книги / Надежность и диагностика технологических систем
..pdf7.1. Специфика создания технологических машин в условиях рынка |
261 |
Рис. 7.1. Создание машин в условиях рынка'
окончательного варианта компоновки машины и типа СУ; опре деление габаритов; подготовку конструкторской документации.
Этап «Эскизный проект» включает предварительную конст рукторскую проработку основных узлов, является дальнейшим развитием и реализацией технического предложения (на базе
262 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
анализа конструкторских решений, результатов расчетов, опти мизации важнейших параметров машины). В конструкциях сле дует максимально использовать стандартные и унифицированные узлы и детали, что значительно удешевляет проектируемую технику. Конструкторские решения должны быть обоснованы результатами расчетов, рассмотрены с позиций обеспечения ка чества и надежности функционирования проектируемой маши ны, технологичности изготовления и удобства эксплуатации.
Этап «Технический проект* включает: окончательную кон структорскую проработку чертежей, схем станков и их общих видов; расчет и оптимизацию параметров; оценку надежности и эффективности; подготовку комплекта технической докумен тации.
Этап «Рабочая документациям включает разработку рабочих чертежей и технологической документации; корректировку тех нического проекта; подготовку паспорта станка и инструкции по эксплуатации.
После подготовки рабочей документации осуществляется тех нологическая подготовка производства, создается «Опытный образец (партия)* и проводятся испытания.
Этап «Установочная серия* включает доработку конструкции и технологии изготовления по результатам испытаний опытного образца.
Этап «Промышленная серия* является завершающим, на кото ром проводятся эксплуатационные испытания, окончательная кор ректировка конструкторской и технологической документации.
Логика проектирования заключается в строгой последователь ности операций и во взаимосвязях между этими операциями. Конструктор целенаправленно, многократно выполняет типовые проектные процедуры синтеза, анализа, принятия решений.
Проектирование включает эвристические и алгоритмические операции. Основным обстоятельством, определяющим долю твор ческой деятельности, является неопределенность проектных па раметров, которая максимальна на начальных стадиях проекти рования. Основополагающими принципами, обеспечивающими решение задач проектирования, являются последовательность и итерационность. Последовательность заключается в строгой очередности выполнения этапов проектирования, а итерацион ность — в корректировках проектных решений, полученных на предыдущих этапах (шагах) проектирования.
7.1. Специфика создания технологических машин в условиях рынка |
263 |
Модульный принцип проектирования состоит в максималь но возможном использовании однотипных узлов и блоков при проектировании ТО. Принцип унификации связан с примене нием унифицированных сборочных единиц (узлов, подузлов, агрегатов), деталей и комплектующих.
Принцип соответствия отражает диалектическое единство, адекватность и взаимосвязь целевого назначения объекта с ко личеством и значениями выходных параметров, используемых при проектировании. Чем ответственнее проектируемый объект, тем большее число выходных характеристик и параметров объек та регламентируется и тем более жесткие требования к ним предъ являются. Например, вероятность безотказной работы станков принимается в пределах 0,95...0,99, а самолетов — 0,99999, т.е. около единицы.
Другой пример: число установленных и проверяемых выход ных параметров точности станка при высоких требованиях к точ ности обрабатываемых деталей может достигать 20...30, в то время как для станков нормальной точности достаточно регламенти ровать всего 8... 10 показателей. Основная цель регламентации выходных параметров станка — обеспечить погрешность обра ботки, которая находилась бы в установленных пределах в тече ние всего периода эксплуатации.
Принцип компромиссов состоит в снижении влияния возни кающих технических противоречий при создании новых машин. Проектирование — это непрерывная цепь компромиссов, которые приходится принимать на всех стадиях создания машины. На пример, увеличение надежности машины сопровождается ее ус ложнением и удорожанием. При этом далеко не всегда ясно, что экономически целесообразнее: удорожать станок изначально (на стадии проектирования и изготовления) или же совершенст вовать систему обслуживания и ремонта при эксплуатации (см. рис. 1.21).
Улучшение любой технической характеристики станка (точ ности, надежности, производительности) неизбежно вызывает увеличение его стоимости, трудоемкости изготовления. Техни ческие противоречия требуют поиска разумных компромиссов.
Принцип преемственности является одним из эффективных путей снижения затрат и сокращения сроков создания оборудо вания. Станки и средства технологического оснащения, входящие в ГПС, являются продуктом эволюционного развития и содержат
264 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
детали, узлы и механизмы, разработанные ранее и проверенные на практике.
