Этапы конструкторской проработки.
Проведение технологических исследований.
Разработка принципиальной схемы устройства.
Анализ состояния вопроса и поставленной задачи.
Общие положения.
ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ТЕХНИКО-ХУДОЖЕСТВЕНН0ГО КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Л е к ц и я 6
План:
6.1. Общие положения. Рассмотрение основ композиции и эргономики со всей очевидностью доказывает, что техническое и художественное конструирование неотделимы друг от друга. Высокие эстетические показатели промышленного оборудования есть следствие использования современной технической идеи, тщательности специальных расчетов и правильности отражения сущности изделия в форме. Поэтому не может быть специальной методики только художественного конструирования, ибо процесс создания нового технического изделия не может быть искусственно разделен на две независимые части. Ошибки в техническом проекте не могут быть исправлены дизайнером.
Основные этапы процесса конструирования, начиная с анализа поставленной задачи и заканчивая оформлением изделия, в специальной литературе разработаны недостаточно, несмотря на высокую актуальность проблем методологии технического творчества. Графически они могут быть представлены следующим образом:
В системе Минлеспрома в СССР существовало несколько научно-исследовательских институтов, специализирующихся на отдельных отраслях промышленности и ответственных за разработку соответствующего оборудования: лесопиление - Центральный научно-исследовательский институт механической обработки древесины (ЦНИИМОД); фанерное производство - ЦНИИ фанеры; производство древесных плит - ВНИИ деревообрабатывающей промышленности (ВНИИдрев) объединения Союзнаучплитпром; мебельное производство - Всесоюзный проектно-конструкторский и технологический институт мебели (ВПКТИМ); лесозаготовки - ЦНИИ механизации и энергетики лесной промышленности (ЦНИИМЭ) и др. Кроме того, в системе Минстанкопрома работал ВНИИ деревообрабатывающего машиностроения (ВНИИдмаш). В этих институтах разработка технического задания осуществлялось специализированными технологическими лабораториями, а разработка технической документации - конструкторским бюро, обслуживающим все лаборатории института и выполняющим их заказы.
Процесс конструирования не заканчивается изготовлением опытного образца оборудования. Как правило, результаты испытания вскрывают недостатки конструкции и вынуждают проводить корректировку чертежей. Если испытания в целом положительны, то образец рекомендуется к изготовлению в малой серии и проверяется в производственных условиях.
6.2. Анализ состояния вопроса и поставленной задачи.Необходимость в разработке нового станка, машины, прибора, автоматической линии или модернизация действующего оборудования вызываются объективными факторами технического прогресса - необходимостью повышения производительности труда и качества продукции, улучшения условий труда и т.д. Конструктор обязан проанализировать поставленную перед ним задачу с точки зрения ее актуальности и целесообразности решения с учетом конкретных условий. Дело в том, что часто конструктору предлагают модернизировать оборудование, принцип работы которого уже устарел. Какие-либо количественные изменения в нем не способны дать желаемый экономический эффект, поскольку нужно менять оборудование качественно, искать новый принцип выполнения старой функции. В этом заключается основной смысл и цель конструкторской деятельности.
Аналитическая работа по изучению состояния вопроса называется также типологическим анализом, цель которого изучить типы существующего аналогичного оборудования и динамику их развития. На этой стадии принимается во внимание опыт проектирования и изготовления аналогичных изделий в отечественной и зарубежной практике, анализируются общественные, технические и эстетические характеристики, их изменения. Это позволяет выявить лучший мировой образец данного оборудования, его достоинства и недостатки. Особо пристальное внимание нужно уделить изучению патентных материалов наиболее развитых индустриальных стран, так как принципиальная схема, заложенная в техническом задании, не должна повторять какую-либо техническую идею, запатентованную в другой стране. Международное патентное право требует покупки патента для реализации этой идеи. Поэтому важной частью типологического анализа является патентная экспертиза. Помощь в этой работе оказывают патентные отделы, имеющиеся на всех крупных предприятиях и в институтах. Не редки случаи, когда более целесообразно купить патент, то есть право использовать удачную идею, чем разрабатывать новую машину или станок.
Требования технической революции таковы, что каждое вновь разрабатываемое промышленное оборудование должно быть на уровне лучших мировых образцов, то есть должно обладать необходимыми признаками новизны и полезности. Современный инженер-конструктор обязан знать основы патентного дела и теории изобретательства как необходимые условия успешной работы.
