История конструирования
Одним из отличий современного общества от первобытного считается использование машин и механизмов в своей деятельности.
Применение предметов, усиливающих возможности рук (палки, камни), и особенно освоение дополнительных источников энергии (костёр, лошадь) не только позволило человечеству выжить, но и способствовало в дальнейшем победу над, как правило, враждебными силами природы.
Жизнь людей, даже самых отсталых племён, теперь немыслима без различных механических устройств и приспособлений (греч. "механа" – хитрость).
Витрувий Марк Поллион, бывший при Юлии Цезаре и императоре Августе инженером и архитектором, составил в 33... 16 г. до н.э. руководство в десяти книгах «Об архитектуре», где описал для римлян опыт, накопленный в Греции и других странах, по проектированию машин. Он определил машину как вещественное сооружение, приносящее очень большую пользу при передвижении тяжестей. Через 1600 лет после Витрувия это определение практически не изменилось: немецкий ученый Цейзинг называл машиной сооружение, оказывающее исключительные услуги при передвижении тяжестей.
Рис.1.1. Механизм ворота из труда «Артиллерия Витрувия»
Саксонский инженер Якоб Леупольд (1674-1727), систематизировавший в десяти томах книги «Театр машин» подъемно-транспортные, мукомольные и другие конструкции, дал более широкое определение: машина, или приспособление, есть искусственное произведение, при помощи которого могут осуществляться движения, а также экономиться время и сила, чего нельзя было бы достигнуть иным образом.
В те времена уже имелись некоторые виды технологических и транспортирующих машин. Первая группа связана с преобразованием формы или самого обрабатываемого материала – станки, сельскохозяйственные и строительные машины; вторая – с перемещением материалов, как правило, на ограниченное расстояние – грузоподъемные краны, элеваторы, водоподъемные устройства (В настоящее время первая группа дополнилась роботами, вторая — конвейерами). Кроме того, появились транспортные и энергетические машины. Транспортные машины обеспечивают перемещение грузов и пассажиров на значительные расстояния (велосипеды, автомобили, локомотивы, теплоходы, самолеты); энергетические машины преобразуют энергию из одного вида в другой (дизель-генераторы, турбогенераторы и др.).
С тех же пор наметились основные закономерности устройства и функционирования механизмов и машин, сложились наиболее рациональные и удобные формы их составных частей – деталей. В процессе механизации производства и транспорта, по мере увеличения нагрузок и сложности конструкций, возросла потребность не только в интуитивном, но и в научном подходе к созданию и эксплуатации машин.
Само слово "механика" в древности толковалось как "искусство (уловка, хитрость, умение) построения машин.
Закон Архимеда о равновесии рычага – основа для развития приводов
Архимед (287-212 до н.э.) - математик, механик и астроном; он первым из мыслителей древности занялся конструкторской деятельностью. Архимед жил в г. Сиракузы на острове Сицилия в эпоху Пунических войн, которые велись между Римом и Карфагеном. Город Сиракузы являлся центром средиземноморской торговли, и его хотели подчинить себе как та, так и другая враждующие стороны. Благодаря машинам Архимеда город два года оборонялся от римских войск Марка Клавдия Марцелла.
Архимед, как известно, сформулировал закон равновесия рычага: «силы обратно пропорциональны плечам». (1.1.) Рычагом пользовались и до Архимеда, понимая, что с его помощью можно сдвигать огромные тяжести. Архимеду как механику было известно, что силы тяжести тел пропорциональны их объемам и что эти силы следует считать приложенными в центрах масс (центрах тяжести) тел. Заслугой Архимеда как математика в данном случае является огромная трудоемкая и не лишенная математического изящества работа по вычислению объемов и координат центров масс (центров тяжести) различных фигур: от цилиндра, шара, конуса, сегмента шара до тел, получаемых при вращении гиперболы и эллипса. Эти знания в механике и достижения в математике позволили ему математически точно доказать справедливость закона равновесия рычага.
FрLр – FгрLгр = 0
Рис. 1.2. Рычаги: а) первого рода; б) второго рода
В современном представлении машину определяют как устройство, содержащее двигатель (источник механической энергии); механизм (совокупность звеньев, преобразующих движение и силы); рабочее оборудование ("рабочий орган", инструмент, выходное звено) и систему управления ("мозг машины"). Машины – это существенная часть искусственного мира. Основная их черта – заметное для человека движение в отличие от другой части мира, представляющей собой неподвижные сооружения. Принципы создания и функционирования машин и сооружений в большей части общие, чем раздельные.
