автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка методологии проектирования семейств машин на основе формализованного структурного подхода

На правах рукописи

ТРЕТЬЯКОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕМЕЙСТВ МАШИН НА ОСНОВЕ ФОРМАЛИЗОВАННОГО СТРУКТУРНОГО

ПОДХОДА

Специальность 05.02.02 - машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ковров 2004

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия» и на кафедре теоретической и прикладной механики Владимирского государственного университета.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Козырев Вячеслав Васильевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Заслуженный машиностроитель РФ, доктор технических наук, профессор Ковалев Лев Кузьмич

доктор технических наук, профессор Наянзин Наум Гурьевич

доктор технических наук, профессор Панюхин Виктор Вадимович

ФГУП «ВНИИ «Сигнал», г. Ковров

Зашита состоится «27» октября 2004 года в «15е01 часов на заседании диссертационного совета Д 212.090.01 по адресу: 601910, г. Ковров, ул. Маяковского, 19, Ковровская государственная технологическая академия.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке КГТА.

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.Л.Симаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 Ьэ£;Ш:, РаШщег 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 данной целиметодология проектирования.

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 имеющихизбыточности составныхчастей изделий, на основеразработки научныхиметодологическихоснов ихпроектирования.

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 объектов проектирования обоснована и разработана методология формализованного структурного проектирования семейств машин, отличающаяся тем, что в нее введены этапы анализа структуры семейства и проектирования элементной базы, причем ее разработка осуществляется до проектирования конструкций конкретных машин после анализа структур создаваемого семейства 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 семейства 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 избыточной номенклатуры составных частей, что подтверждается результатами разработки семейств крано-манипуляторных 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 СЛЬ8-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 1СЕБ97 Финляндия, Тампере, 1997 г.; 9-й международной конференции по проектированию и производству машин ЦМТ1К-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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы разработки семейств машин (группового подхода к созданию изделий). Основы групповой технологии и группового проектирования были заложены в 50-70-х годах В.В.Бойцовым, Н.Г.Домбровским, С.В.Крейтером, П.С.Митрофановым, А.М.Мурашовым, ГАСнесаревым и другими учеными. Наиболее значимые работы 80-х годов - это работы О.И.Аверьянова, Ю.Д-Амирова, Б.М.Базрова, А.Л.Васильева, И.С.Голубева, Е.М.Парфенова, В.В.Строкова.

С начала семидесятых годов методы создания семейств изделий оптического приборостроения активно использовались и развивались ЛОМО имени В.И.Ленина в содружестве с учеными Ленинградского северозападного заочного политехнического института. Результаты этих работ нашли отражение в публикациях Ю.И.Галныкина, РЛ.Сатановского, И.И.Богушевского. Одной из областей техники, широко использующей групповые методы, является робототехника. Разработчиками роботов был предложен и обоснован принцип модульного построения средств робототех-

ники. Метод был опробован в ЦНИИ РТК, 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 ВАПавлов.

Среди последних работ, относящихся к групповой технологии и групповому проектированию и родственным проблемам разработки машин и технологий, - работы В.П.Отрохова, посвященные созданию семейства модульных коробок передач грузовых автомобилей; Б.М.Базрова об использовании модульного принципа в производстве и проектировании изделий; В.П.Быкова по методологии проектирования; В.В.Ефимова и В.В.Епифанова о разработке семейств гибких круглошлифовальных производственных модулей; Л. К. Ковалева о синтезе структуры систем технологического оборудования; А. Ф.Крайнева по идеологии конструирования; П.С.Митрофанова по технологии и организации группового машиностроительного производства; В.П.Иванова о проектировании семейств машин для технологического оснащения ремонтных заводов; В.И.Саблина о создании унифицированных радиоэлектронных систем и комплексов.

За рубежом при создании семейств технических устройств широко используется метод базового изделия. Связанные с ним понятия вошли в состав нормативной документации, посвященной управлению конфигурациями. После публикации в материалах международной конференции по инженерному проектированию ICED-97 автором данной диссертационной работы доклада, посвященного групповому подходу к созданию семейства машин, у зарубежных ученых появился интерес к данному направлению проектной деятельности, что подтверждается стабильным ростом числа докладов, посвященных отдельным задачам создания семейств изделий. Так на конференции по инженерному проектированию ICED в 1997 г. был 1 доклад, в 1999 г. - 4 доклада, в 2001 г. - 6 докладов, в 2003 г. - 10 докладов из них 9 по секции «Создание семейств изделий».

Несмотря на наличие крупных работ, посвященных проблемам создания семейств машин, групповое проектирование не получило надлежащего обобщения и оформления в виде достаточно полно и последовательно изложенной теории. Отсюда вытекают основные вышеперечисленные задачи настоящей работы.

Во второй главе установлены структурные свойства и взаимосвязи объектов проектирования и зависимости, связывающие их характеристики, а также рассмотрены основные понятия группового проектирования.

Семейство машин и его особенности. Семейство состоит из изделий-особей, каждое из которых по совокупности своих параметров уникально.

Изделия-особи, изготавливаемые по одной и той же проектной документации, объединяются в изделия-виды. Проектные действия осуществляются с изделиями-видами (далее просто изделия). В основе формирования семейства лежит общее, присущее входящим в него изделиям. В первую очередь, это морфологическая составляющая: близость принципов действия, структур, составных частей (рис.1), а также схожесть выполняемых функций, характеристик, условий функционирования. Однако две машины, выполняющие одну и ту же функцию, имеющие один и тот же принцип действия и одинаковые характеристики, могут не иметь конструктивно эквивалентных составных частей. Поэтому, свойства составных частей -это один из основных признаков, позволяющих установить, является ли группа изделий семейством. Предлагается считать, что совокупность машин является семейством, если эти машины состоят из унифицированных составных частей.

Для изделий семейства характерно единство (общность) их жизненного цикла, а, следовательно, и системы жизнеобеспечения.

Таким образом, семейство - это совокупность изделий, объединенных схожестью свойств, унифицированной элементной базой составных частей, единством жизненного цикла и системы жизнеобеспечения.

Элементная база семействамашин иеекомпоненты. Унифицированные составные части, из которых построены машины семейства, подчиняются единым требованиям и образуют его ЭБ, становясь ее компонентами. Множество Е компонентов ЭБ разбивается на непересекающиеся классы (рис.2):

где ЫЕ - число классов компонентов в ЭБ. В один класс объединяются компоненты, выполняющие одинаковые функции.

(1)

Е1 - поворотная стоика

Е2 - стрела

а„, я.,.

е,| /12 Лг

/I +

а31 а32 а51 а52 ¿51 а52чОуа51

Рис.2. Состав и структура ЭБ семейства КМУ и модели ее компонентов в виде графов, состоящих из изолированных вершин

Каждый компонент ЭБ характеризуется создаваемыми соединениями (связями) Л и вектором конструктивных параметров . Соединения, которые он образует, передают потоки вещества, энергии и сигналов и имеют

и

определенное конструктивное исполнение, поэтому они должны быть представлены описаниями трех видов:

1. Сущностное описание - это описание передаваемых соединением потоков энергии, вещества и сигналов.

