Структура процесса конструкторского проектирования и тенденции развития процесса

Цель занятия – общее знакомство с процессами проектирования и конструирования технических объектов.

Задачи занятия:

1.Знакомство с общими понятиями о процессе конструкторского проектирования и конструкторской документацией.

2.Изучение структуры процессов проектирования, конструирования и содержания их структурных составляющих.

3.Знакомство с общими тенденциями развития процесса проектирования.

1. Общие понятия о процессе проектирования и конструкторской документации

Проектирование охватывает исключительно широкий круг вопросов, включая проектирование объектов социального назначения, производств для изготовления определённого вида продукции (комбинатов, заводов и т.п.), их отдельных структурных единиц (цехов, линий, участков и т.п.), механизмов и деталей. В курсах “ДМ и ОК”, “ДМ” и “ОП” изучаются методологические вопросы, относящиеся к проектированию деталей машин и отдельных сборочных единиц: узлов, механизмов, которые будем называть для краткости техническими объектами (ТО), изделиями, если не требуется особая детализация.

Проектирование изделий представляет собой процесс разработки технической документации, необходимой для производства, последующей эксплуатации и утилизации ТО. Конструирование или конструкторское проектирование является этапом проектных работ, определяющим геометрические и основные эксплуатационные параметры изделия из условия его работоспособности и удовлетворения других требований при заданных параметрах. Техническая документация включает графические и текстовые документы. Виды и комплектность конструкторских документов единой системы конструкторской документации (ЕСКД) регламентированы ГОСТ 2.102-68 [1] и показаны на рис.1. К графическим документам относят разнообразные чертежи (сборочные, теоретические, габаритные, монтажные и другие), схемы, электронные модели [2].

Рис 1. Сокращённый перечень конструкторских документов, регламентированных ГОСТ 2.102-68 (документы конструкторские, разрабатываемые в КП по ДМ и ОК, ОП выделены жирным шрифтом)

Среди текстовых документов (ГОСТ 2.106-96) выделяют тексты, разбитые на графы: спецификации, ведомости (спецификаций ссылочных документов, покупных изделий и др.); таблицы и в основном сплошной текст: пояснительные записки, расчёты, инструкции и т.п. При выполнении первой конструкторской работы, какой является курсовой проект рассматриваемых дисциплин, изучают формирование следующих документов: пояснительная записка, расчёты, таблицы, спецификации, сборочные чертежи, чертёж общего вида, рабочие чертежи деталей. В учебных проектах (курсовых и дипломных) всю текстовую документацию часто объединяют в одном документе «Расчётно-пояснительная записка» (РПЗ). Указанные документы выполняются в традиционной форме на бумажных носителях. При выполнении индивидуальных работ по согласованию с их руководителем конструкторская документация может быть представлена в электронной форме.

2. Структура процессов проектирования и конструирования

Конструкторское проектирование относится к роду человеческой деятельности, в которой отсутствует строгая формулировка задачи, а её место занимает целый ряд общих требований: работоспособность, технологичность, минимальные энерго- и материалоёмкость, минимальная стоимость и т.п.[3]. Это обстоятельство естественно предоставляет значительное количество возможных конструктивных вариантов и многочисленные пути их реализации, что исключает строгую схематизацию процесса проектирования. Однако с определённой долей условности последовательность изучаемого процесса можно представить блок-схемой, показанной на рис.2. В процессе конструкторского проектирования выделяют следующие структурные составляющие: формирование технического задания на проектирование (поз.1), структурный синтез (техническое предложение, техническая концепция) (поз.2), оценка предлагаемой структуры с позиции возможности соответствия ТЗ (поз.3), параметрический синтез (поз.5) и проверку соответствия требованиям ТЗ (поз.6), выбор окончательного варианта и оформление ДК (поз.8). В случае, если выработанное решение на этапах структурного и параметрического синтеза не удовлетворяет проектировщика по каким-либо требованиям, то оно подвергается анализу и вырабатываются новые варианты (операции поз. 4 и 7 на рис. 2). При разработке новых решений используют переменные проектирования (ПП). ПП называют такие неизвестные параметры, которые могут варьироваться в определённом диапазоне, обеспечивая возможность оптимизации решения (подробнее см. ниже). Важно заметить, что при решении проектных задач число неизвестных параметров существенно превышает

Рис. 2. Структура процесса проектирования технических объектов

количество уравнений, описывающих объект и явления, происходящие в нём при эксплуатации. Решение подобных ситуаций осуществляется методом последовательных приближений – методом итераций. Из рис. 2 следует, что итерационные циклы выделяют как на этапе структурного, так и параметрического синтеза.

