Унификация конструкций изделий

Унификацией называют приведение к оптимальному единообразию форм и объектов человеческой деятельности.

Это понятие универсально и касается любых организационных, научных, проектно-конструкторских, технологических, экономических, общественно-социальных и других форм деятельности и их результатов (изделий, построек, деталей, материалов, технологических процессов, методов исследований и расчетов, формы представления результатов, законов, правил, порядка их принятия и т.п.).

В технике понятие унификации определяется (согласно ГОСТ 23945.0-80) следующим образом: "Унификация изделий - приведение изделий к единообразию на основе установления рационального числа их разновидностей".

Суть принципа унификации конструкций изделий заключается в ограничении многообразия возможных частных (индивидуальных) решений на всех этапах проектно-конструкторской деятельности рамками общих свойств и признаков, приводящих изделие к единой системе типовых конструкций.

Под единой системой типовых конструкций следует понимать ограниченное число (группу) конструкций изделий, применяемых в определенной области и выполняющих одинаковую или разные функции, но имеющих однозначную функциональную и конструктивную совместимость изделий и их элементов по принципам построения, структуре, источникам и номиналам питания, размерам, материалам, технологии изготовления, сборки, контроля, обслуживания, ремонтов и т.д.

Единая система создается, исходя из принципа: "Целое состоит из частей, на которое оно может быть разложено и из которых может быть снова собрано".

Новое качество достигается заменой, добавлением, изъятием, перестановкой составных частей, которые должны иметь "открытую форму", т.е. обладать свойствами совместимости.

Основные цели унификации:

- сокращение сроков проектирования, подготовки производства, изготовления, проведения технического обслуживания и ремонтов изделий;

- повышение экономической эффективности создания и эксплуатации изделий за счет снижения затрат при проектировании и специализации производства, технического обслуживания и ремонтов;

- повышение показателей качества (надежности, технологичности и др.), взаимозаменяемости изделий и их составных частей;

- рациональное ограничение номенклатуры и объемов выпуска продукции при обеспечении функциональной и количественной ее потребностей.

Различают следующие методы унификации конструкций: индивидуальный, базовый и агрегатно-модульный, которые фактически являются соответствующими методами проектирования.

Индивидуальный метод унификации (его называют также методом заимствования, моноблочным, пассивным методом) основывается на использовании в конструкции ранее созданных (заимствованных) решений, типовых устройств, деталей и их элементов (соответствие размеров ряду предпочтительных чисел, углов, уклонов, конусностей; форма поверхностей, шероховатость, фаски, канавки, центровые отверстия, рифления, покрытия и т.д. должны соответствовать типовым рекомендациям и стандартам).

Он используется обычно при создании конструкций индивидуальных (оригинальных) и уникальных приборов и их составных частей, изготавливаемых в единичном, опытном или мелкосерийном производстве для решения частных технических задач, а также для улучшения тех или иных характеристик существующих прототипов (аналогов). Примерами могут служить уникальные образцы техники (космические корабли, телескопы, "СОИ"; специализированное технологическое оборудование, оснастка, контрольно-юстировочные приспособления; модернизированные серийные приборы, имеющие более высокие сравнительные характеристики (по мощности, точности, надежности, производительности, габаритно-весовые и т.п.)).

Разработка пионерских (принципиально новых) приборов, основанных на новых физических принципах, изменении схем и конструкций, использовании новых элементов, материалов и т.п. [31]^*, [69]^*, также требует применения индивидуального метода унификации. Причем для перспективных приборов (таких, например, какими были в свое время пионерские образцы персональных компьютеров, видеокамер и магнитофонов, копировальные аппараты, факсы и т.п.) должна проводиться так называемая опережающая унификация, основанная на научно-техническом прогнозировании тенденций будущего развития этих приборов, их составных частей, изменений, технико-экономических характеристик, методов производства, обслуживания, ремонта и т.п.

Индивидуальный метод унификации используется также при разработке моноблочных изделий, имеющих простую конструкцию, не требующую разбивки ее на функциональные блоки и узлы, а также сверхминиатюрных, не позволяющих производить их из блоков [29]^* (стимуляторы сердца, медицинские зонды и т.п.).

Базовый метод унификации является активной формой унификации и заключается в создании модификаций или унифицированного ряда изделий на основе конструкции базового изделия.

В модификациях или унифицированных рядах используется единое функциональное и конструктивное решение и общие для всех основные части и элементы.

Например, несущие устройства (корпуса, штативы, стойки, столы...), соединительные устройства (электрические разъемы, муфты, замки, шарниры...), энергетическо-информационные устройства (блоки питания, индикации, пульты, клавиатура ...), защитные устройства (кожуха, экраны, термостаты...), функциональные устройства (измерительные, осветительные, наводящие, регистрирующие ...).

