Конструирование

Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Конструирование как инженерная деятельность есть процесс поиска, нахождения и отражения в конструкторской документации формы, размеров и состава изделия, входящих в него деталей и узлов, используемых материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения частей и связей между ними, выбор технологических методов изготовления. Процесс поиска конструкторских идей и решений является трудно формализуемым эвристическим трудом конструктора. Конструкторский поиск основан на логико-математическом выборе устойчивых компромиссов для удовлетворения противоречивых требований технического задания на разработку изделия по назначению, надежности, совместимости с персоналом при большом числе имеющихся ограничений, возникающих при выборе материалов, комплектующих, технологий и т.п. Принципы поискового конструирования базируются на методологии системного подхода. Системный подход, основанный на всестороннем целостном рассмотрении системы и изменении в процессе взаимодействия со средой, включает в себя системный анализ, применяемый для решения таких сложных задач проектирования, как определение границ системы (т.е. границ между системой и внешними средами - эксплуатационной и производственной), структуры системы, связей в системе, состояний системы и др. Задачи конструирования и технологии производства связаны неразрывно, поэтому в дисциплине большое внимание уделено методам технологической реализации конструкторских решений, выбору направления и способа изготовления, критериям принятия решений и т.п. Помимо изложения традиционных разделов конструкторских и технологических дисциплин в курсе большое место отведено специфическим проблемам конструирования и производства аэрокосмической приборной аппаратуры Рост тактико-технических характеристик летательных аппаратов, таких как скорость, дальность и высота полета, маневренность, допустимые эксплуатационные перегрузки и др., требуют постоянного совершенствования устойчивости бортового приборного оборудования к внешним воздействующим факторам, обеспечения высоких показателей надежности, быстродействия, помехозащищенности и т.п. Характерной особенностью современного бортового приборного оборудования является значительный рост доли электронных устройств по отношению к электромеханическим и электротехническим устройствам, что изменяет сложившиеся принципы и методы конструирования. Конструирование авиационной приборной аппаратуры в сравнении с конструированием других технических изделий отличается особой сложностью в связи с необходимостью учета большого числа функциональных внутренних связей между частями конструкции: кроме пространственных и механических необходимо устанавливать сложные электрические связи, связи, обусловленные большим количеством внешних воздействующих факторов и ограничивать электромагнитные поля, температуру и температурный градиент на заданных участках внутри изделия. 1. Основы конструирования приборной аппаратуры 1.1. Задачи конструирования приборной аппаратуры и этапы разработки конструкции Эффективность конструкторского решения оказывает определяющее воздействие на качество функционирования приборной аппаратуры (ПА), эксплуатационные показатели и обеспечение автоматизации производства. В процессе конструирования любого технического объекта (машины, прибора и др.) должны быть решены задачи максимизации основных характеристик изделия – унификация конструкции, модульности, технологичности, надежности, экономичности. Собственно процесс конструирования ПА можно представить последовательностью решения следующих групп задач: - анализ исходных данных ТЗ на разработку изделия; - выбор направления конструирования по комплексному показателю качества; - разбиение схемы на функционально законченные конструктивно-технологические модули; - выбор метода конструирования; - выбор элементной базы по условиям эксплуатации и критерию предпочтения; - выбор прототипа, анализ альтернативных вариантов конструкции, предварительная оценка массы и габаритов; - декомпозиция конструкции на конструктивные уровни; - разработка компоновочных схем; - разработка эскизной документации; - проведение конструкторских расчетов (вибро - и ударопрочности, теплового, массогабаритного, надежности и др.); - оптимизация (синтез) конструкции; - разработка рабочей документации. Процесс конструирования имеет много итерационную структуру. Такие итерации могут возникать на этапах предварительной оценки массы и габаритов, проведения конструкторских расчетов и др. Выполняемые расчеты должны подтвердить соответствие разработанной конструкции требованиям ТЗ. В противном случае необходимы изменения конструкторских решений на предшествующих этапах конструирования. 