Постановка цели и цель метода функционального конструирования

Содержание

Введение          3

1. Постановка цели и цель метода функционального    4

конструирования

2. Качественное конструирование       7

3. Количественное конструирование                10

Заключение                 13 

Литература                 14 

Введение

Метод функционального конструирования разработан профессором Р.Коллером и его учениками (ФРГ) в 1975 г. и предназначен для синтеза технических систем (ТС) на новых принципах действия. В основе метода лежат три составляющих:

- анализ функций технических систем и их элементов;

- систематизированный фонд физических эффектов;

- программа поиска новых физических принципов действия объекта и реализующих их технических решений.

Исходя из того, что любая техническая система характеризуется наличием в ней организованных потоков энергии, вещества или информации, все эти системы Коллер условно делит на три класса: машины, осуществляющие преобразование энергии; аппараты, осуществляющие преобразование веществ, и приборы, осуществляющие преобразование (переработку) информации.

В действительности в современных технических системах могут присутствовать все преобразования потоков.

Рассматривая появление новых технических изделий на рынке, пусть это будет сравнительно простой технический предмет потребления или сложная электронно-вычислительная машина, можно отметить, что их появлению должно быть, предшествовало множество замыслов для того, чтобы обеспечить их возникновение в этой полноте. При современном высоком уровне совершенства технических изделий в их соперничестве на рынке зачастую проявляются лишь некоторые "мелочи", которые обеспечивают удачную конструкцию изделия. Роль общественного продукта промышленной державы, а так же успех предприятия, между прочим, в значительной степени зависят от качества и конкурентоспособности произведенных изделий. Условием для этого является эффективность научного исследования, конструирования и технологии в соответствующей стране или на соответствующем предприятии. Исходя из этого, в целом можно определить важность конструирования для экономики страны и человечества.

Поэтому, исходя из этого значения, кажется необходимым исследовать процесс конструирования и, при известных условиях, выразить его правила для того, чтобы со всевозрастающим объемом научных выводов получать постоянно совершенствующийся "инструмент" для создания более лучших изделий. Описание процесса конструирования при помощи алгоритмов и правил, а так же наличие электронных устройств для обработки данных являются условиями для рационализации и автоматизации процесса конструирования (Конструирование на основе вычислительных машин). Например, имеет мало смысла разрабатывать особую программу вычислительной машины для определения конструкции системы, намного лучше, в результате методического подхода производить систематическое вычисление всех существующих разновидностей конструкций, чтобы, таким образом, сделать предпосылку для разработки универсальной программы.

Существует еще другая, вполне обоснованная причина для разработки и применения метода функционального конструирования. Технические изделия в настоящее время во многих областях уже достигли такой высоты степени совершенства, что их усовершенствование при интуитивном методе работы оказывается возможным с весьма большой затратой времени даже в случае, если помышляют лишь о маленьких шагах. Поэтому в будущем во все возрастающей степени неизбежно придется возвращаться к систематическим методам.

В прежнее время были склонны рассматривать конструирование, в частности, нахождение новых решений для технических задач как творческую деятельность, которая, соответственно оставляла привилегию на конструирование за одаренными конструкторами. Естественно, даже самый оптимальный метод конструирования никогда не сможет полностью заменить способности гениального или даже пусть средне одаренного инженера, но, благодаря методическому подходу, то и другое в их эффективности в значительной мере поддерживается и стимулируется.

Существует три стадии разработки технических систем методом функционального конструирования

- постановка цели;

- выбор физических эффектов для реализации каждой функции и принципиальных технических решений (качественное конструирование);

- разработка конструкторской документации заключается в подготовке технического и рабочего проекта (количественное конструирование).

1.   Постановка цели и цель метода функционального конструирования.

Постановка задачи включает формулирование цели, условий и ограничений и построение функциональной структуры технической системы (что соответствует составлению технического задания).

Описав цель разработки и создания технической системы, 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. Общую (главную) функцию рекомендуется изображать графически в виде черного ящика, имеющего "вход" и "выход"(рис.1.1). Затем составляется список основных требований к технической системе с учетом пожеланий потребителей, включающий наиболее важные и принципиальные условия и ограничения выполнения общей (главной) функции.

