Информационная модель процесса создания машины и формирования ее качества
Глава 3
Процесс создания машины распределен во времени и пространстве, состоит из ряда этапов, последовательно выполняемых разными специалистами, начиная от замысла и кончая его реализацией в изготовленной машине. Очевидно, что каждый этап этого процесса каким-то образом участвует в формировании качества машины, и достигнутое качество есть суммарный результат работы этих разных специалистов. Очень важно с точки зрения конечного результата выявить роль каждого этапа, определить на каждом этапе задачи специалистов как участников единого процесса формирования требуемого качества машины и средства, которыми они располагают для эффективного решения своих задач. Для этого нужна модель процесса создания машины, описывающая взаимные связи этапов и их задач по обеспечению требуемого качества создаваемой машины.
Такую модель можно создать, представив процесс создания машины как процесс информационный. Информационным назовем такой процесс, в ходе которого создается новая информация о каком-нибудь объекте, она переносится, трансформируется (преобразуется), представляется, анализируется (сопоставляется). Все эти признаки можно обнаружить в процессе создания машины. На рис. 3.1. представлена схема, названная информационной моделью процесса создания машины. Модель включает последовательно выполняемые законченные части процесса и их содержание с точки зрения работы с информацией о машине.
Весь процесс создания машины начинается с возникновения некоторой потребности в человеческом обществе. Если это потребность в услуге (например, перемещение человека в пространстве), то удовлетворить ее можно с помощью какой-нибудь транспортной машины (велосипед, мотоцикл, автомобиль и т.д.); назовем такие машины сервисными. Если возникла потребность в продукте, то появляется необходимость в ряде машин, с помощью которого реализуется технологический процесс получения этого продукта (например, хлеба, макарон, тканей и т.д.); назовем такие машины технологическими.
Набор свойств, которыми должна обладать будущая машина, т.е. ее требуемое качество, формирует либо будущий потребитель этой машины на основе опыта использования подобных машин в прошлом (что характерно для технологических машин производственного назначения), либо специалисты – маркетологи, изучающие рынок потребностей (что характерно для сервисных машин и технологических бытового назначения). Процесс формирования требуемого качества соответствует этапу разработки технического задания. Будущего потребителя или маркетолога назовем Заказчиком.
В ходе разработки технического задания на проектирование Заказчик составляет по возможности полный список показателей служебного назначения машины и определяет требуемые количественные значения каждого из них. Глубина проработки технического задания, т.е. полнота списка показателей служебного назначения, определяет как полноту описания качества создаваемой машины, так и характеризует качество выполнения этого первого этапа процесса создания машины, результат которого является главным источником входной информации для конструктора.
Поэтому для повышения качества технического задания к его разработке привлекаются не только прошлый опыт Заказчика (потребителя), но и опыт Конструктора по проектированию аналогичных машин в прошлом, и опыт Метролога, зафиксированный в стандартах и
другой нормативной документации.
Для обеспечения соответствия качества будущей машины современному уровню развития техники и технологий все участники разработки технического задания должны использовать достижения научно-технического прогресса, содержащиеся в патентной, научной литературе, в научной периодике. В ряде случаев при создании пионерских машин, обеспечивающих дальнейший научно-технический прогресс, требуются предпроектные исследования, в ходе которых выявляются и формируются принципиально новые показатели служебного назначения, либо уточняются их количественного значения.
Таким образом, в техническом задании на проектирование содержится или, по крайней мере, должен содержаться исчерпывающий список показателей служебного назначения будущей машины. Для обеспечения безошибочности проведенной работы список показателей должен быть разделен на три группы, описанные в главе 1. Этот список фактически представляет собой полное описание требуемого качества будущей машины. С позиций информационного подхода к процессу создания машины разработка технического задания на проектирование представляет собой этап, где создается информация о будущей машине, другими словами формируется ее первичный информационный образ. Напомним здесь, что этот информационный образ описан набором показателей служебного назначения, на каждый из которых обязательно заданы:
· величина номинального значения - требуемый уровень качества и
· поле допуска (или предельные допускаемые отклонения) - требуемая стабильность достижения этого уровня в партии машин.
