|
Основы конструирования
"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.)
ÂЗадача
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 нетехнологично технологично
Технологичность конструкции и её виды.
(Основные определения).
В соответствии с ГОСТ 22851–77 “Показатели качества
продукции” установлено 8 видов показателей качества, в т.ч. – показатели
технологичности (назначения, надежности, …).
Главный критерий технологичности конструкции – её
экономическая целесообразность при заданном качестве и принятых условиях
производства, эксплуатации и ремонта. Критерий ® д/сопоставления вариантов
и оптимизации.
Единые термины и определения в области технологичности
конструкций устанавливает ГОСТ 18831–73 “Технологичность конструкции. Термины и
определения”.
Стандартное определение технологичности конструкций
сформулировано, исходя из принципа сокращения материальных и трудовых затрат во
всех сферах проявления свойств конструкции объекта, и звучит так :
Технологичность –
совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимизации затрат труда, средств,
материалов и времени при, —
технологической ПП,
изготовлении,
эксплуатации и ремонте,
по сравнению с
соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же
назначения при обеспечении
установленных значений показателей качества в принятых условиях изготовления,
эксплуатации и ремонта”.
Отработка конструкции
изделия на технологичность – комплекс мероприятий по обеспечению
необходимого уровня технологичности конструкции изделия по установленным
показателям.
Основная задача отработки – придание изделию комплекса
свойств, устанавливаемым понятием (термином) технологичность.
Для решения этой задачи изделие необходимо рассматривать как
объект разработки (по стадиям разработки) на всех стадиях жизненного цикла.
Так как технологичность изделий проявляется в процессе их
производства и эксплуатации, таким образом , основными видами технологичности
конструкции изделий являются (по области проявления) , —
производственная технологичность (конструкторская и технологическая
подготовка производства)
эксплуатационная технологичность (т.о. и ремонт)
По характеризуемым свойствам, —
технологическая рациональность конструкции (по виду затрат)
конструктивно-технологическая преемственность (по форме проявления).
Основные требования и рекомендуемые решения при отработке
конструкции на технологичность.
1.
Обеспечение расчленения объекта на сборочные единицы. Сборочные единицы
® минимальное число деталей обеспе–чивает выполнение функций;
возможность независимой
параллельной сборки;
принцип агрегатирования.
2.
Обеспечение унификации и стандартизации элементов конструкции
(сокращение номенклатуры деталей, ГИЗы).
3.
Обеспечение рациональных сборочных баз (принцип единства баз).
4.
Обеспечение рационального процесса сборки : ПВЗ ® НВЗ ® ГрВЗ
(селект-сборка) ®
регулировка компенсаторами ® пригонка.
5.
Обеспечение удобства сборки (механизация и автоматизация; общая
сборка без промежуточных разборок; доступ к местам регулирования и контроля;
легкосъёмность быстроизнашивающихся деталей; >20 кг. – устройства д/ГПМ).
6.
Обеспечение рациональных соединений составных частей
(минимальное число соединений).
7.
Обеспечение применения типовых технологических процессов: обработки,
сборки, контроля и испытаний.
В комплексе технологичность рассматривается как совокупность
свойств конструкции изделия, заложенных в конструкторской документации при разработке
:
Рациональная конструкция º расчетной
технологичности
Подробно процесс ОКИТ рассмотрен
в “Методика отработки конструкций изделий на технологичность и оценки
уровня технологичности изделий МС и ПС”. М : Издательство стандартов. 1976 г.,
55 стр. ®
ОСТ СТП.
На предыдущей лекции мы сказали :
если рассматривать
технологичность объекта в комплексе, то она определяется совокупностью свойств
конструкции объекта, заложенных в КД при разработке.
При этом для
создания рациональной технологии изготовления (и сборки) необходима рациональная конструкция.
Рациональность конструкции во многом определяется такими
показателями технологичности как, —
масса (вес)
изделия;
удельная
материалоемкость изделия.
В машиностроении уменьшение массы изделий позволяет снижать
расход материалов (в основном металлических) и, соответственно, стоимость
изготовления.
Здесь следует
отметить : снижение массы изделий не является (и безусловно не должно быть) самоцелью. Снижение массы должно
обеспечиваться без ущерба прочности,
жесткости и надежности (долговечности) объекта.
Поэтому , учитывая ещё и достаточно малую долю стоимости
материалов в общей стоимости объекта , в общем машиностроении нашей страны
сохраняется тенденция (порой неоправданно): лучше иметь несколько более тяжелую машину, но надёжную и долговечную.
Сравнительные качества объектов одного назначения оценивают
показателем удельная масса, равным
Этот показатель учитывает степень конструктивного совершенства объекта , а также – применение
лёгких сплавов и неметаллических (К) материалов.
Например , качество конструкции металлорежущих станков
оценивают показателем g = G / Nд ,
где G – масса, кг ; Nд – номинальная мощность приводного двигателя.
П. И. Орлов утверждает, что в этом случае, этот показатель
невыразительный”, т.к. не учитывает степень использования Nд, а также производительности
станка.
Понятие материалоемкость
отличается от понятия масса – они
неравнозначны.
Материалоёмкость лучше всего выражать объемом элементов, составляющих бьем.
Тогда удельная
материалоемкость – показатель качества конструкции :
, где
суммарные массы элементов, изготовленных из материалов с плотностью .
коэффициент использования объема.
Снижение массы и материалоёмкости объекта обеспечивается
рациональной конструкцией элементов объекта, которая основана на следующих
принципах, –
рациональная форма сечения для каждого вида нагрузки – принцип равного напряжения сечения ;
уменьшение концентрации нагрузки : обеспечение равномерного
распределения напряжений в поперечных сечениях – принцип равнопрочности ;
обеспечение рационального баланса жесткости – принцип относительной жесткости (т.к.
равнопрочные детали при прочих равных условиях имеют меньшую жесткость) ;
устранение СНС : 2–3 вида нагружения ; поперечный изгиб ® чистый
изгиб ®
кручение ®
срез ®
растяжение (сжатие) – принцип рационального
нагружения. (Силовая схема) . А.Н.Т.
: “Силу надо “ловить” там где она возникает”
уменьшение неравномерности напряжений путём удаления материала
из малонапряженных участков – принцип
обсечения (снижаются инерционные нагрузки) ;
применение рациональных конструктивных схем : минимальное
число звеньев, компактность, многопоточные схемы ;
уточнение расчетных напряжений (повышение за счет, например,
экспериментального измерения и натуральных испытаний) ;
выбор соответствующего материала (замена металлов ПКМ) , применение
технологических методов упрочнения материалов.
Выгодность материалов по массе можно оценить с помощью
удельных показателей ,например, Lp = dв / g (для растяжения-сжатия), которая наглядно
интерпретируется, т.н. “разрывной длиной” – длина свободно подвешенного стержня
(км) , при которой материал разрушится от действия массовых сил.
А=s
Следует отметить, что выбор
материала определяется не только его массово-прочностными характеристиками , но
и другими немаловажными факторами, —
назначением и условиями работы детали ;
физико-механическими, технологическими и
эксплуатационными свойствами материала ;
стоимостью (!) .
Вывод : наибольшей
универсальностью обладают стали, свойства которых определяются в широких
пределах легированием, термической, химико-термической и термомеханической
обработкой.
Стали ещё долго будут основным материалом для
изготовления нагруженных деталей.
Почти такими же свойствами обладают титановые сплавы (кроме
обрабатываемости).
ПКМ выйдут на первое место только в случае обеспечения их
стоимости на уровне металлических материалов (хотя бы титанов). Стали (констр) Al – сплавы Ti – сплавы 0,33...0.63 руб/кг 0,45...1,0 руб/кг 1,0...5 руб/кг 0,5 руб/кг ¯ 90 0,8 руб/кг ¯ 60 3 руб/кг ¯ 15
СВМ–45руб/кг+Экология
Жесткость конструкций. Конструктивные способы повышения
жесткости.
Общее определение :
Жесткость – это способность системы сопротивляться действию
внешних нагрузок с наименьшими деформациями (перемещениями).
Для машиностроения : жесткость
это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с
деформациями (перемещениями), допустимыми без
нарушения работоспособности системы.
Таким образом , жесткость
определяет работоспособность объекта в такой же мере (иногда большей) , как
и прочность. И соответственно , определяет массу (материалоёмкость)
конструкции.
Стремясь облегчить конструкцию и максимально использовать
прочностные свойства материалов , конструктор повышает уровень напряжений в элементах
конструкции, что приводит к увеличению деформаций (e = d / E).
Широкое применение равнопрочных, наиболее выгодных по массе
конструкций , вызывает увеличение деформаций : такие конструкции имеют малую
жесткость.
Вопрос повышения жесткости особенно актуален в связи с
применением высокопрочных материалов, элементы из которых резко увеличивают
деформативность конструкций.
Определить величину деформаций расчетными методами можно
лишь при простых видах нагружения [ растяжение (сжатие), сдвиг (кручение),
изгиб ] методами СМ иТУ.
В большинстве случаев приходится иметь дело с элементами
конструкций, жесткость которых не поддаётся расчету : их сечения определяются
технологией изготовления (например , литьё , прокат) или имеют сложную конфигурацию
(корпусные детали).
Здесь применяются моделирование , эксперимент (испытания) ,
опыт и интуиция конструктора.
П. И. Орлов “ОК” отмечает : “... конструкции, разработанные
начинающим конструктором, обычно “страдают” недостатком жесткости”.
Жесткость конструкции определяют следующие факторы :
Е (растяжение-сжатие, изгиб) ; G (сдвиг, кручение) ;
геометрические характеристики сечения (A,J(W),Jk(Wk));
линейные размеры : длина L ;
вид нагружения , тип (жесткость) опор.
Факторы, влияющие на жесткость, можно объединить в
обобщенном удельном показателе жесткости
Таким образом ,
этот показатель объединяет характеристики прочности и жесткости и
характеризует способность материалов
воспринимать высокие нагрузки при наименьших деформациях, и наиболее
полно оценивает выгодность
материалов по массе.
Значения nl
для основных конструкционных (металлических) материалов можно представить
диаграммой
Мы знаем , что на практике , выбор материала , определяется
не только прочностно-жесткостными
характеристиками , но и технологическими и эксплуатационными свойствами.
Поэтому преимущественное значение в обеспечении прочности и
жесткости (при минимальной возможной массе) имеют конструктивные меры (способы).
Конструктивные способы
повышения жесткости без существенного увеличения массы —
устранение изгиба , замена его растяжением или сжатием ;
для элементов конструкций , работающих на изгиб ,
рациональная схема опор ; увеличение J(W)
усиление рёбрами, работающими предпочтительно на сжатие ;
усиление опор, затяжка опор (опорных сечений) и участков перехода
от одного сечения к другому
блокирование деформаций (перемещений) введением поперечных и
диагональных связей (фермы, рамы, расчалочные конструкции) ;
привлечение жесткости смежных деталей ;
для деталей коробчатого типа (базовые детали – станины) – применение
скорлупных , сводчатых , сферических и т.п. форм ;
для
деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм ;
рациональное оребрение, гофрирование ;
для деталей типа плит – арочные, коробчатые, ячеистые и
сотовые конструкции.
Схема
1
Приводной элемент ШУ расположен между опорами.
Эта схема типична для токарных,
фрезерных станков и для многоцелевых станков с ЧПУ.
Радиальное упругое перемещение
шпинделя в расчетной точке слагается из следующих перемещений:
d1Q–
тела шпинделя от силы Q в ПЭ ;
d2Q
деформация опор от силы Q ;
d1Р – тела шпинделя от силы резания P ;
d2Р – деформация опор от силы Р.
l – межопорное расстояние;
а –вылет шпинделя (консоль); в –расстояние от передней опоры до сечения ПЭ; J1–среднее значение осевого момента инерции
консоли; J2 –среднее значение осевого момента инерции в
МОР; S1 и S2 – площади поперечных сечений; Е–модуль Юнга
материала шпинделя; G=E/[2(1+m)] – модуль сдвига; ja и
jb–
радиальная жесткость передней и задней опор; Є–
коэффициент защемления в передней опоре.
Упругое перемещение переднего конца шпинделя, слагающееся из
всех названных выше перемещений, но без учёта защемляющего момента:
С учётом действия защемляющего момента в передней опоре
перемещение переднего конца шпинделя:
Угол поворота (рад) в передней опоре:
В зависимостях (1) и (2) и в последующих под P и Q понимают
составляющие сил, приведённые к одной плоскости.
Перед Q принимают знак (+), если силы P и Q направлены в
одну сторону, и знак (–), если они направлены противоположно.
