Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и основные задачи исследования
1.1. От создания машин индивидуальных конструкций к групповому проектированию машин 9
1.2. Групповое проектирование - основной путь разработки семейства машин 13
1.3. Выводы 28
Глава 2. Основные понятия, определения и математические модели теории проектирования семейств изделий 31
2.1. Исходные понятия 31
2.2. Структурные модели объектов, отражаемых исходными понятиями .40
2.3. Производные понятия
2.3.1. Семейство изделий, его элементная база и ее компоненты 46
2.3.2. Сложные конструкции, формируемые на основе элементной базы 55
2.3.3. Структура семейства изделий и классификация свойств
2.4. Показатели семейства и его элементной базы 67
2.5. Пример анализа структуры семейства и оценки показателей семейств. 84
2.6. Некоторые результаты главы и выводы 93
Глава 3. Процедурная модель проектирования семейств изделий (группового проектирования) 98
3.1. Методика структурного проектирования изделия 100
3.2. Семейство изделий как объект группового проектирования 112
3.3 Выбор объекта проектирования (разрабатываемого семейства изделий) 114
3.3.1. Формирование множества изделий и его предварительный анализ 114
3.3.2. Определение строения изделий и структуры разрабатываемого семейства 117
3.3.3. Матричные методы выделения семейства из исходного множества изделий и анализа его строения 126
3.3.4. Пример определения объекта группового проектирования 133
3.4. Разработка элементной базы семейства 138
3.4.1. Концептуальное проектирование элементной базы 138
3.4.2. Детальное проектирование элементной базы 144
3.4.3. Наращивание элементной базы
3.5. Синтез изделий из компонентов элементной базы 153
3.6. Пример оценки показателей семейств для элементных баз разного уровня разукрупнения 175
3.7. О соотношении разработанного структурного подхода и метода исследования функционально физических свойств 181
8. Выводы 185
Глава 4. Проектирование семейства приборных редукторов 188
4.1. Определения разрабатываемого семейства приборных редукторов 188
4.2. Разработка элементной базы семейства приборных редукторов
4.2.1. Разработка корпусов редукторов 196
4.2.2. Разработка компонентов кинематических цепей 208
4.2.3. Оптимизация номенклатуры корпусов редукторов 212
4.3. Синтез приборных редукторов на основе элементной базы 215
4.3.1. Методика синтеза редукторов
из компонентов элементной базы 216
4.3.2. Выбор корпуса редуктора 217
4.3.3 Определение вариантов размещения выходных устройств в корпусе редуктора 219
4.3.4. Выбор структуры кинематической цепи редуктора 221
4.3.5. Определение параметров зубчатых колес и кинематических цепей 224
4.3.6. Проектирование (выбор) валов и прочих составных частей 224
4.4. Результаты разработки элементной базы приборных редукторов и перспективы совершенствования процесса проектирования приборов на ее основе 225
4.5. Выводы , 230
Глава 5. Групповое проектирование семейства грузоподъемных гидроманипуляторов 231
5.1. Определение структуры (облика) разрабатываемого семейства гидроманипуляторов 231
5.2. Концептуальное проектирование элементной базы
семейства гидроманипуляторов 243
5.3. Синтез гидроманипуляторов на основе элементной базы 257
5.4. Результаты проектирования семейства гидроманипуляторов 268
5.5. Выводы 274
Г л ава 6. Проблемы развития группового подхода к созданию семейств машин 276
6.1. Сущность и содержание групповой технологии создания семейства машин 276
6.2. Некоторые вопросы организации и методического обеспечения группового подхода к созданию изделий 281
6.3. Проблемы формирования группового мышления у разработчиков 284
6.4. Выводы 285
Заключение 287
Библиографический список литературы 296
- Групповое проектирование - основной путь разработки семейства машин
- Структурные модели объектов, отражаемых исходными понятиями
- Матричные методы выделения семейства из исходного множества изделий и анализа его строения
- Разработка компонентов кинематических цепей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исходя из требований рынка предприятия вынуждены модифицировать свои изделия и ускорить разработку новых. Наряду с ценой сроки создания изделий и продвижения их на рынок стали важнейшими факторами конкурентоспособности. Сегодня повышение конкурентоспособности невозможно без применения САПР и CALS-технологий, однако одним из важнейших факторов успеха является использование прогрессивных методов проектирования. Поэтому совершенствование процесса проектирования - настоятельная потребность производства.
При проектировании изделий решаются три основные задачи: структур
ный синтез (проектирование), параметрический синтез, создание и геометри
ческое моделирование конструкции. Структурный синтез - это одна из важ
нейших задач проектирования. Она решается для всех типов и видов изделий
независимо от их отраслевой принадлежности и выполняемых функций, по
этому проблемы формализации задач структурного синтеза являются цен
тральными для теории проектирования. Среди подходов к решению этих задач
наибольшее распространение получили комбинаторно-логические методы.
