Тема № 1.1

Прибор, как техническая система. Основная задача и принципы приборостроения. Стадии жизненного цикла прибора. Технологичность объекта производства (прибора). Принципиальная схема отработки прибора на технологичность

Прибор, как техническая система

Рассмотрение технологии изготовления каждого прибора в отдельности теоретически возможно, но практически нерационально по разным причинам.

Во-первых, имеется большое число самых разнообразных приборов, а значит и рассмотрение технологий будет настолько длительным, что не хватит отведённого учебного времени.

Во-вторых, отдельные группы приборов имеют сходную технологию и потому неизбежны повторы и дублирование информации.

В-третьих, одни и те же приборы могут иметь разные технологии изготовления в различных производственных условиях, что невозможно отследить и потому внесёт неопределённость и недосказанность.

Таким образом, будет более эффективно вначале рассмотреть общую стратегию приборостроения и создание прибора, как такого, вне его конкретного назначения. А затем, в следующих темах, уделить внимание типовым рекомендациям и представлениям в отношении техники и технологий.

Прежде всего, говоря о приборе, как о неком абстрактном объекте, важно показать, что он является системой. Зачем? Затем, что, приступая к созданию такого объекта, нужно опираться на теорию и практический опыт, который уже имеется в наличии в отношении других, подобных или похожих объектов.

Известно, что существует общая теория систем, которая устанавливает междисциплинарные правила построения и функционирования системных объектов. Установив, что прибор – системный объект, мы автоматически получаем право на пользование этими правилами.

Доказательством того, что любой прибор можно считать системой является то, что он обладает четырьмя основными системными признаками.

1. Делимость на элементы. Действительно, любой прибор состоит из крупных и мелких узлов (сборочных единиц), которые, в свою очередь, разбираются до уровня деталей.

Под деталью понимают изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций.

Под сборочной единицей понимают изделие, составные части которого подлежат соединению между собой сборочными операциями (свинчиванием, клёпкой, сваркой, пайкой и т.п.).

2. Целостность. Все детали, составляющие прибор, обеспечивают ему функционирование согласно назначению. Прибор становится обладателем тех новых функций и свойств, которые отсутствовали у отдельных его элементов, а также отсутствуют у другого прибора, состоящего из других деталей.

3. Структура. Все элементы прибора связаны друг с другом в определённой иерархической последовательности, имеют устойчивые отношения между собой и выполняют строго определённые функции.

4. Организация. Прибор находится в определённых пространственных и временных отношениях с окружающей средой: имеет определённый срок жизни и предполагает наиболее благоприятные условия создания, функционирования, обслуживания и утилизации.

Системный подход исходит из того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывается особенностями составляющих его частей и элементов, а заключена в характере связей и отношений между ними. Это позволяет создавать более адекватные действительности модели сложных объектов и процессов.

К числу важнейших системных принципов относят принцип совместимости элементов внутри системы и системы с окружающей средой, а также принцип многоуровневой декомпозиции, т.е. рационального расчленения системы на элементы различной степени сложности.

Итак, прибор является системой, но какой? Ведь системы бывают разные. Прибор является системой технической. Отличительной чертой прибора, как технической системы, от других систем является то, что он создается:

• искусственно и целенаправленно (например, в отличие от биологических систем, которые возникают естественным образом и развиваются порой непредсказуемо);

• из природных материалов и процессов (например, в отличие от виртуальных компьютерных моделей, которые выглядят очень натурально, но материально не существуют);

• на основе закономерностей в природе, достижений науки и техники (например, в отличие от фантастических проектов типа вечного двигателя);

• с целью реализации строго определенных функций и задач (например, в отличие от биологических систем, функции и задачи которых выявляются человеком уже после их создания).

Главные показатели прибора

Функции и задачи прибора предопределяют перечень главных его показателей. В общем случае, в состав основных таких показателей входят: производительность, экономичность, прочность, надёжность, масса и металлоёмкость, габаритные размеры, энергоёмкость, объём и стоимость ремонтных работ, ресурс долговечности, степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.

Основная задача и основные принципы приборостроения

Современное приборостроение базируется на научно-техническом творчестве, теории стандартизации и экономике производства.

Основная задача приборостроения состоит в обеспечении оптимального сочетания новизны и традиции, с учетом соответствующих затрат. Создаются приборы, отвечающие потребностям заказчика, дающие определённый экономический эффект и обладающие оптимальными технико-экономическими и эксплуатационными показателями.

Успешно решить данную задачу можно и нужно, применяя соответствующие принципы приборостроения, которые носят общесистемный характер. Рассмотрим некоторые из них.

• Принцип целесообразной преемственности: «создавая новое, не следует пренебрегать «старым», т.е. устоявшимся, тем, что хорошо себя проявило на практике и морально ещё не устарело». Об этом же говорит правило, сформулированное ещё в начале XX века Гюльднером: «меньше изобретать, больше конструировать» 4. Данный принцип ускоряет и удешевляет процесс создания нового прибора, с сохранением его прежней надёжности и работоспособности.

• Принцип взаимозаменяемости: «детали, используемые в приборе и вышедшие из строя, должны легко заменяться точно такими же или подобными». Это обеспечивает экономичность прибора за счёт стандартизации деталей и действий по их соединению.

