Главная    Инструменты    Конструирование с помощью каталогов    Общие принципы теории конструирования

"Конструирование с помощью каталогов"

Карлхайнц Рот

1994

Введение

2. Общие принципы теории конструирования

Выше, при обсуждении различных конструкций замка, говорилось о функциях устройства, требуемых при постановке задачи, но ничего не было сказано о субстанциях, связанных с выполнением этих функций. Было бы желательно определить минимальный набор таких субстанций, достаточный для описания работы всех аппаратов, машин и приборов. Исследование потоков этих субстанций и работы с ними на различных этапах конструирования - вот что стало бы тогда главной задачей теории конструирования.

2.1. Абстрактные величины теории конструирования

Из истории технической эволюции мы знаем, что освоение некоторых субстанций приводило к скачкам в развитии техники, т. е. к техническим революциям. Действительно, всякий раз, когда техника овладевала веществом, энергией или информацией на новом уровне, происходило скачкообразное увеличение ее эффективности - появлялась возможность переложить на машины те виды деятельности, которыми прежде вынужден был заниматься человек (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Три технические революции [(1) -(3)] как следствия технологического покорения человеком вещества, энергии и информации.

Сначала челове заменил свою руку, используемую как инструмент на деревянный или каменный клин (рис. 2.2), затем - руку или все свое тело в той же роли - на техническое устройство (рис. 2.3). Однако, еще долго единственным источником энергии оставалась мышца человека или животного, пока, наконец, не стало возможным использование кинетической энергии воды (рис. 2.4) и ветра. Изобретение же паровых машин (рис. 2.5) впервые дах возможность в любое время и в любом месте иметь в распоряжении кинетическую энергию, не используя работу мышц. Освоение техникой третьей субстанции информации - началось с использования перфокарт для получения на ткацком станке узора по образцу (рис. 2.6). Этот шаг - начало автоматизации - повлек за собой сегодняшнее бурное развитие техники, для которого характерно применение логических управляющих устройств, в том числе и программируемых. Однако и сегодня во многих сферах деятельности, например в спорте используются технические устройства всех указанных уровней (рис. 2.7). Можно предположить, что все мыслимые категории машинных систем возникли в результате попыток освободить человека от работы с веществом, энергией и информацией и переложить эти функции на технические устройства. Иначе говоря, машина (под которой понимается также аппарат и прибор) - это техническое устройство, в котором вещество, энергия и сообщения (или информация) хранятся, передаются, преобразовываются или комбинируются.

Рис. 2.2. Использование вещества (материала) в инструментах: папуас изготовляет технически продуманный каменный топор

Рис. 2.3. Использование вещества (материала) в технических устройствах: винтовая поверхность в устройстве для перекачивания воды из реки (Египет, 200 лет до н. э.)

Рис. 2.4. Использование кинетической энергии воды: водяная мельница с водяным колесом и цевочной зубчатой передачей, приводящими в движение жернова (Европа, ХVIII век)

Рис. 2.5. Использование тепловой энергии водяного пара: паровая машина Уатта, 1765 г.

Рис. 2.6. Кодирование и запоминание информации, постоянно требующейся в технологическом процессе: первое использование перфокарты Бюшоном для получения на ткацком станке узора по образцу, 1725 г.

Такой подход дает нам возможность не только единообразно описывать различные технические устройства от телевизора до автомобиля и от технологической установки до фотоаппарата, но и рассматривать как машину даже самого человека. Так, взаимодействие трех субстанций в одном процессе показано на примере заготовки дров (рис. 2.8-1). Здесь видны три хорошо согласованных потока: поток энергии от мышц к инструменту при взмахах топором и, наконец, поток сообщений, управляющий движениями рук. Для работы необходима система инструментов и приспособлений, система обеспечения энергией, а также система обработки сообщений. На рис. 2.8-2 описанный процесс изображен символически, а также приведена его возможная функциональная структура (так называемая абстрактная функциональная структура). Такая функциональная структура могла бы служить отправной точкой при конструировании деревообрабатывающей машины. В связи со сказанным интересно отметить, что фон Вайцзаккер, рассматривая понятия материи, энергии и информации с позиций философии естествознания, считает их понятиями одного рода, хотя, в то время как родство материи и энергии сегодня не вызывает сомнений, информация, казалось бы, должна относиться к другим категориям.

Рис. 2.7. Использование различных технических средств для преодоления водной преграды: последовательное освобождение человека от выполнения материальных, энергетических и информационных (управляющих) функций и перенос их на аппараты, машины и приборы (ср. с рис. 2.1)

Рис. 2.8. Представление машинной системы для изготовления дров

Рис. 2.8-1. Неолитический человек за заготовкой дров (полная "машинная система" с потоками вещества, энергии и сообщений)

Рис. 2.8-2. Функциональная схема машинной системы "машина для изготовления дров" (символическое изображение потоков вещества, энергии и сообщений, их накопления, передачи, преобразования и комбинирования)

На самом деле, по фон Вайцзаккеру, как материя не существует без энергии, точно так же она немыслима и без информации (т. е. формы). Так, например, понятие энтропии, которое вводится как в термодинамике (по Больцману), так и в теории информации (по Шеннону), указывает на близость тех свойств энергии и информации, которые связаны с вероятностью того или иного события или состояния и в обоих случаях описывают необратимые процессы.