Введя в зависимости (1) и (2) безразмерное отношение l=l/a,
характеризующая относительную длину межопорной части шпинделя, из
уравнения dd/dl=0
находят lopt –оптимальное
по условию жёсткости®
и соответствует lopt.
Схема
. приводной элемент расположен на задней консоли на расстоянии С от
задней опоры. Этот случай,– для внутришлифовальных станков и отделочно
расточных головок.
Перемещение переднего конца шпинделя с учётом защемляющего
момента в опоре шпиндельного узла:
P Q эквивалентно
P¯
Q ®
перед Q противоположный
знак.
При e=0; d=d1+d2.
Схема ®
. Шпиндель не нагружен силами от привода. (Например, мотор– шпиндели )®в прецизионных
станках.
Расчеты базовых деталей на жесткость. Несущая система и
базовые детали.
Несущей системой называется совокупность деталей и узлов
МРС, обеспечивающих правильное расположение инструмента и обрабатываемой детали,–
шпиндельный узел и базовые детали (узлы): станина (направляющие), стойки,
корпуса коробки скоростей и подач, задние бабки, суппорты, планшайбы, столы,
которые воспринимают силы резания при обработке.
Жесткость МРС связана с его компоновкой. Применяют жесткие
замкнутые конструкции (предпочтительно – симметричные).
Для снижения величины деформаций применяют материалы с
высоким модулем Е.
Для базовых деталей средних размеров и несложной формы
рекомендуется–серый чугун СЧ 21–40 (HB 200...220).
Для тяжелонагруженных станин: марки СЧ 28–48 или СЧ
38–40.
Для специальных станков целесообразно корпусные детали
выполнять сварными из низкоуглеродистой листовой стали (Ст3 и Ст4, dст=8...12
мм.
Применяют также железобетон.
Наиболее ответственными элементами станины являются направляющие.
Точность изготовления направляющих и стабильность отклонений
от прямолинейности и плоскостности определяют точность обработки изделий.
В МРС применяют направляющие скольжения , качения и комбинированные.
НС с полужесткой смазкой, обладающие высокой контактной
жесткостью, применяют в универсальных МРС, когда нецелесообразно применение
более совершенных (и соответственно дорогих) типов направляющих.
В быстроходных и точных станках с ЧПУ применяют направляющие
качения (НК) , комбинированные или ГСН (гидростатические).
Выбор конструкции и материалов НС с полужидкостной смазкой
определяется требованиями, —
точности движения по направляющим рабочего узла;
жесткости;
min сил трения в направляющих.
Направляющие рассчитывают на , —
износостойкость,
жесткость.
При расчете на износостойкость определяют max – давление
между трущимися поверхностями и сравнивают с допускаемым давлением, которое для
крупных направляющих МРС нормальной точности принимается [ P ] max =
2,5...3 MПа;
для прецизионных и тяжелых МРС [ P ] max =
1...2 MПа;
для шлифовальных станков (условия абразивного износа),
[P] max = 0,05...0,08 MПа.
В расчете на жесткость определяется смещение инструмента по
направлению , которое более всего влияет на точность обработки.
Для этого определяют средние давления на направляющие от сил
резания и веса подвижного узла.
Принимают допущение,
что контактные перемещения в направляющих прямо пропорциональны средним
давлениям.
Используя нормированный коэффициент контактной податливости
С = 10 мкм мм2 Н-1 , определяют смещение инструмента d ,
обусловленное поперечным и угловыми перемещениями подвижного узла.
N. B. Значение d
должно составлять часть 10% из общего баланса допускаемого отклонения размера
обрабатываемой детали , которые отводятся для несущей системы МРС.
Расчеты направляющих приведены в учебной и справочной
литературе, например Кочергин А. И. “К и Р
МРС и СК”;”Курсовое проектирование. Учебное пособие для вузов” — Мн: “ВШ”,1991
г, стр. 264...298.
Тяговые устройства
(ТУ) – предназначены для перемещения подвижных узлов станка по
направляющим.
К ТУ предъявляются следующие основные требования, —
высокая чувствительность для обеспечения малых
перемещений без скачков;
обеспечение заданного закона движения;
быстродействие при переходных процессах;
большая жесткость , которая определяет точность
обработки на статичных и динамичных режимах;
беззазорность передач: особенно в случаях закономерных
нагрузок и при автоматизированной обработке.
В автоматизированных МРС применяют следующие типы ТУ :
В–Г К , кулачковые механизмы, гидростатические передачи В–Г
,следящие гидроприводы (ГЦ) и др.
Перспективными , особенно для станков с ЧПУ , являются
линейные ЭД , применение которых позволит исключить все названые виды передач.
Тяговые устройства привода подачи.
Передача винт–гайка качения обладает свойствами ,
позволяющими применять её как для привода подач без отсчета перемещений
(универсальные МРС, силовые столы агрегатных станков) , так и в приводах подач
и позиционирования станков с ЧПУ.
Для ПВ–ГК
характерны, —
высокий КПД (0,8...0,9);
небольшое различие между силами трения движения и покоя
изначальное влияние частоты вращения винта на силу
трения в механизме;
полное отсутствие осевого зазора.
Недостатки : высокая
стоимость , пониженное демпфирование , отсутствие самоторможения.
Устройство и размеры передачи. ПВ–ГК состоит из винта
1 , гайки 2 , шариков 3 и устройств для возврата шариков.
Обычно применяют передачи с наиболее технологичным
полукруглым профилем резьбы : rв = rг »
(1,03...1,05) r1 – для снижения контактных напряжений.
Размеры элементов ПВ–ГК стандартизованы (ГОСТ 25329–82).
Расчет передачи
винт–гайка качения (В–ГК).
Исходные данные и
цель расчета.
ПВ–ГК выходит из строя в результате , —
усталостного разрушения поверхностных слоёв шариков ,
гайки и винта;
потери устойчивости винта;
износа элементов передачи и снижения точности.
Возможные причины, —
слишком большая нагрузка на винт;
низкая расчетная долговечность;
значительный относительный перекос В и Г;
неудовлетворительная защита от загрязнений.
Цель расчета ПВ–ГК состоит в определении номинального
диаметра винта d0 и в подборе по каталогу такой передачи, которая
удовлетворяла бы всем требованиям работоспособности.
Исходные данные , —
длина винта, наибольшая расчетная длина;
способ установки на опорах;
ряд значений осевой нагрузки, которые определяются для
различных операций, выполняемых на МРС;
ряд частот вращения В(г).
Можно исходить из величины крутящего момента на ходовом
винте
М = Мд * h / i где:
Мд – крутящий момент на валу ЭД;
h
КПД передачи от ЭД к винту;
i
передаточное отношение этой передачи.
Осевая сила действующая на винт,
, где
угол подъема
резьбы; угол трения (f=(57..85)10–5–коэффициент
трения качения)
Предварительный
выбор параметров передачи.
Предварительно передачу выбирают по осевой нагрузке,
конструктивным и технологическим соображениям.
Затем проверяют усталостную прочность рабочих поверхностей
винта и гайки по критериям усталости и осевой жесткости.
Номинальный диаметр винта d0 принимают равным
L/(20...25), где L –длина резьбовой части винта.
Расчет на жесткость.
Потребный номинальный диаметр винта d0 можно определить из условия
обеспечения жесткости привода , которая связана с жесткостью шарико-винтового
механизма jм
, винта jв
и его опор j0
:
Осевая жесткость привода оказывает влияние на
виброустойчивость. Чтобы исключить резонансные явления, собственную частоту
колебаний механической части привода f = (3...3,5) f1 , где f1
частота импульсов, вырабатываемых системой измерения перемещений.
Для крупных станков f1 = 10...15 Гц
для средних и малых f1 = 15...25 Гц.
Исходя из условия f = (3...3,5) f1 ,потребная
жесткость механической части привода
j = 4 * 10–6 * p2 * f2
* m (Н/мкм) , где
m – масса узлов механической части привода (ходового винта,
исполнительного узла и установленных на нём приспособлений, заготовки), кг.
Жесткость шарико-винтового механизма (с предварительным
натягом и возвратом шариков через вкладыши при r1/r2=0,96)
:
где Кd = 0,3...0,5 – коэффициент учитывающий погрешности
изготовления резьбы гайки , а также жесткость стыков винтового механизма;
U – число витков резьбы в гайке;
d0 – номинальный диаметр винта , мм;
р – шаг резьбы , мм;
, Н – допустимая сила
натяга, отне–
сённая к одному шарику , где Кz
= 0,7...0,8 – коэффициент учитывающий погрешности изготовления резьбы винта ; Z1
рабочее число шариков в одном винте; a – угол контакта шариков с
винтом и гайкой; b
угол подъёма резьбы.
Наименьшая жесткость ходового винта зависит от способа
установки его на опорах. M L1
, H/м ,
где–наибольшее расстояние от опоры винта до середины гайки, м; d0 ,н; E–модуль упругости материала винта, МПа.
¬–одностороннее
закрепление;
–с дополнительной
опорой.
®
Приближенное значение жесткости опор винта
j0=ed0 , H/мкм , где е=5,10,10 соответственно д/РУ ,шариковых и роликовых опор.
d0 –гарантирует
осевую жесткость привода
Лекция 15. "Основы
конструирования"
Основы художественного конструирования.
До сих пор мы говорили об инженерном конструировании
:
Инженер–конструктор
обеспечивает взаимодействие узлов и деталей машины, её высокие эксплуатационные
характеристики , максимальный КПД
минимальную материалоёмкость ( при оптимальной прочности и жёсткости ) и
высокий уровень технологичности .
Художественное конструирование ( design ) возникло в среде инженерного
конструирования в связи с развитием массового производства изделий , непосредственно предназначенных для использования человеком , а также в связи с общим
повышением потребительских требований к
качеству промышленных изделий .
Иначе говоря , промышленные изделия , прошедшие Художественно–конструкторскую разработку должны быть полезными и красивыми .
Поэтому
художник–конструктор обеспечивает ,– зрительную целостность формы изделия, –
правильное выражение в форме
изделия его назначения и способа его
эксплуатации , – соответствие (соразмерность ) изделия человеку , – отражение в
форме изделия признаков господствующего в настоящий момент стиля в формообразовании изделий данного вида .
Художественное конструирование – комплексная
междисциплинарная конструкторско– художественная деятельность , интегрирующая в
себе элементы естественно–научных , технических , гуманитарных знаний , инженерного конструирования и
художественного мышления .
Центральная проблема Дизайна – создание предметного мира ,
эстетически оцениваемого как «соразмерный» , «гармоничный» , «целостный» .
Дизайнер создаёт такие продукты и орудия труда , которые
сами получают способность «по–человечески
относиться к человеку» , т.е. обладают эстетической ценностью .
Конструирование ( проектирование ) промышленного изделия
лишь тогда приводит к желаемому результату , когда конструктор , технолог и дизайнер работают в тесном
творческом контакте и когда каждый из
них хорошо понимает задачу другого и её значение .
Цель изучения Основы Художественного Конструирования –
получение минимальных теоретических
знаний в области дизайна .
Мы рассмотрим
такие вопросы :
элементы инженерной психологии и эргономики ;
основы композиции и цветоведения ;
элементы промышленной эстетики .
Техническая эстетика – теория дизайна , изучающая
особенности художественной деятельности в сфере техники . Эта отрасль общей
эстетики обобщает практику массового изготовления орудий труда (станков , машин
) и других предметов , сочетающих в себе утилитарные (практически полезные ) и
эстетические качества , т.е. – законы красоты , действующие в промышленном производстве
.
* é Эстетика ( общая) – наука об [
национально , классово ,] исторически
обусловленной сущности общечеловеческих ценностей , их создании , восприятии
, оценки и освоении . Это– философская наука о наиболее общих принципах
освоения мира по законам красоты .... º û
º
теория искусства .
Инженерная психология – отрасль психологии ,
изучающая закономерности процессов информационного взаимодействия человека и
техники .Данные этой науки используются для проектирования , производства и
эксплуатации систем «человек– машина» и систем «человек–машина–среда».
Эргономика ( от греческого ergon – работа и nomos – закон ) – научная дисциплина ,
комплексно изучающая человека ( группу людей ) в конкретных условиях его (их)
трудовой деятельности с использованием технических средств . Цель Эргономики –
оптимизация предметного содержания , орудий , условий и процессов труда ,
повышение привлекательности и
удовлетворенности трудом .
Промышленная эстетика ( искусство ) – весь
предметный мир , создаваемый человеком средствами промышленной техники по
законам красоты и функциональности .
Элементы Промышленной эстетики :
промышленный интерьер ;
промышленная графика ( товарные и фирменные знаки ) ;
реклама; тара и упаковка .
Система « Человек – машина » [ «Человек–машина–среда»] .
