Кіріспе

Практикалық тұрғыдан бірдей болатын компоненттер

Ауыстырылатын бөлшектер – практикалық тұрғыдан бірдей болатын бөлшектер (компоненттер). Олар бір типтегі кез келген құрастыруға сыятындай бірдей болуын қамтамасыз ететін техникалық талаптар бойынша жасалады. Мұндай бір бөлшек ешқандай қосымша өңдеусіз, мысалы, тілтеу сияқты арнайы орнатусыз, екіншісін толығымен алмастыра алады. Бұл алмастыру жаңа құрылғыларды оңай құрастыруға және қолданыстағы құрылғыларды оңай жөндеуге мүмкіндік береді, сонымен қатар құрастырушының немесе жөндеушінің уақытын және біліктілігін азайтады. Ауыстырылатындық қағидасы 20-ғасырдың басында конвейерлік өндірістің енгізілуі үшін өте маңызды болды және кейбір қазіргі заманғы өндірістердің маңызды бөлігіне айналды, бірақ басқа маңызды салаларда қолданылмайды. Бөлшектердің ауыстырылатындығына машина жасау операцияларындағы бірқатар жаңалықтар мен жетілдірулер, сондай-ақ бірнеше станоктардың, мысалы, жылғыш тіреуі бар токарлық станок, бұранда кесетін токарлық станок, мұнаралық токарлық станок, фрезерлеу станогы және металл кескіш станок ойлап табу арқасында қол жеткізілді. Бұған қоса, станокты дұрыс бағыттауға арналған шаблондық құрылғылар, дайын бөлшектердің дәлдігін тексеруге арналған блоктар мен калибрлер жасалды. Электрлендіру жеке станоктарды электр моторларымен жабдықтауға мүмкіндік берді, бу машиналарынан немесе су энергиясынан желілік жетектерді жойды және жоғары жылдамдыққа қол жеткізуге мүмкіндік берді, бұл қазіргі заманғы ірі масштабты өндірісті мүмкін етті. Қазіргі заманғы станоктар көбінесе сандық басқарумен (СБ) жабдықталған, ол микропроцессорлар пайда болғаннан кейін компьютерлік сандық басқаруға (КСБ) айналды. АҚШ-та ауыстырылатын бөлшектерді өнеркәсіптік өндіру әдістері алғаш рет 19-ғасырда әзірленді. Кейде бұл әдістерге «американдық өндіріс жүйесі» термині қолданылды, ол бұрынғы әдістерден ерекшеленді. Бірнеше онжылдықтар ішінде мұндай әдістер әртүрлі елдерде қолданылды, сондықтан «американдық жүйе» қазіргі өнеркәсіптік терминология емес, тарихи анықтама болып табылады.

Бірінші рет қолдану

Бір-бірімен алмастырылатын бөлшектерді қолдануға қатысты дәлелдерді екі мың жылдан астам бұрын Карфагендегі Бірінші Пуникалық соғыс кезінде табуға болады. Карфагендік кемелерде стандартталған, бір-бірімен алмастырылатын бөлшектер болған, тіпті оларға "А-ны В-ға салыңыз" сияқты құрастыру нұсқауларымен бірге белгілер қойылған.

