Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. Э. БАУМАНА

Кафедра ”Оптические приборы научных исследований” (РЛ 3)

Родионов Е.М.

Технологические основы конструирования элементов и функциональных устройств оптических приборов

ЧастьI. Основы конструирования деталей

Учебное пособие

Москва

2010

1.Введение

При создании новых приборов выполняют работу, которая называется проектированием и (или) конструированием изделия.

На практике и в литературе существует две точки зрения по отношению к сущности этих терминов. В одних источниках [1, 2, 3] весь процесс разработки нового изделия часто называют проектированием.

В литературе [4, 5, 6] эти понятия различают. Считают, что проектирование предшествует конструированию и заключается в выявлении потребности общества в изделии, поиске идей, физических эффектов, целесообразных методов и принципов действия, синтезе функциональных структур возможных вариантов.

Под конструированием понимают разработку конкретного варианта изделия на основе результатов проектирования, при которой создается его конструкция: устройство, состав, взаимное расположение частей и элементов, способ их соединения и взаимодействия с учетом технологии изготовления и т.п.

Автор придерживается второй точки зрения.

Следует заметить, что, несмотря на различие понятий проектирование и конструирование, невозможно найти четкую границу между этими процедурами проектно-конструкторской деятельности.

К современным оптическим приборам предъявляются все новые повышенные требования к показателям качества, которые закладываются уже на стадии проектирования и конструирования. С усложнением объектов конструирования все более сложным и ответственным становится труд конструктора, все большее значение приобретает развитие научной базы конструирования. За последние годы это развитие протекает неравномерно. Наряду с имеющимся мощным аппаратом инженерных проверочных расчетов существует еще крайне мало методик проектных расчетов, необходимых для синтеза и оптимизации конструктивных решений, а в реальном конструировании преобладают эмпирический и эвристический методы.

Характерными чертами конструирования сложных объектов является массовость решаемых задач многовариантность возможных решений. Следует различать две группы методов: метод поиска оптимальных решений и методы оценки возможных решений: процесс принятия решений основан на синтезе тех и других.

Основным способом поиска в настоящее время является метод аналогии, обусловленный личным опытом конструктора и опытом обобщенным в справочной литературе: большинство решений принимается этим методом. Оценка принимаемых решений носит качественный характер и лишь в отдельных случаях основана на выполнении проверочных расчетов (на прочность, жесткость, точность).

В тех случаях, когда возникают затруднения с принятием однозначного решения, конструктор прибегает к методу перебора известных вариантов. Оценка вариантов имеет большое значение и в особо сложных случаях основывается на проверочных расчетах и даже на экспериментальных исследованиях, однако решение и тогда принимают на основе опыта. Основная причина этого связана с отсутствием в настоящее время инженерных методик выполнения оценок по большому числу критериев.

Следующая ступень усложнения процесса принятия решений характеризуется недостаточностью набора известных возможных вариантов, процесс конструирования начинается с поиска подходящих вариантов, который выполняется методом проб и ошибок, и состоит в разработке новых вариантов на основе комбинирования известных.

Опыт показывает, что описанные методы конструирования не обеспечивают в этих условиях оптимальность принимаемых решений. Основной причиной является трудность одновременной оптимизации параметров объекта по всем показателям. В реальных условиях проектирования конструктор, хотя и держит в поле внимания все показатели, но предпочтение отдает лишь некоторым, по его мнению, наиболее критичным в данном случае.

Таким образом, в настоящее время существует лишь ограниченная оптимизация при создании конструкции. Развитие теоретических основ конструирования на уровне синтеза происходит медленно. Поэтому необходима в первую очередь разработка принципов, устанавливающих зависимости между конструктивными решениями и показателями качества конструируемых объектов. Известны лишь немногие работы такого рода [1,2,3]. Основная литература по вопросам конструирования носит рецептурный характер, учит конструированию на примерах и не содержит теоретических обобщений.

Особо следует отметить роль теории точности для конструирования приборов. Основы теории точности сформулированы в работах [4,5,6] и продолжены в работах [7,8,9]. На их фоне еще лучше видно отставание в вопросах конструирования.

В связи с этим приобретает большое значение совершенствование процесса конструирования прибора.

Известно, что детали как объект конструирования являются первичными элементами всякой реальной конструкции. Конструирование деталей представляет наиболее массовую операцию в общем процессе конструирования прибора. Однако, вопросам конструирования деталей в литературе и производственной практике уделяется очень мало внимания. Существуют разрозненные рекомендации по конструированию деталей с учетом прочности, жесткости не связанные с условиями функционирования и особенно с технологией изготовления и сборки.

В данном учебном пособии основное внимание уделяется технологическому аспекту конструирования. В МВТУ на приборостроительном факультете больше 40 лет существовал курс “Технология приборостроения” с единым названием для всех кафедр от оптики до ЭВМ. Курс, который не связывался с конструированием конкретных приборов. Смотри, например, учебное пособие “Технология приборостроения” 1968 г. - общеобразовательное пособие по процессам: литье, штамповка, пластмассы, резание и т.д.

Хотя уже давно на предприятиях за рубежом существовало правило: ”Изделие должно проектироваться под технологический процесс”.

