Основные понятия и определения.
Модульное формирование технических средств – это комплектование разнообразных сложных нестандартных комплексов с большим различием характеристик из небольшого, экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых первичных (типовых или стандартных) общих элементов – модулей [1].
Модуль – это самостоятельное изделие, имеющее автономную документацию на изготовление, полностью собранное, прошедшее функциональную проверку и готовое к монтажу.
Модули могут легко соединяться, образуя сложные системы, разъединяться и заменяться с целью получения систем с другими компонентами и характеристиками.
Модульный принцип обеспечивает высокую ремонтопригодность машин, быструю переналадку, удобство в обслуживании и эксплуатации, возможность свободной замены одного агрегата или узла без необходимости демонтажа других узлов.
Применение модульного принципа является общей закономерностью построения сложной системы.
Модульное формирование техники построено на следующих принципах;
1) обязательность долгосрочного прогнозирования;
2) совместимость (функциональная и геометрическая) объектов;
3) взаимозаменяемость (функциональная и геометрическая) объектов;
4) упорядоченность построения объектов;
5) согласованность размеров и параметров и интернизация техники.
В промышленности распространены 2 понятия: конструктивный модуль и функциональный модуль.
Конструктивный модуль (КМ) – часть конструкции изделия.
Понятие конструктивный модуль чаще всего используется применительно к элементам несущего каркаса изделия (элементы рам и кузовов машин, станины и др.), на который монтируется все оборудование, обеспечивающее функцию изделия.
Конструктивные модули по габаритным и установочным размерам и типу конструкции одинаковы для технических систем близкого (входящего, например, в данный параметрический и типоразмерный ряд) или даже разного функционального назначения.
Конструктивные модули обладают конструктивной взаимозаменяемостью.
Функциональный модуль (ФМ) – часть самого изделия, часть технической системы с оборудованием. Функциональные модули по установочным и присоединительным размерам, по положению центра тяжести, одинаковы для технических систем близкого или даже разного функционального назначения.
Функциональные модули должны легко соединяться, образуя сложную техническую систему (роботизированный комплекс, гибкую автоматизированную линию и т.д.), разъединяться и заменяться с целью получения системы с другими функциональными характеристиками.
Функциональный модуль является модулем более высокого уровня в системе и формируется на базе конструктивного модуля.
Особенности модульного проектирования технических средств.
При индивидуальном проектировании – конструктор, строго следуя техническому заданию (ТЗ) и располагая алгоритмом проектирования (правилами, нормами, а также ограничениями в виде требований СТБ, ГОСТ и др. документов) выбирает собственную концепцию технической системы.
При модульном проектировании конструктор так же, как и при индивидуальном проектировании, строго следует ТЗ и располагает алгоритмом, но вырабатывает систему модуль – изделий: конструктивных (КМ) и функциональных (ФМ) модулей, из которых и происходит формирование заданной технической системы.
Основное отличие модульного проектирования от индивидуального в том, что необходимо располагать заранее набором конструктивных и функциональных модулей.
При модульном проектировании заказчику приходится считаться с дискретностью параметров конструктивных и функциональных модулей, вводимых в модель проектирования, и рассматривать ряд приемлемых компромиссных решений, при которых сформированная система не отвечает точно ТЗ, не является строго оптимальной для определенного условия.
Пути решения задачи создания конструктивных и функциональных модулей.
1) На основе унификации.
Наиболее часто встречающиеся в старых технических системах одинаковые общие элементы считаются настолько хорошо себя зарекомендовавшими, что их можно рассматривать как модули и вводить в новые технические системы;
2) На основе теории преемственности.
Основные принципы теории преемственности:
а) принцип единства изменяемости и повторяемости элементов производства – означает, что любая техническая система должна оцениваться комплексно с помощью 2 – х критериев – новизны системы и повторяемости составляющих ее элементов, их связей и отношений.
б) принцип обязательности учета достижений науки, техники и производства предусматривает обязательное использование в новых технических системах “старых” решений, наиболее прогрессивных, всесторонне отработанных по свойствам надежности и технологичности и составляющих научно-технический потенциал общества;
в) принцип оптимальной преемственности элементов производства – означает, что в конкретных исторических условиях развития производства для производственных (технологических, организационных и в целом технологических) систем существуют наиболее целесообразные – с точки зрения максимального эффекта – пропорции изменяющихся и повторяемых элементов, образующих эти системы;
г) принцип взаимозаменяемости элементов производства означает то, что любое совершенствование производства, т.е. замена изменяющихся элементов в технических системах в процессе их модернизации возможна, если усовершенствованные элементы по ряду своих параметров (присоединительные и установочные размеры, напряжение тока и т.п.) будут или полностью совпадать или лежать в пределах допустимых отклонений с соответствующими параметрами заменяемых элементов.