Рис. 2.9. Сопоставление важнейших технических критериев оценки машин для работы с веществом, энергией и сообщениями (аппаратов, машин и приборов):

as - наименьшая продолжительность импульса; N - номинальный размер; Р - мощность; Т- допуск; дельта Т- наибольшее изменение продолжительности импульса

С помощью трех абстракций - "вещество", "энергия" и "информация" - и строится вся теория конструирования. В этой книге соответствующие субстанции называются абстрактными величинами теории конструирования.

Теперь мы можем разделить все многообразие технических устройств на классы. Для этого следует рассмотреть характер функции, наиболее важной для данного технического устройства, т.е. главной функции. Так, для технологического аппарата, станка или транспортного средства главная функция окажется материальной, для двигателя или электрической батареи - энергетической, а для системы автоматического регулирования, телевизора или устройства обработки данных - информационной.

Для главной функции всегда можно задать количественный и качественный критерии оценки. В случае "машин для работы с веществом" (аппаратов) количественным критерием может быть отношение числа условных изделий к массе аппарата при условии выдерживания соответствующих допусков (если речь шла об обработке) или невредимости (при транспортировке) - качественный критерий; в случае "машин для работы с энергией" (машин) это - отношение работы в единицу времени к массе (или объему) и коэффициент полезного действия; а в случае "машин для обработки сообщений" (приборов) - это отношение числа знаков (бит) в единицу времени к массе (или объему) и уровень искажений (рис. 2.9). При оценке технического изделия следует в первую очередь принимать во внимание критерии оценки для главной функции, и только если они удовлетворяются, рассматривать другие, побочные, функции. Вряд ли стоило бы, например, оценивать телевизор в первую очередь по его КПД, а двигатель - по расходу охлаждающей жидкости.

Заметим, что работа любой машинной системы связана с изменением, по меньшей мере, двух (а чаще и всех трех) абстрактных величин. Это еще один аргумент в пользу того, чтобы положить в основу методики конструирования целенаправленное изменение и комбинирование этих величин.

Методика конструирования включает в себя, с одной стороны, общий план действий, а с другой, -более или менее абстрактные элементы, которые используются в отдельных фазах этого плана, а также правила их композиции (операции). Сейчас для нас важно сформулировать единый план действий для методического конструирования, который мы будем называть рабочим планом.

2.2. Рабочий план для методического конструирования

В последние десятилетия не было недостатка в различных программах, предлагающих тот или иной порядок действий при конструировании. Одна из первых - рабочий план для кинетического синтеза машин - принадлежит Рэло. Гораздо позже Вегебауэр составил свой "план задач для соединения частных конструктивных задач в систему", довольно близкий по своим идеям к нашим нынешним представлениям. О вкладе, сделанном Цвикки, о его морфологическом ящике - было сказано выше. Затем появились работы Матоузека, Бишоффа и Ханзена, Кессельринга, Профоса, а также работа Роденаккера, принявшего за основу своего подхода физические события, - эта работа содержала достижения, принципиальные для немецкоязычной литературы. Потом последовали работы Рота, Коллера, Паля, Байтца, Паля и Байтца, Хубки, Зайферта и предложение нормативов Союза немецких инженеров. Из англоязычных авторов следует прежде всего упомянуть Азимова, Пенни, Крика, Гордона и Осборна. Конструкторской деятельностью общего и специального назначения занимались главным образом Эверсхайм, Федерн, Финдайзен, Мартирер и Опитц. Особенности конструирования как процесса обработки информации подчеркнули Мюллер и Вехтлер. Впервые достаточно полный обзор различных подходов и попытку совместить их в рабочем плане осуществили Паль и Байтц в серии статей "Для конструкторской практики". Роденаккер и Клауссен опубликовали систему правил для методического конструирования. Эрленшпиль предпринял попытку систематически исследовать возможности уменьшения издержек производства и полнее, чем его предшественники, учел эти возможности в общей методике.

Ниже мы сначала сформулируем наш рабочий план для алгоритмического метода выбора при конструировании с каталогами, а затем сравним его с важнейшими из известных рабочих планов.

2.2.1. Рабочий план для алгоритмического метода выбора при конструировании с каталогами

Рис. 2.10. Общий рабочий план для применения в рамках алгоритмического метода выбора при конструировании с каталогами (АМВК)

Этот рабочий план был первоначально опубликован в сборниках, а затем дополнен в статьях. В наглядной упрощенной форме он представлен на рис. 2.10. Рабочий план служит основой алгоритмического метода выбора при конструировании с каталогами, используемого в дальнейшем, однако его общая структура имеет в принципе более широкую область применения. Такая структура - с циклами возврата, обеспечивающими итеративность процесса, и с вводом требований в отдельных фазах - давно служит образцом при разработке рабочих планов. Как видно на рисунке, процесс конструирования можно разделить на три существенно различные фазы формулировки задачи, функциональной реализации (функциональной фазы) и предметной реализации (предметной фазы).

Работа начинается с уяснения и уточнения стоящей задачи с выработкой достаточно полной четкой ее формулировки.