2. Описание конструктивного вида соединения - описание части конструкции компонента, которая осуществляет передачу потока. Эту часть компонента будем называть "узлом (элементом) сопряжения". Узел сопряжения может соединяться только с одним узлом сопряжения другого объекта. Через один узел могут передаваться несколько потоков. В качестве примеров узлов сопряжения могут служить привалочная плоскость, посадочное отверстие, элементы кинематической пары, принадлежащие каждому из соединяемых звеньев, контакт или гнездо электрического разъема, вилка или розетка разъема и т.п. Описание узлов сопряжения состоит из описания их структуры Ла(е) = (а^) и множества признаков узлов тса(е). В обозначении

узла первый индекс указывает класс компонента, которому он принадлежит, а второй - номер узла в структуре узлов компонента. Структура узлов сопряжения компонента может быть представлена графом, содержащим набор изолированных вершин, каждая из которых соответствует одному узлу (см. рис.2).

3. Описание отображений содержит отображения составляющих сущностного описания соединения в составляющие описания его конструктивного вида.

Таким образом, любой компонент е можно описать следующими признаками:

Компоненты одного класса, отличающиеся признаками узлов сопряжения и/или векторами конструктивных параметров, являются модификациями

компонентов. В обозначении компонента первый индекс указывает номер

класса которому принадлежит компонент, второй - номер модификации компонента в классе (см. рис. 2). Компоненты класса, связанные одним и тем же преобразованием подобия таким, что относятся к разным

типоразмерам, существует такое что

Узлы сопряжения компонентов можно разделить на внешние и внутренние, служащие для соединения компонентов с объектами среды и друг с другом. По аналогии с узлами сопряжения компоненты также можно разде-

(2)

где

- номер класса компонентов.

лить на внешние, предназначенные для соединения изделий с объектами окружающей среды (например, корпуса редукторов, муфты, грейферы, захваты и т.п.), и внутренние, выполняющие функции, определяемые строением изделия.

Элементная база семейства может быть простой или сложной. В сложной ЭБ компоненты каждого класса могут соединяться с компонентами большинства, а в предельном случае - всех классов, в простой - с компонентами незначительного числа классов.

Составные конструкции (сборки) и изделия. Для построения составных конструкций компоненты можно объединять, соединяя их узлы сопряжения. Чтобы узлы сопряжения двух компонентов можно было соединить необходимо взаимное согласование их признаков (рис.3). Оно определяется

отношением согласования р, яря1. Отношение согласования является s-

инвариантным.

Полученные сборки с = сг(е,,е2,...,ея)

отличаются составом, представляющим собой множество входящих в них

компонентов, и структурой (соединителем), которую можно представить в виде к-дольного графа связей узлов сопряжения (рис.4). Множество 2 таких структур называется типом соединения изделий семейства. Совокупность типа соединения Е и отношения согласования образует комбинаторные правила комплектования сборок: Кс = (Е, р). Компонент ЭБ может быть представлен как «сборка», образованная узлами сопряжения:

Сборки можно разделить на два вида: исполнительные и конструктивные. Простейшая исполнительная сборка содержит три компонента, образующие замкнутый контур, причем один из компонентов - привод. Конструктивные сборки образованы двумя, тремя или большим числом компонентов и не содержат приводных устройств. Соединение компонентов в конструктивной сборке бывает подвижное или неподвижное. От вида сборки и соединения компонентов зависят правила их комплектования. Сборки, полученные при соединении компонентов описываются структурой узлов сопряжения, в качестве которых служат узлы компонентов, не использованные для ее получения, и вектором конструктивных параметров, которые опреде-

Рис.З. Узлы сопряжения (проушины), для которых выполняется отношение согласования

ляются по имеющимся функциональным зависимостям между параметрами сборок и параметрами их составных частей. К сборкам может быть применено деление на внешние и внутренние.

Множество сборок разного уровня сложности образует пространство возможных сборок, из которого по правилам вдентификации отбираются конечные изделия g семейства О = {gí,g2,...,gu}. Сборка может служить конечным изделием, если она выполняет его главную функцию и обеспечивает требуемые соединения с объектами внешней среды. Это означает, что она содержит, по крайней мере, два внешних компонента или сборки. Дополнительно к этому правилу для каждого конкретного семейства создается свой набор правил идентификации конечных изделий.

Структура семейства. Приведенная формализация состава и структуры изделий позволяет провести анализ строения семейства (рис. 4). Оно может быть разбито на непересекающиеся множества изделий, имеющих одинаковую структуру а (изделия одного и того же типа Т). Изделия, у которых совпадают составы компонентов, входят в подмножество технических устройств, имеющих одну и ту же модификацию М. Третий способ разбиения - объединение в отдельные совокупности изделий, связанных с изделиями других множеств данного разбиения одним и тем же преобразованием подобия (подмножества изделий одного типоразмера Ъ). У производных моделей только некоторые составные части связаны преобразованием подобия с составными частями других изделий, например, изделие gJ=<J(e^,e1,...,el_^,sel,el+1,...,eя)eMl и g)eZp{s0), а gk=a(sel,seг,...,selA,e„se„u...,se„)eMm и gk

Указанные разбиения можно применить к любому семейству. В результате получим полностью структурированное семейство, каждое изделие которого описывается тройкой номеров g{i,j,k), указывающих индексы соответствующих множеств 7), М/, 2к . Пространство изделий семейства можно представить совокупностью точек в системе координат: тип Т, модификация М, типоразмер Ъ (см. рис. 4). Вдоль осей координат откладываются номера множеств разбиений семейства в. Для описания структуры семейства можно использовать матрицы (матрицы структуры семейства см. рис. 4), показывающие сечения пространства изделий плоскостями параллельными плоскостям ТМ, или или гистограммы распределения изделий по типам, модификация и типоразмерам.

Представление изделий в виде графов связей и

разбиения семейства по типам, модификациям и типоразмерам

Изделие

аггагз

aJ

Гримера соединителей 63 и 64

Типы

Т|(6| пт. T2fc2 ИЗ. Т3(б3 Нб(, Т4(б4 )=|3,6|,

Кодификации M,(ell,e2U31.e41.e5])Hli. M2(ell.e2U32.e41.e51)=Hi.

M3(ell,e21.e41)=i2.5{ M4(eU,e31,e51)=i3( M5(eU.e32,e5lH6|,

Типоразиеры Z,(s0Hl,2.3.5(. Ш Ц4.6)

Sj-

а,1 «12 " V

aii

Й42

g|i a,; a;i агг a<i а<г l

64-

an аз1

взг Й51

an а,? а3[ а^

Т1

СТРУКТУРА СЕМЕЙСТВА

с. г 8.(1,1,1). gb.i). 83(4,4,1). 8.(1,2,2), 85(3.3,1),

86(4,5,2)

Матрицы структуры семейства Н1 Мг Мэ М4 М5

-■J

Ml М2 М:, м4 и5

s

Рис. 4. Структуры семейства, показанного на рис. 1, и его изделий

Классификация семейств. Исходя из структурных свойств семейства делятся на 7 групп, четыре из них объединяют составные семейства, остальные - простые:

- трехмерные составные семейства, включающие изделия разных типов, модификаций и типоразмеров (пример показан на рис. 1);

- три двухмерных составных семейств, их изделия представляются точками, лежащими в плоскостях, параллельных плоскостям ТЫ, TZ, MZ;

- три простые одномерные семейства, которым соответствуют множества точек, лежащих на прямых, параллельных осям координат Т, М, Z.

