- •С.Г. Ярушин, А.Г. Схиртладзе
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Часть I.
- •ОБОРУДОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОВОЙ ТЕХНИКИ
- •2.2. Общие свойства объектов проектирования
- •2.2.1. Реализуемые функции и взаимодействие с внешней средой
- •2.2.2. Функциональная структура
- •2.3. Классификация оборудования
- •2.4. Оценка работы технической системы
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Техническая функция (ТФ)
- •Характеристика и отличительные признаки операций Коллера Е
- •3.3. Функциональная структура (ФС)
- •3.4. Описание физического принципа действия
- •3.5. Описание физико-технических эффектов
- •3.6. Техническое решение
- •3.7. Проект
- •3.8. Объект
- •Контрольные вопросы
- •4.1. Критерии развития
- •4.2. Выбор критерия
- •4.3. Показатели качества
- •4.4. Недостатки технического объекта
- •Контрольные вопросы
- •III. Закон гомологических рядов
- •V. Закон прогрессивной эволюции техники
- •5.2. Тенденции технического развития
- •Контрольные вопросы
- •Этапы работ по созданию технического объекта и временные периоды прогнозирования
- •6.1. Метод экстраполяции
- •6.2. Метод экспертных оценок
- •6.3. Метод моделирования
- •6.4. Схема процесса прогнозирования
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •9.1. Определение и виды потребности
- •9.2. Что такое проектирование?
- •9.2.1. Постановка задачи
- •9.2.2. Проектирование как искусство, наука и ремесло
- •9.3. Проектирование с позиции теории отображения
- •9.4. Проектирование и искусственный интеллект
- •9.5. Основные понятия и принципы методологии проектирования
- •9.6. Концепция проектирования
- •9.7. Процедурная модель проектирования
- •9.8. Индивидуальная и коллективная работа
- •Контрольные вопросы
- •10.1. Техническое задание
- •10.2. Техническое предложение
- •10.3. Эскизный проект
- •10.4. Технический проект
- •10.5. Этап разработки рабочей документации
- •Контрольные вопросы
- •11.1. Этапы творческого процесса
- •11.2. Препятствия творчеству
- •11.2.1. Препятствия личного порядка
- •11.2.2. Препятствия организационного порядка
- •Контрольные вопросы
- •12.1. Метод проб и ошибок
- •12.2. Метод адаптивного поиска
- •12.3. Метод случайного поиска
- •Контрольные вопросы
- •ИЗВЕСТНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •14.1. Предварительная постановка задачи
- •14.2. Уточненная постановка задачи
- •Контрольные вопросы
- •СИСТЕМОТЕХНИКИ
- •15.1. Сложность современных задач проектирования
- •15.3. Преодоление сложностей традиционного процесса
- •проектирования
- •15.4. Проектирование системы человек - машина
- •ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
- •16.1. Всесторонняя экономия ресурсов
- •16.2. Порядок проведения ФСА
- •16.2.1. Подготовительный этап ФСА
- •16.2.3. Разработка улучшенных проектно-конструкторских решений
- •Пример оценки вариантов
- •16.2.4. Разработка и внедрение результатов ФСА
- •16.3. Дальнейшее развитие ФСА
- •Контрольные вопросы
- •ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •17.1. Использование возможностей подсознания
- •17.2. Метод прямой мозговой атаки
- •17.3. Метод обратной мозговой атаки
- •17.5. Синектика
- •Контрольные вопросы
- •18.1. Краткий обзор и классификация эвристических методов
- •18.2. Метод эвристических приемов
- •18.2.1. Количественные изменения
- •18.2.2. Преобразование формы
- •18.2.3. Преобразование структуры
- •18.2.4. Преобразования в пространстве
- •18.2.5. Преобразования во времени
- •18.2.6. Преобразование движения и силы
- •18.2.7. Преобразование материала и вещества
- •18.2.8. Приемы дифференциации
- •18.2.9. Использование профилактических мер
- •18.2.10. Использование резервов
- •18.2.12. Повышение технологичности
- •18.3. Обобщенный эвристический метод
