Параметрическая оптимизация объектов производства

Упорядочение номенклатуры изделий как объектов производства и эксплуатации осуществляется в общем случае путем разра­ботки новых (параметрирование) и сокращения действующих (симплификация) параметрических и типоразмерных рядов изде­лий.

Параметрическая оптимизация объектов производства явля­ется обязательным элементом процесса создания многих видов техники. Смысл этой разработки заключается в том, что на исход­ных этапах развития новой техники на основе всестороннего изучения и анализа имеющихся технических решений и технологических возможностей в данной области производства и эксплуатации разрабатывается номенклатура объектов техники, способная полностью удовлетворить текущие и перспективные потребности в них.

Под параметрическим рядом имеется в виду закономерно пост­роенная в определенном диапазоне совокупность числовых зна­чений главного параметра изделия данного функционального на­значения.

Главный параметр определяется исходя из значений пара­метра среды Р_с= f (t) как важнейшая эксплуатационная харак­теристика изделия. Его стараются выбрать так, чтобы он не за­висел от конструктивных особенностей и технологии изготовле­ния изделия. На его базе при необходимости определяют число­вые значения других основных параметров изделия.

Разновидностью параметрического ряда является типораз­мерный (или просто размерный) ряд, в качестве главного пара­метра которого принимают размер изделия.

На базе параметрического (типоразмерного) ряда, как правило, создается ряд конструктивно подобных (однотипных) испол­нений изделия.

Параметрическая оптимизация предусматривает разработку и выбор оптимального по заданным критериям параметрического ряда изделий, оценку технических и технологических возмож­ностей и формирование рациональной стратегии промышленной реализации параметрического ряда (рис. 3).

Рис. 3. Блок–схема параметрической оптимизации объектов производства

Параметрические ряды объектов техники и их конструктив­ных элементов формируются на основе определенных математи­ческих закономерностей. Несмотря на то, что при последующей разработке не все типоразмеры объектов техники одновременно доводятся до мате­риально–вещественного результата и разрыв в сроках их поста­новки на производство может быть значительным, разработка параметрического ряда позволяет упорядочить развитие техники и производства.

Те объекты, которые в период выполнения данных опытно–промышленных разработок не могут быть доведены до произ­водства и в ближайший обозримый период до эксплуатации ввиду недостаточности имеющихся технических решений (U<U _дост) и технологических возможностей (G<G _дост) или по иным мотивам, образуют задел технических идей. Этот задел будет принят к реализации, как только для этого созреют соответст­вующие условия в сферах производства и эксплуатации (рис. 3).

Экономическая сущность параметрического ряда заключается в том, что его реализация связана с определенными экономи­ческими последствиями, обусловленными реализацией целевой функции вида «затраты – эффект». Кроме того, построение пара­метрического ряда представляет собой по существу оптимизационную задачу, поскольку даже при условии строгого учета принятой единой математической закономерности его построения возможны множество вариантов решения задачи и, следова­тельно, выбор варианта, оптимального по некоторому экономи­ческому критерию (например, по эффективности техники, окупа­емости затрат и т. п.).

2.3. Опытно–конструкторские работы

Опытно–конструкторская работа (ОКР) представляет собой, как правило, сложный процесс разработки одного или нескольких исполнений изделия, сочетающий собственно конструкторские раз­работки с большим объемом расчетно–экспериментальных иссле­дований, изготовлением объектов техники и их всесторонней экспериментальной проверкой и отработкой в процессе освоения промышленного производства.

Для опытно–конструкторской работы характерны определен­ные стадии и этапы и состав формируемых на этих стадиях инже­нерно–технических решений. Содержание ОКР обусловлено также характером самого объекта разработки, т.е. видом и назначением, сложностью и новизной конструкции, способами изготовления и использования его в условиях эксплуатации.

В общем случае ОКР подразделяется на четко выражен­ные фазы (рис. 4):

1. Формулирование цели (разработка технического задания) – процесс осмысления объекта на основе сопоставления и анализа данных практического опыта и результатов научно–исследователь­ских работ с существующими потребностями и формирования предварительных (возможных и желательных) очертаний объекта разработки, его существенных признаков, т.е. качественных особенностей, и количественного выражения этих признаков с учетом данных инженерного прогнозирования и параметри­ческой оптимизации.

