Реферат: Основы конструирования
."
Программное содержание курса.
1. Введение. Роль конструктора в техническом прогрессе. Профессия – конструктор: квалификационные требования; профессиональные способности. Объем и характер работы конструктора на промышленном предприятии .
2. Конструирование как процесс.
2.1. Конструирование – вид умственной деятельности (труда). Содержание процесса конструирования (Анализ + Синтез). Техническое решение, его свойства и признаки (существенные и дополнительные). Выявление технических решений. Связь между техническим заданием и его оптимальным решением. Стадии разработки.
2.2. Основные этапы конструирования.
I. Анализ технического задания. Основные требования к объекту конструирования. Общие правила конструирования. Основной принцип (принципы) работы объекта.
II. Выявление технических решений. Подбор и разработка вариантов конструкции, относящихся к объекту и основному принципу. Рабочие принципы. Мысленный образ объекта. Простота конструкции. Обеспечение надежности и безопасности. Оценка требований к объекту: масса, компактность, стоимость материалов, ограничение по простоте конструкции, скорость действия (мощность), модульность, универсальность.
Методы, применяемые при разработке вариантов конструкции (технических решений): Инверсия. Аналогия (Прецеденты). Эмпатия. Комбинирование. Компенсация. Динамизация. Агрегатирование (Способы агрегатирования). Компаундирование. Резервирование. Мультипликация. Метод расчленения (Секци– онирование). Ассоциация. Идеализация. Метод переноса свойств ("фокальных" объектов) и др.
Язык конструктора: Термины. Терминология.
Источники научно–технической информации: Техническая литература. Производственно–техническая информация. Нормативно–техническая документация (Стандарты). Патентная информация.
III. Анализ вариантов конструкции (технических решений) и выбор оптимального варианта.
Число и качество вариантов. Противоречивость требований к объекту, его частям и функциональным элементам. (Совместимость технических решений по элементам конструкции объекта и рабочим принципам).
Решение задачи оптимизации математическими методами (с применением ЭВМ): Оптимальное решение. Критерий оптимизации.
Структура оптимального конструирования: Выбор критериев (Свойства и виды критериев). Математическое моделирование (Описание целевой функции и множества допустимых решений). Исходные параметры объекта. Требования к параметрам оптимизации (Виды параметров). Основные ограничения для механических конструкций. Выбор эффективного метода решения оптимизационной задачи, его реализация (Основные математические методы: Аналитические. Численные. Эвристическое программирование).
Вариантное конструирование. Оптимизация на интуитивном уровне. Расчеты при конструировании. Основные параметры оптимизации конструкций.
IV. Разработка конструкторской документации для практической реализации объекта.
Технический (технорабочий) проект. Рабочие чертежи.
3. Практические вопросы конструирования.
3.1.* Основы конструирования и расчета деталей машин. Стандартизация и унификация. Технологические требования и экономические факторы.
3.2.* Конструирование валов и осей. Подшипниковые узлы.
3.3. Передачи. Коробки передач. Приводы главного движения со ступенчатым и бесступенчатым регулированием: Кинематический расчет.
3.4. Анализ конструкций на технологичность. Технологичность конструкции, ее виды (Показатели технологичности по ГОСТ 22851–77), ГОСТ 18831–71:
Отработка конструкции на технологичность. Основные требования и рекомендуемые решения при отработки конструкции на технологичность. ("Методика отработки конструкции изделий на технологичность и оценки уровня технологичности изделий машиностроения и приборостроения").
3.5. Масса и материалоемкость конструкций. Снижение массы и материалоемкости. Выбор материалов с учетом обеспечения прочности, жесткости и надежности конструкций при минимальной массе.
3.6. Жесткость конструкций. Конструктивные способы повышения жесткости.
1. Жесткость. Равнопрочность. Факторы, определяющие жесткость: упругие характеристики материалов (E, G); геометрические характеристики сечений (A; J, W; JК, WК); линейные размеры, тип (жесткость) опор; вид нагружения. Удельный показатель жесткости.
Конструктивные способы повышения жесткости: Общие способы. Способы для консольных и двухопорных систем, работающих на изгиб.
2. Обеспечение жесткости узлов металлорежущих станков (МРС).
2.1. Конструирование шпиндельных узлов (ШУ).
ШУ с опорами качения. Основные требования к ШУ. Конструкция ШУ. Подшипники качения для опор ШУ: Способы создания предварительного натяга (жесткий и мягкий натяг). Расчет точности ШУ. Смазывание и уплотнение ШУ. Определение главных размеров ШУ. Расчет ШУ на жесткость (Оптимизация межопорного расстояния).
2.2. Несущая система и базовые детали: станины направляющие.
Расчет базовых деталей на жесткость. Направляющие скольжения, качения, комбинированные.
2.3. Тяговые устройства МРС.
Основные требования к тяговым устройствам. Тяговые устройства привода подачи: Передача винт–гайка качения. Расчет передачи винт–гайка качения: Предварительный выбор параметров передачи. Расчет на жесткость.
4. Основы художественного конструирования.
Понятие об инженерном и художественном конструировании. Художественно–конструкторское решение.
Техническая эстетика. Инженерная психология. Эргономика. Промышленная эстетика.
4.1. Система "человек–машина". Человек–оператор (Ч–О) – звено системы "человек–машина": свойства Ч–О (восприятие, внимание, память); рецепторы и эффекторы; физиологический климат.
Схемы взаимосвязей человек–объект: "треугольных взаимосвязей", частные модели поведения Ч–О; схема прохождения сигнала по контуру управления (скорость обращения сигнала по контуру управления; погрешность и надежность звеньев; скорость обработки информации).
Основные характеристики рабочей среды: категории I,II,III,IV.
4.2. Основные требования к конструкции индикаторов и регуляторов.
Визуальные, акустические и тактильные индикаторы.
Нажимные, движковые (ригельные), рычажные, вращательные регуляторы.
Принципы группирования индикаторов и регуляторов на панелях управления.
Общие требования к органам управления и индикации.
4.3. Эргономическая отработка конструкций.
Эргономические показатели (ГОСТ 16456–70): Гигиенические. Антропометрические. Физиологические и психофизические. Психологические.
Эргономический анализ и отработка конструкций: Методы исследований. Виды исследований. Основные этапы эргономической отработки. Факторы эргономического анализа. Оценка результатов принятого художественно–конструкторского решения. Эстетический анализ. Эстетические показатели (информационная выразительность; целостность композиции; совершенство производственного исполнения и стабильность товарного вида).
Основные требования к форме, отделке и окраски внешних поверхностей объекта. Влияния освещения на восприятие формы и цвета. Требования к освещению.
4.4. Основы композиции.
Задача эстетического анализа. Композиция: Общие категории (Тектоника. Объемно–пространственная структура). Свойства и качества (Целостность формы. Соподчиненность. Равновесие. Симметрия и асимметрия. Динамичность и статичность формы. Единство характера формы). Средства (определяющий композиционный прием. Пропорции и масштаб. Контраст и нюанс. Метр и ритм. Темп и пластика).
Некоторые особенности восприятия формы. Оптические иллюзии. Психологические факторы восприятия.
4.5. Элементы цветоведения.
Физические и психологические характеристики цвета: Яркость, цветовой тон, чистота; Светлота, насыщенность.
Влияние видов отражения.
Цветовые модели: Линейная. Трехмерная модель Мессела. Цветовой график.
Особенности психологического восприятия цвета. Цветовой круг. Выбор цветовых сочетаний: Контрастная и нюансная гармония.
Цветовые иллюзии.
Основные рекомендации по выбору цветовых решений (Рабочее место. Рабочая зона. Помещение (интерьер) в целом).
Сигнальные значения цвета.
5. Основы патентоведения.
Изобретательство – важный фактор технического прогресса. Изобретательское право. Объекты и субъекты изобретательского права. Защита объектов изобретательского права (Патент; АС; Диплом).
Открытие. Изобретение. Промышленный образец. Рационализаторское предложение.
Изобретательская деятельность: Выявление изобретений (Главные критерии изобретения. Патентоспособность). Прототип. Аналоги. Существенные признаки (Структуры. Вида. Отношения). Существенные отличия. Положительный эффект. (ГОСТ 15.011–82).
