Миндлин Я. З.
ЛОГИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ
*** 1969 ***
| ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Конструирование и практика проектноконструкторских работ
3.1. Типовые задачи конструирования технических устройств В гл. I были рассмотрены условия и ограничения, определившие как область применения данной методики, так и логику конструирования. Там же наметились основные особенности тех устройств, для конструирования которых предлагаемые рекомендации применимы в наибольшей степени. Рассмотренный гиростабилизатор с астрокоррекцией послужил наглядным примером устройства, отвечающего разбиению поэтапной схемы на восемь последовательных этапов. Выбранная степень подробности разбиения имела целью раскрыть логику процесса конструирования с достаточной полнотой. Для рассмотрения вопроса о возможности использования разработанной методики в конструкторской практике обратимся вновь к основным компонентам, отображающим работу конструктора на начальных этапах логической схемы. Эти компоненты следующие: 1) изучение принципиальной схемы задания; 2) изучение исходных технических требований задания; 3) анализ взаимосвязей устройства с окружением; 4) изучение технологических и экономических возможностей конструктивной реализации принципиальной схемы и технических требований. Результаты этой работы проясняют конструктору направление дальнейшего конструирования. В зависимости от особенностей принципиальной схемы, содержания и степени проработки исходных технических требований, характера взаимосвязей и производственных возможностей ход последующего конструирования может быть самым различным. Представляет интерес рассмотреть некоторые распространенные случаи конструирования. Случай первый. Устройство имеет следующие особенности: 1) принципиальная схема устройства весьма сложна (например с точки зрения прикладной механики); 2) исходные технические требования задания определены достаточно четко; 3) связи устройства с окружением просты и немногочисленны; 4) конструкция рассчитана на освоенную технологию. Такое содержание исходных компонентов характерно для задач конструирования многодетальных устройств, имеющих сложную кинематическую схему и в значительной степени изолированных от внешних воздействий. Примером может служить станок-автомат, установленный в закрытом помещении и работающий без участия оператора. Основным содержанием работы конструктора в данном случае становится обеспечение правильности перехода от идеализированных элементов принципиальной схемы к узлам и деталям конструкции. Случай второй. Устройство отличается многочисленностью и сложным характером взаимосвязей с человеком, с неизученной полностью окружающей средой, с окружающими устройствами. Исходные технические требования задания не отражают всех существенных для конструктора взаимосвязей. Примером такого «открытого», т. е. особенно тесно связанного с окружением устройства может служить люк или шлюз космического корабля, предназначенный для выхода космонавта наружу. Наиболее ответственным и трудоемким этапом, определяющим успех конструирования «открытого» устройства, является анализ его взаимодействий с окружением. Полнота информации об окружении, в частности о месте установки, является необходимым условием выполнения высоких требований по надежности. Случай третий. Устройство имеет следующие особенности: 1) принципиальная схема устройства сравнительно несложна и достаточно апробирована на аналогичных или предшествующих конструкциях; 2) взаимосвязи с оператором (или потребителем весьма важны и тщательно упитываются при конструировании. Взаимосвязи с окружающей средой менее сложны, но тоже существенны; 3) конструируемое устройство является опытным образцом, но должна быть предусмотрена возможность последующей отработки чертежей для серийного, а иногда и массового производства; 4) исходные технические требования задания определены достаточно четко, но тонкостей взаимодействия с потребителем не отражают; 5) удельный вес экономических требований весьма ощутим. Фотоаппарат, магнитофон, пылесос — вот примеры устройств, ход конструирования которых в значительной степени определяется приведенной комбинацией начальных условий. Необходимой предпосылкой в данном случае является создание достаточно четкой технологической схемы на первых же этапах конструирования. Без этого возможность последующей отработки чертежей для серии будет затруднена. В рассматриваемом случае конструктор должен уделить достаточно внимания эргономическим требованиям (удобство в эксплуатации, безопасность и т. п.), должен уметь придать готовому изделию форму, отвечающую требованиям эстетики. Остается добавить, что внимательное рассмотрение обычных предметов домашнего обихода и простых орудий труда может представить много поучительного для конструирования рассматриваемого класса устройств. Обыденные вещи отмечены печатью длительной работы поколений в отношении тонкости «подгонки» к особенностям человека и продуманности схемы использования. Воспроизведение этих качеств общеизвестных обиходных вещей в новых сложных многодетальных устройствах является задачей трудной и увлекательной. Поскольку общее направление конструирования выясняется на первом этапе, конструктор имеет возможность своевременно оценить пригодность рассмотренной выше поэтапной схемы для стоящей перед ним конкретной задачи, и при необходимости внести в нее дополнения и изменения. Рассмотрим некоторые типичные случаи трансформации поэтапной схемы в практических задачах конструирования. 