Человек ( человек– оператор ) занимает основное место в
управлении созданной им техникой . Технические средства помогают человеку
усиливать его возможности с точки зрения физической силы , скорости действия Є
производительности труда .
Ведущий принцип организации взаимодействия в системе «
Человек–Машина » – ориентация на человека , как субъекта труда и творчества , с
целью наиболее полного и рационального использования его интеллектуального и
творческого потенциала . Т.О–М.– средство поддержания профессиональной
деятельности человека : « Машина – для
человека , а– не человек для машины !!! » .
NB ║ Научная и практическая задача
организации систем «Человек–Машина–(Среда)» состоит в рациональном распределении
и согласовании функций между Человеком и Машиной при сохранении ответственности за Человека !
Эту задачу решает Инженерная психология . При этом
Человек–Оператор рассматривается в
первую очередь не как звено системы , а именно как живого человека ,
обладающего такими свойствами , как :
восприятие ;
внимание ;
скорость реакции ;
память , мышление , потребность в общении ;
емкость и долговременность ;
образность и гибкость оперативного мышления и т.д.
В инженерной психологии рассматривают :
сенсорный вход ( органы чувств , или рецепторы
человека ) и моторный выход (двигательный или эффекторный аппарат человека)
Человека–Оператора ;
процессы переработки информации и задачи управления
машинами ( объектом ) ;
нормальные и критические условия жизнедеятельности
Человека–Оператора ( физиологический
или материальный ) .
é
Человек Þ индуктивное мышление
Машина Þ дедуктивные действия û
По этим
аспектам мы рассмотрим лишь
некоторые рекомендации , которые могут оказаться полезными при конструировании
пультов управления , приборных панелей , конструкторско–инженерных устройств и
т.п.
При художественном конструировании применяются схемы
взаимосвязей :
простая : Человек–Объект
«Треугольник взаимосвязей» : Человек–Система
управления–Объект ( среда ) ;
Ч–О : Оператор станка
ЧПУ ;
СУ : Блок ЭЧПУ ;
О : Станок .
1 – получение Ч–О от СУ разнообразной выходной информации в
виде сигналов от приборов ( отсчётные , световые , звуковые ) .
2 – формирование
человеком сигналов управления в виде действий по настройке , регулирования ,
управления станком .
3 – непосредственное
воздействие объекта ( среды ) на Ч–О :
расположение элементов блока управления
должно соответствовать психофизиологическим возможностям .
4 – воздействие человека
на объект (среду) : работа со станком требует не только определённых знаний и
навыков ,но и «совместимости» параметров
объекта с человеком ( с учётом «помех» ) .
5 – воздействие СУ на
объект ( среду ) : система ЧПУ станка может иметь определённые геометрические
размеры ( что не всегда позволяет разместить её в станке ) .
6 – воздействие О(С) на
СУ : СЧПУ должна нормально работать в условиях вибрации , загрязнённой
атмосферы цеха , и других нежелательных воздействий .
Системный подход .
Чтобы упростить сложные процессы анализа работы
Человека–Оператора в системах взаимосвязей
применяют частотные модели поведения Человека–Оператора .
Чаще всего Человек–Оператор выступает в роли «машины» по
приёму и выработке информации .
W
воздействие внешней среды .
Y = F ( X , W ) .
Основные рецепторы ( органы чувств ) :
Р 1 – зрение ;
Р 2 – слух ;
Р 3 – осязание ;
Рпр. – (тактильные) : обоняние ,вкус
,равновесие (вестибулярный аппарат ) .
Основные эффекторы (формируют сигналы управления )
:
Э 1 – пальцы рук (кисть) (точные , но менее сильные ) ;
Э 2 – ноги ( менее точные , но более сильные ) ;
Эпр. – звуковые команды ( речь ) ,
биоэлектрические потенциалы, параметры
физиологической активности ( t°,
потоотделение , частота пульса и др. )
В соответствии с органами чувств на деятельность
человека оказывают влияние (W)
:
освещённость и цвет среды ;
шум , атмосферное давление ;
характер поверхностей , с которой имеется контакт ;
наличие запахов и токсичных веществ ;
рабочая поза , t°C
и влажность ( термолабильность ) .
Для оптимизации связи Человека–Оператора с Оборудованием
необходимо знать :
какое количество информации Человек– Оператор может
принять , передать или переработать в единицу времени : «Пропускная»
способность и предельные скорости различных реакций ;
какова точность восприятия и выдачи различных сигналов :
время «задержки» (обработки) сигналов ;
какова надёжность работы Человека–Оператора : способность
противостоять W
.
При этом вопросы необходимо решать путём «подгонки»
параметров объекта конструирования под способности и возможности человека , а
не наоборот .
Т.к. приём и переработка информации – процессы
познавательные (ощущение – восприятие – представление ® мышление ) , которые
сформировались в течение тысячелетий эволюции человека .
«Прибором» человека , с помощью которого он воспринимает
или формирует сигналы , являются анализаторы : Рецептор + Нервные пути – центр
в коре больших полушарий .
Рецепторный аппарат тесно связан с эффекторным
(двигательным ) аппаратом .
Если рассмотреть Схему
прохождения сигнала по контуру управления : Человек–Оператор «
Объект , можно выделить 9 характерных стадий ( звеньев ) :
¬
восприятие показаний ( сигналов ) ;
Á преобразование
показаний индикатора в форму удобную для сравнения с программой работы ® ;
¯ принятие решения об изменении программы
работы ;
° воздействие на органы управления объектом ;
± перемещение рабочих элементов регуляторов ;
²реакция
объекта на воздействие ;
Ç работа объекта по новой программе ;
´ отображение
нового режима работы на индикаторах .
Основная характеристика этого процесса – скорость
обращения сигнала по контуру управления , кроме того ,– погрешностями и
надёжностью звеньев ; скоростью обработки информации в них .
Скорость обращения сигналов по контуру управления
определяется временем полного цикла регулирования :
Т = Т0 + ТМ ,
где Т0 – время задержки сигнала оператором (
стадии 1...5 ) ; ТМ – время задержки сигнала объектом ( стадии 6...9
) .
! Всегда Т0 >> ТМ .
Т0 – определяется следующими компонентами :
анализаторами и длительностью латентного периода ( время
от момента появления сигнала среднего уровня до ответа на него действием ) :
│
τлп
(за) = 0,15 .... 0,22 с
│ τлп
(са) = 0,12 .... 0,18 с
│ τлп
(та) = 0,09 .... 0,22 с
│ τлп
(общ) =0,31 ....0,39 с
Кроме того ,
необходимо учесть количество индикаторов и органов управления.
τз
≥
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 положения
часть 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
мост многопролётный º неразрезная балка ферма
Свойства
и качества композиции
Свойства и качества композиции позволяют выделить следующие
эстетические показатели объекта :
-
гармоническую целостность формы ;
-
соподчинённость элементов ;
-
композиционное равновесие элементов ;
-
симметрию и асимметрию элементов и их комбинации ;
-
динамичность и статичность элементов , их характер.
Тем самым мы перечислили основные свойства и качества
композиции объекта.
Их можно , достаточно условно , разделить на главные ,
определяющие данную форму , и второстепенные. Однако оценка качества композиции
не может быть результатом механического суммирования оценок по отдельным её
свойствам , что иногда “непрофессионалы”
пытаются делать.
Определения.
Гармоническая
целостность формы – отражает логику и органические связи конструктивного
решения с его композиционным воплощением.
Ю.С. Сомов “Композиция в технике” :
Композиция МРС может
быть построена контрасте между сложной , насыщенной тенями структурой открытой
части : направляющие , элементы суппорта , ходовые и тяговые винты , органы
управления различных наружных элементов: оребрений и т.п.
И лаконичными ,
чистыми объёмами несущей части станины , опор станка и крупных формообразующих
элементов : коробки подач и скоростей , несущие стойки , столы и др.
Основное качество –
контраст – противопоставление простого и сложного начал.
Соподчинённость
элементов – определяется закономерностями композиции , которые зависят
от вида (характера) объекта.
Например :
в технологическом оборудовании определяющими являются базовые элементы ,
несущие основную нагрузку. Их форма определяется материалами (прочностью и
жесткостью).
‚ Лицевая панель сложного пульта управления
является фоном , на котором в определённой последовательности и сочетаниях
расположены индикаторы и органы управления.
Их форма должна иметь определённую информационную сущность :
что наблюдать , как нажать , как переключить.
Поэтому соподчинённость элементов должна базироваться на
схеме связей и необходимой последовательности действий управления.
Композиционное
равновесие элементов и формы — такое состояние композиции объекта , при
котором все элементы сбалансированы между собой. Зрительная композиционная уравновешенность.
Композиционное равновесие не есть простое равенство величин,
оно зависит от :
распределения основных масс относительно центра
конструкции (ЦК – смысловой центр предмета) ;
характера организации пространства , определяемого
пропорциями и расположением осей , пластикой формы , цветовыми и тональными
отношениями.
Классические примеры
:
Прибор на стойке – Зрительное
уравновешивание
уравновешенная конструкция цветом.
Симметрия ,
асимметрия и их комбинации.
Под симметрией (греч. Symmitria – соразмерность) в эстетике
понимают гармоничное расположение в пространстве отдельных частей целого , соразмерность
и соответствие между ними.
Симметрия : зеркальная , центральная , плоскостная и осевая
простейшие виды , которые при ХК применяют редко.
Г. Вейль (математик)
: “ симметрия ... является той идеей , посредством которой человек на
протяжении веков пытался постичь и создать порядок
, красоту и совершенство”.
Нельзя утверждать , что симметричная композиция заведомо
лучше асимметричной.
Гармония симметричной формы видна сразу. Уловить гармонию в
асимметричной форме значительно сложнее , но условие целостности асимметричной
формы – это её композиционная уравновешенность , которая может быть достигнута
за счет комбинаций симметрии и асимметрии.
Динамичность и
статичность формы.
Динамичной называют форму активно односторонне направленную
, как бы вторгающуюся в пространство.
Статическая форма – подчеркнутое выражение состояния покоя,
незыблемости , устойчивости.
Здесь
следует отметить , что динамичность и статичность формы оценивают по
горизонтальной оси , что связано с особенностями восприятия , например :
Единство характера формы
важное свойство композиции , которое определяет единичный подход к
формообразованию всех элементов данной формы.
Вот почему все объекты одного назначения , в общем мало
отличаются друг от друга.
Композиция воспринимается как целое если она построена из
относительно небольшого числа элементов.
Некоторые исследователи утверждают , что здесь применимо
магическое число Миллера : МЧМ = 7 ± 2 (5...9).
Однако это относительно , т.к. меньшее число элементов
композиции не всегда упрощает её оценку.
Поэтому важнее , чтобы композиция укладывалась в угол зрения
, не превышающий 40°.
На основании этого , плоскостные композиции с прямоугольными
очертаниями мы должны рассматривать с удаления , примерно равного диагонали для
её целостного восприятия.
При работе над формой необходимо учитывать оптические
иллюзии, т.е. ложное истолкование
размеров и конфигурации предметов при их зрительном восприятии. Для
обеспечения гармоничности формы вводятся соответствующие коррективы в
композицию.
Оптические иллюзии объясняются главным образом устройством
зрительного аппарата человека , его связями с мозгом – чисто физиологическими
причинами.
Горизонталь–вертикаль Рис.0.
Иллюзия Мюллера–Лиера Рис.1.
Иллюзия Вундта Рис.2.
Иллюзия Хайринга Рис.3.
Иллюзия Цёлльнера Рис.4
Психологические факторы восприятия – колебания внимания ,
воображение , глазомер , наблюдательность , абстрактное мышление.
Рис 5 : острые углы треугольника “ломают” окружность.
Эффект иррадиации света : белая фигура на черном фоне
кажется больше, чем такая же черная на белом фоне.
Поэтому чередующиеся черные и белые полосы нужно выполнять
разной ширины : черные шире белых. Это касается штрихов шкал.
Двойные изображения.
[ Голландский художник Мауриц Корнелис Эсхер ].
Психологические особенности восприятия.
Глаз “охотнее” просматривает горизонтали
нежели вертикали; отдаёт предпочтение линиям восходящим слева направо, чем
справа налево – нисходящим.
‚ ... точнее оценивает ширину предметов ,
нежели их высоту или глубину.
ƒ Контраст может привести к ошибкам в оценке
размеров.
Рис 6.
Правильный учет физиологических и психологических особенностей
восприятия позволяет дизайнеру добиваться желаемого воздействия формы и её
согласования в композиции.
Средства композиции.
Определяющий композиционный приём – принимается в начале ХКР ,
затем последовательно развивается различными средствами композиции , выявляя тем самым идею композиции.