6.3. Разработка принципиальной схемы устройства.Данная часть работы является наиболее творческой. От конструктора здесь требуются изобретательские навыки, приобретение которых связано с опытом работы и умением вести целенаправленный поиск. Нужно избегать весьма распространенного, но неэффективного метода проб и ошибок. Значительную помощь в разработке схемы устройства окажет теория изобретательства, основы которой разработаны Г.С. Альтшуллером. Он проанализировал 45 тыс. изобретений и нашел типовые приемы решения изобретательских задач, а также сформулировал важные понятия общего характера. Сущность этой работы заключается в следующем.
Проведена классификация изобретений по их творческим уровням:
1. Использован готовый объект без выбора или почти без выбора, задача и средства ее решения лежат в пределах одной профессии, одного раздела отрасли.
2. Выбор одного объекта из нескольких. Задача решается в пределах одной отрасли, но методом, взятым из другой отрасли.
3. Частичное изменение выбранного объекта. Решение лежит в пределах одной науки, например, механическая задача, решается механистически.
4. Создание нового объекта или полное изменение исходного. Задача решается методом из другой отрасли знаний, например, задача из области механики решается способом, характерным для химии.
5. Создание нового комплекса объектов. Решение вообще лежит за пределами современной науки, то есть ему должно предшествовать открытие.
При анализе изобретений по 14 классам за 1965-1969 гг. получены следующие данные по соотношению количества изобретений различного уровня: 1-й уровень - 32, 2-й уровень - 45, 3-й уровень - 19, 4-й уровень - менее 4, 5-й уровень - менее 0,3%. Следовательно, 77%зарегистрированных изобретений представляют собой лишь новые конструкции. Такая задача вполне по силам каждому инженеру. При отыскании решения обычным способом проб и ошибок здесь требуется перебрать несколько десятков вариантов. Для изобретений более высокого уровня требуются тысячи и даже миллионы проб, что практически невыполнимо. Теория изобретательства позволяет заменить простой перебор вариантов целенаправленным решением.
История развития техники показывает, что каждая машина стремится к определенному идеалу. Под идеальной машиной понимается такая машина, габариты которой почти совпадают с размерами обрабатываемого материала, а все части выполняют полезную работу в полную меру своих расчетных возможностей. Это понятие играет огромную роль в теории изобретательства, так как указывает направление поисков - изобретатель должен приближать свое решение к идеальному результату.
Не менее важным является понятие технического противоречия, то есть противоречия между двумя свойствами машины, из которых каждое мешает улучшению другого. Например, в таком противоречии находятся мощность и вес двигателя, так как увеличение мощности требует резкого увеличения веса и инерционных масс. Разрешить противоречие можно лишь на основе нового принципа работы двигателя. Другими словами, обычная задача переходит в разряд изобретательских, если необходимым условием ее решения является устранение технического противоречия. Опытные конструкторы умеют поступаться какими-либо техническими показателями и находить компромиссное решение, не устраняя самого технического противоречия. Задача изобретателя принципиально иная - он обязан предложить решение, которое устраняет противоречие.
В книге Г.С. Альтшуллера можно найти алгоритм решения изобретательских задач и типовые приемы устранения технических противоречий. Знакомство с ними будет полезно всем, кто имеет отношение к конструированию технических средств.
6.4. Проведение технологических исследований.После выбора оптимальной схемы технического устройства процесс конструирования не может начаться до тех пор, пока не будут найдены оптимальные параметры машины и процесса, который она выполняет. Поэтому следующим этапом является проведение исследований в целях определения необходимых данных. Такие работы проводятся, как правило, на специальной экспериментальной установке, имитирующей найденную принципиальную схему.
На основании полученных результатов может быть составлено техническое задание на проектирование - основной документ, дающий право и возможность конструкторскому бюро разрабатывать новое промышленное изделие. В этом документе находят отражение все предшествующие работы: типологический анализ, патентная экспертиза, исследовательские работы. В техническом задании указывают назначение изделия, область его применения, основные технические характеристики проектируемого изделия и лучшего зарубежного образца, приводят принципиальную схему устройства с необходимыми расчетами, требования по технике безопасности, справку о поиске патентных материалов и, при необходимости, специальные требования.
Техническое задание рассматривается экспертным советом предприятия - специальным органом, призванным контролировать создание новых образцов техники, а также заявки на изобретения.
6.5. Этапы конструкторской проработки.После внимательного изучения технического задания конструкторская группа составляет варианты конструктивных решений и первоначальных компоновок. Успешная работа в этом направлении возможна только с учетом требований эргономики и композиции. Комплексный подход к конструированию означает, что учитываются все стороны качества - польза, удобство и гармония. Выбор оптимального варианта зависит от множества факторов, из которых главными можно назвать следующие:
Мощность, производительность. Требуемая мощность станка (машины) отражается, прежде всего, на его величине. Во избежание громоздкости конструктор обязан подумать об использовании материалов с повышенными физико-механическими показателями.
