Konstruování KKS/KS. doc. Ing. Václava Lašová, Ph.D. Plzeň, 2016

Transkript

1 Katedra konstruování strojů Fakulta strojní Konstruování KKS/KS doc. Ing. Václava Lašová, Ph.D. Podklady k přednáškám Kapitola 2 prof. Ing. Stanislav Hosnedl, CSc.. Plzeň, 2016 Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/ Inovace výuky podpořená praxí.

2 KONSTRUOVÁNÍ PRO ÚPLNOST K INFORMACI POTŘEBNÉ DŮLEŽITÉ : Produkt a technický produkt. Technický produkt jako technický systém (TS). Konstrukční struktury TS Etapy životního cyklu TS. Konstruování jako etapa životního cyklu TS S. Hosnedl 2

3 POTŘEBNÉ PRODUKT a TECHNICKÝ PRODUKT (1) Produkt - výsledek procesu [CSN-EN-ISO , odst ] S. Hosnedl 3

4 POTŘEBNÉ PRODUKT a TECHNICKÝ PRODUKT (2) Technický produkt (oproti: umělecký, potravinářský, ): - vyrobený přemístitelný výrobek (komplexní strojní zařízení, stroj, přístroj, ) i technické zařízení (budovy, dopravní stavby, inženýrské sítě, továrny, elektrárny ), tj. objekt s výrazným inženýrským obsahem včetně jeho částí a to i v rozpracovaných fázích (základy, hrubá stavba, komplexy, montážní jednotky, součásti, polotovary, suroviny) a návrhové etapě (tj. ve formě technické dokumentace). - produkt s dominantním inženýrským obsahem [Eder&Hosnedl 2008] Poznámky: - Stroj = technický výrobek na bázi mechanismů, který ulehčuje a nahrazuje fyzickou, příp. zčásti i duševní práci člověka - Nástroj = technický výrobek, který ulehčuje práci člověka - Toto je tradiční pojetí technického produktu/ts s výhradním zaměřením na jeho hmotnou realizaci (viz i dřívější verze přednášek ZKM), které je nutné podstatně rozšířit, jak je dále uvedeno. i S. Hosnedl 4

5 POTŘEBNÉ TECHNICKÝ PRODUKT JAKO TECHNICKÝ SYSTÉM (TS) Technický systém (TS): - technický produkt chápaný jako systém. Technický produkt je chápán jako Technický systém (TS) ve všech jeho vznikových fázích a nehmotných i hmotných formách vyskytujících se v etapách jeho životního cyklu. Obecně obsahuje všechny generické složky technického produktu [CSN-EN-ISO , odst ] v komplexním pojetí EDSM [Hosnedl 2006c]. Budeme však především zaměřeni na hmotné (tj. objektové) strojní produkty s dominantní HW složkou S. Hosnedl 5

6 POTŘEBNÉ ÚČEL a CÍL TS (1) ÚČEL: TS ulehčuje nebo nahrazuje fyzickou, případně zčásti i duševní práci člověka svými (výstupními) provozními technickými funkcemi ( účinky), kterými spolu s (výstupními) funkcemi ( účinky) člověka a ostatních operátorů (přímo nebo nepřímo) provádějí požadovanou transformaci daného operandu. Poznámky: i - Funkce TS nebo člověka (obecně operátoru), tj. schopnost poskytovat požadované účinky, se vyjadřují pomocí infinitivu (např. držet nástroj, otáčet obrobkem ). - Účinek je M, E, I výstup (působení, efekt) na výstupech (efektorech) TS nebo člověka (obecně operátoru), který se působením na M, E, I operand podílí na jeho transformaci (přeměně). - Účinky mohou být buď přímé od operátorů prováděcího systému (TS, člověk, aktivního a reaktivní prostředí) nebo nepřímé/zprostředkované některým z operátorů prováděcího systému od operátorů navigačního systému (odborné informace, managementu, příp. i zprostředkovaně od některého z operátorů prováděcího systému ) - Provozní účinky a příslušné funkce jsou buď hlavní/transformační pro realizaci hlavního Transformačního procesu (TrfP) nebo podpůrné/asistující pro realizaci jeho podpůrných/asistujících procesů. - Uvedené vynakládané (výstupní) účinky operátorů je nutné odlišovat od operandem přijímaných (vstupních) účinků ode všech operátorů (např. oddělování třísky, změna struktury materiálu) S. Hosnedl 6