Қазіргі заманғы ұғымның пайда болуы

18 ғасырдың аяғында француз генералы Жан Батист Вакет де Грибовал 1765 жылы патшалық бұйрық ретінде жарияланғаннан кейін «Грибовал жүйесі» деп аталған стандартталған қарулар жүйесін ұсынды. (Ол кезде бұл жүйе мылтықтар мен тапаншалардан гөрі артиллерияға көбірек бағытталған.) Жүйенің маңызды жетістіктерінің бірі – қатты құймадан жасалған зеңбіректерді нақты өлшемдермен тесіктеу болды, бұл зеңбірек қабырғаларын ішкі қуысы бар құйма зеңбіректерге қарағанда жұқарақ етуге мүмкіндік берді. Дегенмен, зеңбірек ядролары көбінесе ортасынан ауытқуына байланысты, қабырға қалыңдығы зеңбірек трубасының диаметрін анықтады. Стандартталған тесіктеу зеңбіректерді қысқартуға мүмкіндік берді, дәлдігі мен ұзақтығын төмендетпестен, себебі снарядтар тығыз орналасты; сонымен қатар, снарядтарды да стандарттауға болатын. 18 ғасырға дейін, мылтықтар сияқты құрылғылар қару жасаушылармен бірегей әдіспен, бірінен соң бірі жасалатын. Егер атыс қаруының бір бөлігі ауыстырылуы керек болса, бүкіл қаруды арнайы жөндеу үшін шебер қару жасаушыға жіберуге немесе оны тастап, жаңасына алмастыруға тура келді. 18 және 19 ғасырлардың басында, осы әдістерді бірін-бірі алмастыратын өндіріс жүйесімен алмастыру идеясы біртіндеп дами бастады. Бұл процеске ондаған жыл кетті және көптеген адамдар қатысты. Француз революциясынан қашқан Луи де Тюсар 1795 жылы АҚШ артиллерия корпусына қосылды және стандарттаудың маңыздылығын баса көрсеткен ықпалды артиллериялық нұсқаулық жазды.

Іске асыру

Көптеген өнертапқыштар Бланк сипаттаған қағиданы іске асыруға кірісті. Қажетті станоктар мен өндіріс тәжірибесін дамыту АҚШ қару-жарақ департаменті үшін зор шығынға айналды, және бірнеше жыл бойы өзара алмастырылатындықты жетілдіруге тырысқанда, жасалған қару-жарақ өндіруге қымбатқа түсті. 1853 жылға қарай, федералды қару-жарақ қоймалары жетілдірген алмастырылатын бөлшектер үнемдеуге мүмкіндік бергеніне куәліктер пайда болды. Қару-жарақ департаменті қолданған әдістерін сыртқы жеткізушілермен ашық бөлісті.

Илай Уитни және ертедегі әрекеті

АҚШ-та Эли Уитни АҚШ әскерінің атыс қаруы үшін "алынып-қойылатын бөлшектерді" жасаудың пайдалы екенін түсінді. 1801 жылдың шілдесінде ол он мылтық жасады, олардың барлығы бірдей дәл бөлшектер мен механизмдерден құралған, содан кейін оларды АҚШ Конгресінің алдында бөлшектеді. Ол бөлшектерді араластырып үймеге салып, көмекпен Конгресс алдында барлық мылтықтарды қайта құрастырды, дәл сол сияқты Бланк бірнеше жыл бұрын жасаған болатын. Конгресс әсерлі қалды және АҚШ-тың барлық жабдықтары үшін стандарт енгізуді бұйырды. Алынып-қойылатын бөлшектерді пайдалану арқасында бұрынғы замандағы ескі жабдықтарға жаңа бөлшектер жасаудың қиындығы немесе мүмкін еместігіне байланысты туындаған мәселелер шешілді. Егер мылтықтың бір бөлігі бұзылса, жаңасы тапсырылып, мылтықты тастау қажеттігі тумас еді. Бірақ Уитнидің мылтықтары қымбатқа соқты және шебер жұмысшылармен қолмен жасалған. Чарльз Фитч Уитнидің америкалық жүйені қолданып, алынып-қойылатын бөлшектермен атыс қаруын жасау шартын сәтті орындағанын, блок жасау машиналарын жасау жоспарларымен бірлесіп жұмыс істегенін айтты; ұсыныс Адмиралтействоға жіберілді, олар оның қызметін пайдалануға келісті. 1805 жылға қарай кемежай революциялық, мақсатқа арналған жабдықтармен толық жаңартылды, сол кезде өнімдер әртүрлі компоненттермен жеке-жеке жасалатын. Блоктарда 22 процесті орындау үшін барлығы 45 машина қажет болды, оларды үш түрлі өлшемде жасауға болады. Машиналардың көбі металдан жасалған, бұл олардың дәлдігі мен беріктігін арттырды. Машиналар процестің кезінде дұрыс тізілуін қамтамасыз ету үшін блоктарға белгілер мен ойықтар салды. Бұл жаңа әдістің көптеген артықшылықтарының бірі – машиналарды басқаруға аз еңбек жұмсалатындықтан еңбек өнімділігінің артуы болды. Брунелдің ұлы, инженер Изамбард Кингдом Брунелдің көмекшісі Ричард Бимиш былай деп жазды:

Осы машинаның көмегімен он адам біркелкілікпен, жылдамдықпен және оңайлықпен бұрын жүз он адамның күмәнді еңбегімен атқарылатын жұмысты істей алады. 1808 жылға қарай жылдық өндіріс 130 000 блокқа жетті, ал кейбір жабдықтар 20 ғасырдың ортасына дейін пайдаланылды.