Они позволяют определить состав изделия и связи между его составными час
тями, но не решают одну из наиболее злободневных задач производства - за
дачу сокращения номенклатуры составных частей без уменьшения номенкла
туры получаемых из них изделий. Данная проблема особенно актуальна для
многономенклатурных семейств изделий. Решение ее позволит: снизить затра
ты на изготовление и эксплуатацию изделий, повысить их качество, сократить
сроки освоения и продвижения на рынок, повысить уровень автоматизации
всех процессов жизненного цикла. Для уменьшения номенклатуры составных
частей используются различные виды унификации. Однако эффективность ее
, оказалась невысокой. Решение данной задачи должно осуществляться ком-
плексно, системно в процессе проектирования семейства изделий. Таким образом, для повышения эффективности создания семейств изделий машиностроения (машин), не имеющих избыточной номенклатуры составных частей, требуются новые научно обоснованные технические решения, развивающие теорию и совершенствующие методы проектирования изделий.
Цель работы. Повышение эффективности создания и технического уровня изделий машиностроения за счет формализации процедур определения номенклатуры их составных частей.
Для этого необходимо: 1) провести анализ объектов проектирования и используемых методов их разработки; 2) провести анализ и систематизацию основных понятий, связанных с разработкой машин и их семейств; 3) разработать комплекс математических моделей объектов и процессов проектирова-
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА Л 1
- *
ния, позволяющих формализовать процедуры определения номенклатуры составных частей изделий; 4) разработать процедурную модель проектирования семейств машин (группового проектирования машин), а также методы и алгоритмы выполнения процедур проектирования, позволяющие создавать изделия, не имеющие избыточной номенклатуры составных частей; 5) провести апробацию разработанных методов и моделей при проектировании семейств машин и механизмов.
Методы исследования. Эмпирическое обобщение; системный подход; классификация как двойственность таксономии и мерономии; математический аппарат - теория образов и графов, линейная алгебра.
Научная новизна. Разработана концепция структурного синтеза машин, основанная на формализации процедур определения номенклатуры составных частей изделий. В результате установлены структурные свойства и взаимосвязи объектов проектирования, что позволило разработать методы проектирования, повышающие эффективность и качество разработки.
1. На основе системного, концептуального анализа изделий машино
строения и их семейств установлены структурные свойства и взаимосвязи объ
ектов проектирования:
а) выявлено базовое, элементарное (в рамках разработанной теории),
конструкторское понятие «узел сопряжения» составной части изделия, которое
используется для отображения структурных свойств объектов проектирования
и учитывается в их формализованном описании;
б) на основе анализа структурных свойств объектов проектирования
уточнена и расширена система базовых понятий, связанных с разработкой
семейств изделий, полученное знание позволяет прогнозировать развитие из
делий семейства и направления наращивания номенклатуры его элементной
базы;
в) для оценки свойств семейств и их элементных баз предложена систе
ма показателей, позволяющих провести более точную оценку, чем показатели
унификации;
г) сформирован комплекс структурных моделей основных объектов
проектирования, на основе которых разработаны математические модели, ис
пользуемые для формализации процедур проектирования, связанных с форми
рованием номенклатуры составных частей изделий, предложенные модели
более детально учитывают соединения составных частей в изделиях и струк
турные свойства объектов проектирования.
2. На основе выявленных свойств объектов проектирования и анализа
процессов проектирования разработана концепция структурного синтеза, по
зволяющая создавать изделия, не имеющие избыточной номенклатуры состав
ных частей, за счет формализации процедур ее определения:
а) выявлены, обобщены и формализованы проектные процедуры, свя
занные с формированием номенклатуры составных частей и структурным син
тезом изделий, на основе чего построена алгебраическая система конструиро
вания изделий, элементами множества-носителя которой являются узлы со
пряжения их составных частей;
б) разработана процедурная модель проектирования семейств, отли
чающаяся тем, что в нее введены этапы анализа структуры семейства и проек
тирования его элементной базы, разработка которой осуществляется до проек
тирования конструкций конкретных машин после анализа структур создавае
мого семейства и входящих в него изделий. Основными новыми составляю
щими процесса проектирования являются:
метод анализа структуры семейства машин;
метод проектирования элементной базы семейства, обеспечивающий отсутствие избыточности номенклатуры составных частей изделий;
- методы генерации изделий из компонентов элементной базы.
Особенности этих методов связаны с использованием предложенных
структурных моделей и алгебраической системы конструирования.
3. С использованием разработанной концепции проектирования установлены новые принципы построения семейства крано-манипуляторных установок (КМУ) и семейства приборных редукторов, защищенные патентными документами.
На защиту выносятся:
-
Система базовых понятий, связанных с разработкой семейств изделий.