Прогнозирование характеристик станков на стадии проекти рования вызвано необходимостью обеспечения их надежности в процессе эксплуатации. Прогнозирование позволяет оценить сопротивляемость станка эксплуатационным нагрузкам; целе направленно выбрать оптимальные параметры станков; обеспе чить регламентированные показатели качества и надежности.
Математическое моделирование является основой основ про ектирования механизмов и машин. Моделирование в процессе проектирования с внедрением САПР получило принципиально новые возможности — за существенно меньшее время стало воз можным сравнить и оценить значительно большее число вари антов конструкции.
При проектировании оборудования ГПС необходимо обеспе чить требуемые выходные характеристики, для чего применяют различные методы оптимального проектирования, позволяющие находить наилучшие решения. При проектировании станков с за данными выходными характеристиками необходима математи ческая формулировка задачи оптимального проектирования
ивыполнение следующей последовательности действий:
•определение основной системы переменных и выделение до минирующих расчетных параметров;
•задание в виде неравенств ограничений, налагаемых на па раметры;
•разработка ММ, описывающей поведение объекта проекти рования;
•установка критериев качества, позволяющих определить об ласть допустимых решений;
•выбор метода оптимизации, дающего возможность эффек тивно исследовать область допустимых решений для отыскания наилучших.
А л го р и тм и ти п о в ы е п р о ц е д ур ы п р о ц е с с а 7 . 2 . а в то м а ти зи р о в а н н о го п р о е к ти р о в а н и я
Процесс проектирования — это последовательное выполнение трех основных взаимосвязанных этапов (процедур) — синтеза, анализа, принятия решений (рис. 7.2). В ТЗ на проектирование
7.2. Алгоритм и типовые процедуры процесса проектирования |
265 |
||
Требования |
Выбор варианта |
Расчет численных |
|
значений параметров, |
|||
и параметры |
структуры |
заложенных в ТЗ |
|
Рис. 7.2. Схема и типовые процедуры процесса автоматизированного проектирования:
1 — изменение параметров; 2 — изменение структуры; 3 — изменение ТЗ
заложены исходные данные (параметры) и все необходимые тре бования, которые должны быть реализованы в разрабатываемой конструкции. На основе анализа данных ТЗ делается синтез ва рианта структуры. Синтез — это процесс генерирования (созда ния) вариантов структуры и выбор одного, удовлетворяющего целевой функции. При синтезе определяют состав элементов, спо соб их расположения и связи между собой в данной структуре.
Понятие «синтез» близко по содержанию понятию «проекти рование». Разница в том, что проектирование означает весь про цесс разработки, а синтез характеризует создание только одного варианта структуры (не обязательно окончательного).
Для каждого варианта структуры разрабатывают модель, ко торая должна быть адекватна в отношении его основных свойств. Модель позволяет рассчитать численные значения параметров, заложенных в ТЗ, на основании чего выполняется следующая типовая процедура — анализ. *
Анализ — это изучение свойств объекта на основании рассчи танных на модели параметров. При анализе не создаются новые конструкции, а лишь исследуются (оцениваются) заданные. Про веряется выполнение требуемых условий, например условий
7.3. Поиск оптимальных структур и параметров объекта |
267 |
Автоматический (пакетный) режим предусматривает автома тическое решение задачи по составленной программе без актив ного вмешательства проектировщика в ход решения. Проектиров щик только вводит программу в ЭВМ (с перфокарт, перфоленты или с терминала — клавиатуры дисплея). Этот режим применяют в тех случаях, когда удается заранее предусмотреть все возмож ные ситуации и формализовать задачу выбора решений. Область применения автоматического (пакетного) режима ограничена кругом только локальных, частных задач.
При автоматизированном проектировании используют САПР, которая содержит три основные взаимосвязанные части: технические средства, общее и специальное программное и ма тематическое обеспечение, человека-проектировщика. САПР работает в двух режимах: пакетном и диалоговом.
Наиболее эффективным и широко распространенным видом автоматизированного проектирования является режим диало га проектировщика с ЭВМ. Режим диалога применяют в случа ях, когда задача трудноформализуема. Фо р м а л и з а ц и я — это описание (представление) объекта, процесса или явления с помощью математических выражений (моделей). Автоматизи рованное проектирование предусматривает систематическое, целенаправленное использование средств вычислительной тех ники при научно обоснованном распределении функций между человеком и ЭВМ. При автоматизированном проектировании в режиме диалога человек имеет возможность активно вмеши ваться в вычислительный процесс, управлять им и вносить кор рективы.
