Современные средства и методы проектирования машиностроительных изд

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

С.Г. Ярушин

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2016

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее издание учебного пособия рассчитано на бакалавров, продолжающих обучение по направлению подготовки магистров 151900 конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств. Излагаемые материалы во многом основываются на материалах учебника «Проектирование нестандартного оборудования» [42], который студенты кафедры ТКА (ИТМ) изучали на предыдущем этапе.

Для бакалавров, поступивших в магистратуру с других технических кафедр или вузов, на предыдущем этапе обучения должны были преподаваться дисциплины, по проектированию близкие по структуре, содержанию и объему учебника [42], например, «Методология проектирования», «Проектирование технических систем», в которых под тем или иным углом рассматривалась методология проектирования сложных техниче-

ских систем [3, 4, 7, 13–15, 17, 19, 23, 30–33, 35–37, 39, 40].

Поэтому в данном учебном пособии многие общие вопросы проектирования изложены достаточно кратко, с отсылкой на материалы из тех или иных учебников, выпущенных ранее (например, учебник [42] издан 10 лет назад), так как суть методологии проектирования кардинально не изменилась.

Ключевое изменение в методах и средствах проектирования коснулось перераспределения соотношения между долей формализованных и не формализуемых (эвристических) частей процесса проектирования в сторону последних, повышения доли объема автоматизации процесса проектирования, переход с 2D-проектирования на 3D-проектирование, использования новых видов моделей, например, имитационных.

Настоящее учебное пособие предназначено для подготовки магистров на завершающем этапе. Оно, опосредованно обобщая специальные дисциплины по отдельным аспектам этой подготовки, формирует общую систему знаний по созда-

5

нию новых машиностроительных изделий, включая технологическое оборудование.

Результаты обучения предполагают выработку практических навыков выполнения самостоятельных практических заданий, умение применения излагаемого материала в выпускных работах.

6

1.КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НОВОВВЕДЕНИЙ

ВПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Потребности сокращения сроков разработки и одновременного повышения качества проектирования ощущались давно, о чем свидетельствуют учебные и методические работы, статьи и монографии, изданные еще в 60–70-х годах XX века,

например, в США [13, 14, 36], Германии [15, 21, 35, 44], в

СССР [4, 25–32]. Причем в указанный список, включены только некоторые источники, перечисленные в пособии. На самом деле перечень полезной литературы – учебной, технической и научной – по методологии проектирования во много раз больше указанного. Однако заложенный в этих работах высокий методический потенциал почти не был на практике востребован ввиду неразвитости на тот период компьютерных технологий, отсутствия систематизированных баз информационных данных и по ряду других причин.

Ситуация в проектировании кардинально изменилась в последние 20–25 лет. Этому способствовало несколько факторов. С одной стороны, существенно возросла конкуренция между производителями машиностроительной продукции, так как появилось на рынке много новых игроков (например, Китай, Корея, Индия и ряд других). Это явно видно на примерах станкостроения, автомобилестроения, авиации и других отраслей, где идет борьба за рынки сбыта: тенденции современного рынка заставляют производителей искать пути уменьшения сроков разработки и освоения изделий с новыми функциональными свойствами при сохранении или даже ужесточении требований к их уровню качества.

С другой стороны, на этот же период приходится революционное развитие информационных технологий (ИТ) по переработке потока информаций – инструментальное и программное, когда стали появляться мощные аппаратные средства (ЭВМ, компьютеры, кластеры, периферийные устройства, сете-

7

вое коммутационное оборудование, линии связи), математиче-

ское и информационное обеспечение, состоящее из базы данных и программных средств в проектировании. Уже в 1995 году в «Российской газете» опубликована статья, в которой сообщалось, что в ИТ произошло три качественных события:

1)феномен персональных вычислений, основанный на постоянной доступности работнику возможностей использования персональных компьютеров, так как исчезла необходимость в работниках-исполнителях (машинистках, чертежниках, делопроизводителях и др.), являющихся посредниками между постановкой задачи и ее решением;

