Гибкие производственные системы: задачи, структура, основные характеристики, Задачи ГПС., Структура ГПС. – Применение промышленных роботов

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН

Проектирование производственно-технологических машин в крупном плане состоит из следующих этапов: НИР (научно-исследовательская работа), ОКР (опытно-конструкторская работа), подготовка к серийному производству.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве процесс проектирования может заканчиваться созданием опытно-промышленного образца машины или опытной партии машин.

Всякая вновь проектируемая машина должна удовлетворять вполне определенным техническим требованиям (ТТ). Основные технические требования, предъявляемые к производственным машинам, изложены ниже.

1. Обеспечение заданной, рассчитанной на перспективу производительности (это требование в большинстве случаев является основным).

2. Получение необходимого качества продукции, выпускаемой машиной.

3. Обеспечение заданной надежности и долговечности машины.

4. Технологичность и модульность конструкции машины.

5. Возможно низкая себестоимость и, стало быть, малые сроки окупаемости капитальных вложений.

6. Соответствие требованиям технической эстетики.

7. Удобство и безопасность обслуживания.

8. Соответствие требованиям экологии и санитарно-гигиеническим нормам.

При проектировании и создании новых машин, как, впрочем, и любой другой продукции, необходимо максимально использовать накопленный отечественный и зарубежный опыт проектирования таких машин, а также учитывать технологические и технические возможности производств, где планируется их изготавливать. Иначе говоря, вновь создаваемая продукция должна обладать конструктивной и технологическойпреемственностью.

Конструктивная преемственность заключается в том, что при конструировании новых машин необходимо максимально использовать детали и сборочные единицы, уже освоенные производством и проверенные в эксплуатации. Чем меньше количество специальных деталей и узлов применяется в новой машине, тем выше ее конструктивная преемственность.

Технологическаяпреемственность обеспечивается при проектировании новой продукции путем разработки таких деталей и узлов, обработка или сборка которых аналогична обработке или сборке уже освоенных производством (т.е. уже имеются оборудование, инструмент, оснастка, технологическая документация, отработаны технологические режимы, нормы и т.д.).

Все перечисленные преемственности непосредственно связаны с унификацией, нормализацией и стандартизацией технологических процессов, деталей, узлов и машин. Последние десятилетия унификация, нормализация и стандартизация все шире применяются в различных отраслях промышленности и, особенно, в машиностроении. Ниже рассмотрим основное содержание и назначение перечисленных выше мероприятий.

Стандартизация проводится в общегосударственном или межгосударственном масштабе. Она охватывает весь комплекс параметров изделий широкого применения. К таким параметрам относятся: типы и размеры деталей, точность их изготовления, шероховатость поверхностей, материалы и т.д.

В основе стандартизации лежат объединенные достижения науки, техники и практического производственного опыта. Стандартизация обычно опирается не только на современные научно-технические достижения, но и учитывает перспективы их дальнейшего развития.

В машиностроении стандартизация широко проведена в отношении крепежных изделий, подшипников, материалов, допусков и посадок, отклонений формы, шероховатости поверхностей, модулей зубчатых колес, параметров резьб и т.д. Широко стандартизованы также элементы гидравлических, пневматических и электрических систем.

Для успешного и экономически эффективного производства продукции в первую очередь необходимо произвести ее стандартизацию (типоразмеры стержней для шариковых ручек, типы и номиналы резисторов, конденсаторов, транзисторов, тиристоров, диодов, микросхем) вплоть до целых модулей (ОЗУ, терминалов, дисплеев, процессоров, дисководов и т.д.). Стандартизация сокращает многообразие видов продукции, неоправданное с точки зрения их потребительских свойств, и позволяет увеличить масштабы выпуска однотипных изделий.

Благодаря стандартизации стало возможным организовывать специализированные производства этих изделий (массовые или серийные) с высоким уровнем автоматизации и механизации технологических процессов. Все это обеспечивает высокие производительность и качество, а также низкую себестоимость стандартизованной продукции.

Нормализация – это как бы «разновидность» стандартизации, проведенной в масштабе отрасли акционерного общества или одного предприятия. Нормализация также, как и стандартизация, призвана способствовать повышению качества продукции, уменьшению ее себестоимости и ускорению внедрения новой техники. Обычно нормализация касается материалов, применяемых в машинах, технологических процессов обработки, а также регламентирует конструкции отдельных деталей, механизмов, сборочных единиц, допускаемые для применения в машинах на данном предприятии или в отрасли.

Нормализация, например, применяемых материалов в масштабах предприятия позволяет сократить их номенклатуру, упростить материально-техническое снабжения, а, следовательно, сократить сроки поставок материалов, снизить их себестоимость, сократить складские неликвиды. Нормализация узлов технологической оснастки позволяет сократить сроки ее разработки и изготовления, снизить себестоимость и повысить качество.

Производство стандартизованной и нормализованной продукции создает условия для унификации вновь создаваемых машин, т.е. предоставляет возможность проектировать и изготовлять технологические ряды машин, которые должны максимально удовлетворять их функциональному назначению.

Широкие возможности унификации в автоматостроении обусловлены, в первую очередь, общностью автоматов и автоматических линий различного технологического назначения. Она выражается прежде всего в общности функционального назначения механизмов холостых ходов и управления, приводных и передаточных механизмов и устройств. Это позволяет осуществлять внутриведомственную и межведомственную нормализацию не только элементов привода и управления, но и целевых механизмов (загрузки, зажима, поворота, фиксации и других).

Проектирование машин с высокой степенью нормализации можно осуществить двумя путями.

1. Создание базовых моделей, на основе конструкции и компоновки которых создаются гаммы машин одинакового или близкого технологического назначения. Увеличивая или уменьшая в определенном масштабе все элементы базовой модели и варьируя при этом вариантами некоторых из них, можно получить конструктивно сходные станки, при этом с различной степенью автоматизации (автоматы, полуавтоматы), отличающиеся возможностью обработки изделий различных размеров.

2. Создание комплекса унифицированных узлов, из которых компонуются машины различного технологического назначения. Имея различные размеры унифицированных узлов применительно к различным габаритам изделий, усилиям их обработки и т.д., можно получать разнообразные конструктивно-компоновочные решения, отличающиеся направлением геометрической оси, количеством позиций, конструктивной сложностью, степенью автоматизации.

Первый путь применяется чаще всего при создании универсального оборудования, автоматов и полуавтоматов для обработки тел вращения, второй путь – при создании агрегатных станков-автоматов и автоматических линий для разнообразных изделий, неподвижных при обработке.

При создании первого отечественного типажа токарных автоматов и полуавтоматов уже было предусмотрено создание гамм типоразмеров машин на одной базе, отличающихся лишь размерами обрабатываемых изделий или числом шпинделей (токарно-револьверные 1112, 1118, 1124, 1136; токарные многошпиндельные 1261М, 1262М, 1261П, 1262П и др.), с высокой степенью унификации механизмов, устройств и отдельных деталей. В дальнейшем по этому принципу была создана гамма токарных гидрокопировальных полуавтоматов 1712, 1722, 1732 и другие гаммы оборудования различного назначения. Позже этот принцип был успешно использован при создании автоматических линий для подшипниковой промышленности. Идентичность конструкций подшипников и их деталей, процессов обработки, контроля и сборки позволили создать автоматические линии из типового технологического оборудования с типовыми транспортно-загрузочными системами.

Дальнейшим развитием принципа базовых моделей является переход от внутритиповой к межтиповой, когда на одной базе создается оборудование не только одинакового, но и различного технологического назначения с едиными компоновочными решениями и конструкцией основных механизмов. Межтиповую унификацию на основе базовой модели можно применять к оборудованию, которое функционально весьма различно между собой, но имеет детали и узлы, близкие по конструкции, размерам и назначению. Для станков такими узлами обычно являются станины, стойки, соединительные траверсы, столы, элементы привода и т.д.

Второй путь применения принципов стандартизации при проектировании машин – создание агрегатного оборудования из унифицированных узлов широкого назначения – берет свое начало с первых отечественных агрегатных станков, созданных в ЭНИМСе еще в первой половине 30-х годов для обработки корпусных изделий. Он исходит из того, что в станках самого различного технологического назначения всегда можно выделить значительное количество конструктивных элементов, функции которых идентичны. К их числу относятся: базовые элементы (станины, кронштейны, основания), подвижные опорные элементы (салазки, суппорты, столы), силовые элементы – источники движений и рабочих усилий (силовые головки, силовые столы, бабки, пиноли); механизмы привода, управления и др. Так, например, поворотный стол независимо от характера обрабатываемых изделий и длительности обработки обеспечивает периодический поворот на заданную часть окружности и надежную индексацию во время стоянки, когда осуществляется обработка. Силовой стол независимо от вида обработки (обточка, расточка, сверление, зенкерование, развертывание и др.) выполняет идентичный рабочий цикл – быстрый подвод, рабочую подачу, быстрый отвод, останов в исходном положении.

