ANALIZA PODOBIEŃSTWA CECH KONSTRUKCYJNYCH PROJEKTOWANYCH ELEMENTÓW Z ANTYWZORCAMI PROJEKTOWYMI

PODOBIEŃSTWO PROJEKTU I ANTYWZORCÓW prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak dr hab. Maciej Majewski, dr inż. Zbigniew Budniak ANALIZA PODOBIEŃSTWA CECH KONSTRUKCYJNYCH PROJEKTOWANYCH ELEMENTÓW Z ANTYWZORCAMI PROJEKTOWYMI 00:00:00 --:-- --.--.---- 1 53

Metodyka oceny podobieństwa projektu i antywzorców Artykuł przedstawia opracowaną metodykę analizy podobieństwa cech konstrukcyjnych projektowanych elementów maszyn z antywzorcami. METODYKA TA POZWALA NA NORMALIZACJĘ PARAMETRÓW CHARAKTERYZUJĄCYCH WYBRANE ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE I KLASYFIKACJĘ ICH JAKOŚCI. ZDEFINIOWANE ANTYWZORCE SĄ UOGÓLNIONĄ DEFINICJĄ MOŻLIWYCH PRZYPADKÓW ZŁYCH ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH. OPRACOWANO TAKŻE ATRYBUTY ANTYWZORCÓW ORAZ ICH KLASYFIKACJĘ ZE WZGLĘDU NA PRZYCZYNY POWSTAWANIA BŁĘDNYCH ROZWIĄZAŃ. Metodykę do oceny zgodności rozwiązania projektowego i antywzorca pokazano na przykładach wałków stopniowych. Omówiono przyczyny powstawania błędów, ich znaczenie i podobieństwo do innych błędów. Efekty stosowania oceny podobieństwa antywzorców oraz synergii ze stosowaniem chwytów wynalazczych przedstawiono na przykładach rozwiązań konstrukcyjnych przekładni ślimakowych z regulowanym luzem bocznym. 00:00:00 --:-- --.--.---- 2 53

Zalety stosowania antywzorców Pojęcie antywzorców z powodzeniem wykorzystywane w inżynierii oprogramowania, może być inspiracją do zastosowania w innych zadaniach inżynierskich. Najkorzystniej w takich zadaniach, w których korzystając z heurystycznego budowania koncepcji, nie ogranicza się projektanta do posługiwania się wzorcami, lecz oczekuje się innowacyjnych rozwiązań o wysokim poziomie nieoczywistości w stosunku do znanej wiedzy. Zagadnieniom optymalnego konstruowania poświęcono wiele publikacji. Wiele metod jest przydatnych w przyjęciu decyzji o wartościach cech konstrukcyjnych. W podejmowaniu decyzji uwzględnia się naprężenia i odkształcenia, zgodność geometrii i topologii ze skończonego zbioru odmian z innymi elementami konstrukcyjnymi. JEDNAKŻE PRZYDATNOŚĆ TYCH METOD W TWORZENIU KONCEPCJI PROJEKTU JEST OGRANICZONA. 00:00:00 --:-- --.--.---- 3 53

Wady stosowania wzorców projektowych Zbiór metod stosowanych w rozwiązywaniu problemów w projektowaniu elementów maszyn obejmuje wiele zagadnień analizy i eksploracji danych. Do tego zbioru metod można jeszcze dodać wiele szczegółowych, takich jak: skalowanie wielowymiarowe, klasyfikatory drzewiaste, klasyfikatory neuronowe, algorytmy przeszukiwania w tym heurystyczne, algorytmy grupowania, metody wyszukiwania według zawartości. STOSOWANIE WZORCÓW PROJEKTOWYCH MA TĘ WADĘ, IŻ NIE TYLKO SPRZYJA OGRANICZANIU INNOWACJI, ALE DODATKOWO POWODUJE, ŻE WZORZEC ŹLE ZASTOSOWANY JEST PRZYCZYNĄ NIEOCZEKIWANYCH BŁĘDÓW, LUB BŁĘDÓW DOSTRZEGANYCH Z OPÓŹNIENIEM I MOŻE POWODOWAĆ POWIELANIE ROZWIĄZAŃ GORSZYCH OD MOŻLIWYCH DLA PORÓWNYWALNYCH NAKŁADÓW. 00:00:00 --:-- --.--.---- 4 53