Рассмотрим подробнее содержание основных этапов процесса конструкторского проектирования.

2.1. Формирование технического задания на проектирование

Отправным этапом процесса проектирования машин или других видов ТО является формирование технического задания (ТЗ) на проектирование (поз.1 на рис. 2). Исходные параметры ТЗ предоставляют маркетинговые исследования, формирующие основные требования к планируемому в производство ТО со стороны рынка, или технологический расчёт процесса, для реализации которого создаётся технический объект. Принципиально важно отметить, что ТО, разрабатываемые с целью удовлетворения определённых социальных потребностей, должны создаваться для выполнения технологических процессов, основанных на новейших фундаментальных и прикладных исследованиях, которые закладывают прогрессивное развитие техники. При проведении технологических расчётов устанавливаются специфические особенности назначения ТО или их комплекса для реализации рассматриваемой технологии. Применительно к машинам – это закономерности движения рабочих органов, траектории их движений и скорости перемещений в выполняемом процессе, требуемая производительность, режим работы и характерные условия эксплуатации. Технологические расчёты изучаются в специализирующих дисциплинах, например, применительно к специальности ТМС в курсах теории резания, технологии машиностроения и т.д.

Параллельно с технологическими расчётами на рассматриваемом этапе также устанавливают необходимость в проектировании новой машины. Следует иметь в виду, что создание новой машины требует значительных материальных затрат. Поэтому, прежде чем начать разработку машины, предварительно изучают парк выпускаемой отечественной и зарубежной техники, которая может выполнять запланированные технологические операции.

В качестве объективных факторов необходимости проектирования новой машины можно принять: отсутствие техники для осуществления планируемой технологической операции, невозможность обеспечения существующими техническими средствами требуемого качества, уровня механизации и автоматизации планируемого технологического процесса и других требований.

Одним из важнейших факторов в решении вопроса о целесообразности процесса проектирования и разработки ТЗ, безусловно, является также экономическая обоснованность.

Содержание ТЗ определено ГОСТ Р 15.201-2000. ТЗ представляет собой документ, содержащий необходимые и достаточные требования для разработки продукции, которые взаимно признаются заказчиком и разработчиком и закрепляются совместным договором. Основное назначение технического задания – определение цели проектирования и обоснование направления поиска. В рамках сформулированной цели ТЗ должно содержать наименование и функциональную характеристику объекта проектирования, его технические, тактико-технические характеристики и показатели качества, технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, необходимые стадии разработок конструкторской документации и её состав, а также специальные требования заказчика к изделию. Исходные технические, тактико-технические и т.п. данные получают на этапах технологического расчёта, выявления потребности в проектирование изделия, при составлении технического задания и выработки первичного варианта технической концепции.

Формирование ТЗ требует исчерпывающей информации о функциональных и технико-экономических характеристиках отечественных и зарубежных технических объектов аналогичных функциональных назначений с планируемыми к проектированию, о научных и опытно-конструкторских разработках в данной области, стандартах по техническим параметрам и параметрам качества. В современных информационных технологиях проектирования отмеченная информация предоставляется посредством баз данных (БД), управляемых с помощью интерактивных диалогов.

Поставленные в техническом задании рубежные технико-экономические параметры изделия определяют его необходимость и практическую ценность, поэтому выполнение данного этапа процесса проектирования поручают специалистам наиболее высокой квалификации. В курсовых проектах по изучаемым дисциплинам, являющихся начальным этапом освоения основ конструирования, техническое задание на проектирование обычно задаётся.

2.2. Структурный синтез технического объекта и ориентировочная оценка этапа

На этапе структурного синтеза технического объекта и его оценки (поз. 2, 3 на рис. 2) вырабатывается техническая концепция (техническое предложение, инженерный замысел) проектных решений, способных реализовать технологический процесс, для которого ТО создаётся, и технические требования к нему. Под технической концепцией (ТК) понимается способ описания объекта техники, освещающий принцип выполнения запланированных функций.

