Человек должен верить, что непонятное можно понять; иначе он не стал бы размышлять о нем

Человек должен верить, что непонятное можно понять; иначе он не стал бы размышлять о нем

В. Гете

Предисловие

В книге с названием " Проектирование деревообрабатывающего оборудования" изложено содержание одноименной учебной дисциплины, изучаемой студентами технологами специальности 250403 на завершающем этапе обучения в вузе. Книга написана как учебное пособие.

Для изучения дисциплины " Проектирование деревообрабатывающего оборудования" в настоящее время используется учебник Н.В. Маковского " Проектирование деревообрабатывающих машин" 1982 г. издания и учебник А.Э. Грубе, В.И. Санева " Основы теории и расчета деревообрабатывающих станков, машин и автоматических линий" 1973 г. издания. Эти книги уже физически и морально устарели.

Предлагаемое учебное пособие написано с учетом достижений науки и практики. Порядок изложения материала в книге принят согласно установившейся практике чтения учебной дисциплины. Формулировки, подлежащие запоминанию, выделены в тексте жирным шрифтом. Для повторения пройденного материала в книге предложены контрольные вопросы, а для развития умений и навыков – примеры решения задач. Термины и обозначения, использованные в книге, унифицированы, единицы измерения физических величин, приведены в соответствие с действующими стандартами.

Введение

Потребности современных людей требуют производства большого количества разнообразных и высокоэффективных машин, создание которых становится возможным при комплексном использовании гуманитарных и технических наук. Программа подготовки инженеров механиков включает изучение научных дисциплин, сгруппированных в четыре блока: гуманитарных и социально-экономических дисциплин, математических и естественнонаучных, общепрофессиональных, специальных дисциплин. Три четверти объема часов теоретического обучения отводится на фундаментальное и гуманитарное образование, на формирование общего мировозрения и развитие мышления.

На базе указанных дисциплин формируется учебная дисциплина " Проектирование деревообрабатывающего оборудования".

Предмет и методы науки о проектировании деревообрабатывающего оборудования. Проектирование оборудования – это обобщающее понятие процесса создания объектов техники. В узком смысле, проектирование – это только начальная стадия рождения объекта техники, которая завершается стадией конструирования.

В общем виде проектирование сводится к выявлению вариантов разрабатываемого объекта, после чего определяется оптимальный вариант, который и становится основой при конструировании.

Целью науки «Проектирование деревообрабатывающего оборудования» является непрерывное совершенствование эксплуатационных показателей оборудования.

При написании книги учитывалось, что многие расчетные методы изложены в учебниках по сопротивлению материалов. деталей машин и др. В связи с этим методы расчетов за исключением наиболее важных в книге изложены поверхностно. Изучение данного учебного пособия позволит читателю составить общее представление о том, как проектируются новые машины.

Глава 1. Методология проектирования

Техническая система

Генезис теории проектирования

В теории создания технических объектов к 1970 г. в мировой практике сложилось два подхода: отечественный, названный комплексным подходом, и американский, названный системным подходом [1].

Комплексный подход базируется на диалектическом материализме и требует объективного, конкретного и всестороннего (комплексного) исследования объекта. Объект представляется в виде единого целого, состоящего из взаимосвязанных частей, объединенных в нем для выполнения общей целевой функции. Качественные и количественные параметры объекта оцениваются комплексно.

Системный подход рассматривает объект исследования как систему, а процесс исследования – системным. Понятие системы отражает закон материалистической диалектики о взаимосвязи и взаимообусловленности, целостности и организованности мира. Это значит, что при исследовании объекта невозможно понять целое, суммируя знания о его частях, и нельзя понять часть, не опираясь на знания о целом.

Понятие системного исследования опирается на принцип диалектики об объективном, всестороннем и конкретном исследовании, когда сочетается анализ и синтез.

Системный подход раскрывает суть основного закона диалектики и предписывает рассматривать исследуемые объекты как системы, состоящие из взаимосвязанных частей.

Таким образом, системный подход, как и комплексный подход, опирается на основной закон диалектики и позволяет глубже понять общеметодологический смысл его требований к практической деятельности. Оба подхода в отечественной практике считаются эквивалентными. Нередко отмечается, что при принятии ответственных решений принимается комплексный, системный подход. Однако оба подхода не отражают всю совокупность принципов диалектики. Их нельзя рассматривать как самые универсальные и базовые методы создания современной техники.