Центральной проблемой проектирования станков и автоматических линий из унифицированных элементов является создание такого комплекта механизмов и узлов, которые при минимальном количестве типоразмеров обеспечили бы возможно большее количество их разнообразных комбинаций, что можно иллюстрировать схемой, представленной на рис.1. На силовой стол 1 с приводом подачи устанавливается либо несамодействующие силовые головки (сверлильно-расточная 2, фрезерная 3 и др.), либо вспомогательные салазки 4 с возможностью дополнительных перемещений. К силовой головке 2, закрепленной на силовом столе 1, могут присоединяться разнообразные шпиндельные коробки 5, 6, 7, отличающиеся типом инструментов, их количеством и расположением, направлением и скоростью вращения. Образуются разнообразные агрегаты, способные выполнять обработку широкой номенклатуры благодаря наличию главного движения и подачи.

В настоящее время в агрегатных станках – полуавтоматах и автоматах унифицированы все узлы, кроме шпиндельных коробок (насадок) и приспособлений для закрепления обрабатываемых изделий.

Еще более широкий ассортимент унифицированных узлов применяется при создании автоматических линий из агрегатных станков для той же номенклатуры изделий (неподвижных при обработке); к ним относятся: силовые столы и головки, шаговые транспортеры, поворотные столы, кантователи, командоаппараты, гидростанции, инструментальные шкафы и т.д. Это позволяет проектировать линии в кратчайшие сроки и с минимальными затратами.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные технические требования, которые обычно предъявляются к вновь проектируемому технологическому оборудованию.

2. Что обычно является главным параметром вновь проектируемого технологического производственного оборудования?

3. Что такое стандартизация и зачем она производится в отношении продукции машиностроения?

4. Что такое нормализация в промышленности и для чего она нужна?

5. Что является научными основами для проведения стандартизации и нормализации в промышленности?

6. Назовите два основных пути развития нормализации в современном станкостроении, приведите примеры.

7. Разъясните термины «технологическая преемственность» и «конструктивная преемственность».

8. Что называют технологическим рядом производственных машин и зачем они создаются?

9. Что означает термин «базовая модель» в станкостроении?

10. Что означает термин «унифицированный модуль» в станкостроении?

В прошлом, кода ремесленник создавал свои изделия: щит, меч, телегу, сельскохозяйственный инвентарь, домашнюю утварь и проч., изменение формы кустарного изделия происходило методом проб и ошибок, путем бесчисленных неудач и редких успехов на протяжении многовекового опыта нескольких поколений мастеров. Именно поэтому на первом этапе развития производства ремесло передавалось по наследству. Только так можно было добиться успеха на тернистом пути созидания. Этот медленный и дорогостоящий последовательный поиск «невидимых линий» удачной конструкции может в конечном итоге привести к удивительно точно уравновешенному изделию, которое в очень высокой степени удовлетворяет запросы потребителя.

При этом ремесленник не вычерчивал даже эскизов своего изделия и порой не мог толком удовлетворительно объяснить, почему он принимал то или иное решение.

Принципиальная разница между ныне общепринятом способом разработки изделий с помощью масштабных чертежей и предшествующих ему кустарных промыслов заключается в том, что сейчас поиск форм методом проб и ошибок отделен от производства, что эксперименты и изменения осуществляются на бумаге, а не на самом изделии.

Теперь стало возможным до изготовления увидеть на графической модели форму изделия в целом и его отдельные детали, задать их размеры. Это способствовало разделению труда при изготовлении машин. Естественно, все это привело к тому, что основная часть трудностей и радостей творчества ушла из производственной сферы и стала уделом нового типа работников, тех, кто создает чертежи. В свою очередь и проектировщик зачастую лишается возможности созерцать повседневный процесс появления материального воплощения своего детища. Таким образом «проектирование» или «конструирование» выделились в отдельную, особую профессию. Однако, процесс становления «проектирования» и «конструирования» был чрезвычайно медленным и растянулся на несколько веков. Первые рисунки, по которым можно узнать способ изготовления предметов в России, найдены в летописях 13…14 вв. Важным шагом в развитии чертежного метода проектирования является опубликование в 1719 г. труда французского инженера Гаспара Монжа «Начертательная геометрия».

На первом этапе становления чертежного метода ремесленники применяли масштабные эскизы более напоминающие рисунки, чем чертежи. Они использовались главным образом для хранения информации и доведения ее до помощников. Так, например, весь флот дореволюционной России был создан посредством таких чертежей, мало напоминающих современную техническую документацию. На этих чертежах отображались контуры корабля, его размеры, расположение основных машин, механизмов, вооружения, а также сведения о броне, скорости и водоизмещении. В то время еще ни кому не приходило в голову разрабатывать чертеж ступеньки корабельной лестницы, трубки водомера паровой машины или даже броневых листов корпуса. Априори предполагалось, что мастера-корабелы сами знают, как решать «второстепенные» производственные вопросы. Хотя было модно подробно документально и графически отражать интерьер кают-компаний, а также кают высших командиров и почетных гостей. А вот в современной промышленной продукции соответствующей технической документацией регламентируется все вплоть до шайб и применяемых смазочных материалов. Непосвященный может только догадываться, как выглядит техническая документация, например, на авианесущий крейсер. Таким образом, за несколько веков человечество прошло путь от рисунков на песке до полностью регламентированной технической документации.

Чертеж позволяет конструктору видеть все изделие целиком, и он может сравнительно легко вносить в него те или иные изменения, вплоть до принципиальных. Хотя понятно, что изменения формы одной из деталей сразу же может оказать влияние на все изделие. Этим и объясняется тот факт, что конструктор – едва ли не единственный специалист современной промышленности, остающийся «целостником», а не «частичником». Он защищает свое творение как единое целое, которое нужно либо принимать без изменений, либо все «до основания» переделывать. Он слишком хорошо знает, сколько труда ему пришлось вложить в многократные циклы изменений, прежде чем было достигнуто тонкое равновесие, закрепленное в окончательном варианте его проекта. Именно это обстоятельство обычно заставляет проектировщика работать над одним вариантом изделия. При необходимости сопоставления и выбора наиболее рационального варианта конструкции могут быть последовательно или параллельно разработаны им или другими конструкторами иные варианты конструктивного воплощения изделия. История техники знает немало примеров проведения специальных конкурсов проектов. Так, например, это характерно для архитектурных и военных проектов, что обычно обусловлено их высокой стоимостью и большими социально-экономическими последствиями нерационального дизайнерского или технического решений.

Особенностью такого метода проектирования является резкое сужение поля поиска решений. Конструктор путем интуитивного выбора, на основе своего опыта и логических умозаключений отбирает из огромного возможного разнообразия форм и размеров составляющих элементов наиболее рациональные, как ему представляется, конструктивные решения. При этом важно отметить и другую особенность: над чертежом одновременно может работать только один человек, и все аспекты, которым должна удовлетворять конструкция, приходиться держать в одной голове.

Из-за этого на ранних стадиях проектирования чертежным способом работу над машиной или другим объектом ведет всего один человек, чаще всего главный (ведущий) конструктор проекта или руководитель группы. Только после того, когда ведущему конструктору удалось найти приемлемое принципиальное решение проблемы в целом, сформулировать ее отдельные задачи и наметить пути их решения, можно распределять работу между несколькими исполнителями.

Отсюда следует главный существенный недостаток чертежного метода проектирования: невозможность привлечения многих компетентных умов к решению задачи на самом важном этапе проектирования. Очевидно, что этот метод совершенно непригоден в новых ситуациях, когда необходимый для работы опыт выходит за пределы возможностей одного человека.

Однако, существует и обратная проблема. Как принято считать, двугорбый верблюд является первым плодом коллективного творчества. Действительно, по мере «расползания» проекта по множеству исполнителей нередко утрачиваются отдельные тонкости первоначальной идеи, возрастают сложности согласования бесчисленного множества конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей машины. Так, в 80-е годы ряд проектных организаций машиностроительного профиля отказался от услуг деталировщиков. Основная часть проектной работы была возложена на ведущего конструктора и лишь в случае крайней производственной необходимости к работе стали подключать специалистов равного ему уровня. В результате существенно сократилось число ошибок, выросла технологичность конструкций, сократились сроки изготовления и доводки опытных образцов. Всего этого удалось добиться благодаря сокращению потерь информации по мере движения от принципиальной схемы к рабочим чертежам деталей.

Метод масштабного чертежа дает прекрасные результаты на уровнях изделий и их частей. Его пригодность для принятия решений на уровне систем (обрабатывающий центр, автомобиль, самолет, подводная лодка и проч.) в 50…60^-х годах была признана крайне сомнительной.

Однако, на рубеже двадцатого века область применения традиционного чертежного метода существенно расширилась в сторону более сложной техники. Это обусловлено следующими обстоятельствами.

Во-первых, вырос и продолжает расти уровень подготовки специалистов, особенно актуальной оказалась их комплексная многосторонняя подготовка по различным направлениям науки.

Во-вторых, неизмеримо выросло техническое оснащение конструктора. На смену кульману и готовальне пришли мощные графические станции, прикладные пакеты, пригодные практически для моделирования любых физических, химических и социально-экономических процессов.

В-третьих, за прошедшие три десятилетия удалось модернизировать ряд методик системного проектирования по поиску рационального решения задачи на стадии принятия решений применительно к чертежному методу.

Современное проектирование строго регламентировано Государственными стандартами «Единая система конструкторской документации» (ЕСКД) – ГОСТ2.001-70, устанавливающими взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения конструкторской документации, разрабатываемой и применяемой организациями и предприятиями России. Разработка любого оборудования должна осуществляться в соответствии с ЕСКД.