1. Фаза формулирования задачи

В этой фазе исходная, обычно неточная, постановка задачи должна быть проанализирован дополнена отсутствующими в ней элементами; техническое содержание задачи должно получить точную, исчерпывающую формулировку. В результате возникает постановка задачи, содержащая (иногда неявно) положения трех типов:

- инструктивное положение, содержащее различные указания и инструкции, а также описание действий, которые требуются для составления необходимой конструкторской и технологической документации;

- функциональное положение, содержащее описание воздействий, процессов, а также технических, физических, химических и других явлений необходимых для реализации главной функции;

- положения-требования, сведенные в список требований, т.е. список всех существенных дополнительных ограничений, которым должно удовлетворять изделие (например, жесткие, целевые, граничные и диапазонные требования).

Составление списка требований связано с поиском новой информации и непосредственно примыкает к предшествующему процессу планирования изделия. Для этой деятельности разработаны три следующих метода, которые будут подробно описаны в гл. 5: анкета изделия, анализ (функциональной) окрестности изделия и исследование фаз жизненного цикла изделия.

Приведенные методы дают возможность очертить функциональную окрестность задачи, так что в результате их применения мы получаем не только искомые положения-требования, но точную формулировку функционального положения. Требования фиксируются в списке требований. Разделение функционального положения и списка требований, отсутствующее у других авторов, имеет то преимущество, что каждая из частей может использоваться отдельно от другой. Если функциональное положение, предназначенное для формулировки идеальных функций (их обобщения и подразделения), может быть изменено в ходе работы, то конкретные данные, собранные в списке требований, сохраняют неизменными. Требования могут быть распределены по фазам, они всегда готовы к использованию и пополняются по ходу дела.

Рис. 2.11. Методика конструирования. Переход от частных функций к эффектам на этапе абстрактной функциональной структуры и последующий переход от эффектов к деталям и узлам на примере автомобильного двигателя

(Стрелки в правой части рис. 2.10 указывают на рекомендуемые моменты использования этих неизменных ограничений.)

Если оказывается, что формулировка функционального положения еще не удовлетворительна, то, согласно рабочему плану, следует возврат в начальное положение. В данном случае, как и в самом первом примере (см. рис. 1.1), следует разложить общую задачу на частные, перейти от общей задачи к общей функции, а от частных задач - к частным функциям. Все эти функции - идеальные. Существенное расхождение между идеальными и реальными функциями возникает оттого, что идеальные функции - это желаемые, еще только подлежащие реализации функции в их идеальном виде, в то время как реальные функции - это функции, измеряемые на реальном объекте и фактически реализованные в нем. Идеальная функция соответствует функциональному положению, точно сформулированному в физических, логических и других терминах, а реальная функция - фактически измеренному результату и получается сопоставлением соответствующих величин на входе и выходе.

Деятельность конструктора в фазе формулирования задачи можно назвать "формулированием".

2- Функциональная фаза

За фазой формулирования задачи следует фаза Функциональной реализации, или функциональная фаза. Здесь еще не встает вопрос о геометрически материальной реализуемости, а осуществляется лишь поиск частных функций, их соединение в общую функцию и переход к эффектам. Каждая из отдельных идеальных функций должна быть реализована наилучшим образом. Аналогичная процедура применяется при анализе стоимости: функциональная декомпозиция изделия производится для того, чтобы, перейдя к стоимости функций, выявить в изделии экономически слабые места и избавиться от них. Действия конструктора в этой фазе в значительной мере следуют описанной в начале книги процедуре выбора эффектов путем конкретизации частных функций.

Функциональная фаза подразделяется на два шага (этапа). На первом этапе делается попытка описать идеальную функцию через абстрактные функции, т. е. через функции, связанные только с накоплением, передачей, преобразованием и комбинированием вещества, энергии и информации (см. пример на рис. 2.8-2). Лишь на втором этапе элементам разработанной схемы (так называемой абстрактной функциональной структуры) сопоставляются определенные физические эффекты, - на первом же этапе конструирования все процессы могут описываться только в терминах абстрактных величин - вещество, энергия и сообщения. Так, при разработке автомобильного двигателя на этом этапе следует определить тип превращения энергии (электрической или химической в механическую). Описанная процедура наглядно представлена на рис. 2.11.

Рис. 2.12. Матрица прямого превращения энергии по Юсти:

МГД - магнитогидродинамический

Эффективным вспомогательным средством для поиска нужных эффектов прямого преобразования вида (превращения) энергии служит матрица Юсти (рис. 2.12). В данном случае речь идет об одном из видов двумерного каталога решений (см. п. 3.3.2), где на пересечении строки и столбца, соответствующих входной и выходной энергии, указывается обеспечивающий прямое превращение энергии эффект или реализующий его механизм.