Следующий участник процесса создания машины – Конструктор. Для него описание первичного информационного образа в техническом задании на проектирование - исходная информация о машине, которую ему предстоит проектировать и конструировать. Результатом работы Конструктора является конструкторская документация в виде комплекта чертежей деталей, сборочных единиц и машины в целом. В этой документации содержится информация о той же самой машине, которая в техническом задании на проектирование описана набором показателей служебного назначения, но информационные средства для своего описания Конструктор использовал другие. Чтобы эти информационные средства выявить, проанализируем информацию, содержащуюся в чертежах.
Чертеж детали дает нам полное представление о ней как о будущем материальном объекте. Это представление достигается следующими информационными средствами:
· конструктивная форма детали – замкнутый объем, образованный сочетанием различных геометрических поверхностей (плоскостей, цилиндров, конусов и т. д.);
· материал, которым заполнена конструктивная форма - за наименованием и маркой материала стоит достаточно обширный список его свойств: хим. состав, структура, физико-механические свойства и т. д.;
· размерное описание конструктивной формы - совокупность размеров, описывающих как каждую поверхность в отдельности, так и их взаимное расположение для обеспечения замкнутости объема.
Из чертежей сборочных единиц и машины мы получаем информацию:
· О взаимном расположении деталей и сборочных единиц в пространстве, при котором обеспечивается выполнение сборочными единицами своего функционального назначения, а машиной – своего служебного назначения. Количественно взаимное расположение деталей описывается размерами взаимного расположения (например, межосевое расстояние зубчатой пары в редукторе, параллельность осей находящихся в зацеплении зубчатых венцов и т. д.).
· О характере взаимодействия сопрягаемых деталей. Качественно и количественно характер взаимодействия описывается посадками соединений. Например, посадка 
определяет минимальный зазор и качественно характеризует подвижное соединение деталей, в то время как посадка 
определяет минимальный натяг и характеризует неподвижное соединение. Назначение квалитета в посадках определяет максимальные зазоры или натяги в соединениях деталей.
Размеры взаимного расположения деталей и сборочных единиц в машине, посадки в соединениях деталей и сборочных единиц вместе с размерным описанием всех деталей образуют размерное описание машины.
Таким образом, в конструкторской документации машина описана конструктивной формой деталей, размерным описанием (деталей, сборочных единиц и машины в целом) и свойствами выбранных конструкционных материалов.
Можно считать, что в конструкторской документации содержится новый информационный образ создаваемой машины. Тогда работа Конструктора как участника информационного процесса состоит в преобразовании первичного информационного образа в другой, который назовем пространственно-размерным.
Работа Конструктора по преобразованию одного информационного образа машины в другой содержит два этапа: проектирование машины и ее конструирование. На этапе проектирования Конструктор выбирает исполнительные поверхности, которыми машина будет выполнять служебное назначение. Затем устанавливает и описывает все виды связей, которые необходимо организовать между этими поверхностями. Для реализации каждой связи Конструктор разрабатывает принципиальную схему устройства, которое необходимо иметь в конструкции машины. При этом он может либо воспользоваться прошлым опытом, т.е. выбрать такое устройство из числа известных, ранее разработанных и использованных в других машинах, либо разработать и использовать в проектируемой машине принципиально новое устройство, получить на него патент, что скажется на техническом уровне проектируемой машины и повысит ее конкурентоспособность. Он может выбрать или создать принципиальные схемы устройств, реализующих одновременно несколько разных связей. Выбранные устройства объединяются между собой в принципиальную схему машины. Разработка принципиальной схемы машины – это творческий этап работы Конструктора, в ходе которого принимаются решения либо отвечающие достигнутому уровню развития техники и технологий, либо продвигающие далее научно-технический прогресс в той области техники, в которой будет использоваться проектируемая машина.
