КОНСТРУКТОРСКИЕ КАТАЛОГИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

3.1. Применение конструкторских каталогов в ходе конструирования

Как подборки решений, так и конструкторские каталоги можно с большой пользой применять при конструировании - они часто аккумулируют сведения из многих, в том числе малодоступных, источников информации, способствуют рационализации конструирования и, наконец, часто побуждают конструктора к поиску нетривиальных решений. Кроме того, они облегчают синтез конструкций, который, no-существу, есть не что иное, как составление общего решения из малого числа оригинальных и большого числа известных частных решений. Чем элементарнее уровень этих решений, тем скорее они окажутся уже известными в технике, и тем меньше их вероятное общее число. Тем самым появляется возможность собрать постоянно встречающиеся элементарные решения, чтобы единообразно и максимально полно описать их в хорошо обозримой форме в каталоге. Каждое из этих элементарных решений будет представлять целое семейство родственных вариантов, подобно тому, как исходный профиль рейки представляет все зубчатые колеса с числом зубьев от -∞ до +∞

Элементарные решения, в нашем смысле, - это не что иное, как различные варианты реализации основных переходов - от функционального положения к идеальным функциям, от идеальных функций - к эффектам, от эффектов - к структурным элементам - носителям эффектов, от структурных элементов - к контурным (геометрическим) элементам (т. е. деталям или группам деталей), и, наконец, от деталей - к определенным способам их изготовления (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Конструкторские каталоги и другие вспомогательные средства для выполнения переходов в процессе конструирования

Так, например, если функциональное положение "умножить силу" требуется превратить в соответствующую функцию и в техническое устройство, то очень полезным для этого может оказаться конструкторский каталог (в данном случае кат. 4.4.2), содержащий всевозможные эффекты и предоставляющий для их выбора наиболее удобные специальные признаки. В тех случаях, когда неясно, как выполнять переходы или они оказываются недостаточно определенными, можно использовать различные вопросники (см. рис. 5.8, 5.12 и 5.14) и неформальные подборки решений.

Выполнение упомянутых выше переходов занимает важное место в деятельности конструктора. Для их осуществления мы часто обращаемся к известным образцам - моделям, в которых соответствующий переход выполнен наилучшим образом. Типичный недостаток этого метода состоит в том, что вместе с эффектом заимствуются также реализующие его деталь или узел, а иногда - даже и способ изготовления. В то же время ясно, что часто стоит проверить, не окажется ли более оправданным выбор в качестве носителя требуемого эффекта (например, эффекта направляющей в подшипниках, см. кат. 4.9.1-4.9.5) какой-нибудь другой детали. Для изготовления деталей также полезно рассмотреть несколько вариантов технологии. Следует обратить внимание на то, что запас модельных решений - образцов далеко не одинаков у различных конструкторов и часто довольно узок и односторонен. При этом пополнять его из книг, чертежей или других разрозненных источников информации - дело очень утомительное, долгое и часто неблагодарное. В этой связи для алгоритмического метода выбора при конструировании с каталогами и предлагаются многочисленные конструкторские каталоги и табличные подборки решений, важнейшие из которых перечислены на рис. 3.2. Кроме того, большую пользу при поиске решений приносят рассмотрение аналогий в области техники и сравнительный анализ биологических конструкций.

Рис. 3.2. Важнейшие конструкторские каталоги и другие подборки решений для алгоритмического метода выбора при конструировании с каталогами (АМВК) (Лист 1)

3.2. Требования к конструкторским каталогам

Чтобы конструкторские каталоги были свободны от произвольности, характерной для неформальных подборок решений, имели широкий спектр применимости, а также сочетались с новыми методами конструирования, они должны отвечать следующим требованиям:
обеспечивать быструю выборку информации в удобной форме и удовлетворять запросы широкого круга пользователей;
хорошо вписываться в процесс конструирования;
не содержать противоречий как внутри одного каталога, так и между различными каталогами;
согласовываться с положениями и процедурами методического конструирования;
обладать максимальной полнотой в соответствующей области;
обеспечивать возможность расширения и изменения содержания при неизменных принципах организации материала и содержать сведения об этих принципах.