Патентный поиск. Источники порочащие, не порочащие новизну изобретения.
Патентная информация (Документация). Справочно–поисковый аппарат. Система МКИ. Справочно–информационные фонды патентных служб.
Составление и оформление заявки на изобретение. Описание изобретения. Формула изобретения.
6. Активизация инженерного творчества.
Разрешение технических противоречий (Внешние. Внутриобъектные). Процесс поиска новых идей – процесс выявления и разрешения ТП: существенный этап создания изобретений. Необходимость овладения методами активизации (творческий уровень изобретения). Метод "проб и ошибок" (Эвристика). Брейнсторнинг. Синектика. Метод "контрольных вопросов". Морфологический анализ. Алгоритмическая методика (АРИЗ). "Изобретающая машина".
7. Конструкторский бизнеса.
Лекция 3 "Основы конструирования"
§ 3.1. Резюме Лекции 2.
ТО, Конструирование – логический мыслительный процесс (не исключающий, однако,
элементов интуиции 
"озарение"):
от абстрактно сформированного задания А (основного принципа) через функционирующие
элементы (ФЭ)(Существующие ТР [элементы решений]) к желаемому результату
(Рабочие принципу)
[КД].
Т.е., конструирование направлено от сущности задачи к явлению, которое желают получить (вызвать).
Основы структуры конструирования как процесса – связь между ТЗ и наилучшим его вариантом (Решением) – которая позволяет определять основные положения (они не носят характер непреложных законов) для подразделения существенных рабочих этапов конструирования:
1) В ТЗ содержаться (в явной или не явной форме) необходимые и достаточные данные для всех возможных решений (Основной принцип);
2) Каждое отдельное решение является комбинацией функционирующих элементов (ТР), характеризуемых определенным действием;
3) Каждое решение имеет недостатки (ошибки), число которых возможно минимизировать;
4) ТР с минимальным числом недостатков является оптимальным.
Эти положения определяют строгую (единственно возможную) последовательность действий при конструировании объектов: повторения (возвраты) допустимы и необходимы.
Отсюда следует основные этапы конструирования как процесса:
I. Проанализировать ТЗ: сформулировать Основной принцип.
II. Выявить ТР, целесообразные комбинации которые дают все возможные решения задачи (Рабочие принципы) ;Þ Мыслительный образ объекта.
Содержание:
– Анализ существующих конструкций и принципов их работы – выявление ТР–это единственный путь:
В КД и действующей конструкции ТР воплощены в определенной совокупности узлов, деталей или их элементов (Вспомним пример – Шестерня), они как бы "теряются" в этой массе. В процессе анализа выявляются ТР, являющиеся основой построения детали, узла или объекта в целом.
NB. ТР – основа для сравнения и оценки разных объектов: всю разработку в целом сравнить трудно, особенно если объект сложный и включает в себя разные узлы и системы: электрические, гидравлические, мех. передачи и др. Сравнению поддаются ТР, к которым можно применить общий критерий, характеризующий Основной принцип.
III. Найти содержащиеся в каждом решении недостатки и принять меры к уменьшению их количества (ошибки должны быть исключены полностью) или их действия (Улучшенные рабочие принципы).
Содержание:
– Мысленные эксперименты (при недостаточном опыте – эскизная проработка): перестановка и замена элементов объекта; оценка эффективности изменений – их влияние на конечный результат.
Выявить ТР с min–min числом недостатков – путем сравнительной оценки (Оптимальный рабочий принцип).
IV. Изготовить КД для практической реализации объекта (Как –min– Рабочий чертеж).
NB. Еще раз следует подчеркнуть, что эффективность применения методики (методик) конструирования во многом зависит как от обычной способности к мышлению, так и от ряда определенных качеств ( в т.ч. и профессиональных) личности конструктора.
К сожалению подробное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки программы курса "ОК": это – вопросы из "Психологии творчества".
Можно назвать основные: –
n живое человеческое мышление, управляемое диалектической логикой * и включающее системный подход [!]**.
n образное мышление и творческое воображение.
Все эти качества – дело наживное: они формируются и развиваются в процессе деятельности на основе трех "само...":
–самообразование (...воспитание);
–...анализ;
–...оценка.
** В настоящее время в области инженерии (Инженерная Деятельность) наиболее дефицитна (престижна) третья категория инженеров: системотехник ( или "универсалист") – инженер широкого профиля, задачи которого – организация и управление инженерной деятельностью и создание сложных технических систем (1к – производственник; 2к – исследователь–разработчик).
* Принципы:–
–принцип первичности материального;
–принцип всеобщей взаимосвязи;
–принцип развития.
§ 3.2. Рассмотрим более подробно основные этапы процесса конструирования.
I. Анализ ТЗ проводится на основании :
–требований к объекту конструирования;
–общих правил конструирования (см. Орлов кн.1, 1977г, стр. 63...67=52).
I.1. Основные требования к объекту конструирования.
Разработка (Проектирование, конструирование) технических объектов связанна с конкретными,–
–производственной необходимостью;
–и бытовыми потребностями человека.
Подготовка производства (конструкторская ПП–часть), изготовление и эксплуатация объекта, в свою очередь, происходят в конкретных производственных и эксплуатационных условиях.
Это вносит определенные ограничения в работу конструктора, с которым он всегда должен считаться в процессе конструирования: "обузды–вать фантазию".
В противном случае – без учета ограничений, приходится всегда вносить изменения в конструкцию при изготовлении и эксплуатации, а это Þ дополнительные затраты труда и материалов.
Перечислим основные требования к объекту, которые должны обеспечивать max. его соответствие конкретным условиям применения:
À – соответствие своему назначению и высокая производительность; высокое качество, надежность и ремонтопригодность. Результат выполнения этих требований – обеспечение назначенного (гарантийного) ресурса;
Á – удобство применения, функциональные свойства, необходимые для выполнения нужных операций; (специализация или универсальность)
 – соответствие конструкции объекта условиям изготовления его конкретными технологическими способами, на конкретном производстве в конкретном количестве. (Литье, штамповка, сварка и т.д.; – единичное – серийное – массовое; одно – серия (и) – много).
Это требование диктуется экономической целесообразностью;
à – возможность изготовления объекта на конкретной производственной базе предприятия–изготовителя с min–min затратами (конструктор должен учитывать имеющиеся:
–оборудование, инструмент, оснастку для изготовления, сборки и контроля;
–квалификация персонала и состояние технологической дисциплины и т.п.).
Ä – соответствие конкретным условиям технологической подготовки производства (это – материалы, полуфабрикаты, заготовки, ПКИ (ГИЗы) Î их наличие и дефицитность).
Основа выполнения этого требования – согласования КД со службами (Предприятиями и организациями), участвующими при изготовлении.
Для выполнения этого требования проводится входной конструкторский, технологический и норма–контроль КД, полученной из др. Организаций и Предприятий.
Å – соответствие требованиям СТ (ГОСТ, ОСТ, СТП),ТУ, Правил, Инструкций, Норм, так называемые Нормативно–технические материалы, например, – ССБТ; П. без–й эксил ГПК; ПУиБЭ сосудов РД; ПУЭ и т.д. и т.п.
Æ – КД на объект должен соответствовать требованиям ЕСКД.
На что надо обратить внимание, это:
–не давать в чертежах технологических указаний (за исключением – когда технология единственная);
–не забывать указывать все Тех. Требования на изготовление, контроль (измерения) и испытания объекта.
Кроме того в процессе изучения и анализа ТЗ конструктор:
–наводит справки;
–знакомится с литературой;
–изучает чертежи, приложенные к ТЗ, и аналогов;
–уточняет ТТ к объекту и выясняет ограничения (условия, которые обязательно должны быть соблюдены при решении задачи).
Результат I этапа 
–
уяснение цели конструирования (основного принципа работы объекта);
–Подтверждение того, что эта цель в ТЗ сформулирована правильно.
В противном случае – конструктор обязан обоснованно доказать необходимость корректировки ТЗ: ошибка разработчика ТЗ может привести, как min – к неверному направлению разработки объекта; max – к разработке негодной конструкции.