1.2. Стадии разработки приборной аппаратуры Стандартизованы следующие стадии разработки изделий: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, разработка рабочей документации. На основе приведенного перечня, для конкретной разработки число и вид стадий устанавливаются в зависимости от сложности и уровня новизны разрабатываемого изделия и программы его выпуска. Техническое задание (ТЗ) - первичный основополагающий документ, определяющий основные направления разработки. ТЗ должно устанавливать следующие показатели разрабатываемого изделия: прогнозируемые показатели технического уровня и качества; основное назначение, технические и тактико-технические характеристики; требования по условиям эксплуатации; уровень стандартизации и унификации; технико-экономические показатели; патентно-правовые показатели; экологические, эргономические и специальные требования к изделию и др. В ТЗ оговариваются этапы разработки и сроки их выполнения. Объем и полнота сбора научно-технической, патентной и другой информации, отраженной в ТЗ, обеспечивает в значительной степени качество конструирования. Для качественной разработки ТЗ часто выполняется НИР. В результате НИР может быть выполнена разработка, на практике называемая аванпроектом. Особое место в ТЗ занимает раздел технических требований, содержащий обычно десять подразделов. В подразделе I "Состав изделия и требования к конструктивному устройству" приводятся, как правило, следующие пункты: 1) наименование, число и назначение основных частей; 2) конструкторские требования (габаритные, установочные, присоединительные размеры и др.); 3) масса; 4) экологические требования; 5) требования взаимозаменяемости; 6) требования помехозащищенности и предотвращения вредного воздействия изделия на другое оборудование. В подразделе 2 "Показатели назначения" указываются параметры функционирования проектируемого приборного оборудования, например: мощность, чувствительность, разрешающая способность, питание и т.п. Подраздел 3 "Требования надежности" включает в себя требования к показателям свойств надежности, обеспечение которых предусмотрено в проектируемом изделии. Подраздел 4 " Требования технологичности" регламентирует показатели технологичности (производственной и эксплуатационной). В подразделе 5 "Требования к уровню унификации и стандартизации" устанавливаются минимальные значения показателей, которые должны быть достигнуты в конструкции. В подразделах 6,7 и 8 указываются требования безопасности, эстетические и эргономические требования, требования к патентной чистоте. В подразделе 9 "Условия эксплуатации" должны быть предусмотрены следующие пункты: 1) условия эксплуатации, в которых конструкция должна сохранять работоспособность; 2) допустимые кратковременные воздействия климатических факторов; 3) механические воздействия; 4) виды обслуживания (постоянное или периодическое, необслуживаемое использование), необходимое количество и квалификация персонала. Подраздел 10 "Указания к упаковке, транспортированию и хранению" содержит перечень допустимых транспортных средств, условий и сроки хранения. В практике конструкторам часто приходится иметь дело с частными техническими заданиями (ЧТЗ) на отдельные составные части ПА, которые разрабатываются разными подразделениями (организациями) в ходе параллельного конструирования. Техническое предложение разрабатывается с целью выявления дополнительных или уточнения установленных ТЗ требований к изделию. Техническое предложение содержит технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки изделия и сравнительный анализ различных вариантов возможных решений. Эскизный проект содержит конструкторскую проработку оптимального варианта до уровня принципиальных конструкторских решений, дающих общее представление об устройстве и принципах работы изделия. В эскизном проекте подтверждаются или уточняются требования к изделию, установленные ТЗ и техническим предложением. На этой стадии закладываются основы применения типовых, стандартных и унифицированных составных частей разработки, рассчитываются необходимые технико-экономические показатели, заложенные ранее. Технический проект - совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия и включающие в себя данные, необходимые и достаточные для разработки рабочей конструкторской документации. В техническом проекте должны быть решены все вопросы, обеспечивающие технический уровень нового изделия как в процессе изготовления, сборки, испытания, так и в процессе эксплуатации. Проводится детальная и окончательная отработка схемных и конструктивных решений, включая создание чертежей на все важные узлы, блоки и приборы. Должна быть закончена проработка всех вопросов защиты от внешних воздействий, обеспечения контроле- и ремонтопригодности, привязка к объекту установки (носителю), уточнено расположение органов управления и т.