Przyszłość zautomatyzowanych systemów do wspomagania projektowania Antywzorce są uogólnioną definicją możliwych przypadków złych rozwiązań problemów konstrukcyjnych. Prace dotyczące: teoretycznych i doświadczalnych podstaw metodyki definiowania antywzorców, ich cech oraz zapewniania wysokiej zdolności klasyfikacyjnej miar oceny stopnia zgodności z analizowaną konstrukcją, są ważnym kierunkiem badawczym, o dużym znaczeniu dla zautomatyzowanych systemów wspomagania procesu projektowania, jako powszechnych w nieodległej przyszłości. 00:00:00 --:-- --.--.---- 5 53

Atrybuty antywzorców Antywzorce mogą wyróżniać się wieloma atrybutami: (AFP) funkcją projektowanego elementu lub układu konstrukcyjnego, (AGK) grupą konstrukcyjną elementu, (ADB) definicją błędnego rozwiązania, (APB) przyczyną błędu, (ASB) skutkami błędu, (AZB) znaczeniem błędu, (AIB) podobieństwem do innych błędów, (AC1), (AC2).. (ACn). Wyróżniającymi cechami antywzorców są właściwości geometryczne i fizyczne. Antywzorce można klasyfikować również ze względu na przyczyny powstawania błędnych rozwiązań, których najczęstsze powody pokazano na kolejnych slajdach. 00:00:00 --:-- --.--.---- 6 53

Przyczyny błędów w projektowaniu Lp. Symbol Nazwa przyczyny błędu 1 (BZP) brak poprawnej oceny znaczenia produktu dla przyszłego programu produkcyjnego; 2 (BBE) brak oceny efektów ekonomicznych projektu; 3 (BPT) niedocenianie znaczenia problemów technologicznych dla jakości produktu; 4 (BOE) brak analizy potrzeb w zakresie obsługi eksploatacyjnej; 5 (BOK) brak analizy preferencji klientów odnoszonych do jakości, nowoczesności, trwałości, łatwości eksploatacji i wzornictwa; 6 (BDG) dominacja zadań graficznych w tworzeniu konstrukcji nad analizą koncepcyjną; 7 (BDP) dominacja zaufania do wyników masowego przetwarzania danych nad zaufaniem do wiedzy; 8 (BOO) odroczona ocena rozwiązania, z nadmiernym zaufaniem do łatwości naprawy; 9 (BNF) dołączenie niepotrzebnej funkcjonalności; 10 (BMF) błąd niewłaściwego łączenia funkcji w projektowanych elementach; 11 (BEN) występowanie elementów niepotrzebnych, nie wypełniających żadnych funkcji; 12 (BBH) brak harmonijnej równowagi funkcjonalności, brak właściwego podziału funkcji na poszczególne elementy konstrukcji; 13 (BKP) brak kompetentnej wielokryterialnej kontroli etapowej i ocen poprawności z zastosowaniem potrzebnych procedur weryfikacji; 14 (BUT) pośpiech wskutek upływającego terminu; 15 (BPZ) niewłaściwy podział zadań w zespole; 00:00:00 --:-- --.--.---- 7 53

Przyczyny błędów w projektowaniu Lp. Symbol Nazwa przyczyny błędu (BNP) niedbałość lub świadomość odroczonej weryfikacji efektów projektu konstrukcyjnego i rozmytej oceny odpowiedzialności; (BZR) uporczywe stosowanie znanych rozwiązań, poprawnych w innych przypadkach; (BZS) niezgodność metodyki i preferencji oraz kryteriów projektowych u poszczególnych członków zespołu; (BSK) stosowanie starych komponentów i norm w projektowanej konstrukcji; (BSN) brak oceny potrzeby opracowania rozwiązań skalowalnych, modularnych i unifikowanych; (BDL) nadmiernie duża (brak integracji) lub zbyt mała (dyferencjacja) liczba elementów; (BNP) nadmierna podatność konstrukcji; (BNM) niewłaściwy dobór materiałów; (BTM) trudny montaż, ograniczona i kosztowna wymienialność elementów; (BJP) zbyt małe znaczenie przykładane do jakości współpracujących powierzchni i właściwości warstwy wierzchniej; (BMA) nadmiernie ograniczona możliwość adaptacji cech konstrukcji do warunków użytkowania; (BOD) brak oceny dynamiki warunków użytkowania konstrukcji; (BOZ) brak oceny możliwych rzadkich zdarzeń nietypowych w użytkowaniu (impulsacja warunków). 00:00:00 --:-- --.--.---- 8 53