Предельный вес изделия. Для некоторых машин приходится лимитировать предельный вес в связи с вопросами транспортирования, разгрузки-выгрузки и др.
Легкость ухода за изделием. Уже на первых стадиях проработки конструктор должен иметь в виду, как и когда, будет производиться смазка, как облегчить замену изношенных деталей, как поддерживать чистоту изделия.
Возможность использования неметаллических материалов. В наши дни уже появилось большое количество новых синтетических материалов, особенно пластмасс, которые во многих случаях способны вытеснить металл там, где не нужно использовать чисто металлические свойства материала. Внедрение пластмасс в ряде случаев дает большой эффект, позволяет избежать недостатков металла (высокой теплопроводности, температурного расширения). Внедрение новых материалов может способствовать тому, чтобы станок (машина) отвечал более высоким эстетическим требованиям.
Производственные возможности завода-изготовителя. Разработка вариантов должна производиться с учетом возможностей изготовителя (станочного парка, снабжения материалами). Иначе фактическое изготовление значительно будет отличаться от запроектированного изделия. Это приведет к удорожанию изделия, увеличению его веса и, конечно, к ухудшению внешнего вида.
Технологичность изделия. Первейшая обязанность конструктора обеспечить возможность легкого изготовления всех деталей конструкции и простоту сборки. Опыт показывает, что для начинающих конструкторов этот вопрос является одним из самых трудных, поскольку удачное решение возможно при детальном знании технологии металлов, деталей машин и ряда других общетехнических и специальных дисциплин.
Вид привода. Конструктор должен выбрать оптимальный вид привода - механический, электромеханический, гидравлический, пневматический. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому в каждом конкретном случае нужно выбирать наиболее подходящий вид привода. Нужно учитывать также современную тенденцию создавать отдельный привод на каждый исполнительный механизм.
Возможности транспортировки и хранения изделия. Это условие также сказывается на размерах изделия, его весе и форме. Габариты оборудования следует согласовывать с дверными проемами, габаритами железнодорожного, морского или автомобильного транспорта.
Возможности типизации, нормализации и агрегатирования. Наличие тех или иных нормативных документов, касающихся данного изделия, накладывает свой отпечаток на все стороны продукции. Конструктор должен знать и уметь пользоваться нормативной документацией в своей отрасли. В машиностроении все большее распространение получает создание машин на основе нормированных узлов-агрегатов широкого использования. Эта тенденция требует нового подхода к конструированию, умения согласовывать между собой целые узлы, а не отдельные детали.
Пространство, в котором будет работать изделие. На технико-художественное решение изделия влияют размеры, форма и оснащенность места, в котором будет работать изделие, климатические условия места эксплуатации.
Размер изготовляемой партии. Чем крупнее серия изготовляемой продукции, тем большими возможностями располагает конструктор, так как затраты на исследовательские и конструкторские работы могут быть увеличены. Одновременно возрастает и ответственность конструктора за экономичность проекта.
С учетом изложенных факторов конструкторская группа выбирает наилучшую компоновочную схему нового изделия, основные материалы, конструкции рамы и других основных узлов, тип привода, выполняет необходимые расчеты. Участие дизайнера в этой работе обязательно, так как на последующих этапах конструирования можно выполнить лишь стилизацию объекта, а этого недостаточно для создания современного эстетического вида. Добиться единства формы и содержания можно лишь наоснове глубокого проникновения в сущность изделия, правильного учета особенностей используемых материалов и технологии их обработки. Форма станка (машины, прибора) зарождается на стадии выбора компоновочной схемы, поэтому этот этап надо считать и этапом художественной проработки изделия.
После того как новое изделие в общих чертах определится, можно приступать к разработке его эргономической схемы. В первую очередь, следует согласовать размеры проектируемого объекта с размерами человека, пользуясь приемами моделирования или соматографии и используя справочные данные по антропометрии. Полезно на всех проекциях изделия нанести оптимальную и максимальную рабочие зоны рук и ног, показать размеры зрительного поля. Такая работа позволит избежать ошибок в размещении органов управления и средств отображения информации. После этого нужно спланировать рабочее место оператора, учитывая характер его действий, наличие автоматических устройств, объем поступающей информации и других факторов, о которых говорилось ранее. Конструктор не должен забывать и о мерах по обеспечению техники безопасности, в частности, о снижении шума и вибрации, удалении отходов, защите электрооборудования от пробоя и др.