Первоначально при разработке ТК в соответствии с требованиями к техническому объекту фиксируют полный комплекс функциональных услуг, которые должны быть им реализованы, включая прямые, а также косвенные, необходимые для реализации прямого назначения. Например, приводные станции транспортирующих машин, принятые в качестве объектов курсового проектирования изучаемых дисциплин, выполняют функции приведения частоты вращения вала к частоте вращения рабочего органа, регулирования его скорости, получения реверсного движения, привода от одного двигателя нескольких исполнительных механизмов и т.п. На начальной стадии изучения конструкторской деятельности чаще задают лишь первую из названных функций. Её параметром является требуемое общее передаточное отношение i_общ. Реализации задачи преобразования частот вращения служат разнообразные передачи, в том числе механические: зубчатые, червячные, цепные, ремённые и т.д. Задача синтеза в данном случае будет заключаться в создание такого механизма, который бы, прежде всего, реализовал требуемое передаточное отношение i_общ. Вновь акцентируем внимание на невозможности однозначного решения технических проблем. В частной задаче создания передаточного механизма можно предложить комбинацию разнообразных передач, каждая из которых однозначно должна обеспечить требуемое передаточное отношение, но при этом будет иметь свои характерные качества.

Форма фиксации инженерного замысла может быть разнообразной, но наиболее часто она проводится в виде конструкторских документов, называемых схемами. ГОСТ 2.701-2008 классифицирует схемы на виды, определяемые особенностями элементов и связей, входящих в изделие (электрические гидравлические и т.п.), и типы в зависимости от основного назначения (структурные, принципиальные и т.п.). Наиболее наглядной и лаконичной формой представления описанной информации применительно к курсовым проектам по ДМ и ОК являются структурные и кинематические схемы. Взаимосвязи всех функциональных структурных элементов ТО, поддержанные решением вопросов о принципах реализации, дают основание построить принципиальную схему объекта проектирования в целом и его отдельных элементов. При этом первоначально вырабатывается схема, отражающая концепцию исполнительного механизма, а затем прорабатывается периферия.

Одновременно с составлением отмеченных схем производятся энергетический, кинематический и силовой анализы предложенных вариантов проектируемого объекта. Применительно к разрабатываемым в курсовых проектах приводным станциям определяются требуемая мощность, подбирается типовой двигатель, устанавливаются частоты вращения и крутящие моменты по всей кинематической цепи.

Завершается концептуальный синтез и анализ технического объекта сравнительной оценкой предлагаемых альтернативных вариантов (поз. 3 на рис 2). На обсуждаемом этапе процесса проектирования сравнительная оценка может рассматриваться как сугубо ориентировочная. Среди наиболее важных показателей оценки машин можно назвать ожидаемые материало-, энерго-, трудоёмкость, возможность обеспечения требований техники безопасности, производственной санитарии и охраны окружающей среды. Оценка здесь производится на уровне ориентировочного сравнения альтернативных вариантов типа «подходит – не подходит», «обеспечивает – не обеспечивает», «более или менее предпочтительно», «больше - меньше» и т.п. В связи с ориентировочностью оценки для дальнейших работ часто назначают ряд наиболее перспективных вариантов. В процессе проведения сравнительной оценки предлагаемый вариант технического предложения может быть отклонён. В этом случае идёт поиск новых конструктивных решений с помощью переменных проектирования. К ПП на стадии структурного синтеза следует отнести изменение структуры ТО в целом, изменение отдельных его составляющих элементов, изменение параметров работы структурных элементов.

Этапу синтеза и анализа передаточного механизма посвящена специальная лабораторная работа.

2.3. Параметрический синтез технического объекта и его оценка

Этап параметрического синтеза служит выявлению полного комплекса геометрических и эксплуатационных параметров технического объекта, проверке их соответствия параметрам и требованиям технического задания и оформлению требуемых конструкторских документов, необходимых для осуществления всех последующих стадий жизненного цикла проектируемого объекта (поз. 5, 6 на рис.2).

2.3.1. Требования к техническим объектам

В основе разработки методов проектирования ТО лежат требования, которые к ним предъявляются. Практикой проведения проектных работ выявлено несколько общих требований, которые играют первостепенную роль при создании и оценке технических объектов. Их называют критериями развития ТО [4]. Принято выделять такие группы критериев: функциональные, технологические, экономические и антропологические. Основные требования каждой из выделенных групп приведены на рис. 3, базой которого послужили данные работы [4]. В теоретическом курсе изучаемых дисциплин рассматриваются лишь вопросы функциональных требований, предъявляемых к простейшим сборочным единицам и деталям машин общего назначения. На лабораторных, практических занятиях и при выполнении курсовых проектов в общем виде поднимаются вопросы технологии изготовления некоторых деталей и сборки узлов, безопасности эксплуатации и экономики. Удовлетворение комплекса критериев при проектировании осуществляется в определённой последовательности. При этом их ранжирование в чередовании целесообразно провести по уровню воздействия на конструкцию объекта. Несомненным приоритетом в этом плане обладают функциональные критерии. К функциональным требованиям передаточных механизмов относят: во-первых, кинематические критерии (требования по передаточному отношению i_общ), удовлетворяемые, как показано выше, на этапе синтеза механизма; а во-вторых – обеспечение работоспособности всех его элементов. Этап параметрического синтеза основан именно на обеспечение работоспособности элементов машин. В теоретическом курсе было показано, что обеспечение работоспособности достигается исключением отказов и в соответствие с ними выделены критерии работоспособности (КР), характерные для простейших узлов и деталей общемашиностроительного назначения: прочность, износостойкость, жесткость, теплостойкость, вибростойкость, достаточность сцепления (см. лекцию №1).