И полезность таких каталогов, и трудоемкость их составления вполне очевидны. Так, стремление к максимальной полноте требует особенно безупречной, верифицируемой терминологической структуры классификационных принципов.

Рис. 3.2. Лист 2

Зато впоследствии уверенный в полноте каталогов конструктор спокоен, зная, что он учел все существенное и может не опасаться претензий патентного характера.

Итак, конструкторскими каталогами могут называться только такие подборки технических объектов и отношений, которые могут претендовать на максимальную полноту и содержат классификационную, главную и специальную части. Идея построения каталогов в подобной форме уже выдвигалась и обсуждалась в многочисленных публикациях, а также - очень обстоятельно - в нормативах VDI 2222 (ФРГ), лист 2. Большие надежды, вполне обоснованно возлагаемые на каталоги в теории и практике, по очевидным причинам не могут оправдаться сразу, - тем более поразительны отдельные успехи, уже достигнутые с их помощью. На рис. 3.2 указаны важнейшие из содержащихся в этой книге конструкторских каталогов и рисунков для алгоритмического конструирования, соотнесенные с фазами рабочего плана.

3.3. Общая структура конструкторских каталогов

Ясно, что применять конструкторские каталоги гораздо легче, если их структура единообразна и соответствующая терминология точна. Особенно хороши в этом отношении "одномерные" (рис. 3.3) и "двумерные" (рис. 3.4) каталоги. Группировка содержания каталога соответствует в первом случае одномерной, а во втором - двумерной классификации.

3.3.1. Каталоги с "одномерной" классификационной частью

Эта форма наиболее распространена и, как правило, наиболее удобна. Каталог состоит из классификационной, главной и специальной частей (см. рис. 3.3).

Рис. 3.3. Конструкторский каталог с "одномерной" классификационной частью

Рис. 3.4. Конструкторский каталог с .двумерной" классификационной частью (совпадающей со специальной частью)

Классификационная часть содержит те существенные принципы, которые классифицируют элементы главной части, т. е. собственно содержание каталога, и предоставляют пользователю возможность проверки полноты, например, следующим образом.

В кат. 4.4.1 (Создать силу) мы можем прежде всего указать силу тяжести. Вслед за тем возникает вопрос: Какие еще бывают силы? Их перечисление - силы инерции, электрические, магнитные и т. п. - побуждает составителя пополнять каталог, а пользователя - проверять, все ли ему известные силы были учтены при классификации. Чем лучше с содержательной и формальной точки зрения устроена классификация, тем скорее может быть достигнута и проверена желаемая полнота каталога.

Главная часть - это, собственно, содержание каталога. В зависимости от вида каталога речь здесь идет об объектах, операциях (правилах) или решениях. Все они могут быть представлены в форме эскизов, уравнений или текстов. Очень уместны здесь хорошо продуманные и освобожденные от второстепенных подробностей эскизы. Для всех примеров эти эскизы должны иметь одинаковую степень абстрактности, т. е. они должны быть графами, электрическими схемами, структурными схемами или чертежами. Пример, изображенный в каталоге, выбирается в качестве типичного объекта или типичного решения, из которого затем выводятся варианты, т. е. все другие объекты (соответственно решения). Порядковая нумерация облегчает поиск решения, содержащегося всегда в единственном поле каталога.

Специальная часть, характерная для конструкторских каталогов, должна быть удобной для пользователя. Если классификационная и главная части строятся по очень строгим правилам (например, в классификационной части недопустимы пропуски), то выбор специальных признаков поиска неформален и ориентирован на удобство применения и даже на отраслевые особенности. Специальные признаки должны позволять легко отбирать решения, удовлетворяющие имеющимся ограничениям, и исключать из рассмотрения неподходящие.

Рис. 3.3 позволяет понять суть процедуры "просеивания" - отбора решений. Штриховкой на этом рисунке обозначено то, что по признаку 1 объект 3 и объект 7 не подходят. Точно так же по признаку 2 не подходит объект 3, по признаку 3 - объект 5, по признаку 4 - объекты 1 и 2, а по признаку 5 - объект 2.

