Раздел 4. Примеры конструирования мехатронных модулей

Мехатронные модули обладают следующими особенностями:

- использование однотипных унифицированных узлов в различных вариантах компоновки станков, обеспечивающих агрегатно-модульное построение;

- уменьшение времени ремонта за счет поузловой замены;

- расширение и наращивание функций станков за счет добавления мехатронных модулей и узлов;

- создание разветвленных систем диагностики;

- упрощение сервисного обслуживания за счет применения однородных конструкций.

Классификация мехатронных модулей приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Основные виды мехатронных модулей.

Модули подразделяются по виду станочного механизма и по виду системы управления. Станочные механизмы в свою очередь подразделяются на механизмы главного движения, механизмы подачи и вспомогательных перемещений.

Ниже приводятся основные виды конструкций мехатронных модулей (В - модули вращательного движения, Л - модули линейного движения).

Механизмы главного движения:

- Мотор-шпиндель шпиндельный станочный узел, на валу которого монтируется ротор приводного двигателя (В).

- Электрошпиндель - электродвигатель, непосредственно к валу которого крепится режущий инструмент (В).

- Мотор-редуктор - электродвигатель со встроенным планетарным механизмом, обеспечивающим две и более ступеней механической редукции (В).

Механизмы подачи и вспомогательных перемещений:

- Мотор-редукторы со встроенной планетарной передачей (В).

- Мотор-редукторы со встроенной волновой передачей (В).

- Модули линейного движения на базе плоских и пазовых линейных двигателей (Л).

Механизмы подачи, представляющие собой законченный станочный узел:

- Координатные и координатно-силовые столы с позиционированием по одной и двум осям со встроенным двигателем (Л).

- Поворотные столы, на валу которых располагается ротор двигателя (В).

- Плансуппорты. для внутренней расточки и объемной обработки со встроенным двигателем (В, Л).

- Электромеханические инструментальные и револьверные головки (В).

- Шарнирный узел со встроенным двигателем (В).

Технические характеристики мехатронных модулей можно разделить на следующие группы:

1. Основные электромеханические характеристики (в номинальном, максимальном и повторно-кратковременном режимах работы):

- для модулей вращательного движения -мощность, момент, частота вращения (макс., мин.), дискретность углового перемещения;

- для модулей линейного движения - мощность, усилие, скорость перемещения (макс., мин.), дискретность линейного перемещения.

2. Основные технологические характеристики - геометрические и конструктивные размеры (конус шпинделя, макс, длина рабочего хода линейного механизма, диаметр поворотного стола и т.п.).

3. дополнительные технологические характеристики - наличие устройства подачи охлаждающей жидкости в зону резания, наличие устройства зажима-разжима крепления инструмента или детали, наличие устройств встроенного принудительного охлаждения, наличие устройств контроля геометрии обрабатываемой детали и т.п.

Принципиальной особенностью основ проектирования мехатронных модулей является то, что их следует рассматривать как станочный узел и как автоматизированный электропривод, а также как устройство автоматизации технологического процесса металлообработки. При этом должны решаться следующие задачи.

Мехатронный модуль как станочный узел:

- статические, динамические и температурные деформации и их влияние на точность металлообработки;

- упругость механических звеньев, люфты и зазоры;

- технологическая ориентированность станочного узла и особенности узлов для станков различных технологических групп (токарная, сверлильнофрезерно-расточная, шлифовальная и др.). Мехатронный модуль как автоматизированный электропривод:

- силовые параметры (мощность, момент, развиваемое усилие и перегрузочная способность);

- скоростные параметры (частота вращения, линейная скорость);

- координатные параметры (угловое и линейное положение);

- статические и динамические характеристики;

- энергетические характеристики (потребляемая мощность КГIд и др.).

Мехатронный модуль как устройство автоматики:

- обеспечение режимов регулирования скорости, позиционирования, следящих режимов;

- обеспечение режимов программирования, обучения, самонастройки и

- обеспечение режимов оптимизации процессов;

- реализация интеллектуальных функций.