Так или иначе, многим приходится участвовать в создании новой техники (этим, кстати, напрямую и косвенно занимается около 1/3 специалистов на земле). Начинать готовиться к этому нужно как можно раньше. С самого начала надо понять, почему технику следует всё время совершенствовать. Совокупность новых знаний (их еще называют интеллектуальной собственностью) в стоимости современной машины составляет большую её часть. Чтобы создавать новые машины, можно, конечно, покупать чужие знания и опыт, но в этом случае мы заведомо будем отставать от тех, кто уже разработал и выпускает машины. Нам ведь потребуется ещё много времени и материальных средств, чтобы ВОПЛОТИТЬ какую-либо идею в жизнь. Поэтому стоит самим получать новые технические решения. Для этого нужно тщательно изучать весь предшествующий опыт. Никогда не начинайте создавать новое с пустого места (особенно не делайте этого, разрушив старое), постарайтесь только усовершенствовать уже известное. А ещё при создании машин необходимо усвоить следующие три правила:
- машина должна быть безопасной и не причинять вреда людям и окружающей среде;
- её нужно делать аккуратно и точно в соответствии с намеченной рабочей задачей;
- она должна быть красивой и удобной.
Задачи конструирования.
Конструирование как мысленное представление будущего объекта занимает центральное место в процессе изготовления технических изделий.
Задачи конструирования, как и прочие технические задачи, всегда вытекают из общественных потребностей. Они тесно взаимосвязаны с другими процессами технической подготовки производства, такими, как технологическая подготовка и др.
Конструкторская подготовка является частью технической подготовки. Этот процесс охватывает все мысленные, ручные и машинные операции, необходимые для предварительной проработки технического изделия, целью которых является получение на основе задачи конструирования описания технического изделия, достаточного для его изготовления и эксплуатации.
Рис.1.3. Систематическая последовательность решения задачи конструирования
Решение задачи конструирования начинается со сравнения ее с поставленной проблемой. Уточняя задачу, конструктор должен получить точное представление о данной проблемной ситуации и с помощью систематического упорядочения заданной информации определить требуемую исходную базу для решения задачи.
Главной задачей уточнения является техническая формулировка ставящейся задачей цели (удовлетворение общественной потребности с помощью изделия):
Цель → Техническая функция.
Источник идей для конструкторских задач лежит, как правило, за пределами области конструирования. Эти идеи появляются, например, при изучении спроса, при обслуживании клиентов, в результате прогнозных исследований, при планировании хозяйства. Объем, точность и надежность данных при этом очень различны.
В общем случае задача конструирования характеризуется следующими признаками:
1. Информацией об окружающей среде, функции и структуре в качестве исходных данных или требований.
2. Описанием проблемной ситуации, в которой появляется задача в ее общественных и технических взаимосвязях; излагается ситуация в виде перечня существующих противоречий, недостатков (дефектов, отсутствующих данных и т. д.; описывается потребность в решении задачи; перечисляются проблемы в других областях (производство, эксплуатация и т. д.), которые возникнут в результате решения данной задачи.
Проблемная ситуация всегда многомерна.
Методы синтеза
Синтезом называется процесс мысленного или практического объединения отдельных элементов в одно целое. Задачи синтеза возникают на всех фазах конструирования. Ниже рассмотрены методы, используемые для поиска решения. В их основе лежат три аксиомы теории конструирования.
1. Аксиома целостности (условие существования структуры). Каждое конструкторское решение по форме, содержанию и выполняемым функциям определено его элементами и отношениями между ними.
2. Аксиома ошибок. Каждое конструкторское решение несет в себе ошибки. Эти ошибки являются результатом недостатков творческого продумывания будущего изделия и реализации его в материале.
3. Аксиома фактора времени. Любое конструкторское решение со временем заменяется более совершенным (моральный износ).
Эти аксиомы являются отправной точкой для разработки и оценки конструктором своего решения.
Основные понятия и определения
Проект в известном смысле может быть противопоставлен изделию.
Проект – это абстракция, а изделие как материальный объект – конкретность. В основе двух различных терминов – проект и изделие – заложен смысл творческой технической деятельности. Проект есть результат умственной деятельности в сфере информации, а изделие это результат деятельности в сфере материальных объектов.
Проектирование и конструирование – это деятельность с замыслами, а изготовление и эксплуатация – деятельность с изделиями. Указанные области инженерной деятельности дополняются исследованиями – научными и практическими. Результаты этих исследований приводят к появлению новой информации, т.е. создают новый проект.
Проектирование – это поиск научно-обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект будущего изделия. Проект анализируется, обсуждается, корректируется и принимается как основа для дальнейшей разработки.
Конструкция изделия основывается на его проекте. Поэтому проектирование изделия предшествует его конструированию. Конструирование – это создание конкретной, однозначной конструкции изделия. Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании.
Проектирование и конструирование служит одной цели: разработке нового изделия. Это – виды умственной деятельности, когда в уме разработчика создается конкретный мысленный образ. Этот образ подвергается мысленным экспериментам, включающим перестановку составных частей или замену их другими элементами. Одновременно оценивается эффект внесенных изменений, определяется, как эти изменения могут подействовать на конечный результат. Мысленный образ создается в соответствии с общими правилами проектирования и конструирования и в последствии принимает окончательный, технически обоснованный вид.
Конструирование как инженерная деятельность есть процесс поиска, нахождения и отражения в конструкторской документации
Формы,
Размеров и
Состава изделия,