Введение к работе
Актуальность проблемы. Потребитель заинтересован в расширении номенклатуры машин, так как соответствие машины требованиям прогрессивной технологии позволяет уменьшить эксплуатационные затраты. С другой стороны, интересы производителя направлены на сокращение номенклатуры выпускаемой продукции и увеличение ее серийности, что позволяет ему получить экономию в сфере производства Это объективно существующее противоречие является внутренним источником развития техники.
Один из путей разрешения данного противоречия - создание семейств машин. Это подтверждается тем, что большинство предприятий, успешно работающих в условиях рынка, предлагают потребителю многономенклатурные семейства изделий (семейства автомобилей, семейство приводов фирмы Барр, манипуляторы фирм Loglift, Palfinger и т.д.). Под семейством здесь понимается совокупность изделий, объединенных, прежде всего, схожестью свойств и унифицированной элементной базой (ЭБ) составных частей (ограниченный набор унифицированных агрегатов, блоков, деталей, модулей, из которых создаются изделия семейства). Чтобы в сжатые сроки и с минимальными затратами создать семейство машин, нужна адекватная даннойцелиметодологияпроектирования.
В настоящее время формирование семейств осуществляется путем создания машин, имеющих «индивидуальные конструкции» с последующей типизацией, унификацией и агрегатированием их составных частей. Этот путь требует продолжительного периода времени, что связано с необходимостью накопления достаточной номенклатуры машин для проведения работ по типизации и унификации. Получаемые механизмы и машины часто обладают избыточным разнообразием составных частей. В большой степени это обусловлено субъективными факторами. Два конструктора, проектируя изделие по одинаковым техническим заданиям, могут создать совершенно разные конструкции, даже если используют один и тот же принцип действия и вариант деления изделия на составные части. Использование метода базового изделия и агрегатно-модульного подхода позволяет сократить сроки формирования семейства и уменьшить субъективную составляющую номенклатуры за счет параллельного проектирования изделий. Недостаток этих подходов - отсутствие теоретических основ проектирования элементной базы семейства машин, не имеющих избыточной номенклатуры составных частей.
Благодаря высокой квалификации конструкторов созданы великолепные семейства изделий в различных отраслях техники, однако достигнутые результаты не получили надлежащего обобщения и оформления в виде дос-
таточно полно и последовательно изложенной теории. Отсутствие теории проектирования семейства машин (группового проектирования) снижает эффективность работы отечественного машиностроения, так как опыт предприятий, достигших в создании семейств значительных результатов, не становится достоянием других производителей. Кроме того, сам этот опыт часто является специализированным для создаваемой продукции, что не позволяет предприятиям, уже выпускающим семейства машин, полностью использовать преимущества группового подхода.
Таким образом, налицо научно-техническая проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение, - создание семейств машин, не имеющихизбыточностисоставныхчастейизделий,наосноверазработки научныхиметодологическихосновихпроектирования.
Цель работы. Повышение эффективности создания семейств машин путем разработки научных и методологических основ их проектирования.
Для этого необходимо: 1) провести анализ основных объектов проектирования, методов их разработки, уточнить содержание основных понятий, связанных с разработкой семейств машин, и провести их систематизацию; 2) обосновать и разработать методологию проектирования семейств машин (группового проектирования машин); 3) провести апробацию разработанной методологии при проектировании семейств машин и механизмов.
Методы исследования. Эмпирическое обобщение; системный подход; классификация как двойственность таксономии и мерономии; математический аппарат исследований - теория образов и графов, линейная алгебра.
Научная новизна. Разработана концепция формализованного структурного проектирования семейств машин, основанная на системном, концептуальном подходе к исследованию объектов проектирования. В результате установлены структурные свойства и взаимосвязи объектов проектирования и зависимости, связывающие их характеристики, позволившие обосновать и разработать методологию формализованного проектирования, повышающую эффективность и качество разработки.
1. На основе системного, концептуального анализа машин и других изделий машиностроения, а также их семейств и процессов их проектирования:
выявлено базовое элементарное понятие «узел сопряжения» составной части изделия, используемое для формализованного описания объектов проектирования, и отражающее (учитывающее) часть ее конструкции, служащую для соединения (связи) с другими объектами и передачи потока энергии, вещества, сигналов;
сформирован комплекс структурных моделей основных объектов проектирования (изделия, его составных частей, семейства изделий, элементной базы семейства), на основе которых разработаны математические модели, используемые для формализации процесса проектирования;
сформирована система базовых понятий, связанных с разработкой семейств машин, построенная на основе четырех исходных понятий: «изделие»; «составная часть» изделия; «соединение» составных частей; «преобразование подобия», связывающее характеристики составных частей;
предложена система показателей, позволяющих оценить свойства семейства и его элементной базы, и связывающих их зависимостей.