Примерами базового метода унификации конструкций могут служить унифицированные ряды электродвигателей, реле, зубчатых редукторов, осциллографов, теодолитов, модификации станков, автомобилей, бытовой техники (пылесосов, стиральных машин, холодильников...) и т.п. Хорошо известен, например, факт создания автомобильным заводом в г.Тольятти семейства из порядка десяти модификаций автомобилей "Лада" на основе базовой модели "Фиат-124". Фирмой "Крал Цейсс" разработано несколько унифицированных рядов микроскопов "Mikroval" (Jenamed, Jenalumar, Jenapol) [29]^*, [65]^*, позволяющих путем комбинации узлов и элементов конструктивного ряда получать микроскопы не только с различным увеличением, полем, апертурой, но и для наблюдения в проходящем и отраженном свете, поляризационные, интерференционные, флуорисцентные, фотометрические и др.

Конструкторами фирмы ЛОМО создан унифицированный ряд вертикальных и горизонтальных длиномеров, спектральных приборов, фотоаппаратов, медицинских приборов, имеющих в своей основе соответствующие базовые модели.

Агрегатно-модульный метод унификации (его называют также функционально-блочным, блочно-модульным) является наиболее прогрессивным, позволяющим проектировать и изготавливать изделие (их комплексы и ряды) из функциональных модулей (блоков).

Функциональный модуль представляет собой автономное конструктивное устройство, унифицированное по его функции, параметрам, геометрии, материалам, обладающее совместимостью необходимых свойств и параметров (информационных, энергетических, конструктивных, эксплуатационных) с другими модулями.

Синтез (и изменение) общей функции изделия, обеспечение его параметров и показателей качества достигается комбинацией модулей, присоединением новых, их изъятием и заменой. Оригинальные детали, узлы и функциональные устройства при агрегатно-модульном проектировании применяются только в случаях, когда этого требует специфика изделия либо "пионерское" решение.

Модули в зависимости от выполняемых задач подразделяются на: несущие, управляющие, исполнительные (преобразовательные), соединительные, обеспечивающие, коммуникационные и др.

Агрегатно-модульный метод унификации и проектирования широко используется при создании электроизмерительных приборов, аудио-видеоаппаратуры, вычислительной техники, телефонных станций, а также других изделий, основанных на унифицированных и стандартизованных функциональных модулях и элементах микроэлектроники и электротехники (микросхемы, интегральные схемы, микропроцессоры, блоки питания, управления, коммуникации, индикации и т.д.).

Типичным примером таких изделий могут служить IBM-совместимые персональные компьютеры, унификация которых охватывает принципы организации, архитектуры, интерфейсы, микропроцессорную элементную базу, накопители, периферийные устройства (дисплей, клавиатуру, принтер, манипулятор, графопостроитель, модем...).

В машиностроении и приборостроении агрегатно-модульный метод применяется в меньшей степени, что обусловлено разнообразием назначения и решаемых задач, различием физических принципов и энергоносителей в межвидовых изделиях, использованием функциональных устройств и узлов с различными физическими принципами действия в однотипных изделиях, затрудняющих их совместимость. В настоящее время чаще используются индивидуальный и базовый методы унификации, однако тенденции развития конструкций изделий этих отраслей промышленности связаны с агрегатно-модульным проектированием. Чаще всего этот метод используется при создании однотипных изделий одного функционального назначения: станков, роботов, автомобилей, строительных машин. Что касается точных приборов, то практически все передовые фирмы, их производящие, применяют агрегатно-модульную унификацию отдельных видов приборов либо используют унифицированные агрегаты и модули. Некоторые фирмы специализируются на производстве таких агрегатов и модулей. Например, фирма "Хайденхейн" (ФРГ) специализируется на выпуске фотоэлектрических преобразователей (датчиков) линейных и угловых перемещений различных модификаций. Корпорации "ORiel", "Ealing" (США) производят столы, оптические скамьи, рейтера, оправы, оптические узлы и элементы, из которых можно смонтировать лабораторные исследовательские или учебные установки, макеты приборов и т.п. Исходя из практики точного приборостроения, следует отметить, что при создании конструкций приборов чаще всего используется смешанный метод унификации, включающий в себя элементы индивидуального, базового и агрегатно-модульного методов.

Уровень унификации обычно определяется коэффициентами применяемости (К_ПР) и повторяемости (К_П):

где n₀ - количество типоразмеров оригинальных составных частей; n - общее количество типоразмеров составных частей, включающее оригинальные унифицированные, нормализованные, стандартные и покупные;

N_S- общее количество составных частей (деталей); N - количество одинаковых частей (деталей), используемых в изделии повторно.