Терридің сағаттары: ағаштан жасалған сәттілік

Илай Терри 1800 жылы фрезерлік станокты пайдалана отырып, бір-бірімен алмастырылатын бөлшектерді қолданды. Уорд Франсильон атты сағаттанушы зерттеу барысында Терридің 1800 жылы бір-біріне ауыстыра алатын бөлшектерді жасап шығарғанын мәлімдеді. Зерттеу 1800–1807 жылдар аралығында Терри өндірген бірнеше сағаттарды қарастырды. Бөлшектер қажеттілікке қарай белгіленіп, алмастырылды. Зерттеудің қорытындысы бойынша, сағаттың барлық бөліктері бір-бірімен алмастырылатын болды. Америкада бір-бірімен алмастырылатын бөлшектерді пайдалана отырып жасалған алғашқы жаппай өндіріс – 1806 жылғы Эли Терридің Портер шарты, ол үш жылдың ішінде 4000 сағат өндіруді көздеді. Осы шарт аясында Терри төрт мың ағаш тісті механизмдері бар биік шкафты сағаттардың қозғалысын жасады, сол кездегі жылдық орташа көрсеткіш он шақты ғана болды. Илай Уитниден айырмашылығы, Терри өнімдерін мемлекеттік қаржыландырусыз өндірді. Терри сағаттардың тұрмыстық заттарға айналу әлеуетін көрді. Фрезерлік станокты пайдалана отырып, Терри бір уақытта бірнеше ондаған сағат тісті доңғалақтары мен пластиналарын жаппай өндіре алды. Біркелкі пинондар жасау үшін шаблон мен қалыптар қолданылды, соның арқасында барлық бөлшектер конвейерлік желіде жинастырылатын болды. Мьюр, Мерит Ро Смит және Роберт Б. Гордон 1832 жылға дейін Симеон Норт пен Джон Холлдың қозғалмалы бөлшектері бар күрделі машиналарды (мылтықтарды) жаппай өндіре алғанын келіседі, бұл үшін дөңгелектеп пішілген шикі бөлшектер қолданылды, содан кейін фрезерлік станок бөлшектерді қажетті өлшемге дейін өңдеді, ал соңғы реттеу жұмыстары қолмен, қалыптардың көмегімен жасалды. Тарихшылар Холл немесе Норт маңызды жақсарту жасады ма деген мәселеде келіспейді. Меррит Ро Смит мұны Холл жасады деп санайды. Мьюр Симеон Норт пен көрші механиктер арасындағы тығыз байланыс пен кәсіби одақты көрсету арқылы, бір-бірімен алмастырылатын бөлшектермен мылтықтар жасау процесін, әрине, Норт сағаттарды жаппай өндіруде қолданылған табысты әдістерді үлгі етіп алғанын айтады. Бір-бірімен алмасатын жүйені қабылдауға кешіккендер – Singer Corporation тігін машиналары (1860-70 жылдар), орақ өндіруші McCormick Harvesting Machine Company (1870-1880 жылдар) және бірнеше ірі бу машиналарын өндірушілер, мысалы Corliss (1880 жылдардың ортасы), сондай-ақ локомотив жасаушылар. Біраз уақыттан кейін жазу машиналары пайда болды. 1880 жылдары велосипедтерді жаппай өндіру бір-бірімен алмастырылатын жүйені қолдана бастады. Осы онжылдықтарда нақты алмастырылатындық сирек және қиын жетістікке қол жеткізуден бастап өндіріс салаларындағы күнделікті мүмкіндікке айналды. 1950-1960 жылдары технология тарихшылары даму тарихы туралы әлемнің түсінігін кеңейтті. 1980 және 1990 жылдарға дейін аталған саладан тыс адамдар тақырып туралы көп білмеді, осы кезде академиялық білім кең аудиторияға тарала бастады. 1960 жылдары Альфред П. Слоан өзінің әйгілі естеліктері мен басқару туралы еңбегін жариялағанда, "My Years with General Motors", тіпті ең ірі өндірістік кәсіпорынның президенті мен төрағасы даму тарихы туралы аз білген, басқаша айтқанда: [Генри М. Лиланд болды], менің ойымша, автомобиль өндірісіне бір-бірімен алмастырылатын бөлшектерді енгізуге жауаптылардың бірі. [ ] Менің назарыма Елай Уитнидің бұрыннан қару-жарақ өндірісіне байланысты бір-бірімен алмастырылатын бөлшектерді әзірлеуді бастағаны туралы хабар келді, бұл Уитниден Лиландқа дейін автомобиль өнеркәсібінің тамырларын көрсетеді. Тақырып бойынша жақсы белгілі кітаптардың бірі, алғаш рет 1984 жылы жарияланған және академиялықтан тыс оқырмандардың қызығушылығын тудырған, Дэвид А. Хоуншеллдің "Америкалық жүйеден жаппай өндіріске дейін, 1800–1932: АҚШ-тағы өндіріс технологиясының дамуы" кітабы болды.