-
Формализованные процедуры определения номенклатуры составных частей изделий и алгебраическая система конструирования изделий машиностроения.
-
Концепция структурного проектирования семейств изделий, включающая:
процедурную модель проектирования семейств;
метод анализа структуры семейства машин;
метод проектирования элементной базы семейства изделий, исклю-чаютттий избыточность номенклатуры их составных частей;
метод генерации изделий из компонентов элементной базы;
математические модели, используемые при разработке семейств и позволяющие формализовать процедуры определения номенклатуры составных частей и синтеза изделий.
4. Разработанные с использованием предложенной концепции, принци
пы построения семейства приборных редукторов и семейства крано-
манипуляторных установок.
5. Семейство приборных редукторов автоматики.
Практическая ценность. Разработанная концепция структурного проектирования и математические модели позволяют сократить сроки создания изделий, не имеющих избыточной номенклатуры составных частей. Без использования САПР более чем на 30% сокращены сроки проектирования и подготовки производства приборных редукторов, более чем на 50% уменьшилась номенклатура их составных частей, включая основные составные части (корпусные детали, валы, зубчатые колеса, муфты и т.д.), семейство строится на основе трех модификаций корпусов. Наличие унифицированной элементной базы позволяет снизить трудоемкость изготовления, повысить коэффициент использования материалов и создает условия для автоматизации процесса разработки и выпуска конструкторской, технологической и эксплуатационной документации на изделия семейства. За счет этого можно в несколько раз сократить сроки разработки технической документации и подготовки производства изделий.
Достоверность результатов подтверждается обоснованностью и корректностью использования применяемого математического аппарата, практическими результатами проектирования конкретных семейств машин и механизмов, выполненных автором и другими разработчиками.
Реализация результатов. Разработанная концепция проектирования семейств изделий используется в проектной деятельности ФГУП "ВНИИ "Сигнал": разработаны и используются элементные базы приборных редукторов и стендового оборудования, гамма КМУ; внедрены стандарты предприятия «Методические указания по конструированию» и «Проектирование семейства изделий групповым методом». Полученные теоретические результаты используются в учебном процессе Ковровской государственной технологической академии в курсе теории механизмов и машин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях в ИГА, 1994-2000; на 9м Всемирном конгрессе по ТММ, Италия, Милан, 1995; международных научно-технических конференциях по автоматизированному проектированию передач и редукторов, Ижевск, 1989, 1996; по механическим трансмиссиям и машинам, МТМ97, Китай, Тянцзинь, 1997; по инженерному проектированию ICED97 Финляндия, Тампере, 1997; 9-ой международной конференции по проектированию и производству машин UMTTK2000, Турция, Анкара, 2000; «Леса Беларуси и их рациональное использование», Минск, БГТУ, 2000; XXXIII Уральском семинаре по механике и процессам управления; Екатеринбург, 2003; первой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» Санкт-Петербург, 2005г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 65 работ: 16 статей в журналах, рекомендованных ВАК к опубликованию результатов докторских диссертаций, 8 статей в сборниках трудов международных конференций, 17 патентов и полезных моделей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и
приложений. Объем работы без приложений 313 страниц. Список литературы
содержит 199 наименований. В приложении приведены: определения основ
ных понятий теории проектирования семейств машин, пример использования
разработанных теоретических положений при структурном синтезе механиз-
ь мов, краткое изложение предлагаемой концепции проектирования, данные по
приборным редукторам и кранам-манипуляторам, а также документы, подтверждающие внедрение результатов диссертации.
Групповое проектирование - основной путь разработки семейства машин
О соотношении этих методов с проектированием высказывались следующие суждения. Метод агрегатирования (а значит и модульный) не включался в методы проектирования [177] на основании того, что он не обязателен при разработке всех новых изделий. Наоборот, в работах [36,96] модульный метод трактовался как модульное проектирование, а в [17] речь шла о базовом конструировании. В [135] агрегатирование рассматривалось в качестве метода проектирования, тогда как в [17,177,178] оно - метод унификации. В [78] применение модульного метода определялось как " высшая форма1 деятельности в области стандартизации...".