Кибернетический подход . В последние годы обращается внимание на то, что универсальный подход проектирования современной техники, оставаясь комплексным, должен включать в себя системный подход, эволюционный и управленческий подходы. Так был создан кибернетический подход.

Научным фундаментом кибернетического подхода является кибернетика. Основоположник кибернетики Н. Винер в 1948 г. определил кибернетику как науку об управлении и связи в животном и машине. Развитие кибернетики в СССР пошло по другому пути. При определении кибернетики на первое место выдвигались законы получения, хранения и передачи информации (А.Н. Колмагоров, В.М. Глушков).

С позиций инженерно-кибернетического подхода объекты техники рассматриваются как технические системы, которые эволюционно развиваются и преобразуются путем управленческого воздействия на них.

Основой кибернетического подхода является всеобщий метод познания – диалектический метод, который используется при исследовании любых объектов техники, указывая общий путь к истине. Диалектический метод познания включает в себя несколько принципов. Важнейшим из них является историзм, эволюционное развитие исследуемых объектов техники. Следующий принцип диалектики предписывает всестороннее рассмотрение, изучение объекта с разных сторон, изучение всех его связей, отношений с другими объектами. Третий принцип указывает на объективность, конкретность, проверяемость знания практикой [2]. Все эти принципы реализуются в кибернетическом подходе создания современной техники.

Понятие технической системы

Жизнь современного человека неразрывно связана с техническими объектами.

Техническим объектом называют созданные человеком реально существующие устройство, способ, материал, предназначенные для удовлетворения определенных потребностей [3].

Потребность – это физиологическое или психологическое ощущение недостатка чего-либо. Потребность нельзя непосредственно наблюдать или измерять. О ее существовании можно судить только по поведению людей. Потребность побуждает людей к совершению определенных действий. При удовлетворении потребности человек ощущает чувство облегчения, благополучия, снятия напряжений.

Потребность в техническом объекте (общественная или техническая) соответствует функциональному назначению или цели создания объекта. Понятие потребности всегда связано с человеком, поставившим цель реализации потребности и выполняющим проектирование и изготовление технического объекта.

Все технические объекты состоят из элементов, представляющих собой неделимые части целого. Если функционирование одного элемента технического объекта влияет на функционирование другого элемента, то такие технические объекты (в отличие от агрегатов) принято называть техническими системами (ТС).

Техническая система – это совокупность взаимосвязанных элементов технического объекта, объединенных для выполнения определенной функции, обладающая при этом свойствами, не сводящимися к сумме свойств отдельных элементов.

Специалисты шутят: для обычных людей 2 + 2 = 4, а для системников – 4 и еще кое-что. Это выходящее за рамки здравого смысла “еще кое-что” есть результат давно замеченного дополнительного эффекта системы: объединение различных факторов в целое способно рождать новое качество, недоступное ни одному из них, взятому отдельно. Например, возьмем три элемента: трубопровод с потоком ацетилена, трубопровод с потоком кислорода и корпус. Объединив их в единое целое, получим газовую горелку. Ее суммарный эффект равен сумме эффектов указанных элементов, да еще кое-что. Это “еще кое-что” есть факел пламени с высокой температурой, способный резать металл.

Типы технических систем

Элементы, образующие техническую систему, только относительно неделимые части целого. Например, деревообрабатывающий станок включает много сложных частей: станину, механизмы главного движения, подачи, базирования, регулирования, настройки, управления и приводы. В то же время в системе ² деревообрабатывающий цех² с большим количеством разнообразных станков отдельный станок можно считать элементом, т. е. неделимым целым. В связи с этим по отношению к системе ² станок² ² деревообрабатывающий цех² называют надсистемой, а выше перечисленные части станка – подсистемами. Для любой системы можно выделить подсистему и надсистему. Для системы ² механизм главного движения станка² части корпус подшипников, вал, режущий инструмент будут подсистемами, а станок – надсистемой.

Некоторые системы выполняют по отношению к данной системе противоположные функции. Их называют антисистемами. Например, надводный корабль и подводная лодка, двигатель и тормоз – это объекты, функционирующие наоборот.