На описанном этапе эффекты не рассматриваются в терминах физических величин, связанных с энергией, таких как сила, скорость и т. п. Для этого служит следующий, второй этап, с физической функциональной структурой. Здесь частные функции связаны с такими величинами, как сила, скорость, момент, импульс, путь, напряжение, сила тока, температура, энтропия и т. п.. Если до сих пор не представилась возможность определить частную функцию в рамках абстрактной функциональной структуры и перейти от этой функции к эффекту, то величину "энергия" следует теперь представить через описывающие ее компоненты, например силу и путь (в данном же случае - через силу и скорость), определить соответствующую частную функцию и перейти от нее к эффекту. В противоположность процедуре, приведенной на рис. 2.11, на рис. 2.13 переход к эффектам производится на рассматриваемом здесь этапе физической функциональной структуры. Процедура описана на примере механизма переключения передач. Так, например, преобразование энергии из формы с малым моментом и большой угловой скоростью в форму с большим моментом и малой угловой скоростью (понижающая передача) относится к этапу физической функциональной структуры в функциональной фазе (см. рис. 2.10).

После каждого этапа в функциональной фазе производится сравнение реальной и идеальной функций. Если полученная реальная функция недостаточно близка к идеальной, производится возврат к тому или иному пункту плана.

Эти постоянные переходы по рабочему плану весьма характерны для деятельности конструктора. В самом деле, поскольку конструктору редко удается предусмотреть все ограничения, список требований постоянно пополняется благодаря полученным на текущем этапе сведениям, и тот же этап проходится повторно.

Относящаяся к тому же этапу конструирования логическая функциональная структура охватывает все схемы, строящиеся из логических элементов; схемы, которые, помимо всего прочего служат для управления, регулирования в техниче ских установках, в данном же случае используют ся для обработки сообщений.

Если положить в основу методики собственнс рабочий план, а не алгоритмический метод выбо ра при конструировании с каталогами (АМВК), то получится структура, подобная функциональной структуре, но не со стандартными функциями (см рис. 5.18 и 5.19), а с диаграммой потоков, которая содержит в черных ящиках для частных функций описывающий их объект (прямое дополнение) и предикат (сказуемое), например, "приводить в движение транспортное средство". Потоки вещества, энергии и информации должны быть тогда обозначены в диаграммах потоков. Описание физической реализации и в этом случае начинается только на втором этапе данной фазы конструирования.

Переход от функциональной фазы к предметной фазе при алгоритмической процедуре вызывает всегда наибольшие трудности. Как и в первом примере, здесь должен быть произведен переход от эффектов к деталям. Но этот переход не всегда может быть выполнен автоматически, и конструкторские каталоги сослужат здесь особенно хорошую службу.

Деятельность конструктора в функциональной фазе может быть названа "функциональной реализацией", или "проектированием".

3. Предметная фаза

Фаза предметной реализации, или предметная фаза, делится на этапы геометрически материальной и технологической реализации изделия.

Рис. 2.13. Методика конструирования. Переход к эффектам на этапе физической функциональной структуры и последующий переход от аффектов к механизмам на примере механизма переключения коробки передач

Если на функциональном уровне можно было двигаться лишь в "одном измерении", то здесь мы сразу же попадаем в трехмерное пространство и сталкиваемся с таким многообразием возможностей, которое при систематическом варьировании требует несравненно больше ограничительных условий, чем в функциональной фазе. Одно только ортогональное расположение трех кубиков в пространстве возможно 7776 способами. Выход здесь в том, чтобы придерживаться модельных представлений и образцов или как можно раньше исключать из рассмотрения малоперспективные решения.

На первом этапе-этапе геометрически материальной реализации - следует сначала разработать линейно-структурную схему, затем постепенно превратить ее в контурное представление (чертеж, эскиз) и, наконец, - руководствуясь геометрическими соображениями, принципами выбора размеров, а также сведениями по материаловедению - реализовать ее с помощью наиболее простых в изготовлении тел. Возможность монтажа, а также изготовления деталей часто достигается только путем дополнительного разделения некоторых деталей на части и последующей их сборки. На рис. 2.14 (пример кривошипно-ползунного механизма и шатуна) предметная фаза подразделена на девять подэтапов. Необходимые принципы и переходы в процессе разработки шатуна становятся ясными из эскизов в средней части рисунка и текста в его правой части. Важное значение на первом этапе предметной реализации изделия имеют принципы промышленного дизайна, в первую очередь - связанные с внешним видом изделия и человеко-машинными отношениями [26.1].

На втором этапе - технологической реализации - выполняется детальное конструирование, дается окончательное исчерпывающее описание всех деталей изделия. Не позднее, чем на этом этапе, а еще лучше - на этапе геометрически материальной реализации - должны определяться технико-экономические показатели (например, согласно [23, 64, 22]). Здесь снова следует сравнение реальной функции с идеальной и, возможно, очередной возврат. Проверка рентабельности технических решений и предложений - главная задача анализа стоимости. Возможности такого анализа и его место в системе методического конструирования обсуждаются в работах Эрленшпиля [10, 9]. В рассматриваемой фазе важную роль играют операции варьирования структуры и конструкции (кат. 4.6.1, 4.10.1).

Деятельность конструктора в предметной фазе может быть названа "предметной реализацией", или "конструированием".

В результате выполнения рабочего плана, описанного здесь для случая оригинального конструирования (новой разработки), должен возникнуть полный комплект рабочих чертежей. Во всех трех фазах рабочего плана помимо конструкторских каталогов могут быть использованы также вспомогательные средства, описанные в гл. 5, в частности различные обзорные таблицы и методические приемы.

