|
|
|
|
|
|
||
Как было уже показано, процесс проектно-конструкторской деятельности состоит из ряда последовательных этапов, начинающихся с определения потребности общества в приборе; формулировке цели и технического задания на прибор; поиске идей и концепции его общей функции; разработке структуры и технических принципов; выпуске технической документации на прибор, необходимой и достаточной для его изготовления и эксплуатации.
Основные задачи этого процесса: синтез концепции прибора; структурный синтез; параметрический синтез; точностной синтез, которые выполняются на основе всестороннего анализа принимаемых решений.
Так как повышение качества создаваемого прибора по сравнению с аналогами (или первоначальным решением) наиболее эффективно достигается при использовании новых физических эффектов и принципов функционирования, чрезвычайно важным аспектом творческого процесса является поиск идей, которые закладываются в концепцию прибора и его функциональные устройства.
В многочисленной литературе, посвященной проектированию приборов и основам технического творчества [16]*, [29]*, [46]*, [60]*, [61]*, подробно рассматриваются методы и правила поиска идей решения инженерных задач.
Они позволяют повысить эффективность как индивидуальной творческой работы конструктора, так и эффективность творческой деятельности коллектива разработчиков.
Эффективность индивидуальной работы конструктора повышается с помощью синектических и морфологических приемов (методов), позволяющих перейти от творчества по методу "проб и ошибок" к более упорядоченному процессу поискового проектирования.
Метод "проб и ошибок" основывается на знаниях и личном опыте конструктора, его интуиции, воображении, фантазии, изобретательности. Процесс решения задачи заключается при этом в поиске и переборе вариантов, их анализе и оценке с позиции отыскания оптимального решения.
Эффективность этого процесса повышается с помощью приемов, которые пробуждают потенциальные творческие возможности конструктора, активизируют его ассоциативное мышление, систематизируют процесс поиска аналогий и критериев оценки идей.
Синектический прием (метод) направляет спонтанную деятельность мозга и нервной системы конструктора в русло упорядоченного процесса, заключающегося в описании проблемы, определении цели, поиске аналогий (в данной и других областях техники, природе), выработке новых идей на базе аналогий, разработке и анализе возможного решения поставленной задачи.
Морфологический метод генерирования идей заключается в комбинаторике альтернативных вариантов решений с учетом весовых коэффициентов показателей качества (например, точности, надежности, технологичности, стоимости, массы, безопасности, производительности, конкурентоспособности и т.п.), представляемых в виде матрицы или таблицы [30]*, [31]*.
Наиболее известным методом генерирования идей коллективом разработчиков является "мозговой штурм" ("Мозговая атака") и его модификации. Суть его в том, что проблема решается в процессе свободного высказывания как можно большего числа идей участниками творческой группы в процессе встречи (сеанса), подготовленной и проводимой по специальным правилам.
Практически метод реализуется в три этапа: подготовка, проведение и оценка.
Подготовка заключается в формулировке проблемы (целей и условий), а также в формировании творческой группы. Группа состоит обычно из 5-10 человек, в которую включают не только конструкторов (ядро группы), но и других специалистов технологов, менеджеров, психологов, рабочих, библиотекарей, сторожей), привлекаемых временно. Глубокие профессиональные знания от всех участников не требуются, главное, чтобы было больше оригинально мыслящих людей.
Проведение осуществляется под руководством ведущего, направляющего обсуждение в русло выработки как можно большего чисел разнообразных (фантастических) идей, их развития, дополнения, комбинирования и сочетания в свободной и непринужденной атмосфере.
Критика идей, скептицизм, требования их объяснений или подтверждений на этом этапе строго запрещены.
Оценка идей, высказанных во время сеанса, проводится после встреч. Они систематизируются, ранжируются, развиваются, явно плохие - отбрасываются. Результаты оценки, как правило, обсуждаются с участниками встречи.
Практика использования метода мозгового штурма для решения разнообразных проектных задач показывает, что в процессе его проведения стимулируются возможности подсознания людей, возникает "цепная реакция идей", приводящая к "интеллектуальному взрыву" и появлению новых решений.
Модификациями метода мозгового штурма являются [29]*: "Метод 635", где участники обсуждения (6 человек) обмениваются и развивают идеи, подаваемые друг другу в письменном виде (по три предложения), а также "Дельфийский метод" - где используется письменный опрос мнений экспертов различных специальностей по рассматриваемой проблеме или частной задаче.
После отыскания идей по концепции прибора и его функциональных устройств разрабатывают структуру прибора, устанавливают масштаб и общую функцию преобразования сигнала (информации) прибором, распределяют функцию преобразования между структурными устройствами и определяют схемные конструктивные параметры.