Рисунок 1.1. Отвлеченное изобретение технической системы (черный ящик) с пунктами пересечения на входе и выходе для энергии, материала и сигналов.

После этого приступают к построению структуры элементарных функций, соответствующих основным операциям. В любой сложной системе можно выделить функциональные узлы, в соответствии с чем общая функция может быть разделена на подфункции 1-го уровня. Аналогично найденные подфункции 1-го уровня могут быть разбиты на подфункции 2-го уровня и т. д. Разбивка функций на подфункции более низкого уровня осуществляется до тех пор, пока они не будут соответствовать элементарным (неделимым) функциям, каждая из которых должна соответствует какой-либо основной операции, для чего полученные функции сопоставляются со списком основных операций.

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". Коллер утверждает, что все функциональное многообразие технических систем сводится к 12 парам противоположных основных операций (рис.1.2).

Рис.1.2. Физические элементарные функции, или основные операции, и их условные обозначения

При построении структуры  используя известные алгебраические (сложение, вычитание, умножение, деление и т. д.) и логические ("и", "или", "не") действия, получают альтернативные структуры, отсеивая недопустимые структуры, противоречащие основным законам природы. Далее отбирают те структуры, которые существенно отличаются друг от друга.

2. Качественное конструирование

Выбор физических эффектов для реализации каждой функции и принципиальных технических решений по другому называется качественное конструирование.

Суть этапа разработки: после разработки структуры элементарных функций осуществляется ее реализация с помощью подбора одного или нескольких физических эффектов, у которых наименования физических величин совпадают с наименованиями физических величин на входе и выходе элементарной функции соответственно, и их носителей.

Важным шагом на пути к методу конструирования явился вывод относительно того, что процессы в технических системах можно свести к конечному числу элементарных операций. Для вывода этих основных операций важно то представление, что в технических системах могут быть только потоки энергий, материалов или сигналов, которые каким-либо образом передаются и/или изменяются (преобразуются) соответствующими системами.

Запись в виде математических символов GA=>GB позволяет выяснить, что, например, энергия вида А должна превращаться в энергию вида B в результате процесса "Превращение". Стрелка означает то же самое, что и "Превращение", она указывает на то, в результате какого вида деятельности должен быть реализован этот процесс. Стрелку следует рассматривать как операнд вышеназванного выражения функции, подобно тому как знак сложения (+) может быть операндом обычной математической функции и, рассматриваемый сам по себе, не дает никаких сведений о том, какие величины должны суммироваться друг с другом.

Поиск физического эффекта производится с помощью указателя физического эффекта 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 физического эффекта. Все возможные реализации структур элементарных функций с помощью различных физических эффектов сводятся в структуры (рис.2.1). Каждая такая структура еще называется физическим принципом действия технической системы. Затем на основании анализа принципов действия осуществляется выбор наиболее перспективных физических принципов действия для последующей проработки. Для этого рекомендуется использовать морфологический анализ.

1. Условное обозначение физических элементарных функций и идентичные условные обозначения, принятые в различных отраслях (сопоставление)

Выбор носителей физического эффекта осуществляется с помощью справочников по веществам и материалам. После выбора материалов проводится конструкторская проработка.

Аналогично основным вышеназванным физическим операциям, существуют известные алгебраические операции. Таковыми являются:

- сложение и вычитание,

- умножение и деление,

- возведение в квадрат  и извлечение корня,

- интегрирование и дифференцирование.

Примечательно то, что как у физических, так и у алгебраических основных операций имеются обратные операции. Поскольку основные алгебраические операции точно также встречаются в технических системах - имеются устройства, которые, в основном, выполняют только математические операции, - то их, наряду с основными физическими операциями, целесообразно использовать для синтеза функций технических систем.

Рис.2.2. Основные математические операции.

Совокупность этих операций и их символы показаны на рисунке 2.2. В качестве примеров технических устройств, в которых реализованы математические операции, могут служить известные механические настольные счетные машины, планиметры, аналоговые вычислительные машины и т.д.

Основные логические операции (Буля).