Основу ЕСКД составляют следующие стандарты.

ГОСТ2.101-68 (или бывший стандарт стран экономической взаимопомощи СТ СЭВ 364-76) устанавливает следующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты. Схема видов изделий и их структура приведены на рис.1.

Изделия в зависимости от наличия или отсутствия в них составных частей делят на :

а) неспецифицированные – не имеющие составных частей (детали);

б) специфицированные – сборочные единицы, комплексы и комплекты, состоящие из двух и более составных частей, требующие выполнения спецификации, которая определяет состав изделия, а также конструкторских документов, необходимых для изготовления изделия.

Деталь – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций.

Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, клепкой, сваркой, пайкой, опрессовкой, развальцовкой, склеиванием, сшивкой и т.д.).

Комплекс – два и более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. Например, поточная линия станков, вентиляционная установка для транспортировки хлопка на текстильной фабрике, автоматическая телефонная станция, персональный компьютер и проч.

Комплект – два и более изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но представляющих набор изделий, имеющих общее назначение вспомогательного характера. Например, комплект инструмента и принадлежностей для автомобиля, комплект запасных частей станка и т.д.

Данная классификация обычно и используется для распределения работы между исполнителями и определения порядка ее выполнения.

ГОСТ 2.102-68 (СТ СЭВ 4768-84) устанавливает виды и комплектность конструкторских документов на изделия всех отраслей промышленности. К конструкторским документам относят графические (чертежи, схемы и т.п.) и текстовые документы, которые в отдельности или в совокупности определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для его разработки или изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.

В зависимости от содержания и назначения документам присвоены следующие названия.

Чертеж детали – документ, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля.

Сборочный чертеж – документ, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки (изготовления) и контроля. К сборочным чертежам также относят гидро- и пневмомонтажные чертежи.

Чертеж общего вида – документ, определяющий конструкцию изделия, взаимодействие его основных составных частей и поясняющий принцип работы изделия.

Габаритный чертеж – документ, содержащий контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, установочными и присоединительными размерами.

Монтажный чертеж – документ, содержащий контурное (упрощенное) изображение изделия, а также данные, необходимые для его установки (монтажа) на месте применения. К монтажным чертежам также относят чертежи фундаментов, специально разрабатываемых для установки изделия.

Схема – документ, на котором показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними.

Спецификация – документ, определяющий состав сборочной единицы, комплекса или комплекта.

Ремонтные документы – документы, содержащие данные для выполнения ремонтных работ на специализированных предприятиях.

Кроме перечисленных, ГОСТ 2.102-68 предусматривает и другие документы (технический паспорт, инструкцию по эксплуатации и проч.). Все это и составляет предмет деятельности коллектива проектировщиков.

ГОСТ 2.103-68 (СТ СЭВ 208-75) устанавливает стадии разработки изделий и их содержание. На рис.2 представлена структура процесса проектирования новой техники согласно ГОСТу.

К проектной конструкторской документации (КД) относятся:

1) техническое задание (ТЗ) (ГОСТ2.117-73);

2) техническое предложение (ТП) (ГОСТ2.118-73);

3) эскизный проект (Э) (ГОСТ2.119-73);

4) технический проект (Т) (ГОСТ2120-73).

К рабочей конструкторской документации относятся:

1) чертежи деталей сборочных единиц изделия;

2) сборочные чертежи изделий;

3) спецификации;

4) габаритные чертежи;

5) монтажные чертежи;

6) схемы и другие документы, необходимые для сборки (изготовления) и контроля.

Первые три этапа проектирования (рис.2) условно можно отнести к предпроектным работам, а последующие два и эскизное проектирование к конструкторской стадии работы. Эскизный проект включает в себя как отдельные сборочные чертежи, так и принципиальные схемные решения, поэтому трудно отнести его к какой-то одной стадии работ.

Проектные и конструкторские работы различаются тем, что проектные работы связаны с разрешением проблем на уровне принципов схем и проч., а конструкторские – с конструированием деталей, сборочных узлов и проч. Проектная конструкторская документация является основой для разработки рабочей конструкторской документации. В зависимости от способа выполнения и характера использования конструкторские документы имеют следующие наименования, установленные ГОСТ2.102-68.

1. Оригиналы – документы, выполненные на любом материале (бумаге, ткани) и предназначенные для изготовления по ним подлинников.

2. Подлинники – документы, оформленные подлинными подписями лиц, участвующих в разработке документа, и выполненные на любом материале, позволяющем многократное воспроизведение с них копий.

3. Дубликаты – копии подлинников, обеспечивающие идентичное (одинаковое) воспроизведение подлинника, выполненные на любом материале, позволяющем снять с них копии.

4. Копии – документы, выполненные способом, обеспечивающим их идентичность с подлинником или дубликатом, и предназначенные для непосредственного использования при разработке конструкторской документации, в производстве, при эксплуатации и ремонте изделий.

Все конструкторские документы имеют литеры, соответствующие этапам разработки (см. обозначения в скобках на рис.2). Исключение составляет разработка рабочей документации, где литера О соответствует документации на опытный образец, А – документации установочной серии, а Б – установившегося производства.

Документы, предназначенные для разового использования в производстве, допускается выполнять в виде эскизных конструкторских документов, наименования которых в зависимости от способа выполнения и характера использования аналогичны перечисленным выше.

Содержание и объем каждого этапа проектирования регламентированы соответствующими стандартами (указаны в скобках на рис.2).

Вопросы для самоконтроля

1. Каким образом ремесленнику удавалось достигать совершенства выпускаемой продукции?

2. В чем заключается принципиальная разница дочертежного и чертежного метода проектирования?

3. Чем обусловлена необходимость применения масштабных чертежей?

4. Перечислите основные недостатки и их причины для чертежного метода проектирования?

5. В чем заключаются современные перспективы развития чертежного метода проектирования?

6. Что такое ЕСКД и для чего она служит?

7. Перечислите основные виды изделий в зависимости от наличия или отсутствия в них составных частей. Приведите примеры.

8. Что означает термин «специфицированное изделие»?

9. Перечислите последовательность этапов проектирования продукции согласно стандарту и их содержание.

10. Дайте определения основным конструкторским документам и поясните их примерами (чертеж детали, сборочный чертеж, чертеж общего вида, габаритный чертеж, монтажный чертеж, схема, спецификация) .

11. В чем состоит различие между проектной конструкторской документацией и рабочей конструкторской документацией?

12. Поясните способ выполнения и характер использования следующих документов: оригинал, подлинник, дубликат, копия.

При разработке систем (качественно и количественно более сложной техники в сравнении с простыми машинами) нет чего-либо эквивалентного «уму и карандашу» опытного, знающего и гибкомыслящего проектировщика, нет и возможности мгновенно определить осуществимость важнейших компонентов системы, а значит, нет и основы для интуитивного озарения, которое упрощает слишком сложную задачу настолько, чтобы она могла быть решена поэтапно, путем последовательного рассмотрения входящих в нее частных проблем.

Деятельность проектировщика на уровне систем предполагает свободу радикального изменения не только компонентов, из которых состоит изделие, но и организации социальной сферы, которой призвана служить новая система.

Изложенное выше поставило на повестку дня еще в 50…60-х годах проблему разработки новых методов системного проектирования. Бурное развитие в те годы атомной промышленности, ракетостроения, авиации и проч., оказали большое влияние на становление системного подхода к проектированию, и они явились замечательным полигоном для отработки и совершенствования новых методов решения сложных задач. Далее кратко рассмотрены некоторые из них. Однако, сразу следует подчеркнуть, что объектом новых методов является не столько проектирование в общепринятом сегодня смысле этого слова, сколько мыслительная деятельность, предшествующая выполнению конструкторской документации (в первую очередь схем и чертежей). Поэтому, новые методы отнюдь не заменяют и не отменяют существующие способы проектирования, а существенно дополняют их на важнейшем этапе первоначального поиска принципиальных решений.

Проектирование современных технологических комплексов, автоматических линий и отдельных машин должно базироваться на системном подходе. В этом случае объект проектирования рассматривается как система, имеющая иерархическую многоуровневую структуру, состоящую из множества подсистем. Существо метода заключается в том, чтобы четко сформулировать конечные цели проектирования, предъявив комплекс всесторонних требований к объекту проектирования, сформулировать функции как системы в целом, так и ее отдельных компонентов, а затем определить пути нахождения оптимального решения. При системном подходе перед проектировщиками ставятся задачи не только разработки конкретных объектов и изделий, но и предсказания тех изменений, которые возникнут в промышленном производстве, сбыте, потребительском спросе и обществе в целом. Так, например, ряд технических решений, принятых при разработке уже первых автомобилей ВАЗ привел к возникновению городов-заводов по производству комплектующих изделий, а с выпуска первых автомобилей кардинально изменилась ситуация на автомобильном рынке, возникла потребность интенсивного строительства новых автомобильных дорог.

Очень важно отметить тот аспект проектирования, что здесь объектом проектирования является не просто техническая система, например, машина или линия, а единый комплекс «человек-машина-среда». Человек рассматривается как одна из неотъемлемых составных частей этого комплекса, а при его создании проектируется не только работа технических устройств, но и деятельность человека. Подробно этот аспект проектирования рассматривается в эргономике.