Два подхода к структуризации семейства. Рассмотренная структуризация семейства базируется на классификации его изделий, основанием которой является сходство их состава или структуры. Любая классификация -это двойственность мерономии (членения объектов, позволяющее установить степень сходства их строения) и таксономии (группировки объектов по сходству). 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). 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. На рис. 5 показаны манипуляторы, которые с позиций мерономии являются изделиями одного типа и разных модификаций. С позиций таксономии это изделия разных типов. Имея одинаковое строение, они отличаются номенклатурой главных и основных параметров.

Показатели семейства и его ЭБ. Как отличить семейство изделий от группы изделий, не образующих семейство? Для идентификации семейств используются показатели, позволяющие провести такую оценку. Наиболее очевидные из них: Ус - количество машин в семействе; УЕ - количество компонентов в ЭБ семейства; п - среднее количество исполнений компонентов ЭБ в одном изделии семейства; т - среднее количество машин семейства, в которых используется любой компонент ЭБ.

Рис. 5. Изделия одного типа и разных модификаций с позиций мерономии и разных типов с позиции таксономии

Для моделирования связи количества машин в семействе с количеством компонентов его ЭБ используется степенная функция вида:

где а является показателем интегрированности ЭБ семейства и может принимать значения от 0 до 1. При а = 1 имеем ЭБ идеального семейства. Номенклатура его ЭБ остается неизменной при увеличении количества изделий (рис. 6). Каждое его изделие содержит все компоненты ЭБ. Значение а = О соответствует набору составных частей группы полностью разнородных изделий (рис. 6). ВеличищР = 1 - а ожно считать показателем дифференци-рованности ЭБ.

зоо

270

240

210

180

150

120

90

60

30

1 1 N 1 Ы ; : 4 ■ ■ 1 3' / 1 * ......- <>г /У У

:

..... •.....г ...... у У* * У/ / / >7 Г' \

■ ! ;

/ л * * / / 4 ! ; ; 1 ' !

\ ;

! ..... ! ! .... : ! 1

' и I 1 1 ! ; ; 1 .

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Рис. 6. Диаграммы роста численности компонентов элеметной базы: I - идеального семейства, а = 1; 2 - группы изделий, не имеющих одинаковых составных частей, а = 0; 3 - верхняя граница области семейств изделий, а = а0; 4 - семейства с а = 0,419 ; 5 - семейства с а = 0,205

Легко установить, что для семейства выполняется равенство:

т-УЕ=п-Га. (4)

На основе зависимостей (3), (4) определяются остальные показатели. Диаграммы роста количества компонентов элеметной базы при увеличении количества машин в семействе даны на рис. 6. Точками показаны практически полученные значения.

Как отмечалось выше, для семейства характерно наличие ЭБ, состоящей из унифицированных составных частей изделий. В соответствии с ГОСТ23945.0 (Унификация изделий. Общие положения.) унифицированной является взаимозаменяемая составная часть двух или более изделий. На основании этого можно считать, что группа машин является семейством, если в среднем любой компонент ее ЭБ используется в двух или более изделиях. Используя (3) и (4) и приняв т = 2, получим минимальное значение показателя интегрированности, при котором совокупность изделий начинает проявлять свойства семейства Таким образом, если то группу изделий следует считать семейством.

Для любого семейства компоненты его ЭБ первого уровня можно разделить на более мелкие составные части, которые образуют ЭБ более высокого уровня. Каждый класс компонентов ЭБ любого уровня является семейством изделий и для него и его ЭБ можно определить рассмотренные показатели. Используя их, можно рассчитать показатели ЭБ любого уровня, рассматривая ее как ЭБ исходного семейства машин.

В третьей главе обоснована и разработана методология формализованного структурного проектирования семейства машин. Опираясь на рассмотренную систему понятий и структурные модели объектов, можно построить методологию разработки семейства машин, обеспечивающую отсутствие избыточного разнообразия их составных частей (рис. 7). Процесс проектирования семейства включает выбор объекта проектирования, разработку ЭБ семейства, создание методики синтеза и синтез изделий на основе ЭБ.

При выборе проектируемого семейства проводятся маркетинговые исследования. Формируются массивы исходной информации о выполняемых функциях F, признаках Р и условиях функционирования £2В технических устройств создаваемого семейства. Для их получения анализируются ранее спроектированные технические устройства, относящиеся к разрабатываемому семейству; семейства-аналоги; семейства, изделия которых выполняют схожие функции; семейства изделий, функционально связанных с проектируемыми; семейства технических систем, в которые входят в качестве составных частей разрабатываемые машины. В результате устанавливаются

типы, модификации и типоразмеры изделий (с позиций таксономии), которые должны быть разработаны, т.е. определяется типаж машин (см. рис. 1,а), проводится его оптимизация, например, по критерию минимума затрат.

Выбираются принципы действия машин семейства. Конкретизация строения изделий осуществляется при выборе их конструкций. Принципы построения конструкций машин, используемые в практике, - моноблочные конструкции; расчлененные конструкции, предусматривающие блочное построение изделия (деление изделия на сборочные единицы), агрегатное или модульное воплощение. Рассматриваются возможные варианты структур, учитывающие различные условия эксплуатации изделий и особенности их изготовления. Проводится классификация составных частей изделий. В результате предварительно определяется состав и структура ЭБ семейства: классы, модификации и типоразмеры компонентов. Строятся модели компонентов, отражающие структуру их узлов сопряжения (рис. 7, а).

Для окончательного определения облика семейства уточняют типы, модификации и типоразмеры машин уже с позиций мерономии. С использованием моделей компонентов ЭБ строятся модели изделий в виде к-дольных графов и анализируются структуры и состав изделий, включенных в семейство. Сравнивая эти характеристики машин, определяют структуру семейства (рис. 7, б).

Результатом первого этапа группового проектирования является состав (типаж) О = и структура семейства (рис.7, б), предваритель-

но определенные структура и состав его ЭБ (рис. 7, а). Формулируются принципы построения семейства, которые определяют, что следует считать типом, модификацией, типоразмером и производной моделью изделия для данного семейства, а также показывают за счет каких компонентов ЭБ и их параметров они будут получены.

При разработке ЭБ семейства машин, не имеющих избыточной номенклатуры составных частей, решаются следующие основные задачи: определение номенклатуры компонентов, обусловленной их соединениями в изделиях семейства; определение параметров компонентов по известным параметрам машин; разработка конструкций компонентов.

