Файл: КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРИБОРОВ И АППАРАТОВ Учебник В трех частях Часть 2. Инженерное творчество (Оленев).pdf

4.2. Функциональное проектирование

Функциональное проектирование как ветвь проектирования в целом имеет достаточно сложную блочно-иерархическую структуру. Она может быть представлена в виде нескольких уровней и ветвей (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Блочно-иерархическая структура функциональной ветви

Выделяют следующие уровни функционального проектирования: информационно-логический, системотехнический, схемотехнический и элементный. Высший уровень функционального проектирования – инфор- мационно-логический. На этом уровне изделие рассматривается и проектируется как совокупность функциональных узлов (ФУ), между которыми происходит обмен информацией в виде различного рода данных и команд. На информационно-логическом уровне проектирования не только определяется структура и устанавливаются связи функциональных устройств, но и формируются требования к ним, а также к сигналам и командам, выраба-

10

тываемым тем или иным устройством, исходя из требований технического задания на изделие в целом.

Следует заметить, что на данном уровне может быть представлен любой объект проектирования, например механический, который, казалось бы, не имеет прямого отношения к информации. Приведем пример представления на информационно-логическом уровне обыкновенного механического замка для двери, схема которого показана на рис. 4.3.

Пример 4.1. Замок содержит ключ 1, имеющий нажимные 2 и фиксирующие 3 выступы, статор 4 с ротором 5, в котором выполнены фигурный паз для направляющих 6 ключа и радиальные отверстия под нажимные штифты 7, контактирующие с запорными штифтами 8, установленными в радиальных отверстиях статора и поджатых пружиной 9.

Рис. 4.2.Схема механизма замка для двери

Механизм замка снабжен кулачком 10, имеющим паз 11 для ключа. Кулачок 10 имеет возможность взаимодействия с ригелем замка.

Работает замок следующим образом.

Для открывания замка вставляют ключ 1 в фигурный паз сердечника 5. При этом нажимные выступы 2 ключа взаимодействуют с нажимными штифтами 7 ротора, заставляя их перемещаться вдоль радиальных отверстий ротора и занимать такое положение, при котором торцевая поверхность штифта оказывается на одном уровне с наружной поверхностью ротора 5. Вследствие этого запорные штифты 8 утапливаются в отверстиях статора 4 заподлицо с поверхностью. Поскольку ротор 5 разблокируется

11

при этом, то поворотом ключа 1 через паз 11 перемещают кулачок 10 вместе с ригелем замка и открывают последний.

Закрывают замок путем поворота ключа в обратном направлении. После того как ключ займет свое первоначальное исходное положение, он может быть вынут из ротора 5, при этом нажимные штифты 7 под действием запорных штифтов 8 и пружин 9 утопают в отверстиях ротора, а запорные штифты 8 частично входят в указанные отверстия ротора, тем самым надежно фиксируя его в этом положении. Заметим, что если ключ будет вынут в каком-либо другом положении, отличном от первоначального, то фиксации ротора не произойдет, поскольку запорные штифты 8 не смогут попасть в отверстия ротора, а следовательно, замок можно будет открыть любым предметом, входящим в фигурный паз ротора, например отверткой. Для исключения возможности вынимания ключа в произвольном положении ротора в ключе выполняются фиксирующие выступы 3, которые цепляясь за нажимные штифты 7, препятствуют выходу ключа из фигурного паза ротора во всех положениях, кроме исходного, так как только в последнем случае нажимные штифты 7 имеют возможность без ограничения перемещаться в радиальных отверстиях ротора. Иногда в ключе роль нажимных выступов выполняют впадины, а выступы как бы автоматически при этом становятся только фиксирующими.

На рис. 4.4 изображена схема этого замка, выполненная на информационно логическом уровне.