Всеми нужными свойствами обладают только объекты или решения 4 и 6. Они и оставлены после "просеивания" для дальнейшей работы. В качестве специальных признаков можно указывать совсем общие, например предельный или номинальный коэффициент умножения силы для функции "умножить силу" (кат. 4.4.2), порядок величин (переносимых сил, скоростей, весов, масс, размеров) либо приемлемые варианты технологии. Признаки общего характера, не связанные с конкретной отраслью, на практике нередко оказываются бесполезными. Однако, поскольку специальная часть может расширяться без изменения других частей, каталоги можно пополнять полезными признаками. При оценке решения по тому или иному спецпризнаку не следует употреблял общих оценочных суждений типа "неблагоприятно" или "ненадежно", а следует давать конкретные указания типа "большие потери на трение" или "в указанных условиях часты усталостные разрушения".

К сожалению, до сих пор не удалось разработать общеобязательные правила для выбора специальных признаков, - поэтому составителю каталога приходится самому выбирать их в каждом конкретном случае.

Для сокращения и облегчения этого процесса на рис. 3.29 и 3.30 приведен составленный Дикхенром обзор и список специальных и классификационных признаков для составления конструкторских каталогов, подробности обсуждаются там в тексте. Найденные таким образом в каталоге признаков специальные признаки следует, по возможности, соотнести с типами конструкций, их параметрами или указать как факторы сравнения. В данном случае поиск в каталоге (см. рис. 3.291 3.30) проводится с помощью классификационных признаков. Для некоторых видов каталогов, например "многомерного", последний способ является правилом.

И наконец, вслед за специальной частью в каталог можно поместить дополнение с различными замечаниями к отдельным решениям, как это сделано на рис. 3.3, а также в кат. 4.1.1, 4.4.J 4.8.1,4.8.2 и др.

Заметим, что разделение конструкторское каталога на классификационную, главную и специальную части точно соответствует по форме структуре научной книги. В соответствии с этим оглавление играет роль классификационной части, собственно, содержание книги с текстом, уравнениями и иллюстрациями - роль главной части, а предметный указатель - роль специальной части. Предметный указатель, так же как и специальная часть, может быть более или менее подробным, а в оглавлении, наоборот, как и в классификационной части, ни один из основных разделов не может быть опущен. Все сказанное о каталогах в связи с удобством их применения, целенаправленной подготовкой материала и хорошими возможностями поиска в них справедливо также и для научных книг.

3.3.2. Каталоги с "двумерной" классификационной частью

Цель создания "двумерных" каталогов - организовать материал в форме, позволяющей находить нужную информацию по двум существенным параметрам. Преимущество двумерной формы каталога по сравнению с одномерной состоит в том, что она позволяет представить материал более сжато и наглядно, недостаток же - в отсутствии отдельной графы специальных признаков. Поиск в каталоге в данном случае может проводиться только по классификационным признакам. Главная часть размещается в клетках матрицы, причем искомая информация находится на пересечении строки и столбца, соответствующих требуемым значениям признаков (см. рис. 3.4).

Классификационные признаки для строк и столбцов могут быть одинаковы, например, когда они соответствуют входу и выходу (как в матрице Юсти, см. рис. 2.12, или в матрице функциональных величин, см. рис. 5.31). В других случаях, когда искомое решение должно одновременно обладать двумя разнородными свойствами (как, например, в случае элементарных функций рабочего объема, см. рис. 6.22-1), классификационные признаки различны.

3.3.3. Каталоги с "трехмерной" классификационной частью и комбинированные формы

Возможный способ трехмерной организации каталогов проиллюстрирован на рис. 3.5. Третье измерение реализуется путем размещения материала на нескольких листах. Искомую информацию в таком каталоге находят уже по трем классификационным координатам. Физически трехмерный каталог реализуется в виде набора карточек или в виде тетради. Создание такого каталога весьма трудоемко, однако в ряде случаев оно оправдано, если для конструктора существенны ровно три параметра.

Как было указано выше, в двумерной форме "нет места" для графы специальных признаков.