2. Информационное моделирование изделия (разработка проект­ной конструкторской документации: технического предложения, эскизного и технического проектов) – процесс последовательного углубления идеализированных знаний об объекте разработки, осуществляемый исходя из данных технического задания и прак­тического опыта путем:

· многократного (многовариантного) моделирования объек­та посредством отображения его в документации, последующего сопоставления и анализа различных моделей, построенных на различных сочетаниях составляющих элементов, и выделения наиболее желательного (оптимального) варианта, т.е. разработки технического предложения;

Рис. 4. Блок–схема опытно–конструкторской работы

· проработки и изучения основных составляющих элементов
оптимального варианта модели и принципов их взаимодействия
посредством отображения модели в документации, т.е. разработки
эскизного проекта;

· всесторонней проработки и изучения модели всех ее
элементов и их взаимосвязей посредством отображения их в доку­ментации, позволяющих получить полное представление об
устройстве и принципе работы объекта, т.е. разработки техни­ческого проекта.

Целесообразно остановиться на некоторых условиях рацио­нальной организации опытно–конструкторской разработки для поддержания качества изделий на современном технико–экономи­ческом уровне и максимально возможного сокращения при этом сроков создания и освоения новой техники.

В результате проведения предпроектных исследований (поис­ковых, патентных и др.), инженерного прогнозирования и пара­метрической оптимизации объектов производства выявляются базовые показатели качества этих объектов, которые служат ори­ентирами на всех этапах ОКР (рис. 5).

Рис. 5. Оценка уровня качества изделия при проведении опытно–конструкторской работы

С учетом значений базовых показателей качества продукции формируются требования технического задания (ТЗ), разрабаты­ваются проектные и рабочие конструкторские документы (КД). В результате разработки проектной документации и экспертизы проектов определяются достигнутые показатели (), сопоставле­ние которых с базовыми показателями () позволяет оценить уровень качества объекта разработки () и выдать органу управ­ления (ОУ₁) информацию о соответствии достигнутых показателей качества базовым или в противном случае о необходимости оказания регулирующего воздействия на сферу разработки проект­ной КД. Аналогично на этапе разработки рабочей КД изготов­ления и испытания опытных образцов производится сопоставле­ние достигнутых (Q) и базовых () показателей качества, оценивается и регулируется уровень качества этих образцов ().

Введение в конструкторскую практику эффективной системы контроля и регулирования качества продукции является перво­степенным условием повышения эффективности разработок, поддержания отечественной продукции на высшем мировом уровне.

Сложность опытно–конструкторской разработки, а следова­тельно, и ее длительность зависят непосредственно от уровня сложности и новизны объекта разработки.

Для подавляющего большинства проектируемых изделий, представляющих собой, как правило, многокомпонентные и слож­ные в структурном отношении объекты разработки, характерно множество возможных вариантов (N _вар>>1) исполнений одного и того же изделия. В этом случае выбор оптимального тех­нического решения осуществляется на стадии разработки техни­ческого предложения.

Сложность и новизна конструкции изделия непосредственно влияют и на выбор последующих стадий ОКР. Известно, что повышение уровня преемственности конструктивных элементов позволяет исключать отдельные стадии и этапы в связи с увеличе­нием объема знаний об объекте разработки и его элементах на ранних стадиях проектирования. Например, как видно из рис. 4, если объем знаний при разработке технического предложения превысил уровень, установленный для эскизного или технического проекта, то возможен непосредственный переход на стадии разработки технического или рабочего проекта соответ­ственно. При высоком уровне преемственности технических средств производства возможно исключение стадии изготовления и испытания установочной серии и т. п.

С увеличением номенклатуры и усложнением конструкций раз­рабатываемых образцов техники получают интенсивное развитие такие методы и средства конструирования и испытаний, которые способствуют повышению эффективности и сокращению сроков разработки и освоения новой техники. К ним отно­сятся методы физического и математического моделирования рабочих процессов, макетный метод конструирования, «машин­ный» метод проектирования, основанный на использовании современных средств автоматизации и вычислительной техники. Повышению эффектив­ности опытно–конструкторских работ способствует обеспечение преемственности инженерно–технических решений путем примене­ния таких методов и приемов технической системогенетики, как типизация структурных компоновок изделий, унификация, агре­гатирование и взаимозаменяемость составных частей, блочно–модульное построение конструкций [7].

