3. Информационные технологии в конструировании, для специалистов с опытом.

Конструирование (проектирование) – наука или искусство? А изобретательство?

Мнение сегодняшнего дня неоднозначно: и наука, и искусство.

Не лишним в науке конструировать и изобретать будет услышать собственно конструктора о действительности конструирования (см. v-olevskiy.ru), о непосредственном внедрении в практику технического творчества функционально – систематизированного анализа [2] в приложении информационных технологий (ИT), включая, в частности, теорию решения изобретательских задач [1], как возможный вариант конкретизации технических решений поставленных задач, или нечто подобное.

Гипотеза.

С большой вероятностью могу утверждать, что между исходными тщательно отработанными требованиями и ограничениями ТЗ на проектирование ТО и реально спроектированным оптимальным, высоко эффективным ТО закономерно существует объективная, по крайней мере, информационно детерминированная зависимость между их характеризующими признаками.

Проблемная сторона вопроса.

Процесс конструирования по всеобщему признанию многообразен и тем сложен, как многообразны и сложны проектируемые изделия и решаемые технические задачи. Но в методическом плане, исходя из современных требований, можно выделить и общие проблемы:

- разработка проекта такой конструкции, которая наилучшим образом отвечала бы поставленным задачам её практического использования;

- экономное расходование материальных ресурсов на изготовление и эксплуатацию изделия, и, наконец;

- рачительное использование труда конструктора посредством ИT: разработка проектов в кратчайшие сроки без излишнего перенапряжения собственных умственных, физических и духовных сил.

Приняв эти три направления в качестве программных, не представляет труда сформулировать основные требования к процессу конструирования новых изделий и, в частности, к методам конструирования нового: 1) возможно чёткая формулировка условий проектной задачи, обеспечивающая высокий научно – технический и, в конечном счёте, практический уровень её решения;

2) детерминация (жёсткая причинная обусловленность) рабочего проекта конструкции изделия с условиями проектной задачи; 3) методическая гарантия такой же детерминированной реализации проектной задачи в реальную конструкцию независимо (или почти независимо) от творческих возможностей разработчиков (как в доказанных экспериментах прикладных наук).

Таким образом, с учётом раздела 1 сформулируем ТЗ разработки:

1. ШАГ. Составить список параметров (требований и ограничений), руководствуясь следующей факторной направленностью: -энергетичность, - свойства (физические и химические), - нагрузки действующие, - материалоёмкость, - размеры, - социальность (экология, человеческий фактор и т.п.), - прочее.Выделить «целевой» (наиболее важный, доминирующий) параметр или несколько их.

При выделении «целевого» параметра обращается внимание на основные цели, назначения и т.п. в функционировании проектируемого изделия

Затем представляется вполне разумным описать, в смысле факторной конкретизации, каждый из параметров объективными данными о них.

2. ШАГ. Характеризовать параметры признаками проектируемого (конструируемого) технического объекта (ТО).

Следует уточнить:

3. ШАГ. Если среди признаков «целевого» параметра есть признаки, отсутствующие у других параметров, то ввести дополнительные параметры, устраняющие это противоречие (иначе не будет детерминации между ТО и условиями проекта).

Таким образом, фактически завершено формулирование требований и ограничений ТЗ, следующий этап: ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЕКТА КОНСТРУИРУЕМОГО ТО. Исходя из выдвинутой гипотезы, очевидно, что при информационном подходе на долю конструктора приходится не так уж много возможностей, а именно:

4. ШАГ. Установить возможные количественные зависимости, если таковые имеются, всех признаков по отношению к признакам «целевого» параметра.

5. ШАГ. Оценить влияние значимости параметров на повышение качества ТО (оценки, типа: «МАХ» и «МIN» или «+» и «-»).

И как подведение предварительного итога этих двух шагов – минимизация списка параметров – удаление малозначимых параметров.

6. ШАГ. Вычеркнуть параметры, имеющие равные признаки и значимость с любыми другими параметрами.

7. ШАГ. Оценить обязательность параметров для моделируемого ТО по наличию общих признаков с «целевым» параметром. При необходимости, подкорректировать (уточнить) соответствующие параметры.