Әлеуметтік-экономикалық жағдай

Бір-бірімен алмастырылатын бөлшектер принципі 19 ғасырда дамып, гүлденді және көптеген салаларда жаппай өндіріске жол ашты. Ол үлгілер және басқа да жигтер мен бекіткіштерді пайдалануға негізделген, оларды жартылай білікті жұмысшылар машина құралдарын қолданып, дәстүрлі қол құралдарын толықтыру (кейіннен оларды көптеп алмастыру) үшін қолданды. Осы ғасыр ішінде өлшегіштерді, өлшеу құралдарын (мысалы, штангенциркульдер мен микрометрлерді), стандарттарды (мысалы, бұрандалы бұйымдар үшін) және процестерді (мысалы, ғылыми басқаруды) жасау бойынша көптеген жұмыстар атқарылды, бірақ өзара алмастыру принципі өзгеріссіз қалды. 20 ғасырдың басында конвейерлік өндіріс енгізілгеннен кейін алмастырылатын бөлшектер өндірістің ажырамас бөлігіне айналды.

Таңдаулы құрастыру

Бір-бірімен алмастырылу мүмкіндігі бөлшектердің толеранттық диапазондағы өлшемдеріне байланысты. Жинақтаудың ең көп таралған тәсілі – құрастыруға жеткен әрбір бөлшек толеранттылық шегінде болған жағдайда, бөлшектердің жұптасуы толығымен кездейсоқ болуы мүмкін. Бұл бұрын талқыланған барлық себептерге орай маңызды. "Таңдамалы құрастыру" деп аталатын құрастырудың тағы бір түрі бар, ол кейбір кездейсоқтық мүмкіндіктерін басқа құндылықтармен алмастырады. Таңдамалы құрастырудан экономикалық пайда көретін екі негізгі қолдану саласы бар: толеранттық диапазондар соншалықты тар болғанда, оларды сенімді түрде сақтау мүмкін болмайды (соның салдарынан толық кездейсоқтық қол жетімсіз болады); және толеранттық диапазондар сенімді түрде сақталуы мүмкін болса да, соңғы құрастырудың дұрыс келуі мен аяқталуын жақсарту үшін кездейсоқтықтан ерікті түрде бас тарту қажет (бұл оны қолжетімді етеді, бірақ идеалды емес). Екі жағдайда да таңдамалы құрастыру принципі бірдей: бөлшектер кездейсоқ жұптасудың орнына жұптасу үшін таңдалады. Бөлшектер тексерілген кезде, олар диапазондағы орнына (немесе одан шығуына) қарай бөлек контейнерлерге жіктеледі. Диапазонның жоғары немесе төменгі шегіне сәйкес келу әдетте "ауыр" немесе "жеңіл" деп аталады; ал диапазонның жоғары немесе төменгі шегін бұзу "артық" немесе "кем" деп аталады. Мысалдар төменде келтірілген. Френч және Виерк таңдамалы құрастырудың бір абзас сипаттамасын ұсынады, ол осы ұғымды тиімді түрде қорытындылайды. Егер бөлшектерді жұптастыру үшін таңдау керек болса, онда таңдамалы құрастыру ең көне қолөнер әдістерінен қандай жағынан өзгеше? Бірақ шындығында маңызды айырмашылық бар. Таңдамалы құрастыру бөлшектерді бірнеше диапазонға ғана жіктейді; әр диапазон ішінде әлі де кездейсоқ алмастырылу мүмкіндігі сақталады. Бұл шебердің бұрынғы әдісінен мүлдем өзгеше, онда әр жұптасқан бөлшек жиынтығы әрбір бөлшекке арнайы, бірегей серіктес табу үшін жеке-жеке өңделетін.