Лекция 4. Основы конструирования.
Этап II – Выявление ТР, целесообразные комбинации которые дают все возможные решения задачи (Рабочие принципы) Þ Мыслительный образ объекта.
Содержание:
–Анализ существующих конструкций и принципов их работы – выявление ТР, – это единственный путь:
В КД и действующей конструкции ТР воплощены в определенной совокупности узлов, деталей или их элементов (вспомним пример –Шестерня...), они как бы "теряются" в этой массе. В процессе анализа выявляются ТР, являющиеся основой построения детали, узла или машины в целом.
NB. ТР – основа для сравнения и оценки разных объектов: всю разработку в целом сравнить трудно, особенно если объект сложный и включает в себя разные узлы и системы (электрические, гидравлические, мех. передачи и др.). Сравнению поддаются ТР, к которым можно применить общий критерий, характеризующий Основной принцип.
При этом рекомендуется руководствоваться следующими соображениями:
– Следует идти от необходимого к желаемому, а от желаемого к допустимому.
Качество конструкции объекта зависит от качества идеи или принципа, использованного в ТР объекта. Следует находить побольше ТР для выбора наилучшего; разрабатывать варианты известных ТР... ;стремиться выяснить все необходимые детали, способные повлиять на конструируемый объект.
Оценивать сравнительную важность каждого варианта, чтобы облегчить выбор оптимального или создать компромиссный. Избегать поспешных решений и чрезмерного влияния авторитетных решений. Правильно оценивать результаты расчетов и рационально их использовать.
– Добиваться простоты конструкции. Например, если предполагается ввести новый узел или изменить уже существующий, надо уточнить, нельзя ли вообще обойтись без них.
Избегать сложных, многодетальных конструкций. Не использовать в конструкции объекта элементы (узлы и механизмы), работоспособность которых сомнительна и требует экспериментальной проверки.
NB – Улучшение конструкции по некоторым параметрам за счет ухудшения качества, надежности и безопасности работы ее недопустимо.
Требования предъявляемые к конструкции обычно противоречивы. Поэтому, улучшая один параметр объекта, конструктор влияет на др., нередко ухудшая их. Важно оценить эти влияния, принимая компромиссное решение, которое в конкретном случае будет оптимальным.
При оценки требований, предъявляемых к объектам разработки, необходимо учитывать следующее:
– Уменьшение массы объекта вызывает уменьшение прочности и жесткости.
– Компактная, малогабаритная конструкция влечет за собой улучшение условий сборки, обслуживания, регулировки и ремонта.
– Применение дешевых материалов вызывает ухудшение прочности, износостойкости и долговечности.
– Создание простой конструкции объекта накладывает ограничения на технические и технологические возможности его работы.
– Увеличение скорости действия механизма приводит к росту инерционных сил и нагрузок на детали и узлы.
– Разбивка конструкции на модули (узлы) для облегчения организации их сборки (или транспортировки) ведет к уменьшению жесткости конструкции, повышает трудоемкость сборки.
– Создание конструкции для разных режимов работы и разных операций (универсальной) наносит экономический ущерб при эксплуатации объекта на одной операции.
Для нахождения лучшего конструктивного решения конструктор должен создать как можно больше вариантов конструкции, т.к. в каждом варианте возможно решение тех или иных вопросов в разной степени.
Следует заметить, что разработка принципиально различающихся вариантов дело непростое. Кроме знания большого объема различных ТР, конструктивных схем и т.д. требуются способности и навыки использование приемов и методов конструирования.
Существуют методы, которые активизируют и направляют творческое мышление на пути создания новых, нешаблонных, нестандартных решений. Конструктору полезно знать эти методы (и учиться использовать их).
Приведем основные:
Инверсия (сделай наоборот) – метод получения нового ТР путем отказа от традиционного взгляда на задачу. При этом взгляд на задачу осуществляется обычно с диаметрально противоположной позиции. Если говорить об элементах объект, то они обычно меняются местами.
Принцип инверсии: –
– С наружи – изнутри;
Вертикально – горизонтально;
Вертикально – вверх дном (вверх ногами);
С лицевой стороны – с обратной стороны;
Поверхность охватывающая – поверхность охватываемая;
Симметрично – асимметрично;
Ведущее – ведомое;
Жидкое – твердое;
Вредное – полезное;
Жесткое – гибкое;
Растяжение – сжатие (Пример ?!).
Элемент на одной детали – Перенести на др. деталь, взаимодействующую с первой; и т.д. и т.п.
Аналогия (метод прецедента) – использование ТР из др. областей науки и техники. Аналогичные решения, используемые для решения инженерных задач, могут быть заимствованы из живой природы как конструкции и элементы биомеханики.
Метод прецедента использует аналогию с ранее разработанными конструкциями.
Аналогия может не только использовать ранее созданные конструкции, но и моделировать разные качества: форму, цвет, звук и т.п.
Эмпатия – отождествление личности конструктора с объектом разработки, т.е. элементом или процессом: "вхождение в образ". Этот метод приводит к новому взгляду на задачу.
Комбинирование – использование в конструкции в разном порядке и в разных сочетаниях отдельных ТР, процессов, элементов. При этом можно найти новое качество, дополняющий положительный эффект.
Метод комбинирования может применяться по трем схемам объединения элементов:
новое + новое,
новое + новое,
старое + старое.
Комбинации элементов могут быть разного характера: мех. соединение, соединение через промежуточные элементы, дублирование, образования многоступенчатых конструкций и др.
Компенсация – уравновешивание нежелательных и вредных факторов средствами противоположного действия. Например, часто необходимо компенсировать влияние массы, сил инерции, трения, различные потери ... – это осуществляется с помощью компенсаторов (постоянных, регулируемых, автоматических, пружинных и др.).
Динамизация – превращение неподвижных и неизменных элементов конструкции в неподвижных и неизменных элементов конструкции в подвижные и изменяемой формы.
Агрегатирование – создание множества объектов или их комплексов, способных выполнять различные функции, либо существовать в различных условиях. Достигается путем изменения состава объекта или структуры его составных частей.
Способы агрегатирования:
n соединение агрегатов с самостоятельным объектом представляющим комплекс (транспортер с подвесными орудиями);
n агрегатирование присоединением, когда к базовой составной части могут присоединяться различные зависимые составные части;
n агрегаты, узлы, детали (например, агрегатные станки; поворотно–делительные столы + силовые узлы: механизм главного движения и механизм подач);
n агрегатирование изменением, когда в объекте могут применяться всевозможные варианты составных частей при различной компоновке (например, различные варианты кузова автомобиля на одном шасси ...).
Компаундирование – состоит с том , что для увеличения производительности параллельно соединяются два технических объекта. Соединение производится различными приемами:
n объекты устанавливаются независимо параллельно и связываются синхронизирующимися устройствами;
n ... конструктивно объединяются в один агрегат и т.д.
Блочно–модульное конструирование – предусматривает создание изделий на основе модулей и блоков. Модуль – составная часть изделия, состоящая преимущественно из унифицированных или стандартных элементов различного функционального назначения (например, М. С. У.).
Резервирование (дублирование) – увеличение числа технических объектов для повышения надежности изделия в целом.
Мультипликация – повышение эффективности за счет использования нескольких рабочих органов, выполняющих одни и те же функции (по местам; многодетальная обработка; многоэтажные конструкции; многослойные конструкции и т.п.).
Метод расчленения – заключается в мысленном разделении традиционных технических объектов с целью упрощения выполняемых или функций и операций. Секционирование предполагает дробление ТО на конструктивно подобные составные части – секции, ячейки, блоки, звенья.
Ассоциация – использование свойства психики при появлении одних объектов в определенных условиях вызывать активность других, связанных с первыми. Совпадение определенных признаков разных объектов позволяет найти нехарактерные решения. (Например, мех. манипулятор, имитирующий работу руки ...).
Идеализация – падение реальных объектов нереальными, неосуществимыми свойствами и изучение их как идеальных (точка, линия, абсолютно твердое (черное) тело и др.). Этот метод позволяет значительно упростить сложные системы, обнаружить существенные связи и применить математические методы исследования.