Проиллюстрируем этот этап работы Конструктора примером проектирования токарного станка. Служебным назначением токарного станка является формообразование осесимметричных поверхностей вращения путем съема с заготовки резцом слоя материала. Осесимметричная поверхность вращения может быть образована двояким образом: как след движения прямо- или криволинейной образующей по направляющей линии – окружности, либо как след движения образующей окружности по прямой или криволинейной направляющей. Схемы такого формообразования на примере цилиндрической поверхности приведены на рис. 3.2,а и 3.2,в. Для реализации этих схем на токарном станке надо установить на него заготовку и резец, заготовке придать вращение, а резцу – продольную или поперечную подачу, как это показано на рис. 3.2,б и 3.2,г. Окружность в обоих случаях создается как след вершины резца при вращении заготовки. Прямолинейные образующая или направляющая линии создаются либо копированием формы режущей кромки резца (рис. 3.2,г), либо как след движения вершины резца вдоль оси вращающейся заготовки (рис. 3.2б).
Рис. 3.2. Схемы формообразования цилиндрической поверхности
и их реализации на токарном станке
Для того чтобы реализовать на токарном станке все способы формирования осесимметричных поверхностей вращения, необходимо в его конструкции создать исполнительные поверхности, позволяющие установить на станок заготовку и придать ей вращение, а также установить инструмент и придать ему движение вдоль оси вращающейся заготовки, либо по нормали к этой оси. Для установки заготовки используются конические отверстия в шпинделе ИП1 и в пиноли задней бабки ИП2, в которые будут установлены передний и задний центры и уже на них – зацентрованная предварительно заготовка, для установки инструмента на резцедержке создается плоская поверхность ИП3, как это показано на рис. 3.3. Для осуществления формообразования поверхностей вращения между этими исполнительными поверхностями необходимо создать ряд связей. Во-первых, связи размерные: соосность и параллельность осей конических отверстий ИП1 и ИП2 для определения положения оси вращения заготовки и расстояние между общей осью отверстий ИП1 и ИП2 и плоскостью резцедержки ИП3, которое определит радиус поверхности вращения. Во-вторых, связи кинематические: вращение ИП1 с разной угловой скоростью (разным числом оборотов в минуту) и движение несущей резец ИП3 вдоль заготовки или в радиальном направлении со скоростью осевой или радиальной подачи в мм/об. В-третьих, связи динамические: между ИП1 и ИП2 для надежного крепления заготовки во время обработки; крутящий момент на ИП1, превосходящий момент резания; силу осевой и радиальной подач, приложенную к ИП3 и превосходящую осевую Рх или радиальную Ру составляющие силы резания.
Рис. 3.3. Исполнительные поверхности токарного станка и виды связей между ними
В рассматриваемом примере проектирования токарного станка для реализации кинематической связи между коническим отверстием шпинделя ИП1 и плоскостью резцедержки ИП2, обеспечивающей продольную или поперечную подачи S мм/об., Конструктор может использовать механические (например, зубчатые) передачи, может использовать гидравлические исполнительные устройства (гидравлический мотор на шпинделе станка для привода его во вращение со скоростью n об/мин. и гидроцилиндры для продольной и поперечной подач ИП3 со скоростью S мм/об.), согласовав скорости их движений системой гидроавтоматики. Наконец, можно обеспечить эту кинематическую связь информационно, применив для привода во вращение шпинделя и ходового винта или валика шаговые электродвигатели и систему программного управления, подающую на их обмотки соответствующие числа импульсов в минуту. Выбор того или иного устройства из числа возможных в каждом конкретном случае зависит от многих причин, которые Конструктор должен учесть при разработке принципиальной схемы машины.
На этапе конструирования Конструктор разрабатывает конструктивную форму деталей, материализующих принципиальную схему машины; используя операторы преобразования информации (расчетные формулы) рассчитывает размеры поверхностей деталей и их взаимного расположения; при разработке сборочных чертежей определяет необходимое расположение деталей в машине и описывает это размерами.