К ним можно отнести варианты ХК
компоновки объекта : радиусные , лекальные , или плоские рубленные формы
образующих поверхностей ; нюансное или контрастное решение формы ; материалы и
стыки элементов формы и т.п.
Пропорции и масштаб.
Пропорции – “классическое”
средство композиции , стоящее на первом месте – средство гармонизации формы.
Они определяются размерными отношениями элементов формы,
на них строится вся композиция.
II в.д.н.э. Витрувий “пропорции
есть соответствие между членами всего произведения и его целым по отношению к
части , принятой за исходную , на чем и основана вся соразмерность”.
Художники-конструкторы
используют в своей работе системы пропорционирования , выработанные
многовековой практикой архитектуры.
Каноническое соотношение для
пропорционирования – закон “золотого сечения” , использующий иррациональные
отношения.
Золотое сечение” характеризуется таким отношением неравных частей ,
при котором целое так относится к большей
части (майору) , как большая часть к
меньшей (минору).
Обозначив
Найдя решение уравнения
x2 + ax – a2 = 0, получим
при а=1
Используют и другие
закономерности,– арифметическую пропорцию.
H1–H2=H2–H3=H3–H4=a
® геометрическую
¯
гармоническую
Масштаб (масштабность) –особый вид пропорционирования объекта по
отношению к человеку.
Масштаб – это мера соответствия
предмета размерам человеческого тела , выявляемая в процессе непосредственного
использования предмета человеком.
Масштабность – это соизмеримость
предмета с человеком , предметно-образное восприятие отдельных предметов в их
конкретной величине и форме.
Контраст – противопоставление композиционных элементов изделия в
виде формы , текстуры , цвета , светотени и т.п. друг другу.
Нюанс – постепенное , тонкое и взаимосвязанное изменение свойств
композиционных элементов.
Контраст активизирует форму , и
часто определяется функциональной компоновкой изделия. Его следует применять
осторожно.
Нюансы формы воспринимаются
слабее , почти не зависят от функциональной компоновки и ОПС объекта.
Поэтому они являются , в
основном , сферой чисто художественного осмысления формы и материала изделия ,
имеют богатейшие возможности и сложности реализации.
Метр (метрический повтор) и ритм – определённые закономерности
повторения элементов композиции.
Метр имеет постоянный (или
зрительно кажущийся постоянным) шаг повторов.
Ритм – закономерное изменение
порядка структуры элементов : например, постепенное изменение шага повторов –
ритмика.
Тени определяют собой пластичность
(пластику) формы , под которой понимают её рельефность , скульптурность ,
мягкость переходов основных образующих линий (поверхностей).
Недостатки формы можно в
какой-то степени скрыть тенями , тогда как свет (блики) безжалостно их
выявляют.
Леонардо да Винчи : “Тень укрепляет форму, свет разрушает её“
Элементы цветоведения.
Цвет широко используется в
художественном конструировании.
Цвет характеризуется двумя
группами параметров :
физическими (объективные)
психологическими (субъективные).
Психологические : светлота , насыщенность , цветовой тон.
Светлота
(степень ахроматичности) – эквивалент некоторого ахроматического серого
поля.
Цвет поверхности , –
ахроматический
(бесцветный) белый , оттенки серого , черный ;
хроматический
(цветной) – воспринимается глазом человека только при достаточном уровне
освещенности (ночью все кошки серы)
‚ Яркость – сила света , излучаемого с
единицы площади поверхности (формула
!!!)
Светлота изменяется медленнее яркости , поэтому контраст
между двумя цветными поверхностями определяется разностью их светлоты , а не яркости.
ƒ Цветовой тон – характеризуется численно
длиной волны преобладающего излучения.
Цветовой тон можно охарактеризовать
чистотой цвета
(степень монохроматичности) : долей спектрального цвета (весь цвет состоит из
белого и спектрального)
насыщенностью
степенью контрастности между рассматриваемым цветом и белым цветом.
На восприятие цвета , кроме уровня освещенности , влияют и
виды отражения световых и цветовых потоков от поверхностей.
Экстремальные случаи
:
Но это в идеале , на практике
имеет место смешанное отражение.
Связь между физическими и
психологическими параметрами цвета устанавливается с помощью цветовых моделей.
Простейшая цветовая модель – линейная : спектр полученный Ньютоном
при разложении солнечного луча трехгранной призмой.
В практике ХК используется
трехмерная модель цветового тела , разработанная Мекселлом.
В которой используется
математическое описание цвета на основании экспериментально установленной
закономерности (цветовое уравнение).
C = X * x + Y * y + Z * z
где С – любой нужный нам цвет ;
X,Y,Z
основные цвета (R,G,B) ;
x,y,z
относительные количества основных цветов – x+y+z=1.
Из
последнего условия следует , что для геометрической интерпретации цветового
уравнения можно использовать любую из трех плоскостей координат :
XY , YZ или ZX , т.к.
например x = 1 – ( y + z ).
Общепринятой является система
координат XY , в которой построен цветовой график.
Этот график имеет вид :
Все спектральные цвета
расположены на плоскости ХУ по дуге, имеющей показанный вид.
По прямой стягивающей эту дугу, расположены пурпурные цвета, не являющиеся
спектральными.
–центр контура –
Б(белый цвет).
Каждая точка внутри замкнутого
контура отвечает определенной цветности, т.е. сочетание цветового фона и насыщенности.
Это позволяет обозначать все
цвета координатами Х и У, соответствующие данной цветности. Эта
система является предпочтительнее, чем использование цветов, например, — шаровый,
маренго, карий, фисташковый, слоновой кости и т.п.
На цветном графике ХК видно, чем он располагает и какие из
цветов образуют пары взаимно дополнительные.
Особенности психологического восприятия цвета связаны в основном с,–
с практическим опытом человека
и ассоциативным мышлением человека
Характеристика
основных цветов:
Красный цвет – цвет
огня (опасность) и крови. Он ассоциируется с теплом и поэтому увеличивает
напряжение мышц, кровяное давление и ритм дыхания; имеет стимулирующее влияние
и вызывает эмоции.
Оранжевый цвет–одновременно
и согревающий и стимулирующий; очень яркий; при различной насыщенности может и
успокаивать, и раздражать.
Желтый цвет–имеет
наибольшую светимость в спектре и стимулирует зрение–цвет солнца,
хорошего настроения и веселья. Некоторые тона (желт- зеленые) действуют
успокаивающе.
Зеленый цвет–цвет
природы, успокаивающий; способствует некоторому отдыху ума и пробуждает в
человеке терпение; действует освежающе и успокоительно, уменьшает слишком яркое
солнечное освещение.
Голубой цвет–цвет
неба и воды, холодный; воспринимается как светлый, свежий и прозрачный; обладает успокаивающим
действием.
Фиолетовый цвет–особо
благородный“
(одеяния ученых и священников), вызывает печаль.
Черный цвет–в
больших количествах угнетает; очень полезен в небольших количествах, особенно
для контрастов.
Белый цвет–символ
чистоты. Если применяется один или с цветами зелено–голубой части спектра–цвет
холодный. С цветами желто–оранжевой части спектра–даёт ощущение тепла.
Восприятие цветов зависит от характера (темперамента) человека.
Например, красный цвет действует возбуждающе на холериков –
повышает активность. У меланхоликов – это действие едва заметно.
Синий цвет слабо действует на холериков, незначительно
снижая их активность, но совершенно подавляет активность меланхоликов,
заставляя “уйти в себя“.
Кроме этого, восприятие цветов определяется полом,
возрастом, состоянием здоровья и даже профессией человека.
Так, женщины более восприимчивы к яркому, пёстрому цветовому
окружению, тогда как мужчины–индеферентны или это их раздражает.
Это же можно сказать о молодых и пожилых людях.
Зелёный цвет хорошо действует на больных, для здоровых его
избыток скучен.
Мяснику – красный цвет в обычной обстановке неприятен, так
же, как и врачу–белый.
И т.д. и т.п.
Всё сказанное можно представить схематически в виде цветового
круга(правда, без поправок на характер, возраст, пол и т.д. ). Цветовой
круг симметричен по светлоте относительно оси, проходящей через Ж и Ф цвета.
Выбор цветовых сочетаний может выполнятся на основе,–
контрастной гармонии с использованием 2х, 3х
и более цветов;
нюансной гармонии с использованием 2х, 3х
и более цветов.
Контраст – сочетание цветов, располагающихся в ЦК друг
против друга.
Нюанс – сочетание цветов, расположенных рядом в ЦК.
При наблюдении цветных поверхностей
(цветовых пятен ), как и при наблюдении геометрических объектов имеют место
цветовые иллюзии.
Основные ,–изменение цвета при последовательном и
параллельном цветовых контрастах.
1 Последовательный цветовой контраст: при переводе глаз с поверхности
одного цвета на поверхность другого цвета(или при наблюдении поверхности через
светофильтр) мы видим третий цвет, отличающийся
от двух первых.
Причина – в изменении чувствительности глаза при
длительном(12...20с) наблюдении цветового образа при наблюдении после этого
другой по цвету поверхности.
Так, например, при наблюдении зелёной фигуры и последующем
переводе взгляда на белую поверхность мы увидим слабую пурпурно–красную фигуру ; при переводе на синюю–фиолетовую и
т.д.
2
Одновременный цветовой
контраст: светлота и оттенок цветной покраски зависят от характеристик фона:
смотреть вкладку.
Не вдаваясь в подробности применения
цвета в ХКР , следует отметить, что дизайнеры в настоящее время пользуются теорией согласованных цветов. Сущность
её в том, чтобы дать человеку, работающему в условиях искусственной предметной
среды, такое же видение цветов, как и в
природе...
Основные
рекомендации по выбору цветовых решений.
При этом принято выделять три основные зоны,–
1 –рабочее место;
2
рабочую зону;
3
помещение(интерьер)в целом.
Условно:
1 –соответствует зонам точного зрения, где человек может различить самые мелкие
предметы: соответствует УЗ»10;
и мгновенного зрения
a=180–область
наилучшего цветового зрения и достаточной относительной остроты зрения(на
границе зоны ООЗ падает на 20% относительно ЗТЗ);
2 –эффективного
зрения b=300
зона с худшими характеристиками, но еще позволяющая человеку нормально
работать с объектом труда;
3 –зона
полного обзора g=1200(при
неподвижной голове; g“–при
неподвижной)–характеризует зону, в пре делах которой человек разл-
[Почему заяц косой ?]
личает движение и цвет, но не
детали(относительная острота зрения на границе зон 3 и–всего
(%).
Таким образом , –
Рабочее место – соответствует панели управления или части пульта
управления, на которой должны быть
сосредоточены все наиболее важные органы управления(регуляторы) и контроля(индикаторы).
В этой зоне кроме
сигнальных (предупреждающих) и вспомогательных цветов , имеющих определённую
информативную нагрузку , используются малонасыщенные цвета , в которые
окрашиваются поверхности объекта(панели).
Зона рабочего места должна иметь наиболее насыщенные в цветовом и
яркостном плане элементы объекта. Цвета :
сигнальные (предупреждающие) и информативные (можно сказать – основные
R–G–B).
Рабочая зона – характеризуется законченным объектом:
технологическое обеспечение в целом(станок, пульт управления и т.п. ) и частью
пространства помещения, которое непосредственно примыкает к объекту.
Помещение в целом–характерно тем, что основные его поверхности(стены,
пол, потолок; технологическое обеспечение; ПТО; инженерные коммуникации)окрашиваются
в opt цвета, в соответствии с
рекомендациями, основанными на специфике того или иного производства, помещения.
Сигнальное значение цвета.
Особо выделены : зелёный, жёлтый и красный.
Зелёный – безопасность; жёлтый–предупреждает
о возможной опасности; красный–знак
опасности и запрета; включение–выключение ( Стоп ) оборудования; повсеместно –
пожарный инвентарь.
Синий цвет–используются для
элементов графики в производственных помещениях (цехах) и производственной
информации.
²Растигровка²–жёлтый
цвет с чёрными или красными полосами–обозначение опасных подвижных объектов.
Белый цвет, заключённый в
красный прямоугольник–движущиеся ёмкости со взрывоопасными и вредными
веществами.
Оранжевый – элементы ограждения
машин и механизмов, неосторожное обращение с которыми может привести к трамвам.
Символические
изображения чёрного цвета на жёлтом фоне применяются для знаков,
предупреждающих объект опасности(знак–
).
Красный круг с белым полем внутри, на которой символы чёрного
цвета –запрещающие знаки, предписывающие знаки.
Маркировка баллонов со
сжатыми (жидкими веществами, например чёрный, белый(красная полоса); зелёный,
голубой.