Перенос свойств (или метод "фокальных" объектов) – конструируемый объект помещают в "фокус" внимания и переносят на него свойства или функции нескольких произвольно выбранных объектов.
Совокупность комбинаций найденных ТР – основа для создания конструкции объекта.
Следующий этап (III) – анализ вариантов и выбор оптимального – труднейший и самый ответственный этап конструирования. От результатов его выполнения зависит качество объекта на всех стадиях жизненного цикла.
? – Язык конструктора. –?
? – Источники информации. –?
?? – специальный научно–технический язык терминов.
Термин (от лат. terminus – граница, предел) – слово или сочетание слов, употребляемое с оттенком специального значения. Система терминов–терминология.
Конструкторский язык – терминология, при внимательном рассмотрении обнаруживает свою образную первооснову:
ось – палец – вал – вал ^ муфта
стакан – гильза ^ патрон
баба – бабка ^ пиноль
гитара
хвостовик.
Образный смысл терминов помогает глубже понять их содержание [и способствует развитию творческого воображения]. Однако, следует заметить, увлечение образами создает заряд психологической инерции, которая может препятствовать поиску новых ТР. Поэтому при решении конструкторских задач нужна большая независимость от конкретных технических средств.
Источники [научно–технической] информации.
Роль технической информации при конструировании огромна.
Конструктор творчески перерабатывает имеющиеся в его распоряжении (арсенале) или заимствованные из технической литературы информацию, существующие ТР, приспосабливая их к конкретным условиям.
Чаще всего в структуре разработанного объекта отсутствуют существенно новые ТР (изобретения). Это объясняется тем, что конструкторы, решая например, задачу повышения уровня технического оснащенности м/с, на многих предприятиях отрасли занимаются одними и теми же проблемами: Ежедневно происходит повторение одних и тех же конструктивных решений.
Бурный рост объема НТИ: удвоение в течении семи лет (в середине 80–х в нашей стране общее число информационных документов составляло в год ³ 10 млн. Экземпляров), – все больше затрудняет поиск и изучение необходимого.
Парадокс. Поэтому – как правило, легче разработать новый объект, чем убедиться, что такое где–то уже существует. (изобретение велосипеда).
В то же время – изучение и накопление положительного опыта конструирования – жизненная необходимость, особенно для молодых специалистов.
Т.к. стремление освоить всю предыдущую информацию – тщетно!!!, то – выход: изучать информацию по конкретным актуальным для данного специалиста вопросам, начиная с новейших достижений и кончая ретроспективной информацией.
СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ.
"УЗКИЙ" специалист.
Результат изучения информации Þ обеспечение Конструктивной преемственности – использование при разработке предшествующего опыта по профилю специализации и смежных отраслей, введение в конструкцию разрабатываемого объекта всего полезного, что имеется в существующих конструкциях.
Основные источники НТИ:
Техническая литература: Учебники; Справочники конструктора (межотраслевые и отраслевые); Энциклопедии технические ( универсальные и отраслевые); Словари терминологические и разъяснительные; Типажи машин и оборудования и т.п.
Производственно–техническая информация – информация о новейших достижениях научной и производственной практики: Обзоры; Реферативные издания; Экспресс–информация; ИЛ; Бюллетени; Типовые РМ и в том числе изобретения и т.п.
–Н–ТД – ГОСТ, ОСТ, СТП, ТУ, РТМ, ТО и др.;
–Патенто–лицензионная информация (о содержании – в разделе Патентоведение).
БНТИ Þ помощь Специалистам.
Лекция 5. "Основы конструирования".
III. Анализ вариантов конструкции и выбор оптимального варианта.
II этап заключается в подборе и разработке вариантов, относящихся к объекту и принципу работы.
III этап Þ принятие одного, окончательного варианта.
Важно отметить, что принятие конкретного варианта имеет решающее значение на всех стадиях разработки. Оптимальное решение придает направление всей разработке.
Вероятность выбора оптимального варианта ... тем выше, чем больше число вариантов, из которых выбирается это решение, и чем выше качество этих вариантов.
Как мы сказали ранее, основа для отбора ТР – требования (ТЗ) к разрабатываемому объекту. Эти требования могут предъявляться к объекту в целом или к его составным частям и функциональным элементам.
Как требования к объекту, так и варианты ТР нередко являются противоречивыми. Противоречивость вариантов может иметь самую различную степень, вплоть до взаимного исключения.
В любом случае выполняется проверка совместимости принимаемых решений по разным частям конструкции и принципам работы конструируемого объекта.
В случаях, когда имеется определенное число вариантов и выбор наилучшего (оптимального) не очевиден, на помощь конструктору приходит метод оптимизации.
Оптимальным решением задачи назначается решение, которое по тем или иным признакам предпочтительнее.
Отсюда следует: чтобы среди большого числа вариантов найти оптимальный, нужна информация о предназначительности различных сочетаний значений показателей характеризующих варианты,– критерий оптимизации.
Задача выбора оптимальных параметров разработки в соответствии с выбранными критериями называется задачей оптимального проектирования (конструирования).
Здесь следует отметить, что под оптимальным проектированием (чаще всего) понимается процесс принятия оптимальных (в некотором смысле) решений с помощью ЭВМ. Эта проблема, связанная с получением оптимального решения из множества допустимых, является общей для всех стадий разработки и во многом определяет технико–экономическую и технологическую эффективность разрабатываемых (конструируемых) объектов.
Рассмотрим некоторые положения теории оптимального проектирования.
Процесс оптимального проектирования включает в себя три основных этапа:
1) выбор объективного критерия оптимизации;
2) описание целевой функции и множества (области) допустимых решений (математическое моделирование объекта);
3) выбор эффективного метода решения задачи и его реализация.
À Критерий оптимизации конструируемого объекта служит показатель, который оптимален для данного объекта.
Выбор критерия определяется следующим:
n критерий–средство, с помощью которого должны сопоставляться конкурирующие варианты конструкции объекта;
n критерий должен выражать соответствие между целесообразным качеством объекта и реальными процессами конструирования, изготовления и эксплуатации объекта.
Критерий предназначен не для того, чтобы "заменить цель поставленной задачи", а для того, чтобы проверить предпочтительность выбранных вариантов.
Критерий должен быть объективным и оправдывать свое назначение. Для этого он должен обладать рядом свойств:
n быть независимым;
n быть однозначным, т.е. не являться функцией других факторов;
n быть непосредственно связанным с параметром оптимизации;
n быть совместимым с другими факторами, чтобы не нарушать их работу и др.
В качестве критерия оптимизации в зависимости от характера и назначения объекта конструирования могут быть приняты:
n его стоимость;
n конструктивные и точностные показатели;
n масса (вес);
n долговечность (ресурс) и др.
Á Оптимизация как процесс рационализации элементов конструкции возможна только тогда, когда сформулирована цель.
При решении задач оптимизации математическими методами : математическая зависимость критерия оптимизации от искомых параметров объекта носит название целевой функции .
Название не случайно : оптимизация проводится с целью получения наилучшего значения критерия оптимизации .
* Z=Z(X,U) ® min , [ x1,...,xn ] =X
- n искомых параметров объекта ;
- Ui(t) - неизвестные функции конструирования.
Пространства , в которых изменяются X,U - назовём пространствами проектирования .
*- условие min функционала , определяющее выбранный критерий - есть критерий оптимальности .
Функционал - ( в вариационном исчислении ) математическое понятие, означающее переменную величину , зависящую от выбора одной или нескольких функций .В общем смысле - оператор , отображающий бесконечно мерное пространство , в множестве действительных или комплексных чисел .
Параметры оптимизации :
В качестве искомых параметров объекта могут служить любые численные значения :
- принцип работы изделия ( н .)
- технические показатели ( Vmax или Vmin ; производительность; to ; M и др.);
- показатели качества ( Qu ; HRC - поверхности вала и тп .).
Параметры оптимизации должны соответствовать следующим требованиям,-
- поддаваться измерениям с достаточной степенью точности и ограничиваться пределами допусков ;
- быть информационными , т.е . всесторонне характеризовать объект;
- иметь физический смысл , т.е. должна быть возможность достижения полезных результатов определенного свойства объекта в соответствующих условиях;
- быть однозначными т.е. максимизировать или минимизировать только одно свойство объекта .
