Моделирование сборочной технологичности конструкции изделий в интегрированных САПР

УДК 658.512.4

МОДЕЛИРОВАНИЕ СБОРОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЙ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ САПР А.М. ПОПОВ

Исследованы вопросы оценки и отработки конструкции изделий на технологичность в интегрированных САПР. Подробно рассмотрена процедура анализа сборочной технологичности конструкции при помощи методологии DFMA. Приведен пример моделирования и оценки сборочной технологичности для нескольких вариантов конструкции изделия.

Ключевые слова: технологичность конструкции, сборочная технологичность изделия, методология DFMA, моделирование сборочной технологичности, интегрированные САПР.

Введение. Достижение оптимального соотношения цены и качества выпускаемой продукции -основа конкурентоспособности и одна из основных целей каждого предприятия в рыночных условиях. Качество продукции - это степень соответствия совокупности собственных свойств и характеристик производимого изделия, обусловливающая ее способность удовлетворять установленным и предполагаемым требованиям (ISO 9000:2000, ГОСТ 15467-79).

Конструкция представляет собой продуманный комплекс свойств, которые должны быть приданы материальному объекту, и является необходимым и достаточным условием для производства изделия. Технологический процесс, следовательно, приводит материальный объект в состояние, отвечающее свойствам конструкции, предопределенным проектировщиком. Процессы конструирования изделия и проектирования технологии ее изготовления тесно связаны между собой понятием технологичности конструкции [1 - 3].

Технологичность конструкции можно сформулировать как свойство конструкции, обеспечивающее получение в заданных технологических условиях, при установленной серийности продукции, минимальных затрат живого и овеществленного труда при изготовлении и сборке изделия. Из двух конструкций одного и того же изделия, в равной мере удовлетворяющей конструкторским требованиям, та будет более технологичной, которая обеспечит меньшие суммарные производственные затраты.

Анализ технологичности конструкции изделия на ранних стадиях проектирования (концептуальное проектирование) из-за ограниченности информации о будущем технологическом процессе производства может основываться исключительно на качественных методах общей оценки их конструкционных параметров. Широко распространены общие принципы и правила, приводимые в виде рекомендаций («технологично» - «не технологично»), часто иллюстрируемые соответствующими примерами. Однако на практике качественные методы часто приводят к неадекватной оценке, поскольку по своей сути слишком субъективны, во многом зависят от индивидуальных знаний и опыта конкретного проектировщика и от условий данного производства.

Недостаточная методическая разработка рекомендательного характера общих принципов технологичности конструкции для ранних стадий концептуального проектирования является существенным сдерживающим фактором повышения качества выпускаемых изделий.

Сборочная технологичность конструкции изделий. Дальнейшее развитие общей методологии интегрированного проектирования (англ. Concurrent Engineering) привело к разработке ряда частных методов в аспекте достижения определенных проектных требований (англ. Design forX), в частности сборочной технологичности конструкции (англ. Design for Assembly). Основой методологии Design for Assembly (DFA) является утверждение, что сокращение в изделии числа составляющих его деталей ведет к созданию конструкции более совершенной по показателям производственных затрат, времени изготовления, а также ее качества. Идеальное для процесса

сборки изделие состоит из наименьшего числа элементов, что служит предпосылкой для сокращения времени сборки, лучшего качества, а также меньшей вероятности того, что изделие будет неправильно собрано [4, 5].

Процедура анализа конструкций при помощи методологии DFA основывается на исследовании целесообразности наличия каждой детали для обеспечения функционирования всего изделия [6]. Все остальные детали, по крайней мере теоретически, могут быть исключены или же объединены с необходимыми деталями. Мерой эффективности процесса сборки и степени сложности конструкции является так называемый показатель DFA:

кОРА = Т-100 %,

где Г - идеальное время сборки одной детали (например, для ручной сборки г = 3 с на деталь); N - теоретически минимальное число деталей, обеспечивающих правильное функционирование собранного изделия; Т - суммарное прогнозируемое время сборки.

Этот показатель, для данного конкретного изделия, может улучшиться только в результате ликвидации ненужных деталей, операций и сокращения трудоемкости сборки. Он представляет собой качественную оценку конструкции изделия с точки зрения эффективности сборочного процесса.