Иллюстрация процесса системного проектирования в интерпретации Дж.К.Джонса (.Джонс Дж.К. Инженерное и художественное конструирование. Современные методы проектного анализа. Перевод с английского. – М., Мир, 1976) представлена на рис.1.

Процесс внесения изменений в искусственную среду представляется как ряд событий, который начинается с поступления материалов и комплектующих изделий на завод-изготовитель и заканчивается эволюционными изменениями в обществе под воздействием системы, в которую входит новое изделие. Каждое из этих событий представляет собой особый этап в существовании изделия и зависит от предшествующего события. Ни заказчики, ни проектировщики не могут непосредственно влиять на всю последующую историю изделия, оно выходит из-под их контроля еще до поступления в производство. Заказчик дает проектировщику ориентировочные указания о том, какого будущего состояния внешнего мира он хотел бы добиться. Для владельца автомобилестроительной фирмы это может быть определенная доля участия в рынках сбыта, например, заранее установленная сумма продаж (блок в середине верхнего ряда рис.1).

Если заказчику необходимо новое здание, в его заказе будут указаны расположение и размеры помещений, необходимых для размещения системы, т.е. будут определены системные требования (блок справа вверху на рис.1). Если требуется создать пассажирский самолет, в исходное задание могут входить некоторые предварительные указания относительно всех этапов; например, заказчик может предъявить свои особые требования, касающиеся выбора материалов, использования стандартных узлов, распределения и складирования запасных частей, количества выпускаемых самолетов, их летно-технических характеристик, их аэродромным оборудованием и, наконец, влияния, которое новый самолет окажет на общество, скажем, ввиду удлинения взлетно-посадочных полос, производимого самолетом шума и т.д. Кроме того, он может заранее потребовать, чтобы в процессе проектирования были накоплены знания и опыт, которые потребуются для разработки следующей модели самолета того же семейства.

Нижняя половина схемы показывает, что в соответствии с полученными заданиями проектировщик должен подготовить свои предложения. От него требуется тем или иным способом предсказать свойства объекта и реакцию на них на каждом этапе его существования. Для этого он на каких-то моделях проводит экстраполяцию от известных характеристик аналогичных конструкций в прошлом к поведению объекта в будущем, в новой среде. При этом в отношении каждого этапа существования объекта у проектировщика возникают вопросы, указанные в таблице 1.

Из сказанного можно сделать вывод, что не все заказчики материально заинтересованы в успешном функционировании изделия на каждом этапе его существования. Поэтому проблема заключается в том, что проектировщик должен придавать процессу проектирования общественный характер, чтобы каждый, кого затрагивают результаты проектирования, мог заранее подумать, что можно сделать, и мог бы повлиять на выбор вариантов. Для этого социально-значимые результаты проектирования должны стать предметом политических дискуссий.

Сущность большинства новых методов проектирования направлена на то, чтобы заставить проектировщика «думать вслух», позволить другим людям ознакомиться с процессами мышления, которые до сих пор протекали у него в голове, объектировать (externalize) процесс проектирования. В одних случаях это достигается с помощью слов, в других – в форме математических символов, но почти всегда используется какая-нибудь схема, позволяющая разделить задачу проектирования на части и указать взаимные связи между этими частями. Естественно, что в основе всегда лежит стремление добиться большего контроля над процессом проектирования, особенно на уровне систем.

Рассмотрев вкратце общую цель всех предложенных крайне разнообразных методов, можно заняться вопросом о том, чем эти методы отличаются один от другого, и попытаться оценить их практическую пользу. Это проще всего сделать, если оценить их с трех точек зрения: насколько они способствуют творчеству, насколько они логичны и насколько они позволяют управлять процессом проектирования. Каждую из этих трех точек зрения можно представить в виде некоторой кибернетической модели проектировщика. С точки зрения исследования творчества проектировщик представляет собой «черный ящик», на выходе которого возникает загадочное творческое озарение; с точки зрения логики проектировщик – это «прозрачный ящик», в котором происходит логический процесс, до конца поддающийся объяснению; с точки зрения управления проектировщик является «самоорганизующейся системой», которая способна отыскивать кратчайшие пути на неведомой территории. Последняя, наименее привычная точка зрения ведет к вопросу о практической ценности теории проектирования и о дальнейших шагах в разработке эффективных методов проектирования.

Проектирование как «черный ящик» подразумевает «алогичность» мышления, допускающую озарение. Такую теорию поддерживают прежде всего теоретики «творческого подхода». Для стимулирования творчества наиболее приемлемы методы проектирования: «Мозговая атака» и «Синектика».

Мозговая атака как бы снимает фильтры на выходе проектировщиков – «черных ящиков». В дальнейшем результаты мозговой атаки целесообразно ввести в «черный ящик» одного человека, поручив ему классифицировать все выясненные случайные идеи.

Метод «Синектика» в рамках концепции «черного ящика» позволяет организовать передачу выходного сигнала по обратной связи на вход, причем для преобразования выходного сигнала во входной используются тщательно отобранные типы аналогий.

В отношении методов проектирования, основанных на представлении о проектировщике как «черном ящике», можно сделать следующие основные выводы:

1. Выходные действия проектировщика определяются входными сигналами, исходящими от подлежащей решению задачи, а так же другими выходными воздействиями, связанными с предыдущими задачами и прошлым опытом.

2. Согласившись временно ослабить социальные запреты («Мозговая атака»), можно ускорить образование выходных сигналов, но при этом они приобретают более случайный характер.

3. Чтобы проектировщик мог выдать выходные сигналы в соответствии с поставленной задачей, ему нужно дать время на осознание и преобразование (в уме) образов, изображающих структуру задачи в целом. В течение длительных и внешне бесплодных поисков решения он может неожиданно найти новый способ структурирования задачи, позволяющий разрешить конфликты. Это приятное событие, которое иногда называют творческим озарением, дает возможность преобразовать сложную задачу в простую.

4. Контроль интеллекта над формами ввода структуры задачи в «черный ящик» проектировщика, по-видимому, повышает вероятность получения выходных реакций, содержащих решение задачи.

Проектирование как «прозрачный ящик» имеет своей целью объективировать процесс и результаты мышления. Соответствующие такому подходу методы проектирования опираются на логические, а не мистические предположения. Они предполагают, что процесс проектирования может быть до конца объяснен и обоснован.

Методы, в которых проектировщик рассматривается как «прозрачный ящик», характеризуются следующими общими чертами:

1) цели, переменные и критерии задаются заранее;

2) поиску решения предшествует проведение (или хотя бы попытка проведения) анализа;

3) оценка результатов дается в основном в словесной форме и построена на логике (а не на эксперименте);

4) заранее фиксируется стратегия; обычно используются последовательные приемы, но иногда включаются и параллельные, условные и циклические операции.

При применении методов «прозрачного ящика» важнейшим вопросом является возможность расчленения (декомпозиции) задачи на части, которые затем можно решать последовательно или параллельно. К таким задачам следует отнести сети электропередач, телефонных систем, поточных и автоматических линий. В них каждая функция выполняется отдельным узлом, а каждый узел связан с другими узлами лишь заранее заданными входными и выходными воздействиями.

Многие крупные и мелкие задачи проектирования вообще не поддаются расчленению без ущерба рабочих характеристик. Такие ситуации возникают при проектировании зданий, автомобилей, станков и других объектов, в которых функции не разделены между специализированными узлами, а сложным и непредсказуемым образом распределены по всему изделию. В таких случаях руководитель проекта на основании имеющегося у него опыта решения аналогичных задач сначала решает основные частные задачи, а затем определяет общую схему изделия и распределяет остальную работу между своими помощниками. Ясно, что здесь могут быть использованы только методы «Черного ящика».

Основной целью методологии проектирования является уменьшение цикличности и увеличение линейности проектирования. Цикличность означает, что важнейшие частные задачи остаются незамеченными до поздних этапов работы и, когда они обнаруживаются, приходится пересматривать многие уже принятые решения. Линейность процесса предполагает, что все важнейшие проблемы и очередность их разрешения определены до начала работы, а риск того, что на заключительных этапах работы придется вносить в проект принципиальные коррективы, практически исключен. Однако полной линеаризации разработки обычно мешает непредсказуемость зависимостей между отдельными частями задачи. Лакмен показал, что схема зависимостей между проблемами одной задачи носит непостоянный характер и находится в зависимости от выбора частных решений каждой подпроблемы. В таких случаях структура задачи остается неустойчивой до тех пор, пока не будут приняты принципиальные решения по проекту. Таким образом, беспочвенны попытки находить решение задачи проектирования путем однократного прохода по такой линейной последовательности:

1) выявление всех существенных переменных;

2) определение зависимостей между ними;

3) обеспечение оптимальных значений выходных параметров.

На практике методы «прозрачного ящика» широко применяются собственно на конструкторском этапе, когда поисковый этап работы, связанный с установлением принципов работы машины, уже успешно завершен. Важнейшим достоинством таких методов является их детерминированность, позволяющая автоматизировать и ускорить процесс проектирования. Попытки же применения их для создания принципиально новых оригинальных конструкций приводят к исчезновению гибкости, необходимой для исследования неопределенностей задачи и циклических петель.