Важно отметить, что во многих ДМ имеют место отказы нескольких видов. В подобных случаях первоначально для проектирования применяют критерии, соответствующие наиболее часто встречающимся отказам, которые назовем критериями работоспособности первичными (КРП).

После проведения проектных операций по КРП обязательно проводятся проверки по другим отказам. Особо выделим случаи, когда приоритетность критериев работоспособности спорна. В подобных ситуациях проектант для проектных расчётов может принять КРП по своему усмотрению, ориентируясь на собственный опыт и интуицию. Если же в дальнейшем при проверочных расчётах работоспособность по каким-либо другим критериям не обеспечивается, то это свидетельствует о большей значимости в принятых для проектирования конкретных условиях данных критериев. В подобном случае геометрические и эксплуатационные параметры ТО следует уточнить из условия удовлетворения именно этих КР. После выделения критериев работоспособности первичных для конструируемого объекта создают расчётную модель или схему.

Рис. 3. Общие требования к техническому объекту

2.3.2. Понятие расчётной модели

Расчетной моделью (МР) проектируемого изделия принято называть совокупность представлений, зависимостей, условий и ограничений, описывающих объект и явления, происходящие в последнем при его функционировании, которые служат для построения математических моделей соответствующих критериев работоспособности. При построении МР учитывают наиболее значимые факторы, пренебрегая менее существенными. Учёт всех факторов практически не имеет смысла в силу их значительного количества и невозможности описания математической моделью. К универсальным составным элементам расчётных моделей можно отнести: модели материала и формы, модели нагружения и условий эксплуатации.

В моделях материалов материал детали независимо от объёма, выделенного из тела, и его микроструктуры обычно представляется в виде однородной сплошной среды. Модель материала принято наделять свойствами, присущими конструкционным материалам (прочностью, упругостью, пластичностью и т.п.). Обычно конструкционные материалы принимаются изотропными, а композиционные и разнообразные технические ткани – анизотропными.

В моделях формы детали чаще используют упрощенные модели сопротивления материалов: стержни, кольца, оболочки, балки и т.п., применяя при этом и математический аппарат отмеченной дисциплины для определения напряжений, перемещений, деформаций и т.д. Для описания моделей форм сложных по геометрии деталей прибегают к составным моделям, представляющим собой комбинации прямолинейных и криволинейных стержней с кольцами, пластинами, оболочками и другими элементами.

Модели нагружения имеют первостепенную значимость для таких критериев работоспособности, как прочность, жёсткость, износостойкость, вибростойкость, достаточность сцепления. Обсуждаемые модели в прочностных задачах определяются видом нагружающих изделие сил и видом вызываемых ими разрушений.

Известно, что силы в механике принято подразделять на поверхностные и объёмные. Поверхностные силы приложены к определённому участку поверхности. С физических позиций поверхностные силы в деталях, узлах механизмов и машин представляют собой результат взаимодействия сопряжённых элементов изделий. В зависимости от соотношения размеров изделия в целом и площадки контакта сопряжения силы подразделяются на распределённые и сосредоточенные. К первым относят силы, действующие на участок поверхности, соизмеримый с полной поверхностью изделия, ко вторым – силы на малых участках. Указанное разделение сил является условным и в зависимости от цели расчёта и требуемой точности одна и та же нагрузка может моделироваться как сосредоточенной, так и распределённой силой. Объёмные силы распределены по всему объёму изделия, например, силы тяжести, инерции. В моделях нагружения они также представляются в виде распределённой или сосредоточенной силы.