7 POTŘEBNÉ ÚČEL a CÍL TS (2) CÍL: Schopnost TS docílit požadované (hlavní i asistující) transformační funkce ( účinky (M, E, I) Out z dostupných vstupních veličin (M, E, I) Inp Poznámka: - Uvedené (výstupní) technické funkce TS je nutné rozlišovat od obecně používaných účelových (teleologických) procesních funkcí TS (např. soustružit, tvářet, vysávat), které ve skutečnosti vyjadřují již výslednou funkci TrfP zajišťovanou všemi operátory TrfS. i S. Hosnedl 7

8 Abstrakce Konkretizace KONSTRUKČNÍ ABSTRAKCE STRUKTURY TS (1) DŮLEŽITÉ Technické systémy lze modelovat a zobrazovat ve formě abstraktních struktur, které jsou potřebné pro práci jednotlivých specialistů. Z hlediska konstruování TS jsou důležité: - Stavební struktura - Orgánová struktura - Funkční struktura ( Procesní struktura) - Černá skříňka ( prázdná struktura) V opačném smyslu (tj. při postupné konkretizaci konstruovaného TS) charakterizují tyto struktury výstupy důležitých fází konstrukčního procesu. Poznámky: i - Struktura: vnitřní uspořádání (způsob složení) nějakého konkrétního nebo abstraktního objektu nebo procesu, příp. systému. - Procesní struktura je uvedena na shodné úrovni s funkční strukturou (a v závorce za symbolem ) protože jsou obě tyto struktury TS formálně zcela shodné. Jejich rozdíl je pouze v tom, že prvky procesní struktury jsou místo prvků (tj. funkcí ) funkční struktury, odpovídající ( 1:1 ) operace vnitřních transformačních procesů ITrfP v TS. - Pozor, jednotlivé úrovně abstrakce /konkretizace struktur TS zůstávají trvale obsaženy v úrovních konkrétnějších, neboť vyjadřují pouze různé abstrakce reálné struktury TS!!! To je velmi důležité pro datové reprezentací konstruovaného TS v CAD SW pro umožnění konstrukčních iterací mezi jednotlivými úrovněmi stuktur, což však komerčně dostupné SW doposud většinou neumožňují S. Hosnedl 8

9 KONSTRUKČNÍ ABSTRAKCE STRUKTURY TS (2) DŮLEŽITÉ Stavební struktura TS: - součástí a díly TS a jejich vazby vč. uspořádání - popis a zobrazení definičními konstrukčními vlastnostmi TS Prvky: 8 Součásti 1 Pevná čelist 2 Lože 3 Pohyblivá čelist 4 Příložka 5 Pohybový šroub 6 Saně 7 Stojina 8 Obložení čelisti 9 Tyč 10 Kroužek 11 Šroub 12 Šroub 13 Šroub Obr.: Stavební struktura TS v abstraktním a konkrétním zobrazení (vlevo vč. systémového okolí) - příklad svěrák S. Hosnedl 9

10 KONSTRUKČNÍ ABSTRAKCE STRUKTURY TS (3) DŮLEŽITÉ Orgánová struktura TS: - abstraktní nositele funkcí TS a jejich vazby vč. uspořádání - popis a zobrazení akčními povrchy nositelů funkcí TS a nehmotným zobrazením jejich vazeb všeho druhu Prvky: SO Orgány FB Pevná upínací plocha BB Pohyblivá upínací plocha PB Orgán vedení BB - FB UO Zachycovací orgán SM Přev. org. rot. /pos. pohyb SO Akumulační orgán SL Rad.ulož. org. SO&SM-BB SM Rad.&ax.ul.org.SO&SM-BB VO Spoj.org. s pev. systémem Obr.: Orgánová struktura TS v abstraktním a konkrétním zobrazení (vlevo vč. systémového okolí) - příklad svěrák S. Hosnedl 10

11 KONSTRUKČNÍ ABSTRAKCE STRUKTURY TS (4) Funkční struktura TS Procesní struktura TS: - vnitřní funkce TS pro přeměnu (akčních a/nebo reakčních) M, E, I vstupů na M, E, I výstupy (které způsobují požadované účinky na operand), jejich vazby vč. uspořádání - popis a zobrazení pomocí názvů funkcí (v infinitivní s formě) a nehmotným zobrazením jejich vazeb všeho druhu Konkrétní zobrazení obecně neexistuje, ve speciálních případech mohou existovat pro používané funkce názorné grafické symboly Prvky: Funkce Vytvořit pevnou upínací plochu Přenést upínací účinek Vytvořit pohyblivou upínací plochu Přenést upínací účinek Vést pohyblivou upínací plochu Vzhledem k pevné upínací ploše Vytvořit přejímací plochu Umožnit převzít účinek (práci) člověka Transformovat rotační pohyb na posuvný Zvětšit posuvnou sílu Akumulovat upínací energii DŮLEŽITÉ 8 Držet polohu proti působící upínací síle 9 Vytvořit plochu pro spojení s pev. syst. Umožnit spojení s pevným systémem Obr.: Funkční struktura TS v abstraktním a konkrétním zobrazení (vlevo vč. systémového okolí) - příklad svěrák Poznámka: - Procesní struktura TS je formálně shodná s Funkční strukturou TS, jen jednotlivé funkce jsou nahrazeny odpovídajícími operacemi vyjádřenými podstatnými jmény slovesnými (místo infinitivů) a zobrazenými pomocí obdélníků (místo lichoběžníků) i S. Hosnedl 11

