1. Основы проектирования оборудования

1.1. Процедура проектирования станка

Любому изделию присуще понятие жизненный цикл. Его называют жизненные цикл продукции (ЖЦП). Он определяется как совокупность последовательных этапов: от идеи зарождения, её обоснования до производства и утилизации. Важное место в ЖЦП занимает процесс проектирования, в котором реализуются принятые обществом принципы, научно-технические достижения страны, международные, государственные и отраслевые стандарты, принятые концепции. В нашей предметной области это - машиностроение, станкостроение, направленные на создание работоспособных, эффективных станочных систем.

В зависимости от научных, организационных и технологических требований производственных процессов, направленных на выпуск оборудования (станков, металлорежущих систем, автоматизированных комплексов), существуют различные направления разработки сопровождающей процесс проектирования информации. Обычно под этим понимают конструк­торскую документацию, необходимую для изготовления этих машин и оборудования.

Основой для выбора и назначения конкретных технических характе­ристик проектируемого оборудования являются потребности, опыт, традиции, результаты научно-исследовательских работ, технические и технологические изыскания, включающие экспериментальные исследования работоспособности узлов, а также процесса обработки (формообразования) детали, патентный поиск и анализ имеющихся лучших зарубежных и отечественных образцов и многое другое. Однако важнейшее значение при любом проектном подходе имеет персона конструктора объекта, его роль, особенно на современном этапе развития техники, возросла, поэтому требуются высокопрофессиональные проектировщики, обладающие навыками, новыми знаниями, а также новые методологии.

Согласно процедурам, заложенным в государственные стандарты, есть традиционные стадии разработки конструкторской документации. Они включают следующее: техническое задание (ТЗ), техническое пред­ложение (ТПр), эскизный проект (ЭП), технический проект и разработку рабочей документации (РД) и другое, см. рис.1. На конечном этапе, в большинстве случаев, для коррекции и адаптации рабочей документации к производству требуется изготовление и испытание опытного образца или установочной серии изделия. Все это традиции и необходимость, чтобы эффективно проектировать любые машины.

Изначально в любом техническом задании формулируются основные харак­теристики проектируемого объекта (станка). Указываются способы, обеспечивающие получение на нем изделий (деталей) заданного качества и точности. Прописываются условия изготовления и эксплуатации оборудования, область его применения и другие важные сведения, определяющие и формирующие информационную базу и данные, необходимые для проектирования объекта.

Охарактеризуем некоторые основные этапы стадий проектирования. Так, основным содержанием этапа работ, выполняемых в рамках техни­ческого предложения, является выбор принципиальной схемы (метода) обработки и технико-экономи­ческий анализ рациональных компоновочных вариантов проектируемого станка. Кроме исходных данных для анализа компоновок станка формируются требования к функциони­рованию базовых и основных узлов оборудования, уточняется схема обработки.

Компоновочные, схемные и конструктивные принципиальные решения проектируемого станка и его узлов являются основой для принятых решений на этапе эскизного проекта. Расчеты подсистем станка и его узлов направлены на достижения показателей качества изделия, которые определяют, исходя из требований стандартов ИСО к проектируемому объекту (станку) или к производству в целом.

На этапе технического проектирования полу­чают окончательные компоновочные, конструктивные и схемные решения и проводят их детальную проработку. При этом разрабатывают сборочные чертежи всех узлов и спецификации к ним. Используя различные оптимизационные модели, уточняют правильность компоновки и рациональные направления сборки. В итоге формируют окончательные значения тех­нических характеристик станка.

Этап рабочего проектирования завершает процесс подготовки конструкторской документации в форме описательной и графической частей, где максимально учтены требования ЕСКД, стандартизации, унификации и нормализации и требования технологичности конструкции. В итоге создают чертежи, которые включают общие виды узлов, их деталировку и функциональные схемы. Разрабатывают и прописывают кинематические, гидравлические, пневма­тические и электрические схемы. В описательной части приводят описание работы основных узлов и систем станка, а также инструкции по эксплуатации, наладке, транс­портированию и установке, что составляет основу паспорта станка. После отработки рабочей документации производственники разрабатывают рациональную технологию из­готовления запускаемого в серию станка.