Проектирование конструктивных (КМ) и функциональных (ФМ) модулей на основе ФСА.
Функционально-стоимостной анализ (ФСА) – это метод системного исследования объекта (изделия, процесса, структуры), направленный на повышение эффективности использования материальных и трудовых ресурсов [2].
Основные принципы ФСА:
1) функциональный подход, предполагающий рассмотрение функций объекта и его элементов с целью наиболее полного удовлетворения заданных требований и обеспечения эффективных путей их реализаций;
2) комплексный народнохозяйственный подход к оценке потребительских свойств и затрат на разработку, производство и использование объекта;
3) системный подход означающий рассмотрение объекта как элемента системы более высокого порядка и как системы, состоящей из взаимосвязанных элементов;
4) принцип соответствия полезности функций затратам на осуществление;
5) принцип коллективного творчества, предусматривающий использование методов поиска и формирования технических решений, а также методов качественной и количественной оценок вариантов решений.
Методы взаимного согласования параметров и размеров.
Основной задачей модульного формирования техники является разработка рядов установочных и присоединительных размеров механизмов, приборов и т.д.
Ряды эти должны строится на основе известных методов согласования размеров и параметров и должны быть общими для всего устанавливаемого оборудования.
Одно из условий модульного формирования техники – это обеспечение принципа согласования размеров и параметров модуль – изделий в системе.
Все известные системы согласования параметров строятся на следующих принципах:
1) пропорциональности, т.е. параметры изделия пропорциональны одному считающемуся главным;
2) аддитивности (от лат. additives – прибавляемый, полученный путем сложения) – параметры изделия укладываются в ряды чисел, образуемых путем последовательного сложения;
3) мультипликативности (от лат. multiplicus – умножаемый, получаемый путем умножения) – параметры изделия укладываются в ряды чисел, образуемых путем умножения на постоянный множитель.
Основные системы согласования:
1) система относительных размеров основана на предположении, что все размеры любой детали, конструкции независимы друг от друга и в то же время связаны некоторыми функциональными зависимостями.
Это дает возможность выражать все размеры в зависимости от одного, считающегося главным, размера или параметра (принимать все размеры пропорциональными главному).
Однако прогресс техники, вызвавший появление новых материалов, более сложных машин, прогресс науки, обеспечивающий возможность точных расчетов элементов изделий, привели к отмиранию этого метода согласования параметров.
Система относительных размеров сейчас применяется при стандартизации простейших деталей (гаек, некоторых инструментов).
2) Аддитивные (получаем путем прибавления) системы согласования и координаций параметров используют различные ряды чисел, образованных путем сложения.
Примеры аддитивных систем согласования.
Ряд золотого сечения (золотой ряд) – последовательная система чисел, подчиняющихся следующему закону:
Золотое сечение (золотая пропорция, деление в крайнем и среднем отношении, гармоническое деление), деление отрезка АС на две части таким образом, что большая его часть АВ относится к меньшей ВС так, как весь отрезок АС относится к АВ (то есть АВ:ВС = АС:АВ). Приближенно это отношение равно 5/3, точнее 8/5, 13/8 и т.д. Принцип золотого сечения ввел Леонардо да Винчи.
А В С
Число Фибоначи – ряд чисел подчиняющихся следующей закономерности
ai = ai-1 + ai-2 (2, 5, 7)
т.е. каждое число этого ряда равно сумме 2 – х предыдущих чисел.
Модульные системы. В простейшем виде проектный линейный модуль М выступает как разность арифметической прогрессии, образуемой рядом чисел a1, a2,…ai,…a. Любой член этого ряда может быть получен по формуле
ai = a1 + М (i – 1)
Система предпочтительных чисел. Аддитивный ряд предпочтительных чисел сочетает преимущества (для стандартизации сборных сооружений) модульной системы, построенной на кратности величин, с золотым рядом, в котором используется то его свойство, что каждый член ряда, начиная с третьего, может быть представлен в виде суммы некоторого количества первого a1 и второго a2 членов. Величины a1 и a2 должны быть связаны по закону золотого сечения.
3) Мультипликативные системы согласования – это системы, в которых размеры и параметры укладываются в ряд чисел, кратных постоянному множителю.
Такие системы основаны на использовании геометрических прогрессий, в которых любой (i – й) член ряда ai определяется по формуле
ai = qi- 1 a1
где q – знаменатель прогрессии;
a1 – первый член ряда.
Поиск наиболее рациональных рядов чисел как базы для построения параметрических или размерных рядов на основе геометрических прогрессий ведется давно.
Так, в начале I века до н. э. В римских водопроводах использовались колеса, диаметры которых изменялись по закону геометрической прогрессии.
Академик А.В. Гадалин разработал в конце XIX столетия теорию проектирования металлорежущих станков и обосновал целесообразность выбора их параметров, в частности, чисел оборотов по ряду геометрической прогрессии.