Методы «черного ящика» и «прозрачного ящика» позволяют расширить область поиска при решении задач проектирования. В методах «черного ящика» это достигается путем снятия ограничений, накладываемых на выходные реакции проектировщика, или путем стимулирования выработки более разнообразных выходных реакций. В методах «прозрачного ящика» выходная реакция нервной системы обобщается на языке внешних символов с таким расчетом, чтобы она включала альтернативы, одной из которых является замысел проектировщика. Основным недостатком перечисленных методов является то, что проектировщик вырабатывает множество неизученных альтернатив, которое слишком велико чтобы быть исследованным медленным способом традиционного осознания. Применение для ускорения процесса интуитивных методов приведет к ограничениям, обусловленных накопленным опытом.

Проектировщик как самоорганизующаяся система обязан обеспечить взвешенное сочетание в работе в общем-то противоречивых методов «черного ящика» и «прозрачного ящика». Все противоречия разрешаются путем оптимального разделения процесса проектирования на две части:

1) осуществление поиска подходящей конструкции;

2) контроль и оценка схемы поиска (управление стратегией).

Метод управления стратегией обеспечивает связь каждой части поиска с конечными целями, даже если они еще не определились. Обычно сущность управления стратегией выражается лозунгом: «Цена незнания должна быть больше цены приобретения знания!». Для определения цены незнания нужна модель, позволяющая хотя бы приближенно судить о том, как недостижение промежуточных целей повлияет на достижение конечных целей. Проще всего это можно сделать по методу «черного ящика».

В заключении следует рассмотреть вопросы организации проектных работ. Так, исключительную роль при создании сложных систем играет рациональное управление проектными работами. Дж.К. Джонс предлагает в основу такого управления положить следующие критерии.

1. Выявление и пересмотр важнейших решений

Как можно раньше выявляются решения, которые могут принести значительные убытки. Эти решения на начальных стадиях следует принимать условно и предусматривать возможность их пересмотра в случае обнаружения в дальнейшем противоречий с надежно установленными фактами или с обоснованными суждениями специалистов. К числу важнейших решений относятся исходные допущения, цели, выбор моделей, выбор стратегии и метод изменения стратегии.

2. Соотнесение затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы с убытками от принятия неверного решения.

Убытки от незнания должны превышать затраты на дорогостоящие усилия проектировщиков при поиске ответа на тот или иной вопрос. При определении актуальности проведения работы нужно первоначально выяснить, на какие вопросы она даст ответы.

3. Распределение заданий в соответствии с возможностями исполнителей.

Проблемы возникают при распределении работ среди представителей разных специальностей в процессе работы над новаторскими проектами.

4. Отыскание полезных источников информации

Информацию нужно искать во всех доступных источниках. Однако, перед тем как обратиться к важной или дорогостоящей информации, необходимо провести независимые испытания или получить информацию о надежности источников. Особо следует обратить внимание на рекомендации консультантов, если они не знакомы с тонкостями, характерными для конкретного проекта.

5. Исследование взаимосвязей между изделием и средой

Выбору стратегии должна предшествовать оценка взаимного влияния конструкции и среды.

Перечисленные критерии естественно реализуются, когда проектировщики одной специальности работают над типовой задачей. Однако, обычно они редко выдерживаются, когда вместе работают различные по профилю специалисты или опытные проектировщики выходят за пределы своей компетенции.

Вопросы для самоконтроля

1. Что обусловило поиск новых методов проектирования в 50…60-х годах ?

2. Чем принципиально отличаются подходы системного и традиционного чертежного проектирования?

3. В чем особенности учета человеческого фактора при проектировании сложных технических систем?

4. Перечислите основные факторы, учет которых характерен только для системного проектирования?

5. В чем заключается сущность большинства методов системного проектирования и как она выражается?

6. В чем заключаются особенности описания проектировщика как «черного ящика» и как они используются на практике?

7. В основу каких методов проектирования положены особенности рассмотрения проектировщика как «черного ящика»?

8. Для каких целей применяют «мозговую атаку»? Укажите общую характеристику этого метода и этапы проектирования, на которых его применяют.

9. Для каких целей применяют «синектика»? Укажите общую характеристику этого метода и этапы проектирования, на которых его применяют.

10. В чем заключаются особенности описания проектировщика как «прозрачного ящика» и как они используются на практике?

11. В основу каких методов проектирования положены особенности рассмотрения проектировщика как «прозрачного ящика»?

12. В чем заключаются особенности описания проектировщика как «самоорганизующейся системы» и как они используются на практике?

13. Что означает термин «цикличность проектирования» и когда она имеет место?

14. Что означает термин «линейность проектирования» и когда она имеет место?

15. Перечислите критерии управления проектными работами.

16. Имеет ли практические долговременные перспективы традиционное проектирование методом масштабного чертежа?

Стадии работы над проектом, как это указывалось выше, определены ГОСТ2.103-73. Особенности современного подхода к проектированию касаются главным образом первых трех этапов работы: техническое задание (ТЗ) (ГОСТ2.117-73), техническое предложение (ТП) (ГОСТ2.118-73) и эскизный проект (ЭП) (ГОСТ2.119-73). Поэтому далее будут кратко рассмотрены лишь перечисленные выше этапы.

Техническое задание является первым этапом любой работы по созданию новой техники. Результаты длительных переговоров заказчика и разработчика, приведшие к согласованным взглядам на структуру и функционирование будущей машины (системы), в силу свойств человеческой памяти и психики в процессе работы могут трансформироваться до неузнаваемости. Для того, чтобы этого не случилось, результаты должны быть зафиксированы в специальном документе, называемом техническим заданием на разработку машины.

ТЗ должно обладать свойством полноты. Под этим понимается то, что в ТЗ отражается все, сколь-нибудь существенное об объекте: функции, которые должна выполнять машина, а также требования, предъявляемые к ней заказчиком. Конечно, полнота ТЗ – понятие относительное. Может случится, что заказчик, не учтя чего-то, не включит в ТЗ какие-либо принципиальные требования. Вопросники же, которыми широко пользуются разработчики, не могут быть рассчитаны на все случаи жизни. Очень часто задание бывает не- достаточно полным и конкретным не вследствие недоразумения, а потому, что в процессе разговора у заказчика еще не сложилась завершенная концепция о том, как должна функционировать машина и какие требования должны быть предъявлены к ней. В этом случае и заказчику, и разработчику придется возвращаться к ТЗ не один раз, постепенно дополняя и уточняя его в ходе проектирования. К сожалению, подобная практика стала правилом, вместо того, чтобы быть исключением. Стереотипной стала фраза в заключительной части ТЗ : «Настоящее ТЗ может дополняться и уточняться по согласованию сторон в процессе разработки системы». Зачастую это приводит к тому, что разработчик многократно переделывает свою работу. Особенно сложно и важно правильно разработать ТЗ для сложной и большой системы. Необходимость прогнозирования взаимодействия будущей системы с окружающим миром, в том числе и с людьми, предъявляет к ТЗ чрезвычайно высокие требования.

Основными разделами типового ТЗ обычно являются следующие.

1. Основание для разработки системы, ее назначение и область применения.

2. Условия эксплуатации системы.

3. Эксплуатационно-технические характеристики системы.

4. Объем выполняемых разработчиком работ.

5. Технические требования к системе.

6. Требования к художественно-конструкторскому оформлению системы.

7. Требования к патентной защищенности системы.

8. Требования к заказчику по обеспечению разработки, внедрению и эксплуатации системы.

Разделы 7 и 8 фактически никак не связаны с особенностями системы и имеют универсальный характер. Напротив, содержание разделов 1…6 полностью определяется результатами переговоров заказчика и разработчика.

Обычно разделы ТЗ имеют следующее содержание.

В разделе 1 отражается следующее:

а) стоимость работ, сроки начала и конца работы, а также определение того, чем заканчивается работа (проект, опытный образец, серия и т.д.);

б) перечень режимов работы объекта и их описание;

в) требования к реакции оборудования на аварийные режимы;

г) технико-экономическое обоснование разработки системы.

В разделе 2 оговариваются следующие условия:

а) климатические (температура среды, влажность, степень запыленности, содержание химически активных веществ);

б) механические (вибрация, тряска, возможные перекосы, удары, наклоны и т.д.);

в) наличие помех (электронаводки, радиопомехи, магнитные и другие излучения);

г) условия питания системы (напряжения, токи, частота, пульсации, давление, расход и чистота сжатого воздуха).

д) характер работы системы (непрерывный, циклический, одноразовый);

е) условия ремонта системы и ее технического обслуживания (частота, продолжительность и содержание регламентных работ);

ж) технико-экономические и другие последствия возможных отказов;

з) меры по технике безопасности обслуживания системы.

В разделе 3 указывается:

а) дополнительные функции системы (сигнализация о неисправностях, регистрация необходимой информации и т.п.);

б) комплектность, габаритные размеры, масса и т.д.

В четвертом разделе указывается следующее:

а) этапность работ и объем разработки по каждому этапу;

б) изготовители образцов по каждому этапу работ.

В пятом разделе оговаривается следующее:

а) интенсивность и состав входных потоков системы;

б) режимы работы системы (автоматический, полуавтоматический, ручной, наладочный, контрольный и т. д.);

в) потребляемая мощность, характер питания и его параметры (здесь речь идет не о питании, обеспечиваемом заказчиком, а о питании самой системы, получаемом за счет преобразования первого);

г) технические характеристики (надежность, ремонтопригодность, элементная база, проч.);

д) требования к взаимозаменяемости элементов, необходимость применения унифицированных и стандартных изделий.