Параметрическая оптимизация и обеспечение преемственности объектов производства в совокупности создают благоприятные предпосылки для применения методов группового и базового про­ектирования, т.е. перехода от проектирования отдельно взя­того исполнения к одновременной разработке целого комплекса (ряда, семейства, гаммы) конструктивно подобных исполнений многоцелевого назначения, соответствующих самым разнообраз­ным (существующим и возможным в перспективе) условиям их использования.

Разработка типовых структурных компоновок изделий стано­вится естественным этапом процесса упорядочения конструктив­ных решений в тех случаях, когда этому процессу предшествует разработка параметрического или типоразмерного ряда. Приемы и способы формирования типовых компоновок определяются составом конструктивных элементов и видом их соединений.

Типовую структурную компоновку целесообразно разрабаты­вать на начальных стадиях проектирования принципиально нового изделия. Она становится базовым проектным решением, на основе которого развертывается все многообразие или определенная совокупность исполнений изделия на всех этапах его эволюцион­ного развития. Поэтому в нее включают преимущественно новые и перспективные технические решения, учитывающие дости­жения науки и техники и данные прогнозирования.

Разработка конструктивных схем изделий на типовой основе базируется на важнейших методических принципах группового и базового проектирования. Их применение позволяет упорядо­чить на основе преемственности конструктивных решений не только процесс разработки новой техники, но и процессы ее производства, эксплуатации и ремонта. Без них сегодня немыс­лимо повышение эффективности производства и качества работы на всех этапах создания и освоения новой техники.

Принцип группового проектирования заключается в таком комплексном подходе к проектированию технической системы, при котором разработчик составляет на группу исполнений системы единое морфологическое описание без выделения какого–либо исполнения в качестве предпочтительного (базового).

Групповые конструкторские документы разрабатывают на группу исполнений изделий определенного типа, обладающих общими конструктивными признаками при некоторых различиях между собой. К этим признакам относятся: единство конструкции при различных параметрах или размерах; сходство конструкции при различной конфигурации некоторых компонентов, а также при различном расположении или разном количестве одинаковых составных частей или конструктивных элементов.

Принцип базового проектирования заключается в таком комп­лексном подходе к проектированию технической системы, при котором разработчик группы исполнений системы выделяет какое–либо исполнение в качестве предпочтительного (базового).

Базовым является конкретное исполнение изделия, основные составные части которого обязательны для применения при про­ектировании других исполнений изделия. Модифицированными исполнениями изделия являются производные исполнения, фор­мируемые на основе базового. Они разрабатываются за счет до­полнительного присоединения, снятия или замены либо изменения пространственного сочетания различных составных частей. При этом базовое исполнение изделия должно содержать максималь­ное количество составных частей (элементов и связей между ними), используемых в модификациях, и максимально определять постоянную составляющую проектируемого ряда исполнений, которая характеризуется обобщенными данными о составе ее час­тей, их назначении и взаимном расположении.

Эти принципиальные положения о базовом изделии (исполне­нии изделия) находят практическое применение и дальнейшее развитие во многих отраслях машиностроения и приборостроения с учетом специфических особенностей создания новой техники [8].

На основе базовых изделий сегодня разрабатывают и выпуска­ют многие виды машин, приборов и оборудования, разнообразных средств производства и предметов потребления.

Типизация структурных компоновок изделий становится руко­водящей идеей, определяет инженерную стратегию и программную основу систематического целесообразного обновления выпуска­емых образцов техники с учетом непрерывно меняющихся условий их производства и эксплуатации, создает благоприятные исход­ные предпосылки для последующего развертывания конструк­торских работ на основе широкого использования методов уни­фикации, агрегатирования и взаимозаменяемости машин и оборудования и модульного принципа построения приборов, техни­ческих комплексов и средств автоматизации, а также для раз­вития работ по типизации и унификации технологических решений.