Рис. 4.3. Схема механического замка на информационно-логическом уровне

В указанной схеме информация передается следующим образом. Информация из хранителя кода ключа поступает в устройство приема кода. Устройство считывания кода принимает информацию о коде и передает ее в устройство сравнения, которое сравнивает поступившую информацию с кодом, находящимся в хранителе кода замка. Если сравниваемые коды совпадают, то устройство сравнения выдает сигнал на устройство блокировки, которое проводит разблокирование элемента управления. Элемент управления воздействует на исполнительный механизм замка и открывает его.

Очевидно, что в механическом замке, представленном на рис. 4.3 зубья 2 являются кодом ключа, который, в свою очередь, выполняет функции хранителя кода и элемента управления одновременно. Паз 11 обеспечивает прием кода ключа, нажимные штифты 7 выполняют функцию устройства считывания кода, а статор 4 и ротор 5 – устройства сравнения. Код замка определяется сочетанием и длиной нажимных штифтов 7, а для хранения этого кода предназначены радиальные отверстия ротора 5. Устройство блокировки выполнено на запорных штифтах 8, установленных в радиальных отверстиях статора и поджатых пружиной 9. В качестве исполнительного устройства замка выступает ригель (засов), который взаимодействует с кулачком 10.

12

На системотехническом уровне функционального проектирования производится собственно проектирование отдельных функциональных устройств, состоящих из функциональных узлов (ФУЗ). При этом процесс разбивается на ветви, каждая из которых соответствует определенному устройству. Последнее рассматривается как структура, состоящая из взаимосвязанных функциональных блоков (ФБ). Для каждого функционального узла определяется оптимальный состав блоков и их параметры.

Как правило, на системотехническом уровне рассматривается преобразование сигналов отдельными блоками устройств безотносительно к их внутреннему устройству, при этом определяются требования к их передаточным и прочим характеристикам.

Заметим, что здесь также характеристики предъявляются к блокам любой природы, а не только электронным. Так, например, в предыдущей главе в устройстве для кормления птицы к выходной характеристике механизма перемещения бункера с кормом мы предъявляли требование линейности. Этот механизм состоит, по существу, из двух блоков: подъемного (пружина с корпусом) и времязадающего (сосуд с жидкостью и жиклер), к которым мы также можем задать соответствующие требования, хотя эти блоки не являются электронными.

Несмотря на то, что требования задаются безотносительно к внутреннему устройству блоков и узлов, необходимо все же соизмерять эти требования с реальными возможностями. В противном случае требование может быть завышенным по своим параметрам и не будет выполнено на последующем уровне, что приведет к возврату на предыдущий (более высокий уровень) с последующими коррективами. Нельзя, например, от нашего устройства требовать выдачу корма с точностью ± 1 мин. Для выполнения такого требования нужны принципиально другие узлы и блоки. При выдвижении требований следует руководствоваться необходимыми и достаточными условиями, при которых функционирование того или иного блока обеспечит качественную и приемлемую работу всего устройства в целом. Так, в нашем случае выдача корма с точностью ± 1 ч является вполне приемлемой. Здесь надо исходить из того, что кормить кур нужно 3 – 4 раза в сутки. Учитывая, что они активны в течение 12 – 14 ч, и спроектировав наше устройство на интервал выдачи корма равный (5 ± 1) ч, получим следующее. Если устройство будет работать так, что указанный ин-

13

тервал будет минимальным (4 ч), за день куры получат корм 4 раза. Если же интервал выдачи корма будет максимальным (6 ч), то куры будут есть три раза в день. В том и другом случае птица будет нормально накормлена. При этом и указанный в решении изобретательской задачи механизм вполне справится с таким требованием по точности.

Проектирование на указанных уровнях проводится на основе сделанных изобретений (если таковые имеются), которые постепенно из технического решения, выполненного в общем виде, начинают превращаться в конкретное изделие новой техники.

На схемотехническом уровне производится проектирование отдельных блоков, входящих в состав функциональных устройств. При этом каждому блоку соответствует своя ветвь. Принципиально важно, что, начиная с этого уровня, ветви имеют различную специализацию.