Разделы 6 и 7 не требуют дополнительных пояснений.

В разделе 8 перечисляются требования, возлагаемые на заказчика, для обеспечения разработки, внедрения и эксплуатации системы. Сюда относятся, например, необходимость проведения проектных и строительных работ, требования по хранению материалов, оборудования и по их комплектации, обеспечение специализированной рабочей силой при монтаже, подготовка кадров для эксплуатации системы управления и т.д.

Конечно, не все перечисленные здесь разделы обязательно должны входить в любое ТЗ. Многие требования могут быть очевидны и для заказчика, и для разработчика. Например, если заказчик и разработчик связаны многолетней совместной деятельностью по разработке аппаратуры для исследования космоса, то требования минимальных габаритов и веса настолько очевидны для разработчика, что нет смысла их оговаривать в каждом ТЗ. Эти же требования могут не оговариваться в задании на разработку аппаратуры, для которой они не являются существенными.

Из содержания ТЗ и требований, предъявляемым к нему, следует, что оно должно разрабатываться совместно заказчиком и разработчиком. Причем, первый должен являться инициатором работы, а основная тяжесть разработки ТЗ должна ложиться на исполнителя, поскольку только он, будучи специалистом в своей области, может с максимальной степенью достоверности предусмотреть все возможные последствия создания и эксплуатации системы.

Техническое предложение является наиболее творческим этапом при создании новой техники. Структура алгоритма работы на этой стадии работы иллюстрируется рис.1.

Проектирование на стадии ТП главным образом ведется методами «черного ящика» («Мозговая атака», «Синектика», экспертные оценки спроса, предложения, оценки пригодности изделия к автоматизированному производству и модернизация). Однако, патентно-литературный обзор, а также частично оценка подготовленности изделия к автоматизированному производству и модернизация его конструкции часто проводятся по хорошо алгоритмизированным формализованным методикам «прозрачного ящика».

Сплошными линиями на рис.1 показаны связи, соответствующие простейшим алгоритмам, когда один из методов дает удовлетворительный результат. Такие ситуации возможны при работе над простыми задачами или для случая, когда «удачное стечение обстоятельств» позволило быстро отыскать удачное решение посредством применения одного или нескольких методов.

В содержательном плане системное проектирование на стадии ТП при разработке технологического оборудования предполагает решение следующих вопросов:

1. Анализ пригодности конструкции изделия для автоматизации (учитывается трудоемкость выполнения всех операций, включая операции ориентации и поштучной выдачи, если это необходимо) с возможной последующей модернизацией.

2. Детальная проработка технологического процесса производства изделия.

3. Определение конструктивных параметров инструмента и технологической оснастки.

4. Дифференциация технологического процесса.

5. Оценка потенциала производительности проектируемого оборудования.

Эскизный проект при разработке технологического оборудования обычно содержит пневматические, гидравлические, вакуумные, электрические и комбинированные принципиальные схемы, чертежи общего вида наиболее ответственных узлов и компоновочные чертежи. Деятельность проектировщика на стадии ЭП более прогнозируемая, чем на ТП. В отдельных случаях при выполнении ЭП удается применить линейную стратегию проектирования (Рис.2 а). Однако, это возможно лишь при решении относительно простых технических задач или в случае, когда на стадии ТП был найден комплекс настолько совершенных принципиальных решений, что их реализация очевидна для разработчика.

Чаще всего при выполнении ЭП применяется циклическая стратегия, когда, после получения и осмысления промежуточного результата, происходит переход к следующему шагу либо производится возврат к одному из предшествующих шагов. Алгоритм такого проектирования представлен на рис.2 б. Циклическая стратегия характерна для поиска решения задачи с большим числом неопределенностей перед началом работы. Самой страшной опасностью для проектировщика в этом случае становится бесконечная петля или «порочный круг», из которого не удается выбраться иначе, как изменив структуру задачи.

Когда действия проектировщиков не зависят одно от другого, может иметь место разветвленная стратегия (рис.2 в). В нее могут входить параллельные этапы, очень выгодные в том отношении, что позволяют увеличить количество людей, одновременно работающих над задачей, и альтернативные этапы, которые позволяют в определенной степени видоизменять стратегию в соответствии с исходом предыдущих этапов.

Адаптивные стратегии (рис.2 г) характеризуются тем, что при их реализации с самого начала работы определяется только один ближайший шаг (действие), а решение о характере последующего шага принимается только после оценки результатов предыдущего шага. В принципе такая стратегия является самой разумной, поскольку каждый последующий шаг выполняется на основе наиболее полного информационного обеспечения. Главным недостатком является невозможность предвидеть и контролировать затраты и сроки выполнения проекта. Часто адаптивную стратегию выбирают для того, чтобы полностью использовать творческий потенциал проектировщиков.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое техническое задание, кто, когда и зачем его разрабатывает?

2. Перечислите основные разделы технического задания и поясните их содержание.

3. Как в техническом задании следует учитывать особенности сложных систем?

4. Какие методы проектирования характерны на этапе технического предложения при проектировании сложной системы?

5. Что является выходным продуктом на стадии технического предложения при создании технологического оборудования?

6. Что входит в состав эскизного проекта при разработке современного технологического оборудования?

7. В чем заключается принципиальное отличие проектирования на стадиях технического предложения и эскизного проекта?

8. Перечислите основные типы алгоритмов эскизного проектирования.

9. Разъясните сущность «линейной» стратегии проектирования и охарактеризуйте условия ее использования.

10. Что такое «циклическая» стратегия проектирования и в чем ее достоинства?

11. Что такое «разветвленная» стратегия, когда она используется, в чем заключаются ее достоинства и недостатки?

12. В чем заключаются сущность адаптивной стратегии, ее достоинства и недостатки?

Под средством автоматизации технологического процесса понимается комплекс технических устройств, обеспечивающих перемещение исполнительных (рабочих) органов машины с заданными кинематическими параметрами (траектории и законы движения). В общем случае указанная задача решается посредством системы управления (СУ) и привода рабочего органа. Однако, в первых автоматических машинах выделить приводы и систему управления в отдельные модули невозможно. Пример структуры такой машины представлен на рис.1.

Автомат работает следующим образом. Асинхронный электродвигатель через главный передаточный механизм приводит в непрерывное вращение распределительный кулачковый вал. Далее движения передаются соответствующими толкателями через передаточные механизмы 1…5 на рабочие органы 1…5. Распределительный вал обеспечивает не только передачу механической энергии к рабочим органам, но и является пограммоносителем, согласовывая движение последних по времени. В машине, имеющей такую структуру, приводы и система управления интегрированы в единые механизмы. Приведенной выше структуре может, например, соответствовать кинематическая схема, представленная на рис.2.

Аналогичная машина такого же назначения и соответствующей производительности в принципе может иметь структурную схему, представленную на рис.3.

Автомат, представленный на рис.3, работает следующим образом. СУ выдает команды на приводы 1…5, которые осуществляют перемещение в пространстве рабочих органов 1…5. При этом СУ осуществляет согласование траекторий в пространстве и по времени. Основной особенностью автомата здесь является наличие явно выделенной системы управления и приводов каждого рабочего органа. В общем случае в состав автомат могут включаться датчики, которые обеспечивают СУ соответствующей информацией, необходимой для выработки обоснованных команд. Датчики обычно устанавливаются перед рабочим органом или после него (датчики положения, акселерометры, датчики угловых скоростей, силы, давления, температуры и т.п.). Иногда датчики располагаются внутри привода (на рис.3 канал передачи информации показан пунктиром) и обеспечивают СУ дополнительной информацией (величина тока, давления в цилиндре, скорости изменения тока и т.п.), которая используется для повышения качества управления. Более подробно такие связи рассматриваются в специальных курсах.. Согласно структуре (рис.3) могут быть построены самые разные, принципиально отличающиеся друг от друга автоматы. Основным признаком для их классификации является тип СУ. В общем случае классификация систем управления по принципу действия представлена на рис.4.

Цикловые системы могут быть замкнуты или разомкнуты. Автомат, структура и кинематическая схема которого представлены соответственно на рис.1 и рис.2, имеет разомкнутую систему управления. Такие машины часто называют «механическими дураками», потому что они работают до тех пор, пока вращается распределительный вал. СУ не контролирует параметры технологического процесса и в случае разрегулирования отдельных механизмов автомат продолжает выпускать продукцию, даже если это брак. Иногда в оборудовании могут присутствовать один или несколько приводов без обратных связей (см. привод 3 на рис.3 ). На рис.5 представлена кинематическая схема автомата с разомкнутой цикловой системой управления и раздельными приводами. Автоматом, имеющим такую схему, можно управлять только по времени (обеспечивать согласованные начала перемещений рабочих органов во времени) с помощью перепрограммируемого контроллера, командоаппарата с распределительным кулачковым валом, логической схемы, реализованной на любой элементной базе (пневмоэлементы, реле, микросхемы и т.д.). Основным недостатком управления по времени является вынужденное завышение цикловых параметров машины и, следовательно, снижение производительности. Действительно, создавая алгоритм временного управления, приходиться учитывать возможную нестабильность работы приводов по времени срабатывания, которое не контролируется, путем завышения временных интервалов между подачей управляющих команд. В противном случае может иметь место столкновение рабочих органов, например, из-за случайного увеличения времени хода одного цилиндра и уменьшения времени хода другого цилиндра.