В связи с рабочим планом следует обсудить еще два важных обстоятельства:

- последствия верных и неверных решений, принятых в различных фазах ;

- пропуск (перескакивание) фазы конструирования

Рис. 2.14. Этапы предметной фазы конструирования. Предметная реализация шатуна (см. также рис. 4.81)

4. Последствия решений, принятых в различных фазах

Мы уже видели на примере замка (см. также рис 2.15), что при переходе на исходную позицию более высокого уровня возникает довольно много решений, а также немало возможностей для вариации и оптимизации (на примерах из области инструментального машиностроения это положение продемонстрировали Салье и Редеккер [59, 45])- При этом, если мы приняли, например в функциональной фазе, недальновидное, а тем более неверное решение, то улучшить получающиеся конструкции (да и то лишь отчасти) мы сможем только особенно тщательно и добросовестно прорабатывая следующую, предметную, фазу. Поэтому экономическая ответственность в "верхних" фазах несравненно выше, чем в "нижних".

Примеры. Выбор механических функций вместо электронных при конструировании настольной счетной машины привел бы к появлению неконкурентоспособного изделия, даже если геометрически -материальная реализация изделия была бы выполнена наилучшим образом. То же самое справедливо и в отношении попыток оптимизации на отдельных этапах конструирования, например на геометрически материальном и технологическом. Неверный выбор профиля зуба уже не мог бы быть исправлен впоследствии, сколь бы хорошей ни оказалась технология нарезания и последующая обработка поверхности зуба.

- Поскольку из результата вышестоящей фазы выводится постановка задачи для следующей фазы, все изменения, сделанные в вышестоящей фазе, повлекут за собой существенные изменения в последующей. Поэтому нужно руководствоваться следующими принципами:

- задача оптимизации конструкции должна быть поставлена в возможно более "высокой" фазе, поскольку оптимизация в "нижней" фазе гораздо менее эффективна;

- всегда оправдывает себя основательная проработка первых фаз конструирования, включая фазу формулировки задачи, так как именно здесь намечаются удачные (или, наоборот, не очень удачные) направления работы, которые едва ли можно изменить позднее;

- улучшение в "верхних" фазах конструкций, в производство которых уже были сделаны большие капиталовложения, очень дорого, поскольку оно окажет влияние на последующие фазы и, возможно, сделает бесполезной большую часть капиталовложений.

5. Перескакивание фаз конструирования

Ясно, что в случае оригинального конструирования нельзя пропускать ни одной фазы и ни одного этапа конструирования, однако и в других случаях также не следует перескакивать фазы и этапы. Если это условие не выполняется, то потом приходится вносить столько изменений, что в результате теряется гораздо больше времени, чем было сэкономлено, нарушается непрерывность процесса конструирования, а разработанное изделие как правило, оказывается технически несовершенным и дорогим. Уже не раз опыт показывал, что попытки побыстрее изготовить "незрелые" конструкции не давали выигрыша во времени, несмотря на огромные затраты сил и средств.

2-15. Переменный рабочий план с указанием возможностей входа в различные фазы конструирования. Соответствующие разновидностн конструирования и спектры решений

2.2.2. Переменный рабочий план

Нам могут возразить, что новые разработки в повседневной практике очень редки, что гораздо чаще возникает потребность в модификации отдельных деталей, вариации структуры при тех же функциях, реже - изменение частных функций при той же общей функции, и что поэтому бессмысленно всякий раз выполнять рабочий план в полном объеме. Проблему решает переменный рабочий план (см. рис. 2.15). В этом случае имеющаяся задача формулируется в точности на таком уровне абстракции, какой требуется' при входе в соответствующую фазу конструирования. В результате мы получаем возможность войти в каждую фазу и в каждый этап конструирования. Так, если нужно что-либо сделать только для улучшения технологии или для изменения одной детали, например заменить материал, то задача должна быть сформулирована применительно к изготовлению при известной конструкции. Если требуется изменить конструкцию при тех же функциях, то постановка задачи должна быть расширена применительно к этапу геометрически материальной реализации. Далее, может понадобиться ввести в физическую структуру другие функции и другие эффекты (например, вместо вращательного - поступательное движение, вместо электрической -механическую функциональную цепь), - и тогда задача должна формулироваться применительно к новой функциональной структуре. В тех же случаях, когда устройство должно реализовывать совсем другие потоки вещества, энергии и сообщений (например, нужен глиссер на воздушной подушке вместо колесного транспортного средства или должно использоваться превращение электрической энергии в механическую вместо превращения химической), вход должен производиться на уровне абстрактной функциональной структуры. В каждом случае - своя разновидность конструирования.

Пример входа на второй этап функциональной фазы мы видели на рис. 2.13. Уже в самой постановке задачи речь шла о величинах физической функциональной структуры (крутящий момент и угловая скорость), поэтому было бы бессмысленно входить в абстрактную функциональную структуру, т. е. на первый этап функциональной фазы.

1. Разновидности конструирования

Учитывая характер формулировки задачи и точку входа в рабочий план, мы можем выделить следующие разновидности конструирования.

- Технологическое конструирование (разработка технологии). Поставленная задача формулируется применительно к изготовлению имеющейся или наперед заданной конструкции, вход осуществляется на этап технологической реализации изделия.