Параметры оптимизации в зависимости от цели , для которых они предназначены , могут быть ,-
- пространственно – временными ( длина ; время ; площадь ; объём ; скорость ; ускорение и т.д. );
-механическими (масса , плотность, сила , момент силы , работа , энергия , мощность , давление и т.д.);
- электромагнитными (количество электричества, плотность тока, удельное сопротивление ,магнитный поток и т.д.);
- тепловыми ( to , количество теплоты, тепловой поток, коэффициент теплообмена и т.д.);
- акустическими ( звуковое давление , интенсивность звука и т.д.);
- качественными (внешний вид , качество поверхности и т.д.) .
В задачах оптимизации к критериям оптимальности обычно приходится присоединять ограничения , чтобы сузить пространство проектирования (это не только системы математических уравнений , но и логические выражения типа ² если ... то ... ² ).
Основные ограничения для механических конструкций :
1) на величину напряжений ( мех. ) , налагаемые требованиями надёжности и экономичности ( условия прочности и устойчивости );
2) на перемещение элементов , налагаемые требованиями жёсткости , работоспособности действующей НТД (условия жёсткости );
3) условие совместности деформаций : неразрывность элементов конструкции при действии внешних нагрузок ;
4) функциональные ограничения , связанные с условиями и эксплуатации элементов объекта ( Н , габаритные ограничения , материал , сортамент , крепёж и т.п.)
 Задача о минимуме функционала при заданных ограничениях в общем случае является задачей теории оптимальных систем с определёнными параметрами , описываемой системой дифференциальных и интегральных уравнений . Единого метода решения столь общих задач не существует .
В основном применяются ,– аналитические (дифференциальные и вариационные исчисления ) и ,– численные методы (линейное , нелинейное и динамическое программирование ; метод ветвей и границ .
eЭвристическое программирование в системе человек – ЭВМf
I оптимизация по нескольким ( многим ) параметрам при помощи ЭВМ .
II Если удаётся выделить один главный параметр , который достаточно полно характеризует объект оптимизации , применяются методы отличающиеся более простыми вычислительными процедурами .
!!! Решение задач оптимизации математическими методами даёт наилучшие результаты . Однако не всегда возможен выбор математических методов оптимизации с использованием ЭВМ .
Ограничения : отсутствие СВТ и соответствующих специалистов ; кроме того , не все задачи оптимизации имеют математическое решение .
По этому конструктор , работающий на промышленном предприятии , 1), применяет т.н. вариантное конструирование ( сравнение нескольких вариантов конструкции и выбор варианта с минимумом недостатков ); 2), выполняет оптимизацию на интуитивном уровне .
Ведь задачи оптимизации приходится решать не только при определении основных параметров объекта , но и по многим второстепенным вопросам .
Любой выбор конструкторского решения формы и размеров элементов объекта – решение оптимизирующей задачи , когда конструктор выбирает оптимальное решение из той совокупности вариантов , которые хранятся в его памяти . Эти варианты удовлетворяют ТЗ на конструкцию ,т.е. находятся в допустимой области . Знание конструктором основных критериев и методов конструирования позволяет делать правильные логические выводы .При этом помогает модель конструируемого объекта – мыслительный образ (в воображении конструктора ) или графическое изображение (схема , эскиз ). Модель отражает упрощённую принципиальную схему , которую в процессе конструирования обрастает IP. Здесь на помощь конструктору приходит ² мыслительный эксперимент ² : например, проводится ² нагружение ²образца на основе чего определяется рациональное поперечное сечение , и т.п.
Знание методов оптимизации , опыт работы , способность творчески мыслить позволяют конструктору избежать недостатков и ошибок в конструкции объекта .
Основные параметры .
При конструировании оптимизацию целесообразно выполнять по следующим (основным) параметрам ,–
– 1. Оптимизация нагружения – самый главный параметр, который определяет конструкцию объекта : равнопрочность, оптимальное использование материала, надёжность и т.д.
– 2. Оптимизация материала зависит от конструкции объекта. Применяемый материал может быть различным, но его выбирают по необходимым механико-физическим свойствам, технологичности, стоимости, доступности и т.д.
– 3. Оптимизация надежности включает в себя показатели качества, коэффициент безопасности, точности и т.д.
– 4. Оптимизация отношений взаимосвязанных величин заключается в оценке следующих характеристик объекта : геометрические размеры (характеристики) , кинематические и динамические свойства, масса, упругие свойства и отношения между ними.
Анализ конструкций на технологичность
— выполняется при разработке технического (технорабочего) проекта объекта
— после разработки окончательных технических решений
— для оценки объекта по технологическим параметрам и отработки его на технологичность.
Чтобы улучшить технологичность изделий (для снижения себестоимости) выполняется технологический контроль конструкторской документации по ГОСТ2.121–73.
Основной субъект, разрабатывающий конструкторскую документацию – чертежи, схемы, текстовые документы и др. – конструктор. Он определяет “лицо” сконструированного объекта : содержание конструкторской документации (КД) и все отраженные в них технические решения (ТР). За это он несет ответственность, оговоренную в Должностной инструкции, в соответствии с действующим законодательством.
Исходя из этого, в производственной практике наблюдается некоторая переоценка (мягко выражаясь) роли конструктора в создании конструкции объекта.
При этом сложилось антагонистические отношения между конструкторами и технологами: технолог “противник” конструктора, следовательно “ретроград”, тормозящий технический прогресс.
Эта недооценка роли технолога в конструировании объектов не приносила бы вреда, если бы конструктор владел всем объёмом технологических знаний и опыта.
Но – “нельзя объять необъятное”,–поэтому конструкторская документация (КД) – должна быть творчеством не одного исполнителя, а быть результатом совместной плодотворной работы разных специалистов.
И первое, ведущее место в этом процессе занимают технологи.
Качество КД и её технический уровень определяются тем, насколько тесным и плодотворным было это сотрудничество.
Технолог должен совместно с конструктором разрабатывать конструкцию объекта на всех стадиях разработки.
Это реализуется в отработке изделия на технологичность:
? Какие недостатки имеют эти технические решения с точки зрения технологичности
> ТМ . Т0 – определяется следующими компонентами :
анализаторами и длительностью латентного периода ( время от момента появления сигнала среднего уровня до ответа на него действием ) :
│ ?лп (за) = 0,15 .... 0,22 с
│
?лп (са) = 0,12 .... 0,18 с
│ ?лп (та) = 0,09 .... 0,22 с
│ ?лп (общ) =0,31 ....0,39 с
Кроме того , необходимо учесть количество индикаторов и органов управления.
?з ? 10 секунд.
А также темп работы оператора ( бит / с ) :
оптимально 0,5.....5 бит /с ( < 0,5 – «засыпает» , > 5 – «перегружен»).
Таким образом скорость обработки сигнала оператором зависит от :
характера информации ( знакомая 30...45 б/с ; незнакомая ) ;
конструкции индикатора ( шкала, светофор , звук ) ;
характера считывания информации (команда , осведомление , ситуация ) ;
различимость сигнала (сигнал должен превышать фон в 3....5 раз).
Основные требования к конструкции индикаторов .Индикаторы обеспечивают Человеку–оператору приём сигналов управления .
Основной аппарат приёма – органы чувств , являющиеся частью анализаторов.
При работе с объектами управления Человеке–оператор обычно использует только три вида анализаторов : зрительный (визуальный ) , слуховой (аудиальный) и осязательный (тактильный ) .
Особенности этих анализаторов человека (физиологические ) представляют определённые требования к конструкции индикаторов .
Зрительный анализатор , основной элемент которого – глаз , очень сложная система : 7 млн. колбочек и 130 млн. палочек .
Палочки обеспечивают высокую разрешающую способность при ДО и цветовое зрение.
Колбочки– сумеречное зрение и чёрно–белое зрение .
Различают бино– и монокулярное зрение ( поле зрения ). Самая узкая область различения цвета – зелёная , самая широкая – жёлтая (даже дальтоники) .
Некоторые характеристики глаза нелинейные , если шкала используется на расстоянии до 500 мм от глаз , то пропорционально увеличения шкала на расстоянии 5 м даст в 10 раз большую погрешность .