Однако, несмотря на разногласия в определении сущности методов и в трактовке их взаимосвязи между собой можно выделить три существенных момента, общих большинству точек зрения [141]. Во-первых, применение этих методов целесообразно при разработке ряда, семейства, группы.изделий [17,27,34,43,87,96,123,177]. Во-вторых, рассматриваемые методы неразрывно связаны с разработкой и применением "каким-либо образом упорядоченных составных частей..." [78], " небольшого экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых, первичных (типовых или стандартных) общих элементов-модулей..." [34], общих узлов, пригодных "для использования в различных изделиях и устройствах..." [17], "узкого ряда унифицированных элементов-модулей..." [96]. Очевидно, что во всех этих случаях идет речь о унифицированной элементной базе для разрабатываемой группы изделий. В-третьих, все эти методы являются методами1 проектирования изделий. На основании этого в [141] был сделан вывод, что во всех работах [8,17,27,34,36,43,75,76,78,87,96,177] идет речь о проектировании ряда, семейства, группы изделий, неразрывно связанном с разработкой унифицированной элементной базы для них, т.е. обсуждается один и тот же метод проектирования, а именно метод группового проектирования. Групповое проектирование (ГП) - форма проектирования, характеризуемая разработкой ряда, семейства, группы изделий, существенной задачей которой является создание унифицированной элементной базы изделий семейства [139]. Здесь, под элементной базой (ЭБ) семейства технических устройств понимается- ограниченный набор унифицированных агрегатов, узлов, блоков, деталей, модулей, из которых создаются изделия семейства.
Непосредственно о ГП как методе решения задач разработки унифицированных изделий говорилось в работах [6,9,10,59,91], а также в работах таких авторов как С.А.Жданов, И.И.Скворцов; По сути дела о групповом проектировании и его отдельных этапах шла речь в ряде работ В.И.Лукьященко и А.А.Соколова. В [37,76,88,175] говорилось о совместном проектировании групп изделий, т.е. все о том же групповом проектировании. В публикациях [28;73;76,77,83,96;Д05,170] приводились результаты применения метода ГП. к конструированию конкретных семейств изделий. Ряд работ посвящен выбору объектов группового проектирования [5,131] и вопросам оптимизации рядові изделий [23]. В этих работах рассматривались теоретические основы построения оптимальных типоразмерных рядов [24,114]. В работах [25,38] приводились рекомендации по последовательности разработки групп станочных приспособлений. Основным недостатком перечисленных работ является то, что в одних из них приведены преимущественно только результаты использования группового подхода, в других - минимум наиболее общих положений, в третьих, рассмотрены отдельные моменты, этапы ГП.
Одной из областей техники.широко использующей групповые методы является робототехника. Разработчиками роботов был предложен и обоснован принцип модульного- построения средств робототехники. Метод был опробован в ЦНИИ РТК [174], где в 1980-1982 гг. разработаны, система электромеханических модулей ПРЭМ, система аппаратных модулей управления ЕСМ и соответствующая модульная- система программного обеспечения СПОР. Основными разработчиками систем были С.В.Груздев, Е.В.Гречанов и В.А.Павлов.
Наиболее значимые работы 70-х, 80-х и начала 90-х годов, посвященные групповому проектированию, - это работы Е.М.Парфенова [105], А.Л.Васильева, В.В.Строкова и И.С.Голубева [41], О.И.Аверьянова [1], Ю.Д.Амирова [7]. В работе [35] рассмотрен модульный подход к созданию унифицированных изделий. В.В.Строков обобщает опыт создания семейств сложных технических устройств модульной структуры. Монография [1] посвящена групповому проектированию многоцелевых станков.
Следует отметить работу В.М.Капустяна [67], в которой сформулирована проблема создания концепции развития техники, содержащей понятия «семейство технических систем», «семейство агрегатов».
В большинстве работ, относящихся к групповому проектированию, опубликованных до начала девяностых годов нашла отражение сложившаяся практика создания семейства машин, предполагающая движение к нему путем типизации и унификации от имеющегося избыточного многообразия изделий [87]. Этот путь требует достаточно- длительного периода времени, а изделия полученного семейства имеют избыточную номенклатуру составных частей. Применение методов базового изделия, агрегатирования и модульного подхода позволяет достичь лучших результатов, но дают лишь общую схему проектных работ. Основной их пробел в недостаточной разработанности методологии проектирования элементной базы семейства машин. Этот недостаток связан с тем, что в основе этих методов лежит выше указанная схема формирования семейства: от избыточного многообразия изделий индивидуальной конструкции путем типизации, унификацией агрегатированиям семейству изделий.
Для создания в сжатые сроки семейства машин, имеющего большую номенклатуру качественных, недорогих изделий, с обеспечением минимально необходимого, но достаточного числа составных частей нужна адекватная данной задаче методология проектирования. «Требуется коренное обновление методологического арсенала» [41].
Структурные модели объектов, отражаемых исходными понятиями
Семейство может содержать изделия, в составе которых не все, а большая часть компонентов связаны с другими компонентами одним и тем же преобразованием подобия. Эти изделия, например, могут иметь составы: {sebe2,...,en}, {sehebse3,...,sen}, {s ehse2,...,sen}. Такие изделия в [11] называются производными моделями. Изделия, имеющие два последних состава, следует отнести к одному типоразмеру, характеризующемуся использованием преобразования подобия s. Изделие первого состава входит в типоразмер с преобразованием подобия so. Таким образом, у изделий разных типоразмеров все составные части связаны одним и тем же преобразованием подобия, а у изделий разных производных моделей - только некоторые их компоненты.