- Предметное конструирование. Поставленная задача формулируется применительно к предметной реализации имеющихся или наперед заданных физических функций, вход осуществляется на

этап геометрически материальной реализации изделия.

- Функциональное конструирование (специальное). Постановка задачи исходит из имеющейся или наперед заданной абстрактной функциональной структуры и формулируется применительно к физическим или логическим функциям. Вход осуществляется на этап физической (или логической) функциональной структуры.

- Функциональное конструирование (абстрактное). Имеется точная формулировка поставленной задачи. Вход осуществляется на этап абстрактной функциональной структуры.

- Оригинальное конструирование (новая разработка). Поставленная задача формулируется в тот момент, когда еще отсутствуют сведения о функциональной структуре. Вход осуществляется в фазу формулировки задачи (см. гл. 5).

Анализ окрестности изделия с целью получения списка требований и нового желаемого соответствия между идеальной функцией, эффектом, деталью или способом изготовления проводится при любой разновидности конструирования. Разумеется, в одном и том же устройстве может присутствовать некоторое число оригинальных деталей и довольно много узлов, являющихся результатом функционального, предметного или технологического конструирования. Выделение в соответствии с таких разновидностей конструирования, как модификационное, адаптационное и варьирующее, указывает скорее на внешние причины, чем на интересующие нас разновидности самого процесса конструирования. Например, модификационное конструирование в отношении одних узлов может оказаться оригинальным, в отношении других - технологическим, предметным или функциональным конструированием.

При входе в различные фазы рабочего плана спектр возможных решений оказывается различным, что проиллюстрировано номограммой в левой части рис. 2.15. Мы видим, что спектр возможных решений тем шире, чем более абстрактной является формулировка задачи. С ростом затрат труда на проведение абстрагирования при формулировке задачи и на неразрывно связанную с этим конкретизацию непрерывно растут шансы найти новые совершенно неизвестные нетривиальные технические решения. Если дополнительные затрать при входе в вышележащие фазы конструирования характеризуются линейным ростом, то достигаемая при этом широта спектра решений растет в результате увеличения возможностей комбинирования экспоненциально.

Подразделение процесса конструирования на различные фазы и этапы существенно облегчав' работу на отдельных этапах, но при этом обнаруживает отчетливо видимые разрывы, преодоление которых требует использования более или менее произвольных сопоставлений. Совокупность этих сопоставлений, кроме возможности образования вариантов, создает также мысленное пространство объектов конструирования, по которому проходит много путей, ведущих к различным решениям одной и той же задачи. Можно, конечно, пытаться: действовать в этом пространстве, руководствуясь механически выполняемыми правилами (алгоритмами), однако гораздо полезнее здесь подборки испытанных решений для отдельных частных функций, например конструкторские каталоги.

Рис. 2.16. Конструктивные решения, получающиеся при входе в различные фазы рабочего плана, на примере узла продвижения перфоленты. Чем больше рабочих циклов (знаков) в секунду (с), тем ценнее решение; чем абстрактнее постановка задачи, тем шире спектр решений. Эскизы содержат следующие решения: 1. Храповой механизм с храповиком и транспортирующим штифтовым колесом; 2. Штампованное транспортирующее колесо; 3. Объединенные храповик и транспортирующее колесо, фрикционный стопор; 4. Стопорно -транспортирующее колесо с приводной проскальзывающей муфтой; 5. Транспортирующий грейфер с эквидистантным профилем; 6. Зубчатая рейка с магнитным приводом; 7. Фрикционное транспортирующее колесо а и фрикционный тормоз Ь

2. Примеры решений при входе в различные фазы конструирования

Примеры, приведенные на рис. 2.16, наглядно демонстрируют зависимость получаемого решения от того, применительно к какой фазе конструирования формулируется задача. Рабочий план, взятый из рис. 2.15, представлен здесь так, чтобы яснее была видна возможность войти в него в различных фазах. В то же время становится ясным, что такая форма рабочего плана может пониматься как обобщение метода вариации эффектов при выявленных частных функциях: действительно, в обоих случаях производится подъем (при абстрагировании поставленной задачи) и спуск (при реализации изделия с использованием различных эффектов).

На рис. 2.15 мы видим конструктивную эволюцию узла продвижения перфоленты. Перед нами стоит задача (см. решение 1): с помощью штифтового колеса передвинуть перфоленту на одно деление, остановить ее для считывания или перфорации и снова передвинуть. Чем больше рабочих циклов совершает устройство в единицу времени, тем "лучше" устройство, т. е. решение (см. также рис. 2.9). В данном случае это число, равное числу знаков в секунду (с-1), дает возможность непосредственно определить техническую эффективность (23, 64] решения.

Следуя методу вариации эффектов при выявленных частных функциях, мы исходим из решения 1, т. е. хорошо известной, привычной конструкции: кулачок е приводит в действие собачку d, собачка передвигает храповик b (а вместе с ним штифтовое колесо а) на одно деление. При обратном ходе собачки рычаг с обеспечивает фиксацию храповика и штифтового колеса.

В решении 2 штифтовое колесо изготовляется штамповкой, а не с использованием вытачиваемых штифтов. Функция -такая же, как и в решении 1.