Одним из первых и важнейших аспектов перечисленных проектных процедур является составление общей функции преобразования сигнала или, иначе, закона функционирования прибора. Для этого разрабатывается функциональная схема прибора, позволяющая пояснить принцип (концепцию) функционирования, состав структурных функциональных устройств, участвующих в преобразовании сигнала, ввести схемные конструктивные параметры и определить общий закон функционирования.
Закон функционирования связывает информативный параметр выходного сигнала прибора Y со схемными конструктивными параметрами его элементов (q), участвующими в преобразовании информативного параметра входного сигнала X:Y = f(X,q). Этот закон позволяет определить численные значения конструктивных параметров структурных элементов (т.е. осуществить параметрический синтез прибора).
Для вывода общего закона функционирования прибора или сложного функционального устройства необходимо выявить его элементарные преобразователи, для которых их законы функционирования, как правило, известны либо выводятся аналитически на основе их свойств, физических законов и т.п.
Например, если элементарным преобразователем сигнала является качающееся плоское зеркало (рис. 70, а), на которое падает луч АО, то на основании закона отражения света (углы падения w1 , w2 и отражения w'1, w' 2 равны и лежат по разные стороны от нормали к поверхности N 1, N2) можно связать угол отклонения Y отраженного луча от первоначального положения ОА' к новому направлению ОА" с углом поворота зеркала X зависимостью Y=2X.
Смещение Y точки изображения в фокальной плоскости объектива(рис.70,б) телескопической системы из фокуса F' в новое положение А при отклонении падающего пучка лучей на угол Х от первоначального направления находится из треугольника OAF', построенного на основе законов геометрической оптики (лучи параллельного пучка собираются в фокальной плоскости, луч, проходящий через узловую точку О, не изменяет своего направления): Y=f'tgX.
Закон функционирования зубчатой передачи (рис. 71, а), состоящей из ведущего 1 и ведомого 2 зубчатых колес, выводится на основании известного свойства эвольвентного зацепления: зубчатые колеса перекатываются своими начальными окружностями друг по другу без скольжения. Следовательно, дуга P a начальной окружности ведущего колеса равна дуге P a' - ведомого колеса, т.е. XЧr 1=YЧr2, где X,Y - углы поворота ведущего и ведомого колес; r1 ,r2 - радиусы начальных окружностей колес.
Так как для некоррегированных и некоторых коррегированных зацеплений начальные и делительные окружности совпадают, а радиус делительной окружности rd=mZ/2 (где m - модуль зацепления, Z - число зубьев), то можно записать закон передачи движения от ведущего к ведомому колесу в следующем виде:
Закон преобразования движения винтовыми механизмами (рис. 71, б) выводится, исходя из известного свойства винтового соединения: при повороте винта на один оборот (2p) в гайке, он перемещается вдоль оси на величину хода (произведение шага P винтовой линии на число заходов K резьбы - KP). Из подобия треугольников (рис. 71, в) ОАВ и ОСД можно записать отношение перемещения Y винта (или гайки) при повороте его на некоторый угол X в следующем виде:
В некоторых случаях закон функционирования элементарного преобразователя выводится более сложным образом. На рис. 72 изображен кривошипно-кулисный механизм с кривошипом длиной R и расстоянием между опорами вращения А.
Чтобы связать угол поворота кривошипа Х с углом качения кулисы Y, необходимо ввести систему координат UOV и спроектировать звенья замкнутого треугольника ОАВ на оси U и V, сумма которых, как известно, равна нулю:
Выразив из этих уравнений sinY и cosY, а затем поделив одно выражение на другое, получим (сократив неизвестное АВ)
откуда 
В приложении представлены законы функционирования некоторых элементарных преобразователей, используемых в конструкциях точных оптических и механических приборов [30]*, [31]*, [47]*.
Выведем в качестве примера закон функционирования простого оптико-механического автоколлиматора и определим значения его конструктивных параметров (рис. 73).
Функциональная схема автоколлиматора содержит следующие элементы: автоколлимационное зеркало 1, объектив 2, светоделительную призму-куб 3,марку 4, конденсор 5, источник света6, подвижную сетку 7, точную шкалу 8, винтовой механизм 9, сетку с грубой шкалой 10, окуляр 11, пружину 12.
Автоколлиматор работает следующим образом. Подсвеченная источником света и
конденсором марка 4 проектируется призмой-кубом и объективом в бесконечность. Отраженный пучок света от зеркала 1 собирается объективом в плоскости подвижной сетки, где строится автоколлимационное изображение марки, наблюдаемое оператором через окуляр.При повороте зеркала на искомый угол Y изображение марки смещается на величину l от первоначального положения. Оператор, вращая шкалу 8, перемещает с помощью винтового механизма сетку 7 до совмещения ее с маркой и снимает отсчет по точной и грубой шкалам. Элементарными преобразователями здесь являются:
1. Зеркало 1, с законом преобразования b =2Y.