Для транспортировки нефти и газа используются трубопроводы нагнетательные и всасывающие, которые работают по принципу наоборот. Если продукты транспортируются по всасывающей трубе, разряжение давления в которой создается компрессорной станцией на приемном участке трубопровода, то утечка продуктов в случае аварии исключается. В области домостроения, например, современные архитекторы смело выставляют наружу то, что раньше пряталось внутри здания – каркас коммуникации, инженерные системы. Напоказ выставляются застекленные эскалаторы, трубы отопительных, водопроводных систем.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте характеристику комплексного подхода в создании новой техники.

2. Какой подход в создании техники называется системным?

3. Какой подход называется кибернетическим?

4. Дайте определение понятия " техническая система".

5. Приведите примеры понятий " надсистема – система – подсистема", " система – антисистема".

Работ

Стадии проектирования

Разработка конструкторской документации выполняется в строгом порядке, установленном ГОСТ 2.103-68. Исходным материалом для работы над проектом служит техническое задание.

В техническом задании приводятся все основные требования заказчика к объекту проектирования. Даются чертежи деталей и заготовок, указываются условия обработки (производительность, точность, шероховатость и т.д.), условия эксплуатации, условия изготовления.

Техническое предложение выполняется с целью выявления и анализа возможных путей решения задачи. В соответствии с ГОСТ 2.118-73 техническое предложение содержит техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки документации. В нем проводится анализ отечественной и зарубежной информации по аналогичным конструкциям, выбираются прототипы и на их базе разрабатываются новые варианты решений. Из подобранных вариантов выбирается наилучший, который и подлежит дальнейшей разработке.

После утверждения технического предложения конструкторский проект разрабатывается последовательно в трех стадиях: эскизный проект, технический проект и рабочий проект. На практике этот порядок выполняется не всегда. Для несложных конструкций и большом опыте конструктора проект машины выполняется в двухстадийном порядке (технический и рабочий проект) или одностадийном (рабочий проект).

Эскизный проект (ГОСТ 2.119-73) разрабатывается после утверждения технического предложения. Он позволяет убедиться в возможности технического осуществления главных положений технического предложения. Для этого в нем разрабатываются технологические, кинематические, гидравлические и другие схемы, чертеж общего вида, пояснительная записка, которая включает техническую характеристику, описание конструкции, расчеты технико-экономических показателей и основные технические расчеты.

На основании эскизного проекта разрабатывается технический или рабочий проект.

Технический проект (ГОСТ 2.120-73) – это завершающая стадия проектных технических вопросов эскизного проекта. Он дает полное представление о конструкции основных узлов, их взаимодействии и уровне основных квалиметрических показателей.

По методологии этот этап близок к эскизному и выполняется тогда, когда в эскизном проекте не разрабатываются исходные данные на проведение рабочего проекта.

В техническом проекте разрабатываются чертеж общего вида, чертежи всех сборочных единиц, схемы, составляется ведомость покупных изделий. Пояснительная записка включает описание назначения и области применения изделия, обоснование и описание конструктивных решений, техники безопасности и производственной санитарии, расчет масштаба производства, эффективности внедрения, кинематические и прочностные расчеты.

На основании технического проекта разрабатывается рабочая конструкторская документация.

Рабочая документация содержит совокупность конструкторских документов, необходимых для изготовления и испытания опытного образца, производства изделий установившегося серийного и массового производства. Состав рабочей документации установлен ГОСТ 2.102-68.

При переходе от одной стадии проектирования к последующей проект постепенно насыщается подробностями.

Приемы проектирования

Процесс проектирования технических объектов, их подсистем и элементов можно разделить на три этапа: подготовительный, начальный и основной. Каждый из этих этапов делится на две стадии: анализа и синтеза, которые неотделимы друг от друга в едином процессе проектирования.

На стадии синтеза формируются различные варианты проектируемой системы, ее подсистем и элементов. На стадии анализа эти варианты сопоставляются между собой с позиции обеспечения необходимых свойств и качества. При анализе готовится материал для реализации очередной стадии синтеза.

Рассмотрим указанные этапы и стадии проектирования подробнее (рис. 1).

Подготовительный этап. На данном этапе формируются требования к новой конструкции [1]. Намечается область поиска рациональных структур. Формируется общий облик объекта, его подсистем и элементов. Находятся прототипы. Анализируется эволюционное развитие их систем, подсистем и элементов. Общие требования к системе трансформируются в подсистемные и элементные требования.

