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.