п. На этапе разработки рабочей документации (рабочее проектирование) решаются вопросы конструкторских и технологических разработок оригинальных деталей. Рабочее проектирование протекает на всех стадиях изготовления изделия: изготовления опытного образца, выпуска установочной серии, установившегося (серийного) производства. На рассмотренных проектных стадиях требования к выполнению работ устанавливаются ГОСТ 2.100-68, ГОСТ 2.118-73, ГОСТ 2.119-73, ГОСТ 2.120-73. 1.3. Организация процесса конструирования и его информационно-методическое обеспечение Процесс конструирования сопровождается использованием значительного числа нормативно-технических, нормативно-методических документов, научно-технических источников (монографий, обзоров, отчетов и т.п.), справочников. Определенные этапы стадии разработки ПА выполняются в разных проектно-конструкторских организациях. Рассмотрим наиболее характерную для приборостроения последовательность и содержание этапов разработки изделий. Головной проектный институт, осуществляет выбор основных направлений и разработку перспективных планов комплексных разработок. Научно-исследовательский институт (НИИ) выполняет разработку принципиально нового изделия на базе специальных теоретико-экспериментальных исследований. В качестве субподрядчиков, выполняющих различные научно-технические разработки, работают специальные (особые, центральные) конструкторские бюро (КБ), проектно-технологические институты, исследовательские проблемные лаборатории и КБ вузов и др. В зависимости от степени сложности изделия различают предметную, подетальную и технологическую специализации проектно-конструкторских организаций. Для авиационной отрасли примером предметной специализации являются фирмы-разработчики различных типов летательных аппаратов (самолетов, вертолетов и др.). Примером подетальной специализации являются проектно-конструкторские организации, осуществляющие разработку отдельных функциональных частей изделий (топливно-измерительных систем, систем автоматического управления полетом, систем регистрации режимов полета и др.). При технологической специализации разделение проектного труда производится по характеру выполняемой изделием функции или технологическому признаку. Специализация осуществляется по отдельным технологическим частям разработки, которые выделяются в отдельное производство. Примером такой специализации в авиационной отрасли является разработка авиационных двига­телей, авиационных материалов и др. Технология этих изделий является сугубо специфической и разработка изделий осуществляется проектными конструкторско-технологическими НИИ или КБ. Обычно в разработке новой ПА принимают участие заказчик, разработчик, изготовитель и потребитель. Основные функции, выполняемые данными организациями, установлены ГОСТ 15.001-88. Все информационно-методическое обеспечение рассмотренного многоэтапного процесса разработки конструкции можно разделить на следующие группы: - нормативно-техническая документация (ГОСТы, ОСТы, стандарты предприятия); - нормативно-методическая документация (методические рекомендации (МР), методики Госстандарта, головных НИИ отрасли, руководящие материалы (РМ) и др.; - справочные материалы и технические условия на используемые элементы конструкций и технологии; - патентные источники; - научно-техническая литература (монографии, журналы), обзоры по направлениям науки и техники; - специальная техническая литература. Перечисленная документация составляет банк данных автоматизированного решения задач конструирования. Как справочные данные, так и нормативные ограничения, и данные для анализа, представляемые в ЭВМ в виде банков данных, формируются с открытым доступом для обеспечения гибкости системы автоматизированного конструирования. Обращение к банкам данных с помощью терминальных средств позволяет широкому кругу разработчиков конструкций ПА пользоваться справочными и другими источниками информации. Диалоговый режим работы конструктора начатый на этапе анализа ТЗ, мотет быть продолжен на этапе синтеза конструктивных решений при обращении к программным модулям расчетов и проверок (оценки теплового режима, показателей надежности, технологичности и т.п.). Отдельную группу документации составляют материалы - результаты научно-технических разработок (отчеты о НИР, патентные исследования, техническая документация проектов, конструкторские, технологические, эксплуатационные документы и др.), выполняемые в процессе проектирования нового изделия.