Материал: Проектирование автоматизированной установки объёмной печати моделей

. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств

2.1 Системный анализ автоматизации установки объёмной печати моделей

Создание нового эффективного объекта, новой технологии сегодня невозможно без системного подхода, предусматривающего анализ задач и синтез решений на всех этапах их разработки и реализации.

Укрупнённая схема рассматриваемого процесса системного проектирования (СП) технических объектов приведена на рисунке 1.

Согласно схеме СП базируется на двух основных принципах:

Во-первых, процесс проектирования полностью согласуется с описаниями объектов, сохраняя при этом иерархическую соподчинённость;

Во-вторых, СП осуществляется на основе анализа задач и синтеза решений, обладающих как определённой общностью, так и спецификой на различных этапах проектирования. Таких этапов в СП выделено пять.

На этапе 1 определяются критерии развития объекта с ориентацией на создание представителя нового поколения объектов данного класса с целью длительного применения и многократного тиражирования. Существенно уточняется функция создаваемого объекта, формируется набор критериев развития, используемых на последующих этапах системного проектирования.

На этапе 2 формируется структура и принцип действия объекта или процесса. Поскольку структура - это совокупность элементов и их устойчивых отношений, обеспечивающих целостность объекта, то на данном этапе определяется состав элементов (устройств, технологических приёмов), выполняющих отдельные части (операции), функции объекта. Для этого целесообразно использование декомпозиционных методов анализа и синтеза по схеме, обеспечивающей формирование двухуровневых структурных модулей. Вначале формируется 1-й модуль создаваемого объекта, затем последовательно получают этими же методами модули низших уровней, формируя таким путём многоуровневую иерархическую функциональную структуру технического объекта любой сложности.

Этап 3 является переходным, преобразующим структурные решения в конструктивные. На этом этапе осуществляется синтез технического решения, предусматривающий формирование образной модели технического объекта, представляющей собой конструкцию, лишённую параметров и других метрических характеристик. Новизна решений на этапе синтеза технического решения также достигается декомпозиционными подходами, позволяющими формировать варианты конструкций на основе системного перебора большого числа альтернатив и выбора новых эффективных конструкторских решений на уровне изобретений класса “устройства”. Таким образом, на этапах 2 и 3 осуществляется поисково-структурное проектирование, обеспечивающее получение инновационных решений на ранних этапах создания технических объектов и процессов.

На этапах 4 и 5 производится разработка конструкторской документации объекта и его элементов в соответствии с принятой стадийностью проектирования, например, эскизный, технический и рабочий проекты.

Таким образом, системный подход к созданию различных новых объектов, проектов, технологий базируется на анализе задач и синтезе решений. Для этого используются различные методы активизации инженерного творчества, позволяющие разделять задачи проектирования на части, а затем производить “свёртку” множеств альтернатив в конкретные решения - структуру, компоновку, конструкцию.

На рисунке 2.1 показана укрупнённая схема системного проектирования.

Рисунок 2.1 - Укрупнённая структурная схема системного проектирования.

2.2 Синтез решений по автоматизации установки объёмной печати моделей

Потребность и цели создания нового объекта, структуризация целей и предполагаемых задач, решение которых ведёт к достижению этих целей, формируют общее представление об объекте. При отсутствии аналога создаваемому объекту его анализ осуществляется посредством декомпозиции поставленных задач в пространстве в основном неметрических структурных характеристик, обусловленных требованиями к функционированию и общему строению этого объекта. Результатом такого анализа является декомпозиционная схема, при построении которой предлагается исходить из следующих положений:

Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на первом уровне разбиения задач, исходя из назначения или потребности объекта, определяются основные направления, свойства и признаки, формирующие концепцию его строения в виде множества относительно независимых структурных характеристик, образующих n блоков 1-го уровня декомпозиции.

Во-вторых, принимается во внимание весьма важное обстоятельство, что проблема создания нового объекта не является полностью неизвестной. Для каждой области, свойства и признака первого уровня на втором уровне декомпозиции формируются множества альтернатив, выбираемых на основе анализа известных решений, в том числе из других более развитых классов объектов.

Используя техническое задание на проектирование, а также, обсудив особенности проектируемого объекта, построим декомпозиционную схему анализа задачи формирования структуры автоматизированной установки объёмной печати моделей.

Таблица 2.1. Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры автоматизированной установки объёмной печати моделей.

Итого общее количество вариантов структуры N определяется:

На первой ступени упорядочивания выделим из n блоков Xξ декомпозиционной схемы 2-4 блока, содержащих на уровне альтернатив Xξβ наиболее важные характеристики - это и будут целевые условия.