Схемотехнический уровень функционального проектирования требует, как правило, наибольшего объема работы. Именно на этом уровне определяются основные параметры различных схем изделия, обеспечивающие в конечном счете его правильную работу и соответствие техническому заданию.

На электронной ветви схемотехнического уровня производится проектирование электронных схем блоков, преобразующих сигналы.

На механической ветви – аналогичные действия по проектированию кинематической схемы изделия.

Для определения основных параметров изделия необходимо уметь представлять элементы и узлы проектируемого изделия в виде расчетных схем, позволяющих вычислить необходимые параметры для выполнения чертежей изделия и в конечном счете для его построения. Так, например, возвращаясь к нашему устройству для кормления кур, необходимо, прежде всего, определить размер сосуда с жидкостью. Покажем, как это следует делать.

Пример 4.2. Устройство для дозированного кормления кур (рис. 3.10, 3.11) должно работать автономно (с остановками в вечернее и ночное время) в течение 3 суток и выдавать корм 3 – 4 раза в сутки 10 курам, из расчета 200 г в сутки на одну куру. Требуется найти объем сосуда с жидкостью.

Если учесть, что активный образ жизни у кур продолжается в течение 12 – 14 ч в сутки, то сосуд должен опорожниться приблизительно за время tо = 50 ч.

14

Подставляя в формулу (3.12) значение μ = 0,62 (для нашего жиклера), задаваясь площадями поперечных сечений сосуда и жиклера соответственно равными 1 дм2 и 1 мм2, а также высотой h уровня жидкости в чаше равной 10 мм, получим:

За время tV из чаши вытекает объем жидкости равный

V = Ah = 1 0,1 = 0,1 дм3 ,

тогда за 50 ч. из сосуда должно вытечь жидкости

V

Нахождение объема сосуда не означает окончание проектирования на схемотехническом уровне и является, по существу, его одним пройденным этапом.

На следующем этапе необходимо определить размеры бункера и секций, из которых он состоит. Для этого сначала зададимся величиной перемещения бункера за час, учитывая, этот промежуток времени у нас равен допуску на интервал времени между кормлениями кур.

Очевидно, что линейное перемещение бункера за час должно быть таким, чтобы устройство для кормления кур гарантированно могло выполнить перемещение на эту величину. Если мы зададимся очень малым перемещением, например на 1 мм, то за счет разброса допусков различных деталей бункера, непостоянства коэффициента трения и т.п., а также вследствие нелинейности характеристики пружины точно отработать такое перемещение будет невозможно. Погрешность в отработке этого перемещения приведет к большому разбросу временных промежутков между кормлениями, а поэтому говорить тогда о выполнении (соблюдении) заданной точности нельзя.

Не следует брать и очень большое перемещение бункера за час, например на 100 мм. Поскольку вся жидкость из сосуда выливается за 50 ч, то за час выльется 1000 г, при этом на каждый миллиметр перемещения приходится 10 г. Перемещать бункер на миллиметр при изменении массы воды на 10 г устройство не сможет, оно просто не «почувствует» эти граммы. Представим себе безмен (простейшие пружинные весы), на который мы подвесим наш 50-литровый сосуд, а затем отчерпнем из сосуда 10 г жидкости (две чайные ложки). Естественно, что указатель безмена не только не переместится при этом на 1 мм, но даже не шелохнется, т.е. попросту у него не хватит чувствительности. Если бы безмен зарегистрировал такое мизерное изменение массы, то получилось бы, что он, как и весы, имел бы относительную погрешность измерения 0,02 %, что в принципе невозможно.

