Конспект лекций по КММ

142Глава 6. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

разработка технического задания в достаточно общем виде;

обзор и анализ научно-технической информации;

запись всех приходящих в голову идей.

При разработке концепции используют алгоритмические и эвристические методы.

К алгоритмическим методам проектирования относят разра-

ботку логических и математических алгоритмов, которые можно определить как последовательность указаний, касающихся процедур решения задач, например морфологический анализ. Алгоритмические методы наиболее успешно используются при разработке концепции и при оптимизации конструкций. Они облегчают применение ЭВМ при проектировании и конструировании и характеризуются следующими особенностями:

цели, переменные и критерии задаются заранее;

поиску решения предшествует проведение анализа;

оценка результатов дается в основном в словесной форме и построена на логике, а не на эксперименте;

заранее фиксируется стратегия.

При применении алгоритмических методов основным вопросом является возможность расчленения или декомпозиции задачи на отдельные части, которые можно решать последовательно или параллельно. При создании мехатронных машин, которые должны отвечать большому числу разнообразных требований, чаще всего расчленить общую задачу не удается и приходится использовать эвристические методы.

Воснове эвристических методов проектирования лежат опыт

испособности конструктора. В них определяющее значение имеют ассоциативные способности, интуитивное мышление и способы управления мышлением. Эти методы представляют собой упорядоченные в какой-то мере общие правила и рекомендации, помогающие решению творческих задач без предварительной оценки результатов. Талантливый конструктор обладает развитой интуицией.

Первой разновидностью интуиции является способность формирования оригинальных конструкторских решений на основе комбинации известных решений между собой с новыми идеями, придающими новые свойства изделию.

Вторая ассоциативная разновидность интуиции – умение распознать и усмотреть в окружающем мире нужную идею, эквивалентную задачу, принцип, провести связь между, на первый взгляд, несовместимыми вещами, перенести решение задачи из одной сферы в другую.

К третьей, наиболее важной, разновидности интуиции можно отнести способность создавать идеализированные, желаемые образцы, умение представлять себя в роли работающей детали, узла, машины, а также физически ощущать работу машины.

Известны более трех десятков эвристических методов: мозгового штурма; синектики; элементарных вопросов; аналогий; «от целого к частному»; «наводящие операции» и др.

Эвристические методы обладают рядом недостатков:

из-за имеющихся традиций и собственной косности затруднена генерация новых решений;

правильная мысль редко рождается в нужное время, так как она не может появиться принудительно.

Часто оба метода (алгоритмический и эвристический) дополняют друг друга и используются совместно.

Принятие решений при проектировании. Принять правиль-

ное решение – значит, выбрать такой вариант из числа возможных,

вкотором с учетом всего разнообразия факторов будет оптимизирована общая ценность разработки. Выделяют несколько задач при принятии решений [4]:

оптимального выбора, когда множество вариантов однозначно определено, а принцип выбора решения формализован (результаты не зависят от субъективных условий);

выбора, когда множество вариантов однозначно определено, но принцип выбора решения не может быть формализован. В этом случае выбор варианта зависит от того, кто принимает и на основе какой информации;

общая задача принятия решений, когда множество вариантов не имеет определенных границ (может дополняться и видоизменяться), а принцип выбора решений неформализован. В этом случае лица, принимающие решения, по-разному подходят к оценке вариантов. Общепринятым принципом, который обеспечивает принятие решения, является переход от сравнения альтернативных вариантов в целом к сравнению их отдельных свойств (показателей). Основная идея такого перехода состоит в том, что в отношении отдельного свойства (показателя) легче выявить, какой из вариантов предпочтительнее.

Сравнение по отдельным признакам может производиться на основе:

попарного (реже группового) сравнения альтернатив по данному признаку;

введения естественных числовых характеристик признаков (если признак обладает физическим смыслом, то сравнение

144 Глава 6. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

производят, например, по массе, размерам, скорости, уровню шума, точности и др.). Эти свойства называют критериями;

введения искусственных числовых характеристик данного признака, когда естественные числовые характеристики признаков отсутствуют. В этом случае эксперты вводят искусственные оценки (баллы).

6.4. Методы конструирования

Основная трудность творческого процесса конструирования – это восприятие всей проблемы сразу, а также преодоление сложностей поиска варианта в общем пространстве с неограниченным числом комбинаций отдельных решений.

Идеи рождаются одним человеком. Увидеть проблему целиком до мелочей не дано никому, но выделить главные моменты уже на ранней стадии хорошему конструктору, как правило, удается. Коллектив не может заменить творчества одаренного конструктора при решении конкретных задач.

Процесс рождения новых идей может быть различным. В одном случае они возникают из прямого теоретического или экспериментального исследования, в других – на основе использования решений, известных в смежных областях, в третьих – идеи появляются путем возрождения и обогащения на более высокой ступени развития техники известного ранее решения.

Рассмотрим несколько методов конструирования [4].