В решении 3 штифтовое колесо а объединено с храповиком b (а + Ь) и стопор (обратного хода) с изменен: вместо силовой связи используется фрикционная. Скорость повысилась до 25 с-1.

В решении 4 используются закрепленная управляемая электромагнитом собачка а и приводимый в движение проскальзывающей муфтой храповик Ь. Частота колебаний якоря обеспечивает продвижение храповика вперед ровно на один зуб, а перфоленты - ровно на одну позицию. Скорость составляет 200 с-1.

В решении 5 грейфер а приводится в движение эквидистантным профилем, совершает движение по прямоугольнику и передвигает перфоленту соответствующим штифтом (скорость - 30 с-1).

В решении 6 используется зубчатая рейка а, которая, зацепляя перфоленту за отверстия, обеспечивает ее продвижение. Роль стопора играют считывающие щетки с (скорость - 50 с-1).

В решении 7 применено фрикционное колесо а, прижим к которому осуществляется с помощью магнита b и магнитоуправляемого фрикционного тормоза с. Постоянное вращение колеса а и переменное действие магнитов b и с обеспечивают продвижение и остановку перфоленты (скорость - 1000 с-1).

Стоимость подобных решений колеблется в пределах 15-1000 марок ФРГ. Здесь, правда, не принимались в расчет дополнительные затраты на электронную аппаратуру, которые тоже растут с ростом скорости и тоже должны учитываться при определении капиталовложений.

На основании рис. 2.16 и учитывая, что рабочий план предусматривает систематическое и развитое абстрагирование и конкретизацию частных функций, можно сделать следующие выводы:

- если начинать работу с известной исходной конструкции, то облегчается разложение общей функции в частные, а вместе с этим получение абстрактной формулировки задачи;

- чем более общей является формулировок; задачи, тем выше находится фаза, в которой возможен вход в рабочий план, и тем шире и разнообразнее спектр решений, но тем выше и затраты на конструирование;

- спектр решений верхней фазы включает в ce6я как спектр решений нижней фазы (для тех же категорий решений), так и еще много новых решений, среди которых встречаются как худшие, чем на нижней фазе (решения 5, 6), так и лучшие (решение 7);

- затраты, необходимые для повышения технической эффективности в нижней фазе, очень велики, а эффективность меняется не очень сильно (решения 1 и 3); существенного улучшена можно ожидать, только поднявшись на более высокую фазу (решения 1 и 4 или 1 и 7); дополнительные издержки в этом случае, как правило невелики, поэтому не стоит пытаться сохранять функционально плохое решение, внося улучшения в низшей фазе;

- несмотря на сказанное, в низших фазах все-таки можно существенно повысить экономическую эффективность [23, 64], применив лучший cnocoб изготовления (решение 2) или лучший переход от частных функций к деталям, т. е. благодаря функциональной интеграции (решение 3) или функциональному разделению; при этом, однако, не исключается, что совершенно новые решения могут быть проще реализованы и оказаться экономически более выгодными, т. е. более дешевыми.

3. Сравнение с другими рабочими планами

В литературе по теории конструировани1 можно найти целый ряд различных рабочих ПЛЕ нов. На рис. 2.17 четыре из них сравниваются только что рассмотренным. Наиболее близок i нему рабочий план по Палю и Байтцу [42, 47 который подразделяется на те же фазы конструирования, но названные иначе. В функционально фазе, которая озаглавлена "предварительно проектирование", у Паля и Байтца предусмотрен вместо двух этапов конструирования только один "Предварительное проектирование" у нас назван "проектированием", или "функциональной реализацией". В предметной фазе геометрически материальная и технологическая реализация изделия обозначены у Паля и Байтца соответственно как "проектирование" и "разработка". Содержание этапа конструирования "геометрически материальная реализация" не полностью покрывается "проектированием" у Паля и Байтца, в то врем как "технологическая реализация" в точности совпадает с "разработкой". Отличие нашего "геометрически материального" этапа заключается том, что все решения, описанные посредство предметных признаков, относятся к предметной фазе, в то время как у Паля и Байтца "принцип решений", входящие в "предварительно проектирование", причисляются тем самым функциональной фазе. У нас эти принципы были бы отнесены к предметной фазе, поскольку они представляют собой эскизы с предметными признаками.

Рис. 2.17. Сопоставление рабочих планов конструирования по Роту, Палю и Байту, Нормативам Союза немецких инженеров VD/-2222/1, Коллеру, Роденакеру

Деятельность на отдельных этапах характеризуется у нас как "формулирование", "разработка", "проектирование формы", "проектирование технологии", а у Паля и Байтца - как "выяснение задачи", "предварительное проектирование", "проектирование" и "разработка". Рабочий план нормативов VDI2222/1 (ФРГ) восходит к Кессельрингу. В нем фазы формулировки задачи и функциональной реализации объединены в одну, но при этом подразделяются на те же этапы, что у Паля и Байтца, а предметная фаза ограничена, как и у нас, двумя этапами. Хотя номенклатура фаз конструирования различна, но в основе их всех лежат одни и те же соображения, так что рассмотренные выше закономерности .нашего рабочего плана могут быть перенесены и на эти рабочие планы.