Поэтому, учитывая, что в используемых в качестве весов пружинных безменах изменение измеряемой массы на 100 г вызывает перемещение указателя на 1 мм, примем перемещение бункера 10 мм за один час. При этом каждым выливающимся из сосуда 100 г жидкости должно соответствовать перемещение бункера, равное 1 мм. Величина 10 мм является также вполне достаточной для компенсации разброса технологических допусков. Так, например, если расстояния между шторками, закрывающими секции с кормом, не будут вследствие технологического разброса отличаться более чем на 0,85 мм, то интервал между кормлениями в этом случае не превысит 5 мин. Следует заметить, что по усмотрению разработчика данного устройства точность может быть выбрана и другой, тогда соответственно должна быть назначено (рассчитано)

15

иное перемещение бункера. Теперь получается, высота hш шторки, закрывающей секцию бункера, должна быть равной

10

hш = tиvб = 5 1 = 50 мм,

где tи – время между кормлениями, ч; vб – скорость перемещения бункера, мм/ч.

Поскольку на одну куру приходится 50 г зерна на одно кормление, то в секцию следует засыпать 500 г корма ≈ 1 л. Принимая размеры основания корпуса 250 × 250 мм, убеждаемся, что объем секции бункера превосходит указанную величину, т.е. достаточен для корма. В оставшийся объем можно класть листья зелени, скорлупу и другие необходимые добавки. Рассчитываем высоту бункера (шторок, закрывающих 12 секций): 50 · 12 = 600 мм. Она будет равна полному ходу бункера по направляющим. Исходя из площади основания, находим высоту сосуда (800 мм).

Подсчитав приблизительно общий вес бункера и пустого сосуда, приступаем к расчету пружины устройства. После этого выполняем кинематическую схему устройства для кормления кур, используя для ее построения полученные расчетные данные (рис. 4.4). Данная схема станет основой при выполнении чертежей устройства в процессе конструкторского проектирования, с ее учетом будут назначаться размеры направляющих, по которым скользит бункер, расстояние между этими направляющими, геометрические размеры бункера и сосуда для жидкости и т.д.

На элементном функциональном уровне проектирования проектировщик имеет дело с внутренним устройством тех функциональных элементов (ФЭ), которые реализуют схемы, рассмотренные на схемотехническом уровне. Как показывает практика, в большинстве случаев на этом уровне проектировать новые элементы не требуется. Работа сводится к их подбору из имеющихся стандартных элементов (резисторов, транзисторов, микросхем и т.д.). Проектирование новых элементов, отличаю-

щихся от стандартных, производится редко.

16

Рассмотренные уровни функционального проектирования являются типичными для изделий средней сложности. Иногда некоторые уровни, например информационно-логический и системотехнический, могут исключаться. Часто практически отсутствует элементный уровень проектирования. В настоящее время наибольший объем работы при проектировании изделий приходится на системотехнический и схемотехнический уровни.

4.3. Конструкторское проектирование

Конструкторское проектирование, или просто конструирование, проводится обычно параллельно функциональному, иногда с некоторым отставанием от него, поскольку, как мы убедились, для конструкторского проектирования нужны информационные и расчетные данные, которые должны быть заложены в конструкцию. Именно на этой ветви схема изделия приобретает материальную (правда, пока только в документации) реализацию. При конструировании определяется материал, форма, размеры отдельных деталей, сборочных единиц и всего изделия в целом.

Важность этой ветви проектирования трудно переоценить. Проектировщика, на этом этапе работы, обычно называют конструктором. Иногда термин «конструирование» переносится и на функциональное проектирование, а конструктором называют любого проектировщика. Однако следует различать эти две ветви проектирования, тем более что в большинстве проектных организаций они выполняются разными людьми и даже разными подразделениями.

Естественно, что процесс конструирования может быть итерационным, с возвратом на функциональное проектирование для изменения или корректировки первоначального решения.

Различие между функциональным проектированием и конструированием может быть наглядно выражено фразой: проектирование объясня-

ет, как устроено изделие, а конструирование – как изделие построено.

Другими словами, проектирование отвечает на вопрос, в чем состоят принципы работы изделия, а конструирование – на вопросы, из каких частей оно состоит, из каких материалов сделаны детали, как они скреплены между собой и размещены в пространстве.

17