В связи с все возрастающими экологическими требованиями к продукции, важное значение при проектировании приобретает учет заключительных стадий жизненного цикла изделия (ликвидации и рециклинга), в частности удобства его разборки.

При расчете и анализе эксплуатационной технологичности конструкции (надежности машин) технические объекты, в зависимости от предусмотренной в нормативно-технической документации возможности проведения ремонтов и технического обслуживания, можно разделить на два класса: ремонтируемые и неремонтируемые. Большинство машин и их сборочных единиц относят к классу ремонтируемых объектов. Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к обнаружению и предупреждению отказов и повреждений, к восстановлению работоспособности и исправности путем проведения технического обслуживания и ремонта. Свойство ремонтопригодности конструктивно характеризует компоновочное решение механической системы (машин, агрегатов, сборочных единиц), а также их доступность и легкосъем-ность. Мерой оценки технологичности на этой стадии может служить показатель технического обслуживания:

кто = -^ -100 %,

т.о г~1 '

Ст.о

где сэ - стоимость элемента или операции, которая является целью обслуживания; Сто - суммарные затраты на проведение технического обслуживания.

Этот показатель для данного изделия может улучшиться только в результате ликвидации ненужных деталей, операций и сокращения трудоемкости разборки. Он является качественной оценкой конструкции изделия с точки зрения эффективности процесса разборки на стадии технического обслуживания.

Под понятием разборки подразумевается последовательность технологических операций разделения изделия на составляющие его элементы. Целью этих операций является получение доступа к требуемым деталям и узлам при техническом обслуживании изделия или извлечения наиболее ценных из них при его утилизации. Это вынуждает к проведению, уже на ранних стадиях проектирования, глубокого анализа возможностей разделения в будущем проектируемого изделия на его составляющие. Разборка в связи с последующим рециклингом является эффективным средством повторного использования узлов, деталей или материалов из утилизированных изделий, приводящее впоследствии к экономии использования материалов и снижению себестои-

мости при производстве новых изделий. Очередность разборки и последующей селекции (группирования) деталей обусловлены принятыми критериями, главные из которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Критерии селекции (группирования) составляющих компонентов изделия при его разборке

Структурные критерии Критерии повторного использования материалов Технологические критерии

Старение. Износ. Разрушение. Экологичность. Ценность. Возможность рециклинга. Энергия, необходимая для производства. Возможность вторичного использования. Методы соединения. Технологичность разборки.

В изделии, предназначенном для разборки, можно выделить три группы составляющих его элементов:

- одноразового использования, которые во время разборки подвержены разрушениям и могут быть предназначены только для рециклинга материалов;

- многократного использования, которые из-за простоты своей конструкции подробно не верифицируются и почти все могут быть повторно использованы в новых изделиях;

- повышенной конструкторской сложности, проходящие верификацию после которой часть из них может быть повторно использована в новых изделиях после их восстановления.

Рекомендуется, чтобы наиболее ценные, а также вредные для окружающей среды компоненты извлекались из изделия с минимальными затратами на разборку. Остальная часть деталей изделия направлялась бы без разборки на рециклинг материалов. Оптимальную глубину разборки можно определить из анализа диаграмм Парето [5 - 7].

Большинство существующих изделий не проектируется с мыслью об удобстве разборки, что является причиной того, что разборка часто становится экономически невыгодной.

Во-первых, структура изделия оптимизирована на основе функциональных требований, что вызывает появление большого числа ненужных переходов и операций при его разборке. Во-вторых, методы соединений выбираются с учетом простоты сборки и надежности соединений, что проявляется в частом применении неразъемных соединений и затрудненном доступе к соединительным элементам. В-третьих, выбор материалов с экономической точки зрения и с учетом оптимального формообразования конструкции часто приводит к применению разнородных материалов, не поддающихся рециклингу, или приводит к высоким затратам на разборку и селекцию (группирование) деталей. Кроме того, изменения, вызванные ремонтами и износом во время использования изделия, вызывают значительные трудности при разборке сопряженных деталей. Концепция САПР сборочной технологичности конструкции изделий. На рис. 1 предложена блок-схема автоматизированного проектирования на основе методологии технологичного конструирования DFMA (англ. Design for Manufacture and Assembly), базирующейся на трех составляющих методиках:

- проектирование, ориентированное на сборку DFA (англ. Design for Assembly),

- проектирование, ориентированное на обработку DFM (англ. Design for Manufacture),

- проектирование, ориентированное на конкурентоспособность DFC(англ. Design for Competitiveness).