Обеспечение преемственности является одним из главных на­правлений обеспечения производственной и эксплуатационной технологичности конструкций изделий.

Стадии и содержание конструкторской подготовки производства

Конструкторская подготовка является начальным этапом технической подготовки производства. Своевре­менность и качество выполненных работ по конструк­торской подготовке имеют исключительно важное зна­чение, поскольку ее результаты являются основой для всех работ по технической подготовке в целом, а также для изготовления изделий.

Процесс проектирования новых изделий подразделя­ется на ряд последовательных стадий. ГОСТ 2.103–68 «Стадии разработки» устанавливает следующие стадии разработки конструкторской доку­ментации.

Техническое задание. Назначение и содер­жание технического задания стандарт определяет следую­щим образом: «Техническое задание устанавливает ос­новное назначение, технические и тактико–технические характеристики, показатели качества и технико–эконо­мические требования, предъявляемые к разрабатывае­мому изделию, выполнение необходимых стадий разра­ботки конструкторской документации и ее состав, а также специальные требования к изделию». Техниче­ское задание является исходным документом при раз­работке изделия, определяющим основное назначение создаваемых изделий, требования к размерам и весу, к точности выходных параметров, к надежности, к пригодности для работы при определенных механиче­ских и климатических воздействиях, к условиям транс­портировки, хранения и ремонта. В техническом задании определяются объем и виды документации, передаваемой заказчику. Содержание и построение технического задания в значительной сте­пени предопределяет целенаправленность и ход проек­тирования изделий. Разработка технического задания базируется на изучении и анализе существующих аналогичных моде­лей, условий их эксплуатации.

Техническое предложение. Стандарт дает сле­дующую характеристику технического предложения: «Техническое предложение – документ, содержащий технические и технико–экономические обоснования целесообразности разработки документации изделия на основе анализа технического задания заказчика и раз­личных вариантов возможных решений изделий, сравни­тельной оценки решений с учетом конструктивных и экс­плуатационных особенностей разрабатываемого и суще­ствующих изделий, а также патентных материалов. Тех­ническое предложение после согласования и утвержде­ния в установленном порядке является основанием для разработки эскизного (технического) проекта». Техническое предложение разрабатывается на ос­нове и по результатам анализа технического задания. Цель технического предложения заключается в опреде­лении научно–технической возможности и экономической целесообразности осуществления технического задания в установленные сроки. Для этого в техническом пред­ложении производится отбор существующих образцов аналогичных или близких по назначению изделий оте­чественного и зарубежного производства, оценка их конструктивных особенностей и эксплуатационных пока­зателей. В техническом предложении должны быть указаны варианты процессов работы и компоновок будущего изделия, указаны преимущества и недостатки каждого варианта, даны технико–экономические показатели из­делия в оптимальном варианте и его общий вид.

Эскизный проект. Стандарт характеризует эскиз­ный проект следующим образом: «Эскизный проект – совокупность конструкторских документов, которые дол­жны содержать принципиальные конструкторские реше­ния, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяю­щие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия. Эскизный проект после согласования и утверждения в установленном по­рядке служит основанием для разработки технического проекта или рабочей конструкторской документации». В процессе эскизного проектирования составляют общую структурную схему всего устройства. Обычно конструкцию разбивают на функциональные блоки, ра­боту над которыми распределяют между отдельными конструкторскими бюро и лабораториями. При этом ориентировочно определяют входные и выходные дан­ные каждого из функциональных блоков. На основе общей структурной схемы конструкторы составляют структурные схемы функциональных бло­ков, что позволяет лучше организовать процесс разра­ботки и определить функции отдельных элементов блока. В соответствии со структурной схемой блока со­ставляют его принципиальную схему и рассчитывают ее характеристики. Вслед за тем определяют параметры и режим элементов цепи, величины напряжений пита­ния и характеристики отдельных узлов. Собранную схему исследуют опытным путем. Опыт­ные исследования зачастую проводят одновременно с расчетом схемы, так как теоретический расчет отдель­ных элементов блока не всегда обеспечивает необходи­мую точность и весьма сложен. В этом случае собирают макет элемента, проводят его экспериментальное иссле­дование, результаты которого используют для уточне­ния теоретического анализа. После экспериментального изучения отдельных эле­ментов функционального блока, выяснения параметров отдельных деталей и рабочих режимов отдельных его частей весь блок целиком монтируют в виде макета. Удовлетворительная работа блока, собранного в виде макета, указывает на принципиально правильное ре­шение поставленной задачи, что позволяет приступить к следующему этапу разработки. Макет блока тща­тельно обследуют для определения потребляемой мощ­ности, зависимости электрических характеристик от стабильности питающих напряжений, количества выде­ляемого тепла и т.п. На основе учета данных опытного обследования макета пересматривают схему всего блока и вносят в нее соответствующие изменения. Документации эскиз­ного проекта присваивается литера «Э».