В тех случаях, когда необходимо контролировать начальные и конечные положения рабочих органов (для того, например, чтобы исключить их столкновения), применяют цикловые СУ с обратными связями по положению. На рис.6 представлена кинематическая схема автомата с такой системой управления. Опорные сигналы для синхронизации срабатываний рабочих органов 1…5 поступают с датчиков положения 7…16. В отличии от автомата со структурой и кинематической схемой, представленных на рис.1 и 2, данная машина имеет менее стабильный цикл. В первом случае все цикловые параметры (времена рабочих и холостых ходов) определяются исключительно частотой вращения распределительного вала, а во втором (рис.4 и 6) – они зависят от времени срабатывания каждого цилиндра (является функцией состояния цилиндра и текущих параметров, характеризующих технологический процесс). Однако, эта схема в сравнении со схемой, представленной на рис.5, позволяет повысить производительность машины за счет исключения ненужных временных интервалов между подачей команд управления.

Все приведенные выше кинематические схемы соответствуют цикловым СУ. В том случае, когда хотя бы один из приводов автомата имеет позиционное, контурное или адаптивное управление, то принято называть его СУ соответственно позиционной, контурной или адаптивной.

На рис.7 представлен фрагмент кинематической схемы поворотного стола автомата с позиционной СУ. Привод поворотного стола РО осуществляется электромагнитом, состоящим из корпуса 1, в котором расположены обмотка 2 и подвижный якорь 3. Возврат якоря обеспечивается пружиной, а ограничение хода – упорами 5. На якоре установлен толкатель 6, который посредством ролика 7 , рычага 8 и вала I связан с поворотным столом РО. Рычаг 8 связан с неподвижным корпусом пружиной 9. Подвижный элемент потенциометрического датчика положения 10 жестко связан с якорем.

При подаче напряжения на обмотку 2 якорь сжимает пружину и, уменьшая зазор магнитопровода, перемещает РО посредством механизма прямолинейной кулисы, состоящей из ролика 7 и кулисы 8. Пружина 9 обеспечивает силовое замыкание ролика и кулисы. Датчик положения обеспечивает СУ информацией о текущих координатах РО.

СУ увеличивает ток в обмотке до тех пор, пока якорь, а, следовательно, и жестко связанный с ним РО, не достигнет заданной координаты, после чего сила пружины уравновесится силой электромагнитной тяги. Структура СУ такого привода может иметь, например, вид, как показано на рис.8.

СУ работает следующим образом. Устройство считывания программ выдает на вход преобразователя координат переменную х₀ , выраженную например в двоичном коде и соответствующую требуемой координате якоря двигателя. С выхода преобразователей координат, один из которых является датчиком обратной связи, напряжения U и U₀ поступают на устройство сравнения, вырабатывающее сигнал ошибки DU, пропорциональный разности напряжений на его входах. Сигнал ошибки подается на вход усилителя мощности, который в зависимости от знака и величины DU выдает ток I на обмотку электромагнита. Если величина ошибки становится равной нулю, то ток стабилизируется на соответствующем уровне. Как только выходное звено по той или иной причине смещается от заданного положения, величина тока начинает меняться таким образом, чтобы вернуть его в исходное положение. Таким образом, если СУ последовательно задает приводу конечное множество М записанных на программоносителе координат, то привод будет иметь М точек позиционирования. Цикловые СУ обычно имеют две точки позиционирования по каждой координате (для каждого привода). В первых позиционных системах количество координат ограничивалось числом потенциометров, каждый из которых служил для запоминания определенной координаты. Современные контроллеры позволяют задавать, хранить и выдавать в двоичном коде практически неограниченное число точек позиционирования .

На рис.8 представлена кинематическая схема типового электромеханического привода с контурной СУ. Такие приводы широко применяются в станках с числовым программным управлением. В качестве датчиков обратной связи используются тахогенератор (датчик угловой скорости) 6 и индуктосин (датчик линейных перемещений) 7. Очевидно, что механизмом, представленным на рис. 8, может управлять позиционная система (см. рис.7).

Таким образом, по кинематической схеме невозможно отличить контурную и позиционную СУ. Дело в том, что в контурной СУ программирующее устройство запоминает и выдает не набор координат, а непрерывную функцию. Таким образом, контурная система – это по сути позиционная система с бесконечным числом точек позиционирования и управляемым временем перехода РО из одной точки в другую. В позиционных и контурных СУ имеется элемент адаптации, т.е. они могут обеспечить ход РО в заданную точку или его движение по заданному закону при различных реакциях на него со стороны окружающей среды.

Однако, на практике адаптивными СУ принято считать такие системы, которые в зависимости от текущей реакции окружающей среды могут менять алгоритм работы машины.

На практике при проектировании автомата или автоматической линии бывает чрезвычайно важно на стадии эскизного проектирования выбрать приводы механизмов и СУ. Эта задача является многокритериальной . Обычно выбор приводов и СУ осуществляют по следующим критериям:

n стоимость;

n надежность;

n ремонтопригодность;

n конструктивная и технологическая преемственность;

n пожаро- и взрывобезопасность;

n уровень рабочего шума;

n устойчивость к электромагнитным помехам (относится к СУ);

n устойчивость к жестким излучениям (относится к СУ);

n массогабаритные характеристики.

Все приводы и СУ можно классифицировать по типу используемой энергии. В приводах современных технологических машин обычно используются: электрическая энергия (электромеханические приводы), энергия сжатого воздуха (пневмоприводы), энергия потока жидкости (гидроприводы), энергия разрежения (вакуумные приводы), приводы с двигателями внутреннего сгорания. Иногда в машинах применяют комбинированные приводы. Например: электропневматический, пневмогидравлический, электрогидравлический и проч. Краткие сравнительные характеристики двигателей приводов приведены в таблице 1. Кроме того, при выборе привода следует учитывать передаточный механизм и его характеристики. Так, сам двигатель может быть дешевым, а передаточный механизм -дорогим, надежность двигателя может быть большой, а надежность перадаточного механизма – маленькой и проч.

Важнейшим аспектом выбора типа привода является преемственность. Так, например, если во вновь проектируемом автомате хотя бы один из приводов гидравлический, то стоит подумать о возможности применения гидравлики и для остальных рабочих органов. Если гидравлика применяется впервые, то надо помнить, что она потребует установки рядом с оборудованием весьма дорогой и большой по массогабаритным параметрам гидростанции. Точно также надо поступать и в отношении пневматики. Порой бывает неразумно прокладывать пневмомагистраль или даже покупать компрессор ради одного пневмопривода в одной машине. Как правило, при проектировании оборудования нужно стремиться к применению однотипных приводов. В этом случае, кроме перечисленного выше, существенно упрощается техническое обслуживание и ремонт. Более глубокое сравнение различных типов приводов и СУ можно произвести только после изучения специальных дисциплин.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называют средством автоматизации технологического процесса применительно к производству?

2. Перечислите основные составные части автоматической производственной машины.

3. Что выполняло функции программоносителя в первых цикловых автоматах?

4. В чем заключается эволюция автоматических производственных машин?

5. Перечислите типы СУ, применяемых в технологическом оборудовании.

6. Что такое замкнутая и разомкнутая СУ?

7. В чем заключаются основные особенности цикловой СУ?

8. Чем различаются позиционные и контурные СУ?

9. Какие СУ называются адаптивными?

10. Из каких основных элементов состоит привод машины?

11. По каким признакам классифицируются приводы машин?

12. Перечислите основные типы приводов, применяемых в технологических машинах.

13. Перечислите критерии сравнения приводов и СУ.

14. Приведите пример замкнутого циклового привода.

Анализ продукции машиностроения, приборостроения показывает, что без существенного переосмысления конструкции большинства изделий и связанных с ней технологических процессов редко удается автоматизировать их производство. В общем случае изделие в целом и его элементы (детали) должны разрабатываться с учетом возможности их автоматизированного изготовления. Сегодня в машиностроении и в приборостроении особо остро стоит вопрос об автоматизации сборочных работ, на которые подчас приходится от 30 до 70 % трудоемкости производства всего изделия. Поэтому вопрос о подготовленности продукции к автоматизированному производству можно рассматривать в контексте задачи автоматизации сборочных работ.

Началу проектных работ по автоматизации изготовления изделия должен предшествовать тщательный анализ конструкции изделия и технологического процесса его производства. Этот анализ преследует цель оценить степень подготовленности изделия к автоматизированному производству, а, следовательно, и целесообразность проведения самих проектно-конструкторских работ.

Суть метода оценки степени подготовленности изделия к автоматизированному производству заключается в следующем.

При анализе полагается, что выполнение основных технологических операций уже обосновано и оправдано. Имеется в виду лишь подготовленность изделия к автоматизированному производству в смысле автоматизации «вспомогательных» операций: таких, как автоматическое ориентирование детали в пространстве, ее подача на рабочую позицию, транспортирование, съем и т.д. Подобные операции занимают важное место и в других технологических процессах. Например, это может быть загрузка металлорежущего или кузнечно-прессового оборудования.