- •19.1. Операции обработки информации
- •19.2. Метафорическое описание и анализ проблемной ситуации
- •Контрольные вопросы
- •МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •20.1. Проектант как «черный ящик»
- •20.2. Проектант как «прозрачный ящик»
- •20.3. Проектант как самоорганизующаяся система
- •20.4. Критерии управления проектными работами
- •Контрольные вопросы
- •АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
- •21.1. Морфологическая комбинаторика
- •21.3. Составление морфологических таблиц
- •21.4. Выбор наиболее эффективных технических решений
- •Комбинация из двух элементов
- •21.5. Пример решения задачи
- •22.1. Матрица взаимодействий
- •22.2. Сеть взаимодействий
- •22.5. Проектирование новых функций
- •Контрольные вопросы
- •23.1. Контрольные перечни
- •23.2. Ранжирование и взвешивание
- •23.2.1. Выбор соответствующей шкалы измерения
- •Контрольные вопросы
- •24.1. Сбор и анализ данных
- •Типовой метод накопления данных
- •24.2. Свертывание данных
- •24.3. Накопление и свертывание
- •24.4. Последовательность действий
- •Критерии методов накопления и свертывания данных
- •Контрольные вопросы
- •ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОМУ МЕТОДУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЭТЧЕТТА
- •Контрольные вопросы
- •26.1. Критерии управления проектными работами
- •26.2. Стратегии проектирования
- •26.3. Как выбрать метод проектирования
- •Схема «Дано - требуется»
- •Часть III
- •КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •Описание синтезированного с помощью ЭВМ известного ФПД датчика тока
- •28.2. Количественный синтез физических принципов
- •действия
- •Физическая сущность эффекта
- •Примеры описания ФЭ
- •29.1. Использование многоуровневых морфологических таблиц
- •29.3. Составление списка требований
- •29.4. Разработка модели оценки технических решений
- •29.5. Алгоритмы поиска решения на И - ИЛИ-дереве
- •Ограничения по типам свертки
- •29.6. Порядок решения задач
- •СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
Пример: требуется так изменить существующий в цехе пнев мотранспорт, чтобы:
1) он обеспечивал транспортирование заготовок сечением 600x600 мм;
2) были значительно снижены или исключены дополнительные за траты, связанные с демонтажом трубопроводов и установкой труб с боль шим диаметром;
3) была значительно снижена или исключена порча заготовок от уда ров и трения в трубопроводе.
14.2. Уточненная постановка задачи
Операция 6. Анализ функций прототипа и построение улучшен ной конструктивной функциональной структуры. Анализ функций прототипа и построение его конструктивной ФС выполняется в соответст вии с рекомендациями, частично рассмотренными в предыдущих главах.
После этого проводят корректировку (улучшение) ФС, для чего не обходимо ответить на вопросы:
а. Какие можно ввести новые функциональные элементы, обеспечи вающие устранение недостатков прототипа или существенное повышение эффективности и качества ТО? Дают название таким элементам и описы вают их функции.
б. Какие можно исключить элементы для устранения недостатков прототипа или повышения эффективности и качества ТО?
в. Какие элементы целесообразно исключить путем передачи их функций другим элементам?
г. Для каких элементов, имеющих несколько функций, целесообраз но разделение функций и введение вместо одного двух или более элемен тов? Дают названия новым элементам и описывают их функции.
После ответа на перечисленные вопросы строят улучшенную конст руктивную ФС. При этом возможны ситуации, когда не удается изменить ФС прототипа или появляется несколько альтернативных улучшенных ФС.
Пример анализа функций бытовой электроплитки: изображение кон структивной ФС - на рис. 14.1, а разделение электроплитки-прототипа на элементы и описание их функций дано в табл. 14.2.