Среднее время наведения двух глаз в одну точку – около 0,17 секунд , различение площадей двух фигур – до 2 % ; разрешающая способность по углу – 3°.... 12°, по яркости – 2 % .
Эти параметры обеспечиваются при наблюдении в течении > 0,5 с. Время адаптации глаза к изменению освещённости – от 5 до 30.....40 мин.
Визуальные индикаторы могут иметь вид :
светофоров ;
счётчиков ;
шкал и светопланов .
Светофоры – сигнальная лампочка , табло или светящаяся кнопка (клавиша) : наличие или отсутствие сигнала .
Все цвета , кроме синего ! = Различимость .Счётчики – самые точные отчетные устройства . Но их недостаток – они не могут показывать направления и скорость изменения параметра . Темп подачи сигналов , лишняя информация : нули слева .
Шкалы – по форме , подвижности . Основные требования – различимость делений и знаков.
Светопланы – электронно–лучевые трубки , люми– и газоразрядные индикаторы , жидко–кристальные индикаторы (ЖКИ) и светоизлучающие диоды (СИД), выполняемые часто в виде комбинированных дисплеев .
Для облегчения работы рекомендуется использовать мнемосхемы .
Например , проекция на лобовое стекло в летательных аппаратов .
Слуховой анализатор , основной элемент которого – ухо , воспринимает звуковые колебания простые (чистые тона ) и сложные (речь , музыка ) в широком диапазоне частот и уровней сигнала ( 20.....2000 Гц , 0,002 Н/м2 ...... 100 Н/м2 ) .
Слух обеспечивает стереоэффект (~ 0..... 120 Дб) , биноуральный слух имеет незначительную разрешающую способность по углам , но обеспечивает приём сигналов из любой точки сферы , в центре которой Человек–оператор .
Основные рекомендации по акустическим индикаторам :
tзвучания сигнала ? 0,3.....0,5 с . ;
если используется несколько АС угол между ними должен быть 15....20°(без поворота головы) или 3.....4° (при возможности повернуть голову на источник звука ) ;
учитывать биноуральность слуха и эффекты адаптации ;
наличие шума ( мешающих сигналов ) , модуляцию сигнала .
Тактильный (осязательный) анализатор – даёт возможность на ощупь определять характерные формы органов управления и облегчать или ускорять процесс управления .
Тактильные индикаторы – различимые на ощупь : рукоятки , кнопки , тумблеры .
Для лучшей различимости – размеры должны различаться между собой ? 20 % .
NB : когда органы управления рядом – но результат воздействия разный : цвет и форма !
На основании сказанного рекомендуется (общие рекомендации) :
использовать зрительные анализаторы – для решения задачи само ориентации ; снятия искажений с много шкальных приборов ; сравнения быстро следующих друг за другом сигналов ; наблюдения за источником информации и получения точной количественной информации ; оценки движения . Лучшая различимость – у дискретных сигналов ;
использовать слуховые анализаторы – для обеспечения индивидуальной одноканальной связи ; передачи кратких сообщений ; сигнализации о завершении ряда следующих друг за другом операций; для дублирующих сигналов. Для различимости– один уровень , но разная частота ;
использовать тактильные анализаторы– для тех случаев , когда зрение или слух заняты ; когда требуются подтверждающие сигналы или когда формируются простые команды управления.
Конкретно , смотреть Вудсон У. , и другие « Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников–конструкторов . « Москва , «Мир» , 1968 год .
Основные характеристики рабочей среды .Характер физической и нервно–психологической нагрузки делят на четыре категории :
¬ лёгкая (комфортная ) рабочая среда ; средняя ( относительно дискомфортная ) рабочая среда ;
® тяжёлая ( экстремальная ) рабочая среда ;
¯ очень тяжёлая (сверхэкстремальная ) рабочая среда .
смотри сборник стандартов безопасности труда (ССБТ) ® «Техника безопасности и охрана труда»; «Основы безопасности жизнедеятельности» .
Формирование сигналов управления – осуществляется регуляторами с применением эффекторного аппарата Человека–оператора .
Можно сказать , что в этом случае возможно два режима работы : Человек–инструмент (источник сигнала ) и Человек–машина (источник энергии ) .
При выборе или конструировании регуляторов необходимо соблюдать два основных правила :
нельзя пренебрегать двигательными навыками человека. В противном случае затрудняется процесс управления ;
для достижения максимального эффекта управления , усилия , прилагаемые человеком к регуляторам , должны соответствовать характеру действия регулятора .
По конструкции все регуляторы можно разделить на :
нажимные ( кнопки , клавиши , педали ). Для кнопок : чем реже используется и чем меньше прилагаемое тем меньше диаметр поверхности нажатия – вогнутая , для облегчения фиксации пальца .
движковые ( ручельные ) – это устройства управления простыми переключателями , которые ( как и нажимные ) должны иметь два чётко фиксируемых крайних положения ( нежелательное исключение – трёх позиционные ) .
рычажные – головки тумблеров и качающихся рычагов : должны иметь чётко различимый угол отклонения и размеры ( форму ) головки для захвата пальцами или всей рукой .
вращательные – разнообразные ручки управления с плавным или
дискретным движением рабочего элемента .
Рукоятки управления могут быть тактильными индикаторами , что даёт возможность определять характерные формы рукояток и облегчать или ускорять процесс управления.
Замечание . Большое влияние на точность и темп работы Человека– оператора оказывает степень обученности , натренированности и профессиональной пригодности ; необходимость и желание выполнять поставленную задачу .
Для обеспечения универсальности обслуживания объектов операторами с различными параметрами должен соблюдаться принцип максимальной стабильности характеристик объекта.
Поэтому индикаторы и органы управления группируются на панелях Панели управления (прибора) по их функциональному применению .
¬ Наиболее важные и часто используемые индикаторы и органы управления размещают в оптимальной зоне ;
аварийные – в легкодоступных местах вне оптимальной зоне ;
® второстепенные , периодически используемые – вне оптимальной зоны , руководствуясь правилами группировки и взаимосвязи между ними .
Последние правила состоят в следующем :
1. При групповом размещении индикаторов для контрольного считывания :
¬ при наличии в группе шести и более индикаторов – их располагают в виде двух параллельных рядов (вертикальных или горизонтальных ) ;
не делать более пяти – шести разрядов ;
® при наличии 25–30 и более индикаторов комплектовать их в 2–3 зрительно различимые группы . Лицевые поверхности индикаторов следует располагать перпендикулярно к линии взора оператора , находящегося в рабочей позе .
2. При размещении органов управления :
¬ органы управления необходимо располагать в зоне досягаемости (Человек–оператор не должен менять рабочую позу , и не требуется перекрещивать руки (ноги ) или закрывать рукой при включении индикатор ). Важные и часто используемые – в зоне лёгкой досягаемости .
органы управления необходимо располагать в последовательности , соответствующей последовательности действий (например, включения (выключения )) , и группироваться таким образом , чтобы действия оператора осуществлялись слева–направо и сверху– вниз .
3. При правильно размещённых органах управления Человек–оператор, работая , не должен думать о предстоящих манипуляциях управления :
¬ расположение функционально одинаковых органов управления должно быть единообразным во всех группах ;
это расположение должно обеспечивать равномерность нагрузки обеих рук и ног Человека–оператора ;
® поверхности , на которых располагаются Индикаторы и Органы управления не должны быть монотонными , зоны расположения их должны быть хорошо освещены .
В заключении , некоторые общие требования к органам управления :
1. Размеры их должны соответствовать прилагаемым усилиям .
2. Форма и фактура поверхности должна обеспечивать удобный захват .
3. Цветовое оформление должно быть согласовано с общим цветовым решением объекта . Не следует использовать «накладной» цвет , т.е. краски , применяют материалы соответствующего цвета , химические или гальванические покрытия .
4. Форма не должна затруднять удаление загрязнений .
5. Конструкция должна гарантировать безопасность оператора , например , от поражения электрическим током или травм эффекторов.
Лекция 16. Основы конструирования
Эргономическая отработка конструкций – общие положениячасть процесса художественного конструирования .