В зависимости от вида разрушения нагрузки (силы и другие силовые факторы) подразделяются на постоянно действующие (статические) и циклические, кратковременно и длительно действующие. К постоянно действующим относят силы, которые медленно возрастают от нуля до своего постоянного значения и остаются практически постоянными в процессе эксплуатации изделия. Циклическими называют периодически повторяющиеся при работе силы или условно постоянно действующие силы, вызывающие циклическое изменение напряжений в элементах изделий. К кратковременно действующим относят циклические силы, которые за время эксплуатации изделия нагружают его элементы числом циклов напряжений N_∑ , не превышающих 10³ ÷ 5∙10⁴ (квазистатические); к длительно действующим – циклические нагрузки с N_∑ > (10³ ÷ 5∙10⁴). Постоянно действующие и кратковременные циклические нагрузки вызывают разрушения статические, а длительно действующие циклические – усталостные. В соответствие с последним первая модель нагружения используется при расчётах на квазистатическую прочность, вторая – на усталостную прочность (выносливость). При составлении модели нагружения в расчётах на выносливость следует также классифицировать нагрузки по величине на постоянные и переменные (изменяющиеся плавно или ступенчато). Переменные нагрузки в расчётной практике принято заменять эквивалентными постоянными, которые приводят к таким же усталостным разрушениям, что и фактические переменные.

Хорошей школой в освоение методологии построения расчётных моделей – этого важнейшего этапа проектирования – могут служить модели расчётов типовых деталей, узлов и т.п., которые достаточно подробно изучены (см. курс лекций). В отличие от обучающихся, опытный проектировщик в подобных типовых ситуациях, минуя построение МР, пользуется готовым математическим аппаратом, реализуемым в форме методик расчёта или подбора деталей, узлов и т.п.

После составления расчётной модели по выделенным КР и выработки соответствующих математических моделей проводят необходимые расчёты. Расчёты могут выполняться в проектной и проверочной формах, отличающихся как исходными данными, так и задачами.

2.3.3. Проверочная и проектная формы расчётов технических объектов

Отличительные особенности исходных данных и задач проектных и проверочных расчётов на примере таких ТО как машины, механизмы показаны в таблице 1. Стоит ещё раз акцентировать внимание на том, что исходные данные по нагрузке, кинематическим параметрам, ресурсу, режиму работы и условиям эксплуатации, ограничениям на параметры изделия, записанные в таблице 1. получают предварительно на этапах технологического расчёта, маркетингового исследования и обоснования необходимости проектирования изделия, формирования технического задания и могут уточняться в процессе проектирования.

Так же, как при синтезе и анализе проектного решения, этапы конструирования изделий и проверочные расчёты ведутся в итерационном режиме, путём последовательного приближения к оптимальному решению. Наличие значительного количества факторов, нередко противоречиво влияющих на конструкцию, исключает абсолютность понятия оптимизации.

Таблица 1. Исходные данные и задачи проектной и проверочной форм расчёта.

Проектная форма	Проверочная форма
Исходные данные
1. Назначение объекта, способ и устройство для реализации требующихся функций, установленных в результате технологических расчётов или маркетинговых исследований   Назначение, способы и устройства Способы и устройства, для реализации требующихся функций реализованные в виде серийных (фрагменты технической концепции) производимых ТО, а также должны быть сформулированы в виде технического решения в проектном расчёте
2. Условия эксплуатации (параметры окружающей среды) Диапазон изменения температур, влажности, концентрации пыли, агрессивных сред и т.п.
3. Параметры эксплуатации 3.1. Нагрузка и закономерность её изменения в виде циклограмм, нагрузочных графиков, режима работы 3.2. Кинематические параметры движения технических объектов: траектории, скорости, законы их изменения и т.п. 3.3. Требующийся ресурс 3.4. Геометрические параметры объекта   должны быть установлены полностью известны   3.5. Материалы и их физико-механические свойства   должны быть установлены полностью известны
4. Параметрические ограничения ТО 4.1 Габаритных или других размеров 4.2. Абсолютной или удельной массы 4.3. Параметров, отвечающих технологическим, антропологическим, экономическим требованиям
5. Другие требования
Задачи расчётов
Определение предварительных геометрических и эксплуатационных параметров ТО, оптимально отвечающих функциональным и другим требованиям	1. Обеспечение работоспособности ТО в заданных условиях при требующемся ресурсе 2. Установление фактического ресурса, если требуемый ресурс не обеспечивается 3. Обеспечение параметрических и других ограничений

Оптимальность конструкции достижима лишь по определённому параметру, В то время как по другим показателям данное решение ни в коей мере к оптимальному не относится. По этой причине при проектировании критерий оптимальности оговаривается в исходных данных или вырабатывается в процессе конструирования. Среди критериев оптимальности изделий часто используют минимальные энергоёмкость, материалоёмкость, стоимость, кинематическую погрешность, ограничения по габаритным размерам, уровню шума и т.п. Итерационный режим оптимизации конструкторской задачи, громоздкость расчётов и значительная доля в них рутинных операций (до 70 – 80 %), постоянное сокращение сроков морального старения техники делают задачу оптимизации без использования ЭВМ несостоятельной.