Т а б л и ц а 14. 2
Анализ функций элементов электроплитки
(функция электроплитки - нагревает емкость с жидкостью до
кипения) |
|
Элемент |
Функции |
Обозначение Наименование Обозначение |
Описание |
Е0 |
Спираль |
Фо |
|
Ei |
Провод |
ф > |
|
Ег |
Разъем |
Ф2 |
|
|
Огнеупорный |
Ф'з |
|
Ег |
|
||
элемент |
Ф"з |
||
|
|||
|
|
Ф"'з |
|
Е, |
Корпус |
Ф4 |
Нагревает емкость с жидкостью (У2) до кипения Проводит ток от электросети спирали (Е0)
Соединяет и разъединяет провод (Е\) с электросетью (У\)
Уменьшает тепловое воздействие спира ли (Е0) на стол (Уз)
Поддерживает спираль Е0 в определенном положении Изолирует спираль (Е0)
Передает воздействие массы емкости с жидкостью (У2) на стол (Уз)
Поиск улучшенной конструктивной ФС:
♦при ответе на вопросы «а» введен «регулятор», который позволя ет сократить время нагревания и далее поддерживать кипение при пониженном потреблении энергии;
♦при ответе на вопрос «в» функция элемента Е4 (табл. 14.2) была передана элементу Ез, в результате вместо «огнеупорного элемен та» появляется «огнеупорный несущий элемент». Добавлен также регулятор Е$ с функцией Ф5 (изменение потребляемой мощности
Е0 от электросети V\). Улучшенная функциональная структура приведена на рис. 14.2.
Рис. 14.2. Улучшенный вариант конст рукт ивной Ф С бы т овой
элект роплит ки
Операция 7. Анализ функций вышестоящей по иерархии систе мы. Почти всегда рассматриваемый ТО можно представить как элемент в другой, более сложной технической системе (например, деталь в узле, узел в машине, машина в технологической линии цеха и т.д.).
Для анализа необходимо:
1.Выделить вышестоящую по иерархии систему, в которой в качестве отдельных элементов (подсистем) выступают рассматриваемой ТО и другие смежные с ним объекты (другие ТО, окружающая среда, человек и т.д.).
2.Описать функции всех элементов, входящих в выделенную систе му, и построить конструктивную ФС.
3.Выяснить возможность удовлетворения потребности, т.е.:
♦можно ли выполнить функцию рассматриваемого ТО путем вне сения изменений в смежные объекты?
♦нельзя ли какому-либо смежному объекту частично или полно стью передать выполнение функции рассматриваемого ТО?
♦что мешает внесению необходимых изменений и нельзя ли устра нить мешающие факторы?
4.Сформулировать по аналогии с операцией 5 задачу внесения из менений в смежные объекты. Провести технико-экономическое сравнение
первоначальной постановки задачи по операции 5 с задачей внесения из менения в смежные объекты. Если последняя более эффективна, то следу ет проработать ее по операциям 1-6 .
Пример. В рассматриваемой задаче с пневмотранспортом выше стоящая по иерархии система включает: пневмотранспорт, склад материа лов, рабочие места. Построение ФС между этими элементами не вызывает затруднений. Проработка по пп. 3, 4 не приводит к интересным идеям внесения изменений в смежные объекты (если не считать идею приближе ния склада к рабочим местам или наоборот, которая в данном случае не приемлема). Это говорит о том, что в эвристических методах некоторые операции или приемы при решении конкретных задач «не срабатывают», хотя в других случаях они приводят к интересным результатам.
Операция 8 . Выявление причин возникновения недостатков. Про водятся более углубленный анализ и изучение задачи в направлении выявления причин возникновения недостатков в прототипе, сформулиро ванных при выполнении операции 4.
Следует сопоставить каждый недостаток и причину его возникнове ния и попытаться ответить на вопрос: можно ли полностью или частично избавиться от недостатка, исключив причину его возникновения?