Процесс разработки ЭБ включает: концептуальное проектирование, детальное проектирование, наращивание номенклатуры компонентов.

2. РАЗРАБОТКА ЭБ СЕМЕЙСТВА 2.1. Концептуальное проектирование ЭБ Определение расширенного множества типов изделий Множество типов изделий з.' № п и!», I ».«С«" 2|)|о ||, 19,« (т, п г,)| - 4i.9j.fi" ■ Расширенное множество типов юп-ытим^ »9,..

Определение номенклатуры узлов сопряжения компонентов

Оприслшис требуемых нпиингтЯ умо» по мраморам передаиемш потоков

N во—«ум» х«м

«5 9«

«а «в 1 •а,*» Н.**|1

'«•■л Аа.ав;|

«и«я-г|

га са ^ а ¿ь

««■1 2 Г I в, • «м -о Уравиеям

узлов

Определение номенклатуры компонентов, обусловленной их соединениями в изделиях Уравнения соеоикешц узлов (соответствуют ребрам графов наделяй ю ЯМТ)

Уравнения исполнений умов: ««ч. «„н, г.

Уравнения, унифицирующие узлы компонентов ■ш в»-"«-!, »«-«в-0.

Решения уравнений

1. в««*. «о—1. вщя-4, .

Для неиспользованных ¡ПЛОВ

Состав компонентов ЭБ, обусловленный их соединениями в изделиях

Кгмш Испа "5Г~| [неям годов ТМ|чи нпм

я. е. ап 0 1 1 3

1 0 1

'и - о - 1

'в - г -

"и ■л - -1 1

е, «I - -г 0 г

«I - ч

Общее количество компонентов 7

Уточнение номенклатуры компонентов ЭБ 'я-г, »я—е,«я—1.

ецввЦ.О»; *е|4шб*0л2>, однако ееи-в1(ьг>-»ев, так как

Рис. 7, в. Методология проектирования семейства. Разработка элементной базы семейства машин

Концептуальное проектирование ЭБ:

1. Формирование совокупности машин, определяющих требуемые соединения между компонентами.

2. Определение номенклатуры узлов сопряжения компонентов ЭБ.

3. Определение номенклатуры компонентов, обусловленной их соединениями в машинах.

Формирование расширенного множества типов машин (RMT) (рис.7,в). Концептуальное проектирование выполняется для совокупности, включающей изделия разных типов (множество типов) и производные модели. Включение производных моделей в расширенное множество типов обеспечивает «связь» между машинами семейства, относящимися к разным типоразмерам. Если число изделий в семействе невелико, то этап можно выполнять для всего семейства целиком.

Определение номенклатуры узлов сопряжения. Исходные данные: совокупность пар соединенных узлов сопряжения составных частей машин, включенных в КМТ; потоки энергии, вещества и сигналов, передаваемые узлами.

Первоначально каждая пара соединенных узлов компонентов, входящих в машины расширенного множества типов, считается оригинальной и ей присваивается уникальный номер. Затем номенклатура узлов уменьшается путем унификации. При этом учитываются проходящие через них потоки энергии, вещества и сигналов, а также конструкции узлов сопряжения объектов, соединяемых с компонентами. В результате формируется таблица исполнений узлов (рис. 7, в). В наиболее простом случае все пары узлов сопряжения могут иметь один и тот же номер, т.е. конструктивное исполнение их будет одинаковым.

Определение номенклатуры компонентов, обусловленной их соединениями в изделиях. Исходные данные: состав и структуры изделий, включенных в КМТ, исполнения узлов сопряжения компонентов. Для решения задачи удобно использовать язык и методы теории графов. Семейству соответствует граф, полученный объединением графов изделий из КМТ (рис.7,в). Для описания этого графа можно использовать таблицу соответствий. При выборе исполнений узлов ее преобразуют в таблицу исполнений компонентов ЭБ.

Другой метод основан на использовании системы линейных алгебраических уравнений, решение которой позволяет определить состав компонентов ЭБ. Заметим, что для обозначения соединяемых в изделии узлов сопряжения можно использовать числа, отличающиеся только знаком (см. рис.3 и рис.7, в). Если считать буквенное обозначение узлов неизвестной, а номера исполнений узлов - множеством значений этих неизвестных, то условие возможно-

ста соединения узлов ацк.а,} в изделии gк может быть выражено алгебраическим уравнением (рис. 7, в) вида:

апк+а0к=0. (5)

Каждому ребру графов изделий будет соответствовать уравнение вида (5). Третий индекс в обозначении узла соответствует номеру изделия, для которого описываются соединения его составных частей.

Специфичные требования к отдельным исполнениям узлов сопряжения могут быть представлены уравнениями вида (рис. 7, в):

где Ъ - число, обозначающее требуемый вариант исполнения узла сопряжения ач в изделии

Цель проектирования - получить ЭБ минимального состава. В идеале каждый класс компонентов должен содержать одно исполнение. Например, для класса Е1 это условие формализуется уравнениями:

которые можно представить в виде (рис. 7, в):

"111-0112=0, ащ-а, 13=0,

ацк-ац(к*1)=0,... (7)

Этими уравнениями в ЭБ закладываются ограничения по номенклатуре узлов сопряжения и самих компонентов.

Таким образом, для описания состава ЭБ и требований к ней может быть использована система линейных алгебраических уравнений вида (5), (6), (7), решение которой определяет варианты исполнения узлов компонентов, а значит и номенклатуру компонентов (рис. 7, б). Эти компоненты позволяют получить все требуемые соединения, встречающиеся в изделиях, включенных в семейство. Номенклатура компонентов ЭБ не имеет избыточности, вызванной субъективными факторами.

Детальное проектирование ЭБ. Основные исходные данные: номенклатура компонентов ЭБ, обусловленная требуемыми соединениями в изделиях; интервалы характеристик изделий; потребность в изделиях каждого вида; функ-

циональные зависимости, связывающие параметры изделий с параметрами их составных частей. Результат этапа - конструкции компонентов (рис. 7, г). При детальном проектировании большое значение имеет последовательность, в которой ведется разработка конструкций. Каждый конкретный компонент ЭБ может быть использован в нескольких машинах создаваемого семейства. В первую очередь должны быть спроектированы функциональные компоненты, на базе которых могут создаваться максимально большие подгруппы изделий семейства. Эти составные части изделий образуют класс основных функциональных компонентов ЭБ. Например, для многоцелевых станков - это столы, для зубчатых редукторов - корпуса редукторов, для КМУ - гидроцилиндры приводов.

По уравнениям, описывающим зависимости между параметрами машин и параметрами компонентов, определяют значения последних. Проводят оптимизацию параметров основных функциональных компонентов или всего состава ЭБ. Критерий оптимизации - минимизация затрат на осуществление жизненного цикла семейства машин. Сначала формируются варианты конструкций основных функциональных компонентов. Состав компонентов прочих классов, их конструкции и параметры зависят от номенклатуры и параметров основных функциональных компонентов, а также от свойств и параметров машин семейства. Проверяют конструктивную, информационную, электрическую и др. совместимость компонентов. В результате формируется состав компонентов ЭБ семейства. Разработанные конструкции компонентов позволяют получить требуемые модификации и типоразмеры изделий.