Рис. 3.5. Конструкторский каталог с "трехмерной" классификационной частью (включающей в себя специальную часть)

Тем не менее, чтобы учесть эти признаки, можно использовать следующий прием: для каждого из признаков сделать копию каталога на прозрачном листе и закрасить клетки, не подходящие по этом признаку (рис. 3.6). Если теперь эти копии наложить друг на друга, то прозрачными останутся только клетки, подходящие по всем признакам.

Чтобы учесть специальные признаки, можно также использовать и другие - отличные от "трехмерного" каталога - комбинированные формы. Например, двумерный каталог можно организовать в виде нескольких одномерных каталогов на разных листах, соответствующих различным значениям второго классификационного признака. Добавив к этому набору одномерных каталогов лист, на котором тот же материал, исключая специальные признаки, представлен в двумерной форме, мы получим еще одну комбинированную форму, обладающую преимуществами как одномерной, так и двумерной форм.

3.3.4. Обзорные и детальные каталоги

Для представления материала большого объема применяются пары каталогов, один из которых - обзорный, а другой - детальный. На рис 3.7 изображена одномерная форма для обзорного каталога, а на рис. 3.8 - двумерная форма. Детальный каталог также можно сделать одномерным - или двумерным.

Рис. 3.6. Конструкторский каталог с .двумерной" классификационной частью и его прозрачные копии для учета специальных признаков

Рис. 3.7. "Одномерный" обзорный каталог и относящиеся к нему детальные каталоги с "одномерной" и "двумерной" (совпадающей с специальной) классификационными частями

Рис. 3.8. Двумерные" обзорные каталоги и относящиеся к ним детальные каталоги в одномерной" и .двумерной" формах. Несмотря на "двумерность" правый обзорный каталог содержит отдельную специальную часть

Рис. 3.9. Классификация конструкторских каталогов по целевому назначение (и соответствующему содержанию)

Так, например, в случае соединений "вал-ступица" (кат. 4.8.4, 4.8.5) выбрана одно мерная форма и для детального, и для обзорного каталога, а для двухпозиционных Т-переключателей (кат. 4.3.6, 4.3.7) обзорный каталог составлен в одномерной, а детальный - в двумерной форме. Пример использования двумерной формы для обзорного каталога и одномерной формы для детального - каталоги Коллера по "Систематике физических эффектов...". Матрица функциональных величин также составлена подобно двумерному обзорному каталогу (см. рис. 5.30 и 5.31).

Выбор одного из четырех представленных на рис. 3.7 и 3.8 способов организации обзорного и детального каталогов зависит, во-первых, от того, что важнее для конструктора в обзорном (детальном) каталоге - специальные признаки или комбинация классификационных признаков, и, во-вторых, от того, позволяют ли имеющиеся классификационные признаки организовать материал в виде матрицы.

На рис. 3.8 (правый верхний пример) показано, что двумерный каталог иногда можно организовать так, что классификационная и специальная части разделены и соответствуют различным признакам.

Рис. 3.10. Применение конструкторских каталогов и обзорных таблиц при методическом конструировании

Еще одна форма каталога, особенно удобная для организации текстов, приведена на рис. 3.30. Классификационная и специальная части в этом случае размещены не только в заголовочных строках и столбцах, но и непосредственно в тексте, где выделены нумерацией и подчеркиванием. Рис. 3.29 служит доказательством того, что этот каталог практически полон.

3.4. Классификация конструкторских каталогов по содержанию

Если в разд. 3.3 мы различали каталоги по способу их организации, то в настоящем разделе классификация будет проводиться в зависимости от содержания (т. е. от материала каталогов). В соответствии со своим назначением каталоги делятся на три класса (рис. 3.9): объектов, операций и решений.

3.4.1. Каталоги объектов

Конструкторские каталоги этого класса содержат сведения общего характера, не зависящие от конкретной задачи (проблемно-независимые). В частности, это сведения из области физики, геометрии, технологии и материаловедения. Организуются каталоги объектов с помощью средств классификации того или иного типа. Как видно из рис. 3.10, содержащиеся в каталоге объектов "строительные блоки" - хорошо организованные общетехнические знания - помогают конструктору при решении различных задач.