На основании исходного задания и из соображений улучшения качества устройства из декомпозиционной схемы (табл. 2.1) были выбраны 3 целевых условия: X12, X23, X32.

Выбранные локальные целевые условия неодинаково влияют на эффективность синтезируемого решения и потому должны быть ранжированы по их значимости и оценены с помощью параметра l.

Проведя декомпозицию задачи и выбрав в полученном поисковом пространстве многоуровневую цель, необходимо решить вторую часть задачи синтеза - сформировать многомерное «решение-ограничение». Так как оптимизация неформальных решений при нескольких целях традиционными методами неосуществима, то в этом случае в качестве оптимизационного подхода целесообразно будет сформировать Паретово множество альтернатив.

Таблица 2.2. Определение оценок и рангов целевых условий.

Альтернатива считается оптимальной по Парето, если всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних целей, в то же время будет менее предпочтительной для остальных целей. Также для оптимальности по Парето никогда не следует выбирать альтернативу, которая не является Парето-оптимальной.

Каждой альтернативе XGjB в блоках XGj по каждому целевому условию XSiB присвоим оценку по трёхступенчатой шкале: 1 - лучшая альтернатива, 2 - альтернативы в блоке по отношению к данной локальной цели равноценны, 3 - в блоке есть лучшая альтернатива с кодом 1.

В таблице 2.3 представлены результаты присвоения весов при выборе условий-ограничений. Таблица составлялась на основе вышеуказанного принципа, где каждой оценке в соответствии с её кодом присваивалось численное значение по правилу:

Где mi - количество альтернатив XGjB в блоке XGj.

Таблица 2.3. Результаты присвоения весов оценкам при выборе условий-ограничений.

Теперь можно сформировать в виде множества эффективное решение - наилучший оптимальный по Парето вариант структуры создаваемого объекта:

X={X12, X23, X32, X41, X52, X62, X72, X81, X93, X102, X113}.

По завершении декомпозиционного анализа и синтеза создаётся структурная схема системы управления автоматизированной установки объёмной печати моделей.

2.3 Разработка корпуса автоматизированной установки

Все рассмотренные в пункте 1.2 готовые решения в области объёмной печати (3D-принтеры Darwin, Mendel и Rostock) не имели корпуса, как такового. У каждого из них были лишь верхнее и нижнее основания, к которым крепились направляющие и всё это упрочнялось диагональными рейками. Однако данное решение является небезопасным для пользователя установкой, так как все движущиеся механизмы, нагревающиеся элементы и сам разогретый пластик находятся в непосредственной близости к пользователю, который при неаккуратности может получить травму или ожёг. (подробнее о этом смотри в пункте 7.1).

Вывод о необходимости разработки корпуса для автоматизированной установки объёмной печати моделей напрашивается сам собой.

При разработке корпуса необходимо так же учесть что проектируемая установка (её первые реализации) является прототипом для исследований и разработки готового варианта. Исходя из этого проектируемый корпус решено изготовить из акрилового стекла, что позволит визуально контролировать процесс печати и выявлять ошибки в механике и программном обеспечении.

Корпус должен иметь два основания: верхнее и нижнее. Основания имеют форму равностороннего треугольника с отсечёнными вершинами, то есть являются шестиугольниками. На нижнем основании должны быть отверстия под крепление направляющих реек и стойки с зубчатым колесом для крепления ремня. Помимо этого на нижнем основании крепится платформа, на которой будет производиться печать. Верхнее основание имеет отверстия для крепления коробок с шаговыми двигателями и отверстие под зубчатый ремень. Так же на верхнем основании устанавливается электроника и электрооборудование (не считая трёх шаговых двигателей в коробках, на верхнем основании крепятся: блок питания, плата контроллера, ЖК-дисплей и клавиатура). Верхнее и нижнее основания имеют, расположенные в шахматном порядке выступы для крепления стенок.

Боковые стенки корпуса представляют собой три пары прямоугольников, с вырезами овальной формы внизу. Те, что больше по размеру имеют отверстие, через которое происходит съём готовой модели.

К этому отверстию необходима дверца. Так как таких отверстий будет три, то стоит выбрать одно из них и считать его основным. На него нужно установить датчик открытия дверцы. Два других отверстия нужно считать вспомогательными и держать постоянно в закрытом состоянии. Использовать их нужно только при необходимости (например при техническом обслуживании, или при установке сложных поддерживающих конструкций для печати на них модели). Боковые стенки должны иметь отверстия, расположенные в шахматном порядке для крепления к основаниям. Основания и стенки между собой склеиваются специальным клеем ACRIFIX 5R 0194 с добавлением ACRIFIX CA 0030.