Морфологический метод (анализ) – один из алгоритмиче-

ских методов конструирования. Этот метод логической организации идей при проектировании, а также выбора и комбинирования различных этапов конструирования для достижения поставленной цели. Его трудно использовать при плохо определенных и нечетко сформулированных проблемах. В результате проведения морфологического анализа составляется морфологическая карта (ящик) решений, из которых по определенным критериям можно выбрать окончательный вариант.

При создании морфологической карты рассмотренные ранее методические приемы используют для решения конструкторских задач по определенным правилам. Это позволяет подходить к решению не чисто интуитивно или на основе опыта, а опираясь на некую систему приемов.

При составлении морфологической карты процесс конструирования разбивается на три фазы (этапа).

Формулирование задачи. На этой фазе устанавливаются основные требования и ограничения. Общая задача разбивается на частные, которые технический объект должен выполнить.

Функциональная реализация. На этой фазе рассматриваются действия, необходимые для решения частных задач.

Предметная реализация (фаза). Здесь осуществляется техническая реализация эффектов, используемых во второй фазе.

Конструирование с использованием аналогов. Наиболее распространенный и эффективный метод конструирования – метод, основанный на анализе и критической оценке известных решений – аналогов. Конструктор должен осмыслить в деталях и “пропустить через себя” процесс получения хороших конструкций (прототипов)

всвоей области. Изучение конструктивной эволюции позволяет набрать необходимую сумму фактов для формулирования закономерностей развития технического объекта этого класса, что облегчит поиск перспективных решений.

Как рационально совмещать новое со старым зависит от качества отработки известного решения, от уровня технологической подготовленности, профессиональных качеств конструктора.

Метод анализа ошибок. Разновидность более общего метода конструирования на основе аналогов является метод анализа ошибок. Одно из основных правил конструирования гласит: “найдите содержащиеся в аналогичной конструкции недостатки и попытайтесь уменьшить их”. При конструировании ошибки неизбежны. Они появляются из-за невнимательности, утомления, недостаточной квалификации проектировщика и т.д. В зависимости от стадии проектирования могут возникать ошибки: компоновки, кинематической схемы, выбора материала, расчетов, сборки, базирования, установки, эстетических характеристик и др.

Ошибки можно разделить на:

явные;

неявные.

Явные ошибки – это ошибки размеров, недостаточной прочности, жесткости и др. Они не очень опасны, так как их легко можно обнаружить, как правило, при изготовлении опытного образца.

Неявные ошибки – это ошибки, которые при изготовлении и эксплуатации технического объекта обнаружить очень сложно, но они могут сказываться на его работе в течение всего времени и могут ухудшать эксплуатационные показатели. Поэтому они более опасны.

146 Глава 6. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Например, в конструкции зубчатого колеса расстояние между шпоночным пазом и диаметром впадин зубьев должно быть не менее 1,8 модуля зуба m, т.е. H≥1,8m. На рис. 6.1 это расстояние меньше. Поэтому может произойти разрушение колеса в опасном сечении [4].

H

На рис. 6.2 показана конструкция крепления зубчатого колеса на валу при помощи штифта небольшого диаметра без внутренней резьбы в нем. Удалить его при необходимости очень сложно.

Функциональное конструирование. Функциональная целе-

сообразность технического объекта – способность обеспечить выполнение заданных функций при соблюдении требований к эксплуатационным параметрам и свойствам в условиях, когда его используют по прямому назначению. Обеспечение функциональной целесообразности охватывает все стороны создания объекта, включая оптимизацию затрат на проектирование и рационализацию условий эксплуатации. Функциональная целесообразность обеспечивается всеми известными методами конструирования и по существу

– это задача оптимального проектирования (поиск глобального оптимального решения). Часто при создании функционально целесообразной конструкции приходят к необходимости создания удобной и красивой конструкции, т.е. приданию изделию свойств эргономичности и эстетичности.

Красота есть строгая соразмерная гармония всех частей, объединенных тем, что ни убавить, ни изменить ничего нельзя, не сделав хуже. В технике наиболее целесообразные и функционально совершенные технические объекты являются и наиболее красивыми (это внутренняя (функциональная) красота). Она основана на

знаниях физической сущности работы объекта. Например, колесо, велосипед, которые мало изменяются с развитием техники.

Внешняя (декоративная) красота основана на законах психофизического воздействия некоторых образов на людей (внешнее оформление). Однако разделение между функциональной и декоративной красотой нечеткое и часто они тесно связаны.

Обеспечение функциональной целесообразности тесно связано со следующими сторонами процесса создания технического объекта:

с анализом вариантов конструкции;

с компромиссами;

с использованием внутренних резервов конструкции;

с “парадоксами” конструкции;

с обеспечением преемственности конструкции.

Анализ вариантов конструкции. Целями разработки вариантов конструкции является ее упрощение, выбор наиболее эффективной конструкции, уточнение наиболее важных характеристик и показателей (принцип действия, сокращение числа компонент, технологичность конструкции), а также уточнение плохо прогнозируемых сторон конструкции.

Разработка вариантов конструкции включает два уровня:

при разработке конструкции в целом уточняют принципиальную возможность реализации идей, принципов действия. При необходимости проводят необходимые расчеты и эксперименты;

при разработке отдельных механизмов изучают возможность их размещения, определяют наиболее важные габаритные размеры и т.п.