Каталоги объектов могут представлять собой подборки тех или иных способов изготовления, носителей эффектов, самих эффектов, а также идеальных функций. Иногда каталоги этого класса охватывают более узкие области: только технологические процессы, только сведения о площадях, объемах, центрах тяжести, моментах инерции важнейших для конструирования геометрических тел, сведения о физических или технологических свойствах различных материалов и т. п. В качестве объектов могут выступать также однотипные конструкции, как то: шариковые подшипники, четырехзвенные принудительные механизмы (кат. 4.5.2), одноступенчатые передаточные механизмы (кат. 4.7.1) и т. д. Таким образом, в каталогах объектов содержатся обширные, однако никак не соотнесенные с конкретными функциями или задачами - сведения по конструированию. Заметим, наконец, что эти каталоги могут быть полны в строгом смысле, а не только практически, - примером такого каталога является периодическая система химических элементов.

3.4.2. Каталоги операций

Конструкторские каталоги этого класса содержат операции (шаги процедур) или последовательности операций (процедуры), представляющие интерес при методическом конструировании, а также сведения о моментах их применения и условиях их применимости.

В каталогах операций собираются, упорядочиваются и по возможности полно систематизируются правила, необходимые для реализации различных функциональных структур, т. е. правила, которым следует соединять элементы в модели изделия, а также правила варьирования конструкции (кат. 4.10.1), выбора решений, расчетов на прочность или расчетов допусков (кат. 4.12.1) и т. д.

Каталоги операций всегда связаны с вполне определенными объектами, и при этом удобно, если эти объекты, в свою очередь, представлены в каталогах объектов. Правда часто число объектов настолько мало, что вполне можно обойтись без каталога объектов (например, если мы имеем дело с типами уравнений - для применения алгебраических правил или формами контуров - для правил варьирования конструкции).

Каталоги операций призваны, в частности, предоставлять конструктору средства для разработки функциональных структур, алгоритмического целенаправленного варьирования решений, а также для соединения различных объектов.

3.4.3. Каталоги решений

В конструкторских каталогах этого класса с известными задачами сопоставляются функции, с функциями - эффекты, с эффектами - подходящие носители этих эффектов, с носителями эффектов - детали нужной формы и, наконец, с деталями - способы их изготовления. Каталоги этого класса всегда содержат решения задач в пределах одного этапа конструирования. Чаще всего каталоги решений составляются для поиска реализаций тех или иных идеальных функций.

При этом вполне может оказаться, что уровень конкретизации содержащегося в каталоге решения соответствует не данному, а одному из последующих этапов. Так, например, каталог "умножить силу" может содержать решения на уровне эффектов, схем конструкций, эскизов носителей эффектов и даже на уровне рабочих чертежей (см. рис. 3.10, справа). В любом случае, это каталог решений для одних и тех же функций, однако в разных по уровню конкретизации формах представления. При этом, чем конкретнее представление решений в каталоге, тем больше появляется вариантов, и тем труднее становится удовлетворить требовании полноты. Опыт показывает, что функциональные решения разумно представлять на уровне принципиальных схем или эскизов. Ведь чем больше этапов конструирования мы пропускаем, тем более частное получаем решение и тем менее очевидными становятся варианты, которые это решение должно представлять.

3.4.4. Сравнение типов каталогов

Различия в использовании трех типов каталогов хорошо видны на рис. 3.10. Если каталоги объектов и операций содержат сведения об общих, замкнутых в себе множествах объектов или действий, то каталоги решений ориентированы на конкретную поставленную задачу. Каталоги объектов и операций хороши тем, что довольно небольшое число каталогов охватывает обширные группы задач, но, за немногими исключениями, они содержат при этом только часть возможных решений. Каталоги решений, наоборот, содержат сведения только о некоторых функциях, классах функций и т. п., - но при этом позволяют найти (при условии полноты) практически все решения, оказывающиеся в установленных границах. Такая полнота каталогов решений заставляет предпочесть в работе именно их, - если только для поставленной задачи найдется соответствующий каталог. Однако такой каталог имеется далеко не всегда: слишком велико число различных конструкторских задач, чтобы можно было надеяться для всех них составить каталоги решений.