Инженерные коммуникации,–трубы:
вода (зелёный), пар (красный), воздух (синий), газы горючие (жёлтый), кислоты
(оранжевый), щёлочи (фиолетовый), жидкости горючие (коричневый), прочие
вещества(серый).
Окраска – сплошная или
участками.
Шины
электроустановок–опознавательные цвета:
1. º, фА-
жёлтый; фВ-зелёный; фС- красный; 0-шина: изолированный контроль–
белый; заземлённая нейтраль–чёрный.
2. ~; фаза–красный; 0–жёлтый.
3. –; (+)–красный; (–)–синий;
нейтраль–белый.
Лекция 20. "Основы конструирования"
Основы патентоведения
1.0
Введение
Изобретательство – важный
фактор ТП.– Изобретательское право (ИП).– Открытия, Изобретения, Промышленные
образцы – объекты изобретательского права (Субъекты изобретательского права) –
Защита объектов ИП.
"Патентоведение": Учебник для вузов/ Е.И. Артемьев, М.М. Богуславский и др.: под.ред. В.А. Рясенцева – 3–е издание
переработанное и дополненное – М:
"Машиностроение", 1984. 352 с., ил.
Когда мы [рассматривали вопросы первого раздела/говорили в начале] изучения курса
"ОК" о профессии инженер–конструктор, о характере работы
инженера–конструктора на предприятии, то отметили, что – труд
инженера–конструктора по сути его реализации является умственным трудом, результаты
которого во многом зависят от обычной способности к мышлению и определённых
качеств творческой личности.
Так что труд
инженера–конструктора носит творческий характер. Можно сказать, что вершина
творческой инициативы – изобретение (рационализаторское предложение).
Эти виды творческой деятельности
чаще всего не связанны с выполнением непосредственной работы
инженера–конструктора. Хотя изобретения рождаются и при выполнении служебных
заданий.
Изобретение является
продуктом творческой деятельности, которая основывается на научных и инженерных
исследованиях, и получение этого продукта обязательно сопровождается
последними.
В этом аспекте изобретения,
изобретательская деятельность являются факторами научно–технического прогресса
(НТП):
взаимосвязанное последовательное развитие науки и техники, проявляющееся
с одной стороны, в постоянном
воздействии научных открытий и изобретений на уровень техники и технологии;
с другой стороны – в применении
новейших средств и методов научных исследований.
Т.о., НТП органически соединяет науку как деятельность в духовной сфере, направленную на получение нового знания и технику как один из важнейших компонентов
материальной культуры.
НТП предъявляет высокие требования к общему и
профессиональному образованию.
Эти требования концентрированно
выразил Г.А. Эдисон (1847–1931): "Важнейшая
задача цивилизации – научить человека мыслить".
"Изобретателей нельзя создавать, но их можно поощрять, и
каждое общество, если оно хочет продолжать развиваться, должно найти способ поощрения изобретателей" Митчел Уилсон
(1913–1972) – американский физик, писатель.
n
Регулирование отношений по изобретательству
(техническому творчеству вообще) осуществляется изобретательским правом –
правовой системой, представляющей собой качественно своеобразную, внутренне
упорядоченную совокупность норм, т.е. установленных государством обязательных
правил поведения.
Основной источник
изобретательского права – закон – нормативный правовой акт высшей юридической
силы. В основном законе – Конституции РФ – закреплены важнейшие нормы и
принципы ИП.
ИП считается составной частью
(подотраслью) Гражданского права, что отражается в действующем
законодательстве.
В наше время нормы изобретательского права в РФ ещё полностью не
установлены – поэтому будем говорить
"действующее законодательство".
Объекты ИП. Формы их охраны.
В число основных объектов входят:
открытия;
изобретения;
промышленные образцы;
рационализаторское предложение иерархия.
Т.о. объект: материальная вещь, нематериальное благо,
услуга, работа и т.д. Субъекты – участники правоотношений: индивидуумы, коллективы, учреждения и
организации, государство и т.д.
Открытие – установление ранее неизвестных науке объективных
закономерностей, новых явлений, свойств и эффектов, вносящих коренные изменения
в существующие научные знания.
Открытия чаще всего связанны с
фундаментальными исследованиями в теоретических и прикладных науках.
Открытия регистрируются как
важные общегосударственные достижения, и автору(ам) открытия выдаётся диплом – именной документ, удостоверяющий
признание открытия, приоритет и
авторство, с чем связанно приобретение автором ряда прав и льгот,
предусмотренных действующим законодательством.
Диплом содержит формулу открытия – которая сжато, чётко
и исчерпывающе выражает сущность открытия.
Если открытие сделано в связи с
выполнением служебного задания, то автору выдаётся диплом, а организации, в
которой работает автор – свидетельство, удостоверяющие этот факт. Автору
открытия (с дипломом) принадлежат неимущественные и имущественные права,
предусмотренные действующим законодательством.
Изобретение –
изобретением (мировая новизна) признаётся новое
обладающее существенными отличиями ТР задачи в любой отрасли народного
хозяйства, социально–культурного строительства или обороны страны, дающее положительный эффект.
Если открытие выступает как
приращение нового научного знания к существующему, то Изобретение является
приложением этого знания с целью его практического использования.
Изобретение может быть
результатом научно–технического творчества отдельного лица, группы лиц или
организации, которым представляется исключительное
авторское право.
В соответствии с действующим
законодательством к объектам Изобретения относят:
устройства: машины, оборудование, приборы и т.п.;
способы: методы, процессы, приёмы и т.п.;
вещества: материалы, сплавы, химические составы
и т.п.;
применение известных устройств,
способов и веществ по новому назначению.
Формы правовой защиты – выдача
авторского свидетельства (АС) и патента.
АС – документ, удостоверяющий
предложения изобретением, приоритет, авторство, исключительное право
государства на использование и распоряжение изобретением, и закрепляющий за
автором права и льготы, предусмотренные действующим законодательством.
Т.о. АС – исключает личное
распоряжение изобретением.
АС – выдаётся также на служебные
изобретения (при выполнении плановой работы…). АС – бессрочные (Право на
получение – наследуется).
Патент – документ,
удостоверяющий признание предложение изобретением, приоритет, авторство и исключительное право патентообладателя на
изобретение.
Патент выдаётся сроком на 15
лет, считая со дня подачи заявления на изобретение. Условие его сохранения –
своевременная уплата патентной пошлины.
АС и патент не выдаются:
на предложения организационного
характера: организация
труда, планирования, учёта и т.п.;
на условные обозначения,
правила игры;
на планировки сооружений,
зданий и территории;
на системы обучения, методы
расчётов и т.п.
изобретениями не признаются
решения, противоречащие общественным интересам, принципам гуманизма и морали, а
также – явно бесполезные.
Промышленный образец (ПО) – это новое, пригодное к
осуществлению промышленным способом художественное решение изделия, в котором
достигнуто единство технических и эстетических качеств.
ПО регистрируются, и авторство
лиц, которые участвовали в разработке и оформлении изделия, защищается
свидетельством на ПО (бессрочным) или патентом (5 лет).
Рационализаторское предложение (РП) – ТР, являющееся новым и
полезным для предприятия, организации или учреждения, которым оно подано, и
предусматривающее:
изменение конструкции изделий;
изменение технологии
производства и применяемой техники;
или изменение состава
материала.
Основное отличие от изобретения
локальная новизна.
Рационализаторское
предложение не должно повторять то, что
ранее использовалось и используется; разработано или уже было предложено; предусмотрено
действующей научно–технической документацией, либо приказами, распоряжениями
администрации или рекомендовано вышестоящей организацией (исключение, если поставлена).
Рационализаторское
предложение не должно также
основываться на ТР, опубликованных в бюллетенях научно–технической информации
по распространению передового производственного опыта в данной отрасли.
Не признаются
рационализаторскими предложениями, использование которых может привести к
снижению надёжности и др. Показателей качества продукции. Все ИТР, в том числе
инженеры–конструкторы могут подавать рационализаторское предложение.
Есть, однако, особенности
квалификации предложений ИТР, научных институтов, проектных, конструкторских,
технических организаций и аналогичных подразделений предприятий, относящихся к
разрабатываемым этими работниками проектам, конструкциям и технологическим
процессам. Предложения этих работников (кроме изобретений), относящиеся к
выполнению должностных обязанностей, не
признаются рационализаторскими, поскольку высококачественная разработка является их обязанностью.
В то же время предложения других
ИТР тех же подразделений (или других), которые не участвуют в данной разработке
могут быть признаны рационализаторскими.
Авторство и другие права
рационализатора подтверждаются удостоверением
на рационализаторское предложение.
Права, приобретённые автором в
связи с признанием его изобретения рационализаторским и выдачей удостоверения,
действуют в пределах предприятия, которое выдало изобретение.
Все виды технического творчества
стимулируются материально в соответствии
с действующими положениями и инструкциями (подзаконными актами). Величина
вознаграждения зависит от величины условного
годового экономического эффекта внедрения (УГЕФ) предложения.
УГЕФ является экономической
характеристикой внедрения новых разработок в конкретном производстве.
Экономическая оценка разработок
основывается на применении стандартной (типовой) методике расчёта: УГЕФ рассчитывают, суммируя все
среднегодовые доходы, связанные с внедрением, и вычитая расходы.
Лекция
21. "Основы конструирования"
Квалификационные
признаки основных видов технического
творчества
инженера–конструктора (технолога)
Остановимся подробнее на
вопросах изобретательской деятельности.
Прежде всего – вопрос выявления
изобретений.
В виду того, что источником
изобретений являются научные институты и ПК разработки, авторы разработок
ведают как созданием, так и выявление изобретений.
Успех создания ТР, способных
быть предметом изобретений, непосредственно зависит – от стремления
конструктора каждую задачу решать творчески, по–новому, с получением
максимального положительного эффекта. Каждый конструктор должен знать основные
источники и методы выявления изобретений.
Выявление изобретений опирается на следующее:
¬
знание известного состояния и уровня техники в области новой разработки
(профессиональное требование);
знание критериев патентоспособности;
®
умение провести сопоставительный анализ новой разработки с уже известными (на
мировом уровне) и оформить заявку на предполагаемое изобретение.
Должностная инструкция инженера–конструктора: Должен
знать:
, Порядок и методы проведения
патентных исследований; основы изобретательства; …, основы технической эстетики
и художественного конструирования, …, передовой отечественный и зарубежный опыт
разработки аналогичных объектов …
Главные
критерии изобретения
(патентоспособность)
Вернёмся к нормативному
определению изобретения – сокращенно:
"Изобретение – это новое и обладающее существенными отличиями ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ задачи …, дающее положительный эффект"
Т.о. основные критерии:
¬
техническое решение задачи;
существенные отличия;
®
новизна (мировая или абсолютная);
¯
положительный эффект.
Любое заявляемое изобретение
должно содержать в себе ТР – не
идею, не постановку задачи, а её ТР. При этом для некоторых видов изобретений,
в частности, когда объектом И являются способы, термин "ТР"
применяется в широком смысле: как практическое средство удовлетворения
определённых потребностей.
Задача считается решённой при следующих условиях:
решение содержит указания на технические средства (способы) для её
решения;
решение раскрывает основную схему;
решение осуществимо: возможность его
многократного воспроизведения с помощью общеизвестных приёмов и средств
техники.
¬
Соответствие критерию новизна
проверяется по отношению к существующему мировому уровню техники, поэтому она и
называется мировой или абсолютной: автор изобретения – единственный (и первый), кто сделал что–то
именно так!
После разработки нового технического решения необходимо выявить предмет
изобретения. Для этого в патентоведении используют понятие "существенные признаки", к которым
могут относится конструктивные элементы и связи, характеристики элементов и
режимы операций.
Признаки объектов изобретений: устройства, способы,
вещества – подразделяют на три группы: признаки структуры, вида и отношения (Табл. 1).
Предмет изобретения выявляется
путём сопоставления существенных
признаков нового ТР и объекта–прототипа.
Объект–прототип – наиболее близкий из аналогов к предложенному новому
ТР.
Аналоги – сходные однородные изобретения.
Таблица
1 Тип Признаки объекта Структуры Вида Отношения Устройство Основные и вспомогательные (агрегаты, механизмы, узлы, детали) Форма элементов, качество поверхности, материал, взаимное расположение и связи элементов Соотношение геометрических, временных и др. параметров элементов и связей Способ Операции и приёмы, материальные средства для выполнения операции Последовательность операций или действий, порядок чередования операций Температурные, временные, электрические и др. режимы выполнения операций Вещество Ингредиенты, молекулы, атомы Характеристика атомов, взаимное расположение атомов в молекулах, химическая связь между атомами Количественное соотношение ингредиентов, число атомов каждого элемента
Техническое решение будет новым,
если в результате сопоставления выявлены:
либо новые признаки, отсутствующие в прототипе;
либо изменённые, не совпадающие с признаками прототипа ни по выполняемой
функции, ни по используемому свойству.
