Техническая система (ТС) – созданная человеком или автоматом совокупность элементов (звеньев), свойства которых взаимосвязаны, скоординированы, подчинены общим для данной системы закономерностям, используемая (совокупность) в различного рода средствах человеческой деятельности, созданных (средствах) для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. Например, машина, механизм, структурная группа, узел и т.п.
В ТС, предназначенных для выполнения технологических процессов входная величина может представлять собой основные параметры. Характеризующие физические свойства (масса, влажность) и размеры (диаметр и конфигурация заготовки) объекта переработки. В качестве выходной величины такой ТС могут служить параметры, оценивающие свойства или размеры готового продукта.
Сложность реальных технических систем колеблется в широких пределах. Для проектирования и исследования простых ТС конструктору достаточно листа бумаги и знаний инженерной графики и математики. Сложные ТС труднопредставимы даже для опытного конструктора, и для того, чтобы их грамотно и квалифицированно спроектировать и затем изготовить, в процессе проектирования прибегают к их моделированию (допустимому упрощению).
В проектировании под моделью понимается некоторый объект, находящийся в определенном соответствии с проектируемым (изучаемым) объектом оригиналом и более удобный для решения задачи конкретного исследования (принятия решения при конкретном проектировании). В общем случае модель – это явление, техническое устройство, знаковое образование или иной условный образ, которые находятся в определенном соответствии (сходстве) с проектируемым (изучаемым) объектом оригиналом и способны замещать оригинал в процессе проектирования, давая о нем необходимую информацию. Применяются модели двух видов: аналитические и физические. Модель должна быть достаточно простой, чтобы ее можно было проанализировать в течении приемлемого времени, но, с другой стороны, достаточно полной, что бы полученные результаты можно было распространить на проектируемы объект. Так называемые «натурные модели», макеты, опытные образцы по исследуемым элементам не отличаются от проектируемого объекта, а по составу могут воспроизводить оригинал частично или полностью.
Аналитическая модель отражает использование определенных физических принципов и может быть представлена в виде математических выражений. Построение модели неизбежно связано с принятием допущений. Слишком грубые допущения нарушают соответствие модели проектируемому объекту, делают модель неадекватной. Строгость аналитической модели обманчива и может быть кажущейся, если принятые допущения недостаточно учитывают относительную важность различных аспектов решаемой задачи. Так, например, формула темперной погрешности прибора (модель этой погрешности) годится при измерении диаметра вала, но не годится при измерении длины детали сложной конфигурации.
Физические (экспериментальные) модели строятся в тех случаях, когда создание аналитической модели затруднено или невозможно, или если поставленная задача проще и быстрее решается экспериментально. В частности, для решения конкретной задачи о температурных погрешностях измерении представляется более рациональным построение физической модели и ее исследования предполагаемом диапазоне температур, чем аналитический расчет с использованием громоздкого математического аппарата.
Под физической моделью понимают также схему и т.п. отображающую переменные и постоянные параметры конструкций, устройств и процессов, подлежащих проектированию или изучению.
Построение физической модели в процессе проектирования изделия предусмотрено стандартами ЕСКД. В ряде случаев оно является обязательным, в частности для изделий, нарушение работоспособности которых недопустимо с точки зрения правил безопасности.
При решении ряда задач приходится строить комбинированные модели, например, получаемые экспериментальные значения подставляются в математические выражения, функциональные зависимости. Возможны также параллельные, уточняющие друг друга модели, например, аналитическая оценка целесообразности тех или иных экспериментов и т.п.
При проектировании в инженерном анализе часто (практически постоянно) используются расчетные модели (схемы): структурно-кинематические модели (схемы) механизмов; динамические модели механизмов, машин и приборов; расчетные модели деталей машин и приборов.
Целью построения модели является получение данных и их оценка для установления соответствия ожидаемых показателей качества спроектированного изделия (процесса), показателям, предусмотренным ТЗ, и для выбора наиболее рационального варианта решения.
Построение модели определяет успех дальней работы в инженерном анализе, т.к. его (анализа) результаты будут полезными только при достаточной адекватности модели объекту.