Подготовительная работа по исследованию объективности условий проектной задачи завершена и можно приступить к непосредственному моделированию конструкции ТО.

8. ШАГ. Формировать информационную рабочую модель ТО путём выбора обязательных и значимых параметров совместно с характеризующими их признаками.

Основная сущность выше представленной работы формально может быть сведена в следующую последовательность:

Условие проектной задачи

Параметры Хi : Признаки х(ia)…x(iz)

Информационное исследование исходных параметров ТО

Оценка значимости и обязательности параметров и признаков

Информационная рабочая модель ТО

Параметры Хi' : Признаки х'(ia)…x'(iz)←Признаки х(ia)…x(iz)

В результате формируется информационная модель конструируемого ТО, идеальная в той мере, насколько точно и полно формулировалось условие решаемой проектной задачи, умело выполнялась её дальнейшая разработка, но возможность к этому с почти 100% - ной гарантией заложена в самом методическом подходе. Дальнейшее преобразование информационной модели в реальный ТО конструктор осуществляет на основании имеющейся научно – технической информации и собственного опыта, при обязательном стремлении выполнить следующее условие: Признаки реального ТО и его информационной модели должны совпадать по смыслу в полной мере при наименьшем их количестве. И так:

9. ШАГ. Преобразовать признаки информационной модели ТО в реальный ТО таким образом, чтобы совпадал смысл признаков при наименьшем количестве элементов и связей.

Таким образом:

- без многочисленных и всё усложняющихся приёмов преодоления субъективной ненадёжности в профессиональных навыках разработчиков; - малым, но эффективным числом алгоритмических шагов, обеспеченных объективным и детерминированным характером изложенного принципа информационного моделирования конструкции ТО, оперирующим только исходными требованиями и ограничениями, предъявляемыми к ТО;

- завершена разработка ТО конструктором (остаётся рабочая конструкторская документация, но по тому она и рабочая, что выполняется в обычном рабочем порядке). А благодаря тому, что ТО созданы детерминированными по условиям их функционирования (если конечно что – либо не напутают при рабочем проектировании и в производстве), обеспечивается их высокая эффективность.

Аналогичным образом могут быть проработаны не только конструкторские задачи, но и другие технические вопросы (исследовательские, технологические, производственные), от самых простых до высочайшей сложности, а также управленческие проблемы (см. Пример 4).

Пример 1-й. В качестве первого примера, поясняющего всё выше изложенное, рассмотрим разбор следующей простейшей конструкторской задачи: – в замкнутом цилиндрическом объёме нужно максимально прочно закрепить тяжелое цилиндрическое тело, содержащее в своём составе полимерный материал, типа, полиэтилен.

Работа по предложенной методике заключается в следующем: 1.ШАГ. Заполняются первые две колонки таблицы 1. 2.ШАГ. Заполняется колонка «Признаки» таблицы 1.

Таблица 1. Факторный анализ задачи

Факторы	Параметры (требования и ограничения)	Признаки	Значи-мость	Обяза-тельность
Энергетич-ность	-	-	-	-
Свойства	Прочность (целевой параметр)	Сила ≥ Масса х (g + а(трансп.))	max	max
Нагрузки	Транспортные	а (транспортные)	max	max
Материаль-ность	Масса тела	Масса	max	max
	Металл и полимер	Металл, полимер	+	+
Размеры	Длина тела, длина полости	Длина тела ˂ длины полости	+	+
Социальность	-	-	-	-
Прочее	-	-	-	-

Без всяких сомнений «целевой» параметр - прочность, что напрямую вытекает из постановки задачи.

3. ШАГ. – нет необходимости. 4. ШАГ. Количественные зависимости не устанавливаются. Т.к. ведётся поиск принципиального решения. 5. ШАГ. Оценка значимости параметров приведена в колонке таблицы 1. 6. ШАГ. Равнозначных параметров нет. 7. ШАГ. Оценка обязательности параметров приведена в колонке таблицы 1. Примечание. Знак «-» для тех параметров, которые не имеют общих признаков с «целевым» параметром.