Технические системы зачастую включают в себя не только основные физические или алгебраические, но и логические операции. Последние, например, встречаются в безопасных схемах технических и пассажирских лифтов. Кроме того, для клавиатур (кодирующего или декодирующего устройств), а также для электронно-вычислительных машин или для подобных систем почти исключительно необходимы элементы конструкций, которые могут производить логические операции. Таким операциям, например, соответствует отрицание, которое также называется логическим отрицанием или функцией "НЕ", конъюнкция, называемая также функцией "И" или операцией "И", а также дизъюнкция, которая называется также операцией "ИЛИ". Эти операции и соответствующие им условные обозначения схем соединений подобраны на рисунке 2.3.

При этом двум переменным на входе А и В с символом А соответствует переменная с отрицанием ( - не А ) (инверсированная переменная), уравнению С = АВ (в соответствии с промышленным стандартом ФРГ, ДИН 66000: С = А V В) в форме алгебраической схемы соответствует операция "И", а уравнению С =А + В (в соответствии с промышленным стандартом ФРГ, ДИН 66000: С= A^B) в форме алгебраической схемы соответствует операция "ИЛИ".

Рис.2.3. Основные логические операции (Буля)

Прежние высказывания приводят к гипотезе, что должно было бы оказаться возможным представить все желаемые технические операции, которые, в конечном счете, должны быть реализованы в виде машин, приборов и аппаратов, в результате объединения приведенных основных операций (синтез функций). Действительно также обратное высказывание: все операции в машинах, приборах и аппаратах можно свести к названным основным физическим, алгебраическим и логическим операциям (анализ функций).

Качественная фаза конструирования завершается разработкой качественного проекта. Под этим понимают сборочный чертеж подлежащего разработке технического устройства в масштабе, который содержит все важные сведения о функции, размерах, форме, соответствии положения и числе отдельных узлов и элементов конструкции системы.

3. Количественное конструирование.

Разработка конструкторской документации заключается в подготовке технического и рабочего проекта, этот этап имеет обозначение по Коллеру - количественное конструирование.

Таким образом, предложенная Коллером последовательность операций позволяет перейти от постановки задачи к ее принципиальному решению.

Параметры, выявленные при разработке качественного проекта, измеряются в нижеследующем количественном процессе конструирования. Невозможно полностью отделить друг от друга процесс качественного и количественного проектирования, потому что практически невозможно создать ни одной детали, не установив, по меньшей мере, примерно, ее параметры. Следовательно, оба вида деятельности, как качественный, так и количественный процессы конструирования совершаются на практике до некоторой степени параллельно.

Количественный процесс подразумевает объединение "комбинированных" принципиальных решений, соответствующих отдельным элементарным функциям согласно структуре элементарной функции, в комплексные системы. Этот рабочий шаг, по мере необходимости, должен проводиться перед конструированием, так как отдельные элементы, по причине сильного взаимного влияния, неотделимые от своих смежных элементов, могут конструироваться рационально.

Машины, приборы и аппараты обычно состоят из большого количества функциональных элементов или узлов. Узел в большинстве случаев состоит из нескольких функциональных элементов. Под функциональным элементом здесь, по договоренности, должна пониматься техническая реализация элементарной функции. В предшествующих рабочих шагах, в общем, для каждой подфункции или элементарной функции получали несколько альтернативно применимых решений. Для того, чтобы сократить многообразие решений, было бы желательно иметь объективные критерии для определения, в зависимости от обстоятельств, самого оптимального решения для подфункции или элементарной функции. К сожалению, решение, рассматриваемое само по себе оптимальным, помимо исключений. в сочетании с существующей общей системой не всегда является самым оптимальным решением. Это означает, что во многих случаях сначала необходимо объединять в общую систему отдельные частичные решения, а затем, применительно к оптимальной пригодности, следует выбирать их для частного случая. Для систематического и непрерывного проведения комбинации отдельных частичных решений в соответствующую общую систему можно использовать комбинационную систематику, которая стала известной под названием "морфологический ящик".

