4 принципы и задачи проектирования

Министерство образования и науки Украины
Государственное высшее учебное заведение
«Приазовский государственный технический университет»
Е. И. Иванов
Теория технических систем
Учебное пособие
для студентов заочной формы обучения
Мариуполь
2015
УДК 621.9.114
ББК 621.001.2(075.8)
И 20
Утверждено к печати Ученым советом ГВУЗ
«Приазовский государственный технический университет»
как учебное пособие для студентов высших учебных
заведений (протокол № 12 от 28 мая 2015 г.)
Рецензенты:
Коломиец В. В. – Академик Транспортной академии Украины,
доктор технических наук, профессор кафедры физики, теоретической
механики и деталей машин Харьковского национального технического
университета сельского хозяйства им. П. Василенка;
Козаченко А. В. – доктор технических наук, профессор
кафедры технических систем и технологии животноводства
Харьковского национального технического университета сельского
хозяйства им. П. Василенка;
Самотугин С. С. – заведующий кафедрой металлорежущих
станков и инструментов Приазовского государственного технического
университета (г. Мариуполь) доктор технических наук, профессор.
И 20
Иванов Е. И.
Теория технических систем : учебное пособие для
студентов заочной формы обучения / Е. И. Иванов. –
Мариуполь : ПГТУ, 2015. – 107 с.
В учебном пособии рассмотрены основные понятия и определения
технических систем, свойства систем, модели систем преобразований и
концепции проектирования технических систем. Учитывая специфику
машиностроительного производства в качестве примера рассмотрены
разновидности станочных систем.
Кроме этого рассмотрены основные принципы и задачи проектирования
технических систем, методы и способы принятия решений и новые методы
проектирования (дивергенция, трансформация, конвергенция).
Работа подготовлена в целях ознакомления студентов с научным
подходом проектирования технических систем. Предназначена для студентов
направления подготовки 6.050502 «Инженерная механика», 6.050503
«Технологии машиностроения» всех форм обучения.
УДК 621.9.114
ББК621.001.2(075.8)
 Е. И. Иванов, 2015
 ГВУЗ «ПГТУ», 2015
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................. 6
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ............................................. 9
1.1 Множество, система, назначение и
функционирование систем ................................................. 9
1.2 Структура системы, связь между структурой .......... 11
1.3 Окружение системы, вход и выход системы ............ 11
1.4 Свойства систем и их оценки..................................... 13
1.5 Состояние системы и ее возможная модель ............. 13
1.6 Типы систем и задач ................................................... 14
1.8 Типы и виды отношений ............................................ 18
1.9 Выводы ......................................................................... 23
2 СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЙ .................................... 24
2.1 Общие понятия ............................................................ 24
2.2 Модель системы преобразований .............................. 25
2.3 Элементы системы преобразований.......................... 27
2.4 Выводы ......................................................................... 29
3 КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ ................................................................................ 32
3.1 Номенклатура обрабатываемых деталей .................. 35
3.2 Разновидности станочных систем ............................. 41
3.2.1 Станки с числовым программным управлением
......................................................................................... 42
3.2.2 Многооперационные станки ............................... 43
3.2.3 Гибкие станочные системы ................................. 45
3.2.4 Тактовые автоматические линии ........................ 48
3.3 Разработка концепции технической системы .......... 50
3.4 Выводы ......................................................................... 52
4 ПРИНЦИПЫ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ........... 54
3
4.1 Иерархические уровни описаний проектируемых
объектов ............................................................................. 54
4.1.1 Общая задача. Спроектировать автоматическую
линию (АЛ) для механической обработки корпусных
деталей ........................................................................... 55
4.1.2 Нерасчленимые задачи проектирования........... 58
4.2 Составные части процесса проектирования ............. 59
4.2.1 Основные этапы проектирования ....................... 60
4.2.2 Нисходящее и восходящее проектирование...... 62
4.2.3 Внешнее и внутреннее проектирование ............ 63
4.2.4 Аспекты описаний проектируемых объектов ... 64
4.2.5 Унификация проектных решений и процедур .. 65
4.2.6 Виды описаний объектов и классификация их
параметров ..................................................................... 66
4.3 Требования к проектам новых Т-систем................... 67
4.4 Основы системного подхода в проектировании ...... 68
4.5 Выводы ......................................................................... 72
5 МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ........ 74
5.1 Матрицы решений....................................................... 76
5.2 Таблицы принятия решений (таблицы соответствий)
............................................................................................. 78
5.3 Графы зависимостей ................................................... 80
5.4 Выводы ......................................................................... 82
6 НОВЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ...................... 83
6.1 Проектировщик как «черный ящик»......................... 83
6.2 Проектировщик как «прозрачный ящик» ................. 84
6.3 Проектировщик как самоорганизующаяся система 86
6.4 Проектирование как трехступенчатый процесс ....... 87
6.4.1 Дивергенция ......................................................... 87
6.4.2 Трансформация .................................................... 88
6.4.3 Конвергенция ....................................................... 89
6.5 Методы исследования проектных ситуаций при
создании технических систем (дивергенция). ............... 90
6.5.1 Формулирование задач ........................................ 90
4
6.5.2 Поиск литературы ................................................ 91
6.5.3 Выявление визуальных несоответствий ............ 92
6.5.4 Интервьюирование потребителей ...................... 92
6.5.5 Анкетный опрос ................................................... 93
6.5.6 Исследование поведения потребителей ............. 94
6.5.7 Системные испытания ......................................... 94
6.5.8 Выбор шкал измерения........................................ 95
6.5.9 Накопление и свертывание данных.................... 95
6.6 Методы поиска идей ................................................... 96
6.6.1 Мозговая атака ..................................................... 96
6.6.2 Синектика ............................................................. 97
6.6.3 Ликвидация тупиковых ситуаций ...................... 97
6.6.4 Морфологические карты ..................................... 97
6.7 Методы исследования структуры проблемы ........... 98
6.7.1 Матрица взаимодействий .................................... 98
6.7.2 Сеть взаимодействий ........................................... 98
6.7.3 Анализ взаимосвязанных областей решения
(AIDA) ............................................................................ 99
6.7.4 Трансформация системы ..................................... 99
6.7.5 Проектирование нововведений путем смещения
границ ........................................................................... 100
6.7.6 Проектирование новых функций...................... 100
6.7.7 Определение элементов по Александеру ........ 101
6.7.8 Классификация проектной информации ......... 102
6.8 Методы оценки (конвергенция)............................... 102
6.8.2 Выбор критериев ................................................ 103
6.8.3 Ранжирование и взвешивание ........................... 103
6.8.4 Составление технического задания .................. 104
6.8.5 Индекс надежности по Квирку ......................... 105
6.9 Выводы ....................................................................... 105
Литература ........................................................................... 107
5
ВВЕДЕНИЕ
Решение проблем интенсивного развития экономики
выдвинуло
большое
количество
дополнительных
инженерных задач, связанных с экономией трудовых
ресурсов, сырья, материалов, энергии, а также с
повышением производительности, качества и технического
уровня
изделий,
сокращением
ручной
малоквалифицированной и монотонной работы, и т.п.
Поэтому для обозначения «абстрактной машины»
целесообразно
использовать
термин
«техническая
система». В связи с этим данная книга получила название
«Теория технических систем», а не «Теория машинных
систем».
Техническая система в общем виде является
совокупностью элементов и отношений (связей), которые
образуют целостную структуру объекта.
Теория технических систем важна для создания
общей картины в области техники и будет способствовать
совершенствованию инженерных дисциплин, где она
может и должна служить в качестве обобщающей теории.
Приведем еще несколько причин, по которым
следует создать теорию технических систем и покажем
некоторые преимущества объединения системных теорий.
1. Выявляя общие закономерности, справедливые для
всех объектов техники, теория технических систем
способствует перенесению профессионального опыта из
одной области в другие.
2. Разработка подхода к инженерной деятельности,
не связанного с конкретным объектом техники и
приемлемого во всех специальных областях, который
позволит объединить все объекты техники в класс
«технические системы». С помощью этого подхода можно
изучать и разрабатывать методы конструирования
6
технических систем вообще и систем определенного
класса в частности.
3. Инженеры применяют научные методы там, где
силы воображения и опыта недостаточно.
4. Теория технических систем использует системный
подход, т.е. позволяет трактовать любую техническую
проблему целостно. Такой подход является предпосылкой
эффективного конструирования и успешного выполнения
любых инженерных работ.
5. При использовании кибернетики облегчается
формализация
некоторых
операций
в
процессе
конструирования,
поскольку широкое
применение
вычислительных
устройств
требует
построения
алгоритмов логических операций. Следовательно, теория
технических
систем
связана
с
развитием
автоматизированного проектирования.
6. При выполнении разбиения технических систем на
классы, инженеры смогут получить базу для выявления
большого
количества
способов
осуществления
определенной функции или определенного отношения.
Таким способом создаются предпосылки для того, чтобы
из множества всевозможных решений выбрать наилучшие.
С практической точки зрения, необходимо создать каталог
конструкций.
Теория технических систем ориентирует на
конечную цепь и позволяет видеть взаимосвязи, понимать
и применять целостность как принцип, а также
распознавать в различных технических объектах
существенные аналогии и отношения. Поэтому инженерыконструкторы очень заинтересованы теорией технических
систем.
Курс «Теория технических систем» является базовым
для формирования у специалиста творческого потенциала,
необходимого для самостоятельной постановки новых
7
инженерных задач, решения задач поиска новых
конструкторско-технологических решений, которые, в
конечном счете,
обеспечат
повышение качества
продукции, достижения светового уровня созданных
объектов, всестороннее развитие и экономию ресурсов.
8
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
1.1
Множество,
система,
функционирование систем
назначение
и
Множеством считается совокупность наблюдаемых
или мыслимых объектов. Отдельные части множества
называют элементами множества.
По числу элементов, входящих в множество,
различают
конечные и
бесконечные множества.
Принадлежность элемента Х множеству М записывают в
таком виде Х  М.
Считается, что два множества М и N эквивалентны,
если каждому элементу множества М точно соответствует
элемент множества N. Обратное также верно.
Если все элементы множества N содержатся в
множестве М, то говорят, что N – подмножество М и
пишут N  М. Совокупность всех не принадлежащих N
элементов М называют дополнением ко множеству N.
Объединение множества М и множества N (пишут
так М  N) – это множество, все элементы которого
принадлежат одному из множеств, либо М, либо N.
Пересечение М  N – это множество, содержащее все
элементы как множества М, так и множества N.
Системой мы будем называть совокупность,
образованную или упорядоченную по определенным
правилам из конечного множества элементов. В этой
совокупности элементов, как правило, существуют
некоторые отношения.
Понятие элемент и система относительны. Возможен
вариант, когда элемент являться системой меньших
элементов, а система может быть элементом некоторой
системы.
Например,
некоторый
автомат
можно
9
рассматривать как систему, образованную множеством
элементов, с другой стороны, автомат может быть
элементом большого предприятия.
Сложную систему в практических задачах, как
правило, разделяют на подсистемы различной сложности.
С помощью такого разделения система может изучаться
глубже и с различных точек зрения, зависящих не только
от самой системы, но и от технических возможностей, а
также от органов чувственного восприятия.