Кездейсоқ құрастыруға болмайды: үлкен және кіші бөлшектер

Қолданба өте тар (қысыңқы) толеранттық диапазонын қажет ететін жағдайларда, талап өңдеу және басқа да процестердің (штамптау, домалату, иілу және т.б.) мүмкіндіктерінің шегінен сәл асып кетуі мүмкін. Мұндай жағдайларда, бөлшектердің толық алмастырылу қабілетінің болмауын өтеу үшін селективті құрастыру қолданылады. Демек, тесігінде сермеп сырғанауы тиіс штифт үшін (бос, бірақ тым еркін емес), штифт үшін өлшем 12,00 +0 -0,01 мм, ал тесік үшін 12,00 +0,01 -0 мм деп көрсетілуі мүмкін. Көлемі артық шыққан штифттер (мысалы, диаметрі 12,003 мм) міндетті түрде жарамсыз емес, бірақ оларды тек сондай-ақ көлемі артық шыққан аналогтарымен ғана (мысалы, 12,013 мм тесік) жұптастыруға болады. Сол сияқты, кіші өлшемді бөлшектерді кіші өлшемді аналогтарымен сәйкестендіруге болады. Бұл мысалда, 12 мм өлшемді бұйымды қолдану үшін ерекше дәлдік қажет емес, бірақ бөлшектердің арасындағы қажетті үйлесімділік жақсы дәлдікті талап етеді (дәлдік және прецизия туралы мақаланы қараңыз). Бұл өндірушілерге өндіріс күшін тиімдірек пайдалану үшін, толық алмастырылуды "сәл түзетуге" және бас тарту деңгейін (брак деңгейін) төмендетуге мүмкіндік береді. Егер қолдану мен жағдай қолдаса, бұл дұрыс инженерлік шешім. Мысалы, болашақта ешқандай бөлшектерді ауыстыруға арналған қызмет көрсету көзделмеген машиналар үшін (тек толық құрылғыны ауыстыру ғана көзделеді), бұл экономикалық тұрғыдан тиімді. Бұл өнімнің бірлігінің құнын төмендетеді және болашақ қызмет көрсету жұмысына кедергі келтірмейді. Бұл тәсілден пайда көретін өнімнің мысалы – автомобильдік беріліс қорабы, онда қызметкер ескі беріліс қорабын жөндемейді деп күтіледі, оның орнына жаңасын орнатады. Сондықтан, беріліс қорабындағы жиынтықтардың толық алмастырылуы міндетті емес еді. Әдеттегі принцип бойынша, ерекше біліктерді қоспағанда, олар да көрсетілген болар еді, олар ұсақтауда үлкен қиындықтар мен жоғары брак деңгейін тудырды, бірақ оларға тек қана лайықты дәлдік қажет болды, егер олардың тесігімен жақсы үйлесетін болса. Көптеген біліктерді брактан сақтап, ақша үнемдеуге болады.