; Существенно больше отличий в предложении Коллера [27,28] как по номенклатуре, так и в отношении используемых элементов. Обозначения в плане уже содержат указания на элементы и операции для отдельных шагов. В функциональной фазе не обнаруживается принципиальных отличий в предписываемых действиях. В предметной фазе геометрически материальный этап обозначен как качественный", а технологический - как "количественный" синтез. Это деление и элементы, используемые в функциональной фазе, все-таки существенно отличаются от нашей методики и методики по Палю и Байтцу. У Коллера очень важное значение придается эффектам, и появляются они у него раньше, чем это необходимо [27, 28]. В рабочем плане по Роденаккеру [49, 50] задача понимается как "требуемая взаимосвязь воздействия", функции рассматриваются в первую очередь с логической точки зрения, и основой их реализации в техническом устройстве становится "физическое событие". Затем следует рассмотрение кинематических взаимосвязей, хорошо знакомых из теории механизмов, а также учет конструктивных и технологических требований.

Рис. 2.18. Символическое представление методики конструирования в соответствии с алгоритмическим методом выбора при конструировании с каталогами (образование вариантов, процесс выбора и интеграция выбранных деталей на схеме отражены, а процессы интеграции и возврата опушены)

Как уже было показано на рис. 2.11 и 2.13, при конструировании в функциональной фазе (как, впрочем, и в других фазах) никогда не следует надеяться на единственное решение, но следует пытаться найти различные варианты, выполняющие поставленную задачу, и выбрать из них наилучший. Еще один принцип: сложные задачи, функции или машины следует разлагать на обозримые, более простые, искать для них решения и предметные формы, а потом объединять их в искомом устройстве. Подобные структурные рабочие планы предлагаются в [42, 63]. ' На рис. 2.18 изображено разбиение на частные задачи, частные функции, детали и т. д. (а также образование и выбор вариантов и интерпретация результатов) для рабочего плана, приведенного на рис. 2.10. В заголовочные столбцы внесены фазы и этапы конструирования, а также термины, для которых используются символы. В столбце 1 находится рабочий план в виде структурной схемы, в столбце 2 помещены символы для необходимых требований и процесса выбора в ключевых местах.

Из рис. 2.18 можно извлечь методический принцип. Общая задача, например, варьируется с учетом известных требований (поле 1.1); наилучший вариант отыскивается и с ним сопоставляется общая функция (поле 3.1). Кроме того, можно также разложить общую задачу поля 1.1 (обозначенную треугольником с точками) на частные задачи поля 2.1, варьировать их и каждой из выбранных частных задач сопоставлять частную функцию (поле 3.1). Если следовать первому из описанных путей, то теперь общую функцию поля 3.1 можно разложить на частные, последние варьировать и найденные варианты свести в различные функциональные структуры, например в абстрактную функциональную структуру (аналогичную структуре, представленной на рис. 5.21). Наилучший вариант отбирается. Аналогичная процедура - переход от абстрактных функций к физическим (см. рис. 5.37), их вариация и выбор в рамках соответствующей функциональной структуры - осуществляется в поле 4.1. Наконец, следует переход от частных функций к эффектам (по рис. 5.31), вариация эффектов (например, как на рис. 2.13), а также их выбор (поле 5.1, рис. 2.18).

Переход от эффектов к структурным элементам (т. е. символам, обозначающим детали и их рабочие поверхности, см. рис. 6.10-2) и их функциональная интеграция приводят (поле 6.1) к первым предметным решениям: проектам на уровне структурных или принципиальных схем. Версия решения выбрана. Далее (поле 7.1) определяются детали, соответствующие структурным элементам, эти детали варьируются и, насколько возможно, функционально интегрируются. Возникают первые проекты на уровне чертежей. Один из них выбирается. Проработка слабых мест (поле 8.1) путем выработки альтернатив для некоторых участков и согласование найденных решений ведут к улучшению проекта, а в результате деталировки появляется" наконец, рабочая (технологическая) документация. На примере машины для крепления кнопок на ткани эта процедура показана на рис. 5-38.

На рис. 2.18, столбец 1, мы видим, что в процессе конкретизации приходится пересекать многочисленные плоскости переходов (ПП), важнейшие из которых разделяют фазы. Укажем, что плоскость перехода для строк 5 и 6 тесно связана с понятием "органоподобная техника пространственной компоновки". Эта техника, типичная для обычного конструирования из твердых тел, создает предпосылки для далеко идущей интеграции функций, эффектов и т. д. В столбце 2 на рис. 2.18 отражен постоянный рост числа необходимых требований при выборе вариантов - список требований дополняется в процессе конструирования изделия.

Интересное обобщение обсуждавшегося до сих пор "двумерного" представления рабочего плана предложил Бернс. Он различает, как и автор, "вертикальные" плоскости (так называемые области) и "горизонтальные" плоскости (так называемые фазы). Новым в этом представлении является то, что три области - область обеспечения информацией, область поиска решения и область оценки - воспроизводятся как своего рода рабочие планы в виде плоскостей в пространстве, которые по спирали можно проходить только одну за другой, точно так же, как и описанные выше рабочие планы.

Продолжение

Главная    Инструменты    Конструирование с помощью каталогов    Общие принципы теории конструирования