Например, при конструировании технических систем
любой сложности элементы системы не рассматриваются
на молекулярном или атомарном уровне: нижним уровнем
рассмотрения при этом являются детали машин, каждая из
которых может рассматриваться как подсистема,
состоящая из совокупности тел (элементов) более простой
формы. Объект рассмотрения для конструктора – автомат,
для проектировщика – целые предприятия. В отличие от
этого, для материаловеда или химика элементами системы
(материала), то есть объектами рассмотрения, будут
служить молекулы и атомы вещества.
Понятие «система» можно подставить в один ряд с
такими понятиями как структура, окружение, поведение,
назначение, выход, вход, состояние и свойство.
Изначально любая созданная система имеет
определенное назначение, которое описывается системой
целей.
Цель – это некоторое (возможно, воображаемое)
состояние, которое является желательным, и к которому
стремятся. Системой целей можно назваться множество
целей и отношений между ними. Существует такое
понятие как подцель, которое конкретизирует цель.
Подцель обычно является средством достижения цели.
Поведение любой системы определяется множеством
последовательных во времени состояний. К примеру,
10
поведение биологических систем можно трактовать как
реакцию на раздражения.
Цель создания технических систем – получение
определенного, желаемого их поведения. Поведение
системы, подчиненное определенным законам, называют
функцией. Под функцией понимается некоторая
стабильная способность к определенным действиям, что
обеспечивается правильным поведением системы. В
общем случае, система может функционировать
неправильно. «Поведение» рассматриваемых технических
систем мы будем называть функционированием.
1.2 Структура системы, связь между структурой
и функционированием системы
Понятие структура (Str) характеризует внутреннюю
организацию, определенный порядок и построение
системы. Следовательно, структура – это совокупность
элементов и отношений между ними.
Функционирование системы задается ее структурой и
отношениями между элементами системы. Замкнутая
система
с
заданной
структурой
функционирует
однозначно, т.е. ее структура полностью определяет
способ функционирования.
С другой стороны, функционирование не всегда
может определять структуру однозначно. Одна и та же
функция может осуществляться различными структурами.
1.3 Окружение системы, вход и выход системы
Окружение (Umg) системы, в общем случае – все то,
что не входит в данную систему. Далее мы ограничимся
окружением, состоящим из систем, включающих один или
более элементов, выход, которого является в то же время
11
входом некоторого элемента системы, либо элемент, вход
которого является одновременно выходом некоторого
элемента системы. Такое окружение будем называть
реальными окружениями. Полное же окружение любой
системы включает
следующие составные части:
астросфера, атмосфера, биосфера, геосфера, техносфера.
Внешнее отношение окружающая среда → система
принято называть Вход (In). Входная величина зависит от
вида системы и может быть как действием, так и связью
(отношением) или параметром состояния объекта
(операнда).
Множество
всех
входов
составляет
обобщенный
вход, который, в общем случае,
представляется как вектор отдельных входов.
Внешнее отношение система → окружающая среда
принято называть Выход (Ou). Выходная величина также
зависит от вида системы и может быть как действием, так
и связью или параметром состояния операнда.
Множество всех выходов составляет обобщенный
выход – вектор отдельных выходов. Единственными
связями системы с окружающей средой являются входная
и выходная величины. Входы и выходы системы содержат
все виды связей с окружающей средой, как желательные,
так и нежелательные. Сюда входят также связи
энергетического
(Еn),
информационного
(I)
и
материального (S) характера.
12
1.4 Свойства систем и их оценки
Любая система, элементы системы, а также
отношения в системе обладают свойствами (Е),
присущими этой системе и точно ее определяющими.
Такими свойствами является масса, стабильность,
размеры, форма, скорость, а также транспортабельность и
технологичность. Одним из важных свойств является
способность функционировать, т.е. что-либо делать.
Свойство – всякий существенный признак объекта. Не
существует объектов без свойств. Обратное тоже верно.
Одинаковые свойства можно различить
степень
воплощения этих свойств. На этой почве возникает
проблема количественного определения (измерения,
квантификации) свойства.
Как правило, существенные свойства объекта
выбирают для совокупной характеристики объекта, для его
оценки. При этом говорят о совокупной, частной и
обобщенной оценках, обобщенном качестве или ценности.
Чтобы получить совокупную оценку, измеряют отдельные
свойства и частные оценки превращают в обобщенные.
1.5 Состояние системы и ее возможная модель
Множество значений свойств системы в каждый
определенный момент времени принято называть
состоянием системы. Аналогично входу и выходу
состояние системы можно определить как вектор,
имеющий отдельные свойства в качестве компонентов.
При определении состояния или качества абстрагируются
от большей части несущественных свойств.
Состояние системы в различные моменты времени
может быть одинаковым или различным. Разность –
различие между состояниями. Разность возникает при
13
переходе с течением времени системы из одного состояния
в другое. Разность, может быть дифференциальной
(непрерывный переход к следующему состоянию) либо
дискретной.
Модель (рис. 1.1) иллюстрирует приведенные выше
определения и их взаимосвязь.
Рисунок 1.1 – Модель системы
1.6 Типы систем и задач
Типы систем зависят от критериев, применяемых для
типизации систем. Системы можно классифицировать
следующим образом.
1) По изменению состояния:
- статические (неизменные во времени);
- динамические (изменяются во времени).
2) По типу элементов (в смысле их конкретности):
- абстрактные (элементы – отвлеченные объекты);
14
- конкретные (элементы – реальные объекты).
3) По характеру функционирования:
- стохастические (возможны различные варианты
функционирования);
- детерминированные
(однозначное
функционировании системы).
4) По происхождению системы:
- искусственные (созданные искусственным путем);
- естественные (созданные самой природой).
5) По виду элементов:
- системы типа «процесс» (элементы – операции:
точение, фрезерование, шлифование, сборка);
- системы типа «объект» (элементы – предметы:
станок, автоматическая линия, изделие).
6) По характеру зависимости выхода:
- секвентивные (выход зависит не только от входа);
- комбинаторные (выход зависит только от входа).
7) По степени сложности структуры:
- простые
(болтовое
соединение,
семейная
библиотека);
- сложные (библиотека университета, легковой
автомобиль);
- очень сложные (автоматизированное предприятие;
производственный цех);
- предельно сложные (мозг, глаз, народное
хозяйство).
Задачи систем.
Задача анализа – задана структура, определить
функционирование системы.
Задача синтеза – заданы характер функционирования
и другие требования к системе, определить структуру,
удовлетворяющую данные требования.
Задача «черного ящика» – когда задана система,
структура которой неизвестна или известна частично.
15
Требуется определить ее функционирование и, возможно,
структуру.
Далее систему мы будем изображать в виде
четырехугольника, круга или их комбинации, используя
для систем типа «объект» обозначение (ТС), а для систем
типа «процесс» – (Р) (рис. 1.2).
Система типа
«процесс»
Р
Процесс
принятия
решения
Р
Система типа
«объект»
ТС
или
Техническая
система
Рисунок 1.2 – Графическое обозначение двух типов систем
1.7 Система типа «процесс»
Термин «процесс» означает: что-то совершается,
происходит, т.е. изменяется с течением времени. В
природе «все течет, все изменяется», нескончаемое чтонибудь происходит. Естественным изменениям, т.е. таким
процессам,
как
старение,
выветривание,
эрозия,
подвержены даже самые стабильные объекты (скалы и
горы). То же самое относится и к биосфере.
Человек в течение всей своей жизни с целью
осуществления необходимых или желательных изменений
организует искусственные процессы. Все эти изменения
направлены на удовлетворение как материальных, так и
нематериальных человеческих потребностей. Человек,
подчиняющийся законам природы, все же может ускорить,
усилить или улучшить некоторые природные процессы
16
или их свойства. Важную роль в жизни людей играет
целенаправленное изменение определенных объектов.
Преобразованием назовем искусственные процессы,
в которых претерпевают изменения те или иные свойства
объекта при непосредственном участии технических
средств, людей, вследствие чего достигается желаемое
состояние операнда.
Преобразование является следствием определенных
воздействий, основанных на химических, физических или
биологических явлениях. Эти воздействия, как правило,
описываются некоторой инструкцией – алгоритмом,
рецептом, технологией. Термин «операнд» (Оd) нами
выбран в качестве общего назначения всех состояний,
предметов
и
систем,
которые
подвергаются
целенаправленному преобразованию.
Рисунок 1.3 – Модель процесса преобразования
С помощью операторов происходит воздействие на
операнд. Выходы операторов – любое воздействие. Общая
модель процесса преобразования изображена на рис. 1.3.
Воздействия операторов энергии (Еn), материи (S) и
информации (I).
17
Процесс преобразования – совокупность операций
(О), алгоритм – это однозначно определенная неизменная
последовательность операций, которая действительна в
течение всего процесса преобразований либо меняющаяся
в зависимости от полученного результата выполненной
операции. Следовательно, алгоритм можно определить как
упорядоченную совокупность операций, их отношений и
условий перехода от одной операции к другой. Можно
провести параллель между понятиями алгоритма и
технологического процесса, представляющего собой
последовательность операций изготовления изделия.
Типичные виды процессов в технике – управление и
регулирование. Управление – это процесс, посредством
которого одна или более одной входных величин
действуют желательным образом на другие выходные
величины. Регулирование – это непрерывный процесс
сопоставления некоторых изменяемых величин с
эталонными (управляющими). При этом стремятся, чтобы
отклонение регулируемых величин стремилось к нулю.
1.8 Типы и виды отношений
Взаимозависимость или воздействие двух и более
объектов либо явлений абстрактного или конкретного типа
называется отношением ®.
Объективные, определенные отношения, которые
поддаются описанию в соответствии с физическими и
логическими законами, необходимо учитывать при
конструировании любой системы. Отношения, в общем
случае, связывают отдельные элементы в различные
системы. Обозначение R(Х,Y) означает, что выражение
«объект Х находится в отношении R к объекту Y».
Существуют три типа отношений: симметричное,
18
рефлексивное и транзитивное. Эти типы отношений можно
охарактеризовать так:
а) симметричность – если объект 1 эквивалентен
объекту 2, то объект 2 эквивалентен объекту 1;
б) рефлексивность – каждый объект системы
эквивалентен самому себе;
в) транзитивность – если объект 1 эквивалентен
объекту 3 и объекту 2 эквивалентен объекту 3, то объект 1
эквивалентен объекту 2.
При выполнении условий (а, б, в) отношение
называется отношением эквивалентности.
Отношение между двумя объектами называют
корреляцией. Корреляция является математической
моделью отношения в обобщенной форме.
Отношение сходства между двумя или более
системами,
определяемое
некоторыми
общими
свойствами, называется подобием.
Диапазон степеней подобия лежит в интервале от
частного сходства до полного равенства (идентичности).
Существуют функциональное, структурное и другие виды
подобия.
Подобие
объектов
принято
понимать
как
одинаковость формы (здесь не подразумевается равенство
по величине). При математическом и физическом
моделировании отношение подобия имеет большое
значение. С помощью законов подобия можно легко
определить условия, при выполнении которых результаты
экспериментов оказываются справедливыми для реальных
условий. Путем перечисления множества свойств,
участвующих в данном отношении, может быть
определена область подобия.
Аналогия. Аналогией
назовем соответствие
существенных свойств, структур, признаков или функций
явлений или объектов. Термин аналогия в некоторых
19
источниках может употребляется в том же смысле, что и
подобие.