1. При изложении методики рекомендовалось проводить анализ взаимосвязей устройства с окружением до этапа эскизной компоновки. Подчеркивалось, что на этапе анализа взаимосвязей нельзя относить эти связи к какому-либо конструктивному варианту устройства, поскольку представление о компоновке устройства, близкое к окончательному ее варианту, появляется у конструктора позже. Упоминалось далее о необходимости уточнения взаимосвязей устройства с окружением на основе уже созданного компоновочного решения. Но если картина взаимосвязей устройства с окружением несложна, если к тому же просты варианты компоновки, то становится возможным рассматривать взаимосвязи, сразу же относя их к реальной компоновке. 2. Изложение методики велось применительно к многодетальным устройствам. Предполагалось при этом, что по ряду причин конструктор может ограничиться вначале лишь общими представлениями о технологических особенностях устройства, а конкретными технологическими вопросами заниматься на последующих этапах. Но в целом ряде случаев принципиальное решение компоновки может быть целиком построено на оригинальной технологической основе, с самого же начала осознанной во всей ее реальности. Если сугубо технологическая направленность задачи сочетается с малодетальностью устройства, то глубокая разработка конкретных технологических вопросов может выйти на первый план. Весь ход конструирования может измениться, а рекомендации методики станут неприемлемыми. 3. Случай, когда в техническом задании заранее оговариваются максимально допустимые величины веса и габаритов, а конструктор не стремится к их минимизации, является одним из самых распространенных на практике. Но такой ход работы отличается от изложенного в методике. Иными словами, если конструктор при компоновке сумеет уложиться в габаритные и весовые требования задания, введенный в схему, этап сближения частей устройства может оказаться для данной задачи излишним. 4. Если принципиальная схема устройства с самого начала характеризуется высокой степенью интеграции частей, то из разработанной применительно к нему поэтапной схемы могут выпасть следующие стадии: а) деление конструктивной схемы на основные части; б) рассмотрение «семейств» конструктивных вариантов частей; в) отбор наиболее приемлемых вариантов и перебор их сочетаний в процессе компоновки всего устройства. Поскольку перечисленные стадии играют роль логической подготовки к нахождению компоновочного решения, то предусмотренная методикой логическая цепь из-за выпадения этих стадий может оказаться разорванной. Логический «механизм» компоновки моделировался в методике на основе перебора сочетаний конструктивных вариантов частей. Конструктор может воспользоваться только этим механизмом для решения конкретной задачи компоновки; никаких других рекомендаций он из предлагаемой методики не почерпнет. Попытка механического использования методики и в этом случае приведет к неудаче. 5. В зависимости от сложности и многодетальности устройства седьмой и восьмой этапы поэтапной схемы могут существенно меняться. В случае простых устройств с небольшим числом деталей компоновка может вестись прямо на листе общего вида. В случае весьма сложных устройств общий сборочный вид преобразуется в комплект сборочных и подсборочных чертежей, процесс вычерчивания которых может сильно отличаться от изложенного в методике. 6. При проектировании сложных проблемных устройств, в частности при разработке принципиальной схемы, может возникнуть необходимость в попутной конструктивной проработке различных схемных вариантов. Результаты такой проработки облегчают выбор окончательного варианта принципиальной схемы. Распространим понятие о шаговом процессе с возвратом на разработку достаточно сложной принципиальной схемы устройства. Тогда корректировка схемы с позиций возможности ее конструктивной реализации явится вполне закономерным заключительным шагом этой разработки. При компоновке различных схемных вариантов выявляется сравнительная цена их конструктивной реализации. Эта цена играет роль одного из критериев для выбора окончательного варианта принципиальной схемы. Компоновка на ранних стадиях проектирования требует от конструктора уменья вести предварительную проработку с учетом неполноты исходных технических данных. В частности, ему приходится абстрагироваться от ряда еще не выявленных связей с окружением. Как эта, так и другие особенности позволяют рассматривать конструирование, сопровождающее разработку принципиальной схемы, в качестве особого этапа, не охватываемого методикой. 7. Если конструкция одного из узлов сложного устройства, например отдельного механизма или нескольких кинематических звеньев, носит в отличие от остальных частей проблемный характер, то это может изменить последовательность этапов схемы и весь ход процесса конструирования. Очевидно, что подробная проработка конструкции такого «критического» узла устройства составит содержание первого этапа. Итак, всякая попытка механического использования поэтапной схемы для конкретных случаев конструирования затрудняется не только выпадением отдельных этапов, но и более существенными изменениями. Очевидно, что поэтапная схема не может служить начинающему конструктору универсальным планом решения конкретных конструкторских задач. Установление логической последовательности этапов при конструировании может быть произведено только исходя из конкретных условий. То же относится и к содержанию каждого этапа. Поэтапная схема имеет смысл лишь в качестве очень обобщенной модели логики процесса конструирования. Базирующуюся на этой модели методику нельзя рассматривать как пособие для конструирования (в обычном значении этого слова). Скорее она может быть определена как совокупность систематизированных приемов, позволяющих произвести первую грубую ориентацию, наметить примерное направление конструирования, а в дальнейшем руководствоваться отдельными рекомендациями, относящимися к отдельным этапам работы. Не следует забывать о вероятностном характере рекомендаций методики, применимых не во всех случаях, не полностью, и потому требующих осмотрительности при использовании. Приемы и рекомендации методики преподнесены в Логически связанном виде. Но использоваться они могут вразбивку, в произвольном порядке, по отдельности — одним словом в самой разной степени и в самых различных комбинациях. 