12 KONSTRUKČNÍ ABSTRAKCE STRUKTURY TS (5) DŮLEŽITÉ Černá skříňka TS: - prázdná struktura TS bez prvků - popis a zobrazení základními znakovými konstrukčními vlastnostmi TS a nehmotným zobrazením vazeb s prostředím všeho druhu Prvky: Konkrétní zobrazení obecně neexistuje, ve speciálních případech mohou existovat pro jednotlivé TS názorné grafické symboly Černá skříňka ( prázdná struktura) nemá žádné prvky Obr.: Černá skříňka ( prázdná struktura) TS v abstraktním a konkrétním zobrazení (vlevo vč. systémového okolí) - příklad svěrák S. Hosnedl 12

13 POTŘEBNÉ KONSTRUKČNÍ ABSTRAKCE STRUKTURY TS (6) Příklady konstrukčních struktur pro TS židle : - Černá skříňka: Technický produkt/systém umožňující podepření sedící osoby - Funkční struktura: Hlavní funkce: nesení sedící osoby umožnit příp. také: podepření zad umožnit, podepření rukou umožnit, podepření hlavy umožnit, podepření chodidel umožnit, apod. Asistující funkce: změnu výšky sezeni umožnit, otáčení sezení okolo vertikální osy umožnit, spojit se zemí (nepohyblivě, příp. pohyblivě) Vyvolané funkce: pro (aktivní a/nebo reaktivní) zajištění hlavních a asistujících funkcí a dalších vlastností TS - Orgánová struktura: - Stavební struktura: S. Hosnedl 13

14 ŽIVOTNÍ CYKLUS TS DŮLEŽITÉ Životní cyklus technického systému (TS) je racionální rozdělit do jednotlivých etap. To lze provést podle různých hledisek, např. podle místa jejich realizace (management, konstrukce, technologie, dílna, expedice, ). Pro potřeby konstruování TS je optimální rozdělení životních etap TS do etap podle klíčových životních přeměn (transformačních procesů), protože mají shodnou obecnou strukturu [Hosnedl 2006c]. To potom např. umožňuje do požadavků na TS, návrhu TS, do hodnocení TS apod. jednoduše zahrnout řadu důležitých hledisek týkajících se celého životního cyklu, jako např. bezpečnost, ekologičnost, atd., které se převážně chybně vztahují pouze k provozu TS, likvidaci TS apod. Přitom obecném procesním pojetí životního cyklu TS lze racionálně zahrnout i rozdílnou kvalitu jednotlivých faktorů (např. člověka, technických prostředků apod.) v jednotlivých etapách (např. ve výrobní etapě, v provozní etapě, v likvidační etapě, apod.)! Poznámky: - Životní etapy TS je souhrnný pojem pro: = Etapy vývoje a existence TS, nebo správně: = Etapy vývoje, existence a likvidace TS - Pozor, v oblasti CA technologií se jako životní cyklus označují pouze vývojové etapy životního cyklu technického produktu/systému (TS) viz např. [Mezihradský 2008],, a řízení/management odpovídajících CA dat jako Product Life Cycle Management (PLM) viz např. [Berger 2008], a mnoho dalších. Podobně se v obchodní sféře označuje jako životní cyklus TS období od jeho uvedení na trh až po jeho stažení. Nejužší používané pojetí životního cyklu TS je pak uživatelské pojetí od pořízení TS až po jeho vyřazení z provozu. i S. Hosnedl 14

15 POTŘEBNÉ ETAPY ŽIVOTNÍHO CYKLU TS PODLE JEJICH ORGANIZACE a LOKALIZACE Management: Plánování Vývoj výrobku a příprava výroby : Kontruování Technolog. příprava výroby Organizační příprava výroby Výroba: Vyrobení součástí/dílů Smontování Seřízení, testování Logistika : Balení Skladování Naložení, dopravení Instalace a provoz: Vybalení, postavení Montáž na místě, Nastavení, zkoušky Přejímání Vyškolení obsluhy Provozování Obsluha, čištění údržba, renovace Likvidování: Odinstalování a demontování Separování Recyklování, Uložení Obr. : Tradiční schéma životního cyklu TS se zaměřením na obvyklou organizaci a lokalizaci jeho etap, což však nepostačuje pro zobrazení společných rysů těchto procesů a jejich souvislostí s konstruováním TS S. Hosnedl 15