Гомоморфизм. Гомоморфизм – отношение между
двумя системами, когда каждое отношение одной системы
и каждую составную часть этой системы можно
отобразить на некоторое отношение и некоторую
составную часть другой системы (обратное, в общем
случае, не верно). При создании такого отношения и при
выполнении соответствующих условий подобия можно
перенести результаты модельных экспериментов на
натуру. Область подобия при этом может быть определена
как пересечение множеств свойств.
Изоморфизм. Изоморфизм – отношение между
двумя системами, при котором каждой составной части
системы 1 может быть противопоставлена в соответствие
определенная составная часть системы 2. Такое отношение
подразумевает выполнение условия симметричности, а
также условия, когда для каждого отношения между
составными частями системы 1 имеется такое же
отношение в системе 2 (обратное также верно).
Идентичность. Идентичность – отношение между
процессами
или
объектами,
характеризующимися
одинаковыми признаками (свойствами). Если одинаковы
все признаки (свойства), то говорят об абсолютной
идентичности. При относительной
идентичности
одинаковы только некоторые свойства (в таком случае
имеет место подобие).
Эквивалентность. Если между объектами или
процессами
имеется
отношение
эквивалентности
(равноценности), то такие отношения называются
эквивалентными. Эквивалентность, в общем случае,
полнее идентичности, так как для идентичности
выполняется только условие рефлексивности. Понятия
20
абсолютная эквивалентность и идентичность в технике
часто используются как синонимы.
Математические функции. В любых системах
важный
класс
отношений
выражается
через
математические функции, под которыми подразумевается
закономерные зависимости какого-либо процесса f от
переменной х. Такую зависимость обычно в математике
записывают в таком виде: у =f(х). Такие математические
функции точно выражают установленное отношение
между х и у, т.е. описывается детерминированная связь.
Связь. Под отношением связи подразумевают
определенные выходы элемента (системы), которые
одновременно являются входами какого-либо элемента
(системы). Связь может быть обратной, прямой
(последовательной
либо
параллельной)
или
комбинированной
(рис.
1.4);
она
может
быть
энергетической, информационной или материальной.
Причинность. Причина и вызванное ею действия
образуют асимметричное отношение. Известно, что
причина побуждает действие. Существует ослабленная или
строгая форма (детерминированная – «если …, то»)
причинного отношения. Если действие выступает в
качестве причины дальнейших действий, то говорят о
причинной цепи.
Логическое отношение. Логическим отношением (в
логике – двух- или более –мерных предикатов) называется
отношение между объектами l1 и l2 типа «l1 больше, чем l2»
или «l1 находится около l2». Известными константами
(функторами) являются: ТАК; НЕ-ИЛИ; И-ИЛИ; И; ИЛИ;
ИЛИ-ИЛИ; ЧТО; ЕСЛИ-ТО; РАВНО; ТОЛЬКО ТОГДАКОГДА; ТОЛЬКО ЕСЛИ-ТО. Из данного перечисления
ясно, что многие отношения являются также логическими
отношениями. Реализация таких отношений в ЭВМ
осуществляется логическими операторами.
21
а)
S1
S2
б)
S1
S2
в)
S
S
а – последовательная, б – параллельная, в – обратная и
комбинированная
Рисунок 1.4 – Виды связей между системами
Отношение цель – средство. Такое отношение
подразумевает двухместное асимметричное отношение
между системой целей (задачей, назначением) и средством
их реализации.
Временное отношение. Упорядочение процессов и
событий во времени описывается временным отношением.
Пространственное
отношение.
Взаимное
положение элементов отношения в пространстве
характеризуется такого рода отношением. Наука топология
занимается излучением пространственных отношений.
22
1.9 Выводы
1. Структура задает функционирование системы и
отношения в ней.
2. В относительно замкнутых системах задается
однозначное
функционирование,
при
этом
функционирование
такой
системы
полностью
определяется ее структурой.
3. В общем случае функционирование, заданное
отношениями, не определяет структуру однозначно, так
как одна и та же функция может быть реализована в
системе различными структурами.
Контрольные вопросы:
1. Каковы основные понятия теории технических
систем?
2. Что
такое
функционирование
технической
системы?
3. Что такое структура технической системы?
4. Какова связь между функционированием и
структурой технической системы?
5. Каковы свойства системы и их оценка?
6. Каковы состояния системы?
7. Что такое модель технической системы?
8. Какие бывают типы систем и типы задач теории
технических систем?
23
2 СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
2.1 Общие понятия
Рассмотрим цели и назначение технических сетей TS,
т. е. для чего предназначаются технические системы типа
«процесс» и технические системы типа «объект».
Любое живое существо, в том числе и человек, имеет
потребности, выполнение которых жизненно важно к
таким потребностям относятся: прием пищи, защита от
опасности и непогоды, возможность лечения в случае
болезни. Однако в отличие от других живых существ,
которые имеют потребности только для поддержания
жизни, потребности и желания человека постоянно растут;
это связано с развитием цивилизации, прогрессом техники
и ростом благосостояния. Рост потребностей вызывают
проблемы их удовлетворения, так как для этого не
достаточно физических сил и возможностей органов
чувств человека. В связи с этим человек ищет пути,
позволяющие устранить эти проблемы.
В природе существуют лишь немного предметов и
средств, которые могут сразу удовлетворять потребности
человека. Большей частью он вынужден действовать на
эти средства многочисленными способами: изменять,
наращивать, комбинировать. Он должен резать, варить,
солить, плавить, разлагать, транспортировать, хранить,
преобразовывать и использовать энергию, строить,
разрушать, считать и многое другое.
Поэтому в результате этих процессов операнд
трансформируется, изменяется и достигает состояния,
достаточного для осуществления потребности.
24
2.2 Модель системы преобразований
Процессы такого рода назовем преобразованиями и
установим некоторые понятия и свойства. На рис.2.1
наглядно представлены все типы элементов и действий,
входящих в модель системы преобразований. При
построении этой модели были выбраны следующие
гипотезы, вытекающие из опыта людей:
- необходимое преобразование операнда (объекта
преобразования)
достигается
целенаправленными
воздействиями материального (S), энергетического (En)
или информационного (I) типов;
- эти три типа воздействий при всех преобразованиях
реализовываются людьми (ΣMe), техническими системами
(ΣTS) и окружением (Umg).
Рисунок 2.1 – Модель системы преобразований
Любая система, и такая как человеческое общество, и
Солнечная система в общем, может создать почти
бесконечное множество систем преобразований. Если
25
рассматривать элемент отдельно взятый, то часто он
входит в состав в несколько систем преобразований. Так,
например, человек может одновременно принимать пищу,
читать и т.д.
Из выше сказанного можно сделать следующие
выводы.
1. Для того, чтобы удовлетворить потребности
людей, либо выбирается требуемый объект, либо задается
требуемое состояние операнда. Это состояние (Od2)
является целью преобразования.
2. В качестве операндов преобразований могут быть
живые существа, в частности люди, а также материальные,
энергетические и информационные объекты.
3. Необходимо выбрать или задать начальное
состояние операнда Od1 в качестве входной величины.
Состояние Od2 может быть достигнуто из нескольких
начальных состояний Od1.
4. Изменение
Od1→
Od2
называется
преобразованием.
5. Преобразование
называется
либо
неудовлетворительным
состоянием
Od1,
либо
потребностью в Od2.
6. При помощи
упорядоченной совокупности
целенаправленных изменений, т.е. некоторой технологии,
выполняются преобразования. Состояние операнда Od2
может
быть
достигнуто
различными
способами
(технологиями).
7. Общее
или
частичное
преобразование
осуществляется путем материального, энергетического или
информационного воздействия на операнд.
8. Воздействие
осуществляется
людьми,
техническими системами и реальным окружением. Эти
операторы имеют материальные, энергетические и
информационные связи между собой.
26
Если рассмотреть более детально и проанализировать
«внутренние» операторы, то можно выявить элементарные
процессы и действия, которые также можно назвать
преобразованиями. Так, в технических системах
вращательное движение преобразуется в поступательное,
наращивается сила и т.д., целью действий являются
определенные изменения. При рассмотрении процессов и
цепочек действий мы сможем определить зависимость
характера этих изменений от цели.
Можно утверждать, что между процессом действия и
процессом
преобразования
существует
причинноследственная связь, а именно изменения операнда в
процессе преобразования (ΣЕ) вызываются действиями
(ΣW) технической системы как причины. Однако эта
причина является следствием цепочки действий в системе,
вызываемых входными воздействиями на систему.
2.3 Элементы системы преобразований
Теперь
рассмотрим
элементы
системы
преобразований. На рис.2.1 представлены элементы.
Охарактеризуем отдельные элементы более подробно.
Операнд – это основной элемент системы
преобразований. Операнд может принадлежать любой из
четырех категорий (люди, материя, энергия, информация)
либо их комбинации. Для описания состояния операнда
используют либо совокупность его свойств, либо
представляют как совокупность операндов – составных
частей технической системы. При рассмотрении
совокупности операндов речь идет о преобразованиях типа
объединения или разделения.
Технический процесс – это преобразование,
выполняемое техническими системами.
Люди – это операторы системы преобразований.
27
Технические системы как операторы системы
преобразований – это подмножество технических систем,
выполняющих
какого-либо
вида
действия
для
определенного преобразования.
Реальное окружение – это все источники внешних
воздействий
в
ближайшем
окружении
процесса
преобразования, которые, в основном, не поддаются
точному выражению. В реальное окружение включаются
только элементы окружения, имеющие связи с элементами
системы преобразований, а именно: геосфера (а именно,
суша и вода), биосфера, техносфера, атмосфера и климат
(погода). Технические системы не могут функционировать
без отношений с системой геосферы. К ней можно отнести
воздействующую среду – воду для человека, воздух для
самолета. При перемещениях в пространстве приобретает
значение Солнечная система как часть реального
окружения технической системы. А также нельзя не
учитывать и биосферу, которая включает все организмы
(людей, животных и растения) и места их обитания.
Можно построить разнообразные экосистемы при
помощи гео-, био- и атмосферы. В таких системах при
определенных отношениях происходят необходимые для
жизни процессы преобразования материи, энергии и
информации (рис. 2.2).
28
Рисунок 2.2 – Экосистема и техносфера
Следует учитывать, что при разработке и
осуществлении любых технических решений возможно
нарушения равновесия этих систем.
Техносфера включает все технические системы,
созданные людьми.
2.4 Выводы
Подведем итоги по полученным результатам.
1. Человечество или конкретный индивид имеют
множество потребностей в зависимости от целей, которые
они перед собой ставят. Каждая потребность представлена
как совокупность требований к объекту в определенном
состоянии. Объект рассматривается как средство
достижения цели. Если желаемая цель не сможет быть
достигнута непосредственно, то в этом случае необходимо
разработать промежуточные цели (подцели) и изменения,
которые позволят, в конечном итоге, достигнуть нужной
цели.
29
2. Преобразование это изменение состояния, а объект
воздействия – операнд.
3. Преобразование
является
искусственным
процессом, в котором требуемое изменение достигается
путем целенаправленного использования природных
явлений.
4. Неудовлетворительное
исходное
состояние
операнда и потребность в достижении цели вызывает
необходимость преобразования.
5. В качестве операндов процессов преобразований
могут служить биологические системы, материя, энергия и
информация.
6. С
помощью
технологии
выполняется
преобразование.