Структура ЭБ показана на рис. 7, г в виде совокупности точек, соответствующих исполнениям компонентов, в системе координат класс компонентов Е, модификация компонентов е , типоразмер компонентов S. Для

описания допустимых соединений между компонентами используются матрицы смежности узлов сопряжения компонентов ЭБ. На ее основе строится матрица смежности компонентов и матрица смежности классов компонентов (рис.7, г).

Наращивание ЭБ. Чтобы обеспечить создание типов, типоразмеров, модификаций и производных моделей машин семейства, не учтенных при разработке ЭБ, необходимо расширение номенклатуры ее компонентов (рис.7, г). Это задача третьего этапа проектирования, который реализуется в процессе использования разработанной ЭБ. Рассматриваются различные случаи введения в нее новых компонентов: дополнение новым классом компонентов, компонентом нового типоразмера или новой модификации.

Проектирование ЭБ - это итерационный процесс. После разработки первого варианта набора компонентов проводится его апробация в процессе

синтеза и оценка получаемых изделий. По результатам осуществляется корректировка состава компонентов, их конструкций и параметров.

На этапе синтеза машин (рис. 7, г) используются: ЭБ семейства, комбинаторные правила получения сборок, правила идентификации конечных изделий. При синтезе необходимо решить две основные задачи:

- генерация вариантов машин на основе ЭБ, в предельном случае проектируется одно изделие с конкретными значениями параметров;

- определение параметров полученных машин по параметрам составных частей и, наоборот, параметров компонентов по известным параметрам проектируемого изделия. Для этого формируются функциональные зависимости между параметрами составных частей и параметрами получаемых сборок.

Процесс генерации сборок из компонентов ЭБ. При поиске сборок, получаемых соединением компонентов двух классов (не обязательно

различных) задача сводится к нахождению компонентов из Ер узлы которых связаны отношением согласования р с узлами компонентов множества Е,. В обозначении получаемой сборки индексы / и j указывают на номера классов соединяемых компонентов, а индекс к- номер варианта полученной сборки.

Для проектирования сборок и определения их узлов сопряжения на основе матриц смежности компонентов и матриц смежности узлов сопряжения строятся матрицы попарного соединения компонентов и таблицы синтеза сборки (рис. 7, г). Приведенная на рис. 7, г таблица относится к случаю получения сборки из двух компонентов. Она содержит один блок (блоки не разделены на ячейки) по числу соединений, которые должны образовать узлы сопряжения компонентов. Правила заполнения таблиц отражают условия формирования сборок (например, каждый узел может использоваться только один раз; элемент блока может быть равен 1, если номера исполнений узлов соответствующей строки и столбца отличаются только знаком, т.е. для них выполняется отношение согласования). Анализ результатов заполнения таблиц осуществляется исходя из следующих соображений: сборка существует, если каждый блок содержит ровно один (два, три и т.д.) элемент равный 1; варианты исполнения сборки определяются различным расположением 1 в блоках; в качестве узлов сопряжения полученной сборки могут служить узлы компонентов, не использованные для ее получения, т.е. те узлы, в строках и столбцах которых отсутствует единица. Структура узлов сопряжения полученной сборки и их исполнения могут быть найдены и с помощью уравнения сборки, приведенного на рис. 7, г.

По функциональным зависимостям для каждой полученной сборки определяют ее конструктивные параметры.

Варианты сборок большей сложности могут быть найдены путем анализа результатов перемножения матриц попарного соединения. Продолжив эту процедуру, можно получить сборки, содержащие четыре компонента (рис. 7, г) и т.д. Другой вариант генерации сборок основан на использовании таблиц смежности сборок с компонентами ЭБ, таблиц принадлежности узлов компонентам и соответствующих им графов и матриц смежности. Варианты сборок определяются сопрягаемыми маршрутами на графах связей узлов сопряжения компонентов и графах «связей» узлов, принадлежащих одному и тому же компоненту. Из полученных сборок по правилам идентификации выбираются конечные изделия семейства (на рисунках они выделены штриховкой).

В случае генерации одного изделия с заданными параметрами сначала выбирается компонент основного класса, участвующий в выполнении главной функции изделия и обеспечивающий формирование подгруппы изделий, в состав которой предположительно входит машина с требуемыми параметрами. По мере выбора прочих составных частей объем выделенной подгруппы сужается до одного изделия. Совокупность этих процедур является подмножеством процедур, осуществляемых при синтезе всего множества возможных изделий.

В четвертой главе рассмотрен процесс разработки семейства приборных редукторов автоматики, служащих для соединения вала объекта регулирования с разнообразными выходными устройствами: электрическими машинами малой мощности (вращающимися трансформаторами, сельсинами, тахогенераторами и т.п.), отсчетными шкалами, элементами блокировки. Все изделия этого семейства относятся к одному и тому же типу. Их модификации определяются числом выходных устройств, передаточными отношениями, вариантами используемых компонентов.

При создании ЭБ приборных редукторов использовался подход, согласно которому в первую очередь разрабатываются конструкции корпусов редукторов, а затем переходят к проектированию элементов кинематических схем. Разработана методика проектирования корпусов редукторов. Предложена схема расположения осей отверстий под опоры валов в корпусах, обеспечивающая широкие возможности для получения разнообразных вариантов размещения выходных устройств и кинематических схем при высоком уровне унификации приборов.

В результате проектирования была разработана унифицированная ЭБ (рис. 8), основу которой составляет гамма корпусов редукторов. Часть компонентов ЭБ (муфты, стаканы, накладки) представляют собой законченные детали или сборочные единицы. Другая часть входит в нее в виде системы модулей поверхностей и процессов образования из них составных частей

изделий, например, валы, трибки. Это позволяет компоновать редукторы, имеющие требуемую кинематическую схему и параметры. Оптимизация состава ЭБ проведена по минимуму затрат на разработку и изготовление изделий. ЭБ данного семейства относится к простым и рассчитана на использование 25 видов выходных устройств. При необходимости их номенклатура может быть расширена.

Рис 8. Состав элементной базы приборных редукторов: ■ корпуса редукторов, б - шкалы, в - муфты, г - корпуса д ля электрических машин (стаканы), д - валики и трибки, е - зубчатые колеса

а

Для формализации процедур синтеза построена математическая модель корпуса редуктора, основанная на использовании графов связей, где отверстиям корпуса соответствуют вершины графа, а допустимым для размещения зубчатых пар межосевым расстояниям - ребра (рис. 9).

Вид, последовательность и содержание процедур синтеза (рис. 10) определяются компонентным составом ЭБ и принципом проектирования: от конструкции корпуса к кинематической схеме.