Экономикалық және саудалық ақиқаттар

Жоғарыдағы сияқты мысалдар нақты саудада олардың мүмкіндігінше жиі кездеспейді, көбінесе мүдделерді бөлу себепті, күрделі жүйенің әр бөлігі жүйенің басқа бөліктері туралы шектеулі болжамдар жасамайтын өнімділік көрсетуі күтіледі. Автокөлік берілісі мысалында, жеке компаниялар мен тұтынушылар жеткізу тізбегіндегі басқалардан еркіндік пен таңдаудың шектелуін қабылдамайды. Мысалы, автокөлік сатып алушының пікірінше, автокөлік өндірушісінің "құқығы жоқ" – ескі берілісті ауыстырудың орнына, қызмет көрсететін механиктер оны жөндеуге дайын емес деп есептеуі. Тұтынушы бұл шешімді кейін жөндеу шеберханасында, сол уақытта қай нұсқа арзан болатынына байланысты қабылдауға күтеді (бір білікті ауыстыру толық берілісті ауыстырудан арзан болса). Бұл логика әрқашан шындыққа сай келмейді; клиенттің жалпы меншік құны үшін автокөлікке бастапқы бағаны төмендету (әсіресе беріліс қызметі 10 жылдық стандартты кепілдікпен қамтылған болса және сатып алушы машинаны одан бұрын ауыстыруды жоспарласа) машинаға жоғары бастапқы баға төлеуге қарағанда, машинаның соңғы гайкасы, болты және білігінің толық алмастырылу мүмкіндігін сақтағаннан жақсырақ болуы мүмкін (егер ол пайдаланбаса). Бірақ сауда әдетте осы логиканың үстемдік тануы үшін тым хаотикалық және көп факторлы болып табылады, сондықтан коммерциялық жүйенің тұтас көзқарасынан "қажетсіз" шығындарға әкелсе де, толық алмастырылу сипатталады және жүзеге асырылады. Бірақ клиенттер оның логикалық талдауын түсінбестен, жалпы құнды (олардың санасымен сезіне алатын және бағалай алатын) сезіне алатын жағдайларда мұнан аулақ болуға болады. Осылайша, таңқаларлықтай қолжетімді бағамен автомобиль сатып алғандар (таңқаларлықтай төмен бастапқы баға) олардың меншігінде беріліс қызметі үшін ешқашан төлеуге тура келмесе, беріліс қызметін көрсету мүмкін болмағанына шағымдануы екіталай. Бұл талдау өндіруші үшін маңызды болуы мүмкін (тұтынушыға түсініксіз болса да), өйткені ол нарықта бәсекелестік артықшылықты өзіне қалыптастыра алады, егер ол "бұрыштарды кесудің" қайда екенін дәл болжаса және тұтынушы ешқашан төлеуі керек емес. Осылайша ол өзі үшін беріліс бірлігінің төмен құнын қамтамасыз ете алады. Алайда, ол осылай істеген кезде, пайдаланатын берілістерінің сенімді екеніне көз жеткізуі керек, өйткені оларды ауыстыру ұзақ кепілдікпен қамтылғандықтан, оның қаражатынан шығады.

Кездейсоқ құрастыру қол жетімді, бірақ өте қолайлы емес: "жеңіл" және "ауыр" бөлшектер

Таңдаулы құрастырудың тағы бір маңызды қолданылу аймағы – бұл толық бір-бірімен алмастырылатын жағдайлар, бірақ соңғы өнімдердің "жақсы жайғасуы мен аяқталуын" жұптасқан бөлшектердің өлшемдік үйлесімсіздіктерін азайту арқылы жақсартуға болатын жағдайлар. Жоғарыда келтірілген 12 мм штырға ұқсас мысалды қарастырайық. Бірақ бұл мысалда, қажетті түйісуді жасау үшін дәлдік қана емес, сонымен қатар нақтылық та маңызды (өйткені 12 мм штыр 12 мм-де дәл өлшенген басқа бір элементпен өзара әрекеттесуі керек). Бұл мысалдың бір салдары – бас тарту көрсеткішін төмендету мүмкін емес; барлық бөлшектер толеранттылық шегінде болуы керек немесе утилизациялануы керек. Сондықтан, үлкен немесе кішкентай бөлшектерді сырып тастап үнемдеуге болмайды. Дегенмен, таңдаулы құрастырудан әлі де пайда табуға болады: барлық жұптасқан жұптардың мүмкіндігінше бірдей сырғанау түйісуіне ие болуы (кейбір тығыз, ал кейбір бос түйісулерге қарағанда – бәрі сырғанау, бірақ әртүрлі қарсылықпен). Мұндай тәсілден пайда көретін өнімнің мысалы – құралдық станоктар болуы мүмкін, онда нақтылық та, жақсы жайғасу мен аяқталу да өте маңызды.