Концепция рассматриваемой САПР сводится, в своей сути, к упрощению конструкции изделия исходя из структуры его технологического процесса сборки.

Проведенные фирмой «Motorola» [6] исследования связи между качеством изделия и упрощением его конструкции наглядно показали улучшение уровня качества после внедрения метода DFA. Зависимость между сокращением числа составляющих деталей, выраженным через показатель DFA, и уровнем качества, измеряемого числом бракованных изделий на 1 000 000 шт., показана на рис. 2. Каждая точка на графике представляет определенное изделие фирмы

«1^ого1а». Установлено, что если показатель DFA меньше 20 %, то предполагаемый процесс сборки проектируемого изделия следует считать неэффективным и перейти к анализу следующего варианта данного изделия.

CAD

Обоснование

изменении в конструкции

+• СААРР Генерирование

1 последовательности , сборки

DFA Базы данных

Расчет и оценка

DFM

затрат

1

DFC

Рис. 1. Концепция САПР на основе методологии технологичного конструирования DFMA

100 ООО

5 10 000

Е

XI

-0-

iXi

=[

1000

100

10

п

10

20

30

Показатель DFA

40

50

60

Рис. 2. Влияние числа составляющих деталей на повышение качества изделий

фирмы «Motorola»

Пакет программного обеспечения комплектуется по типу экспертной системы и состоит из нескольких модулей для расчета производственных затрат при сборке, различных видах обработки, а также может быть расширен путем добавления аналитическо-расчетных модулей для более поздних фаз жизненного цикла изделия - разборки и рециклинга.

В модуле CAD (англ. Computer Aided Design) используется программное обеспечение твердотельного параметрического моделирования. Модуль автоматизированного проектирования процессов сборки CAAPP (англ. Computer Aided Assembly Process Planning) на основе модели составляющих элементов собираемого изделия, находящихся в модуле CAD, генерирует очередность сборки. Это же изделие поддается анализу DFA, где сразу учитываются возможные предложения по изменению конструкции составляющих элементов. Генерированное этим способом, правильное с учетом сборки, изделие поддается анализу DFM, а возможные конструкторские изменения вводятся в модуль CAD. Анализ DFM позволяет оценить затраты из условий процесса изготовления и применяемых материалов [6]. Альтернативные проекты разрабатываемого изделия, сгенерированные во время анализов DFA и DFM, при помощи модуля DFC сравниваются между собой, а также с данными конкурентных изделий. Для анализа используются базы данных, состав которых может меняться в зависимости от требований проектировщика. Содержащаяся в них ин-

формация касается технологичности конструкции при сборке различных вариантов изделия, производственных затрат на изготовление и конкурентоспособности выбранных вариантов изделия по отношению к подобным изделиям, существующих на рынке. Как следствие системного видения конструкции, проектировщик может упростить изделие, изменить вид применяемых конструкционных материалов, упростить структуру и очередность сборки, упростить технологию обработки и т. д.

В методологии DFMA воплощается широко понимаемая идея постоянного, непрерывного совершенствования (яп. kaizen, англ. continuous improvement), которая находит все большее признание в мире, поскольку совершенствование технологичности конструкции производимых изделий является одним из основных факторов повышения конкурентоспособности предприятия. В более широком понимании это основывается на модернизации (англ. reengineering) предприятия, в целях повышения эффективности его функционирования, в более узком - на перепроектировании изделия (англ. redesign).