Методы решения новых творческих задач

При создании новых изделий всегда приходится решать творческие задачи потому, что, прежде всего, в новых изделиях всегда должны быть положительные признаки или свойства, которых не было в ранее созданных образцах.

Поиск новых решений развивает творческое воображение и фантазию участников этого поиска. Сам процесс поиска новых решений учит анализировать уже известные решения, сопоставлять их с предлагаемыми, выяснять достоинства и недостатки будущих конструкций, выбирать направления дальнейших поисков и добиваться решения поставленной задачи всеми имеющими техническими и технологическими средствами. Другими словами - новое решение находится путем синтеза.

Первые попытки понять закономерности творческого мышления были предприняты выдающимися учеными - философами древности Архимедом, Гераклитом, а позднее Д. Беконом, Р. Декартом и др. Они установили, что творчеством способны заниматься специально подготовленные для такого рода деятельности личности, обладающие творческим воображением и способностью к аналитическому мышлению. Часто они трактовали специальную подготовку (обученность техническому творчеству) как "божий дар" (одаренность) и приписывали эту одаренность очень ограниченному, часто весьма состоятельному кругу лиц.

Современные представления о творческих людях базируется не только на их врожденной способности все замечать и все изменять вокруг, но и на профессиональном мастерстве или всестороннем знании, т.е. процесс обучения профессиональному мастерству является одним из важных факторов в дальнейшей творческой деятельности.

Известно, что невозможно сделать более или менее важное изобретение в какой-либо области деятельности, если нет хорошего и профессионального представления об этой деятельности. Правда, бывают и редкие исключения, но именно они и доказывают, что это представление можно принять как закономерность. Как уже отмечалось, творчеству можно научить, следовательно, учитывая все вышеизложенное, напрашивается вывод:

- научить творческому отношения к любому делу можно, прежде всего, человека, который желает познать все нюансы своей профессиональной деятельности и который не допустит в этой сфере деятельности никакой маниловщины.

Исторический опыт показывает, что создатели новой техники пользовались некоторыми общими приемами или методами поиска новых решений, способствующих более быстрому достижению цели.

Рассмотрим некоторые из них.

Метод "проб и ошибок". Суть метода состоит в том, что при принятии решения выбирается такой вариант, который, как говорят "лежит на поверхности", т.е. на первый взгляд очевиден. Этот вариант принимается за аналог будущего решения и анализируется с точек зрения положительных и отрицательных свойств. Следующий шаг - устранение (по возможности) отрицательных свойств или сведение их до минимума и получение таким образом следующего варианта. Вновь анализ и вновь вариант. И так до тех пор, пока не найдется приемлемое решение. Как правило, это решение не является наилучшим и не является оптимальным, так как является одним из возможных, множества конкурирующих. Оно найдено случайно, поэтому эффективность такого решения во многом зависит от профессионализма разработчика этого решения и от его интуиции.

Метод "мозговой атаки". Метод появился в 40-е годы XX столетия, когда вторая мировая война обострила потребность поиска новых технических решений в оборонной отрасли многих государств, втянутых в военные действия. Системы вооружений стали уже до этого настолько сложны, что даже их модернизация (не говоря о новых видах) стала не под силу даже гениальным конструкторам-одиночкам. Решение новых технических задач стало уделом групп конструкторов и ученых.

Метод "мозговой атаки" был предложен американским изобретателем А. Осборном, который предложил решать технические задачи коллективу по следующей схеме.

А. Создается группа специалистов, состоящая из сотрудников двух категорий мышления: "генераторов" технических идей и "экспертов", критиков этих идей.

"Генераторы", во-первых, комплектуются специалистами из разных областей науки и техники. Во-вторых, они обладают бурной фантазией, творческим воображением, смелы, оригинальны в своих предложениях, способны к абстрактному мышлению, т.е. способны отвлечься от подробностей, от реальной жизни. В число "генераторов" не включаются люди, находящиеся в административном подчинении друг с другом, т.е. среди нет ни начальников, ни подчиненных. Таким образом исключается стеснение друг друга.