Исходными данными для синтеза прибора являются количество и типы выходных устройств, требуемые передаточные отношения от ведущего вала до каждого из выходных устройств, требования к габаритам. Последовательность синтеза редуктора: выбор исполнения корпуса; генерация возможных вариантов размещения выходных устройств в корпусе (рис.10, а); определение вариантов кинематических схем, осуществляемое построением деревьев на графе корпуса (рис.10, б); разбиение передаточных отношений по ступеням; подбор чисел зубьев колес зубчатых пар; проектирование валов; выбор муфт и т.д. Определяются кинематическая погрешность, мертвый ход, масса и другие параметры_

1 3 4 ь

1 0 1 1 1 0

2 1 0 0 1 1

3 1 0 0 1 0

4 1 1 1 0 1

5 0 1 0 1 0

Рис. 9 Модель корпуса редуктора

Рис 10 Процесс синтеза редуктора: а - генерация вариантов размещения выходных устройств, б - определение вариантов кинематических схем; в -полученный редуктор

На основе разработанной элементной базы и методики синтеза можно создавать редукторы со следующими техническими характеристиками:

Количество выходных устройств....................................до 8.

Передаточные числа.....................................................до 10 000.

Максимальная частота вращения входного вала, об/мин... 3 000. Для точных кинематических цепей, содержащих две зубчатые пары: кинематическая погрешность (в угловых минутах) не более 4,6;

мертвый ход (в угловых минутах) не более...........................2,6.

Варианты исполнения редукторов: отдельным прибором, встроенным узлом, неотъемлемой частью изделия заказчика.

Сравнительный анализ редукторов, созданных из компонентов элементной базы, с наиболее совершенными аналогами, полученными при индивидуальном проектировании, выявил значительное уменьшение номенклатуры составных частей при близости габаритно-весовых характеристик и точностных параметров. Показатель интегрированности для ЭБ семейства, создаваемого индивидуальным проектированием с использованием унификации, а = 0,205, для ЭБ разработанного семейства - а = 0,419. Диаграммы роста состава ЭБ приведены на рис. 6.

Ведутся работы по созданию базы данных и системы автоматизированного синтеза редукторов и выпуска конструкторской документации на приборы.

В пятой главе приведен пример использования методологии для разработки семейства КМУ. Рассмотрены вопросы, связанные с выбором разрабатываемого семейства, принципов его построения и отдельные задачи проектирования ЭБ.

В основу построения семейства КМУ положен типоразмерный ряд гидроцилиндров (по диаметру поршня), используемых в приводах стреловых секций. Члены этого ряда определяют типоразмерные группы КМУ. При построении типоразмеров кранов-манипуляторов предложено использовать не только изменение диаметра поршня гидроцилиндров приводов стрелы и рукояти, но и изменение величины их максимального хода, соответствующим образом изменяя положения проушин, связывающих гидроцилиндры с элементами конструкции. Модификации в рамках типоразмерной группы связаны с вариациями рабочей зоны и грузоподъемности, типы определяются числом стреловых секций и размещением приводов. Некоторые типы и модификации манипуляторов перспективного семейства КМУ показаны на рис.11. На рис. 12 приведены примеры получения металлоконструкций КМУ на основе ЭБ. На рисунках и в таблице даны характеристики типоразмерной группы КМУ, формирующихся на основе гидроцилиндров с диаметром поршня 125 мм. Групповой подход позволяет создавать из унифицированных составных частей КМУ, имеющие технические характеристики, соответствующие требованиям заказчика, без какой-либо избыточности.

В шестой главе рассмотрены некоторые проблемы развития группового подхода к созданию семейств машин. Показано, что слияние группового проектирования и группового производства приводит к появлению групповой технологии создания семейств, которая является закономерным этапом развития методов проектирования и производства, качественно новым результатом применения принципов унификации и идей группового подхода на всех стадиях жизненного цикла изделий. Она позволяет создать систему жизнеобеспечения изделий семейства и полностью соответствует тенденции слияния товаров и услуг, которая в последнее время наметилась в промышленности.

125-ая ТМПОРАЗМЕРНАЯ ГРУППА БАЗОВЫХ КОНСТРУКЦИЯ СЕМЕЙСТВА ГИДРОМАНИПУ/ЙТОРОВ ОСНОВНЫЕ ТИПЫ и НОДМФЖАЦИИ ГИДРОИДНМГШЯТОРОВ ГМ125-1 ГМ125-2 гтгз-з

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СЕМЕЙСТВА

СТОЙКА СТРЕЛ»

м РШГЬ

гчдроимлндрн ткая стел* и лкопи

—

типовая «вот« зон* ммгмхйторов тип* ГМ125-1

м 1г н

ТИПОМ ЭОМ ММПМЯГОРО! тип» ГН1г5-г '* -г о г 4 6 в ю 12 м

мккя зона

шишапня тип* ГН125-4

г

Рис. 11. Одна из типоразмерных групп перспективного семейства КМУ

Таблица

Технические характеристики модификаций гидроманипуляторов типа ГМ125-2 Интервал характеристик

от до

Грузовой момент (брутто), кНм 55 110

Максимальный вылет стрелы, м 5 10

Максимальный ход телескопической части стрелы, м 0,8 2,3

Высота стойки гидроманипулятора, м 0,6 2,5

Момент поворота в горизонтальной плоскости, кНм 12 22

Угол поворота в горизонтальной плоскости, град 400 400

Рис. 12. Примеры получения модификаций металлоконструкций КМУ

В заключении приведены основные выводы, результаты и рекомендации. Отмечено, что в диссертационной работе решена актуальная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, заключающаяся в повышении эффективности создания семейств машин, путем разработки научных и методологических основ их проектирования на основе формализованного структурного подхода.

Выводы, основныерезультаты исследований ирекомендации:

1. Групповой подход к созданию семейств машин - это современная идеология создания продукции. Он является закономерным этапом развития методов проектирования и производства. Это качественно новый результат применения принципов унификации и идей группового производства на всех стадиях жизненного цикла изделий.

2. Групповое проектирование - один из основных путей разработки семейства машин, который позволяет проектировать объекты производства (семейства изделий), адекватные современным средствам создания продук-

ции (САПР, ГПС, КИП, КИС, ИЛИ). В зависимости от объекта разработки групповое проектирование семейства изделий проявляется как метод базового изделия, разработки типоразмерных рядов, агрегатирования, модульного проектирования и их сочетания.

3. Разработка теории проектирования семейств машин и группового подхода к созданию продукции - актуальные задачи современного машиностроения.

Входе выполнения исследований получены следующие основныере-зультаты:

1. Разработаны научные основы проектирования семейств машин (группового проектирования изделий машиностроения) при этом установлены структурные свойства и взаимосвязи объектов проектирования и зависимости, связывающие их характеристики.

1.1. На основе системного, концептуального анализа машин и других изделий машиностроения 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.

1.2. Сформирован комплекс структурных моделей основных объектов проектирования (изделия, его составных частей, семейства изделий, элементной базы семейства), использующих формализации теории образов. Их особенностью является учет узлов сопряжения составных частей изделий. На основе структурных моделей формализован процесс формирования составных конструкций из компонентов ЭБ.