Пример выявления причин недостатков пневмотранспорта в цехе дан в табл. 14.3.
|
|
Т а б л и ц а 14. 3 |
Причины недостатков (дефектов) пневмотранспорта в цехе |
||
Номер |
Причина возникновения |
Можно ли и как в принципе устранить |
недостатка |
недостатка |
причину возникновения недостатка |
1 |
Замена трубопровода |
Да, если не заменять трубопровод |
2 |
Дальнейшее.возрастание габа |
Да, если принять диаметр трубопровода с |
|
ритных размеров заготовок |
большим запасом или если трубопровод не |
|
|
будет зависеть от габаритных размеров |
|
|
заготовок |
3 |
Удары и трение заготовок |
Да, если исключить удары и трение |
|
между собой и о стенки труб |
|
44.1. Удары и трение заготовок о 4.1. Да, если исключить удары и трение стенки
4.2. Движение с большой ско |
4.2. Да, понизив шум путем звукоизоляции |
ростью и под большим давле |
и уменьшения утечек воздуха |
нием воздуха в трубе |
|
Операция 9. Выявление и анализ противоречий развития. Улуч шение многих ТО связано с преодолением так называемых противоречий развития, которые могут иметь место в следующей типичной ситуации.
Улучшение какого-либо желаемого показателя ТО приводит к суще ственному ухудшению одного или нескольких других важных показателей (например, увеличение грузоподъемности моста приводит к увеличению расхода материалов; снижение помех от деформации антенны радиотеле скопа приводит к резкому повышению стоимости антенны).
Возможно и другое противоречие развития, когда улучшение желае мого показателя ограничено некоторым фактором. Например, увеличение диаметра и частоты вращения бегуна и постава водяной мельницы в сред ние века ограничивалось прочностью и конструкцией деревянных водяных колес; в настоящее время возрастание производительности и быстродейст вия работы компьютеров, благодаря использованию современных процес соров, тормозится ограничением скорости передачи сигналов по системной шине материнской платы.
При выявлении и анализе противоречий развития выполняют сле дующие процедуры:
1. Из списка недостатков прототипа, выявленных в операции 4, вы бирают недостатки, связанные с улучшением количественных показателей
ив первую очередь относящиеся к критериям развития ТО.
2.При рассмотрении каждого такого показателя отвечают на вопросы:
♦какой показатель ТО существенно ухудшается при улучшении рассматриваемого показателя?
♦какие факторы (константы, стандарты и т.д.) ограничивают улуч шение желаемого показателя?
3. Строят качественный или количественный график зависимости ухудшаемого показателя от улучшаемого.
При выполнении п. 3 рекомендуется использовать программы и системы математического моделирования ТО.
Пример. В задаче улучшения пневмотранспорта противоречия развития имеют место при устранении недостатков 1,4, выявленных в операции.
4. Качественные графики этих противоречий развития приведены на рис. 14.3.
Диаметр трубопровода |
Размер заготовки |
a |
б |
Рис. 14.3. П рот иворечия развит ия пневм от ранспорт а в цехе:
а - зависим ост ь зат рат на реконст рукцию от диам ет ра т руб;
б - зависим ост ь уровня ш ума пневм от ранспорт а от разм еров т ранспорт ируем ы х загот овок
Операция 10. Уточнение списка прототипов и формирование идеального технического решения. Выявление и анализ недостатков прототипа (операции 4, 8, 9), анализ функций прототипа и вышестоящей системы (операции 6, 7) значительно расширяют представление о задаче и требованиях к прототипу. В связи с этим целесообразно еще раз вернуться к выбору наиболее подходящего прототипа для разработки улучшенного ТО и использовать рекомендации, данные в операциях 3, 6 , 7.
Любой класс ТО имеет вполне определенное направление (или главную магистраль) развития, ограниченное штриховыми линиями на рис. 14.4.