Такие признаки образуют группу
отличительных признаков, входящих в отличительную часть формулы изобретения, т.е. составляющих
ПРЕДМЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
ТР признаётся обладающим "существенными отличиями", если по
сравнению с решениями, известными науке и технике на дату приоритета заявки на
предполагаемое изобретение, оно
характеризуется новой совокупностью признаков, обеспечивающих новые или
существенно улучшенные свойства объекта и положительный
эффект при эго использовании.
NB V Т.о., существенные отличия обуславливаются тем,
что:
в совокупность введён неизвестный ранее признак структуры,
выведен известный признак,
или заменён один признак другим.
При этом признаки изменённой
совокупности вступили во взаимодействие, которым и обусловило появление нового
свойства (свойств) у объекта.
Новые ТР не соответствуют
критерию "существенные отличия"
в следующих случаях:
аналоги имеют сходные с ним
существенные признаки и свойства, т.е., например, имеет место агрегатирование
частей устройств, операций, способов или компонентов веществ, при которых части
не образуют новых взаимосвязей и не вступают
во взаимодействие;
отличительные признаки образуют
самостоятельный объект со своей функцией: например, узел в устройстве (привод, подшипник, фильтр), операцию
или приём в способе (усиление сигнала, шлифование изделия), ингредиент вещества
(связующее, катализатор); такие объекты классифицируются
и анализируются на патентоспособность как
самостоятельные;
изменения, внесённые в объект,
либо обуславливают свойства, которые связаны с выполненными изменениями
известной закономерностью, либо не приводят к изменению свойств.
®
Положительный эффект – технический,
экономический, социальный, экологический и т.п. определяется в сравнении с
реализованным (базовым) объектом или прототипом, выявленным в патентной
научно–технической информации.
Для этого вначале определяют
технический внутриобъектный эффект, а затем – связанные с ним преимущества
недостатки при использовании объекта. Определение положительного эффекта
облегчается, если сравнение производят по структуре, функциям и свойствам.
NB║ Критерии
патентоспособности ТР необходимо обязательно знать, чтобы:
c одной стороны, не потерять приоритет
на патентоспособные ТР;
а с другой, не оформлять легко
отклоняемые заявки на предполагаемые изобретения.
Патентно–[лицензионный] поиск
Оценив [предполагаемое
изобретение/новое ТР] по критериям охраноспособности,
можно, казалось бы, приступать к
составлению заявки на предполагаемое изобретение.
Но уж очень будет обидно,
если подав оформленную по всем правилам заявку (правила мы рассмотрим далее), узнать,
что абсолютно такое же решение найдено ещё в XIX веке или опубликовано в прошлом году в журнале "Юный
техник".
Поэтому составление Заявки связанно с исследованием нового ТР на МИРОВУЮ НОВИЗНУ ®
Патентный поиск. Для этого необходимо найти материалы, раскрывающие сущность
ДАННОГО или тождественного решения.
Перечислим ИСТОЧНИКИ, порочащие
новизну изобретений:
À–АС и патенты,
выданные в нашей стране;
Á–иностранные
патенты, АС и опубликованные заявки;
–Российские и
иностранные издания:
все печатные публикации, независимо от того, где, на каком языке и каким
тиражом опубликован источник;
Öдепонированные
рукописи;
Ä–публичные
сообщения, доступные для ознакомления широкому кругу лиц;
Å–проектная
документация, чертежи, схемы, переданные в общедоступную библиотеку;
Æ–сведения об
открытом использовании изобретений;
Ç–экспонаты,
представленные на выставках;
È–работы,
принятые для участия в конкурсе;
É–публичные
устные доклады, лекции, выступления, если они зафиксированы аудио–записью или
застенографированы;
ÀÀ–информационные,
визуально воспринимаемые данные (модели, макеты, плакаты), доступные широкому
кругу лиц;
ÀÁ–сообщения по радио, телевидению, в
кино, если они зафиксированы в установленном порядке аудио–, видео–записью, на
фото– или кино–плёнке.
Новизну не порочит:
опубликование или другое раскрытие сущности ТР после подачи
Заявки в установленном порядке;
если ТР стало известно до подачи Заявки определённому,
узкому кругу лиц, которые связанны с созданием и разработкой ТР: руководителям разработки,
технической комиссии, коллегам автора.
Основные источники о том, что было изобретено до Автора по
интересующему направлению – это Патентная информация: совокупность сведений о результатах
научно–технической деятельности, содержащихся в описаниях, прилагаемых к
Заявкам на изобретения или к охранным документам (АС и патентам).
Основная часть Патентной Информации®Патентная Документация: официальные публикации патентных ведомств:
описание изобретения;
описание открытия;
официальные Патентные бюллетени, предварительные описания к
заявкам на изобретения и открытия.
Описание изобретения – это первый материал, доступный для
широкого круга читателей. В нём в сжатой форме приводятся сведения о предмете и
существенных признаках изобретения.
Предмет изобретения заключён в Формуле изобретения.
Формула изобретения
это краткое словесное изложение признаков изобретения. И главное – в
патентной документации строго соблюдается единообразие
изложения всех материалов: стандартные, языковые
конструкции и международная научная
терминология.
Патентная документация – наиболее полное и
систематизированное собрание сведений о научно–технических решениях, созданных
человечеством за последние 150–200 лет. Например, во ВПТБ их хранится более 20
миллионов. Чтобы бегло ознакомится с ними, кроме запаса времени (лет на 500), нужно быть ещё и
полиглотом – владеть 26 языками.
И без
Справочно–Поискового Аппарата к Патентным Фондам подходить бессмысленно!
В настоящее время в РФ, Франции, GB, USA, Jp и ряде других стран принята Международная классификация изобретений
(МКИ):
Основные области технической деятельности делятся на 8
разделов:
А – Удовлетворение
жизненных потребностей человека (Ж.П.Ч.);
В – Различные
технологические процессы;
С – Химия и
металлургия;
D – Текстиль и бумага;
Е – Строительство;
F – Прикладная механика, освещение и
отопление;
G – Техническая физика;
Н – Электричество.
Каждый раздел может содержать по 99 классов, разделяющихся
на подклассы, обозначаемые прописными согласными
буквами латинского алфавита.
Подклассы делятся на группы, обозначаемые, как правило, нечётными цифрами, что позволяет
расширить число рубрик.
Группы делятся на подгруппы, обозначаемые чётными цифрами.
Изобретение:
"Лыжная палка" Патент СССР № 583716.
Кроме классификатора МКИ, используется национальные системы
классификаций: GBr, BRD,
Jp и др.
Патентный поиск выполняется в соответствии с ГОСТ 15.011–82.
Источники патентного поиска – патентная документация,
хранящаяся в патентном фонде, и являющаяся основной частью С[правочно]–И[нформационных] Ф[ондов] информационных служб:
ВПТБ;
Отраслевые и территориальные научно–технические библиотеки;
Патентные фонды организаций и учреждений, предприятий.
Патентный поиск сначала ведётся в фонде Отечественных
изобретений (по основным и смежным рубрикам СКИ), а затем – в фонде минимальной
патентной документации.
При исследовании узкоспециального вопроса подбираются
патенты стран, которые являются ведущими в этой области. Эта работа достаточно
сложна и трудоёмка, поэтому надёжнее, – поручать её специалистам: патентным работникам.
Лекция 22.
Основы конструирования
Составление заявки на предполагаемое
изобретение
Если при исследовании нового ТР на мировую новизну
установлено, что оно может быть
патентоспособным, то составляется Заявка
на Предполагаемое Изобретение.
Составление Заявки выполняется в строгом соответствии с
требованиями подзаконного акта: "Указания по составлению заявки на
изобретение" (ЭЗ–1–74) ВНИИПИ. Этот документ регламентирует все
аспекты составления заявки:
от порядка заполнения стандартных бланков до обозначений в чертежах. Пересказывать
содержание "Указаний…" не имеет смысла – при необходимости
Изобретатель изучит его самостоятельно. Поэтому остановимся на наиболее
важных моментах составления заявки.
À Цель заявки:
1) ясно изложить суть нового
ТР;
2) показать, что данное ТР
соответствует критериям изобретения:
–обладает
мировой новизной;
имеет существенные отличия от прототипа и аналогов(а);
–обладает
полезностью.
Á Набор документов, составляющих заявку,
включает;
–заявление на выдачу АС (патента);
–описание изобретения и формулу
изобретения;
–чертежи;
–и дополнительные документы различного
характера.
Здесь следует отметить, как и при проведении
патентного поиска, при составлении заявки Изобретателю помогут патентные
службы…Но без собственного чёткого
представления о смысле перечисленных документов, творческого подхода к их
составлению – эта помощь ничего не даст…
 При составлении
заявки стиль описания изобретения отличается от принятого в научных статьях,
книгах и других источниках. Этот стиль состоит в строгом единообразии изложения всех материалов, применении стандартных языковых конструкций
и международной научной
терминологии.
Описание изобретения (на примере устройства)
Первый раздел – Название изобретения.
Пример: "Механизм подачи сварочной
проволоки"
Nb: Отличительные
признаки ни в коем случае не
выносятся в название. Название должно
дословно совпадать с начальными словами формулы изобретения.
Цель названия – отнести изобретение
к определённой группе объектов. Далее указывается классификационный индекс МКИ,
к которому изобретение (по мнению заявителя) следует отнести
МКИ F…
Второй раздел –
"Область техники, к которой относится изобретение, и преимущественная
область его использования" – показать специалистам, где наиболее
целесообразно использовать техническое решение, исходя из его особенностей и
возможностей.
Далее следуют разделы –
характеристика аналогов, прототипа, критика прототипа (изложение его
недостатков), цель изобретения, которые должны отразить – из какого уровня
техники исходил автор при решении поставленной задачи.
Повторю: аналогами изобретения
принято считать наиболее близкие по сути ТР из известных на момент составления
заявки.
Аналоги выявляются при
патентном поиске, и из технической литературы. Прототипом выбирают
наиболее близкое по технической сущности и положительному эффекту ТР из числа
аналогов. Правильность выбора аналога и прототипа имеет важное значение при
экспертизе во ВНИИГПЭ:
чем более похож прототип на изобретение , а изобретение–отличается от него
существенными признаками, тем легче эксперту увидеть, что именно нового
предложено…
В разделе "Критика
прототипа" – необходимо, критикуя "нужные" нам недостатки,
подойти к цели изобретения, раскрыв её через устранение этих недостатков.
Формулируя цель изобретения, важно показать, что реализация изобретения ведёт к
удовлетворению конкретной общественной потребности. При этом недопустимы (!)
как заявления рекламного характера, например, …"…с целью увеличения
конкурентоспособности…", "…с целью повышения точности…"
Следующий раздел несколько
формального свойства:
"Сущность изобретения и его отличия от прототипа".
Опытные изобретатели списывают
этот раздел с формулы изобретения (последнего раздела описания изобретения),
исключив цель, начиная со слов:
"отличающаяся тем, что с целью…" – и сохранив в чистом виде ограничительную
и отличительную части формулы изобретения.
Следующий раздел, который
практически обязателен, если объектом изобретения являются устройства: "Перечень фигур
графических изображений". Фигуры нумеруются арабскими цифрами; краткое
пояснение надо дать к каждой из них. Если фигура одна – обходятся без
нумерации.
Чаще всего даётся, как минимум,
две проекции объекта, поэтому пишут: "На чертеже изображены две проекции предложенного
устройства: вид сбоку
(фиг. 1) и вид сверху (фиг. 2)…"
На чертеже должны быть
изображены все основные детали и узлы устройства, показать их взаимосвязи,
исключив неоднозначные толкования технической сущности изобретения. Узлы и
детали обозначаются цифрами, на которые ссылаются затем в тексте описания.
Главное – текст описания и
чертежи должны быть строго согласованны.
"Обращения" к чертежам
осуществляются в следующем разделе: "Примеры конкретного выполнения".
Этот раздел содержит две части:
n в
первой – конструкция устройства описывается подробно в пределах разумного
объёма со ссылкой на чертежи. При этом его признаки делятся на "старые и
новые", т.е. прототипа и изобретения;
n во
второй – описывается работа устройства.
В случае, когда используется
многозвенная формула изобретения, в этом разделе для защиты нескольких
модификаций конструкции (при общем прототипе), приводятся и другие возможные
варианты конструкции и работы устройства.
Следующий – Важный! – раздел: "Технико–экономическая
или иная эффективность. Этот раздел должен показать актуальность использования
Предлагаемого решения в народном хозяйстве, реальные выгоды, ожидаемые от
внедрения.