Введенные понятия типов изделий, модификаций, типоразмеров и производных моделей соответствуют общепринятым определениям [11], но обусловлены не внешними признаками изделий, а их строением:
Рассмотренные разбиения можно применить к любому семейству в любой последовательности (T— M Z, M Z- T и, т.п.). В результате получим полностью структурированное семейство, каждое изделие которого описывается тройкой номеров g(i, J, к), указывающих индексы соответствующих множеств Тп М , Zk. Множество изделий семейства можно представить совокупностью точек в системе координат: тип- (Г), модификация (М), типоразмер (Z), см. рис.2.15. Вдоль осей координат откладываются номера множеств соответствующих разбиений семейства G. Индексы i,j,k - это координаты изделия g в указанной системе координат. Аналогично случаю с ЭБ (см. рис.2.13) такое наглядное представление строения семейства позволяет спрогнозировать направления его развития. Например, из рис.2.15 следует, что можно ожидать появления еще трех типов изделий, имеющих состав и типоразмер такие же, как у изделия gx, а также нового типоразмера этого изделия и т.д.
Для описания структуры семейства можно использовать матрицы структуры семейства, показывающие сечения пространства изделий плоскостями параллельными плоскостям ТМ, TZ или MZ, или гистограммы распределения изделий по типам, модификация и типоразмерам \1ffl, которые приведены в разделе 2.5.
Элементы Пук матриц Gz принимают значение 1, если данный типоразмер изделия входит в состав семейства и 0 в противном случае. Первый индекс элемента матрицы показывает номер типа, второй - номер модификации, третий -номер типоразмера. Число строк в матрицах Gz равно числу типов изделий в семействе, число столбцов - числу модификаций а общее число матриц соответствует числу типоразмеров изделий. Общее число изделий NG в семействе может быть найдено как сумма элементов матриц структуры семейства. Таким образом, строение семейства, как и строение изделий и его ЭБ, описывается составом и структурой.
Множество матриц структуры является описанием трехмерного составного семейства изделий Gtmz. Если оно содержит только одну матрицу, то имеем двухмерное составное семейство Gtm, содержащее изделия одного типоразмера, но разных типов и разных модификаций.
Совокупность матриц, включающих только один ненулевой столбец (во всех матрицах этот столбец имеет один и тот же номер), описывает двухмерное составное семейство Gtz, содержащее разные типоразмеры изделий различных типов, но одной модификации. В случае, когда совокупность содержит одну матрицу, то она описывает одномерное, простое семейство Gt - семейство типов изделий.
Множества матриц, имеющих только одну ненулевую строку (во всех матрицах эта строка имеет один и тот же номер), изображает двухмерное составное семейство вида Gmz, содержащее изделия одного типа, но разных типоразмеров и модификаций. При наличии в множестве только одной матрицы имеем одномерное простое семейство вида Gm - семейство модификаций.
Совокупность матриц, содержащих только один ненулевой элемент, расположенный в каждой матрице в одних и тех же строке и столбце, показывает одномерное простое семейство Gz - семейство типоразмеров. Если в совокупности только одна матрица, то имеем единичное изделие g. Пример матриц структуры семейства манипуляторов, приведенного на рис.2.10, показан на рис.2.15. Таким образом, исходя из структурных свойств семейства можно разделить на 7 групп, четыре из которых включают составные семейства, остальные -простые: - трехмерные составные семейства, включающие изделия разных типов, модификаций и типоразмеров (пример трехмерного составного семейства, его структуры и элементной базы показан на рис.2.10, рис.2.11, рис.2.14, рис.2.15); - двухмерные составные семейства, возможны три вида таких семейств, их изделия представляются точками, лежащими в плоскостях параллельных координатным плоскостям ТМ, TZ, MZ, пример семейства последнего вида -множество изделий Ош =\gu g4 L см. рис.2.15; - три простые одномерные семейства, которым соответствуют множества точек, лежащих на прямых, параллельных осям координат Т, Ы, Z, например, G, = {& g5l, см. рис.2.15.
Приведенная классификация видов семейств может использоваться при исследовании свойств семейств и проектировании их ЭБ. Знание видов семейств, позволяет объединять эти семейство в одно множество и анализировать их свойства. Например, по данным технической литературы для семейств типоразмеров вида Gz получена гистограмма частости по числу изделий в семействе, показанная на рис.2.16. Гистограмма получена на основе данных о более чем 100 семействах. Она показывает, что наиболее часто встречаются семейства, имеющие 4 типоразмера изделий.
Связи, которые могут быть образованы составными частями изделий, можно представить графом семейства рис.2.17, являющегося объединением графов связей отдельных изделий, относящихся к одному и тому же типоразмеру. В графе семейства, в отличии от графа изделия, вершина может быть коинцидентна нескольким ребрам. Данный граф может использоваться при проектировании ЭБ семейства.