Технический проект. Стандарт характеризует его следующим образом: «Технический проект – сово­купность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, даю­щие полное представление об устройстве разрабаты­ваемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации. Технический проект после согласования и утверждения в установленном порядке служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации». Технический проект должен обеспечить возможность последующей разработки рабочей документации без значительных дополнительных проектных работ. Технический проект содержит описание конструкции изделия и принципов его работы, обоснование выбора материалов, видов защитных покрытий, описание всех схем и окончательные технико–экономические расчеты. Технический проект должен обеспечивать соответствие конструкции техническому заданию, высокий уровень технологичности конструкции, оптимальную ремонто­пригодность, облегчение разборки и сборки изделия при замерах с наиболее удобным доступом к часто сменяе­мым деталям и узлам, удобства в эксплуатации изделий с использованием современных достижений тех­нической эстетики. Технический проект должен давать полное и ясное представление о конструкции с тем, чтобы на следую­щем этапе – при разработке рабочего проекта опытного образца – не возникало никаких затруднений. Доку­ментации технического проекта присваивается литера «Т». Необходимо отметить, что наличие всех стадий в процессе разработки необязательно. Это зависит от степени новизны и сложности разработки изделия. На основе утвержденного технического проекта раз­рабатывается рабочая документация. Разработка рабо­чей документации складывается из трех этапов:

· раз­работка рабочей документации опытного образца (опытной партии);

· разработка рабочей документа­ции установочных серий;

· разработка рабочей доку­ментации серийного и массового производства.

Разра­ботка рабочей документации опытного образца произ­водится в следующей последовательности:

1. Разработка всей конструкторской документации, необходимой для изготовления и испытания опытного образца: рабочие чертежи деталей, чертеж общего вида сборочных соединений, принципиальные и монтажные схемы, технические условия и т.д. Особо следует под­черкнуть необходимость проектирования и изготовления на этом этапе нестандартного оборудования, без кото­рого невозможна проверка основных параметров изделий.

2. Изготовление и заводские испытания опытного образца (опытной партии). В процессе сборки и монтажа уточняют конструкцию. По мере изготовления опытных образцов проводят заводские климатические, механические, электрические и другие испытания. Одновременно с разработкой рабочей конструкторской документации для изготовления опытного образца производится технологи­ческая подготовка, заключающаяся в отработке черте­жей на технологичность, разработке временных техно­логических процессов для изготовления опытной пар­тии, проектировании и изготовлении технологического оснащения нулевой очереди.

3. Корректировка по результатам изготовления и заводских испытаний опытных образцов (опытных партий) конструкторской документации с присвоением литеры «О».

4. Проведение государственных, межведомственных, приемочных и других испытаний опытных образцов (опытных партий).

5. Корректировка документации по результатам государственных, межведомственных, приемочных и других испытаний с присвоением документам литеры «O1».

Рабочая документация установочных серий разраба­тывается в следующем порядке:

1. Изготовление и испытание установочных серий. Установочные серии изготовляются в цехах серийного производства. Запуску установочных серий предшест­вует технологическая подготовка, выражающаяся в разработке межцеховых технологических маршрутов, проведении лабораторных исследований, связанных с не­обходимостью внедрения новых технологических про­цессов, разработке маршрутной технологии, расчете трудовых нормативов и норм расхода материала, про­ектировании и изготовлении технологического оснаще­ния первой очереди и т.д.