В нём приводится экономический
расчёт, если это сделать проблематично – ТЭО с упоминанием об экономики без её
расчёта.
Последний раздел описания изобретения – "Формула
изобретения".
Формула изобретения есть краткая словесная характеристика, выражающая техническую сущность
изобретения, т.е. его предмет.
Структура и язык формулы изобретения должны чётко
соответствовать строгим правилам. "Словесный запас" этого языка
исчерпывается признаками изобретения: структуры, вида, отношения. Среди значительного числа признаков,
характеризующих объект изобретения, есть такие, без которых ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ от изобретения НЕДОСТИЖИМ (!).
В формуле изобретения эти существенные признаки (ВСЕ!)
должны быть перечислены.
Исходный материал: аналоги, прототипы и оригинальные решения.
Структура
формулы изобретения
Суть предлагаемого решения в
виде перечисления существенных отличительных признаков.
Цель изобретения излагается
короче и поясней.
В отличительной части,
формально, должен содержаться "объём притязаний", т.е. то новое на
что претендует автор:
конкретное ТР.
Формула изобретения – документ
не только технический, но и юридический, показывающий, на какой объём признаков распространяется защита. Поэтому нужно
очень тщательно подбирать признаки в формулу, не вводить в неё несущественные
признаки…
И вообще, экспертиза уважает короткие формулы (!).
Кроме описания в заявку… входит
ещё ряд документов, которые мы только перечислим с короткими комментариями.
Весьма важны документы,
дополнительно раскрывающие сущность изобретения:
акты испытаний изобретения; заключение
о полезности, подтверждающее работоспособность и положительный эффект от
использования…
Справка о творческом участии
соавторов, в которой чётко отражается кем из соавторов, что сделано, и
приводится процент участия (для распределения вознаграждения).
И последнее – это реферат,
содержащий краткое изложение материалов заявки.
n
При патентной защите новых ТР, кроме использования
нормативно–методических материалов: ГОСТы, инструкции, условия и т.п., целесообразно
руководствоваться логикой создания изобретений, учитывая сущность изменений
объекта прототипа.
Так, например, понятие
"Задача" не входит в число нормативных критериев изобретения, однако
достижение нового полезного эффекта означает, что изобретением решена новая,
ранее нерешенная задача.
Принятые критерии
"новизна" и "существенные отличия" являются составляющими
более общей характеристики – существенной
новизны изобретений, возникающей при разрешении технических противоречий.
Существенная новизна может
характеризоваться количественно числом существенных отличительных
признаков, и качественно – системным уровнем изменений
объекта–прототипа, новизной использованного для решения задачи знания и
изменением параметров объекта.
В результате изменения
параметров объекта изменяются две обобщенные противоречивые характеристики: полезность объекта и плата
за полезность. Эти изменения должны соответствовать требуемым внешнеобъектному и внутриобъектному положительным
эффектам, если задача считается решённой.
Логика создания изобретений и
сущность
изменений
объекта–прототипа
Лекция 23.
"Основы конструирования"
Тема ²Активизация
инженерного творчества²
На предыдущей лекции, рассматривая логику создания
изобретений, мы установили, что существенные
изменения вносятся в технические объекты тогда, когда совмещение
технических требований(реальных и необходимых) оказывается невозможным, а попытки улучшения одних параметров, функций или свойств объекта известными способами (ТР) приводит к
недопустимому ухудшению других, т.е. путём разрешения технических противоречий.
Процесс проявления, обострения и разрешения противоречий
определяет как ²общую² историю техники, так и
историю развития её отраслей и отдельных
машин.
Каждый раз при существенном изменении объектов техники,
внешние противоречия развёртываются в систему внутренних противоречий , которые
нельзя устранить известным, или ²стандартным² способом.
(Иерархическая
структура)
Поиск новой технической идеи (ТР) решения задачи состоит в
последовательном выявлении внутренних противоречий и их решении.
Если вспомните критерии изобретения: ²новизна²
и ²существенные
отличия²,
то можно сказать, что они являются составляющими более общей характеристики – существенной
новизны изобретения, которое появляется при разрешении технических противоречий.
Эта характеристика количественно описывается,–
числом существенных отличительных признаков и качественно,–
уровнем изменений объекта– прототипа, новизной
использованного знания и изменением параметров объекта.
В результате изменения параметров объекта изменяются две
обобщённые противоречивые характеристики: полезность объекта и плата за эту полезность.
Если техническая задача решена–создано изобретение, то
изменения параметров должны соответствовать требуемым внутренним и внешним положительным
эффектам.
Ò.î., ïîèñê
ãîòîâîé
òåõíè÷åñêîé
èäåè ðåøåíèÿ
çàäà÷è -
ÿâëÿåòñÿ
íàèáîëåå îòâåòñòâåííûì
ýòàïîì
ñîçäàíèÿ
èçîáðåòåíèé.
Ýòîò ïðîöåññ
ìîæíî
ðàçäåëèòü íà
òðè
îñíîâíûå
ýòàïà: (ñìîòðåòü
ñòðóêòóðíóþ
ñõåìó)
I этап- наиболее сложный и ответственный, т.к. при этом мы
имеем наибольшее значение неопределённости,
-сколько изменений требуется внести в протокол ?
-какие знания потребуются для решения задачи ?
-какова в итоге будет полезность нового технического решения
и плата за эту полезность ?
Полученные ответы на эти вопросы определяют:
-затраты времени и ресурсов на создание и внедрение нового
технического решения ;
-и его жизненный цикл(период морального старения).
Также на I этапе при выборе направления решения проблемы необходимо выявить скрытые
резервы развития объекта. Для чего используется:
-закономерности развития технических объектов(минимальное
знание и опыт в своей отрасли !?);
-методы активизации творческой деятельности.
Знание + Умение можно достичь реализацией
принципа 3-С: самопознание«самосовершенствование«самообразование.
Второе - предмет нашего сегодняшнего разговора.
Почему важно владеть методами активизации…?
Цитата Д. И. Менделеева
Ответ - знание и
умение пользоваться - это “фонарь”
-Активизация инженерного творчества.
Актуальность овладения методами технического
творчества(активизации творческой деятельности)
При рыночной экономике степень развитости и благополучия любой
страны в основном зависит от min exporta
и max exporta - готового продукта,
изделия и технологии.
Продавать готовый продукт в другие развитые страны можно
лишь при условии, что он выдержит
конкуренцию.
А это возможно только тогда, когда продукт изготовляется по
изобретению с достаточно высоким творческим уровнем.
Творческий уровень изобретения.
-Все изобретения делятся на пионерные(…самого высокого уровня ) и остальные.
Изобретения разделяются на пять уровней в зависимости от степени
новизны:
1-й уровень
- мельчайшие изобретения, незначительно
изменяющие объект-прототип.
Задача и средства её решения лежат в пределах одной
профессии, поэтому решение таких
задач по силам каждому специалисту;
2-й уровень - мелкие изобретения, полученные способами, известными в данной отрасли. При этом чаще всего меняется один
элемент системы - частично;
3-й уровень - средние изобретения, полученные
способами, известными в пределах
науки. Полностью меняется один из
элементов системы;
4-й уровень - крупные изобретения. Синтезируется новая техническая
система. Создаются средствами, далеко выходящими за пределы науки, в которой решается задача;
5-й уровень - самые крупные изобретения. Они образуют принципиально новую
систему, при этом нередко
создаётся новая отрасль техники или производства ( например самолёт , телефон ,
киносъёмка , лазер , шариковая ручка и т.п. - впервые изобретённые...)
‚ Я
думаю, всем известен афоризм Козьмы Пруткова : “ Специалист подобен флюсу – он
односторонен “
Это часто трактуют так : специалист – человек, хорошо
знающий своё дело , но отличающийся стереотипностью мышления…
Страшное слово – “ стереотип “ / кстати потребность в “
образцах “ – порождает стереотипность мышления /
Побороть стереотипность мышления, активизировать инженерное
творчество – главная задача методик технического творчества.
В курсе “ Основы конструирования “ не ставится задача –
научить Вас изобретать. Но, при наличии желания, способностей, опыта работы,
знание методик технического творчества (теории изобретательства) помогает
инженеру с максимальной отдачей использовать имеющиеся у него знания и опыт в
поиске новых ТР, (и, может быть, стать изобретателем).
1 C давних времён
известен метод проб и ошибок , который был, можно сказать , основным
методом изобретателей до конца 60-х годов нашего века.
Суть этого метода можно сформулировать как “поиск иголки
в стоге сена“. Схематично это можно изобразить так :
Разумеется , количество “проб“ намного больше , чем
изображено на схеме. Требуются иногда тысячи (10-ки тысяч ) “ а если “, чтобы
нащупать удачное техническое решение.
Другая особенность , что на схеме стрелки расположены гуще в
направлении , противоположном “Решению“,
это не случайно
Дело в том , что “пробы“ не так хаотичны , как кажется на
первый взгляд.
Приступая к поискам , изобретатель опирается на свой
предшествующий опыт. Эта первоначальная тенденциозность на схеме показана
В.И.” выходящим из точки “Задача” и направленным в противоположную сторону от
Решения”.
3 Изобретательство
древнейшее занятие человека. Собственно , с изобретений первых орудий труда и
начался этот процесс. С тех пор сделаны миллионы изобретений. Но при усложнении
задач, методы их решения почти не совершенствовались; изобретатели , как правило
, шли к цели путём “проб и ошибок” ( да
и , многие , – идут в наше время ).
1.1 Рассмотрев суть метода “проб и ошибок” ,
можно сказать , что творческий процесс носит неупорядоченный – “бестолковый” ,
характер.
Для
упорядочения этого процесса пытались найти правила , которые легли в основу эвристики – науки о решении творческих
задач.
Слово “эвристика” впервые было использовано греческим
математиком Паппом ( труды “математическое собрание” ) в III в.
н.э.
В последствии многие учёные , в т.ч. Лейбниц , Декарт и др.
, занимались изучением творческого мышления , формулировали эвристические
правила – схемы процесса творчества , которые сводились к следующему:
I – акт интуиции и желания . Происхождение
замысла.
II – акт знания и рассуждения . Выработка схемы
или плана.
III – акт умения . Конструктивная реализация
идеи.
Тем не менее , за 17 веков своего
существования эвристика не создала эффективных методов решения творческих ( в
т.ч. технических ) задач.
Главная
причина – постановка слишком общей цели : найти
универсальные правила позволяющие решать любые творческие задачи во всех
отраслях человеческой деятельности.
То
есть “ … не совсем чётко очерченная область исследования , относимая то к
логике , то к философии , то к психологии. Она часто описывалась в общих чертах
, редко излагалась детально , и по-существу предана забвению в настоящее время “ – американский математик
Д.Пойта , 1944 г.
К
сожалению ; объём курса не позволяет нам совершить исторический экскурс в
развитие методов творчества.
ƒ Далее мы рассмотрим основные методы , которые существуют
и Вы можете их использовать при решении технических задач.
2 Практические методы активизации
творческой деятельности стали появляться в начале ХХ века в связи с интенсивным
развитием промышленного производства и техники.
Один
из первых методов – мозговой штурм ( Brainstorming ) – это попытка американца
А. Осборна ( 1939 г.) усовершенствовать метод “проб и ошибок”.
За
прототип этого метода можно принять “ техническое совещание “.
Логика
этого метода следующая: однородная группа участников совещания делится на две
группы . В первую группу включены люди , склонные к выдвижению идей – “
генераторы“ , разных специальностей , и не связанные иерархическими служебными
отношениями.
Во
вторую группу – специалисты с критическим складом ума – “критики” , способные
отобрать и развить рациональные , конструктивные предложения.
Поиск
идей в решении поставленной задачи проводится под руководством ведущего – “
лидера “ – наиболее эрудированного в проблеме специалиста , пресекающего
беспредметную критику : “ Это слишком сложно “ , “ Так уже делается “ , “ Это
невозможно реализовать технически “ и т.п.; и поощряющего развитие выдвигаемых
идей.
Всё
это создаёт условия для разрешения содержащихся в задаче противоречий на
интуитивном уровне.
Таким
образом главная задача штурмующей группы – “единым мозгом “ преодолевать
преграды на пути решения поставленной задачи.
Этот
метод не устранил беспорядочность поисков , органически присущую методу “ проб
и ошибок “, а сделал поиски “ещё более беспорядочными”.
Проиллюстрируем
это схемой :
В ещё
большей беспорядочности и заключается прогресс : на схеме видно , что
преодолевается направление “ В.И.“ и увеличивается “ степень ветвистости “
направлений поисков . То есть прогресс достигается за счёт сокращения малоперспективных
попыток в направлении “ В.И.“.