Для
выполнения
некоторого
преобразования могут быть разработаны разные
технологии, основанные на различных принципах.
7. Преобразования
реализуются
некоторыми
действиями. Таким образом, действия – это средства
осуществления преобразований.
8. С помощью трех систем-операторов: людей,
технических
систем
и
реального
окружения
осуществляются действия.
9. Система преобразований – это некоторое
отношение на множестве всех участвующих в
преобразовании элементов. Общая модель такой системы
представлена на рис. 2.1.
10. Действие или цепочка действий предназначены
для превращения входа оператора в выход системы
преобразований.
11. Между действием (причина) и преобразованием
(следствие)
существуют
причинно-следственные
отношения.
30
Контрольные вопросы:
1. Каковы
основные
понятия
системы
преобразований?
2. Что такое модель системы преобразований?
3. какие бывают элементы системы преобразований?
4. Что такое операнд?
5. Что такое технический процесс?
6. Что такое система преобразований?
31
3 КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Теория технических систем определяет, что
структура
объекта
однозначно
определяет
его
функционирование, однако одна и та же функция может
быть реализована различными структурами.
Это обстоятельство указывает на необходимость
формирования такой структуры системы, которая
обеспечила бы высокую степень адаптации путем
приспособления структуры системы к изменяющимся
условиям.
Концепцию проектирования технических систем
будем
рассматривать
применительно
к
машиностроительной отрасли.
Важнейшей тенденцией развития современного
машиностроения является постепенный переход от
применения
набора
технологических
машин
к
использованию автоматических машинных систем.
В массовом производстве уже получили широкое
распространение автоматические линии из агрегатных
станков и станков-автоматов. В мелкосерийном же
производстве переход к станочным системам стал
возможен лишь в последние годы, благодаря развитию
средств вычислительной техники и появлению класса
управляющих ЭВМ. Автоматическая станочная система , в
которой объединены станки с ЧПУ, транспортноскладские устройства и управление от ЭВМ обладает
высокой гибкостью. Необходимой для обработки широкой
номенклатуры деталей при частой их сменяемости.
Использование
автоматических
станочных
систем
существенно повышает производительность труда в
мелкосерийном производстве (в 3-5 раз по сравнению с
производительностью при использовании универсальных
32
станков), качество продукции и сокращает затраты труда.
Принципы автоматизации переналадки станков на новую
деталь стали распространяться и на крупносерийное
производство путем автоматической замены комплектов
режущего инструмента и оснастки, что также снижает
затраты ручного труда и повышает производительность.
Необходимым условием создания технической
системы
является
повышение
эффективности
производства, которое можно оценить по выражению:
E
MQ
K ,
(3.1)
где М – параметр производительности;
Q- параметр качества обработки;
K- суммарные затраты на обработку.
Параметр
производительности
характеризуется
отношением времен (рис. 3.1):
M  Tш
T п
T
где
T
T
T
Ш
П
M
,
(3.2)
– штучное время;
-потери времени на обработку;
-среднее значение машинного времени.
На рис. 3.1 представлены значение составляющих
времени при обработке на автоматическом оборудовании
и, в частности, на автоматической станочной системе.
Параметр Q может быть определён на основе
M
сравнения требуемого и фактического качества по
отдельным критериям – размерам, форме, массе, качеству
33
обработанной поверхности и т.п. При этом для каждого
критерия вводят весовой коэффициент Pi = 0 ÷ 1.
Pi
j
i
Q  1 Pi
 Qфакт. 

П 
1 Qтреб. 


j
1
,
j
(3.3)
где j – число принятых критериев оценки качества.
Суммарные затраты состоят из капитальных затрат
K 0 , временных затрат K В и затрат K ш , отнесённых к
изготовляемой детали :
K K K K
В
0
K0  K A/n
где
,
Ш
,
(3.4)
(3.5)
K – капитальные затраты, отнесённые к одному
A
году
амортизации.
Вследствие
высокой
производительности автоматического оборудования и
растущего морального износа число лет n необходимо
снижать.
Общие соображения об оценке экономической
эффективности средств производства приводят к
предпосылкам:
1) конкретный
ассортимент
(номенклатуру)
обрабатываемых деталей необходимо рассматривать в
соответствии с требуемым количеством их выпуска;
2) следует
использовать
высокоэффективную
технологию обработки, обеспечивающую минимум
основного времени и среднего машинного времени;
3) необходимо
применять
рациональную
конструкцию
станочного,
которое
реализует
продуктивную технологию при высоком уровне
34
автоматизации; при этом снижаются капитальные затраты
и уменьшается основное и вспомогательное время и
соответствующие ему затраты ;
4) манипуляторы, транспорт и накопители должны
соответствовать структуре всей системы, что сокращает
капитальные затраты и подготовительно-заключительное
время ;
5) необходимы высокая технологическая надежность
и организация профилактического обслуживания, что
обеспечивает должное качество обработки и увеличивает
время технического использования системы;
6) должен осуществляться системный подход к
выбору
вспомогательного
оборудования
и
дополнительных устройств, что снижает капитальные
затраты и сводит к минимуму ручное обслуживание;
7) необходимы
надежное
управление
и
соответствующее
математическое
обеспечение,
позволяющее иметь наивысшую загрузку станочного
оборудования, автоматизированную смену заготовок и
инструмента,
автоматизированный
контроль
обрабатываемых деталей, а также контроль процесса
обработки,
состояния
станка,
инструментов
и
приспособлений, развитую систему диагностики.
3.1 Номенклатура обрабатываемых деталей
Задачу обработки деталей следует рассматривать на
основе конкретного технологического процесса и
соответствующего ему технологического оборудования
для изготовления деталей заданной формы и размеров.
Каждая конкретная задача характеризуется номенклатурой
(ассортиментом) деталей, подлежащих обработке.
Изучение номенклатуры деталей машиностроения
свидетельствует о её относительном постоянстве. На рис.
35
3.2 приведена общая структура и условная классификация
деталей – тел вращения, призматических, плоских,
фигурных и профильных.
Следует иметь в виду связь между автоматизацией
изготовления, соответствующим оборудованием и самими
деталями. Прямое влияние на выбор технологического
процесса, инструментов, на параметры и технические
характеристики оборудования оказывают сведения об
обрабатываемых деталях.
Т
Тк
Топ
Тш
Тр
То
Тм
Тп
Тв
Тпз
Т1
Т2
Тц
Тм
Тн
Т – текущее (календарное) время; Тк – штучнокалькуляционное время; Топ – организационные простои; Тш –
штучное время; Тр – потери на плановый ремонт; То –
операционное время; Тп – потери времени; Тм – основное
(машинное) время; Тв – вспомогательное время; Т1 – цикловые
потери; Т2 – внецикловые потери; Тц – время цикла; Тпз–
подготовительно-заключительное время; Тн – непродуктивное
время (различные потери).
Рисунок 3.1 – Распределение времени для станковавтоматов и станочных систем
36
Рисунок 3.2 – Структура обрабатываемых деталей
При этом каждая деталь характеризуется набором
технических
величин
(материал,
геометрия),
определяющих технические требования, и некоторым
набором организационно-экономических показателей
(выпуск в год, число деталей в партии, допустимые
затраты на изготовление), определяющих экономические и
организационные требования.
Рабочий чертеж и техническая документация
содержат сведения о размерах детали (максимальные
наружный диаметр и длина); заготовке (пруток, поковка,
отливка, сварная заготовка); массе заготовки и детали;
материале(марка,
твердость,
обрабатываемость);
требования к качеству(допуски на размеры, вид и взаимное
расположение
поверхностей);
элементарных
обрабатываемых поверхностях(цилиндр, конус, фаска,
резьба, канавка, отверстие и т.д.); числе и характере
зажимов; наборе режущих инструментов при точении,
сверлении, фрезеровании; масштабе производства (штук и
партий в год, штук в партии); времени обработки
37
(основное и операционное время); допустимой стоимости
изготовления. В зависимости от требуемого качества
обработки формулируют общие исходные и устанавливают
соответствующие ограничения.
При обработке элементарных поверхностей можно
использовать различные режущие инструменты и разные
технологические методы обработки. К тому же последние
реализуются соответствующим набором движений станка.
В связи с этим выбор метода обработки должен
соответствовать тем станкам и подъемно-транспортным
устройствам, которые реально можно использовать.
Разработка технического задания на проектирование
автоматической станочной системы требует большого
числа данных об обрабатываемых деталях. Сведения о
размерах, виде заготовки, припусках, массе, материале,
требования к качеству обработки указываются в
технической документации.
38
Рисунок 3.3 – Связь производственной задачи с
конструированием оборудования.
39
При выборе и анализе элементарных поверхностей
необходимо принимать во внимание их взаимное
расположение. Структура учитывает элементарные
поверхности заготовки и детали, а также принятые
технологические методы обработки, и разрабатываются с
учетом всех необходимых переходов и реально
используемых инструментов. Она определяет, в конечном
счете, компоновку станков и всей системы, необходимую
для получения заданного набора деталей.
Изготовление исходной заготовки обычно не
рассматривают, хотя это во многом определяет
эффективность обработки, расход материала и общие
затраты. Следует стремиться к тому, чтобы форма
исходной заготовки приближалась к конечной форме
изделия. В этом случае сокращается число переходов,
облегчается автоматизация вспомогательных операций,
снижается общая стоимость изготовления, хотя стоимость
самой заготовки, как правило, несколько возрастает.
Рассмотрение общего ассортимента обрабатываемых
деталей позволяет представить общую структуру
требуемого набора станков и сформулировать требования
к отдельным станкам универсальным, с ЧПУ и
многооперационным, которые должны быть рассчитаны на
использование у разных потребителей. Набор отдельных
станков должен быть ориентирован на обработку широкой
номенклатуры деталей, что часто связано с ручной
переналадкой станков и их оснастки. При автоматизации
переналадки ,как это имеет место в много операционных
станках, затрачиваемое на неё время и общее время
обслуживания уменьшаются. Оператор, однако, и здесь
выполняет ряд вспомогательных операций – смену
деталей, контроль готовых изделий, наблюдение за ходом
рабочего процесса и износом режущего инструмента.
Более высокая степень автоматизации, охватывающая
40
складирование и транспортирование деталей, контроль
обработанных деталей, наблюдение за процессом и
состоянием инструмента, а также прочие вспомогательные
операции, безусловно, требуют ориентации на конкретный
ассортимент деталей данного производства.
При проектировании автоматической станочной
системы следует задавать конкретную номенклатуру
деталей, необходимых для данного производства.
Окончательное разделение деталей на группы для создания
оптимального набора станочных систем требует
предварительной проработки целесообразных вариантов
самих систем.
3.2 Разновидности станочных систем
Варианты станочных систем должны быть
подчинены решению заданной производственной задачи с
учетом разных типов обрабатываемых деталей и их
годового выпуска.
Мелкосерийное и серийное изготовление деталей
машин было ранее связано главным образом с
механизацией и использованием универсальных станков с
ручным
управлением,
сравнительно
легко
приспосабливаемых к различным условиям производства.
В крупносерийном и массовом производстве уровень
автоматизации был повышен за счет использования
специальных станков-автоматов, тактовых линий и
автоматизации многих вспомогательных операций.
