Современные средства и методы проектирования машиностроительных изд

для выяснения их мнений, требований, пожеланий, чаяний. Чем больше доля их участия в новом техническом решении, тем больше шансов на успех.

Как видно из приведенных рекомендаций, Э. Фанге особое внимание уделил не собственно процессу создания нового, а этапам, предшествующим творческому и идущим после него.

6.6. Системное проектирование по Ханзену

По Ф. Ханзену [35] процесс разработки нового объекта состоит из следующих операций:

определение главной идеи задания, общей для всех решений, комбинирование всеми привлекаемыми элементами с целью получения возможных решений;

определение недостатков, присущих каждому решению, и поиск возможностей уменьшения их последствий;

поиск решений с минимальным числом недостатков, создание основ для возможной практической реализации.

Интерес вызывает предложение Ф. Ханзена использовать перечисленные выше операции на четырех этапах:

1) предварительное установление основного принципа;

2) поиск решения элементов и комбинирование принципов действия;

3) критика ошибок и улучшение принципов действия;

4) оценка эффективности оптимального (выбранного) принципа действия.

Ф. Ханзен дает ряд указаний по организации работы с использованием своего метода и выполнению основных операций. Так, главную цель задания нужно формулировать как можно более абстрактно, чтобы не отсечь возможные решения. Постановка задания включает в себя формулирование общих функций (функции цели), ограничения и информационный массив (фонд используемых элементов).

На этапе комбинирования проводят методический поиск исполнения тех или иных элементов. При этом для каждого

71

элемента (составная часть, узел) отыскивают организующее понятие (как правило, на функциональном уровне), которое затем развивают до уровня конкретной реализации. Оценку сформулированных организующих понятий производят на основе следующего критерия: данное понятие (функция) должно содержаться в каждом возможном решении.

6.7. Метод проектирования по Байтцу

Метод включает в себя три основные фазы: формирование концепции, собственно проектирование и выработка решения [43]. Каждая фаза делится на ряд рабочих шагов (рис. 6.1).

Предложенная последовательность интересна, прежде всего, четким чередованием этапов синтеза и анализа информации. В этом плане метод В. Байтца является полным.

6.8. Процесс проектирования изделий по Э. Тьялве

Процесс предполагает последовательное выявление требуемых свойств (функций), манипулирование с основными свойствами (характеристики) в процессе проектирования, а затем оценку реализованных свойств [45].

В качестве набора основных свойств или характеристик изделия, выбираемых под конкретную функцию, автор предлагает рассматривать структуру, форму, материал, размеры, поверхность.

Основную функцию изделия Э. Тьялве рассматривает как способ, с помощью которого «выходные данные определяют посредством входных данных». Построение основной функции или системы основных функций – важнейший элемент процесса синтеза. Его рекомендуют фиксировать в виде древовидной схемы «функция – средство» (т.е. в виде дерева целей – средств).

Автор считает важным последовательность работы, четкое определение производимых на каждом этапе действий. Он

72

особо отмечает предназначенность каждого этапа для получения определенной информации.

Формирование (конструирование) концепции

Проектирование

Выработка решения

Формулирование общего задания: общие функции

Расчленение на частные задания: частные задания

Установление функциональных структур Поиск принципиальных решений, выполняющих частные функции

Выработка концепции, выполняющих общие функции

Анализ концепции Оценка концепции

Установление концепции решения (отбрасывание концепции)

Анализ принципиальных форм и поиск принципов

Выработка вариантов форм для общего задания

Анализ вариантов форм Оценка вариантов форм по научно-техническим критериям

Выявление наилучшего решения Оптимизация зон форм и отдельных частей

Выработка готовой информации Построение прототипов или моделей

Оценка запросов Изготовление продукта

Рис. 6.1. Схема процесса проектирования по Байтцу

Большое внимание уделено выработке системы критериев, их постоянному применению. «В начальной точке синтеза из-

73

делия встречаются два вида выходных данных, вытекающих из анализа проблемы, а именно: с одной стороны, определение требуемой функции (основная функция), а с другой, перечень требуемых свойств, которые могут быть описаны как критерии оптимального изделия. Критерии для оптимального изделия используются на протяжении всего процесса конструирования в качестве руководящих данных и для управления каждым шагом при принятии решений».

В методе особо выделено значение формы изделия, составляющих его элементов и рекомендованы определенные приоритеты.

Следовательно, окончательный результат проектирования зависит от двух фундаментально различных факторов: вопервых, от генерируемых идей и, во-вторых, от критериев, с помощью которых решается вопрос, какие идеи должны быть выбраны.

Контрольные вопросы

1.В чем суть эвристических методов проектирования?

2.Изложите особенности метода морфологического ящика Ф. Цвикки.

3.Объясните, в чем сутьметодаматрицоткрытия А. Моля?