Т4а
Рис. 14.4. Г лавная м агист раль развит ия ТО:
T l, Т2, ТЗ - предш ест вую щ ие м ассово-вы пускаем ы е ТО; Т4 —рассм ат риваем ы й прот от ип;
а - у г о л поиска без знания И ТР; Р - суж ение угла поиска с ориент ацией на И Т Р
В связи с этим все новые технические решения можно разделить на две группы: прогрессивные (Т1,..., Т4), которые лежат на главной магист рали, и тупиковые (ТЗа, Т4а), уходящие в сторону от главной магистрали. При создании нового объекта задача заключается не в поиске вообще но вых улучшенных технических решений, а в поиске решений, лежащих на главной магистрали.
К одному из приемов, помогающих выбору нового технического ре шения на главной магистрали развития, относится формулировка идеаль ного технического решения (ИТР), которое разработчики и изобретатели называют по-разному: идеальный образ машины, идеальный конечный результат, идеальная машина, предельно совершенное устройство и т.д. ИТР является как бы ориентиром для выбора прототипа и разработки улучшенного ТО.
Определение ИТР. Будем считать техническое решение идеальным, если оно имеет одно или несколько из следующих свойств:
1.В ИТР размеры, объем, площадь технического объекта прибли жаются или совпадают с размерами, объемом и площадью обрабатывае мого или транспортируемого объекта, а чистая масса ТО намного меньше массы обрабатываемого объекта.
2.В ИТР масса и размеры ТО или его главных функциональных эле ментов приближаются к нулю, а в предельном случае равны нулю (когда устройства вообще нет, но необходимая функция выполняется). Устрой ство, которое работает, но которое не существует, следовательно, и не требует никакого обслуживания, в идеале должно обслуживать само себя (полная автоматизация, авторегулировка, автоподналадка).
3.В ИТР время обработки объекта приближается к нулю или рав
но нулю.
4.В ИТР КПД приближается к единице или равен единице, а расход энергии приближается к нулю или равен нулю.
5.В ИТР все части ТО все время выполняют полезную работу в пол
ную меру своих расчетных возможностей.
6 . ТО, имеющий ИТР, функционирует бесконечно длительное время
без ремонта и остановок.
7. Надежность и долговечность ИТР бесконечно высоки или же беско нечно низки (бесконечно высокая хрупкость конструкции - пожарные окна).
8 . ТО, имеющий ИТР, функционирует без человека или при его ми нимальном участии.
9. ТО, имеющий ИТР, не оказывает никакого отрицательного влия ния на человека и окружающую природную среду.
10. Стоимость ТО, имеющего ИТР, равна нулю или близка к нулю. Приведем примеры приближения к ИТР:
Прототипы ТО |
Значительное приближение к ИТР |
Глиняные сосуды для хранения и транс |
Мешок из ткани |
портирования зерна и других сыпучих |
|
грузов в древности |
|
Телефон, передающий звуковую (рече |
Сотовая спутниковая связь, обеспечивающая |
вую) информацию по проводам |
передачу визуальной, звуковой и текстовой |
|
информации без проводов между абонентами, |
|
находящимися в любых точках Земли |
Грузовые автомобили 20-х годов с отноше |
Современные грузовые автомобили с соот |
нием массы машины к массе груза 0,5-0,6 |
ветствующим отношением 0,2-0,3 |
ЭВМ на полупроводниках с сохранением |
Компьютеры на сверхмалых по размерам ин |
результатов на магнитной ленте |
тегральных схемах |
Современный телевизор |
Телевизор с плоским жидкокристаллическим |
с габаритными размерами |
экраном с размерами 1200x800x50 мм |
800x600x500 мм |
|
При формировании ИТР для своего класса ТО станьте на время фу турологом или писателем-фантастом и опишите по возможности подробно (для реализации рассматриваемой функции) техническое решение буду щего удовлетворяющего по возможности указанным свойствам ИТР. Осо бое внимание обратите на физический принцип действия, внешний вид и основные показатели эффективности ТО. При этом целесообразно исполь зовать прямую мозговую атаку.