Совершенствование станочного оборудования выражалось
преимущественно в повышении производительности
универсальных станков с ручным управление и создании
автоматических линий и автоматических комплексов для
отдельных отраслей крупносерийного и массового
производства
(автомобильная,
подшипниковая
41
промышленность, сельскохозяйственное машиностроение
и д.р.). С развитием принципов числового программного
управления, переходом к микропроцессорным устройствам
управления были созданы предпосылки для создания и
широкого использования в мелкосерийном и часто
крупносерийном производстве автоматических станочных
систем с высокой производительностью, способных при
малых потерях времени на переналадку обеспечивать
экономическую обработку необходимой номенклатуры
деталей. Частичная или полная автоматизация переналадки
стала возможной за счёт применения устройств
автоматической смены инструментов, автоматических
систем манипулирования (включая, промышленные
роботы), автоматических накопителей и транспортных
устройств.
В настоящее время наиболее перспективными для
различных условий производства являются следующие
типы станочного оборудования:
1) набор отдельных станков с ЧПУ;
2) многооперационные станки;
3) гибкие станочные системы;
4) переналаживаемые автоматические станочные
системы;
5) автоматические линии тактовые.
3.2.1 Станки
управлением
с
числовым
программным
Это оборудование целесообразно использовать при
широком ассортименте обрабатываемых деталей общей
структуры и ограниченном наборе технологических
методов обработки. Ограниченный набор движений у
каждого станка позволяет, однако, при числовой системе
управления реализовывать весьма разнообразный ход
42
рабочего процесса. Имеется возможность расширения
номенклатуры обрабатываемых деталей, ограниченной
только размерами рабочего пространства станка. Смену
инструмента на станках с ЧПУ осуществляют вручную или
с помощью револьверной головки, рассчитанной на
сравнительно малый набор режущего инструмента.
Размерная установка и настройка инструмента обычно
осуществляется на станке самим оператором. Загрузка
станка и зажим деталей преимущественно ручные или
механизированные. Подача деталей к станкам часто
механизирована или даже автоматизирована. Контроль и
измерение изделий обычно осуществляется вручную, а
современные системы управления позволяют оператору
быстро подготовить и проконтролировать новую
программу. Применение систем управления типа CNC дает
возможность решения многих вспомогательных и
обслуживающих функций.
Несмотря на высокий уровень автоматизации
современных станков с ЧПУ. За оператором сохраняются
некоторые вспомогательные функции. Полная обработка
детали требует ее передачи со станка на станок, поскольку
отдельный станок с ЧПУ может выполнить лишь узкий
набор технологических переходов.
3.2.2 Многооперационные станки
Это оборудование наиболее целесообразно при
возможности полной обработки детали с одной установки
на станке за счет автоматической смены инструмента.
Этому требованию удовлетворяет относительно широкий
ассортимент деталей, которые могут быть автоматически
изготовлены, включая точную финишную обработку. При
этом номенклатура семейства сходных деталей может быть
расширена, если методы обработки и набор инструмента
43
допускают
обработку
требуемых
элементарных
поверхностей.
Управляющая
программа
легко
изготавливается средствами вычислительной техники и
просто вводится в станок. Набор режущего инструмента,
который достигает 120 единиц в магазине станка, легко
подгоняется к требованиям обработки и включает
предварительно
устанавливаемый
универсальный
режущий инструмент, сменяемый по программе, а также
производительный специальный режущий инструмент. В
качестве накопителя используют револьверные головки
(резцедержатели) или инструментальные накопители, в
настоящее время преимущественно цепные магазины.
Смена инструмента осуществляется автооператором
с двойным захватом за короткое время, часто в пределах 4
с, поскольку остальные потери времени при поиске и
выборе инструмента совмещаются со временем обработки
на станке. Иногда смену инструмента ведут на двух
параллельно работающих шпинделях. Транспортировка и
централизованное
складирование
затупленного
инструмента обычно связаны с ручным обслуживанием.
Зажим обрабатываемых деталей возможен как вручную,
так и автоматически. Централизованное складирование
заготовок, их транспортирование и установка на спутниках
обычно
осуществляется
автономно,
вне
многооперационного станка. Контроль и измерение
обрабатываемых деталей в большинстве случаев ведёт
оператор, однако в последнее время используют
измерительные
головки,
устанавливаемые
в
инструментальном магазине.
Управление типа CNC позволяет надежно управлять
и следить за выполнением станком всех функций.
Отдельный многооперационный станок обслуживается
оператором. Смена режущего инструмента обеспечивает
расширение
технологических
возможностей
44
многооперационного
универсальность.
станка
и
его
высокую
3.2.3 Гибкие станочные системы
Это оборудование предназначено для автоматической
обработки относительно широкой номенклатуры сходных
деталей в мелкосерийном и серийном производстве.
3.2.3.1 Гибкие станочные модули
Это оборудование является дальнейшим развитием
обрабатывающих центров. Их под системы могут
обеспечивать безлюдную технологию в течение большого
отрезка времени (не менее одной смены). Вследствие
полной автоматизации рабочего процесса номенклатура
деталей не столь широка, как на обрабатывающих центрах,
но достаточна для многих условий производства. Для
каждого набора сходных деталей достижим подбор
методов
обработки.
При
ограниченном
наборе
технологических операций можно обеспечить расширение
семейства обрабатываемых деталей. Управление типа CNC
объединяет все вспомогательные функции комплекта
оборудования. Накопитель инструмента приспособлен для
многих программ обработки и в отдельных случаях может
быть сменным. В набор режущего инструмента включают
универсальный и специальный инструмент. К тому же
полный цикл обработки обеспечивается набором
инструмента не на одной, а на всех рабочих позициях.
Размерная установка инструмента осуществляется вне
рабочего места, а его коррекция – на рабочем месте.
На некоторых станочных модулях предусматривается
контроль
износа
режущего
инструмента
и
соответствующая размерная поднастройка. Обычно
45
достаточно грубая предварительная установка. Подача
деталей на рабочую позицию, установка зажим
автоматизированы. Станочный модуль имеет внутренний
накопитель заготовок, обеспечивающий запас деталей не
менее чем на 8 часов работы. Доставка заготовок к модулю
механизирована или автоматизирована.
Контроль изделий производят на встроенный в
модуль измерительной станции, измерительной головкой в
шпинделе станка или измерением в процессе обработки.
Существуют диагностические системы для наблюдения за
функционированием станков и систем управления, а также
за поломкой и износом режущего инструмента с подачей
сигналов на его замену или коррекцию.
Станочный
модуль
обеспечивает
безлюдную
технологию в течение смены и нуждается, поэтому во всех
устройствах, которые гарантируют в течение всего этого
времени надежное протекание рабочего процесса и
высокое качество изделий. К ним относятся накопители
заготовок достаточной емкости и автоматическая доставка
их на рабочую позицию, автоматический зажим деталей на
станке полностью автоматический цикл обработки,
автоматическое обеспечение качества обработки и
автоматическая диагностика.
3.2.3.2 Гибкие станочные системы
Эти системы состоят из автоматических станков (в
том числе с ЧПУ) и многооперационных станков,
связанных общим автоматическим транспортом деталей и
общей системой управления.
По сравнению с отдельными станками ассортимент
обрабатываемых деталей в системе может быть расширен.
Набор режущих инструментов системы складывается из
комплектов инструментов на отдельных станках,
46
необходимых инструментов, находящихся между станкам,
на заточке, подготовке и контроле, а также в резерве.
Режущие инструменты сменяются вручную или
автоматически
сменными
устройствами,
причем
складирование,
транспортирование
и
накопление
происходят также вручную либо механизировано.
Режущий инструмент соответствует типу станка с ЧПУ
или многооперационному станку; транспортирование,
установка
и
зажим
деталей
осуществляются
автоматически. Подготовка заготовок и ввод их в систему
может быть механизированы или автоматизированы,
причем накопитель системы должен обеспечить
бесперебойную работу в течение не менее 8 ч.
Автоматические устройства для контроля, наблюдения и
диагностики, как правило, не предусматриваются.
Управление системой осуществляется обычно
централизовано по принципу CNC со сбором и
переработкой текущей информации о состоянии системы.
Обслуживающий персонал требуется для периодического
осмотра станков, вычислительной техники, для подготовки
деталей и их соединения со спутниками, для наблюдения
за ходом рабочего процесса.
3.2.3.3 Автоматические изготовляющие системы
Эти системы представляют собой автоматическое
производство деталей. В противоположность станочным
системам отдельные станки и устройства системы
полностью ориентированы на соответствующее семейство
деталей и поэтому допускают интеграцию потока деталей,
потока инструмента и потока информации.
Ассортимент обрабатываемых деталей по основной
структуре относительно широк и почти не ограничен по
малым структурным отклонениям, а может быть при
47
расширен. Ход рабочего процесса станков и всей системы
устанавливают произвольно, включая многочисленные
вспомогательные
и
обслуживающие
операции.
Последовательность обхода станков в соответствии с
технологическими требованиями и загрузкой станков
оптимизируется.
Набор режущего инструмента на каждом станке
соответствует требованиям, а смена и наблюдение за его
состоянием осуществляется автоматически. Наряду со
стандартными и специальными для станков с ЧПУ
инструментами успешно вводят в систему станки с
автоматической сменой многоинструментальных головок.
Часто в системе имеется центральный склад режущих
инструментов, зажимных и контрольных приспособлений.
Предварительная размерная установка инструмента и его
кодирование осуществляется вручную, а доставка к станку
и операция в магазине автоматизированы частично или
полностью.
Поток
деталей
между
станочными
накопителями (емкостью не менее 8 ч работы) и операции
с деталями на станке автоматизированы, детали подаются
к системе вручную или автоматическим транспортом.
Контроль продукции, состояния станков и всей системы,
включая коррекцию, осуществляется автоматически в ходе
рабочего процесса предусмотренными для этого
средствами управления. Оператор лишь периодически
наблюдает за ходом работы системы, устраняет
неисправности и поддерживает все устройства в
требуемом
состоянии.
Область
применения
автоматических изготавливающих систем весьма обширна.
3.2.4 Тактовые автоматические линии
для
В этих системах все приспособления подходят только
одной детали, т.е. для условий массового
48
производства. При этом должно быть найдено
компромиссное решение по разделению рабочих операций
между отдельными станками. При расчленении операций
сокращается время цикла (такта) , но возрастают потери
времени на замену инструментов и устранения отказов.
При объединении рабочих операций за счет использования
комбинированного,
многолезвийного
инструмента,
многошпиндельных головок, одновременной обработки
нескольких деталей (что приводит к совмещению
операций на одном станке) увеличивается основное время,
но сокращается протяженность автоматической линии.
При этом усложненная оснастка станков препятствует
быстрой переналадке на обработку другой детали.
Полное использование тактовых автоматических
линий, как и в переналаживаемом производстве,
экономически оправданно при крупносерийной обработке
весьма сходных деталей. Получают распространение
переналаживаемые автоматические линии со сменными
комплектами
инструментов,
соответствующими
обрабатываемым деталям. Обычно при этом сменяются
многошпиндельные силовые головки и автоматически
заменяется комплект оснастки. Средства измерения и
контроля имеют ограниченную гибкость, а свободно
программируемые устройства управления могут хранить в
памяти достаточный набор управляемых программ.
Короткое
время
переналадки
при
минимальном
обслуживании
позволяет
использовать
тактовые
автоматические линии при среднесерийном изготовлении
деталей.