8. ШАГ. Информационная модель формируется из значимых и обязательных параметров и их признаков, (см. табл. 2):

Таблица 2. Информационная модель

Параметры	Признаки	Инфо-модель реального ТО
Прочность (целевой параметр)	Сила ≥ Масса х (g + а(трансп.))	Сила ≥ Масса х (g + а(трансп.))
Нагрузки транспортные	а (транспортные)	а (транспортные)
Масса тела	Масса	Масса
Металл и полимер	Металл, полимер	Металл, полимер-пружина + «Х»
Длина тела, длина полости	Длина тела ˂ длины полости	Зазор между телом и полостью

9.ШАГ. Преобразование информационной модели в реальный ТО также представлено в таблице 2.

Фактически при минимальных дополнениях: полимер, полиэтилен, превращён в слабосильную коническую пружину, заполнившую зазор между металлическим телом и полостью, и оставшийся зазор между конической пружиной и полостью или телом заполнен элементом «Х» - достаточно быстро твердеющим компаундом, например, эпоксидным клеем. Сборка ведётся в горизонтальном положении, чтобы минимизировать силу тяжести и даже технологические транспортные нагрузки.

В результате такого решения поставленной задачи было зарегистрировано изобретение а.с. № 920293, 1980 г. А до этого времени сборка велась с помощью подбора и установки металлических прокладок, что достаточно сложно, трудоёмко и, соответственно, не технологично.

Пример 2.

При электронно – лучевой сварке достаточно острым (узким) сварочным лучом важно точно установить и проконтролировать глубину сварки, т.к. от этого зависит прочность сварного шва и соответственно свариваемой конструкции.

Без приведения работы по ШАГам, сразу же заполним таблицу 3.

Таблица 3. Факторный анализ задачи

Факторы	Параметры (требования и ограничения)	Признаки	Значи-мость	Обяза-тель-ность
Энергетичность	Сварочный луч	Сила тока, напряжение, фокус	+	+
Свойства	Стабильность св. луча	Контролируемо, без отклонений	Max	Max
Нагрузки	-	-	-	-
Материальность	-	-	-	-
Размеры	Глубина проплава, расположение шва (целевой параметр)	Глубина шва, эксцентриситет шва относительно свариваемого стыка	+	+
Социальность	-	-	-	-
Прочее	-	-	-	-

Информационная модель формируется в таблице 4.

Таблица 4. Информационная модель

Параметры	Признаки	Инфо-модель реального ТО
Сварочный луч	Сила тока, напряжение, фокус	Сила тока, напряжение, фокус
Стабильность св. луча	Контролируемо, без отклонений	Контролируемо, без отклонений
Глубина проплава, расположение шва (целевой параметр)	Глубина шва, эксцентриситет шва относительно свариваемого стыка	Глубина шва, эксцентриситет шва → к 0 относительно свариваемого стыка

В технологию сварки был введён дополнительный контроль - недостающий контрольный элемент «эксцентриситет шва → к 0 относительно свариваемого стыка».

В результате такого решения было зарегистрировано изобретение а.с. № 742075, 1977 г.

Пример 3.

На мой взгляд, это наиболее сложная проблема: обеспечить надёжную сварку каждого слоя многослойных сосудов. Проблема в том, что при сварке последующего слоя возможен прожог предыдущего, особенно первого – внутреннего слоя, т.к. этим он будет выведен из работы на прочность. Проконтролировать качество сварки внутренних слоёв через наружные весьма затруднительно.

Составим таблицу 5.

Таблица 5. Факторный анализ задачи

Факторы	Параметры (требования и ограничения)	Признаки	Значи-мость	Обяза-тель-ность
Энергетич-ность	Сварочный луч	Сила тока, напряжение, фокус	+	+
Свойства	Стабильность св. луча	Контролируемо, без отклонений	Max	Max
Нагрузки	Испытательное давление	Давление газа	Мах	Мах
Материаль-ность	Многослойность	Не менее 2-х	+	+
Размеры	Глубина проплава	Глубина шва	+	+
Социальность	-	-	-	-
Прочее	Отсутствие прожога внутреннего слоя (целевой параметр)	Контроль прожога	Мах	Мах

Далее информационная модель в таблице 6.