Для формирования ИТР полезно также использовать следующие правила:
♦не следует заранее думать: возможно или невозможно в принципе осуществить ИТР;
♦как и какими путями будет реализовано ИТР.
Рекомендуется использовать прием изображения двух картинок (рис. 14.5). При изображении второй картинки ничем не ограничивайте свою фантазию.
Как было |
Как стало |
а б
Рис. 14.5. П ример изображ ения двух карт инок:
а —обрабат ы ваем ы е дет али 1 приж имаю т ся к пат рону 3 гидроцилиндром 2; б — обрабат ы ваемы е дет али 1 сами держ атся на пат роне 2
Важность формулировки ИТР заключается в том, что оно позволяет во всем многомерном пространстве поиска выделить (определить) доста точно малый угол поиска Р (см. рис. 14.4), который обеспечивает более целенаправленную изобретательскую работу и концентрирует интуицию в наиболее перспективном направлении. Суженный угол Р предотвращает выбор тупиковых технических решений (аналогичных ТЗа, Т4а) и, как правило, в пространстве этого угла между ИТР и прототипом Т4 лежит искомое решение Т5.
Основной вывод, который напрашивается по изложенным материа лам и которому необходимо следовать: любое проектное действие должно приближать исходный объект к идеальному!
Пример. Применительно к задаче с пневмотранспортом можно дать следующую формулировку ИТР. Крупные заготовки без особых дополни тельных средств и затрат (или вообще без всяких средств и затрат) сами собой движутся или передаются от склада к рабочим местам.
В соответствии с рекомендациями операции 3 определяют требова ния для уточненного списка прототипов. При этом для прототипов, кото рые были выбраны ранее, уточняют списки требований, по возможности усиливая их на основе проведенных проработок. Иногда можно ослабить
несущественные требования, если это дает несоизмеримо больший выиг рыш по более важным показателям.
Реальный объект, образ которого соответствует идеальному, называ ется пертинентным (от английского слова, означающего «связь», «отно шение»). Если же образ его соответствует поисковому - он называется ре левантным (от английского «уместность»). Пертинентные объекты пре дельно полно отвечают потребности общества в том или ином технологи ческом процессе. Релевантные же «отвечают запросам» того или иного разработчика, той или иной группы разработчиков (учитывается инфор мационный багаж отдельного лица или группы людей) [36].
Операция 11. Улучшение других показателей ТО. При разработке новой модели или нового поколения ТО стремятся их сделать такими, чтобы не только были устранены главные видимые недостатки (опреде ленные в операции 4), но еще бы они приобрели значительные преимуще ства перед существующими образцами по комплексу всех существенных показателей. Поэтому по отношению к выбранным в операции 10 прото типам рекомендуется провести анализ и ответить на вопросы:
Какие еще можно устранить недостатки в прототипе?
Какие показатели могут бьггь дополнительно улучшены и на сколько? При ответе на эти вопросы следует рассмотреть возможности улуч шения средств выполнения функций, сформулированных в операциях 6, 7; устранения недостатков, выявленных в операциях 8, 9; приближения к ИТР. При выполнении этой операции следует также учесть рекомендации, указанные в операции 4. Кроме того, полезно использовать существую щие (а также самим составлять и развивать) проблемно и объектно ориен тированные списки критериев развития ТО, списки параметров ТО и спи
ски требований к ТО.
Операция 12. Уточненная постановка задачи. По форме она изла гается, как и предварительная постановка задачи (в операции 5). При этом
кисходным данным относятся:
♦качественное и количественное описание функции ТО;
♦перечень и краткое описание прототипов, к которым могут быть отнесены улучшенные функциональные структуры и ИТР, и спи ски основных требований к прототипам;