1.3. Рассмотрено содержание основных понятий, связанных с разработкой семейства машин, и проведена их систематизация, в результате чего сформирована система базовых понятий теории, построенная на основе четырех исходных понятий: «изделие», «составная часть» изделия, «соединение» составных частей, «преобразование подобия», связывающее характеристики составных частей.

1.4. Предложена система показателей, позволяющих оценить свойства семейства и его ЭБ, а также зависимости, связывающие эти показатели, которые используются в процессе проектирования и при оценке семейств машин, в частности, для оценки семейства в дополнение к коэффициенту межпроектной унификации предложено использовать показатель интегрирован-ности (а) ЭБ семейства, который более точно отражает использование компонентов ЭБ в изделиях семейства, чем коэффициент.

Аналитически показано, что показатель интегрированности ЭБ связан с требуемым уровнем членения изделий семейства на составные части для

¡1ЛЦ,ИОНАЛЬНЛЦ) I БИБЛИОТЕКА } С Петербург

* 09 ПО мт

придания ему свойств идеального, который может быть оценен по значению величины 1/а. Установлено, что с увеличением уровня ЭБ семейства (увеличением уровня членения составных частей изделий) ее показатель интегри-рованности увеличивается.

2. На основе выявленных структурных свойств и взаимосвязей объектов проектирования обоснована и разработана методология формализованного структурного проектирования семейств машин.

Особенностями предложенной методологии являются:

- включение в процесс выбора объекта проектирования этапа анализа структуры семейства;

- последовательность проектирования, при которой разработка ЭБ осуществляется до проектирования конструкций конкретных машин;

- метод проектирования ЭБ семейства, обеспечивающий исключение избыточности номенклатуры ее компонентов;

- новые методы генерации изделий из компонентов элементной базы.

2.1. Определены основные процедуры процесса выбора объекта группового проектирования (проектируемого семейства машин), новизна которого состоит в проведении анализа состава и структуры изделий, на основе которого определяется структура проектируемого семейства и предварительный состав его элементной базы (для ее компонентов определяется класс и структура узлов сопряжения).

2.2. Разработан метод проектирования элементной базы семейства машин, обеспечивающий отсутствие избыточности составных частей изделий.

2.3. На основе структурных моделей изделий и их составных частей разработаны математические модели для формализованного определения номенклатуры компонентов ЭБ, определяемой их связями в изделиях, с использованием теории графов и систем линейных алгебраических уравнений.

2.4. Разработан метод синтеза изделий из компонентов элементной базы, отличающийся тем, что, у компонентов учитываются узлы сопряжения и соединения между узлами.

2.5. На основе структурных моделей изделий и их составных частей разработаны математические модели, облегчающие генерацию вариантов проектируемых изделий: графы связей узлов сопряжения компонентов и графы «связей» узлов, принадлежащих одному и тому же компоненту; таблицы смежности узлов сопряжения сборок и компонентов элементной базы, таблицы синтеза сборок и уравнения сборки, использующие формализации теории образов.

3. Разработанные теория и методология применены при проектировании семейства приборных редукторов автоматики и семейства КМУ.

3.1. Установлено, что изделия семейства приборных редукторов относятся к одному типу и типоразмеру. Модификации их определяются числом и видом выходных устройств и требуемыми передаточными отношениями.

Для приборных редукторов разработана методика проектирования ЭБ, согласно которой в первую очередь разрабатываются конструкции корпусов редукторов, а затем переходят к проектированию элементов кинематических схем.

Разработана методика синтеза редукторов из компонентов ЭБ, первым шагом которой является выбор исполнения корпуса.

Для формализации процедур синтеза построена математическая модель корпуса редуктора, основанная на использовании графов связей. Данная модель позволяет формализовать выбор структур кинематических схем, разбиение передаточных чисел по ступеням. Ведутся работы по автоматизации проектирования приборных редукторов на основе ЭБ.

3.2. Для крано-манипуляторных установок разработан принцип построения семейства изделий и определен возможный состав его элементной базы. Отличие предложенного принципа формирования семейства состоит в том, что при построении типоразмеров кранов-манипуляторов предложено использовать не только изменение диаметра поршня гидроцилиндров приводов стрелы и рукояти, но и изменение величины их максимального хода, соответствующим образом изменяя положения проушин, связывающих гидроцилиндры с элементами конструкции.

4. 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.

Полученные автором результаты используются в учебном процессе Ковровской государственной технологической академии: теоретические результаты - в курсе теории механизмов и машин, практические - в самостоятельной работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.

5. Для эффективного использования группового проектирования и его результатов разработаны и внедрены на ФГУП ВНИИ «Сигнал» стандарты предприятия: «Проектирование семейства изделий групповым методом», направленный на создание условий проведения разработки изделий групповым методом; «Методические указания по конструированию» определяют состав, содержание и порядок проведения основных этапов работ при проектировании изделий, а также включают данные о составе элементной базы семейства приборных редукторов автоматики (принимающих приборов) и методику проектирования приборов на ее основе. Эти стандарты являются составной частью системы качества предприятия.

На основе полученныхрезультатовмогут быть даны следующиере-комендации.

1. Для каждого разработанного семейства машин целесообразна патентная защита принципов построения семейства и его элементной базы.

2. Предложенная теория охватывает в основном процесс конструирования машин, однако ее результаты могут быть распространены и на разработку систем, в которые входят в качестве составных частей изделия создаваемых семейств, например, систем дорожно-строительных машин, систем вооружения и т.п.

3. Внедрение полученных результатов целесообразно на таких предприятиях области, как ОАО «Муромтепловоз», ЗАО «Ковровский экскаваторный завод», ОАО «Завод им. В АДегтярева» и на других машиностроительных предприятиях.

4. Для эффективного использования группового проектирования необходимо соответствующее организационное и методическое обеспечение, которое может быть реализовано соответствующей структурой проектной организации и совокупностью стандартов предприятия.

5. Эффективное внедрение и использование метода группового проектирования зависит от разработчиков. Поэтому при их подготовке необходимо перенести акцент с концепции индивидуального проектирования изделий и унификации на концепцию разработки семейств изделий. С позиций группового подхода должны быть проанализированы основные курсы теоретических и прикладных дисциплин, используемых при подготовке инженеров. Например, понятия узла сопряжения, состава и структуры механизма и машины, а также понятия о семейств ахмашин имеханизмов, ихструкту-рах и элементных базах могут быть введены в разделы: «основные понятия», «структурный анализ», «синтез механизмов» - изучаемого студентами курса теории механизмов и машин.

6. Групповой подход к проектированию изделий дает разработчику две важные методологические установки:

во-первых, во главу угла ставятся соединения, создаваемые составными частями машин и реализующие их узлы сопряжения, которые определяют комбинаторные возможности ЭБ, с них надо начинать проектирование;

во-вторых, при проектировании семейства и его ЭБ разработчик ориентируется на поиск общих закономерностей, определяющих их формирование.