Отработка формы - второй и заключительный этап работы дизайнера. Главное на этом этапе не искать обособленной формы изделия во имя отвлеченных понятий о красоте, а постараться увидеть нужную форму машины согласно ее функции и основным использованным материалам. Нужно учесть, что композиционным центром машины должна стать та ее часть, где выполняется основная рабочая функция, и постараться выделить центр всеми доступными средствами. Художник-конструктор обязан добиться целостности формы за счет единого стилистического решения, малой расчлененности, зрительной уравновешенности. Здесь в полной мере должно появиться знание основных свойств пространственных форм и основных средств композиции. Большой эстетический эффект может дать пропорционирование основных объемов машины, метрические и ритмические повторы элементов, контрастирование и нюансировка отдельных узлов и деталей, продуманное цветовое решение изделия.
Наибольший эффект в деле отработки формы и приспособления ее к человеку дает изготовление макета из вспомогательных, легко обрабатываемых материалов, так как графические средства не позволяют полностью воспроизвести зрительный эффект изделия. На макете окончательно отрабатывается общая композиция станка (машины, прибора), элементы отделки, цвет, фактура поверхности и многое другое.
Все перечисленные работы завершаются изготовлением рабочих чертежей будущего изделия, которые передаются заводу-изготовителю. На последующих стадиях необходим постоянный контроль над ходом изготовления заказа, чтобы исполнение соответствовало проекту. Опытный образец оборудования вскрывает положительные стороны проекта и его недостатки и, как правило, дает достаточно оснований для существенных изменений в техническом, эргономическом и композиционном отношениях.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. - М.: Московский рабочий, 1973.
2. Ашкенази Г.И. Цвет в природе и технике. - М.: Энергия, 1974.
3. Волынский В.Н. Основы художественного конструирования: Конспект лекций. – Архангельск: АЛТИ, 1977. – 49 с.: ил.
4. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов. Пер. с англ. – М.: Мир, 1968.
5. Иоганек Т. и др. Техническая эстетика и культура изделий машиностроения. Пер.с чешск. – М.: Машиностроение, 1969.
6. Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 1. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 544 с.
7. Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 2. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 544 с. – С. 63.
8. Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 3. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 512 с. – С. 219.
9. Родионов СВ., Янов В.В., Онегин В.И. Основы художественного конструирования промышленных изделий. Введение в художественное конструирование. - Л.: ЛТА, 1969.
10. Сомов Ю.C. Композиция в технике. - М.: Машиностроение, 1972.
[1] Фаэтон (гр.Phaethon, от phaо – сиять, сверкать)- … ист. Лёгкий четырёхколёсный экипаж с откидным верхом. авт.Легковой автомобиль с открытым кузовом… [Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 3. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 512 с. – С. 267].
[2] Канделябры (фр. сandelabre; от лат. сandelabrum) – подсвечник, сandela – свеча. Большой подсвечник для нескольких свеч [Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 2. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 544 с.– С. 20].
[3] Клавесин (фр.clavecin) – ист. муз. Старинный клавишный музыкальный инструмент, предшественник фортепиано [Там же. – С. 63].
[4] Омнибус (лат. omnibus – для всех) – ист. Многоместная карета, запрягавшаяся лошадьми, поддерживавшая регулярное сообщение между определёнными пунктами [Там же. - С. 366].
[5] Трансмиссия (лат.transmissio – пересылка, передача) – тех. Устройство, состоящее из валов, шкивов, муфт и механизмов управления, для передачи движения от двигателя к рабочим машинам [Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 3. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 512 с.– С. 219].
[6] Унификация (лат. Unio – единство + facere – делать)- книжн., спец. Приведение чего-л. К единой норме, к единообразию [Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 3. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 512 с.– С. 248].
[7] Дискретный (от лат. diskretus) –книжн. Прерывистый, состоящий из отдельных частей. Мат. Раздельный, прерывный [Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 1. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 544 с. – С. 438].
[8] Мнемоника, мнемотехника (гр. Mnemonika (technema) – психол.Совокупность приёмов, имеющих целью облегчить запоминание возможно большего числа сведений, фактов; основана гл. обр. на законах ассоциации [Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 2. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 544 с. – С. 293].
[9] Акселератор (от лат. accelerare ускорять) – тех. Педаль (ножной рычаг) регулировки количества горючей смеси, поступающей из карбюратора в цилиндры двигателя, чем изменяется скорость движения автомобиля [Надель-Червинская М.А., Червинский П.П. Большой толковый словарь иностранных слов в трёх томах, т. 1. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 544 с. – С. 71].