В результате проведения этапа конструирования и оптимизации изделия и его элементов выполняется стадия разработки технической документации, которую называют техническим проектом. Состав документов технического проекта регламентирован ГОСТ 2.120-73.

Заключительными этапами конструирования являются сравнительный анализ разработанных конструкций ТО и их отдельных элементов, выбор окончательного решения (поз. 8 на рис. 2) и оформления полной технической документации на изделие. Сравнительный анализ может производиться на расчётном уровне при наличии хорошей теоретической базы и накоплении достаточного опыта эксплуатации аналогичных объектов.

Если эти компоненты отсутствуют, то прибегают к изготовлению экспериментальных образцов, опытных партий проектируемых изделий и окончательный вывод о запуске машины в производство делают на основе их испытаний. По результатам испытаний также выявляют слабые места изделий и проводят исправление конструктивных недостатков.

Окончательное оформление технической документации на проектируемое изделие заключает последнюю стадию проектирования – составления рабочего проекта. Важной отличительной особенностью данной стадии проектирования в отношении конструкторских документов является разработка рабочих чертежей всех деталей, за исключением стандартных типовых, используемых как готовые покупные изделия. Общие требования к рабочим чертежам регламентированы ГОСТ 2.109-73.

3. Основные тенденции развития проектного конструирования

Изучение истории развития и совершенствования проектирования машин позволяет выделить несколько характерных этапов.

Доиндустриалъный этап характерен соединением в одном лице проектировщика, изготовителя и пользователя технических устройств. На этом этапе отсутствовал метод геометрического моделирования изделия с помощью чертежа, а совершенствование изделия и его составных элементов происходило в результате длительной эволюции методом проб и ошибок.

Индустриальный этап. В период становления машинного производства, с одной стороны, во много раз увеличилась потребность в самых разнообразных машинах и механизмах, а с другой — постоянно возрастала необходимость сокращения сроков их создания. По мере усиления этого противоречия, а также в связи с резким увеличением объема знаний по созданию техники, возникла необходимость в разделении функции проектировщика, изготовителя и пользователя. Принципиальным отличием рассматриваемого этапа совершенствования процесса проектирования от предыдущего является перенесение значительной части работ по созданию новых машин и механизмов на масштабный чертеж. Этап чертежного проектирования является одним из наиболее плодотворных. В этот период была создана методология проектирования, включая разработку унифицированных методов геометрического моделирования изделия на основе обеспечения основных критериев работоспособности. В эволюции чертежного способа проектирования среди наиболее значительных событий можно выделить создание унифицированных методов расчетов, использование стандартных деталей, узлов, агрегатов, создание чертежей из отдельных и сборных элементов типовых решений, специализацию конструктора и технолога. Отмеченные обстоятельства, а также механизация вычислительных работ с помощью простейших счетных устройств (логарифмической линейки, арифмометров, простейших калькуляторов), по оценкам экспертов, позволили поднять производительность проектировочных работ лишь на 15-25%, в то время, как в материальном производстве производительность труда возросла в сотни раз. Наметившиеся противоречия усугублялись необходимостью создания на рассматриваемом этапе научно-технического прогресса не просто работоспособной конструкции, а конструкции, оптимально отвечающей определенным критериям. Естественно, что оптимизация проектного решения существенно увеличивала объем работ и время выполнения проекта. Таким образом, в рамках традиционного способа проектирования разрешение противоречия между усложнением процесса и потребностями сокращения его сроков практически исключалось.

Этап автоматизации расчетов и проектирования. Становление нового этапа процесса проектирования связано с созданием и широким внедрением в инженерную деятельность ЭВМ. Первоначально были разработаны автоматизированные методы расчетов элементов машин и механизмов и технологических режимов их изготовления, включая оптимизацию, а затем, по мере совершенствования технических средств, методов программирования, с появлением возможности автоматизации графических работ были созданы системы автоматизированного проектирования (САПР) машин, механизмов и технологии их изготовления.