Эргономика изучает функциональные возможности человека в процессах труда с целью создания совершенных изделий и оптимальных условий труда.
ГОСТ 16456–70 устанавливает четыре группы комплексных эргономических показателей :–
гигиенические ;
антропометрические ;
физио– и психофизио– логические ;
психологические .
По этим показателям оценивается качество продукции в целом и в частности , конструкции .
¬ Гигиенические показатели : уровни освещённости ; вентилируемости ; температуры ; влажности ; запыленности и давления воздуха –микроклимат ;механические и физические факторы : напряжённость магнитного и электрического полей ; радиация ; токсичность ; шум и вибрации ; гравитационные перегрузки и ускорения Ô эти показатели предмет Охраны труда и техники безопасности .
Антропометрические показатели определяются соответствием конструкции объекта размерам и форме тела человека , распределению массы его тела .
Эти показатели проверяют сравнением определяющих размеров тела человека при различных рабочих позах с соответствующими размерами изделия . В ряде случаев необходимо учитывать размеры головы и кисти рук человека .
® Физиологические и психофизиологические показатели определяются соответствием конструкции объекта следующим возможностям человека :
n силовым ;
n скоростным ;
n энергетическим ;
n зрительным ;
n слуховым ;
n осязательным ;
n обонятельным и вкусовым.
Для проверки этих показателей анализируют :
¬ размеры органов управления , их форму и прилагаемые усилия ;
зоны обзора
1. 30....40°
2. 50....60°
3. 90°
® рабочие зоны Человека–оператора при управлении ручными и ножными регуляторами ;
¯ анализируют характер движений .
Зона обзора : 30....40° соответствует максимальной – разрешающей способности
;
50....60° – чёткому цветному , а 90°– черно– белого зрения .
Наиболее удобное расположение индикаторов –по горизонтали 30° ниже линии взора , но не более 30° (вверх) или 40° (вниз) .
При рассмотрении рабочих зон следует иметь в виду , что величина усилия, прилагаемого к Объекту управления , зависит :
n от направления : вверх, вниз , в сторону ;
n высоты расположения : от 300 до 1800 мм ;
n и руки : у большинства людей правая рука сильнее левой в 1,2 раза .
Если Человек–оператор должен часто выполнять переключение , то величины усилий должны быть уменьшены в 2....3 раза .
Во всех случаях усилия больше 150 Н – для рук и более 250Н –для ног при продолжительности нажатия более 3 секунд – УТОМИТЕЛЬНЫ .
¯ Психологические показатели конструкции изделия определяются соответствием закреплённых и вновь формируемых рабочих навыков человека его возможностям по восприятию и переработке информации .
Лекции 17. Основы конструирования
Эргономический анализ и отработка конструкций .
1.0 В основе эргономической отработки конструкции лежит полная совокупность эргономических параметров , что позволяет найти оптимальное художественно–конструкторское решение .
Эргономическая отработка производится на основе эргономического анализа .
Эргономический анализ применяет разнообразные методы исследования , такие как :
n социологические методы (опрос) ;
n визуальные (органометрические) методы ;
n составление циклограмм работы Человека–оператора с применением хронометража и фотохронометража (фотосъёмка , кино– , видео– граммы ) ;
n электрофизиологические методы .
Виды исследований :
n электроэнцефолография (мозг) ;
n электроокулография (движения глазного яблока ) ;
n электромиография (мышцы) ;
n электрокардиография (сердце) ;
n динамометрия и т.д.
1.1 Основные этапы эргономической отработки определяются стадиями разработки :
1) на стадии Технического предложения – предварительный эргономический анализ аналогов и прототипов разрабатываемого объекта ( не только лучших , но и заведомо «плохих» ) , а также детальный анализ конкретных условий функционирования объекта и выявления наиболее важных эргономических показателей ;
2) на стадии Эскизного проектирования – поисковый этап эргономического анализа , на котором рассматривают несколько вариантов конструкции объекта ( художественно–конструкторское решение ) ;
3) на стадии Технического проекта – окончательная художественно–конструкторская компоновка объекта с тщательной эргономической отработкой панелей и пультов управления с индикаторами и регуляторами ;
4) на стадии Рабочего проектирования – авторский надзор за реализацией принятых художественно–конструкторских решений .
При эргономическом анализе учитывают следующие основные группы факторов :
1) насколько учтены антропометрические , психофизиологические , биомеханические и гигиенические данные Человека–оператора ;
2) обеспечивает ли рабочее место Человеку–оператору простую и естественную позу , достаточное рабочее пространство , возможность смены рабочей позы (например, сидя–стоя ) , удобный обзор всех функционально важных узлов и элементов объекта , условий для оперативного обслуживания и профилактики ;
3) создаёт ли цветовое решение объекта положительные эмоции у Человека–оператора и компенсирует ли неблагоприятные воздействия трудового процесса ;
4) является ли информация , поступающая к Человеку–оператору, наглядной и соответствующей сложившимся у него представлениям и стереотипам действий .
Часто при Эргономическом анализе применяют контрольные карты , содержащие перечень вопросов по этим группам факторов , влияющих на трудовой процесс.
NB : Пример д/MPC , смотри Варламов Р. Г. , Струнов О. Д. «Элементы Художественного конструирования и Теория Эргономики» М : 1980 год , стр. 39...40 .
При эргономическом анализе необходимо учитывать :
1) климатические условия местности ;
2) микроклимат помещения и его интерьер ;
3) требуемый ритм работы оператора , частоту выполнения и точность рабочих операций ;
4) характеристику основных ( типовых ) поисковых маршрутов оператора , необходимость и возможность смены рабочей позы , взаимодействие с другими операторами .
На основании этого необходимо :
1) провести анализ габаритов объекта ;
2) определить оперативные рабочие зоны и границы рабочего места в целом и установить их соответствие антропометрическим данным ;
3) определить объём и качество оперативной информации , представляемой на панелях объекта , и проанализировать их соответствие психофизиологическим возможностям Человека–оператора ;
4) определить состав органов управления и проанализировать их с точки зрения хиротехники . Хиротехника – отрасль эргономики , которая занимается разработкой наиболее рациональной формы рукояток управления ( или ручного инструмента ) ;
5) проанализировать взаимодействие сенсорных и моторных зон : логику соответствия Органов управления и Индикаторов ;
6) проанализировать соответствие типовых оперативных маршрутов биомеханическим требованиям .
Результаты Эргономического анализа дают возможность обеспечить :
1) равномерное распределение психофизиологических нагрузок на Человека– оператора :
2) естественность , плавность и последовательность рабочих операций.
1.2 Оценка результатов принятого художественно– конструкторского решения .
Для объективной оценки выполнения эксплуатационных , компоновочных , эстетических ( в т.ч. социально–экономических и эргономических ) , конструктивно–технологических требований применяют специальные методики .
Например , такие как :
¬ Групповые или экспертные методы оценки (баллы: 0...1–плохо; 1...2–удовлетворительно; 2...3–хорошо; 3...4–отлично ) . Можно применять, когда есть квалифицированная группа экспертов , но тем не менее оценка «субъективная» .
Метод неполных интегральных аналогов . Более объективен , т.к. он использует теорию инвариантов , критерии оценки и критериальные уравнения .....þ Системный анализ .
Эргономический анализ тесно связан с анализом эстетическим: к примеру, создание цветового климата в интерьере и цветовое решение оборудования – должны рассматриваться не только с позиций красоты и гармонии , но в аспектах создания определённого эмоционального настроя Человека–оператора и закономерностей его зрительного восприятия .
Согласно методике РД–50–149–79 для оценки художественно–конструкторского решения применяют показатели :
1. Информационная выразительность характеризует способность объекта отражать в своей форме действующие в обществе эстетические представления и культурные нормы , такие как , например : оригинальность ( отличие от аналогов ) ; стилевое соответствие (устойчивые признаки формы соответствующие определённому периоду ) ; соответствия моде ( внешний вид , соответствие временно господствующим эстетическим вкусам ) ; рациональность формы (соответствие назначению , конструкции , технологии изготовления и применяемым материалам ) .