2. На основе выявленных структурных свойств и взаимосвязей объек
тов проектирования обоснована и разработана методология формализован
ного структурного проектирования семейств машин, отличающаяся тем, что
в нее введены этапы анализа структуры семейства и проектирования эле
ментной базы, причем ее разработка осуществляется до проектирования
конструкций конкретных машин после анализа структур создаваемого се
мейства и входящих в него изделий. Основными новыми составляющими
разработанной методологии являются:
метод анализа структуры семейства машин;
метод проектирования элементной базы семейства, обеспечивающий отсутствие избыточности составных частей изделий;
методы генерации изделий из компонентов элементной базы, отличительные особенности которых связаны с использованием предложенных структурных моделей.
3. С использованием разработанной методологии установлены новые
принципы построения семейства крано-манипуляторных установок и семей
ства приборных редукторов.
На защиту выносятся:
система базовых понятий, связанных с разработкой семейств машин;
методология проектирования семейств машин;
метод анализа структуры (строения) семейства машин;
метод проектирования элементной базы семейства машин, исключающий избыточность их составных частей;
метод генерации изделий из компонентов элементной базы;
математические модели, используемые при разработке семейств;
разработанные с использованием предложенной методологии, запатентованные принципы построения семейства приборных редукторов и семейства крано-манипуляторных установок;
семейство приборных редукторов автоматики.
Практическая ценность:
в обеспечении возможности в сжатые сроки создавать семейства изделий, не имеющих избьпочной номенклатуры составных частей, что подтверждается результатами разработки семейств крано-манипуляторньгх установок и приборных редуктров;
в появлении единой основы для обобщения и распространения опыта проектирования семейств, накопленного машиностроительными предприятиями;
в создании предпосылок для сквозной автоматизации выпуска продукции при использовании средних по мощности САПР;
в возникновении предпосылок для расширения сферы применения САПР и CALS-технологий и повышения эффективности их использования (групповой подход является одним из средств реинжиниринга бизнес-процессов при внедрении информационных технологий);
в появлении предпосылок для подготовки инженеров, воспитанных на групповой концепции создания техники, в частности полученные научные результаты могут быть использованы в курсах теории механизмов и машин и других проектных дисциплин.
Достоверность результатов исследований подтверждается обоснованностью и корректностью использования применяемого математического аппарата, практическими результатами проектирования конкретных семейств машин и механизмов, выполненных автором и другими разработчиками. Полученные теоретические результаты полностью согласуются с имеющейся суммой научных знаний, связанных с проектированием изделий машиностроения и их семейств, расширяя и дополняя ее.
Реализация результатов. Разработанная методология проектирования семейств изделий используется в проектной деятельности ФГУП "ВНИИ "Сигнал": разработаны и используются в практике проектирования элементные базы приборных редукторов и стендового оборудования, гамма КМУ; внедрены стандарты предприятия «Методические указания по конструированию» и «Проектирование семейства изделий групповым методом».
Полученные автором результаты используются в учебном процессе Ковровской государственной технологической академии: теоретические результаты - в курсе теории механизмов и машин, практические - при самостоятельной работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях в КГТА, 1994-2000гг.; на 9-м Всемирном конгрессе по ТММ, Италия, Милан, 1995 г.; международных научно-технических конференциях по автоматизированному проекта-
рованию передач и редукторов, Ижевск, 1989, 1996 гг.; по механическим трансмиссиям и машинам, МТМ-97, Китай, Тянцзинь, 1997 г.; «Леса Беларуси и их рациональное использование», Минск, БГТУ, 2000 г.; на международной конференции по инженерному проектированию ICED97 Финляндия, Тампере, 1997 г.; 9-й международной конференции по проектированию и производству машин UMTIK-2000, Турция, Анкара, 2000 г.; XXXIII Уральском семинаре по механике и процессам управления, Екатеринбург, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 59 работ: 21 статья в реферируемых журналах, 6 статей в сборниках трудов международных конференций, 10 тезисов в сборниках трудов научно-технических 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 - 300 страниц. Список литературы содержит 187 наименований. В приложении приведены определения основных понятий теории проектирования семейств машин, краткое изложение предлагаемой методологии проектирования, данные по приборным редукторами и кранам-манипуляторам, а также документы, подтверждающие внедрение результатов диссертации.