Atrybuty do selekcji antywzorców Wyznaczenie miar oceny zgodności projektowanej konstrukcji i antywzorców wymaga przeprowadzenia normalizacji cech poddawanych porównaniom. Atrybuty lingwistyczne antywzorców wykorzystać można do selekcji według (AFP), (AGK), (ADB), (APB), (ASB), (AZB), (AIB), (AC1), (AC2) (ACn). Atrybuty wejściowe wymagają normalizacji do przedziału (0, 1). Przykładowymi atrybutami do selekcji antywzorców mogą być: (AFP) funkcja projektowanego elementu lub zespołu konstrukcyjnego element obrotowy, korpus, osłona, rama, wspornik, łącznik, prowadnica, cylinder, tłok, uchwyt, płyta, rura, sprężyna, itp.; (AGK) grupy konstrukcyjne elementu, dla AFP= obrotowy, mogą być następujące: wałek gładki lub stopniowy, wrzeciono, tarcza, pierścień, rolka, kulka, a dodatkowo wał korbowy, oś, koło zębate, itp.; (ADB) definicja błędnego rozwiązania, dla AFP= obrotowy i AGK= wałek, może być następująca: wysoka podatność, nadmierna różnica średnic stopni, niewłaściwa tolerancja średnicy, duża liczba stopni, brak wyjścia dla narzędzia, niewłaściwe wymiary rowka wpustowego, itp. 00:00:00 --:-- --.--.---- 9 53

Normalizacja i miary oceny zgodności Miary oceny zgodności zależne będą od zbioru parametrów charakterystycznych dla powyższych cech i powinny podlegać normalizacji do przedziału (0, 1) z zastosowaniem zbiorów rozmytych. Znaczenie błędu (AZB) należy po normalizacji dołączyć do zbioru parametrów charakteryzujących cechy konstrukcyjne. Normalizacja poprzez kształt funkcji przynależności powinna uwzględniać znaczenie wartości dla wyniku normalizacji (kierunek wpływu). 00:00:00 --:-- --.--.---- 10 53

Schemat do ilustracji oceny zgodności cech projektu z cechami antywzorców 00:00:00 --:-- --.--.---- 11 53

Przykład antywzorca 00:00:00 --:-- --.--.---- 12 53

Przykłady rozwiązań odległych od cech antywzorca ANTYWZORCEM DLA ZADAŃ PROJEKTOWANIA PRZEKŁADNI ŚLIMAKOWYCH JEST WYSTĘPOWANIE LUZU BOCZNEGO I BRAK JEGO REGULACJI PRZYKŁADY ROZWIĄZAŃ Z ZASTOSOWANIEM CHWYTÓW WYNALAZCZYCH 00:00:00 --:-- --.--.---- 13 53

Ślimacznica z przemieszczalnym wieńcem uzębienia 00:00:00 --:-- --.--.---- 14 53

Ślimacznica z odkształcalnym wieńcem uzębienia 00:00:00 --:-- --.--.---- 15 53

Ślimacznica z odkształcalnym wieńcem uzębienia i podatnym elementem dociskowym 15 5 12 3 7 6 11 13 4 8 10 9 00:00:00 --:-- --.--.---- 16 53

Ślimacznica z odkształcalnym wieńcem uzębienia i podatnym elementem dociskowym 00:00:00 --:-- --.--.---- 17 53