4. Каковы особенности метода ступенчатого подхода

крешению задачи по А. Фрейзеру?

5.Опишите метод функционального изобретательства К. Джоунса.

6.Изложите суть метода проектирования Фанге.

7.Какова суть системного конструирования по Ханзену?

8.Чем отличается метод проектирования по Байтцу?

9.Объясните суть процесса проектирования по методу Э. Тьялве.

74

7.МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ОСНОВАННЫЙ НА ПРИМЕНЕНИИ ОПЕРАЦИЙ КОЛЛЕРА

Во всех современных методах поиска новых технических решений функциям уделяется большое внимание. В той или иной мере в каждом современном методе используется функциональный подход, при котором задача состоит не в усовершенствовании конкретного устройства, объекта, изделия, а прежде всего, в поиске иных способов выполнения его функций. Например, для промышленности требуется в большом количестве производство порошковых материалов с определенными гранулометрическими свойствами, дисперсностью, химической чистотой продукта и т.д. Для их получения сейчас в основном используются установки, основанные на применении механических методов (например, помол) [41]. Что лучше – совершенствовать конструкцию имеющихся установок, если они способны выполнять требуемую функцию, или искать альтернативные пути, например, с использованием плазменного или химического метода? Без исследований и сопоставления альтернативных способов получения порошков невозможно утверждать, что используемые механические методы действительно являются наиболее эффективными.

Автором функционально-физического метода является Рудольф Коллер (ФРГ) [44]. Основная цель его метода – поиск как можно большего числа решений поставленной задачи для выбора оптимального в конкретных условиях. С этой целью производят полное абстрагирование от реальной конструкции анализируемого изделия, концентрируют внимание на функции, которую это изделие должно выполнять.

Метод базируется на трех положениях, каждый из которых представляет самостоятельный интерес:

1)обязательная процедура анализа функций технических систем и их элементов;

2)наличие систематизированного фонда физических эф-

фектов;

75

3) четкое описание процесса поиска разрабатываемых технических систем.

Коллер предложил обобщенную модель описания: любая техническая система формирует и преобразовывает какой-либо один или несколько потоков. В зависимости от того, какой поток является основным, технические системы (ТС) подразделяются:

на машины, преобразующие потоки энергии;

аппараты, преобразующие потоки вещества;

приборы, преобразующиепотокиинформации (сигналов). Классификация, предложенная Коллером, достаточно

формальная. Она особенно касается «аппаратов», так как не во всем соответствует действительности. Термин «аппараты» широко распространен в химической промышленности, но мало в машиностроении. К редким примерам в машиностроении можно отнести сварочные аппараты. В основном же ТС, преобразующие потоки вещества, в машиностроении относят к оборудованию, устройствам или машинам. Например, 3D-принтеры, в которых происходит преобразование исходных потоков вещества (порошков) в практически готовую твердую деталь или модель, не называют аппаратом. Кроме того, в технологии машиностроения устоялась терминология, подразделяющая оборудование на машины энергетические, обрабатывающие и информационные.

Однако терминология, предложенная Коллером, не имеет для дальнейшего рассмотрения метода проектирования объектов машиностроения существенного значения. Особенно ввиду того, что в одной технической системе, как правило, используются несколько различных потоков вещества, энергии и информации.

Подобно потокам жидкости, потоки энергии, вещества и информации могут иметь истоки, сливаться, как реки, заполнять емкости. Потоки могут двигаться компактно по заданной траектории, как вода в трубе, или рассредоточено, подобно дождю или облаку.

76

Все многообразие окружающего нас мира техники связано

сразличными комбинациями разнообразных форм существования потоков вещества, энергии и информации. Но в основе всех видов преобразования этих потоков лежит, в соответствии

спредставлением Коллера, небольшое число простейших или основных операций. Из этих операций можно составить любую цепочку преобразования потоков. Затем подбираются элементы, которые будут выполнять эти операции, и из них конструируется требуемая техническая система.

Разработка новых технических систем имеет три упорядоченные последовательные стадии.

Исходная (первая) стадия – это постановка задачи, включающая в себя формулирование цели, условий и ограничений, и построение функциональной структуры ТС.

Первым шагом на пути от постановки задачи к конкретному решению служит формулировка общей функции системы, подлежащей разработке.

Формулируют общую (главную) функцию разрабатываемой системы, которая должна содержать указание «входа» и «выхода» в системе, т.е. описание преобразования входных физических величин в выходные физические величины, благодаря чему происходит реализация поставленной цели. Главную функцию изображают в виде черного ящика, имеющего «вход» и «выход». Затем составляется список основных требований к системе, включающий наиболее важные и принципиальные условия и ограничения выполнения общей (главной) функции.