Операторы преобразования информации - это расчетные формулы из различных наук (физики, механики, электротехники, сопротивления материалов и т.д.), которые позволяют определить размеры деталей из выбранных конструкционных материалов, используя количественные значения показателей служебного назначения машины из технического задания на ее проектирование.
Проиллюстрируем эту часть работы Конструктора простым примером проектирования гидравлического подъемника для подъема штучных грузов массой m, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.4.
Рис.3.4. Принципиальная схема гидроподъемника
Если диаметр поршня гидроцилиндра 
, а штока 
, то эти его основные размеры можно определить из уравнений гидравлики (3.1) и сопротивления материалов (3.2):
(3.1)
(3.2)
В этих уравнениях:
– сила тяжести груза;
– допустимое напряжение на растяжение выбранного материала штока;
– давление масла в гидросистеме.
Тогда:
(3.3)
(3.4)
Другие примеры использования расчетных формул из различных наук для преобразования в размеры деталей и их взаимного расположения показателей служебного назначения разных машин приводит И.М.Колесов [4]. Эти примеры, как и пример расчета гидроцилиндра, показывают как Конструктор в ходе проектирования и конструирования преобразует все виды связей между исполнительными поверхностями машины в связи размерные и связи свойств материалов.
Обратим внимание на то, что формулы типа (3.3) и (3.4) представляют собой функции размеров (в левой части формул – размер детали), аргументами которых выступают значения показателей служебного назначения и характеристика свойств выбранного материала (в примере с гидроцилиндром – масса поднимаемого груза m и допустимое напряжение на растяжение материала штока 
). С помощью таких формул Конструктор преобразует первичный информационный образ машины в пространственно-размерный, а сами формулы назовем операторами преобразования информации, подчеркнув таким образом их функцию в информационной модели процесса создания машины.
Обратим внимание также на то, что этими расчетами Конструктор определяет номинальные значения размеров по номинальным значениям показателей служебного назначения и свойств материала, и таким образом в номинальных значениях размеров оказывается «зашифрованным» требуемый уровень качества машины.
Очевидно, что для описания требуемой стабильности качества в пространственно-размерном информационном образе у Конструктора нет других средств, кроме допусков на размеры и свойства материалов.
Проиллюстрируем это простейшим примером описания качества соединения двух деталей по посадке с гарантированным натягом Ø 
, схема которой приведена на рис.3.5. Показателем качества такой посадки является натяг i, определяемый как функция крутящегося момента или сдвигающей силы, которую должно преодолевать это соединение. По рассчитанной величине i конструктор выбирает посадку, в которой imin ≥ i , и такой посадкой оказывается p.
Показателем качества такой посадки является натяг i, определяемый как функция крутящегося момента или сдвигающей силы, которую должно преодолевать это соединение. По минимальной величине 
конструктор выбирает посадку p.
 |
Рис.3.5. Схема расположения полей допусков посадки Ø 
Можно полагать, что 
– это номинальное значение натяга, т.е. требуемый уровень качества соединения. Однако, диаметр отверстия в партии соединений отклоняется от номинального в пределах поля допуска 7 квалитета, а диаметр вала – в пределах поля допуска 6 квалитета. В результате этого показатель качества соединения – натяг получит рассеяние по полю 
.
Это поле и будет характеризовать стабильность качества соединения. Выбирая квалитеты точности для вала и отверстия, конструктор задает требуемую стабильность качества соединения.
Требуемую стабильность качества всей машины в пространственно-размерном информационном образе Конструктор описывает (задает) двумя группами характеристик. Первую группу характеристик образуют показатели свойств материалов всех составляющих машину деталей. Эти характеристики для выбранных материалов деталей задает Конструктор в чертежах деталей. Их достижение обеспечивает Технолог в технологических процессах изготовления деталей.