Имеет смысл провести сравнительную оценку трех типов каталогов и выяснить, в каких случаях полезнее составлять каталоги объектов, а в каких - каталоги решений:

1) готовые костюмы (каталоги объектов) являются правилом, они не скроены на определенного человека (задачу), и поэтому во многих случаях они не вполне подходят;
2) костюмы на заказ (каталоги решений) являются исключением, они скроены на определенного человека (задачу) и подходят поэтому в каждом конкретном случае;
3) имея готовый костюм (из каталога объектов) и изменяя его по определенным правилам (из каталога операций), можно получить для данного человека (задачи) вполне подходящий ему костюм (из каталога решений);
4) случайно может оказаться, что готовый костюм (из каталога объектов) настолько подойдет определенному человеку (задаче), как будто бы он был скроен именно на него (взят из каталога решений).

Первое положение означает, что с помощью каталогов объектов можно, хотя и не оптимально, покрыть значительную часть пространства задач; второе - что каталоги решений необходимы, если требуется исчерпать все возможности без исключения; третье - что с помощью каталогов объектов и операций можно получать новые решения; а четвертое - что в каталогах объектов могут непосредственно содержаться нужные нам решения.

Сказанное в четвертом положении изображено на рис. 3.11 с помощью диаграммы Эйлера - Венна. Здесь поставлена задача "умножить момент", и ничто не мешает сделать это при помощи трехзвенных кинематических цепей. В соответствующем каталоге объектов содержатся цепи, среди которых можно найти подходящую для решения данной задачи. Отсюда ясна методика составления каталогов решений (рис. 3.12): из имеющихся в распоряжении каталогов объектов берутся необходимые объекты, из которых потом составляется искомый каталог решений.

Рис. 3.11. Диаграмма Эйлера-Венна, иллюстрирующая использование в роли решений элементов из каталога объектов ввиду отсутствия каталога решений

Рис. 3.12. Составление каталога решений с помощью каталога объектов

3.5. Представление содержания каталогов

Наглядность и полезность каталога в значительной мере зависят от выбранной формы представления. Особое внимание следует обратить на степень абстрактности и на комплексность конкретного содержания, измеряемую, например, числом деталей.

Вопроса о степени абстрактности мы уже неоднократно и с разных сторон касались в ходе изложения (см. рис. 3.10). В первом примере этого рисунка каталог решений "умножить силу" представлен очень абстрактно и содержит только перечень эффектов, во втором - осуществлена конкретизация до уровня структур носителей эффектов, в третьем - до геометрической формы (контуров) носителей эффектов и в четвертом - до их рабочих чертежей.

Если при работе в одной фазе используется несколько каталогов, то уровень абстрактности в них должен быть одним и тем же, - как для классификационной части, так и для изображений главной части. Для идеальных функций оказывается наиболее выгодным представление решений в виде эскизов. При этом на эскизе отражают такие существенные геометрические параметры, как длину и угол, а пренебрегают в первую очередь многообразием вариантов контуров и материала.

Сложность содержания каталога определяется тем, состоят ли решения из немногих элементов или же из большого числа разнородных узлов.

Рекомендуется, no-возможности, разлагать узлы на более простые, удобные в обращении единицы, лучше всего - на отдельные элементы. Чем элементарнее изображаемые объекты, тем меньше их общее число и тем скорее можно достичь полноты. Все объекты, операции, решения каталога должны быть представлены на одном уровне сложности. Если под сложностью конструкции понимать степень разнородности элементов, а под комплексностью - число отношений между элементами, то окажется, что оба показателя растут с увеличением числа элементов (деталей). Поэтому при составлении каталога для начальных фаз наиболее рационально выбирать представления абстрактные и состоящие из немногих элементов, а для заключительных фаз - конкретные, состоящие из большого числа элементов. Тем самым "координаты каталога" должны задавать точку, лежащую в заштрихованной треугольной области рис. 3.13.

Рис. 3.13. Рекомендуемая область для формы представления содержания каталога:
З - фаза формулировки задачи; П - предметная фаза; Ф - функциональная фаза
Оси: "возрастание степени абстракции" и "конкретизация задачи"

Франке предлагает использовать в тех же целях степень комплексности, учитывающую как общее число отношений между элементами, так и количество информации в них (энтропию по Шеннону).

Продолжение следует