Но
этот прогресс обеспечивается количественным путём – задачу решают “ оравой “,
что, с учётом подготовки к “ штурму “, требует несколько сотен человеко-дней .
И если задача решена в течении одного рабочего дня – это эквивалентно затратам
изобретателя-одиночки в течение 100 дней.
Поэтому
технические задачи этим методом решаются редко.
Лучшие
результаты получают при решении задач (менеджмента) организационных (реклама,
управление, планирование).А также, т.н. , “обратных изобретательских задач” на
новое применение оригинальной технической идеи , нового вещества или эффекта.
2.1 Следующий метод – синектика –
усовершенствованный Брейнсторминг
(предложен У. Гордоном в 1950 г.) .
Главное
его отличие : не случайная , а постоянная группа специалистов , участвующих в
штурме” которые владеют применением аналогий.
Число
аналогий постоянно , – их четыре :
прямая аналогия (основной источник – биологические объекты)
личная аналогия (эмпатия)
символическая аналогия (ассоциации)
фантастическая аналогия (идеализация).
Процесс
штурма” ведётся с целью выявления образного , в неявной форме
сформулированного противоречия , содержащегося в поставленной задаче.
Примеры
реализации этого метода , –
застёжка текстильная “велкро” , “репейник” или “липучка”;
‚
искусственные аналоги мышц для устройств автоматики и робототехники на основе
пневматического принципа действия и применения спиралеобразных коллагеновых
волокон , скручивающихся при химическом воздействии.
3 Методы “контрольных вопросов” (А.
Осборн , Т. Эйлоарт и др.) основаны на упорядовачивании перебора вариантов
изменения свойств , функций или структуры объектов с помощью списка групп вопросов.
Список
можно составить самому , или использовать готовые списки. И здесь возникает
противоречие : список должен быть длинным , чтобы не пропустить нужную
подсказку” для решения , но он должен быть коротким , чтобы быстрее решить
задачу.
Вопросы
, например , такие , –
какое новое
применение объекта можно предложить ?
можно ли
приспособить, упростить, сократить объект ?
что можно в объекте
увеличить , уменьшить , заменить , преобразовать , инвертировать ?
какие возможны
новые комбинации элементов ?
Дополнительно , для
расширения поиска , предлагается дать
фантастические , биологические и др. аналогии
применить другие материалы
узнать мнение дилетантов
не расставаться с проблемой
изучить историю вопроса
определить идеальное
решение
4 Метод морфологического анализа (Ф.Ц.
Викки 1944 г.) – относится к табличным или матричным способам представления информации.
Этот метод позволяет
охватить почти все предполагаемые или возможные задачи.
Под “морфологией”
понимается различная структура и различные внешние формы объекта.
Для реализации метода
объект (устройство) расчленяют по существенным признакам :
блокам (модулям ,
секциям , агрегатам) , узлам , элементам (деталям). Когда объектом является
процесс ,например , технологический – его делят на этапы (операции).
Затем для каждого признака
указывают возможные варианты его исполнения (чем больше – тем лучше). Каждое
решение ТЗ должно иметь по одному варианту для каждого признака.
1ч Систематизация возможных вариантов
(анализ) производится в виде морфологической таблицы.
2ч Выбор приемлемого решения ТЗ (синтез)
производится рассмотрением всех сочетаний решений. Поэтому выбор и оценка
решений очень трудоёмки.
Пример. Давайте
изобретём “вертолёт” – летательный аппарат тяжелее воздуха с вертикальным
взлётом и посадкой. Подъёмная сила и горизонтальная тяга создаются одним или
несколькими несущими винтами, приводимыми во вращение двигателем.
Существенные признаки
: Ограничимся этими
А
схема несущей системы ;
Б –
вид энергии ;
В –
средства управления ;
Г
посадочные устройства ;
Д –
назначение и т.п.
Варианты для признаков
А: 1– одновинтовая (классическая схема); 2–
двух-винтовая соосная; 3– продольная; 4– поперечная; 5– с перекрещивающимися
винтами; 6– много-винтовая.
Б: 1–
мускульная; 2– двигатель внутреннего сгорания (ДВС); 3– газотурбинный
двигатель (ГТД); 4– ПВРД; 5– электродвигатель (ЭД); 6– гравитационный; 7–
ядерный (атомный) .
В: 1–
автомат перекоса; 2– рулевой винт; 3– рулевые поверхности; 4–
механизация несущих поверхностей; 5– газоструйное управление и т.п.
Морфологическая таблица С П Варианты признаков А А1 ; А2 ; А3 ; А4 ; А5 ; А6 Б Б1 ; Б2 ; Б3 ; ... ; Б7 В В1 ; В2 ; В3 ; В4 ... ...
Всех решений будет . Например , решение
А2 – Б3 – В1 Þ
Ка–50
Если
рассмотреть все возможные решения (168) , то часть этих решений будет –
известна ;
новая ;
бессмысленная (нереализуемая) , например А2 - Б3 - В2
Следует отметить , что
морфологический анализ можно применять при анализе технического задания для выявления взаимосвязей ТТ к объекту.
Резюме : Приведённые
методы активизации творческой деятельности –
имеют экстенсивный (затратный) характер – очень трудоёмки;
основаны на психологической активации, действии интуиции,
использовании случайных ассоциаций, увеличении числа учавствующих в поиске
специалистов.
Эти методы распространены за рубежом.
5 В нашей стране (СССР) получила
применение алгоритмическая методика,
которая затем превратилась в АРИЗ
(79–85).
Автор этой методики Генрих Саулович Альтшуллер
изобретатель, специалист ТРИЗ (Г.С. Альтов – литературный псевдоним).
В разработке АРИЗ
применена диалектическая логика, он основан на законах развития технических
систем и представляет собой комплексную программу алгоритмического типа,
включающую последовательные операции для выявления и устранения технических
противоречий, средства управления психологическими факторами и информационный
фонд.
Направление решения
проблемы может включать прямую и обходные задачи (умный в гору не пойдёт).
Если при решении задач
не сталкиваются несовместимые требования , то они решаются известными
инженерными методами без существенных изменений объекта – прототипа.
В других случаях
возникает необходимость преобразования технической задачи в физическую путём
развёртывания внутриобъектных противоречий в процессе постановки задачи.
Структура АРИЗ
Пояснениякструктурнойсхеме:
особенностью II этапа является то , что с момента определения ОНО‑П осуществляется
формирование цели РЗ , которая развёртывается в последовательность ИКР 1...4 –
идеальных конечных результатов , соответствующих различным уровням
внутриобъектных противоречий.
ИКР
отражает особенность идеи решения : объект
(его часть или элемент) наделяются требуемым свойством и сам выполняет
требуемую функцию без усложнения конструкции.
Окончательное
ТР всегда является отступлением от ИКР и сопровождается изменениями
объекта-прототипа.
Изменяемый
фактор (ИФ) – характеристика объекта
, которая допускает количественные изменения , например , число элементов
конструкции , размеры элементов , режимы работы и т.п. Техническое противоречие ®
невозможно устранить ОН при ¯ ИФ.
Конфтликтующая
пара (КП)– элементы объекта ,
взаимодействие которых обуславливает основной недостаток. Одному из
элементов КП присваивается наименование “инструмент” , а другому “изделие”.
Функциональное
противоречие (ФП) проявляется в том
, что неудовлетворительное взаимодействие элементов КП не устраняется вариацией
изменяемого фактора.
Другими
словами : к функциям одного из элементов
КП предъявляются противоречивые требования , не совмещаемые известным способом.
Оперативная
зона (ОЗ) – зона проявления ФП , которой может оказаться “инструмент”,
изделие”, часть того или другого.
Характеристика
ОЗ включает пространство и время , в пределах которых происходит
неудовлетворительное взаимодействие элементов КП ; а также вещественные и
энергетические ресурсы , которые можно использовать для решения задачи.
Причина технического и функционального противоречий –
отсутствие требуемого сочетания физических свойств в ОЗ , которое не
достигается без существенных изменений объекта.
Таким образом , цель решения
задачи (ИКР–4) :совмещение противоречивых требований к физическим свойствам , и
задача преобразована в физическую , что позволяет облегчить поиск её решения.
Физические задачи решаются на
основе использования известных физических законов и явлений , которых
насчитывается десятки тысяч [ физика º фундамент инженерных
решений ].
Такова сущность АРИЗ.
5.1 Дальнейшим развитием АРИЗ является
программный продукт для ПЭВМ
Изобретающая машина” , полное имя которого : “Семейство интеллектуальных систем поддержки решения изобретательских задач”.
Он
может применяться практически в любой области техники. Язык программирования :
LPA – Prolog Professional (Gbr). ЭВМ : IBMPC/XT/AT с графической платой
EGA или VGA.
.
Лекция 25. Основы
конструирования
Тезисы к вопросу “ Конструкторский бизнес “.
... благородный бизнес , тот бизнес , который лежит в
основании любой по-настоящему цивилизованной экономики.
Бизнес – делание денег из денег , но обязательно посредством полезной производительной деятельности –
изготовления продукта или оказания услуги.
Формула бизнеса проста : Д – Д’
(Д’>Д)
бизнесмен вкладывает в дело деньги Д и по завершении дела , или некоторого
делового цикла , получает обратно Д’
: деньги с приростом , т.е. с прибылью.
Формула проста , но процесс сложен , ведь за чёрточкой
стоящей между двумя Д , скрывается очень многое , сложнейший жизненный процесс
, иногда включающий в себя работу сотен , тысяч и десятков тысяч людей.
Бизнес – это сначала организация производства ,
экономической деятельности , самой жизни , а потом уже – собственно делание денег.
По-русски бизнес есть предпринимательство, а бизнесмен –
предприниматель. Русские эквиваленты придают словам дополнительный смысл : за
словами “ предпринимательство ” и “ предприниматель ” стоит предприятие , т.е.
, сложное , значительное дело.
Бизнес , таким образом , ничто иное , как организация предприятия – ... бизнес – организация производительной деятельности
, производства продукта (полезной вещи) или услуги (невещественного продукта).
Чтобы стать предпринимателем , недостаточно владеть некоторой
суммой денег или набором средств производства : или надо правильно
распорядиться , чтобы они могли принести новые деньги , прибыль.
Предпринимателем может быть только умеющий.
А умеющий – прежде всего знающий : знающий своё дело , умеющий его делать.
Любой предприниматель должен рассчитывать прежде всего на
себя , уметь принимать самостоятельные
решения , быть творцом , а для этого – быть не только знающим , умеющим , но и думающим.
Нет и не может быть рецептов для предпринимателя на все случаи
жизни.
Предпринимательству надо учиться , и не только на первых
порах , но и всегда , постоянно :
постигать предпринимательское искусство , то самое , сделало Эдисона –
Эдисоном , Форда – Фордом , Нобиля – Нобилем , Сикорского – Сикорским ...
В заключение : всякая инженерная деятельность
является творческой деятельностью.
В ней используется совокупность логических , информационных
и других рекомендаций по практическому применению методов активизации
творчества.
Для нетворческой деятельности характерно использование
готовой задачи, готового решения , конструкции и её применения.
Работа конструктора (конструкторского коллектива) его умение применять свои знания и
творческие способности в значительной
степени определяют технический уровень и качество разрабатываемого объекта.
Для решения всех вопросов разработки новой техники ,
недостаточно знания основ конструирования , уровня развития техники и мировых
достижений в какой-то конкретной области.
Требуется
нестандартный , нешаблонный подход к решению любой технической задачи.
Как все знания и методы работы приобретаются в процессе
учёбы или практической деятельности , так и нешаблонность мышления
приобретается этим же путём , но при наличии стремления все вопросы решать
по-новому.
Информационная выразительность формы сущность значимость в экспертизе эстетических свойств. Конструирование средняя группа перспективное планирование развивающей среды средняя группа. Основные принципы инженерного и художественного конструирования промышленных изделий. Факторы влияющие на выбор элементов качества поверхности при конструировании детали. Расчет стереотипности и логической сложности алгоритма деятельности оператора ЭВМ. Перечислите основные требования к ремонтопригодности сельскохозяйственной техники. Примерная программа дисциплины по выбору Технические основы конструирования. Практическая работа Решение творческих задач с элементами конструирования. Какова связь между сложностью конструкции автомобиля и его надежностью. Культура и естественно научные основы конструирования нового человека. Анализ детских работ в процессе конструирования Москва Россия Москве. Конструирование приборов и установок Основные стадии конструирования. Конструирование характерных деталей и основные положения их расчета. Конструирование образовательного процесса учет принципа оптимизации. Автотранспортные средства курсовая Расчёт коробки передач Варламов.
|
|
|