Подобного рода ограниченно гибкие тактовые
автоматические линии обеспечивают столь высокую
производительность, что их используют в такой отрасли,
как автомобильная промышленность, где характерно
крупносерийное
и
массовое
производство.
49
Переналаживаемые автоматические линии в известной
степени являются дальнейшим развитием систем, у
которых переналадка на новую деталь полностью
автоматизирована. Теоретически они могут заменить и
вытеснить переналаживаемые линии, причем экономия
при большом числе различных обрабатываемых деталей
для переналаживаемых систем является существенной.
3.3 Разработка концепции технической системы
Постановка задачи формулируется исходя из
конкретного набора деталей, которые необходимо
обрабатывать. При этом необходимо рассмотреть вопросы
снижения всех видов затрат и потребности в рабочей силе.
На это можно рассчитывать, если изготавливаемые детали
перспективны. Следует иметь в виду, что наибольший
эффект дает комплексная автоматизация как основных, так
и
вспомогательных
операций.
При
частичной
автоматизации затраты меньше, но и эффективность
существенно снижается. Так, если вместо разработки
новой автоматической станочной системы, оснастить
существующие станки роботами, как загрузочными
устройствами, то производительность труда поднимется не
более, чем на 50 % .
Нередко при комплексной автоматизации новая
техника добавляется к старому оборудованию без
удаления морально устаревших устройств системы.
Вследствие этого вся новая система оптимальна только на
отдельных участках, и даже после окончательной её
автоматизации она не становится оптимальной по
основным проектным критериям.
Первой задачей при разработке концепции
автоматической
технической
системы
является
тщательный анализ ассортимента деталей и разделение их
50
на компоненты. Под комплектом подразумевается группа
однородных
деталей,
объединяемых
в
одну
представительную деталь с некоторыми усреднёнными
параметрами.
Для анализа ассортимента деталей используют
различные методы. Так, например, можно подвергнуть
рассмотрению всю совокупность деталей и полный
перебор технологического оборудования. При этом
возможна следующая последовательность этапов анализа:
1) определение необходимого рабочего пространства
исходя из геометрических параметров деталей;
2) уточнение состава оборудования с учетом
необходимых технологических процессов и режимов
обработки;
3) требуемый набор режущих инструментов в связи
со структурой элементарных поверхностей;
4) анализ вариантов при обработке различных сторон
деталей при разных установках;
5) анализ переустановок (перезакреплений) деталей с
минимизацией числа рабочих позиций;
6) требуемая пропускная способность станков и всей
системы по условию заданной производительности и с
учетом требований точности обработки;
7) анализ структуры системы по характеру
транспортных потоков и складирования деталей;
8) анализ систем управления, контроля, диагностики.
Определив все частные потери времени, можно
рассчитывать производительность станочной системы и на
основе её математического моделирования найти средний
цикл обработки и полную пропускную способность. При
этом в ряде вариантов некоторые станки оказываются
перегруженными, сохраняется значительная доля ручного
труда, а в результате неизбежных простоев снижается
производительность всей системы. Полезные изменения
51
может здесь принести коррекция некоторых деталей в
комплексе.
Часто при анализе ассортимента деталей вводят
понятие представителей детали, по которой ведётся
оптимизация числа установок, набор инструментов, состав
станочного оборудования.
Для анализа ассортимента деталей и разработки
концепции
станочной
системы
целесообразно
использовать вычислительную технику на основе
соответствующих алгоритмов и программ.
3.4 Выводы
1. Необходимым условием создания технической
системы является повышение эффективности
производства.
2. Разработка
технического
задания
на
проектирование
технической
(станочной)
системы требует данных об обрабатываемых
деталях: сведения о размерах, припусках, виде
заготовки, массе, материале, требований к
качеству обработки.
3. Варианты технических (станочных) систем
должны
быть
подчинены
решению
производственной задачи с учетом типа
изготавливаемых деталей и их годового выпуска.
4. В настоящее время перспективными для
различных условий производства являются
станочные системы: набор отдельных станков с
ЧПУ,
многооперационные
станки
(обрабатывающие центры), гибкие станочные
системы, автоматические тактовые линии.
5. При разработке концепции технической системы
необходим тщательный анализ ассортимента и
52
разделение их на комплекты. Под комплектом
понимается
группа
однородных
деталей,
объединяемых в одну производительную деталь.
Контрольные вопросы:
1. Необходимое условие создания технической
системы. Факторы влияния.
2. С какой целью изучается номенклатура деталей?
3. Перечислить данные об обрабатываемых деталях,
влияющих
на
проектирование
станочной
системы.
4. Обосновать варианты станочных систем с учетом
различных типов обрабатываемых деталей и их
готового выпуска.
5. Разработка концепции технической системы.
53
4 ПРИНЦИПЫ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проектирование начинается при наличии задания на
проектирование, которое отражает потребности общества в
получении некоторого технического изделия. Это задание
представляется в виде тех или иных документов и является
исходным (первичным) описанием объекта. Результатом
проектирования, как правило, служит полный комплект
документации, содержащий достаточные сведения для
изготовления объекта в заданных условиях. Эта
документация представляет собой окончательное описание
объекта.
Проектирование – процесс, заключающийся в
преобразовании
исходного
описания
объекта
в
окончательное описание на основе выполнения комплекса
работ исследовательского, расчетного и конструкторского
характера.
Возможности проектирования сложных объектов
обусловлены использованием ряда принципов, основными
из которых являются декомпозиция и иерархичность
описаний объектов, многоэтапность и итерационность
проектирования, типизация и унификация проектных
решений и средств проектирования.
4.1
Иерархические
проектируемых объектов
уровни
описаний
Описать технический объект, не расчленяя его на
некоторые составные части, удается лишь для простых
изделий. Как правило, требуется структурирование
описаний и соответствующее расчленение представлений о
проектируемых объектах на иерархические уровни и
аспекты. Это позволяет распределить работы по
проектированию
сложных
объектов
между
54
подразделениями
проектной
организации,
что
способствует
повышению
эффективности
и
производительности труда проектировщиков.
Разделение описаний по степени детализации
отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в
основе блочно-иерархического подхода к проектированию
и приводит к появлению иерархических уровней (уровней
абстрагирования) в представлениях о проектируемом
объекте.
4.1.1 Общая
задача.
автоматическую линию (АЛ)
обработки корпусных деталей
для
Спроектировать
механической
Объем и состав задач при решении задачи
проектирования определяется, прежде всего, постановкой
задачи.
При постановке задачи проектирования необходимо:
– уяснить, отчего и в связи, с чем возникла проблема;
– установить, почему она рассматривается как
нерешенная, и выявить её отличие от смежных или
близких задач;
То есть, для определения путей решения проектной
задачи проводится поиск в ИС (информационной системе),
которая содержит сведения обо всех объектах (в нашем
случае о АЛ) ранее спроектированных у нас и за рубежом.
Данная проектная операция выполняется всегда! Если не
удается найти ТС, полностью обладающие заданным
характеристикам, то находится аналог.
Входом для решения общей задачи являются
независимые переменные, входящие в состав задания
заказчика:
1. Данные об обрабатываемой детали;
55
2. Данные о требуемом технологическом процессе;
3. Данные о цехе, где будет монтироваться АЛ;
4. Данные для планирования линии (место входа и
выхода заготовки, места подачи СОЖ и т.п.);
5. Лимитная цена линии.
Выходом решаемой общей задачи являются
удовлетворительные
технико-экономические
показатели проектируемой АЛ, по достижении которых
оформляются следующие документы:
1. Чертёж общего вида АЛ;
2. Пояснительная записка;
3. Таблицы
последовательности
выполняемых
операций;
4. Чертежи заготовок;
5. Расчеты
технико-экономических
показателей
(ТЭП).
Факторы решения общей задачи состоят из
параметров, влияющих на ТЭП АЛ:
1. Техпроцесс;
2. Структура АЛ;
3. Коэффициент использования;
4. Занимаемая площадь;
5. Количество технологического оборудования;
6. Количество вспомогательного оборудования;
7. Количество обслуживающего персонала.
Предельные значения всех переменных (требование
заказчика, мехобработку производить без охлаждения,
максимальное использование унифицированных узлов).
Для определения путей решения проектной задачи
проводится поиск в ИС (информационной системе),
которая содержит сведения о всех объектах (в нашем
случае о ПЛ) ранее спроектированных у нас и за рубежом.
56
Данная проектная операция должна выполняться
всегда! Если не удается найти ТС, полностью обладающие
заданными характеристиками, то выявляются объекты с
рядом близких или сходных параметров, которые могут
быть приняты в качестве аналогов.
Разбиение задачи проектирования на части и
разработка стратегии проектирования
1. Выбор инструмента для обработки.
2. Группирование инструментов или проектирование
инструментальных узлов.
3. Проектирование силовых узлов. 4. Проектирование
агрегатного станка.
5. Разработка структуры автоматической линии.
Перед выбором инструмента для обработки
необходимо
естественно
подробно
разработать
технологический процесс.
Стратегия
проектирования
задается
проектировщиком исходя из производственной обстановки
(линейная, циклическая, разветвленная, адаптивная и т.д.)
57
Пр –приспособления ориентирующие заготовку
Ст – станина
АЛ
СилУ – силовые узлы
ИУ – инструментальный узел
П – передачи
ССт
Тр
Во
Стл – силовой стол
СУ
И – инструмент
Ш – шпиндель
К – корпус
СилУ
Пр
ИУ
И
Ст
СУ
П
Ш
Стл
К
Рисунок 4.2 – Многоуровневая структура строения
автоматической линии.
4.1.2 Нерасчленимые задачи проектирования
Некоторые задачи проектирования вообще не
поддаются
расчленению
без
ущерба
рабочих
характеристик, стоимости, массы, внешнего вида и других
58
показателей, что требует компромиссных решений для
сбалансирования различных деталей друг с другом.
Обычно в таких случаях на какого-то опытного
работника-руководителя проекта возлагается полная
ответственность за все существующие решения, будь то
общая схема изделия или тонкие, но важные особенности
конструкции деталей.
Во всех таких случаях руководитель проекта на
основе имеющегося у него опыта решения аналогичных
задач сначала решает основные частные задачи, а затем
определяет общую схему изделия и распределяет
остальную работу между своими помощниками. Ясно, что
здесь используются методы «черного ящика».
Принцип иерархичности означает структурирование
представлений об объектах проектирования по степени
детальности описаний, а принцип декомпозиции
(блочности) – разбиение представлений каждого уровня на
ряд составных частей (блоков) с возможностями
раздельного (поблочного) проектирования объектов на
уровне 1, объектов на уровне 2.
4.2 Составные части процесса проектирования
Проектирование как процесс, развивающийся во
времени, расчленяется на стадии, этапы, проектные
процедуры и операции.
При проектировании сложных систем выделяют
стадии предпроектных исследований, технического
задания и технического предложения, эскизного,
технического, рабочего проектов, испытаний и внедрения.
59
4.2.1 Основные этапы проектирования
Общеизвестно, что проектирование – это один из
наиболее сложных видов интеллектуальной работы,
выполняемой человеком, а в большинстве случаев
творческим коллективом.
Методика проектирования – это не формула и даже
не
инструкция,
а
последовательность
событий,
составляющих процесс проектирования, в рамках которого
возможно логическое развитие конструкции.