В число "экспертов" включаются люди с аналитическим, практическим складом ума. Обычно это разносторонне развитые люди также не связанные друг с другом никакими административными узами.

Общее руководство группой специалистов ("генераторов" и "экспертов") осуществляет наиболее опытный специалист в той области науки и техники, где необходимо найти новое техническое решение.

Б. Созданная группа проводит совещание. "Генераторы" высказывают свои гипотезы и предложения в свободной форме, устно, часто в форме идеального, фантастического, даже в шутливой форме, без какого-либо критического анализа. Чем больше таких гипотез и предложений, тем лучше. Все высказывания фиксируются. Ведущий старается уточнить некоторые моменты, вызывая и поддерживая "генераторов".

Можно использовать элементы метода "проб и ошибок" (аналогию, подобие), а также метод "теневого кабинета", при котором некоторые участники не высказывают свои идеи вслух. Такие "генераторы" больше склонны работать в "тиши", а не "на виду у всех". Свои идеи, возникающие в процессе подачи предложений, они записывают, а затем передают "экспертам". Длительность этой процедуры 30…40 минут.

"Эксперты" анализируют высказанные идеи, продумывают возможности их использования, делают критический разбор всех предложений.

В. Между участниками "атаки" должны быть доброжелательные отношения. Недопустимы: ухмылки, недомолвки, скептические улыбки, критические замечания и т.п. Идеи, высказанные одним из участников, могут поддерживаться высказываниями других.

Г. Если решение не принято, создается вторая группа участников "мозгового штурма" и т.д. до получения положительного результата.

Метод "обратной мозговой атаки". Суть метода - поиск недостатков в рассматриваемом объекте, на который обрушивается ничем не ограниченная критика. Разновидность метода - "диверсионный метод", который помогает обнаружить скрытые задачи.

Синектический метод. В переводе с греческого языка синектика - это совмещение разнородных элементов. В основу синектики также положена мозговая атака. Но для нее формируют постоянную группу людей в 5 - 7 человек, которые становятся потом профессионалами в генерации новых идей. Этих людей называют синекторами.

Синекторы в своей работе используют аналогии - сходство, соответствие двух предметов или явлений в каких-либо свойствах или соотношениях.

Суть метода в том, чтобы найти близкое по сущности решение путем последовательного нахождения аналогов в различных областях знаний или исследований действий объекта в измененных условиях, даже в фантастических.

Метод "контрольных вопросов". Философ Сократ так искусно задавал вопросы собеседнику, что тот, отвечая на них, сам приходил к наиболее рациональному решению задачи. Суть метода состоит именно в этом умении ставить вопросы на интересующую нас тему. Здесь накоплен довольно солидный опыт.

В практике решения технической проблемы большое распространение получили вопросники, составленные А. Осборном, Т. Эйлоартом, Д. Пирсоном, Д. Пойа, Г.Я. Бушем и др. Одним из лучших считается список вопросов Т. Эйлоарта, который приведен в таблице 1.1.

Благодаря данному методу осознание проблемы происходит более целенаправленно, системно.

Лекция 17.

Морфологический анализ. Этот метод применим для создания сложных технических систем, Он предложен швейцарским астрономом Ф. Цвикки в 1942 году.

"Морфология" - по-гречески учение о форме. Суть метода состоит в том, что сложная система разделяется на составные части по характерным

функциональным признакам. По каждому признаку составляется список возможных вариантов реализации. Эти признаки и варианты их реализации представляются в виде таблицы или матрицы. Перебирая варианты сочетаний разных признаков и вариантов их реализаций, можно найти новое решение.

Например, создается новое транспортное средство - луноход. Выделим отдельные части конструкции по главным признакам и варианты их реализации (табл.1.2).