Изучая этапы проектирования, остановимся на особенностях основных видов проектирования. В последующих главах нами будут исследованы вопросы систематизирования информация, необходимой для проектирования, представлены методики и приемы, которые необходимо знать инженеру-конструктору при проектировании станочных систем. Рассмотрим задачи конструкторского проектирования с учетом методов моделирования и конкретных ситуаций.

Итак, основной задачей конструкторского проектирования является реализация принципиальных схем, полученных на этапе функционального проектирования станка и моделирования процессов обработки, которые предстоит реализовать в конструкции станка. При этом производится конструирование отдельных деталей, компоновка станочных узлов из конструктивных элементов, после чего оформляется техническая документация на объект проектирования.

Одна группа задач конструкторского проектирования определяет чисто геометрические параметры конструкции (например, параметры формы), а другая группа предназначена для синтезирования компоновки (топологии) конструкции с учетом ее функциональных характеристик. Решение этих групп задач составляет сущность геометрического и компоновочного (топологического) проектирования станков и их узлов. Кроме того, к задачам конструкторского проектирования необходимо отнести проверку (анализ) качества полученных конструкторских решений. На рис.2 представлены взаимосвязи задач компоновочного и геометрического проектирования. Видим, что геометрическое проектирование включает следующие задачи: геометрическое моделирование, геометрический синтез и оформление конструкторской и технологической документации. Геометрическое моделирование предназначено для решения позиционных и метрических задач на основе преобразования геометрических моделей. Элементарными геометрическими объектами, используемыми при проектировании и описываемыми математическими моделями, являются элементы узлов станка, состоящие из точки, прямой, а в итоге - окружности, плоскости, кривой второго порядка, цилиндра, пространственной кривой и т. д.

Типовые позиционные задачи таковы: определение принадлежности точки плоской области, ограниченной замкнутыми контурами; определение координат точки пересечения прямой с криволинейным контуром или поверхностью; установление пересечения контуров и вычисление координат точек их пересечения; определение взаимного расположения плоских или пространственных областей.

К позиционным сводятся следующие конструкторские задачи: определение факта касания или столкновения движущихся деталей, наложение деталей, проверка гарантированных зазоров между деталями, оценка погрешности обработки контуров и поверхностей деталей на станках.

Рис. 1. Системы автоматизации этапов создания станка

К метрическим задачам относятся вычисления площади, длины, центра тяжести конструкции, моментов инерции.

Геометрический синтез при геометрическом проектировании деталей и узлов включает решение задач формирования (компоновки) сложных геометрических объектов из элементарных геометрических объектов заданной структуры. Это необходимо, например, при оформлении чертежей деталей. Критерием геометрического синтеза сложных объектов является точность воспроизведения геометрических объектов. Вторая группа задач геометрического синтеза обеспечивает получение рациональной формы деталей, узлов или агрегатов, которая в конечном итоге характеризует качество функционирования объектов конструирования.

Рис. 2. Задачи конструкторского проектирования

Подобные задачи возникают на ранних стадиях проектирования, например при определении конфигурации несущих систем оборудования и направляющих станков, формы рабочих элементов гидро- и пневмоприводов. Для несущей системы станка основными выходными параметрами являются жесткость конструкции, виброустойчивость узлов и системы, управляемые тепловые деформации.

В задачи оформления конструкторской документации входит изготовление текстовых и графических документов. Текстовая документация кроме описательной части содержит: характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов; технические условия на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию; спецификации и т. д. Графические документы — это сборочные и деталировочные чертежи, графики структурных сеток кинематических цепей, циклограммы, зависимости для выбора параметров режимов работы агрегатов и устройств, структурные, функциональные и принципиальные схемы (электрические, пневматические, гидравлические и т. д.).