2)феномен кооперативных технологий, состоящий в компьютерной поддержке совместной согласованной работы группы работников над одним проектом. Этот феномен возник на основе суммы методов, обеспечивающих управление доступом членов группы к разным частям проекта, управление версиями

иредакциями проектной документации и согласованным выполнением работ в последовательной процедуре работ, управление параллельным конструированием и др.;

3)феномен компьютерных коммуникаций, состоящий в резком увеличении возможностей обмена любой информацией. Он возник, в частности, на основе стандартизованных протоколов обмена данными прикладного уровня в локальных и глобальных сетях. Это позволило исключить необходимость передачи бумажных документов для получения согласия или содержательных замечаний, ненужные переезды для проведения совещаний, обеспечить постоянную готовность работника получить и отослать сообщение или информативные записи данных вне зависимости от места его географического расположения и др.

Параллельно с этим и частично благодаря новым возможностям ИТ произошло (и продолжает происходить сейчас) более глубокое проникновение в природу разнообразных физических процессов, используемых в функционировании разрабатываемых изделий; в создании конструкционных материалов с

8

новыми, ранее недоступными физическими, эксплуатационными и технологическими свойствами; в появлении нового оборудования и технологии по производству (например, аддитивных технологий) и т.п.

Таким образом, движущей «инструментальной» силой в развитии инновационных технологий проектирования послужили современные информационные технологии. При этом и сами информационные системы, предназначенные для проектирования, также параллельно постоянно развиваются, совершенствуются. И технологии и системы стремятся быть интегрированы между собой, чтобы создавать единое информационное пространство.

Одной из ключевых тенденций сегодняшнего времени в области проектирования благодаря развитию ИТ стал оконча-

тельный переход от двухмерного проектирования и черчения к трехмерному моделированию. В мире 2D результирующими данными проектирования являются чертежи, с которыми идет постоянная работа на протяжении всего жизненного цикла изделия. В 3D ключевым элементом является твердотельная модель. Чертежи являются лишь одним из видов представления модели. Модель непосредственно может быть обработана программой анализа. Например, можно быстро рассчитать ее массинерционные, прочностные и другие характеристики. По компьютерной модели гораздо проще представить себе изделие еще до того, как оно будет физически изготовлено.

Перечислим основные преимущества 3D-проектирования:

•повышается эффективность проектирования, посколь-

ку является более наглядным и интуитивным методом для представления современных все более сложных объектов;

•повышается качество проектирования за счет снижения вероятности появления ошибок, особенно для сложных пространственных конструкций, благодаря более естественному способу визуализации проектируемого объекта;

•снижается общее время проектирования, поскольку оно позволяет непосредственно интегрироваться со многими приложениями, сокращая лишние операции по подготовке данных

9

(большинство прикладных программ САПР, таких как подготовка программ для оборудования с ЧПУ, прочностные расчеты, технологическое проектирование, требуют трехмерной информации о проектируемом объекте);

•повышается конкурентоспособность. Большая скорость

икачество по сравнению с обычным 2D-проектированием позволяют существенно быстрее доводить продукт до рынка, производить изменения под влиянием меняющихся рыночных запросов.

Еще одно из направлений использования инноваций в проектировании на основе 3D-проектирования – это использование быстрого прототипирования. Быстрое прототипирование – это технология быстрого создания опытных образцов или работающей модели технического объекта или системы для проверки возможности реализации. С ее помощью разработчик может быстро материализовать компьютерную модель любой сложности. В качестве примеров на рис. 1.1 показаны модель детали сложной пространственной формы и модель узла к ДВС, состоящей из десятков «собранных» воедино деталей.

Рис. 1.1. Примеры прототипов: а – модель детали сложной пространственной формы; б – «собранного» узла ДВС

Результат прототипирования позволяет сразу же оценить необходимость доработки или изменения тех или иных элементов модели. Однако у этого метода создания опытных образцов пока есть и некоторые ограничения. Сегодня установки по про-

10