Нет технологии вообще, точно также как нет изделия без технологии. Каждое изделие, каждая деталь требует свою технологию. Например, процесс может быть один: штамповка для деталей ЭВМ и штамповка для ирисовых диафрагм, но технологии изготовления разные. В стране известны безуспешные попытки изготовить скопированные изделия. Можно сделать чертежи, даже перевести дюймы в мм, но, увы, технологию не скопируешь.

Ошибочным является сейчас деление дипломных проектов на части: ”Конструкторская часть”, “Технологическая часть” и т.д. Это на части не делится, это – одно целое!!

Пособие написано на базе лекций, прочитанных автором студентам кафедр РЛ2 и РЛ3, а также использованы книги В.В. Кулагина [ ], С.М. Латыева [ ], С.Т. Цуккермана [ ] – известных конструкторов точных механизмов и приборов.

Глава 1. Начальные сведения о приборах и деталях

1.1.Общие вопросы конструирования оптических приборов

1.1.1.Этапы проектно-конструкторской работы

Согласно ГОСТ этапы проектно-конструкторской работы и стадии разработки конструкторской документации выполняются в последовательности, показанной на рис. 1.

Рис.1. Последовательность разработки конструкторской документации.

Рассмотрим вкратце содержание этапов и разрабатываемую конструкторскую документацию (КД) применительно к оптическим приборам (ОП).

Техническое задание (ТЗ) – документ, с которого начинается разработка любого ОП, устанавливающий его (ОП) основное назначение, область применения, технические и технико-экономические показатели качества, состав, условия и режимы эксплуатации! Это проектная работа.

Техническое предложение – КД, разрабатываемые с целью выявления возможных вариантов технических решений и уточнения ТЗ. Выпускаемая на этом этапе КД содержит функциональные схемы возможных вариантов решений ОП, укрупненные чертежи общего вида и т.д.

Эскизный проект – совокупность КД, разрабатываемой с целью получения принципиальных конструктивных решений выбранного варианта ОП. Выполняются расчеты ОП.

Технический проект – совокупность КД, которая содержит окончательное техническое Рабочий проект – полный комплект КД, достаточный для изготовления и эксплуатации ОП.

1.1.2.Показатели качества, обеспечиваемые при конструировании ОП

Методы конструирования. Характерными чертами конструирования сложных объектов является массовость решаемых задач и многовариантность возможных решений. Следует различать две группы методов – методы поиска оптимальных решений и методы оценки возможных решений. Основными методами поиска является в настоящее время метод аналогии обусловленный личным опытом конструктора и опытом обобщенным в справочной литературе. Большинство решений принимается этим методом. В общем случае качество будущего объекта должно удовлетворять ряду требований. То есть должно оцениваться по нескольким показателям качества.

В соответствии с ГОСТ 22851-77, ГОСТ 15467-79 качеством прибора называется совокупность свойств прибора, обуславливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением. Для объективной оценки качества прибора его свойства характеризуют количественно – показателями качества, которые классифицируются по следующим основным группам:

1. Показатели назначения – характеризуют назначение, область применения, производительность, точность, светосилу, разрешающую способность, дальность действия, габариты, массу и т.п.

Это наиболее многочисленная группа показателей качества изделия. Для ОП существуют и частные показатели качества, например, параллельность визирных осей бинокулярных приборов, увеличение микроскопов и т.д.

2. Показатели надежности – характеризуют безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

3. Показатели технологичности¹ - характеризуют степень соответствия прибора и его элементов оптимальным условиям современного производства. К показателям технологичности относят, например, коэффициенты сборности и использования материалов.

4. Эргономические показатели – характеризуют степень приспособленности прибора к взаимодействию с человеком с позиции удобства работы, гигиены и безопасности труда.

5. Эстетические показатели – характеризуют внешний вид прибора, его соответствие современному стилю, гармоничность сочетания отдельных элементов прибора друг с другом, качество отделки, технической документации и т.д.

6. Показатели стандартизации и унификации – характеризуют степень использования в данном приборе стандартизованных, унифицированных и заимствованных узлов и деталей.

7. Патентно-правовые показатели – характеризуют степень новизны технических решений и определяются патентной чистотой.

8. Экономические показатели – характеризуют уровень затрат.

1.1.3. Структура оптического прибора

Оптический прибор (ОП) предназначен для преобразования информации от объ­екта наблюдения (обнаружения), измерения или управления. На рис.2 пока­зана обобщенная схема функционирования ОП. Здесь 1 — объект; 2 — ОП; 3 — наблюдатель; Х₀ — информативный параметр объекта; х — информативный параметр входного сигнала; у — информативный параметр выходного сигнала.

³

Рис. 2. Общая схема функционирования ОП.

В оптических приборах происходит преобразование вида y=f(x, q_i), где f - функция преобразования; q - конструктивные параметры прибора.

Преобразование входного сигнала ОП осуществляется его функциональны­ми устройствами (ФУ), имеющими, как правило, различные физические принципы. На рис.3 [3] изображен состав современного ОП, основанного на оптических, механических и электронных (электрических) ФУ и их сочета­нии.

Р
ис. 3. Состав современного ОП.