Компромиссы. Конструирование – это непрерывная цепочка компромиссов, которая возникает на всех стадиях создания технического объекта. Например, выбор мощности двигателя, диапазон частот вращения его выходного вала и величина перемещения выходного звена технического объекта – это всегда компромисс.

Тупиковые ситуации. При конструировании часто возникают тупиковые ситуации, связанные с сегодняшним состоянием техники, с ограничениями технического задания, возникновением новых задач. При их решении помогает интуиция и опыт. Решение часто приходит неожиданно.

“Парадоксы” конструирования. При создании рациональ-

ных конструкций успешно, хотя и часто интуитивно, применяют принцип: проектируй не как возможно, а как необходимо. Реализация этого принципа, при котором осуществляется поиск оптимальной конструкции в условиях действия многообразных и под-

148 Глава 6. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

час противоречивых факторов, может привести к созданию нелогичных, на первый взгляд, конструкций. Однако именно такая “парадоксальность” часто характеризует глубокий уровень проработки.

Обеспечение преемственности конструкций. Может ли во-

обще технический объект быть абсолютно новым, оригинальным? Изучение любого, даже “сверхоригинального” объекта показывает, что конструктивное исполнение большинства его составных частей основано на использовании уже известных в мировой практике конструкторских решений и материалов. Разработка любой конструкции немыслима без анализа и учета особенностей развития данного вида техники и использования накопившегося множества рациональных решений в форме конструкторских норм и справочных данных, альбомов типовых конструкций и каталогов, классификаторов изделий, составных частей и материалов.

Сущность преемственного развития техники заключается в обеспечении в каждом конструкторском исполнении технического объекта единства изменяемых и повторяемых сторон (конструктивных элементов и связей между ними) и проявляется в определенном (как правило рациональном) сочетании новых и заимствованных технических решений.

Соблюдение принципа преемственности является одним из эффективных путей сокращения сроков создания и освоения изделия, снижения затрат на его производство и эксплуатацию.

Конструктивная преемственность позволяет повысить эффективность разработок за счет использования каталожного проектирования.

Каталожное проектирование. Конструкторские каталоги могут упростить работу конструктора. Они содержат информацию о состоянии науки, об особенностях методов обработки, компоновок, составных частей изделия.

Наиболее эффективно каталоги конструкций используют на стадии эскизного и технического проектов для выбора отдельных составных частей изделия.

Конструкторский каталог – это построенная по строгим формальным принципам подборка решений элементарных повторяющихся задач конструирования, возможных и рациональных вариантов исполнения простых деталей и узлов (объектов), либо правил их соединения (операций).

В соответствии с назначением каталоги делят на три класса: объектов, операций и решений.

Каталоги объектов содержат подборку конструкций различных элементов.

Каталоги операций содержат операции (шаги) или последовательность операций, представляющих интерес при методическом конструировании, а также сведения об условиях их применимости. В каталогах операций приводятся правила варьирования конструкций, выбора решений, расчетов на прочность, расчетов допусков и др.

Каталоги решений содержат решения задач в пределах одного этапа конструирования, чаще всего для поиска функциональных решений на уровне принципиальных схем.

6.5. Трудности конструирования

Борьба старого и нового, сочетание науки и искусства, анализ и синтез, будучи неотделимы друг от друга, проявляются в процессе конструирования одновременно. С самого начала работы мысль конструктора постоянно направлена на поиск новых идей, обладающих наряду с оригинальностью лучшими техническими характеристиками. Проектируя, конструктор обязан сверять свои идеи с прошлыми и существующими разработками. Идеи и разработки должны быть при этом реальными, жизненными, не оторванными от действительности. Конструктор при работе над объектом должен использовать весь свой опыт, знания, интуицию, воображение, имеющиеся патенты и другие материалы с тем, чтобы создаваемый по его проекту объект был более производительным, удобным, надежным, дешевым, превосходящим все ранее созданное.

Главная трудность конструирования заключается в том, что конструктор должен на основании современных данных прогнозировать некоторое будущее состояние, которое возникает только в том случае, если его прогнозы верны. Предположения о конечном результате конструирования приходится делать еще до того, как исследованы средства для его достижения. Конструктор вынужден прослеживать события в обратном порядке, от следствий к причинам, от ожидаемого влияния данной разработки к началу той цепочки событий, в результате которой и возникает это явление. Часто случается, что в ходе такого прослеживания на одной из промежуточных ступеней обнаруживаются трудности или открываются новые, более благоприятные возможности. При этом характер исходной проблемы может коренным образом измениться. Именно

Профессиональные способности:

пространственное воображение;

творческие способности;

готовность воспринимать новое, необычное;

смелость мысли;

быстрота мыслительного процесса;

гибкость мышления;

умение направлять внимание на решение главных проблем;

способность наблюдать;

развитая профессиональная память;

инициативность;

дисциплинированность;

умение принимать решение;

знание технологии производства;

умение передавать информацию.