Обычно этап заканчивается формальным набором возможных прототипов проектируемого объекта с оценкой их пригодности для решения поставленных задач.

Начальный этап. В начальном этапе проводится всесторонний анализ исходного ряда вариантов структур. Отмечаются их слабые и сильные стороны. Сильные решения надо в будущем сохранить, а от слабых следует избавиться. Начинается отбор из числа предварительно намеченных вариантов 4 и вновь появившихся вариантов 5, а также возможных комбинаций их подсистем (варианты 23 и 34) альтернативных вариантов структур образцов ТС.

При составлении вариантов структур можно обнаружить оригинальный вариант, который на первый взгляд не имеет недостатков и полностью решает поставленную задачу. Возникает большой соблазн реализовать этот вариант в металле. Однако опыт конструкторов показывает, что такого рода варианты редко оказываются лучшими. На последующих этапах проектирования после учета всех проясняющихся позже особенностей и взаимодействий объекта с окружающей средой вариант оказывается не лучшим. Поэтому не следует сразу останавливаться на привлекательных вариантах, поиск их надо проводить до конца.

Начальный этап характерен для стадии подготовки технического предложения.

Основной этап. На основном этапе многократно проводится анализ и синтез образцов ТС и подсистем с постепенным сокращением числа вариантов. Повышается глубина проработки и детализация вариантов.

Анализировать варианты структур надо столько, сколько позволяет время на выполнение данной работы. Чем больше вариантов прорабатывается, тем выше вероятность того, что самое рациональное решение будет найдено. Искусственно сокращать продолжительность основного этапа не следует.

Этот этап характерен для стадии эскизного проектирования. Заканчивается он выбором рационального варианта образца технической системы. Исходные данные для дальнейшего конструирования подготовлены, можно приступать к разработке полного комплекта чертежей и другой технической документации.

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите стадии проектирования и дайте их краткую характеристику.

2. Изобразите схему этапов проектирования.

3. Какие задачи решаются на каждом из этапов проектирования?

Таким образом, конструирование, как составная часть проектирования, представляет собой творческий процесс создания изделия в документах (главным образом в чертежах) на основе теоретических расчетов, конструкторского, технологического и эксплуатационного опыта и экспериментов.

Методы конструирования

Стандартизация. Стандартизация – процесс нахождения и применения решений для повторяющихся задач в сфере науки, техники и экономики для достижения оптимальной степени упорядочения. Стандартизация регламентирует конструкции и типоразмеры широко применяемых машиностроительных деталей, узлов и агрегатов. Все детали и узлы, типовые для данной отрасли машиностроения, стандартизируются. Стандартизация ускоряет конструирование, облегчает изготовление, эксплуатацию и ремонт машин [6].

Симпликация. Симпликация – упрощение производства путем исключения излишних типоразмеров изготавливаемых деталей, отдельных видов отчетности и документации [7].

На заводах симпликацию используют при ограничении действия разнообразных стандартов, материалов, покупных изделий, полуфабрикатов.

Унификация. Унификация – приведение изделий к единообразию на основе установления рационального числа их разновидностей (ГОСТ 23945.0-80). Унификация заключается в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов. Это способствует сокращению номенклатуры деталей, уменьшению стоимости изготовления, упрощению эксплуатации и ремонта.

Задача конструктора состоит в том, чтобы при разработке новой машины вводить только те новые узлы и детали, которые влияют на повышение производительности, надежности и удобство эксплуатации. Остальные детали и узлы рекомендуется оставлять неизменными.

Если в машине невозможно применить целиком существующий узел, то целесообразно сохранить хотя бы его монтажные размеры.

Обычно в новые машины переносится до 50% сборочных единиц, неоднократно проверенных в старых машинах.

Унификации в первую очередь подлежат посадочные соединения, резьбы, шлицевые и шпоночные соединения, крепежные детали. Кроме того, надо стремиться к унификации оригинальных деталей.

Типизация. Типизация – один из перспективных методов стандартизации. Она предусматривает разработку и использование типовых конструкций в целой отрасли.

Типизация – способ создания на базе исходной модели ряда машин одного назначения различной мощности, производительности, но с одинаковыми узлами.