Основными задачами компоновочного проектирования являются задачи компоновочного (топологического) синтеза, которые можно разделить на задачи структурного и геометрического синтеза. Компоновка конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня в большинстве случаев является наиболее трудоемкой частью конструкторского проектирования, и иногда под компоновкой понимают собственно процесс конструирования. Процедура компоновки узлов станков обычно состоит из двух частей: эскизной и рабочей. В эскизной компоновке по функциональной схеме разрабатывают общую конструкцию узла. На основании эскизной компоновки составляют рабочую компоновку с более детальной проработкой конструкции узла. Все это является базой для технологической документации последующих этапов жизненного цикла изделия.

Среди задач структурного синтеза при компоновочном проектировании станков и станочных узлов можно выделить два характерных класса: задачи покрытия и задачи разбиения. Задачи покрытия возникают, например, при переходе от функциональной или принципиальной схемы узла к набору стандартных деталей, блоков или модулей. Так, агрегатные станки и автоматические линии компонуются из унифицированных узлов (силовые головки, силовые столы, шпиндельные бабки, корпусные детали). При разработке гидропривода станка сначала составляется его гидравлическая схема, а затем подбираются стандартные элементы (насосы, гидрораспределители, клапаны и т. д.). Компоновка зубчатого редуктора осуществляется по его кинематической схеме. Основными типовыми конструктивными элементами в этом случае являются детали машин и их соединения (резьбовые, шпоночные, шлицевые, соединения с подшипниками), зубчатые передачи, уплотнения.

В результате решения задачи разбиения осуществляется разделение на конструктивно обособленные части (узлы) схемы соединений конструктивных элементов на некотором иерархическом уровне. В качестве примера можно привести задачу разбиения гидравлической схемы станочного гидропривода модульного исполнения на отдельные модули. Задача разбиения возникает при выборе конструкции унифицированных станочных узлов.

Геометрический синтез при компоновочном проектировании конструкции включает задачи размещения и трассировки. Типичной задачей размещения является определение планировки станочного участка, автоматической линии, цеха. Выбор места установки на станке электродвигателя привода главного движения из условия минимальных тепловых деформаций также можно свести к решению задачи размещения. Большое число задач связано с размещением гидроаппаратуры на насосных установках или аппаратуры в электрошкафах. При выбранной схеме узла и известном наборе элементов на следующем этапе осуществляется размещение элементов.

Задачи трассировки тесно связаны с задачами размещения конструктивных модулей и заключаются в определении геометрии соединений, например, из условия минимизации длины соединений (трубопроводов кинематических цепей или монтажных проводов). К задачам трассировки относится определение оптимальных транспортных потоков в технологических системах, расчет рационального маршрута обслуживания оборудования.

Решение конструкторских задач опирается на использование структурных математических моделей. Таким образом, большинство задач конструирования по своей сути является задачами структурного синтеза. Для анализа качества конструирования также могут применяться структурные модели, однако они не отражают процессы функционирования изделий. Поэтому для полной оценки результатов конструирования применяют модели и методы, характерные для функционального проектирования. Кроме того, большое число параметров функциональных моделей может быть рассчитано только после выполнения конструкторского проектирования. В этом проявляется тесная взаимосвязь подсистем функционального и конструкторского проектирования. Основные методы и примеры анализа по функциональным моделям изложены в последующих материалах.

Иная идея заложена в автоматизированном проектировании оборудования с использованием компьютерных технологий. Здесь основой информации об объектах являются определенные совокупности в форме системного представления процессов, явлений, конструкций, причем они выражены в особой форме, и, как правило, представлены посредством электронных носителей со всеми требуемыми атрибутами. Однако и в этом случае основой для проектирования всех подсистем станка (оборудования) является учет физических процессов, лежащих в основе используемых методов обработки, технологический процесс изготовления, сборки и эксплуатации изделия.