Параллельно с созданием САПРв последние десятилетия в промышленности все более широкое распространение получали автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), базирующиеся на управлении технологическим процессом с помощью ЭВМ. В самостоятельно существующих САПР и АСТПП обмен информацией между системами производится проектировщиками, конструкторами, технологами и изготовителями с помощью традиционных форм передачи технической информации (чертежей, спецификаций, технологических карт и т.п.). При этом каждый из участников создания новой техники, использующий ЭВМ, переводит информацию с традиционной формы на машинный язык, и после решения задачи выдает ее вновь в общепринятом виде. Многократный перевод информации сильно увеличивает прямые затраты времени и приводит к дополнительным потерям времени на исправление неизбежных при этих переводах ошибок. Именно по этим причинам затраты времени на проектирование с использованием САПР и АСТПП по сравнению с потребным временем проектирования традиционным способом, снижаются, как правило, не более чем в 2-3 раза.

Создание быстродействующих электронных вычислительных средств со значительными объемами памяти запоминающих устройств, разработка методов и средств обработки графической информации обусловили возникновение интегрированных систем автоматизированного проектирования и технологии подготовки производства (САПР/АСТПП) [5].

В интегрированных системах основной объем информации передается на уровне межсистемного обмена на машинном языке. Для контроля и возможности вмешательства в процесс проектирования информация в любой из моментов времени может быть выведена из электронных технических средств в традиционной, в том числе графической форме с помощью дисплеев, плоттеров и т.п. Создание интегрированных САПР/АСТПП позволило сократить время проектирования и освоение новой техники в десятки раз по сравнению с традиционной формой их осуществления.

Описанный интегрированный подход к производству новой техники в последние десятилетия получил новую поддержку разработкой систем CAD/CAM/CAE,занимающихся новейшими автоматизированными технологиями отмеченных выше этапов создания технических объектов. Поскольку предмет изучения настоящего пособия касается лишь проблем проектирования ТО, то остановимся несколько подробнее на CAD системах и тех новациях, которые неоспоримо можно отнести к принципиальному совершенствованию освещаемого процесса.

Первым, и пожалуй наиболее важным, позитивом систем CAD является переход от противоестественного для человека представления реальных объемных объектов с помощью плоских проекций к трехмерному моделированию. Разработанный в последние годы метод твердотельного объемного моделирования геометрии объекта впервые предоставляет конструктору возможность корректного описания ТО в реальном объемном виде с помощью набора элементарных типовых примитивов. Такая технология кроме более качественного восприятия проектируемого объекта всеми участниками процесса предоставляет возможность более быстрого моделирования за счет использования готовых файлов отмеченных примитивов, широкого использования библиотек объемных типовых деталей, узлов, агрегатов (макросов), а также применение высокопроизводительного механизма параметрического синтеза геометрии проектируемого объекта. Далее следует отметить, что твердотельное моделирование позволяет без дополнительного математического и программного описания получение любых плоских проекций, разрезов, сечений и т.п. приемов традиционной технологии двухмерного проектирования, используя весь инструментарий, накопленный за вековой опыт ее применения. Отмеченный метод моделирования позволяет производить имитацию движения проектируемого объекта по отношению к окружающей среде, отдельных его элементов относительно друг друга и проведение качественного динамического и кинематического анализов. К другим важным достоинствам CAD систем с использованием твердотельного моделирования относятся возможность сборки изделия в целом из отдельных элементов и установление на стадии проектирования возможных нежелательных контактов и пересечений отдельных элементов конструкций, решение вопросов удобства монтажных и демонтажных операций, эргономических требований. Наконец, немаловажным достоинством твердотельного моделирования является возможность получения фотореалистичного цветного изображения, которое наряду с упрощением восприятия объекта позволяет решение задач эстетического плана.

Во-вторых, принципиально важным для CAD систем является использование операционных систем (ОС), которые способны резервами быстродействия, оперативной памяти и возможностям периферии комплексно автоматизировать процесс проектирования несложных и средней сложности технических объектов, начиная от формирования технического задания до получения полного комплекта необходимой конструкторской документации и передачи необходимой информации в САМ системы на электронном уровне.

4. Порядок выполнения лабораторного занятия, содержание отчёта и контроль усвоения материала.

Допуск к занятию проводится на основе устного или компьютерного контроля самоподготовки по выделенным ниже материалам.

1. Во время подготовки к первому занятию знакомятся с его целью и задачами и заполняют таблицу 0.1. отчёта (при допуске к занятию таблица 0.1. заполняется по памяти)

Таблица 0.1. Цель и задачи занятия

Цель занятия
Задачи занятия	1. 2. 3.