Главные положения диссертации изложены в следующих основных публикациях:

1. Третьяков В.М. Разработка зубчатых редукторов на базе их унифицированных корпусов//Передовой опыт-1984. -№2. -С.62-63.

2. Третьяков В.М. О конструировании унифицированных редукторов для приборов следящего привода //Передовой опыт. -1984. - № 9. - С.51-53.

3. Третьяков В.М., Лукьянов Л.Е. Зеленцова Г.С. Выбор рядов межосевых расстояний и чисел зубьев зубчатых колес (статья) // Передовой опыт. -1985.-№4.-С.58-60.

4. Третьяков В.М. Групповое проектирование унифицированных редукторов для приборов следящего привода // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ковров. 1987г.

5. Третьяков В.М. Групповое проектирование унифицированных редукторов для приборов следящего привода: Автореф. дис. канд. техн. наук/ Владимир, 1987-16 с.

6. Третьяков В.М., Лукьянов Л.Е Бенедиктова Н.Л. Преимущества группового проектирования редукторов для приборов следящего привода //Передовой опыт. -1988. - №2.

7. Третьяков В.М. Элементная база приборных редукторов (тезисы). Автоматизир. проектир. передач и редукторов: Матер, науч.-техн. семин.-Ижевск, 1989.-С.104-105.

8. Третьяков В.М. Групповое проектирование изделий // Стандарты и качество. - 1992 №7. - С.62-63.

9. Третьяков В.М. Применение группового проектирования при создании семейства приборных редукторов // Техника машиностроения. - №2(4).-1995.-С. 68-72.

10. Tretiakov V.M. Group projecting of technical devices.9th World Congress onthe IFToMM,Milano,p.2996- 3000 (1995).

11. Третьяков В.М. Групповое проектирование технических устройств и техноэволюция // Стандарты и качество. -1995. - №7. - С. 14-19.

12. Третьяков В.М., Чванов Б.В. Лукьянов Л.Е. Тихомиров В.В. Некоторые результаты применения метода группового проектирования в разработках ВНИИ"Сшнал" // Вопросы оборонной техники. Сер.9. Специальные системы управления, следящие при воды и их элементы. - 1995. -Вып.2(214).-С.40-44.

13. Третьяков В.М. Групповая технология создания (проектирования и изготовления) семейств технических устройств // Автоматизация и современные технологии. - 1996. - №8. - С.38-43.

14. Третьяков В.М. Групповое проектирование семейства редукторов (статья) // Автоматизир. Проект, передач и редукторов: Матер, международной науч.-техн. конференции. - Ижевск. - 1996. - С. 445-450.

15. Tretiakov V.M. Designing of gearboxes family. MTM'97 International Conference on Mechanical Transmissions and Mechanisms, Tianjin, China, July 1-4,1997.

16. Tretiakov V.M. Group technology for making (designing and manufacturing) the families of technical devices. International Conference on Engineering Design ICED97 Tampere, August 19-21,1997.

17. Третьяков В.М. Групповое проектирование технических устройств. Разработка элементной базы // Автоматизация и современные технологии,-1997.-№9.-С.10-21.

18. Третьяков В.М. Групповое проектирование технических устройств. Синтез изделий из компонентов элементной базы // Автоматизация и современные технологии. - 1997. -№10. - С.20-28.

19. Третьяков В.М., Чванов Б.В., Лукьянов Л.Е. Перспективы применения группового проектирования при разработке семейства манипуляторов // Вопросы оборонной техники Сер.9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. - 1998. - Вып. 2(222). - С.32-34.

20. Третьяков В.М., Чванов Б.В., Лукьянов Л.Е., Прошин А.И., Королева М.Д. Манипуляторы железнодорожных и лесохозяйствепных машин // Вопросы оборонной техники Сер.9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. - 1998.-Вып. 2(222).-С.34-37.

21. Третьяков В.М. Методологические основы проектирования элементной базы семейства изделий. Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий // Материалы международной научно-технической конференции и Российской научной школы. Ч. 1. - Ковров: ЮТА, 1999. - С.46-48.

22. Третьяков В.М. Математические модели для определения номенклатуры компонентов элементной базы семейства машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1999. - №2, С.8-13.

23. Третьяков В.М. Разработка элементной базы для семейства технических устройств // Автоматизация и современные технологии. - 1999. - №4. -С.14-18.

24. Третьяков В.М. Математическая модель объектов группового проектирования. Сб. науч. тр. КГТА - Ковров: КГТА, 1999. - С 59-65.

25. Третьяков В.М. Групповая технология создания семейства изделий // Вестник машиностроения. 2000. - №4. - С. 45-48.

26. Tretiakov V.M. Création of product families. 9th International Machine Design and Production Conference, UMTIK 2000, Ankara, Septemberl3-15, 2000.

27. Третьяков В.М. Структура семейства технических устройств. Управление в технических системах - XXI век: Сб. научн. тр. Ш Международной научно-технической конференции. -Ковров: КГТА, 2000 - С. 142-143.

28. Третьяков В.М., Чванов Б.В., Лукьянов Л.Е. О проблеме создания гидроманипуляторов для лесозаготовительного оборудования. Леса Беларуси и их рациональное использование: Сб. научн. тр. Международной научно-технической конференции. - Минск: БГТУ, 2000.

29. Третьяков В.М. Семейство изделий и его элементная база. // Автоматизация и современные технологии. - 2001. - №1. - С.28-34.

30. Третьяков В.М., Шорохов А.И., Лукьянов Л.Е. Стенд для имитации больших моментов неуравновешенности // Оборонная техника. - 2001. -№5-С. 79-80.

31. Третьяков В.М., Чванов Б.В., Лукьянов Л.Е. Основные направления совершенствования проектирования в конструкторском отделении // Оборонная техника - 2001. - №5. - С.80-83.

32. Третьяков В.М. Основные понятия и методология группового проектирования семейства изделий машиностроения: Сб. «Механика и процессы управления». Сер. «Проблемы машиностроения». Труды XXXIII Уральского семинара. - Екатеринбург. - 2003. - С.133-148.

33. Третьяков В.М. Основы методики проектирования семейства изделий. // Автоматизация и современные технологии. - 2004. - №2. - С.

34. Третьяков В.М. Основы проектирования семейства изделий // Приложение. Справочник. Инженерный журнал. - 2004. -№6. - 24 с.

35. Третьяков В.М., Лукьянов Л.Е. Корпус приборного редуктора. A.C.N 1425396,01.07.86, опубл. в Б.И. 1988 № 35.

36. Третьяков В.М. Элементная база семейства манипуляторов. Свидетельство на полезную модель № 4286 от 10.01.1996, опубл. Бюл.№6,1997.

37. Третьяков В.М., Лукьянов Л.Е., Прошин А.И., Чванов Б.В. Кран-манипулятор (варианты). Свидетельство на полезную модель №26317 от 08.05.02, опубл. Бюл. №33,2002.

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 28.06.2004 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая № 1. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл.-печ. л. 2,5. Уч.-изд.л. 2,53. Тираж 100 экз. Заказ № 439.