операций максимален. По мере уточнения проектных решений увеличивается доля алгоритмических операций.

Творческая отдача конструктора проявляется в основном при выборе физического принципа действия отдельных узлов станка (концептуальное проектирование), при формирова­нии принципиальных и функциональных схем станка и его узлов (схемотехническое проектирование), а также при компоновке станка и станочных узлов (компоновочное проектирование). Для достижения заданных характеристик в некоторых случаях кон­структорские решения выполняются на уровне изобретений.

Работы, связанные с теоретическими или экспериментальными исследованиями конструкций (аналитическое и эмпирическое про­ектирование), в большом объеме содержат алгоритмизируемые процедуры вычислительного характера.

Обычно основой формирования проектных гипотез оборудования служит базовая модель, т. е. действующий образец конструкции станка или его отдельного узла. Разработку нового конструктивного образца, который отвечает требованиям технического задания, выполняют с учетом результатов эксплуатации и испытаний базо­вой модели. Степень переработки узлов определяется отличием требуемых технических характеристик нового станка от харак­теристик действующего образца, изменением условий эксплуата­ции, введением новых конструкторских и технологических реше­ний, требуемого уровня автоматизации. Переработке подвергаются те узлы или детали, которые ограничивают повышение качества проектируемого станка.

Показатели эффективности процесса изготовления станка будут определяться: технологичностью от­дельных деталей и технологичностью процесса сборки узлов, максимальной стандартизацией деталей и узлов, подбором мате­риала деталей, их термообработкой и назначенными посадками в местах сопряжения деталей и другими факторами, относящимися к процессу изготовления и эксплуатации станка.