1.2. Общие вопросы конструирования механизмов и узлов приборов

Создание нового прибора или установки имеет три этапа:

- разработка технического задания;

- разработка конструкции (конструирование);

- изготовление опытных образцов.

При разработке технического задания устанавливаются: функ­ци­о­нальное назначение, технические характеристики и показатели ка­чест­ва разра­баты­ваемого изделия, предъявляемые к нему эксплу­ата­­ционные, технико-эконо­мические и специальные требования, ко­торые должны:

- касаться общих условий функционирования (точность, на­дёж­­ность, быстродействие, диапазоны работы и т.п.) и условий эксплу­атации;

- быть максимально формализованными в виде матема­ти­чес­ких зависи­мос­тей с возможным сокращением словесных форму­ли­ро­вок;

- конкретизированы в отношении объёма производства, стоимости, габа­ритов, массы, веса, возможностей технологического характера.

Конструкция (лат. construction – строение, устройство, построение, план, взаимное расположение частей) - совокупность деталей и узлов, изготовленных из различных материалов с раз­лич­ными физическими свойствами, находящихся в определённой функ­ци­ональной и физической связи (механической, оптической, элект­ри­ческой, электромагнитной и пр.), обеспечивающая выполнение за­дан­ных функций с необходимой точностью под влиянием внешних и внутренних воздействий и воспроизводимая в условиях произ­водства. Конструкция определяет взаимное располо­жение частей в пространстве, способы их соединения и компоновки, характер взаимодействия.

В основе работы измерительных приборов лежит процесс измерения. Этот процесс характеризуется, с одной стороны, воспри­ятием измеряемой физической величины, а с другой - присвоением ей определённого числового значения. Измеряемая (первичная) величина в общем случае изменяется во време­ни. Это изменение воспринимают первичные преобра­зо­ва­тели (чувстви­тель­ные элементы) средств измере­ний и преобразуют их во вторичную (механическую, электрическую или оптическую) величину на основе физического закона, однозначно опреде­ляющего связь между первичной и вторичной величинами. Вторич­ная вели­чи­на обычно непригодна для непосредственной выдачи в виде источника изме­рительной информации, поэтому она усиливается или преоб­разуется в другую величину, пригодную к выдаче или дальнейшей обработке.

Конструкции измерительных приборов весьма разнообразны, одна­ко их функциональная общность позволяет выделить следу­ющие основные последовательно соеди­нённые функцио­нальные элементы (рис.1.1):

- чувствительные элементы (первичные преобразователи), преобразующие изменение какого-либо пара­метра состояния или процесса (первичной величины) в выходной сиг­нал (вторичную величину), способный быть переданный с наименьшими искаже­ниями;

- передаточные элементы, которые усиливают или повторно преобразуют выход­ной сигнал чувствительного элемента к виду, пригодному для выдачи или к дальнейшей обработке. При механической форме сигнала данную функцию выполняют передаточные механизмы, осуществляющие кинема­тическую связь между подвижными звеньями чувствительного элемента и средствами отображения информации;

- средства отображения информации, сообщающие человеку данные об измеряемой величине.

Рис.1.1. Функциональная схема прибора

Если прибор включается в автоматическую систему, то к перечис­ленным структурным элементам добавляются усилитель, предназ­наченный для усиления полученного от чувствительного элемента сигнала с целью воздействия на регулируемый объект, и исполнительное устройство, предназначенное для изменения взаимного расположения деталей и регулирования параметрами контролируемого объекта. Параллельное получение информации по нескольким потокам (каналам регистрации) производится многока­нальной измерительной системой.

Конструирование – информационный творческий логико-интуитивный про­цесс поиска, создания и получения оптимального варианта пакета документов изделия, содержащих информацию о струк­туре, форме, размерах, матери­а­лах, внешних и внутренних взаи­мосвязях совокупности физических тел и веществ, пред­наз­на­чен­ных для выполнения заданных функций в соответст­вии с требо­ва­ниями технического задания. Результатом конструи­рования явля­ет­ся полный комплект конструк­торских документов, а основная цель данного курса – изучение методов рационального констру­иро­вания измерител­ь­ных приборов и систем.

Процесс конструирования приборов и систем состоит из следующих этапов:

1.Предварительное конструирование, при котором произво­дится предва­ри­­тельный поиск вариантов принципиальных схем или конструкций, сос­тав­ляется несколь­ко вариантов структурных и кинематических схем, вы­би­ра­ется наиболее надёжная из них, вы­пол­няется кинемати­ческий, динамичес­кий и точностной расчёт меха­низма. В ходе расчётов определяются усилия и моменты, дейст­ву­ющие на звеньях механизма и в его кинематических парах, выполняются расчёты деталей на проч­ность, жёсткость, износо­стой­кость.