Перепроектирование изделия может быть вызвано в одинаковой степени маркетинговыми, технологическими или конструкторскими причинами. В области маркетинга это выражается в расширении номенклатуры и ассортимента данного изделия для лучшего удовлетворения требований потребителя, что ведет к созданию семейства модульных и сегментных конструкций. В сфере технологии - в увеличении серийности продукции в целях сокращения переменных затрат, что связано с процессами унификации, стандартизации и нормализации, которые создают условия для применения, в частности, групповой технологии. В сфере конструирования - в исправлении конструкторских недочетов, не замеченных ранее, что служит обеспечению оптимального и стабильного качества, или адаптации конструкции к новым потребительским требованиям. Моделирование сборочной технологичности конструкции изделий. Возможности автоматизированных методов совершенствования технологичности конструкции рассмотрим на примере перепроектирования опорного ролика (рис. 3) в соответствии с блок-схемой (см. рис. 1). В модуле CAD использовано программное обеспечение твердотельного параметрического моделирования Solid Works 2009, в остальных модулях пакет программного обеспечения DFMA фирмы «Boothroyd Dewhurst Inc.». Анализ был проведен для наиболее распространенного типа конструкции опорного ролика (диаметр колеса D = 32 мм), находящего широкое применение в прецизионных устройствах и механизмах, в частности в ременных передачах малой мощности. Маркетинговые исследования рыночных потребностей этого типа изделия и внутренние производственные возможности определили программу его изготовления в течение 5 лет в количестве 100 000 шт. в год. После анализа технологических возможностей установлено, что величина партии (серийность продукции) составляющих изделие деталей, отвечающая производственным требованиям, должна составлять 10 000 шт. Из множества вариантов конструкций, существующих на рынке, за основу проектирования были приняты две концепции решения (рис. 3,а,б).

ролик 1а ролик 16 ролик 2

а) б) в)

Конструкция на рис. 3,а состоит из 4 деталей (корпус, ось, колесо, стопорное кольцо) и имеет показатель DFA/ равный 22,6 %. Конструкция на рис. 3,б имеет гладкую симметричную ось, более дешевую в изготовлении на 0,04 у.е., однако содержит большее количество составляющих деталей из-за необходимости применения двух стопорных колец. Показатель DFA для этого опорного ролика имеет меньшее значение и составляет 17,2 %. В обоих случаях сборка связана с некоторыми трудностями, поскольку требует ориентирования корпуса и колеса относительно определяющей оси. Для насадки стопорных колец в процессе сборки требуется дополнительная трудоемкая операция изменения положения сборочной единицы. Теоретически минимальное число деталей, рассчитанное программой, составляет 2.

На основе анализа предыдущих конструкций была разработана новая (рис. 3,в). Анализ практического использования подобных конструкций показал, что в 90 % опорных роликов реакция силы ремня направлена в сторону крепления корпуса. Поэтому нами предложено соединение типа «пружинного замка», использующее упругие свойства корпуса из листового металла. Новая конструкция состоит из 3 деталей, создающих возможности для более эффективной сборки, что находит отражение в росте показателя DFA, составляющего в этом случае 51%. Итоговые результаты анализа DFMA рассматриваемых конструкций приведены в табл. 2.

Таблица 2

Оценка конкурентоспособности конструкций опорного ролика

Концепция решения Рис. 3,а Рис. 3,б Рис. 3,в Идеальное решение

Число деталей, шт 4 5 3 2

Показатель DFA, % 22,6 17,2 51 100

Затраты на сборку, у.е. 0,43 0,57 0,19 0

Полные производственные затраты, у.е. 2,27 2,44 1,93 0

Из сравнения данных видно влияние основного принципа методологии - сокращение числа составляющих деталей - на улучшение основных показателей конкурентоспособности изделия.

На рис. 4 представлено сравнение затрат на сборку рассматриваемых опорных роликов с выделением генерируемых программой частных показателей. В скобках для каждого варианта указаны процентные составляющие затрат на сборку необходимых деталей в общих затратах на сборку. Затраты на сборку соединительных и вспомогательных деталей, а также связанные с необходимостью изменения положения компонентов в процессе сборки, являются нецелевыми, избыточными затратами, поскольку теоретически могут быть ликвидированы путем перепроектирования конструкции [5, 6].