Всложной системе можно выделить функциональные узлы, в соответствии с чем общая функция может быть разделена на подфункции первого уровня. Аналогично найденные подфункции первого уровня могут быть разбиты на подфункции второго уровня и т.д. Разбивка функций на подфункции более низкого уровня осуществляется до тех пор, пока они не будут соответствовать элементарным (неделимым) функциям. Каждая элементарная функция характеризуется кроме выполняемой операции еще и преобразуемой величиной. Если же от-

77

влечься от параметра на входе и параметра на выходе, то остается чистая операция (подобно математической) или, по определению Р. Коллера, основная операция. Полученные функции сопоставляются со списком основных операций.

Таким образом, все функциональное многообразие технических систем сводится к основным операциям. Введение понятия «основная операция» (под которой понимается сам процесс преобразования в отрыве от параметров на входе и выходе, т.е. от того, что преобразуется) представляет собой более высокий уровень абстрагирования и обобщения по сравнению с понятием «функция».

Вторая стадия – это выбор физических эффектов (ФЭ) для реализации каждой функции и принципиальных технических решений (качественное проектирование).

После разработки структуры элементарных функций осуществляется ее реализация с помощью подбора одного или нескольких ФЭ, у которых наименования физических величин совпадают с наименованиями физических величин на входе и выходе элементарной функции, следовательно, и их носителей.

Поиск ФЭ производится с помощью указателя ФЭ для соответствующей пары противоположных основных операций. При выборе физических эффектов Коллер рекомендует рассмотреть возможно большее число вариантов физических идей для реализации каждой элементарной функции и каждой основной операции. Особое внимание при этом следует обращать на реализацию двух или более элементарных функций одним ФЭ. Все возможные реализации структур элементарных функций с помощью различных ФЭ сводятся в структуры ФЭ. Каждая такая структура еще называется физическим принципом действия ТС. Затем на основании анализа принципов действия осуществляется выбор наиболее перспективных физических принципов действия для последующей проработки. Для этого рекомендуется использовать морфологический анализ.

После разработки структуры элементарных функций осуществляется фаза проектирования, включающая в себя выбор

78

физических эффектов и их носителей, реализующих отдельные основные операции. Этот выбор производится с помощью разработанного Р. Коллером указателя физических эффектов и явлений, представляющего собой систематизированный подбор физических эффектов для отдельных основных операций. Такой специализированный информационный справочник является хорошим вспомогательным средством для реализации определенных элементарных функций.

Выбор носителей ФЭ осуществляется с помощью справочников по веществам и материалам. После выбора материалов проводится проектная проработка.

Третья стадия заключается в подготовке технического и рабочего проектов, включающих в себя разработку проектноконструкторской документации.

Предложенная Коллером последовательность операций позволяет перейти от постановки задачи к ее принципиальному решению.

В наиболее общем виде процесс проектирования может быть разделен на три этапа синтеза: функциональный, качественный, количественный. В табл. 7.1 эти этапы, относящиеся к процессу проектирования, выделены.

Таблица 7 . 1 Процесс разработки и изготовления изделия по Коллеру

	Этап			Технологические		Виды
				позиции		деятельности
Планирование			1.	Спрос на рынке	Планирование
производства изделий			2.	Описание изделия
			3.	Постановка задачи	Разработка
			4.	Общая функция	Формулировка
	Функциональный		5.	Структура подфунк-		Синтезирование
	синтез		ций
			6.	Структура элемен-		Синтезирование
			тарной функции

79

Окончание табл. 7 . 1

	Этап			Технологические		Виды
				позиции		деятельности
		7. Структура основной				Абстрагирование
		функции
		8.Варианты эффектов			Изменение эффекта
		9. Варианты носителей			Изменение носителя
		эффектов			эффекта
	Качественный синтез	10.	Принципиальные		Изложение принци-
		решения			па
		11.		Варианты узлов	Комбинирование
		12.		Варианты систем	Комбинирование
		13.		Варианты форм	Изменение формы
		14.		Качественный про-	Проектирование
		ект			(компоновка)
		15.		Проект в масштабе	Выбор размеров
		16.		Окончательный		Исследование
		проект
	Количественный	17.	Чертежная докумен-		Разработка детали-
	синтез	тация			зация
		18.		Технологическая	Технологическая
		документация			подготовка
Изготовление		19.	Изделие		Изготовление
изделия		20. Рынок			продажа

Следует иметь в виду, что для каждого из приведенных этапов разработаны правила и методики его выполнения. В процессе описания этапов Р. Коллер указывает их комплексность, понимая под ней полноту рекомендаций (или полноту алгоритмизации).

В общем случае для реализации требуемой функции можно предложить несколько комбинаций элементарных функций (операций).

Таким образом, предложенная Р. Коллером последовательность операций позволяет перейти от постановки задачи к принципиальному решению методически (с помощью правил).

80