Przekładnia z regulacją położenia osi ślimacznicy i podatnym wieńcem 00:00:00 --:-- --.--.---- 18 53

Przekładnia z regulacją położenia osi ślimacznicy i podatnym wieńcem P D 5 L1 00:00:00 --:-- --.--.---- 19 53

Przekładnia z odkształcaną ślimacznicą 00:00:00 --:-- --.--.---- 20 53

Przekładnia z odkształcalną ślimacznicą 00:00:00 --:-- --.--.---- 21 53

Przekładnia z wewnętrznym mechanizmem przemieszczeń kątowych w wyniku ściskania osiowego 00:00:00 --:-- --.--.---- 22 53

Przekładnia z wewnętrznym mechanizmem przemieszczeń kątowych w wyniku ściskania osiowego 8 6 5 9 00:00:00 --:-- --.--.---- 23 53

Przekładnia ze ślimakiem podatnym osiowo i promieniowo 00:00:00 --:-- --.--.---- 24 53

Przekładnia ze ślimakiem podatnym osiowo i promieniowo 00:00:00 --:-- --.--.---- 25 53

Przekładnia ze ślimakiem podatnym osiowo i promieniowo 00:00:00 --:-- --.--.---- 26 53

Modyfikowane rozwiązanie z dodatkowych mechanizmem odkształcania ślimaka 6 5 10 8 6 7 2 4 3 9 00:00:00 --:-- --.--.---- 27 53

Zmiana wartości luzu bocznego w zależności od osiowego ściśnięcia ślimaka 60 50 Osiowe ściśnięcie ślimaka [µm] Δ l =0 Δ l =40 Δ l =80 Δ l =120 Δ l =150 Luz boczny [ µm] 40 30 20 10 0 0 90 180 270 360 Kąt obrotu ślimacznicy [ ] 00:00:00 --:-- --.--.---- 28 53

WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych i analiz numerycznych sformułowano następujące wnioski: 1. Analiza odchyłek wymiarów i kształtu współpracujących elementów oraz odchyłek ich wzajemnego położenia pozwala na prognozowanie wartości luzu bocznego przekładni przed jej montażem. 2. Opracowane nowe konstrukcje przekładni ślimakowych, w tym ze ślimakiem lokalnie podatnym osiowo i promieniowo, pozwalają na skuteczne, znaczne zmniejszenie luzu bocznego, a w tym, co ważne, również na znaczne zmniejszenie rozproszenia wartości luzu. Podatność osiowa w tych przekładniach przyczynia się do zmniejszenia średniej wartości luzu i rozproszenia jego wartości. Podatność promieniowa ułatwia samoczynne zmniejszanie lokalnych zmian wartości luzu bocznego. 3. Przeprowadzone badania wykazały, że możliwe jest dla dokładnych przekładni o modułach m=2 4, zmniejszenie wartości średniej luzu bocznego do 7,5 % wartości początkowej (od 40 µm do wartości 3 µm) oraz zmniejszenie odchylenia standardowego luzu nawet dwudziestokrotne (od wartości 13 µm do 0,6 µm). 4. Lokalne ugięcia promieniowe zwoju ślimaka nie wpływają niekorzystnie na dokładność kinematyczną przekładni, a powiększenie sztywności osiowej ślimaka z przeciętym lokalnie dnem zwoju, poprzez przyjęcie większej wartości modułu, pozwala uzyskać wystarczającą obciążalność przekładni. Znając wartość obciążenia przekładni oraz zakładając wartość wymaganej dokładności kinematycznej przekładni, można określić graniczną podatność ślimaka. 5. Opracowane przekładnie można z powodzeniem stosować w mechanizmach do precyzyjnego pozycjonowania stolików układów pomiarowych, w budowie precyzyjnych urządzeń technologicznych, oprzyrządowania technologicznego oraz w przypadku miniaturyzacji, również w mechanizmach odpornych na trudne warunki pracy. 00:00:00 --:-- --.--.---- 29 53

Dziękuję za uwagę DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 00:00:00 --:-- --.--.---- 30 53

UZUPEŁNIENIA 00:00:00 --:-- --.--.---- 31 53