2. Целостность композиции характеризует гармоническое единство частей и целого , органическую взаимосвязь элементов формы объекта и его согласованность с формой окружающих объектов .
3. Совершенство производственного исполнения и стабильность товарного вида характеризуются чистотой выполнения контуров , округлений и сочленений элементов , тщательность нанесения покрытий и отделки поверхностей , чёткость исполнения фирменных знаков и указателей , комплекта Эскизно–технологической документации и информационных ( рекламных ) материалов , устойчивость к повреждениям .
Можно сказать , что внешние поверхности объекта , их отделка и окраска являются основными элементами , создающими его эстетическое восприятие. При художественно–конструкторской отработке этих элементов необходимо выполнять следующие требования :
к форме
1) внешние очертания объекта должны быть простыми и строгими :
например, единство формы и содержания для внешних рабочих органов ; предпочтительная форма – ¦ , - ; острые углы скругляются, но большой радиус скругления визуально «утяжеляет» конструкцию .
Простая форма облегчает удаление загрязнений .
2) пропорции отдельных частей обеспечивают выделением в конструкции вертикальных или горизонтальных линий . При этом учитывают : вертикальные линии делают объект визуально «выше», а горизонтальные «ниже» .
3) форма объекта в целом должна быть гармонически увязана с формой пультов управления .
4) элементы внешней поверхности объекта : петли и ручки крышек (люков , дверей ) , крышки и кожухи для подвижных частей не надо выделять на фоне наружной поверхности . Петли и ручки должны быть тщательно обработаны .
к отделке и окраске
1) окраска объекта должна соответствовать его конструкции , и не совпадать с окраской помещения ( или окружающей среды ) ;
2) пёстрая окраска вносит впечатление беспорядочности и «дробности» конструкции ;
3) тёмная окраска создаёт впечатление тяжести и грязи , светлые – впечатление лёгкости : тёмные – только для окраски фундаментов и несущих конструкций ;
4) травмоопасные детали и части изделий окрашивают в яркие , предупреждающие цвета ; для движущихся элементов оборудования (столы , салазки ) , подвижных объектов следует применять «растигровку» , которая активизирует окружающих ;
5) органы управления окрашивают в яркие , хорошо различимые цвета ;
6) внутренние поверхности корпусных деталей окрашивают для облегчения сборки в светлые цвета ; дверей , люков , откидных панелей – в яркие цвета , чтобы они отчётливо выделялись в открытом положении ;
7) объекты , излучающие тепло , окрашивают в серебренный или голубой цвета .
На восприятие формы и цвета значительно влияет освещение .
Основные требования к освещению рабочих мест , (искусственному):
1) предпочтительны индивидуальные светильники , расположенные посередине длины рабочей зоны на высоте 1900 ...2000 мм от пола и на расстоянии 150...200 мм от переднего края рабочей зоны (работа стоя ) . При других работах индивидуальные светильники устанавливаются оператором в желаемом положении относительно рабочей зоны ;
2) блестящие предметы следует освещать рассеянным светом ; мелкие тёмные предметы лучше видны на фоне , светлые – на тёмном ;
3) свет должен падать на поверхность предмета под небольшим углом , это лучше выявляет фактуру ;
4) прозрачные предметы должны быть освещены сзади ;
5) необходимо избегать резкой контрастности освещённости объекта рабочей операции и окружающего фона ( местное + общее освещение ) ;
6) необходимо исключать источники блёсткости , а также – ритмическое чередование тёмных и светлых поверхностей в поле зрения . Это снимает у работающих так называемые послеобразы, человек видит какой–то яркий предмет , в то время как он уже ушёл из поля зрения . Послеобразы также снимаются применением дополнительных цветов .
Основы композиции.
Мы рассмотрели ранее инженерно-психологический и эргономический этапы художественного конструирования (ХК) объекта.
Мы установили , что ЭА и О конструкций тесно связаны с эстетическим анализом.
Здесь следует отметить : эстетический этап ХК объекта может (и должен) выполняться только квалифицированным дизайнером!
Эстетическим анализ можно выполнить лишь после серьёзного изучения объекта анализа и определения всех его утилитарных качеств и особенностей.
Эстетическим анализ требует знания основ теории композиции , тенденций развития объектов данного вида , особенностей восприятия цвета , наличие чувства материала и стиля , профессионального художественного вкуса и т.д.
Принципы “нравится – не нравится” , ”красиво – не красиво” – неприемлемы.
В общем смысле эстетическим анализ позволяет для конкретного объекта выявить :
- объёмно-пространственную структуру ;
- тектонику ;
- гармоничность формы ;
- цветовое решение
Далее , мы вначале рассмотрим основы композиции.
Прежде отметим , – всё , что мы будем говорить далее относится к понятию “техническая форма” , т.е. применительно к объектам утилитарного назначения : производственно-технического и бытового.
В отличие от понятия “декоративная форма” , которая относится к объектам исключительно или преимущественно декоративного назначения.
Итак , композиция (лат. Compositio – составление , расположение , сочинение) – структура , взаимосвязь важнейших элементов объекта , которыми определяется его смысл , выражается замысел.
В основе композиции технического объекта лежит выбор элементов (или их группы) соподчинённости этих элементов.
В качестве элементов выделяют геометрические , светотеневые или цветовые свойства формы объекта.
Композиция характеризуется –
- категориями ,
- свойствами и качествами ,
- средствами.
Перечислим :
I. Общие категории : тектоника и объёмно-пространственная структура объекта.
II. Свойства и качества :
A. гармоническая целостность формы ;
B. соподчинённость ;
C. композиционное равновесие ;
D. симметрия , асимметрия и их сочетание ;
E. динамичность и статичность формы ;
F. единство характера формы.
III. Средства композиции :
A. определяющий композиционный приём ;
B. пропорции и масштаб ;
C. контраст и нюанс ;
D. метр и ритм ;
E. тени и пластика.
Число сочетаний множества композиционных факторов очень велико :
например , взяв только 6 основных свойств и качеств композиции , мы получим –
Поэтому знание категорий , свойств , качеств и средств композиции позволяет выбрать рациональные приёмы и методы работы над композицией объекта.
Рассмотрим основные категории композиции и их взаимосвязь.
Тектоника есть зримое отражение работы конструкции и материала в форме.
В тектонике выражается связь формы и содержания изделия.
Например , литая конструкция имеет такую форму , чтобы однозначно было видно – это литьё , а не сварная или какая-либо иная конструкция.
Поэтому говорят о тектонике “литой формы” , о тектонике “штампованных несущих элементов” , о тектонике “пластмассовых конструкций” и т.д.
Т.к. конкретный материал конструкции предопределяет композицию всякого изделия , то тектоника – одна из основных категорий.
Понятие “тектоника” неразрывно связывает две важнейшие характеристики объекта –
- его конструктивную основу (материал) ;
- и форму во всех её проявлениях (в целом и частном).
Конструктивная основа , кроме материала включает силовых элементов конструкции , характер распределения усилий (силовые потоки) , соотношение масс и т.п. Форма должна четко отражать всёэто.
Объёмно-пространственная структура.
Всякая форма обладает двумя свойствами : она материальна и пространственна.
Материальная форма – это объём , ограничивающий часть пространства определённых размеров и конфигурации.
Объём и пространство – равноправные элементы композиции.
Объёмно-пространственная определяет характер взаимодействия объёма с пространством.
Можно сказать , что –
- с одной стороны – объём должен выражать внутренние закономерности , свойственные объекту , отражать его функционально-конструктивную основу ;
- а с другой – в определённой закономерности развиваться в пространстве , в идеале – таким образом , чтобы видя форму изделия в одной проекции , можно было представить , как она выглядит в других.
Основные категории композиции тесно взаимосвязаны :
материал « тектоника « ОПС
Нарушение тектоники – ложное отражение работы конструктивной основы , нарушает органическую связь элементов ОПС объекта , и наоборот.
Такие нарушения возникают , когда (инженер-конструктор) рассматривает форму только от её технической основы – как бы “изнутри” или (оформитель) – только “снаружи”.
Дизайнер идёт к форме одновременно “изнутри” и “снаружи” – в итоге создаёт целостное , гармоничное изделие.
Пример : мост однопролётный балка