При этом возможны два основных случая:

- прототипов приборов и экспериментальных установок не имеется. Тех­ни­­­ческие требования разрабатываются на основе техни­ческого задания, вы­да­ваемого заказчиком. В этих случаях прибор или установка строятся по новому принципу, основанному на новом физи­чес­ком эффекте или его новой интерпретации, а от конст­рук­тора требуется логически обусловленная последова­тель­ность мыш­ления и достаточно ши­рокий круг знаний в области мо­делирования, математики и физики, позволяющие выпол­нить мно­го­чис­ленные аналитические и чисто экспериментальные исследо­вания;

- прототипы прибора имеются. Технические требования при этом разра­ба­тываются по аналогии на основе уже изготовленного образца, а от конструктора тре­бу­ются знания и опыт графического отображения элементов прототипа и оформления конструкторского материала по правилам ЕСКД.

2. Разработка вариантов эскизной компоновки, когда произ­во­дятся эс­киз­ные наброски и масштабное прочерчивание, совмещение конструк­тив­ных функций различных частей устройства.

3.Разработка окончательного варианта компоновки. Выполняется в масштабном изображении, прорабатываются ва­рианты упрощения конст­рук­ции, удаления деталей, без которых можно обойтись.

4. Построение и вычерчивание общей сборки. Здесь, хотя и чистовое вычер­чивание, но происходит подгонка деталей и под­го­товка деталировки. Производится методом “проб и ошибок”, иногда с возвратом назад.

5. Разработка рабочей конструкторской документации.

Первый этап конструирования называется проектированием, при кото­ром на основе учёта требований технического задания и знаний основных физических закономерностей производится поиск оптимального варианта прин­ципа действия и устройства разраба­тыва­емого изделия. В соответствии с этим конструк­торские доку­мен­ты подразделяются на проектные (техничес­кие предло­же­ния, эскизный и технический проекты) и рабочие (рабочая конст­рук­торская документация).

Одним из средств оптимизации конструкции являются расчёты. Будучи связанными с упрощающим решение задач физи­ческим и матема­тическим моделированием сложных процессов и функций, расчёты всегда имеет определённую погрешность. Для повышения точности расчётов конструктор должен вносить в них определённые поправки на основе использования опыта модели­рова­ния, эксплуатации и изготовления подобных изделий.

Разработка документов, их оформление, обра­­щение и хранение должны соответствовать опреде­лён­ным пра­вилам и положениям, сформулированным в единой системе конст­рукторской документации (ЕСКД) – комплексе государственных стандартов. ЕСКД обеспечивает:

- возможность взаимообмена конструкторскими документами между различными организациями без их переоформления;

- стабилизацию комплектности документов;

-возможность расширения унификации при конструкторских разработках;

-упрощение форм конструкторских документов и графических изображений;

-автоматизацию обработки технических документов;

-улучшение условий подготовки и переналадки производства.

Установленные стандартами ЕСКД правила и положения по разработке, оформлению и обращению документации распростра­няются на все виды конструкторских документов (чертежи, схемы, технические условия и др.), а также учётно-регистрационную доку­ментацию (карточки учёта, инвентарная книга регистрации и др.)

Механические функциональные узлы в приборах используют в первую очередь для передачи и преобразования механических сигна­лов и значений функций. Передача энергии при этом - вто­ро­сте­­пенная задача, поэтому, в от­ли­чие от механизмов машин, они малогабаритны, что позволяет развивать большие угловые скорости и одновременно обеспечивать высокую точность позиционирования.

Требования, предъявляемые к отдельным механизмам измери­тельных прибо­ров, тесно связаны с требованиями, которые предъявляются ко всему прибору, основные из них следующие:

- точность выполнения измерений;

- высокая надёжность механизма;

- технологичность механизма;

- экономичность изготовления, содержания и эксплуатации;

- эстетичность.

В удовлетворении этих требований, рассматриваемых как критерии опти­­мизации прибора, состоит главная задача констру­и­ро­ва­ния, решение которой применительно к механическим элемен­там приборов обеспечивается, главным образом, правильным вы­бо­ром кине­матической схемы механизма, материала его деталей, их фор­мы и размеров, допусков на эти размеры и шероховатости поверхности, выбором типа сопряжения или способа связи одной детали с другой.