• Принцип агрегатирования: «прибор следует создавать из типовых узлов и механизмов, обладающих определённой функциональной самостоятельностью и взаимозаменяемостью». Это позволяет наиболее рационально организовать производство, модернизацию, эксплуатацию, ремонт и утилизацию прибора.

• Принцип аналогий (подобия): «при отсутствии очевидных решений следует обратиться к своему или чужому прежнему опыту, либо, если и это не помогает, следует заимствовать «свежие» идеи и решения из смежных областей знаний». В последнем случае, речь идёт, например, о явлениях природы, или решении аналогичных задач в биологии, химии, физике и т.п. Такой подход позволяет найти оригинальные и неожиданные решения в затруднительных ситуациях.

• Принцип адаптивности (приспособляемости): «в конструкции прибора необходимо предусмотреть его «безболезненную» приспособляемость к различным потребностям заказчиков». Эти изменения могут касаться цвета, размеров, формы и т.п. (в крайнем случае, даже отдельных функций), т.е. того, что кардинально не меняет принципа работы, но, тем не менее, важно для потребителя. В результате прибор быстро и экономично совершенствуется в связи с изменениями потребностей рынка.

• Принцип оптимальности (предпочтительности): «из нескольких возможных решений необходимо выбирать лучшее». Для этого следует иметь конкретный и обоснованный критерий (или критерии) выбора, поскольку каждое отдельное решение может быть лучшим в чём-то своём. Критерий, в свою очередь, определяется техническим заданием на производство прибора и зависит от заказчика.

Данный принцип касается проблемы соотношения универсальности и специализации прибора. Универсальность расширяет возможности прибора, но усложняет и удорожает его. Специализация ограничивает область применения прибора, но упрощает и удешевляет его. Необходимо учитывать конкретные условия применения прибора. Нельзя, например, произвольно увеличивать производительность прибора, не учитывая производительности смежного оборудования.

• Принцип технической эстетики: «прибор должен иметь красивый внешний вид, изящную, строгую отделку». Данный фактор напрямую влияет на привлекательность и покупаемость прибора.

Стадии жизненного цикла прибора

Под жизненным циклом прибора будем понимать путь и время его существования. В общем случае, различают семь стадий жизненного цикла любого прибора. Надо сразу отметить, что границы между стадиями нечёткие и в составе одних стадий могут присутствовать элементы других.

1. Научная подготовка производства (нпп)

• Изучение потребностей в производстве прибора и принятие решения (например, отказаться от выпуска, или отложить выпуск прибора на определённое время, или организовать поиск аналога среди приборов, имеющихся в стране и за рубежом, или приступить к немедленному выпуску без поисковых работ).

• Проведение научно-исследовательской работы (НИР) с расчётами принципа действия прибора, условий функционирования и т.п.

• Проведение научных экспериментов: построение математических и компьютерных моделей.

В случае положительного решения по выпуску прибора, после выполнения данной стадии, информация о приборе представлена в виде технического задания на его производство. Зачастую стадия НПП объединяется со стадией КПП.

2. Конструкторская подготовка производства (кпп)

• Анализ периодических источников и патентное исследование среди существующих конструкций приборов, отдельных узлов, механизмов и т.п. Как написано в справочнике за 1977 год 4, «публикации в зарубежной литературе часто бывают завуалированными, по присущему капиталистическому хозяйству стремлению охранять фирменные секреты. Конструктор должен уметь читать между строк. Иногда короткое сообщение содержит многозначительные намёки на готовящиеся крупные нововведения в данной отрасли машиностроения». История конструирования знает примеры, когда после создания того или иного механизма выясняется, что такой механизм уже давно разработан и применяется другими. В своё время в советской печати приводился такой факт. «Специально созданная в США исследовательская группа 5 лет искала математическое решение задачи, связанной с системой переключений линий связи. На работу было затрачено 200 тыс. долларов. И лишь после того, как задача была решена, американские учёные узнали: в СССР это решение было опубликовано задолго до того, как они принялись за работу». Таким образом, при создании нового механизма конструктор должен «смотреть вперёд, оглядываться назад и озираться по сторонам» 4.

• Инженерное прогнозирование: проведение прочностных, точностных, экономических и прочих расчётов будущей конструкции прибора. Основная задача заключается в правильном выборе параметров прибора. Частные конструкторские ошибки исправимы в процессе изготовления и доводки прибора. Ошибки же в параметрах и в основном замысле прибора не поддаются исправлению и нередко ведут к провалу конструкции. На этом этапе не следует щадить ни времени, ни усилий на изыскания. Здесь более чем где либо, действительно правило: «Семь раз отмерь, один раз отрежь».

• Проведение опытно-конструкторских работ (ОКР): выполнение чертежей отдельных наиболее ответственных и принципиальных узлов конструкции прибора.

• Создание действующего макета будущего прибора.

После выполнения данной стадии информация о приборе представлена в виде конструкторской документации (сборочных чертежей и чертежей деталей) и макета.

3. Технологическая подготовка производства (тпп)

• Отработка деталей, сборочных единиц и прибора, в целом, на технологичность.

• Разработка технологических процессов (ТП) изготовления деталей, сборочных единиц и всего прибора, в целом.

• Разработка специального технологического оснащения, при условии невозможности применения существующего.

• Организация и управление ТПП: создание производственных подразделений, подготовка технических, инженерных и управленческих кадров.

После выполнения данной стадии информация о приборе представлена в виде технологической документации (карт, эскизов, ведомостей и т.п.).