Для того, чтобы излишне не завышать число возможных комбинаций, перед этим рабочим шагом следует выделять все альтернативы решений для отдельных подфункций или элементарных функций, о которых также при дискретном рассмотрении без сомнения можно сказать, что они не приведут ни к каким пригодным решениям. Остающиеся возможности решений при помощи ключевого слова записываются в комбинационную систематику, как это показано в табл. 3.1. В горизонтальном направлении в соответствующей строке записываются соответствующие возможности решений для подобной подфункции или элементарных функций. Число строк соответствует числу подфункций или элементарных функций, составляющих общую систему; число столбцов строки соответствует числу возможных решений для определенной функции.

Группа альтернатив принципиальных решений, состоящая, соответственно, из одной альтернативы в каждой строке, дает черновой набросок для соответствующей общей системы. Если n1, n2, n3... и т.д. число вариантов решений, расположенных в соответствующих строках (1, 2, 3 и т.д.), то теоретически получаются комбинации, отличные одна от другой

N n1·n2·n3·...·nn

Каждая из этих комбинаций представляет возможный черновой набросок для соответствующей общей системы. Необходимо от случая к случаю проверять, какие комбинации практически целесообразны и какие нет.

Возможная комбинация 
(черновой набросок)

Таблица 3.1.Комбинационная систематика (морфологический ящик)

При помощи такой систематики какие-либо альтернативы решений, в принципе, можно систематически комбинировать в комплексные системы. Так, например, по подобной схеме альтернативы эффекта и носителей эффекта можно объединять в принципиальные решения или уже существующие элементы конструкций в узлы, узлы в машины, или машины и приборы в еще более комплексные системы. Для проведения рабочего шага получается. таким образом, следующее:

  Различные черновые наброски технических систем получают в результате комбинирования подходящих элементов посредством комбинационной систематики согласно таблице 3.1. В частности, по правилам этой матрицы альтернативы эффекта и альтернативы носителей эффектов можно комбинировать в различные принципиальные решения, альтернативы функциональных элементов в узлы, альтернативы узлов - в машины, или альтернативы машин, приборов или аппаратов в более комплексные системы.

Из множества возможных комбинаций, которые дает этот метод, по мере возможности, следует выбирать самое оптимальное решение или самые оптимальные решения для данного случая. Следовательно, результатом этого рабочего шага является, лучше всего, выходящий черновой набросок для технической системы, подлежащей разработке. Степень реализации, которая достигнута в этой стадии, соответствует степени реализации принципиального решения. В последующих рабочих шагах отдельные элементы конструируются с учетом их взаимных связей и объединяются в масштабе проекта. В последующих разделах еще подробнее остановимся на необходимых для этого видах деятельности.

Заключение

Метод функционального конструирования, предложенный Р.Коллером, основан на полном абстрагировании от конструктивных особенностей объекта. Внимание концентрируется на анализе функций, которые этот объект должен выполнять. При реализации уточняется основная функция объекта, которую представляют в виде совокупности элементарных парных (прямых и обратных) операций (излучение — поглощение, увеличение — уменьшение, соединение — разъединение, объединение — разделение и т.д.). Метод также предусматривает применение математических и логических операций. Выделение элементарных операций позволило осуществлять комбинаторный поиск их возможных носителей для воспроизведения основных функций конструируемых объектов.

  К достоинствам метода можно отнести:

- удачное структурирование фонда физических эффектов,

- удобное для поиска новых принципов действия технических систем и реализующих их технических решений.

Недостатки метода:

- отсутствие критериев для выбора наилучших вариантов среди множества возможных, для большинства "основных операций" нет указателей физических эффектов, отсутствуют также указатели химических, геометрических и биологических эффектов;

- неоднозначность синтеза функциональной структуры, многовариантность действий, зависящих от субъективных факторов;

- необходимость рассмотрения очень большого числа вариантов.

В соответствии с вышеуказанным можно сделать вывод, что метод пригоден при автоматизированном поиске конструкций для реализации новых технических решений [2].

Литература

1. Половинкин А.И., Вершинина Н.И., Зверева Т.М. Функционально-физический метод поискового конструирования. Учебное пособие - Иваново: ИЭИ, 1983.

2. Koller R. Konstructionsmethode fьr den Mashinen-, Gerдte- und Apparatebau. Berlin - Heidelberg - New-York: Springer -Verlag, 1976