Таблица 6. Информационная модель

Параметры	Признаки	Инфо-модель реального ТО
Сварочный луч	Сила тока, напряжение, фокус	Сила тока, напряжение, фокус
Стабильность св. луча	Контролируемо, без отклонений	Контролируемо, без отклонений
Глубина проплава	Глубина шва	Глубина шва
Испытательное давление	Давление газа	Давление газа
Многослойность	Не менее 2-х слоёв	Не менее 2-х слоёв
Отсутствие прожога внутреннего слоя (целевой параметр)	Контроль прожога	Контроль прожога давлением газа в сосуде при сварке всех последующих слоёв

Не дополняя признаки, а воспользовавшись имеющимся «давление газа» и несколько изменив трактовку этого признака – сосуд заполняется давлением газа уже после сварки внутреннего слоя и в случае его прожога газ выходит наружу, образую очевидный «кратер», по которому и фиксируют прожог.

В результате – зарегистрировано изобретение а.с. № 610590, 1976 г.

Во всех 3-х примерах выдержан принцип – «ничего лишнего или минимум дополнительных признаков – в основном только то, без чего нельзя». Такой подход позволяет получать «красивые» патентноспособные технические решения возникающих проблем, соответственно, эффективные и экономичные.

Да и в социальных вопросах было бы больше толку, если бы многочисленные специалисты министерств всех уровней, городских хозяйств использовали нечто подобное.

Пример 4.

Если коснуться социальных проблем (см. v-olevskiy.ru), то запатентовать хорошее организационное решение вряд ли удастся, но завоевать уважение у ректората вполне возможно.

В 2008 году президент Медведев Д.А. издал указ об энергосбережении, хорошая задача для страны и её граждан. Что касается последних, мы быстро осознали полезность энергосберегающих лампочек для нашего кошелька, однако также быстро стали выявляться государственные недоработки и главная из них – «куда деть отработанные ртутные лампочки». Разберём проблему в целом по предложенному алгоритму.

Как и в примере 1 проведём факторный анализ проблемы. Составим таблицу 7.

Таблица 7. Факторный анализ проблемы

Факторы	Параметры (требования и ограничения)	Признаки	Значи-мость	Обяза-тельность
Энергетич-ность	Электрическая мощность	ватты	min	max
Свойства	Освещённость	люксы	max	max
Нагрузки	Ввернуть (вывернуть)	От руки	min	max
Материаль-ность	Цоколь, стекло, ртуть	Металл, стекло, ртуть	max	max
Размеры	-	-	-	-
Социальность	Утилизация	Демеркуризация	max	max
Прочее	Контроль	Электросчётчик	max	max

Для социальных проблем, как и в данном случае, решение чаще всего очевидно: купи энергосберегающую лампочку, в которой заключены все приведенные признаки, электросчётчики (обратная связь) у всех есть, остаётся задуматься об утилизации: есть два пути:

1. Вместо ртутной лампочки применить светодиодные, но ещё до недавнего времени они были почти в 3 раза дороже;

2. Демеркуризация. Вначале об этом и не вспомнили. За 9 лет – массово нет решений. Лампочки с ртутью рядовые граждане продолжают выбрасывать в обычный – не специальный мусор, с которым они попадают на обычную свалку, где их давят и ртутью напитывают землю. Не сильно задумываясь, я бы предложил сдавать их в магазин, где покупаем новые и где прекрасно всё знают о демеркуризации, но от меня это не зависит.

Список литературы:

1. Альтшуллер Г.С., АРИЗ - значит победа, в Сб.: Правила игры без правил, Петрозаводск, «Карелия», 1989 г.

2. Ханзен Ф. Основы общей методики конструирования. Систематизация конструирования. Ленинград: Издательство «Машиностроение», 1969 г.

В.А. Олевский, к.т.н., 12.03.2017.