Вторая группа характеристик описывает геометрическую точность машины. Под точностью машины понимают соответствие ее геометрически правильному прототипу. Под геометрически правильным прототипом понимают машину, изготовленную по номинальным значениям всех размеров, составляющих ее размерное описание. Для оценки этого соответствия используются следующие характеристики, называемые показателями точности:
1) допуски размеров исполнительных поверхностей машины;
2) допуски на форму (допускаемые макрогеометрические отклонения формы ) исполнительных поверхностей;
3) допускаемые микрогеометричесие отклонения формы (шероховатость) исполнительных поверхностей;
4) допуски размеров, описывающих взаимное расположение исполнительных поверхностей;
5) допуски размеров, описывающих взаимные перемещения исполнительных поверхностей.
Первые три группы показателей Конструктор задает в чертежах тех деталей, в конструктивную форму которых входят исполнительные поверхности машины. На этом его действия заканчиваются, а достижение требуемых (заданных Конструктором) их значений обеспечивается Технологом в технологических процессах изготовления этих деталей.
Последние две группы характеристик не только задаются Конструктором, но и обеспечиваются назначением особых требований к некоторым составляющим машину деталям и их соединениям. Состав этих особых требований и методика их назначения будут рассмотрены подробно в следующей главе. Здесь только отметим, что все действия по назначению этих требований представляют собой работу Конструктора с информацией, составляющей пространственно-размерный информационный образ машины.
Следующий этап процесса создания машины – ее изготовление, осуществляемое Технологом. Конструкторская документация содержит входную информацию для Технолога о подлежащей изготовлению машине в форме ее пространственно-размерного информационного образа. Для определения роли Технолога как участника информационного процесса обратимся к результату его работы – реальной изготовленной машине, - и ответим на вопрос: «Представляет ли изготовленная Технологом машина новый информационный образ?». Ответ окажется отрицательным, так как изготовленная машина информационно описана теми же информационными средствами, что и в конструкторской документации, т.е. конструктивной формой, свойствами материалов деталей и размерным описанием. Разница только в том, что вся пространственно-размерная информация нанесена на заданные Конструктором материалы деталей, в то время как эта же информация в конструкторской документации находится на бумажных или магнитных (в случае автоматизированного компьютерного проектирования) носителях. Таким образом, речь может идти только о другой форме представления пространственно-информационного образа машины, а роль Технолога как участника информационного процесса создания машины состоит в переносе пространственно-размерного информационного образа с бумажных или магнитных носителей на различные конструкционные материалы. При этом эти образы «тиражируются» в необходимом количестве изготовленных за некоторое время машин. В ходе этого переноса Технолог должен обеспечить адекватность перенесенной информации на каждой изготовленной машине и во всей изготовленной партии, что порождает проблему стабильности технологических процессов во времени. Об адекватности переноса Технологом пространственно-размерной информации можно судить путем сравнения фактически достигнутой точности с требуемой (заданной Конструктором). Схема, поясняющая такое сравнение, приведена на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Схема сравнения достигнутой и требуемой точности размера А
Из схемы видно, что перенос считается адекватным, если выполняются следующие условия:
ωА ≤ ТА; (3.5)
ESω ≤ ES; (3.6)
EIω ≥ EI. (3.7)
Для решения этих задач Технолог располагает банком операторов переноса информации, которые представляют собой методы обработки материалов. Поскольку конструкционных материалов великое множество, банк этот достаточно обширен и непрерывно пополняется. Дополнительной сложностью для Технолога является то, что каждый из методов обработки обладает ограниченными возможностями с точки зрения достижения стабильности обеспечиваемого качества (точности получаемых на материале размеров и свойств материала), что заставляет для обработки одной поверхности детали в зависимости от требуемой точности применять последовательно ряд методов обработки. Поэтому перед Технологом стоит задача организации технологических процессов во времени и в пространстве, решение которой наряду с обеспечением требуемой стабильности качества в партии машин должно обеспечить и минимально необходимые затраты на достижение этого требуемого качества. Это обстоятельство превращает задачи Технолога в технико-экономические и требует от него определенных экономических знаний и умений их применения для оценки проектируемых технологических процессов.