Агрегатирование. Агрегатирование – компоновка машин и механизмов из ограниченного количества стандартных или унифицированных деталей и узлов, обладающих геометрической и функциональной взаимозаменяемостью.

Агрегатирование – высшая степень унификации. Агрегатирование позволяет не создавать каждую новую машину как оригинальную, единственную в своем роде. Машина создается путем перекомпоновки имеющейся машины, используя уже освоенные производством узлы и агрегаты.

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните, чем отличаются понятия " проектирование" и " конструирование".

2. Расставьте методы конструирования в алфавитном порядке.

Кратность заготовок

Заготовки и даже сборочные единицы могут быть кратными по длине, ширине и толщине. Это позволяет повысить производительность машины и использование древесины. Например, при производстве карандашей берут дощечку шестикратной ширины (рис. 4), делают в ней шесть пазов. Затем поверхность дощечки смазывают клеем, в пазы укладывают стержни грифелей и сверху закрывают такой же дощечкой. После склеивания собранный блок делят на карандаши.

Выбор способа базирования

Базирование – это процесс ориентирования заготовки в пространстве относительно режущего инструмента. Базирование всегда выполняется перед процессом резания и сохраняется в течение обработки с помощью зажимов или прижимов.

Базирование может быть неподвижное и подвижное.

При неподвижном базировании заготовка своими технологическими базами взаимодействует с установочными поверхностями базирующих элементов станка и фиксируется в таком положении зажимами. Базирующие элементы выполняются в виде столов, кареток, суппортов, направляющих линеек, угольников, упоров и т.д.

При подвижном (скользящем) базировании главная или главная и вспомогательная базы заготовки скользят по установочным поверхностям станка. Положение заготовок при этом фиксируется прижимами. Установочные поверхности выполнены в виде плоскостей стола, направляющей линейки.

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите общие требования, предъявляемые к изделию.

2. Приведите определение технологической операции и дайте характеристику каждого ее элемента.

3. Как влияет кратность заготовок на производительность станка и полезное использование древесины?

4. Поясните влияние принципов дифференциации и концентрации операций на производительность станков.

5. Как выбираются структурные схемы станков?

2.6. Выбор лучших вариантов

Критерии развития технических объектов. Полученные варианты проектных решений подвергаются анализу с использованием критериев качества.В новом объекте критерии качества должны улучшаться. Поскольку качество любой машины оценивается по нескольким критериям, то улучшение одних критериев не должно вызывать ухудшение других критериев.

Для оценки деревообрабатывающих машин используют глобальные и частные критерии.

Глобальные критерии считаются наиболее важными. К ним относят следующие критерии:

– повышение уровня автоматизации основных технологических операций;

– повышение уровня механизации и автоматизации вспомогательных операций;

– повышение непрерывности процесса обработки;

– увеличение надежности работы станка;

– снижение уровня трудозатрат живого труда в изделии;

– снижение общей трудоемкости изделия;

– повышение уровня технологичности станка;

– снижение материалоемкости (металлоемкости) станка;

– достижение оптимального расчленения станка на части;

– снижение энергопотребления;

– уменьшение габаритов станка;

– улучшение условий эксплуатации и обслуживания станка;

– повышение безопасности работы и обслуживания станка;

– улучшение внешнего вида (красоты) станка;

– повышение экологичности станка.

Частные критерии характеризуют параметры станков и их узлов. К ним относятся следующие критерии:

– высокая скорость главного движения;

– широкий диапазон регулирования подачи;

– плавность регулирования подачи;

– точность и стабильность базирования;

– точность обработки;

– шероховатость обработки;

– устойчивость к вибрациям;

– высокая износостойкость;

– защищенность от перегрузок;

– низкий уровень шума;

– отсутствие монотонности в работе оператора;

– легкость обслуживания;

– простота системы управления;

– отсутствие " капризных" механизмов, требующих частой наладки;

– простота и удобство наладки станка.

Для каждого конкретного случая проектирования технической системы конструктор подбирает перечень критериев развития из списка глобальных и частных критериев [8, 9]. Основой для выбора служат требования, предъявляемые к проектируемой системе. При этом уже на стадии выбора проектного решения конструктор стремится, чтобы система максимально удовлетворяла всем выбранным критериям.

Человек должен верить, что непонятное можно понять; иначе он не стал бы размышлять о нем

В. Гете

Предисловие

Введение

12 3 Следующая ⇒