Интересную информацию дает также сравнение стоимости внутрисистемных рабочих функций (рис. 5). Рядом с обозначением варианта решения приводится процентное отношение составляющих затрат главной функции F1 «направлять приводной ремень» в общих функциональных затратах. Интеграция деталей приводит к снижению затрат ненужной по своему существу функции F3 «ориентировать и вращать колесо», выполняемую в наилучшем конструкторском решении исключительно самой осью, а в наихудшем - осью и двумя стопорными кольцами. Стоимости остальных функций: F1 «направлять приводной ремень», исполняемую колесом, и F2 «закреплять опорный ролик», исполняемую корпусом, для всех конструкций одинаковы. Дальнейшего снижения затрат, вероятнее всего, можно было бы достичь, интегрируя функцию F3 с другой функцией путем объединения носителей этих функций, например, оси с корпусом или оси с колесом. Этим способом можно было бы сократить число составляющих деталей до теоретически минимального числа (2 деталей), рассчитанных программой.

Рис. 5. Функциональные затраты для различных вариантов конструкции опорного ролика

Сравнение производственных затрат на изготовление и затрат полной сборки (разборки) трех конструкций опорного ролика изображено графически (рис. 6) и также показывает преимущество новой конструкции.

2.5 2

1.5 1

0,5

О

Затраты на изготовление  Затраты на сборку

Ролик 16

Ролик 1а

Ролик 2

Рис. 6. Сравнительный анализ затрат для трех конструкций опорного ролика

Элементом, который чаще всего требует замены в опорном ролике всех конструкций, является быстроизнашивающееся колесо из пластмассы одинаковой стоимости 0,72 у.е. Стоимость замены для различных конструкторских решений составляет соответственно 0,76 у.е., 1,02 у.е. и 0,26 у.е. Отсюда показатель технического обслуживания принимает следующие значения:

0 72

Ролик 1а: k =----------------100 % = 48,6 %,

0,76 + 0,72

0, 72

Ролик 1б: k =----------------100 % = 41,3 %,

1,02 + 0,72

0, 72

Ролик 2: k =----------------100 % = 73,4 %.

0,26 + 0,72

Как видно из сравнения значений этого показателя, наилучшим техническим решением опорного ролика и в этом случае остается новая конструкция (см. рис. 3,в).

Результаты анализа затрат на разборку и стоимости извлекаемых для повторного использования деталей для различных вариантов конструкции опорного ролика, отражены в виде диаграммы Парето (рис. 7). Анализ диаграммы Парето позволяет определить целесообразную глубину разборки с точки зрения возможности повторного использования извлекаемых деталей. За «возвращенную стоимость» принята стоимость изготовления новой детали. Из анализа диаграммы следует, что ни один из вариантов конструкции не удовлетворяет вышеприведенным требованиям (см. табл. 1) целесообразности повторного использования деталей. Лишь в случае последнего конструкторского решения около 70 % суммарной стоимости возможных для повторного использования деталей достигается затратами не менее 75 % суммарных затрат на разборку; для остальных же вариантов - затратами почти 90 %. С другой стороны, даже при 75 % суммарных затрат на разборку, накопленная стоимость извлеченных деталей для двух первых конструкторских решений не достигает 40 % и составляет соответственно 34 % и 8 %.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Накопленные затраты на разборку, %

Методология DFMA считается, по мнению многих авторов, важнейшей составляющей одновременного интегрированного проектирования. Источником успеха DFMA является возможность анализа технологичности конструкции уже на ранних стадиях проектирования, до того, как определены затраты на производство изделия. Как показывают результаты практического применения, кроме снижения затрат, использование методологии DFMA вносит также значительный вклад в улучшение качества и в сокращение времени внедрения изделия на рынок.

Метод DFMA создает возможности для роста творческих и рационализаторских способностей, одновременно обеспечивая проектировщика солидными и авторитетными данными, помогающими достижению лучшего качества и надежности проектируемого изделия. Возможность быстрого выявления лишних элементов, уточнения трудоемкости и себестоимости изделия, в совокупности, приводят к росту конкурентоспособности изделия на рынке.