Рассмотренная классификация изделий, семейства основана на сходстве их состава или структуры. Любая классификация - это двойственность мерономии (членения объектов, позволяющее установить степень сходства их строения) и таксономии (группировки объектов по сходству) [14]. Поэтому рассмотрение семейства с позиций мерономии должно быть дополнено таксономическим аспектом. С таксономических позиций изделия, входящие в семейство, отличаются друг от друга качественно (номенклатурой свойств, признаков, параметров) и количественно (значениями характеристик).
В практике проектирования различают «тип изделия», как классификационную группу устройств, сходных по назначению, принципу действия, конструктивному исполнению и номенклатуре параметров (ГОСТ 23945.0-80. Унификация изделий. Общие положения). При наличии конкретных значений параметров используют понятие типоразмера. Видоизменение изделия, не изменяющее его типоразмер, называется модификацией. Кроме того, используется понятие производных моделей изделия, связанные с частичным отклонением от его типоразмера [11].
Устройства, которые с точки зрения таксономии являются производными моделями, с позиций мерономии являются модификациями, если они отличаются только составом компонентов.
Изделия, относящиеся при таксономическом подходе к разным типам, с позиций мерономии могут принадлежать к одному и тому же типу. На рис.2.18а показаны манипуляторы, которые с точки зрения мерономии относятся к одному типу, но разным модификациям. Имея одинаковое строение, они отличаются номенклатурой главных и основных параметров. С позиций таксономии это изделия разных типов. С другой стороны, изделия одного и того же таксономического типа могут иметь различные типы с позиций мерономии. Пример таких конструкций показан на рис.2.185.
Таким образом, разбиения семейства на типы, модификации и типоразмеры с позиций таксономии и мерономии могут не совпадать, однако объединение этих двух подходов позволяет получить полное представление о его строении.
Основные понятия теории группового проектирования, сведенные в таблицу, и пример использования понятия «узел сопряжения» при структурном синтезе механизмов с высшими кинематическими парами приведены в приложении 2. 2.4. Показатели семейства и его элементной базы
Одним из основных признаков, позволяющих установить, является ли рассматриваемая группа G изделий семейством, служат свойства ее элементной базы. Общность свойств изделий - это необходимое, но не достаточное условие, позволяющее считать группу изделий семейством. Два изделия, выполняющие одну и ту же функцию и имеющие один и тот же принцип действия и одинаковые характеристики, могут не иметь одинаковых составных частей. С увеличением числа изделий Va в группе (Va далее будем называть объемом группы изделий) растет число исполнений (номенклатура) VE их составных частей, образующих элементную базу. Далее VE будем называть объемом ЭБ. Обозначим через п среднее количество исполнений (номенклатуру) составных частей в одном изделии рассматриваемой группы. Будем считать, что каждое изделие группы составлено из оригинальных составных частей. Количество исполнений компонентов в элементной базе такой группы равно:
Матричные методы выделения семейства из исходного множества изделий и анализа его строения
В том случае, когда структурных ограничений нет (элементарные циклы нечетной длины отсутствуют), но в силу каких-либо конструктивных ограничений сделать все узлы сопряжения (вершины графа), образующие соединение с данным узлом (смежные с данной вершиной), одного конструктивного вида (одного цвета) невозможно используются аналогичные решения. На рис.3.16а различное исполнение узлов аи и а2г показано различной раскраской двух вершин, смежных вершине a3i- Поскольку узлы
Преобразование графа связей семейства изделий для получения требуемой раскраски смежных вершин: а - граф с различной раскраской двух вершин, смежных одной вершине; б -преобразование графа путем разбиения класса компонентов на два подкласса (введение модификации); в - преобразование графа путем введения нового класса компонентов и an имеют различное исполнение, то соединенный с ними узел д3і должен иметь два различных исполнения. Для этот можно ввести дополнительный подкласс компонентов (дополнительное подмножество вершин графа), например, разделив класс ЕЗ на два подкласса Е31 и Е32. Граф преобразуется из вида, показанного на рис.3.16а, к виду, изображенному на рис.3.166. Другой вариант действий - введение нового класса компонентов Е4, что приводит к преобразованию исходного графа по рис.3 Л ва к виду по рис.3.1 бе (пример использования данного решения приведен в главе 4).
После уточнения структуры изделий уточняются взаимосвязанные с ними состав и структура ЭБ семейства. В результате предварительно устанавливается номенклатура компонентов ЭБ семейства (см. рис.3.17).