В прописанной стандартами последовательности этапов, как считает автор работы /8/, характерным признаком про­цесса проектирования является его неопределенность. Рассмотрим эти соображения.

Известно, что все этапы проек­тирования последовательно уменьшают неопределенность проектной задачи. При этом основными принципами, обеспечивающими решение проектной задачи, яв­ляются последовательность и итерационность. Последователь­ность заключается в строгой очередности выполнения этапов проектирования станка, а итерационность - в корректировке предыдущих этапов проектиро­вания, исходя из результатов, полученных на последующих этапах. На рис. 1 итерационность процесса проектирова­ния обозначена обратными связями - стрелками, которые направлены от последующих этапов создания станка к предыдущим.

В современных условиях проектирования для автоматизации этапов процесса разработки станка с использованием ЭВМ при построении применяют разные системы и схемы, включая следующие.

Первое, это собственно система автоматизированного проектирования, известная как САПР. Объектами систем автомати­зированного проектирования - САПР являются этапы технического предложения, эскизного, технического и рабочего проектирования.

Второе. Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), которые содержат в себе системы обеспечения поисковых работ (в виде банка данных), а также системы обеспечения научного экспери­мента и другие подсистемы, охватывающие этап формирования технического за­дания. На последующих этапах могут быть исполь­зованы автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП).

Автоматизированные системы управле­ния технологическими процессами (АСУТП) обычно разраба­тывают на базе оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), которые предназначены для повышения эффективности реализации производственных программ. Основу их могут составлять различные автоматизированные системы и в первую очередь - гибкие производственные системы (ГПС) или гибкие автоматизированные производственные системы (ГАП).

Есть также интегрированные системы, включая САПР, и предназначенные для автоматизации про­цесса проектирования станочного оборудования (его отдельных узлов), которые объединяют в качестве подсистемы САПР, АСТПП и АСУТП. Примеров таких систем много, например, проектирование и производство шпиндельных коро­бок агрегатных станков, вырубных штампов и другие.

Важное место среди автоматизированных систем занимают автоматизированные системы контроля и измерения (АСКИО).

Высшим уровнем автоматизации процесса создания станка являются комплексно-автоматизированные системы типа: АСНИ - САПР - АСТПП - АСУТП и другие разновидности. Отметим, что в любом случае формирование техниче­ского и математического обеспечения систем автоматизации про­цесса проектирования, в целом или для отдельных его этапов, требует анализа вида проектных работ и их совершенствования.

Следуя любым путем, все равно мы приходим к вопросу оценки качества проектирования. Во всем мире сейчас принята точка зрения о переносе центра внимания с качества продукции на качество труда. Это нашло свое отражение в стандартах ИСО—9000:2000.

В создании любой продукции (услуги) участвуют два вида труда: прямой, т.е. живой труд и прошлый труд, овеществленный в зданиях, станках, сырье и материалах, т.е. капитал. Труд и капитал влияют на качество продукции. Однако при нали­чии хорошего оборудования, сырья, технологических процессов не всегда возможно обеспечить высокое качество, так как работники не имеют нужной квалификации. Возможна и обратная ситуация, квалификация высока, а оборудование и сырье плохие.

На каждом этапе проектирования показатели качества системы (назначения, надежности, технологичности, унификации, патентно-правовые, эргономичес­кие, эстетические, транспортабельности, безопасности) рассчиты­ваются и уточняются, они требуют комп­лексного решения. При этом, создавая и осваивая новую продукцию, необходимо повышать квалификацию сотруд­ников, вводить показатели качества труда. Обычно это: трудовой потенциал работника; интенсивность его труда; уровень орга­низации труда и эффективность (результативность). Видим, что независимо от индивидуальных социально-демографических показателей создателя станка, квалифика­ционные показатели (уровень образования, стаж работы, степень, звание), а также соотношение инди­видуальных и коллективных форм, являются главными, однако во всех процедурах создания оборудования велика роль дифференциации и интеграции знаний в решении поставленных задач.