Заключительным этапом процесса создания машины является ее сертификация, т.е. измерение достигнутого качества и его оценка путем сравнения с требуемым. Сертификацию выполняет Метролог, и она состоит из двух частей, каждая из которых обеспечивает в информационной модели обратные связи, позволяющие управлять отдельными этапами процесса создания машины (см. рис. 3.1.).
Первая часть сертификации представляет собой контроль качества переноса пространственно-размерной информации, выполненного Технологом. Контроль выполняется в статике службами ОТК цехов и предприятия в целом. В ходе этого контроля измеряются свойства материалов и пространственно-размерная информация в изготовленной машине и результаты измерений сопоставляются с соответствующими величинами, заданными в конструкторской документации, что позволяет оценить адекватность переноса, т.е. качество работы Технолога. В результате выявляется так называемый производственный брак, который к дальнейшей процедуре сертификации не допускается, а для Технолога является сигналом об отклонениях в технологических процессах.
Конечным результатом сертификации является заключение для потребителя о достижении требуемого качества машины (документ, называемый сертификатом соответствия). Основанием для такого заключения может быть только сопоставление достигнутых в созданной машине значений показателей служебного назначения с указанными в техническом задании на проектирование. Это требует их измерения. Такое измерение осуществляется в ходе эксплуатационных испытаний машины. Например, в ходе эксплуатационных испытаний необходимо подтвердить, что достигаемая при изготовлении деталей на вновь созданном токарном станке точность размера d цилиндрической поверхности соответствует значению показателя служебного назначения, описывающего объект, на который направлено действие машины (обработанную деталь) в техническом задании. Для этого обрабатывают опытную партию деталей, измеряют полученные размеры, результаты измерений обрабатывают методами математической статистики и определяют поле рассеяния. Станок обладает требуемым качеством по этому показателю, если ωd<Td . Аналогичным образом измеряются и оцениваются и другие показатели служебного назначения. С позиций информационного подхода к процессу создания машины в ходе эксплуатационных испытаний Метролог осуществляет обратное преобразование пространственно-размерного информационного образа изготовленной машины в показатели первичного информационного образа.
Эксплуатационные испытания Метролог проводит сначала вместе с Конструктором на первых опытных экземплярах машины. Результаты этих испытаний дают возможность оценить качество выполненного Конструктором преобразования первичного информационного образа в пространственно-размерный. В тех случаях, когда требуемые значения какого-нибудь показателя служебного назначения не достигаются, результаты испытаний служат основанием для внесения изменений в конструкцию или размерное описание машины.
Эксплуатационные испытания машины Метролог проводит также периодически в течение всего времени выпуска запланированной серии для оценки стабильности достижения требуемого качества во времени. В некоторых отраслях с этой целью создаются специальные службы. Примером может служить сеть машиноиспытательных станций сельскохозяйственной техники в различных почвенно-климатических зонах страны.
Сертификация завершает процесс создания машины. Сертифицированная машина поступает к потребителю и начинается процесс ее эксплуатации. Этот процесс сопровождается изменениями качества машины, вызванные ее физическим и моральным изнашиванием. Эти изменения постепенно порождают необходимость замены этой машины другой. «Жизненный цикл» машины заканчивается и начинается процесс создания следующей новой, более совершенной машины.
Контрольные вопросы:
1. Каково содержание и характерные черты информационного процесса?
2. Процесс создания машины как информационный процесс: состав, последовательность и содержание этапов.
3. Информационные образы машины на различных этапах процесса ее создания.
4. Описание и оценка качества машины в различных информационных образах.
5. Роль и задачи Заказчика (потребителя) как участника информационного процесса создания машины.
6. Роль и задачи Конструктора как участника информационного процесса создания машины.
7. Роль и задачи Технолога как участника информационного процесса создания машины.
8. Роль и задачи Метролога как участника информационного процесса создания машины.