Основные этапы проектирования представим в виде
блок-схемы
Рисунок 4.3 – Основные этапы проектирования
60
1. Определение потребностей – столкновение
инженера с ситуацией, которая раздражает и волнует, в
результате чего у него возникает потребность в изменении
существующего положения;
2. Определение цели – формулировка в общих
выражениях характеристик проектируемого объекта;
3. Научные исследования – сбор всей доступной
информации для решения задач, вытекающих из
поставленной цели;
4. Формулировка задания – перечень данных и
параметров, обеспечивающих достижение поставленных
целей;
5. Формулировка идей – процесс рождения новых
идей;
6. Выработка концепции – выработка вариантов
возможных решений для достижения поставленной цели;
7. Анализ – проверка выбранных концепций на
соответствие физическим законам;
8. Эксперимент – создание опытного образца и
лабораторные испытания;
9. Решение – описание проектируемого объекта
(рабочие чертежи, техусловия);
10. Производство
–
определение
объёма
производства и потребности в производственном
оборудовании, разработка технологии, календарное
планирование, контроль;
11. Распределение продукции – установление цен,
реклама, нахождение рынков сбыта, обеспечение прибыли;
12. Потребление – контакты с потребителем, ремонт,
обслуживание.
61
4.2.2 Нисходящее и восходящее проектирование
Если решение задач высоких иерархических уровней
предшествует
решению
задач
наиболее
низких
иерархических уровней, то проектирование называют
нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные
с низшими иерархическими уровнями, проектирование
называют восходящим.
У каждого из этих двух видов проектирования
имеются преимущества и недостатки.
При
нисходящем
проектировании
система
разбрасывается в условиях, когда её элементы ещё не
определены и, следовательно, сведения об их
возможностях и свойствах носят предположительный
характер. При восходящем проектировании, наоборот,
элементы
проектируются
раньше
системы,
и,
следовательно, предположительный характер имеют
требования к системе. В обоих случаях из-за отсутствия
исчерпывающей исходной информации имеют место
отклонения от потенциально возможных оптимальных
технических результатов. Однако нужно помнить, что
подобные
отклонения
неизбежны
(при
блочноиерархическом подходе к проектированию) и что какойлибо приемлемой альтернативы блочно-иерархическому
подходу при проектировании сложных объектов не
существует.
Поскольку принимаемые предположения могут не
оправдаться, часто требуется повторное выполнение
проектных
процедур
предыдущих
этапов
после
выполнения проектных процедур последующих этапов.
Такие повторения обеспечивают последовательное
приближение
к
оптимальным
результатам
и
обуславливают итерационный характер проектирования.
62
Следовательно, итерационность нужно относить к важным
принципам проектирования сложных объектов.
На практике обычно сочетают восходящее и
нисходящее проектирование. Например, восходящее
проектирование имеет место на всех тех иерархических
уровнях, на которых используются унифицированные
элементы. Очевидно, что унифицированные элементы,
ориентированные на применение в ряде различных систем
определенного класса, разрабатываются раньше, чем та
или иная конкретная система из этого класса.
4.2.3 Внешнее и внутреннее проектирование
При нисходящем проектировании формулировка ТЗ
на разработку элементов i-го иерархического уровня
относится к проектным процедурам этого же уровня.
Иначе обстоит дело с разработкой ТЗ на систему высшего
иерархического уровня, которое называется внешним
проектированием.
В
отличие
от
него
этапы
проектирования объекта по сформулированным ТЗ на
разработку i-го иерархического уровня называют
внутренним проектированием.
Основа внешнего проектирования – правильный учёт
современного
состояния
техники,
возможностей
технологии, прогноз их развития на период времени, не
меньший жизненного цикла объекта. Наряду с
техническими факторами необходимы учёт экономических
показателей, прогноз стоимости и сроков проектирования
и изготовления. На основе изучения состояния и
перспектив научно-технического прогресса группа
экспертов формулирует первоначальный вариант ТЗ на
систему. Оценку выполнимости сформулированного ТЗ и
рекомендации по его корректировке получают с помощью
проектных процедур внутреннего проектирования.
63
Итак, на начальных стадиях проектирования
сложных систем имеет место итерационный процесс, в
котором поочередно выполняются процедуры внешнего и
внутреннего проектирования – формулировка ТЗ, его
корректировка,
оценка
выносливости,
прогноз
материальных и временных затрат на проектирование и
изготовление.
4.2.4 Аспекты описаний проектируемых объектов
Кроме
расчленения
описаний
по
степени
подробности отражения свойств объекта, порождающего
иерархические
уровни, используют
декомпозицию
описаний по характеру отображаемых свойств объекта.
Такая декомпозиция приводит к появлению ряда аспектов
описаний. Наиболее крупными являются функциональный,
конструкторский и технологический аспекты. Решение
задач, связанных с преобразованием или получением
описаний, относящихся к этим аспектам, называют
соответственно функциональным, конструкторским и
технологическим проектированием.
Функциональный аспект связан с отображением
основных принципов функционирования, характера
физических и информационных процессов, протекающих в
объекте, и находит выражение в принципиальных,
функциональных, структурных, кинематических схемах и
сопровождающих их документах.
Конструкторский аспект связан с реализацией
результатов функционального проектирования, т. е. с
определением геометрических форм объектов и их
взаимным расположением в пространстве.
Технологический аспект относится к реализации
результатов конструкторского проектирования, т. е. связан
с описанием методов и средств изготовления объектов.
64
Возможно более дифференцированное описание
свойств объекта с выделением в нем ряда подсистем и
соответствующего
числа
аспектов.
Например,
функциональный аспект можно разделить по физическим
основам описываемых явлений на аспекты электрический,
механический, гидравлический, химический, т. п. При
этом в описаниях электромеханической системы
появляются описания электрической и механической
подсистем. Внутри каждого аспекта возможно свое
специфическое выделение иерархических уровней.
4.2.5 Унификация проектных решений и процедур
Обычно унификация объектов имеет целью
улучшение
технико-экономических
показателей
производства и эксплуатации изделий. Использование
типовых и унифицированных проектных решений
приводит к упрощению и ускорение проектирования: так,
типовые элементы разрабатываются однократно, но в
различных проектах применяются многократно.
Однако, унификация целесообразна только в таких
классах объектов, в которых из сравнительно небольшого
числа
разновидностей
элементов
предстоит
проектирование и изготовление большого числа
разнообразных систем. Именно эти разновидности
элементов и подлежат унификации. Для сложных систем,
состоящих из этих элементов (часто и для элементов,
реализующих
новые
физические
принципы
или
технологические возможности), в каждом конкретном
случае приходится заново выполнять многоуровневое
иерархическое проектирование. В этих условиях
целесообразно ставить вопрос не об унификации изделий,
а об унификации средств их проектирования и
65
изготовления, в частности, об унификации проектных
процедур в рамках САПР.
Наличие средств автоматизированного выполнения
типовых проектных процедур позволяет оперативно
создавать проекты новых изделий, а в сочетании со
средствами изготовления в условиях ГАП осуществлять
оперативное изготовление новых оригинальных изделий.
4.2.6 Виды описаний объектов и классификация
их параметров
Окончательное описание проектируемого объекта
представляет
собой
полный
комплект
схемной,
конструкторской
и
технической
документации.
Оформленной по ЕСКД и предназначенной для
исполнения в процессе изготовления и эксплуатации этого
объекта. Также в соответствии с ЕСКД оформляются и
некоторые промежуточные проектные решения. Однако
для промежуточных решений, предназначенных для
использования
собственно
при
проектировании,
характерны специфические формулы представления,
принятые в данной системе проектирования. В частности,
описания могут принимать различную языковую форму и
находиться в различных запоминающих устройствах
САПР. Важное значение в этих описаниях имеют
математические модели объектов проектирования. Так как
выполнение проектных процедур при автоматизированном
проектировании основано на оперировании моделями.
Математическая модель (ММ) технического объекта
– система математических объектов (чисел, переменных,
матриц, множества и т. п.) и отношений между ними,
отражающая некоторые свойства технического объекта.
При проектировании используют математические модели,
66
отражающие свойства объекта, существенные с позиций
инженеров.
Среди свойств объекта, отражаемых в описаниях на
определенном иерархическом уровне, в том числе в ММ,
различают свойства систем, элементов систем и внешней
среды, в которой должен функционировать объект.
Количественное выражение этих свойств осуществляется с
помощью величин, называемых параметрами. Величины,
характеризующие свойства систем, элементов системы и
внешней среды, называют соответственно выходными,
внутренними и внешними параметрами.
Примеры параметров, проектируемых объектов.
Для поршневых компрессоров:
Выходные
параметры
–
производительность
компрессоров,
мощность
двигателя,
максимальное
давление сгорания, число циклов, расход топлива;
Внутренние параметры – коэффициенты истечения
клапанов, коэффициенты трения, геометрические размеры
полостей;
Внешние параметры – температура окружающей
среды, давление газа на всасывании первой ступени,
противодействие в выпускной системе.
4.3 Требования к проектам новых Т-систем
В настоящее время используют следующие виды
показателей качества Т-систем:
1. Показатели функционирования, характеризующие
полученный эффект от использования Т-систем, по
назначению и определяющие область их применения;
2. Показатели надежности, определяющие свойство
Т-систем сохранять свою работоспособность во времени;
3. Показатели технологичности, характеризующие
эффективность конструкторско-технических решений для
67
обеспечения высокой производительности труда при
изготовлении и ремонте Т-систем;
4. Эргономические показатели, характеризующие
систему
«человек-изделие-среда»
и
учитывающие
комплекс
гигиенических,
антропологических,
физиологических, психофизических, проявляющихся в
производственных и бытовых условиях;
5. Эстетические
показатели,
характеризующие
внешние свойства Т-систем;
6. Показатели стандартизации и
унификации,
характеризующие степень использования в Т-системе
стандартизованных изделий и уровень унификации,
составных его частей;
7. Патентно-правовые
показатели,
отражающие
степень патентной защиты конструкторских решений;
8. Экономические показатели, характеризующие
затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию Тсистемы.
Следует подчеркнуть, что только учет всего
многообразия факторов, их тщательный анализ дает
основание конструктору выбрать из большого числа
возможных вариантов решение, близкое к оптимальному.
4.4 Основы системного подхода в проектировании
Для решения таких комплексных вопросов, как
создание современных Т-систем, необходим системный
подход, при котором ни одна система не рассматривается
абсолютно замкнутой. Взаимодействие системы с внешней
средой представляется внешними связями, то есть система
получает воздействие от среды и сама на неё влияет.
Физические системы не просто находятся в окружении,
они существуют во взаимодействии с внешними
объектами. Поэтому успех проектирования искусственных
68
систем определяется их совместимостью с окружающей
средой.
Например,
для
технологического
процесса
характерны
материальные,
энергетические
и
информационные связи с системами окружающей среды. В
кибернетическом плане ТП представляет собой объект
управления. На его входы поступают заготовки и
управляющая информация. Одна часть этой информации
включает плановые задания, определяющие календарные
сроки выпуска и запуска деталей, вторая –
технологическую документацию, содержащую алгоритмы
и программы управления процессом изготовления деталей
на различных операциях.
К выходам системы относятся готовые детали и
информация о фактическом времени их изготовления и
технологических отклонениях. Эта информация поступает
в систему оперативного управления производством и в
службы технологической подготовки производства. Таким
образом, для ТП изготовления деталей, окружающей
средой будут заготовительные и сборочные цехи, службы
технологической подготовки производства и оперативного
управления.