3.2. Логика проектирования сложной системы Рассмотрим примерную схему проектирования сложной системы А, состоящей из множества подсистем различных порядков вхождения (рис. 3.1). Рассмотрение начнем с некоторого промежуточного момента, близкого к началу проектирования. Будем считать, что к этому времени на основе знания поставленной перед системой конечной цели проведена предварительная работа по формулировке конкретных задач, по определению входов, выходов системы и взаимосвязей ее с окружением. Предположим также, что с этого времени представление о системе сформировалось в степени, достаточной для разбиения ее на подсистемы Бь Б2, Б3 первого порядка вхождения с выявлением основных связей между подсистемами (и прочих связей). На схеме подсистемы Бь Б2, Б3 изображены как входящими в систему А, так и в отдельности в виде частей кольца; связи между ними обозначены разнонаправленными стрелками. В течение определенного времени, которое может варьироваться в весьма широких пределах, работа по созданию системы ведется только на первом уровне проектирования без передачи ее результатов проектировщикам следующего уровня. Особенности, касающиеся содержания данной и последующих стадий системного проектирования, нас здесь интересовать не будут. Отметим только, что число проектировщиков первого уровня обычно невелико, так как все они должны работать в непосредственном контакте друг с другом, совместно добиваясь тех первых результатов, которые позволяют положить начало разделению работы между множеством участников. Предварительная проработка каждой из подсистем Бь Б2, Б3 на первом уровне проектирования дает возможность сформулировать техническое задание (технические требования, исходные данные и т. п.) для более подробного проектирования каждой подсистемы. Акт выдачи технического задания (ТЗ), с одной стороны, кладет начало подключению проектировщиков последующих уровней к решению поставленной задачи; с другой стороны, он ставит проектировщиков предыдущих уровней в такую зависимость от проектировщиков последующих уровней, какой не приходится испытывать конструктору, самостоятельно проходящему все этапы конструирования и корректирующего результаты предыдущих этапов с позиций последующих. Проектировщик — участник работ по созданию сложной системы — нуждается в непрерывной и своевременной информации со стороны других участников и сам, в свою очередь, является для них поставщиком такой информации. В частности проектировщики первого уровня после выдачи ими ТЗ должны получить уверенность в технической и организационной возможности реализации подсистем. Затем они должны составить себе представление о цене реализации подсистем. Затем произвести первое (в ряду последующих) сопоставление реально формирующихся подсистем с первоначальными решениями и с поставленными перед системой А задачами. После достижения необходимого соответствия той или иной корректировкой, проектировщики первого уровня должны информировать участников работ о всех проведенных ими изменениях. Проектировщики второго уровня (т. е. те, кто проектирует подсистемы Бь Б2, Б3 по ТЗ с первого уровня) в свою очередь могут выдавать всю нужную информацию о своих подсистемах на первый уровень лишь при условии получения информации с третьего и последующих уровней. На схеме подсистемы Вь В2, В3 второго порядка вхождения изображены входящими только в подсистему B (см. стрелки 2). Эти стрелки показывают также акт выдачи ТЗ на подсистемы Вь В2, В3. Стрелка 3 на схеме иллюстрирует возможность существенных связей не только между смежными системами (например, системами Вь В2, В3), но и между любыми подсистемами одного и того же порядка вхождения. Своевременное выявление вновь возникающих связей между формирующимися подсистемами как родственных, так и далеких ветвей «системного дерева» — одна из важнейших задач, стоящих перед руководителями сложных проектов. Запоздание с выявлением этих связей ведет к существенным переделкам и увеличивает время Т создания системы. Перераспределение параметров технических требований в рамках деятельности одного конструктора (см. рис. 1.1) для случая проектирования сложной системы является совместным делом множества участников. Каждый проектировщик многократно получает от других все уточняющиеся результаты их работ и сам передает другим уточняющиеся результаты своих расчетов, схем, компоновок и прочих проектных материалов. Оптимизация процесса корректировки исходных параметров, осуществляемого многими проектировщиками на нескольких уровнях проектирования, является серьезной проблемой организации работ по созданию сложной системы. Несогласованность этого процесса неизбежно ведет к неоправданным переделкам, снижению надежности системы, удлинению периода Т. Становится очевидным важность учета и понимания отдельными участниками логики проектирования системы в целом. |