2. Объектив с функцией l=f'Ч tgb .
3. Винтовой механизм с законом движения 
.
4. Шкальное отсчетное устройство с функцией преобразования 
, где
nT - число делений точной шкалы, n - число делений (отсчет), устанавливаемый на шкале.
Применив последовательно законы элементарных преобразователей, получаем искомый закон функционирования автоколлиматора:
где ГT - цена деления точной шкалы.
Максимальное число делений определяется из выражения
где Ymax - максимальный измеряемый угол поворота зеркала,nГ - число делений сетки с грубой шкалой (10).
В связи с тем, что угол поворота y зеркала, как правило, мал (не превосходит нескольких десятков угловых минут), то закон функционирования лианеаризуют. Это позволяет выполнить шкалу автокаллиматора линейной (с постоянной целой деления АТ) и упростить юстировку нулевого отсчета:
(7)
Определим теперь схемные конструктивные параметры. При этом необходимо исходить из:
требований технического задания (ТЗ) к показателям назначения (диапазону измерений, точности, габаритам, массе...) автоколлиматора;
требований к надежности и технологичности его конструкции;
условий эксплуатации;
учета требований и рекомендаций ГОСТ, Нормалей, Инструкций к характеристикам и параметрам (размерам, форме и т.п.) элементов;
конструктивной преемственности (унификации);
учета показателей эргономики и эстетики.
Допустим, что в ТЗ на автоколлиматор указано, что он должен производить измерения углов поворота зеркала в диапазоне Y= + 20' с предельной погрешностью (точностью) DYvd Ј 5І.
Эксплуатация осуществляется в лабораторных условиях при отклонении температуры от номинальной на + 5° С. Габариты автоколлиматора не более 400х100х100 мм.
Увеличение зрительной трубы не менее 10Х,удаление зеркала от объектива не более 200 мм.
Параметрический синтез начнем с параметров, входящих в выражение (7), определение значений которых - менее многофакторная задача.
Выбираем число заходов К резьбы винта, равное 1 (т.е. К=1), исходя из того, что однозаходная резьба является более точной, чем многозаходная.
Задаем шаг резьбы Р, выбранный из нормализованного ряда (0,5 мм, 0,75 мм, 1 мм), равный 1 мм (т.е. Р=1 мм), что отвечает рекомендациям преемственности конструкциям унифицированных окулярных микрометров, технологичности и необходимой чувствительности движения.
Выбираем цену деления точной шкалы Ат=5", исходя из эргономических рекомендаций
выбора цены делений отсчетных шкал из ряда 1Ч 10n, 2Ч 10n,5 Ч 10n, где n - ноль или целое положительное или отрицательное число, а также исходя из необходимой
точности работы автоколлиматора (Ат не должно быть много больше или много меньше DYvd ).
Находим максимальное число делений шкалы:
делений.
Определяем число делений точной и грубой шкал исходя из габаритов, эргономики и эстетики конструкции. Все 480 делений невозможно нанести только на барабане точной шкалы. Так как nmax=nT Ч nГ, то наиболее оптимальным вариантом будет nT=60,
nГ =+ 4. В этом случае цена деления грубой шкалы Аг=20/4=5'. Максимальное значение угла поворота шкалы Х=+ 4 p .
Так как условия работы автоколлиматора лабораторные, то расстояние между делениями точной шкалы (d) можно выбрать в диапазоне от 1 до1,5 мм. При d=1,5 мм
диаметр шкалы будет 
.
Из выражения (7) определяем последний искомый конструктивный параметр, входящий в закон функционирования:
Так как увеличение трубы должно быть не менее 10X, то фокусное расстояние окуляра
Данные конструктивные параметры объектива и окуляра позволяют вписаться в требуемые габариты автоколлиматора (при необходимости сокращения габаритов можно
использовать телеобъектив, либо скомпоновать систему с помощью зеркально-призменных элементов).
Конструктивные параметры, не входящие в закон функционирования, определяются при дальнейшем синтезе конструкции.
Например, световой диаметр объектива рассчитывается исходя из необходимой разрешающей способности, светосилы и удаления автоколлимационного зеркала
(виньетирования пучка лучей). Сжатие пружины и развиваемое ею усилие - исходя из величины перемещения подвижной сетки, ее массы и сил трения в направляющих движения.
В целом параметрический синтез является многофакторной задачей. Полнота учета факторов и оптимальное разрешение противоречий между ними существенно влияет на качество прибора.