Составим матрицу:

A1 А2 А3 А4

Б1 Б2 Б3 Б4

В1 В2

Г1 Г2 Г3

Комбинируя варианты из разных столбцов и строк, получим множество вариантов конструкции лунохода. Например, вариант А1Б3В2Г1 дает нам луноход с электродвигателем, шагающим движителем, негерметичной кабиной и управляемым по радио.

Общее количество вариантов определяется произведением количества элементов в каждой из строк. В нашем случае

N = 4 · 4 · 2 ·3 = 96.

Перебирая все возможные варианты и оценивая их по какому-либо критерию можно получить наилучший вариант.

Очевидно, что чем больше параметров перебора (варьирования), тем больше вариантов и тем труднее выявить наилучший результат. В этом случае неоценимую услугу могут оказать ЭВМ.

Метод фокальных объектов. Фокальным называют объект, который собираются совершенствовать. Т.е. он находится "в фокусе" внимания. Суть метода состоит в том, что признаки нескольких случайно выбранных объектов переносят на совершенствуемый объект, в результате чего получаются необычные сочетания, позволяющие преодолеть инерцию мышления.

Например, необходимо сконструировать тот же самый луноход. Берем наугад четыре объекта: лист, катер, клетку и сетку. Составляем список характерных признаков этих объектов и составляем таблицу 1.3.

Генерирование идей происходит путем присоединения признаков случайных объектов к фокальному объекту. Что из этого получается? Попробуйте.

Разновидностью метода фокальных объектов является метод гирлянд случайностей и ассоциаций. От метода фокальных объектов он отличается тем, что дает большее число сочетаний фокального объекта за счет использования синонимов фокального объекта. Например, луноход - планетоход, устройство для передвижения по космическим объектам и т.п.

Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ). Этот метод разработан нашим соотечественником, изобретателем и писателем-фантастом Г.С. Альтшуллером [1].

Метод настолько эффективен, что, используя его, ученые создали ЭВМ, способную делать технические изобретения по заданию заказчика. Суть метода состоит в том, что автор разработал систему правил (алгоритм), последовательно выполняя которые можно найти решение поставленной задачи.

Как отмечалось выше, при решении технических задач часто выявляются противоречия, которые имеют физическую природу. В АРИЗ используется алгоритм по выявлению или уточнению, а также устранению таких противоречий.

Для этого используются 4 механизма:

формируется идеальное (воображаемое) решение, удовлетворяющее всем требованиям (не задумываясь о том, как оно будет реализовано);

выявляется техническое противоречие (что мешает осуществить задуманное);

осуществляется переход от технического противоречия к физическому (выявляется физическое явление, мешающее достичь желаемого результата);

устраняется физическое противоречие;

При реализации этого алгоритма применяются операторы (команды ЭВМ), отображающие информацию о наиболее эффективных способах преодоления физических противоречий (список физических эффектов, типовые приемы устранения противоречий, таблицы различных физических величин и др.).

При устранении физического противоречия широко используется оператор РВС (размеры - время - стоимость):

а) меняем размеры объема от заданного значения до 0 Р ® 0 (что при этом получится?);

б) меняем мысленно Р ® Ґ (как решается задача?);

в) аналогично п. "а", но для В;

г) аналогично п. "б", но для В;

д) аналогично п. "а", но для С;

е) аналогично п. "б", но для С.

Этот прием позволяет освободиться от привычного представления об объекте и преодолеть инерционность мышления, связанную с прошлым опытом.

АРИЗ - постоянно развивающаяся система, она постоянно обогащается новым опытом в решении технических задач. Наиболее известен в нашей стране опыт работы с алгоритмом поиска новых технических решений с помощью ЭВМ в Марийском политехническом университете (г. Саранск) в лаборатории проф. А.И. Половинкина.

Анализ всех приведенных выше методов решения творческих задач показывает, что их можно разделить на две большие группы: на алгоритмические (АРИЗ) и неалгоритмические (все остальные).