Объективного способа оценки свойств деталей, характеризующих их приспособленность к автоматизированному выполнению упомянутых выше операций, нет. Нет таких приборов, которые могли бы измерить эти свойства. Поэтому в основу метода оценки положен поэлементный анализ конструкции изделия, его элементов, материалов и прочего с точки зрения возможности и технической целесообразности автоматического выполнения «вспомогательных» операций. При этом используется так называемый «метод экспертных оценок (ранжирования)» , когда различным свойствам изделия присваивается экспертами определенные оценки – ранги по заранее выбранной шкале: двухбалльной, трехбалльной и т.д. В случае двухбалльной шкалы оценки могут означать: «плохо» – «хорошо», «годен» – «брак» или выражаться числами 0 – 1. Таким образом, ранг – это количественная оценка, но она носит условный, субъективный характер.

Ранговый метод менее чувствителен, чем физические измерения, и прибегать к нему целесообразно лишь в случаях, когда физические измерения невозможны. В данном случае имеет место как раз такая ситуация.

Параметрами оценки в поэлементном анализе являются: конфигурация, физико-механические свойства, состояние поверхности, сцепляемость деталей, абсолютные размеры и их соотношения, показатели симметрии и специфические свойства детали.

Все перечисленные свойства дифференцированы на семь ступеней.

1 ступень отражает дифференциацию деталей по признакам пригодности, подготовленности к автоматической ориентации в пространстве с учетом асимметрии их формы, центра тяжести и т.п.

II ступень характеризует свойства сцепляемости деталей, т.е. их способность автоматически отделяться друг от друга. Причем здесь учитываются все возможные физические причины явления сцепляемости (механическое сцепление, сцепление полем, адгезия и т.д.).

III и IV ступени характеризуют детали по их форме:

а) стержневые – l/d > 1 (или l/b >1, h/b » 1 для параллепипедов см. рис.1),

б) равноразмерные – l/d » 1 (или l » h » b для параллелепипедов),

в) толстые пластины – l/d < 1 (или l/b > 1 при b > h для параллелепипедов),

г) тонкие пластины l/d £ 0.01 (или h/l £ £0.01 при b> h для параллелепипедов).

Различие между толстыми и тонкими пластинами здесь условно, а под параллелепипедом понимается фигура, в которую вписана исследуемая деталь.

V ступень определяет свойства симметрии детали.

VI ступень характеризует наружную форму детали по признаку наличия (отсутствия) у формы центрального отверстия.

VII ступень характеризует дополнительные признаки элементов конструкции детали, влияющие на сложность автоматизации операций технологического процесса.

В целом каждая ступень характеризует совокупность определенных, сходных, близких свойств изделия. Всем свойствам присваивается определенный числовой балл (оценка). Чем сложнее автоматизировать операцию с учетом конкретного свойства или признака детали, тем более высокий балл присваивается этому признаку. Здесь важно отметить, что баллом оценивается как деталь, так и сама технологическая операция. Если изменить задачу (например, исключить ориентацию за счет подачи изделия в ориентированном виде), изменится и балл этого свойства детали.

Схема оценки подготовленности изделия к автоматизированному производству приведена в форме таблицы 1. Информативность представленной таблицы составляет почти полтора миллиона изделий и техпроцессов.

Сложность детали характеризует сумма баллов b по параметрам оценки:

, (1)

где – экспертная оценка свойства детали по j -ой ступени. Для цилиндрического штифта, представленного на рис.2 а, оценку b можно представить в виде:

b(1012110) = 6 .

Для пакета конденсатора с гибкими выводами (рис.2 б) при подаче его из магазина :

b(2022130) = 15,

а при подаче из вибробункера (когда выводы могут сцепляться) :

b(2618130) = 22.

Таким образом, получается, что нельзя оценить сложность автоматизированной загрузки детали без учета технологии загрузки.

Установлены четыре категории сложности автоматизации, которые выражаются безразмерным показателем К.

1. Первая категория сложности (К = 1, b = 0…10). Детали и сборочные компоненты достаточно простой формы. Известны технические решения для ориентации, загрузки, базирования, транспортирования, съема.

2. Вторая категория сложности ( К = 2, b = 10…20 ). Средняя сложность автоматизации. Требуется отработка системы ориентации и загрузки деталей. Целесообразна экспериментальная проверка.

3. Третья категория сложности ( К = 3, b = 20…25). Высокая сложность задачи автоматизации. Требуется тщательный анализ деталей по отдельным параметрам элементов конструкции, необходимо обоснование целесообразности проектно-конструкторских работ.

4. Четвертая категория сложности (К = 4, b> 25 ). Из-за сложности автоматизации вспомогательных операций (как правило, загрузки) автоматизация не целесообразна.

Если в кодовом номере детали (последовательной записи оценок по семи ступеням) имеется балл «8» или «9», то степень сложности автоматизации следует завысить на одну категорию.

Сложность автоматизации сборки всего изделия оценивается по итоговой сумме баллов В входящих в него компонентов:

, (2)

где – сумма баллов – ой детали, – количество однотипных деталей, n – число наименований деталей, входящих в сборку.

Оценкой подготовленности конструкции изделия к автоматизированному производству является среднее значение суммы баллов и категорий сложности :

и (3)

, (4)

где Z – общее количество деталей, входящих в сборку, а – категория сложности i – ой детали.

При хорошей подготовленности изделия к автоматизированному производству имеют место следующие соотношения:

, , . (5)

Если К_ср> 3, то автоматизировать производство данного изделия сложно или даже нецелесообразно.

Однако, в ряде случаев можно устранить причины, приводящие к повышенным баллам на детали, по отдельным признакам. Для этого анализируют изделие и модернизируют его с целью исключения высоких баллов по разрядам. При этом, разумеется, такая модернизация не должна ухудшать функциональные характеристики изделия.

Таким образом, метод ранговых оценок является не только инструментом анализа подготовленности изделия к его автоматизированному производству, но и важным методом модернизации с целью повышения его технологичности.

Рассмотрим ряд примеров модернизации конструкции изделия с целью повышения его пригодности к автоматизированному производству.

Пример 1. Изделие, представленное на рис.3 а, подлежит автоматической ориентации в пространстве. Основная трудность этой операции заключается в распознавании размеров отверстий. При d1 » d2 (рис.3 а) имеет место весьма незначительная асимметрия. Идеальным вариантом является модернизация, приводящая к устранению асимметрии: d1 = d2 (рис.3 б). В этом случае измерение и сравнение отверстий просто исключается, поскольку модернизированная деталь симметрична. Если по условиям эксплуатации детали асимметрия не может быть ликвидирована, то ее желательно сделать явно выделенной: d1>> d2 (рис.3 в). В этом случае процесс распознавания положения детали и ее последующая ориентация существенно упрощаются.

Пример 2. Трубку с внутренней несимметрично расположенной канавкой (рис.4 а) необходимо автоматически ориентировать вдоль ее оси. Проблемой является незначительная асимметрия внутреннего контура. Самым рациональным вариантом модернизации является устранение асимметрии (рис.4 б). В этом случае отпадает необходимость ориентации детали вдоль продольной оси. В том случае, если асимметрию необходимо сохранить, то рекомендуется ее усилить (рис.4 в). И наконец, если канавку переносить нельзя, то можно ввести искусственную явную асимметрию наружного контура (рис.4 г).

Пример 3. На рис.5 представлены два варианта исполнения кольца. Очевидно, что вариант исполнения «а» менее предпочтителен чем «б» и «в», поскольку в первом случае кольца могут сцепляться, а во втором и третьем – не могут.

Пример 4. На рис.7 а представлена конструкция пружины, которая весьма легко может сцепиться с такими же пружинами, находясь с ними в одном бункере.

В модернизированной конструкции пружины устранена возможность сцепления.

Приведенные выше примеры еще раз подтверждают, что проблемы симметрии и сцепляемости имеют место только в том случае, если технологический процесс предусматривает ориентацию деталей или хранение их «навалом».

Пример 5. На рис.8 представлены четыре варианта сборки, подлежащих автоматизации.

Базовый вариант (рис.8 а) представляется наименее целесообразным, поскольку при установке шайбы снизу ее надо удерживать до момента начала завинчивания гайки. Вариант, когда гайка и шайба устанавливаются сверху (рис. 8 б), предпочтительнее предыдущего. Главным его недостатком является необходимость удержания сразу двух элементов крепежа (гайка и болт). Вариант сборки посредством одного болта (рис.8 в) позволяет осуществить сборку одним рабочим органом (нет гайки и нет рабочего органа для ее установки и удерживания). Однако, в этом случае необходимо нарезать в одной из деталей резьбу (сборка упрощается, а стоимость изготовления деталей возрастает). И, наконец, вариант, представленный на рис.8 г, обеспечивает наивысшую приспособленность изделия к автоматизированной сборке, но заклепочное соединение является неразборным.

В последнем примере наглядно показано, как может измениться сложность автоматизации сборочных процессов не только от изменения конструкции сборочной единицы, но и от ориентации элементов сборки в пространстве (например, установка болта в горизонтальном положении еще менее предпочтительна, чем варианты, представленные на рис.8.). Эти же примеры показывают, что принципиальное изменение конструкции сборочной единицы часто приводят к коренному изменению проблемы автоматической сборки. Еще одним доказательством этого может послужить новая конструкции вилок электрошнуров. Их производство в сравнении со старыми вилками полностью автоматизировано.