При поиске оптимальных вариантов конструкции проекти ровщику необходимо просмотреть большое количество проект ных решений (выбрать и проанализировать все возможные варианты структур, разработать модели, рассчитать параметры моделей, оценить каждый вариант с позиций установленных критериев). Оценка качества вариантов делается по количест венным показателям, т.е. по рассчитанным численным значе ниям исследуемых параметров. При проектировании в режиме диалога последовательно выполняются три проектные процеду ры (акта или этапа): синтез, анализ, принятие решений (рис. 7.3). На основе изучения требований ТЗ (блок 2) на разра ботку конструкции синтезируется первый вариант структуры
.268 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
Рис. 7.3. Блок-схема автоматизированного проектирования в режиме диалога
7.3. Поиск оптимальных структур и параметров объекта |
269 |
(блок 3, /с = 1). Для выбранного варианта структуры разрабаты вается модель (блок 4) и делается расчет при у-м (начальном) значении параметра П* (блок 5). Модели могут быть двух видов: стохастические (вероятностные); детерминированные (не слу чайные). Более точные детерминированные модели.
Анализ результатов расчета (блок 6) может дать два возмож ных варианта (блок 7 — «Условный оператор»). Если «Резуль тат удовлетворяет» («ДА» на схеме), то далее следует операция ♦Документирование» (блок 8). Если «Результат не удовлетворя ет» («НЕТ» на схеме), то следует процедура «Принятие реше ний» (блок 9).
Здесь может быть несколько вариантов принятия решений. Первое (самое простое) решение — это «Модификация (измене ние) параметра уп» (блок 10). После чего проверяется условие по «Ограничению расчетов числа структур уп < Nn» (блок 11 — услов ный оператор) и выполняется операция «Расчет при уп = уп + 1» (блок 12), т.е. цикл повторяется.
Если удовлетворительный результат не получен при установ ленном числе ограничений количества рассчитываемых значений параметров Nn, то принимается решение (блок 13) об «Изменении структуры» (блок 14). Устанавливается ограничение на число структур ic < Nc (блок 15), выбирается вариант № 2 структуры (блок 16). Затем весь цикл проектирования (расчетов) повторя ется аналогично описанному. Если удовлетворительный резуль тат не будет достигнут при полном переборе всего установленного числа структур Nc, то принимается решение (блок 17) об изме нении ТЗ (блок 18).
Пример. П оиск оптимальной структуры разрабатываемой конст рукции.
Требование ТЗ — «Спроектировать винтовой зажим, обеспечиваю щий требуемый крутящий момент Мтр*.
Из аналогов выбираем конструкцию зажима с барашком (рис. 7.4, а). Конструкция зажима — это структура. Разрабатываем математическую модель зажима. Математическая модель — это совокупность парамет ров, свойств и зависимостей между ними:
аfмодель
270 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
Mpac^Mrpj d<dRon (ограничения),
где d — диаметр винта; Q — сила; С - 1,4 — коэффициент для резьбы; а — напряжение растяжения для стали; М — момент.
Рис. 7.4. Варианты структур проектируемого винтового зажима:
а— с барашком; б — с одной рукояткой; в — с двумя рукоятками;
г— воротковый
Выполняем расчеты при начальной величине параметра d для струк туры варианта № 1 (рис. 7.4, а). Параметр d — это конструктивный пара метр, им можно варьировать в диапазоне от начального значения d0 до допустимого dR0C, установленного ограничениями ММ.
Допустим, расчеты при значении d0 не дали удовлетворительного результата, тогда принимают решение об изменении значения d0 и цикл расчета повторяют. Если удовлетворительный результат не получен при расчете с учетом всех возможных значений параметра d во всем допусти мом диапазоне do— dAon, то принимается решение об изменении струк туры, т.е. вида (схемы) конструкции. Всю конструкцию менять сразу нецелесообразно. Вначале можно изменить конструкцию элемента, с по мощью которого увеличится сила Q. Здесь можно последовательно рас смотреть и рассчитать три варианта:
•зажим с одной рукояткой (рис. 7.4, б);
•зажим с двумя рукоятками (рис. 7.4, в);
•зажим воротковый, т.е. с отверстием для рычага в головке (рис. 7.4, г).
Если положительный результат не пёлучен, то принимается решение об изменении ТЗ. У рассмотренных конструкций в зависимости от вида рукояток сила зажима Q возрастает в последовательности:
$4 > Фз > Qi > Qi*
Примеры структур объектов и процессов из различных облас тей техники:
1. В технологии машиностроения — это последовательность выполнения операций ТП.