2. Также в порядке самоподготовки знакомятся с общими понятиями о процессе конструирования, изучают основные конструкторские документы, заполняют шаблон на рис 0.1 (при допуске к занятию и контроле усвоения материала шаблон заполняется по памяти)

Рис 0.1. Шаблон классификации конструкторских документов

3. При подготовке к занятию изучают структуру процесса проектирования, способы управления им при получении многовариантного решения конструкторской задачи. Заполняют по шаблону блок- схему структуры процесса, указывая направление информационных потоков. Заполнение шаблона при контроле усвоения материала занятия проводится по памяти на компьютере или вручную.

Рис 0.2. Шаблон структуры процесса конструирования

4. При проведении занятия изучают общие требования к техническим объектам и их первичным элементам – деталям. В процессе изучения заполняют шаблон общих требований к ТО (рис. 0.3 отчёта) и требований по обеспечению работоспособности деталей машин (рис. 0.4 отчёта). Заполнение шаблона рис. 0.4 осуществляют на базе лекционного материала. Анализируя общие требования к ТО, целесообразно выявить дополнительные требования применительно к объектам специализации студентов.

Рис 0.3. Шаблон общих требований к ТО.

Рис 0.4. Шаблон видов отказов, критериев работоспособности ДМ и условий обеспечения КР.

5. Контроль качества подготовки к лабораторному занятию и готовности к началу работы над курсовым проектом.

На основе самоподготовки и выполнения лабораторной работы студент должен:

Знать (знание вопросов 1-3 контролируется при допуске к выполнению программы занятия по результатам самоподготовки)

1. Определение процессов проектирования, конструирования. Основные конструкторские документы.

2. Структура процесса проектирования и содержание основных его стадий.

3. Инструменты и методы получения многовариантного решения конструкторской задачи. Переменные проектирования.

4. Функциональные, технологические, антропологические и экономические требования. Критерии работоспособности.

5. Понятие расчетной модели. Модели материала, формы, нагрузки, условий эксплуатации.

6. Отличие проектной и проверочной формы расчетов, их задач и исходных данных. Основные направления развития процесса конструкторского проектирования.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1

«Изучение объекта курсового проектирования, его целей и задач. Выбор темы курсового проектирования»

Лекционные, практические и лабораторные занятия по изучаемым дисциплинам в основном посвящены изучению конструкций и вопросов теории расчетов деталей машин и простейших узлов общемашиностроительного назначения на основе характерных для них критериев работоспособности. Однако процесс конструкторского проектирования объекта начинается не с создания отдельных его элементов, а с разработки ТК объекта в целом, представляющего собой верхний уровень иерархии проектируемого изделия. Такой подход неизбежен в силу того, что технический объект создается для реализации определенных функций, а каждый составной элемент лишь косвенно участвует в их выполнении. И естественно, что специфические функциональные требования к составному элементу могут быть установлены лишь применительно единицы более высокого ранга структурной иерархии проектируемого объекта. Из нее же в равной мере выясняются параметры окружающей среды и эксплуатационные параметры. Таким образом, можно заключить, что в реальном проектировании все исходные данные для начала работ устанавливаются при создании высшей структурной единицы и являются основой разработки всех элементов ТО более низкого иерархического ранга.

В соответствии с изложенным, традиционно в качестве объекта проектирования обсуждаемых дисциплин используются не отдельные элементы машин, а вполне определенные законченные технические объекты, занимающие достаточно высокий уровень иерархии в структуре машин. К сожалению, объектом курсового проектирования указанных дисциплин не может быть взята машина в целом. Это связано, во-первых, с большим объемом работ и ограниченным учебным временем, а во-вторых – с новизной выдвигаемых проблем, решаемых при проектировании. Принципиальная новизна конструкторских задач заключается в отсутствии строгих решений, их многовариантности, необходимости объёмного исследования с целью выбора наиболее рационального варианта.

В качестве объектов первой конструкторской разработки в курсовых проектах по ДМ и ОК обычно принимаются приводные станции машин непрерывного транспорта (МНТ). Вынужденную необходимость начать проектирование не с машины в целом, а с её структурного элемента, можно частично компенсировать рассмотрением общих положений функционального анализа ТО, назначением его структуры, способной реализовать выявленные функции, установление принципов определения основных параметров технического объекта. Выявление принципов формирования параметров ТО в целом позволит более осознанно синтезировать составные элементы создаваемого объекта, воспринимать суть определения исходных данных структурных элементов нижних иерархических уровней и понимать процесс проектирования в целом.