Выводы. До настоящего времени отсутствуют методологические подходы к обеспечению технологичности конструкции изделий в наиболее трудноформализуемой и одновременно самой значимой стадии концептуального проектирования, а именно - отработки изделий на сборочную технологичность конструкции. Метод DFMA создает возможности для отработки конструкции на сборочную технологичность, для быстрого выявления лишних элементов, уточнения трудоемкости и себестоимости изделия, что в совокупности приводит к росту конкурентоспособности изделия на рынке.

Библиографический список

1. Энгельке У.Д. Как интегрировать САПР и АСТПП / У.Д. Энгельке. - М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.

2. Безжон В.И. Технологичность конструкций машин: учеб. пособие / В.И. Безжон, М.Е. Попов, А.М. Попов. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2009. - 63 с.

3. Попов М.Е. Интеграция конструкторского и технологического проектирования на основе концепции Concurrent Engineering / М.Е. Попов, А.М. Попов // Вестн. машиностроения. - 1998. -№ 4. - С. 41-45.

4. Попов М.Е. Разработка и постановка продукции на производство на основе структурирования функции качества / М.Е. Попов, А.М. Попов // Вестн. машиностроения. - 2000. - № 7. -С. 52-58.

5. Попов А.М. Методологические основы интегрированных САПР машиностроительных производств: учеб. пособие / А.М. Попов. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2005. - 114 с.

6. Справочник по функционально-стоимостному анализу / А.П. Ковалёв [и др.]; под ред. М.Г. Карпунина, Б.И. Майданчика. - М.: Финансы и статистика, 1988. - 431 с.

7. Попов А.М. Технико-экономическое моделирование и оптимизация конструкции машин в интегрированных САПР: учеб. пособие / А.М. Попов. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2006. - 99 с.

Материал поступил в редакцию 24.06.2011.

References

1. E'ngel'ke U.D. Kak integrirovat' SAPR i ASTPP / U.D. E'ngel'ke. - M.: Mashinostroenie, 1990. - 320 s. - In Russian.

2. Bezzhon V.I. Texnologichnost' konstrukcij mashin: ucheb. posobie / V.I. Bezzhon, M.E. Popov, A.M. Popov. - Rostov n/D: Izdatel'skij centr DGTU, 2009. - 63 s. - In Russian.

3. Popov M.E. Integraciya konstruktorskogo i texnologicheskogo proektirovaniya na osnove koncepcii Concurrent Engineering / M.E. Popov, A.M. Popov // Vestn. mashinostroeniya. - 1998. - # 4. -S. 41-45. - In Russian.

4. Popov M.E. Razrabotka i postanovka produkcii na proizvodstvo na osnove strukturirovaniya funkcii kachestva / M.E. Popov, A.M. Popov // Vestn. mashinostroeniya. - 2000. - # 7. - S. 52-58. -In Russian.

5. Popov A.M. Metodologicheskie osnovy' integrirovanny'x SAPR mashinostroitel'ny'x proizvodstv: ucheb. posobie / A.M. Popov. - Rostov n/D: Izdatel'skij centr DGTU, 2005. - 114 s. -In Russian.

6. Spravochnik po funkcional'no-stoimostnomu analizu / A.P. Kovalyov [i dr.]; pod red. M.G. Karpunina, B.I. Majdanchika. - M.: Finansy' i statistika, 1988. - 431 s. - In Russian.

7. Popov A.M. Texniko-e'konomicheskoe modelirovanie i optimizaciya konstrukcii mashin v integrirovanny'x SAPR: ucheb. posobie / A.M. Popov. - Rostov n/D: Izdatel'skij centr DGTU, 2006. -99 s. - In Russian.

SIMULATION OF ASSEMBLY MANUFACTURABILITY OF PRODUCTS DESIGN IN INTEGRATED CAD/CAM SYSTEM A.M. POPOV

Some questions on the assessment and development of the products design fabricability in the integrated CAD/CAM system are studied. The analysis procedure of the design assembly manufacturability by means of DFMA technique is closely considered. The assembly manufacturability simulation and assessment of some products design versions are exemplified.

Keywords: design manufacturability, product assembly manufacturability, DFMA technique, assembly manufacturability simulation, integrated CAD/CAM system.