Некоторые источники выделяют мысленные, или интуитивные, модели. Их реализует человек (эксперт), который на основе имеющихся знаний и опыта проводит мысленные эксперименты с ТС с целью выявить ее соответствие требованиям или выбрать из двух вариантов наилучший по определенному показателю качества. Например, глядя на чертежи двух различающихся по конструкции механизмов, эксперт может ответить на вопросы: выдержат ли они задаваемую нагрузку или нет; у какой конструкции меньше трудоемкость изготовления или расход материала и т.д.
Любая сложная машина представляет собой совокупность более простых преобразователей (механизмов), соединённых между собой определенным образом – имеет присущую только ей структуру. Каждый механизм осуществляет свое элементарное преобразование параметров движения. В ряде случае некоторые простые механизмы состоят из совокупности еще более простых механизмов. Чем совершеннее машина, тем больше в ней механизмов (преобразователей), тем сложнее связи между ними. Сложность ТС определяется не суммой узлов, агрегатов, элементов, составляющих систему, а их взаимодействием. Сложность взаимодействия составляющих определяется количеством связей между элементами и между системой и средой.
Сложная техническая система состоит из совокупности типовых и специальных преобразователей. Специальные преобразователи встречаются редко, применяются в виде исключения и представляют собой устройства, присущие только данной машине, типовые встречаются во многих видах технических устройств. Соединяются между собой преобразователи с помощью четырех видов связей: механической, электрической, гидравлической, пневматической. В сложных ТС могут применяться как один вид связи, так и совокупность нескольких (мотор-колесо). По своей природе и преобразователи делятся на механические, электрические, гидравлические и пневматические. Т.к. в ТС могут применяться их различные сочетания, то созданы прямые и обратные комбинированные преобразователи, позволяющие передавать параметры между преобразователями разных групп. Например, для соединения механических преобразователей разных групп. Например, для соединения механических преобразователей с электрическими применяют прямые (электродвигатели, электромагниты) и обратные (сельсины, потенциометры) преобразователи.
Преобразователь (механизм) конструируют из функциональных деталей, служащих для выполнения его функционального назначения, и деталей обслуживания, обеспечивающих нормальную работу конструкции, не оказывая непосредственного влияния на функцию преобразования параметров.
Мы сосредоточимся на механических преобразователях – передаточных механизмах (передачах), осуществляющих кинематические связи как между двигателем и рабочим органом, так и между отдельными механизмами. Их можно подразделить на следующие группы:
· Со стабильным характером преобразования (передачи с постоянным передаточным отношением – зубчатые, червячные);
· С переменным характером преобразования, имеющие переменное или регулируемое передаточное отношение (рычажные передачи, кулачковые механизмы, фрикционные и зубчатые вариаторы);
· Прерывного действия, в которых непрерывное механическое перемещение преобразуется в дискретное перемещение (мальтийские, храповые механизмы)
Структуру (схему) машины обычно выбирают путем параллельного анализа нескольких вариантов, которые подвергают сравнительной оценке по стоимости изготовления, энергоемкости, надежности действия, габаритам, металлоёмкости и массе, технологичности, удобству обслуживания. При этом часто приходится выбирать вариант, не сколько обладающий небольшим числом достоинств, сколько имеющий наименьшее количество недостатков.
Исследованиями установлено, что в машиностроении на доводочное конструирование приходится около 56%, на пионерское (поисковое) конструирование – 34% и на конструирование вариантов из нормализованных элементов – 20% общего объема работ.
Главная задача пионерского проектирования – разработка конструктивной схемы ТС (машины, механизма), предполагающая:
· Разработку функциональной схемы или принципа действия;
· Определение типа и числа элементов, - расположение элементов;
· Составление общей конфигурации
· Определение и простановку размеров.
Основным критерием пионерского конструирования является новое расположение известных или новых элементов. В соответствии с опытом большинство конструкторских разработок называемых новыми конструкциями создаются путем не использовавшегося ранее сочетания элементов, давно известных как по принципу функционирования, так и по исполнению. Использование новых элементов предполагает, как правило, открытие новых физических принципов или изобретение новых рабочих принципов.
Конструктивная схема – это творческая реализация (воплощение) технического замысла изделия, его функциональной структуры и технологии изготовления. В процессе ее обдумывания и отображения осуществляется предварительный выбор материалов и технология изготовления. Она должна обеспечивать возможность экономически целесообразного материального воплощения технологической идеи.