16 ŽIVOTNÍ ETAPY ŽIVOTNÍHO ETAPY TS LC CYKLU SE ZŘETELEM TS JAKO K JEHO KLÍČOVÉ KLÍČOVÝM TRANSFORMACE PŘEMĚNÁM DŮLEŽITÉ Záměry Potřeby Plánování vzniku TS LC Požadavek na TS LC Zpráva o trhu Zpráva o technické a ekonomické proveditelnosti Stav problému Popis výchozího TS Konstruování TS LC Popis konstrukčního návrhu TS LC ve formě konstrukční dokumentace Popis vých.technologie Popis vých.org.zabezpečení Technologická a organizační příprava výroby a ost. LC etap TS LC Popis technologie a organiz. zabezpeč. výroby a dalších živ. etap TS LC ve formě dokumentace Polotovary Hotové součásti Výroba TS LC vč. montáže, testování, kontrol.kval.výr.ap. Realizovaný TS LC Popis vých.technolpgie Popis vých.org.zabezp. Transformovaný provozní operand ve vst. stavu 1 Distribuování TS LC vč. balení, skladování, instalování, ap. Provozování TS LC provozní proces vč.údržby, oprav,ap. Instalovaný TS LC Transformovaný provozní operand ve výst. stavu 2 CÍL! Přídavné materiály Likvidace TS LC vč. demontáže, separace, recyklace, ap. Použitý TS LC Materiál Obr. : Model Životního cyklu TS LC jako serie životních etap s klíčovými přeměnami (transformacemi) ( Označení TS LC odlišuje uvažovaný TS od ostatních technických systémů v jeho životním cyklu ) S. Hosnedl 16

17 ŽIVOTNÍ ETAPY TS LC SE ZŘETELEM K TRANSF. PROCESŮM/SYSTÉMŮM (TrfP/TrfS) DŮLEŽITÉ Člověk HuS Tech.Syst. TS A.&R.Prostř. AR Env Inf.Syst. IS Manaž.Syst. MgS Plánování vzniku TS LC Konstruování TS LC Technologická a organizační přípr. výroby a ost. živ. etap TS LC Výroba TS LC vč.montáže, test.,kontr. kval. výr. ap. Distribuování TS LC vč. balení, skladov., instalování, ap. TS TS LC Provozování TS LC provozní proces vč.údržby, oprav,ap. Likvidace TS LC vč. demontáže, separace, recyklace, ap Obr.: Životní cyklus TS LC jako série Transformačních procesů (TrfP) a příslušných Transformačních systémů (TrfS) S. Hosnedl 17

18 LITERATURA KONSTRUOVÁNÍ KKS/KS [Eder&Hosnedl 2008] Eder, W. E., Hosnedl, S.: Design Engineering, A Manual for Enhanced Creativity. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008, 588 s., ISBN [Eder&Hosnedl 2010] Eder, W. E., Hosnedl, S.: Introduction to Design Engineering: Systematic Creativity and Management. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2010, 432 s., ISBN: [Hosnedl 2014] Hosnedl, S.: Systémové navrhování technických produktů. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, s. ISBN (elektronická verze). [Hosnedl&al 2012] Hosnedl, S., Dvořák J. a Kopecký M.: Konstrukční a designérský návrh nemocničního lůžka pro intenzivní péči Case study. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, s. ISBN (elektronická verze). [Hubka 1995] Hubka, V.: Konstrukční nauka, z Engineering Design (Zürich: Heurista, 1992) přel. Hosnedl, S. 2. přeprac. a dopl. vyd. Zürich: Heurista, s. ISBN [Hubka&Eder 1988] Hubka, V., Eder, W.E: Theory of Technical Systems. Berlin Heidelberg: Springer - Verlag, 1988, (2. vyd. něm. 1984) ISBN [Hubka&Eder 1996] Hubka,V., Eder, W.E.: Design Science. London, Springer,1996, ISBN [ČSN-EN-ISO-9001 (2009) 2010] ČSN EN ISO 9001 (idt ISO 9000: Czech version of the European Standard EN ISO 9000:2008): Systémy managementu kvality Požadavky (Quality management systems Requirements). Praha: Český normalizační institut (2009), 2010 Poznámka: - Případná další speciální, zde neuvedená literatura viz [Hosnedl 2012] POTŘEBNÉ S. Hosnedl 18

19 Děkuji Vám za pozornost Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/ Inovace výuky podpořená praxí.