Для уточнения строения (облика) семейства определяются типы, модификации и типоразмеры изделий уже с позиций мерономии. Для этого на основе предварительно установленного состава компонентов ЭБ строятся модели изделий в виде к-дольных графов (рис.3.18) и анализируются состав и структуры изделий, включенных в семейство. Сравнивая эти характеристики,
Рассмотрим методы решения задач отбора из исходного множества Г изделий, включаемых в состав создаваемого семейства G. В качестве критериев для отбора изделий могут служить различные их свойства и характеристики. В рассматриваемом примере критерием отбора будем считать возможность построения изделий семейства на основе единой элементной базы. Для решения задачи используется метод, предложенный в работе Л.К.Ковалева [69].
Будем считать, что в описании составных частей изделий, входящих в исходное множество, используется единый алфавит обозначения классов компонентов Е={Еі ІІ=\,...,ИЕ} элементной базы. Состав каждого изделия может быть описан перечислением классов {Еі} входящих в него компонентов g={El,E2,...,Ei,...,E E}- Для каждого изделия указываются классы входящих в него составных частей и число- компонентов каждого класса в изделии. Множество Г рассматриваемых изделий в общем случае может быть разделено на несколько групп {Gi}. Каждая группа Gi формируется на основе своей элементной базы.
Выбор изделий для включения в группу (семейство) можно проводить на основании таблиц соответствия (таблица- 3.3) [69]. Данные таблицы устанавливают связь между изделиями, и классами входящих в них компонентов. Ячейки таблицы занимают цифры, которые показывают количество компонентов каждого класса используемых в изделиях.
Для примера ограничимся десятью классами компонентов, характеризующими сравниваемые технические устройства, и рассмотрим процедуру отбора для девяти условных изделий (таблица 3.4), составляющих множество /"(пример условный).
Для разбиения множества Г на подмножества (группы) примем в качестве критерия для сравнения изделий совпадение классов, используемых в них составных частей.
Определить для каждой пары изделий их степень схожести, можно перемножив две матрицы: матрицу Мкк, соответствующую массиву таблицы 3.5, и транспонированную матрицу Мккт (см. таблицу 3.6) .
На основе Ми можно составить таблицу прототипов (табл.3.7). Каждый элемент таблицы 3.7 показывает сколько одинаковых классов составных частей используется в изделиях, соответствующих данной строке и данному столбцу. Это, в определенной степени, отражает меру близости каждой пары изделий множества Г. Однако данная оценка не учитывает общее число классов компонентов, используемых в сравниваемых изделиях.
В каждой строке и каждом столбце матрицы Мс расположены числа, показывающие степень сходства данного изделия; с изделиями множества. Найдем для каждого изделия среднее значение АтЗу этого показателя (например, взяв среднее арифметическое по соответствующей строке): Они приведены в последнем столбце таблицы 3.9.
Выберем из него максимальное значение Макс(АтЗу) (в приведенном примере Макс(АтЗу)=0,396). Преобразуем матрицу сходства, Мс в матрицу смежности М графа связей изделий множества, по следующему правилу. Будем считать, что изделие gt связано с изделием gj если тЗу Макс(АтЗу). Данному случаю будет соответствовать значение 1 элемента ту матрицы смежности М, в противном случае, соответствующий элемент матрицы равен нулю. Результаты приведены в таблице ЗЛО.
Матрице смежности соответствует граф связей изделий множества- Г. Для разбиения множества на классы могут быть использованы методы теории графов, используемые, например, для разбиения электрических схем [90]. Задача деления множества Уна семейства может быть представлена как задача- деления- графа на непересекающиеся части, между которыми будет минимальное число связей.
Разработка компонентов кинематических цепей
Принцип действия задает структуру изделий семейства, имеющую минимально необходимое число составных частей (компонентов). Для разрабатываемой группы приборов выбор принципа действия не представляет принципиальных затруднений. Требования кинематической точности, наличие нескольких выходных устройств, большие передаточные отношения определяют использование цилиндрических зубчатых передач внешнего зацепления. В более сложных случаях можно воспользоваться методикой, предложенной в [65].
Возможны два принципа построения конструкции редуктора: с моноблочным корпусом и модульный вариант. При моноблочном построении конструкции прибор формируется непосредственно корпусом редуктора. При модульном формировании прибора модуль представляет собой узел, включающий корпус и кинематическую цепь, содержащий одну зубчатую пару. При компоновке прибора имеется определенная гибкость в. формировании конструкции изделия, позволяющая получить разные конструкции (см. рис.4.4). При модульном построении редукторов номенклатура элементной базы меньше, но увеличивается трудоемкость сборочных операций, снижается жесткость получаемых конструкций.
Необходимость функционирования при ударных и вибрационных воздействиях в жестких климатических условиях определяет использование моноблочной конструкции, отличающейся большой жесткостью. Кроме того, данную конструкцию легче защитить от атмосферных воздействий, разместив в наружном корпусе.
Предварительно" определим состав элементной базы, учитывая принятый принцип действия, принцип построения конструкции и разнообразие номенклатуры объектов-носителей и выходных устройств, используемых в приборах.