2. Корректировка конструкторской документации, проводимая по результатам изготовления и испытания изделий установочной серии с присвоением документации литеры «А». Одновременно проводится корректировка технологической документации.

Рабочая документация установившегося серийного или массового производства разрабатывается в следую­щей последовательности: По результатам изготовления и испытания голов­ной (контрольной) серии производится отработка и вы­верка технологических процессов и технологического оснащения; корректировка технологической документа­ции, чертежей приспособлений, штампов, пресс–форм, внедрение и сдача технологического оснащения произ­водству. Одновременно корректируются нормативы рас­хода материалов и рабочего времени. Корректировка конструкторской документации по мере запуска и выпуска головной (контрольной) партии в соответствии с зафиксированным и полностью осна­щенным технологическим процессом. Документации при­сваивается литера «Б».

3. Конструктивная нормализация и унификация изделий. Важнейшим средством сокращения длительности конструкторской подготовки производства и всей техни­ческой подготовки производства в целом является кон­структивная унификация и нормализация. Широкое использование нормализованных деталей и узлов, унифицированных схем, а также деталей и уз­лов из ранее спроектированных конструкций позволяет обеспечить максимальную преемственность конструк­ций, а тем самым значительно сократить трудоемкость работ по подготовке производства, уменьшить затраты на нее, повысить серийность производства. Конструктивная преемственность достигается:

· соз­данием базовой конструкции и нескольких ее вариан­тов, имеющих различные назначения и обладающих различными эксплуатационными параметрами;

· широ­ким использованием деталей, узлов из ранее выпущен­ных конструкций;

· максимальным использованием нормализованных деталей и узлов;

· максимальным сокращением количества применяемых наименова­ний и типоразмеров деталей при одновременном увеличении количества применяемых деталей каждого наиме­нования и типоразмера.

Структуру изделия с точки зрения его преемствен­ности можно выразить формулой:

(1)

где No – общее количество наименовании деталей в изделии; – количество наименова­ний оригинальных, стандартизованных, нормализован­ных, заимствованных из других, ранее выпущенных кон­струкций, нормализированных крепежных и покупных деталей и изделий соответственно. Увеличение показателей является по­ложительным фактором. Чем выше преемственность изделия, тем больше вклад конструкторов в улучшение технико–экономиче­ских показателей производства, в ускорение и удешев­ление всей технической подготовки производства. Для характеристики степени конструктивной преемствен­ности могут быть использованы следующие коэффици­енты:

· коэффициент преемственности:

(2)

· коэффициент использования стандарт­ных деталей:

(3)

· коэффициент использования нормали­зованных деталей:

(4)

· коэффициент использования заимствованных деталей:

(5)

· коэффициент использования покупных деталей:

(6)

· коэффициент внутренней унификации:

(7)

где – общее количество деталей в изделии.

Под внутренней унификацией понимают применение одних и тех же деталей в различных узлах и приборах одного и того же изделия.

Приведенные показатели оказывают весьма сущест­венное влияние на себестоимость продукции. Чем меньше количество оригинальных деталей в конструк­ции, чем выше указанные коэффициенты, тем меньше объем подготовки производства и затраты на нее.

Во избежание случаев повторного конструирования уже разработанных конструкций, а также для целей нормализации пользуются картами применяемости де­тали. В эти карты записывают те изделия, в которых данная деталь или узел применяется.

Помимо нормализованных изделий в конструкциях так же содер­жится немало оригинальных деталей. Отличаясь друг от друга внешней конфигурацией, оригинальные детали могут иметь одинаковые диаметры отверстий и валов, число шпоночных и шлицевых соединений, резьб, моду­лей зубчатого колеса, диаметров и длин болтов и т.д. С целью унификации их число нужно свести к мини­мальному, что значительно сократит необходимое коли­чество типов и размеров режущего и мерительного инструмента. Степень унификации отдельных конструк­тивных элементов конструкции может быть охарактеризована отношением:

(8)

где Nк.э – общее количество отдельных конструктивных элементов (резьб, диаметров и т.д.), имеющихся в из­делии; Np – количество элементов с различными раз­мерами.