Простейшие кинематическая схема редуктора показана на рис.4.5, а структура редуктора, реализующая выбранный принцип действия и отражающая соединения компонентов, - на рис.4.6, где Е1 - класс корпусов редукторов; Е2 - класс цилиндрические зубчатые колеса; ЕЗ - класс валы; Е4 - класс опоры для крепления валов; Е5 - устройства для связи валов редуктора с выходными устройствами; Е6 - устройства для связи вращающегося объекта с ведущим валом редуктора [148,184]. Классы Е2, ЕЗ и Е4 разделены на подклассы Е2 , Е2", ЕЗ , ЕЗ", Е4 , Е4", относящиеся к ведущему и ведомому компонентам кинематической цепи, соответственно.
Корпуса - наиболее сложная и трудоемкая часть редукторов, поэтому целесообразно уменьшать их номенклатуру. Разнообразие выходных устройств, объектов-носителей, сочетаний, в которых используются выходные устройства, приводит к расширению номенклатуры корпусов. Разрешить это противоречие можно следующими путями (эти пути являются практической реализацией приемов, показанных на рис.3.2): - конструкцией корпуса в сочетании с гибкостью технологии его изготовления; - введением дополнительных классов компонентов, связывающих выходные устройства и объекты-носители с корпусами редукторов (см. рис.3.2); сочетанием обоих предыдущих приемов.
Рассматриваемое семейство редукторов относится к семействам вида Gm. Это одномерное простое семейство, содержащее изделия одного типа и типоразмера, но разных модификаций. Тип изделий семейства задается графом соединения классов компонентов, приведенным на рис.4.8. Модификации приборов зависят от используемых выходных устройств и их числа, передаточных отношений, а также от вида объектов-носителей. Получение требуемых модификаций обеспечивается соответствующими исполнениями компонентов классов: ЕГ, Е2 5 ЕЗ , Е5 , Е6 , Е1 Г, Е12 . Создание требуемых исполнений изделий обеспечивается соответствующими исполнениями корпусов редукторов, модификации которых определяются, в том числе, и количеством отверстий под опоры валов [141].
Все изделия создаваемого семейства приборных редукторов относятся к одному типу, поэтому более подробное описание структуры, чем приведенное на рис.4.8, не требуется. Анализ выполняемых функций и конструктивного вида компонентов позволил определить окончательный состав классов компонентов элементной базы семейства [141]: Е1 - класс корпусов кинематических цепей (бывший класс ЕГ);
Устройства для крепления корпуса редуктора на объекте носителе (класс наружных корпусов для закрытых исполнений приборов) в состав элементной базы не включен. Для каждого конкретного изделия разрабатывается специализированный внешний корпус, что связано с особенностями размещения и крепления прибора на объекте-носителе и с уникальностью требований к его габаритам и конфигурации.
Для данного семейства изделий этап концептуального проектирования элементной базы ограничивается определением состава класса компонентов. Для приборных редукторов узлы сопряжения составных частей изделий определяются не передаваемыми потоками (передаваемые крутящие моменты не велики и не влияют на размеры элементов конструкции) а из конструктивных соображений и узлами сопряжения объектов-целей. В силу этого сразу можно перейти к этапу детального проектирования элементной базы.
Чтобы решить задачу создания большой по объему группы приборных редукторов необходимо использовать методику проектирования элементной базы, по которой в первую очередь разрабатываются конструкции корпусов редукторов, а затем переходят к проектированию элементов кинематических схем [138,139].
Корпуса разрабатываемой группы приборных редукторов должны предоставлять пользователю широкие возможности для получения разнообразных вариантов размещения выходных устройств и кинематических схем, обеспечивая при этом высокий уровень унификации получаемых на их основе кинематических цепей.
Опыт конструкторских проработок вариантов размещения отверстий в корпусах показал, что наиболее удачным решением, совмещающим возможность получения разнообразных вариантов размещения выходных устройств и унификацию элементов кинематических цепей, является расположение отверстий под валы в корпусах в шахматном порядке на равных (базовых) расстояниях друг от друга (см. рис. 4.9) [14].
Площадь, занимаемая корпусом редуктора, определяется принятой схемой размещения отверстий (в шахматном порядке), количеством отверстий под валы в корпусе и средним межосевым расстоянием. между отверстиями. При постоянном межосевом расстоянии (z4) исполнение корпуса определяется количеством отверстий (z5) в нем. Будем считать, что центр каждого отверстия должен быть расположен от стенки корпуса на расстоянии, не меньшем среднего межосевого расстояния. В противном случае в данном отверстии нельзя будет установить вал с зубчатым колесом максимального диаметра. Схема расположения отверстий в корпусах показана на рис.4.9, где для примера выделены площади корпусов с тремя и четырьмя отверстиями под валы.