Всякая система допускает разделение её на
подсистемы. Поведение подсистемы может отличаться от
поведения всей системы. Качественная определенность ТС
обусловлена их структурой.
Свойства, не присущие ни одной из деталей, но
возникающие в процессе правильного их взаимодействия,
называются системными (детали велосипеда, велосипед).
С точки зрения системного подхода процессы
проектирования и конструирования различны, но тесно
взаимосвязаны.
Информационным входом Iпр для проектирования
служит описание потребностей. Выходом процесса
69
проектирования
Опр
является
реальный
образ
технического средства, действие которого должно быть
описано на превращения входа I в выход О в соответствии
с потребностью. Этот образ включает в себя концепцию П
конструкции, осуществляющей заданное действие Д.
Выход Опр становится входом конструирования Iк.
Выходом процесса конструирования Ок является
конструкция К, благодаря которой создаются заданные
структуры и состояния ТС.
Разнородность проектирования и конструирования
вытекает из различных творческих и операционных
возможностей,
среди
которых
можно
выделить
следующие:
– использование одного из многих известных
решений;
–
использование
возможного
единственного
решения;
– поиск возможного решения;
ZIOX.
Наиболее характерные действия инженера при
проектировании:
1. Проектирование
с
целью
использования
известного
технического
средства
с
заданными
характеристиками. Результатом является выход Опр,
который представляет собой информацию о новом
использовании рассматриваемого средства; (утюг…).
2. Проектирование с целью выбора технического
средства
с
необходимыми
характеристиками
Х,
обеспечивающего осуществление процесса. Выходом
проектирования является информация, определяющая
использование известного технического средства.
70
3. Проектно-констукторский процесс с целью
создания конструкции нового технического средства.
Рисунок 4.4 – Связь технологического процесса с
системами окружающей среды.
71
Рисунок 4.5 – Модель проектирования и конструирования
при системном подходе.
(I – вход; О – выход; П – концепция; Д – заданное действие)
4.5 Выводы
1.
Проектирование – процесс, заключающийся
в преобразовании исходного описания объекта в
окончательное описание на основе выполнения комплекса
работ исследовательского, расчетного и конструкторского
характера.
2.
Возможности
проектирования
сложных
объектов обусловлены использованием ряда принципов:
декомпозиции и иерархичности, многоэтапности и
итерационности, типизации и унификации.
Для создания новых технических систем
необходим системный подход, при котором ни одна
система не рассматривается абсолютно замкнутой.
3.
72
Система получает воздействие от среды и сама на нее
влияет.
Контрольные вопросы:
1. Иерархические
системы.
уровни
описания
технической
2. Постановка задачи проектирования ТС.
3. Основные этапы проектирования ТС.
4. Нисходящее и восходящее проектирование ТС.
5. Внешнее и внутреннее проектирование ТС.
6. Аспекты описаний проектируемых объектов.
7. Унификация проектных решений и процедур.
8. Требования к проектам новых технических систем.
9. Основы системного подхода в проектировании ТС.
73
5 МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
Процесс принятия решений сам по себе есть
компромисс. Принимая решения, необходимо оценивать
экономические факторы, техническую целесообразность и
научную необходимость, а также учитывать социальные и
чисто человеческие факторы. Принять правильное
решение, – значит, выбрать такую альтернативу из числа
возможных, в которой с учетом всех этих факторов будет
оптимизирована общая ценность.
Часто бывает необходимо несколько поступиться
одной из характеристик (например, надежностью) с тем,
чтобы получить выигрыш в другой (например, в затратах).
Задачей процесса принятия решений является отыскание
альтернатив, представляющих собой компромисс при
учете
всех
рассматриваемых
факторов,
как
количественных, так и качественных.
Ситуацию, в которой происходит принятие решений,
характеризуют следующие основные черты:
Наличие цели. Необходимость принятия решений
диктуется наличием некоторой цели, которую необходимо
достичь, например: выполнить задание, выбрать материал,
выполнить новую работу и т.д. Если же цель не
поставлена, то и не возникает необходимости принимать
какое-либо решение.
Наличие альтернативных линий поведения. Решения
принимают в условиях, когда существует несколько
способов достижения цели.
Очевидно, что если существует лишь одна линия
поведения, то выбора нет и решения принимать не
требуется. С различными альтернативами могут быть
связаны различные затраты
74
И различные вероятности успеха. Именно по этим
причинам принятие решений часто сопряжено с
неясностью и неопределенностью.
Учет существенных факторов. Решения принимаются
в условиях действия большого числа факторов, которые,
однако, различны для различных альтернатив. Это
факторы экономического, технического, социального,
личного и иного характера.
Итак, задача принятия решений возникает только в
том случае, когда существует цель, которую нужно
достичь, когда возможны различные способы ее
достижения и когда имеется большое число факторов,
определяющих ценность различных альтернатив или
вероятность успеха каждой из них.
При инженерном проектировании необходимо
принимать много решений. В некоторых случаях инженеру
нужно
уметь
принимать
решения
в
условиях
неопределенности и затем продолжать движение дальше.
Кроме того, приходится решать вопрос о том, стоит ли
придерживаться однажды принятого решения или
необходим его пересмотр.
Выбор методов и способов принятия проектных
решений во многом зависит от вида описания объекта
проектирования и полноты формализации связей его
системной модели. Например, отображение, описывающее
объект проектирования в виде статистической модели,
может быть задано различными способами: графиками,
таблицей, алгоритмом вычислений выходных переменных,
функций и т. д. Отображение же, описывающее
динамическую модель, может быть задано различными
классами дифференциальных или разностных уравнений
линейного или нелинейного типа. Разумеется, каждому
виду описания модели соответствует свой способ решения.
Если связи системных объектов формализовать не удалось
75
или удалось только на уровне логического описания, то
возможно при принятии решений использование только
эвристических методов. При разработке математических
моделей объекта проектирования следует применять
вычислительные методы для получения оптимальных
результатов.
Ниже приводятся способы решения проектных задач
из арсенала эвристических методов, в которых учтены
возможности
максимального
использования
вычислительных средств. Обзор вычислительных методов
принятия решений будет дан в следующем разделе.
5.1 Матрицы решений
Задача: найти метод обработки плоской поверхности
заданного качества с требуемой производительностью из
определенного материала с известным припуском.
Опытный проектировщик часто сразу находит
решение, но если эту задачу приходится решать
неоднократно, то целесообразно сформировать так
называемую матрицу решения данной задачи. Она
представляет
собой
матрицу
коэффициентов
на
пересечении столбцов критериев (входных параметров) со
стоками вариантов решений (факторов решений)
Предположим,
что
в
результате
анализа
поставленной задачи выбраны и критерии и факторы
решения, которые заносят в табл. 5.1 (вариант 1): критерии
– в заголовках столбцов, варианты решений – в заголовках
строк. Каждому критерию в зависимости от его
относительной важности для принятия решения
назначается весовой коэффициент, имеющий значение от 0
до 1. Сумма всех весовых коэффициентов должна быть
равна 1. Каждый же вариант в зависимости от его близости
к критериям решений получает соответствующее число
76
баллов (от 0 до 10). Заметим, что при рассмотрении
критерия себестоимости обработки, варианты решения,
требующие больших затрат, получают меньшее число
баллов. Затем число баллов умножается на весовые
коэффициенты, и произведение записывают в нижней
части клетки.
Построчно вычисляется сумма, которая помогает
определить наилучший вариант. В табл. 5.1 (вариант 1)
факторы решения В и Г имеют наибольшее значение
суммы произведений, следовательно, эти методы
позволяют перейти на следующие этапы проектирования.
Для выбора одного из факторов можно составить
подматрицу решения этих двух вариантов, используя,
например, критерий возможности применения серийно
выпускаемого оборудования.
Таблица 5.1 – Матрица определения принципа
действия станка для обработки плоской
поверхности.
Вариант 1 (вариант 2)
Факторы
решения
А. Торцовое
фрезерован
ие
Б. Строгание
В. Торцовое
шлифовани
е
Г.
Протягивание
Входные параметры
Производи
Качество
Точность
Себестоимость
-тельность
поверхности
0.3(0,2)
0.1(0,2)
0.2(0,4)
0.4(0,2)
10
4
5
8
2,0(4,0)
1,2(0,8)
2,0(1,0)
0,8(1,6)
Сумм
а
балло
в
Мест
о
6
3
(7,8)
(1)
5
5
5
7
5,2
4
1,0(2,0)
1,5(1,0)
2,0(1,0)
0.7(1,4)
(5,4)
(3)
2
8
10
4
7,2
1
0,4(0,8)
2,4(1,6)
4,0(2,0)
0,4(0,8)
(5,2)
(4)
8
8
7
3
7,1
2
1,6(3,2)
2,4(1,6)
2,8(1,4)
0,3(0,60)
(6,8)
(2)
77
В нашем примере предпочтение тогда будет отдано
методу торцового шлифования.
Совершенно ясно, что исключительно важное
значение для точности данных, на основе которых
принимается окончательное решение, имеет правильный
выбор значений весовых коэффициентов и числа баллов.
Следовательно, выбор коэффициентов и числа баллов
должен проводиться на основе максимально возможного
объема информации при полном понимании решаемой
задачи и полном проявлении здравого смысла. Например,
если для нашей задачи превалирующим критерием
является производительность, то проектировщик должен
изменить весовые коэффициенты, не меняя числа баллов.
В результате суммы произведений в табл. 5.1 (вариант 2)
изменяется, и предпочтительным может оказаться вариант
А – фрезерование торцовое.
Введение матриц решений позволяет решать задачи
типа выбора принципа действия ТС в диалоговом режиме.
5.2 Таблицы
соответствий)
принятия
решений
(таблицы
В процессе проектирования Т-систем и ТС
приходится очень часто пользоваться информацией в виде
нормалей и руководств, концентрирующих практический и
теоретический опыт предприятий или отрасли. Для
автоматической или автоматизированной обработки в этом
случае можно рекомендовать применение таблиц принятия
решений (ТПР). По своей структуре ТПР напоминают
матрицы решений – в заголовки строк заносятся варианты
решений, а в заголовки столбцов – входные параметры.
Существенным
отличием
является
вариантность
критериев, что позволяет использовать ТПР для решения
78
большого круга проектных задач с различными
значениями входных параметров.
Рассмотрим методику построения и применения ТПР
на примере выбора технологического маршрута обработки
элементарной поверхности деталей – гладкого внутреннего
цилиндра. ТПР для данного варианта процесса приятия
решений показана в виде табл. 5.2.
Таблица 5.2 – Таблица принятия решений по выбору
маршрута
обработки
элементарной
поверхности
(внутренний цилиндр)
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13
‘
0
01
0
‘
02 1
0
0
1
0
‘
0
‘
0
0
0
0
0
0
0
0
0
‘
0
0
1
0
1
0
1
0
1
‘
03 1
0
1
0
0
‘
04 0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
Обозначение столбцов:
01 – номер элементарного маршрута обработки;
02 – материал заготовки – чугун;
03 – то же – алюминий;
04 – поверхность предварительно не обработана;
05– поверхность предварительно обработана;
06 – диаметр обработки не менее 40 мм;
07 – диаметр обработки более 40 мм;
08 – точность обработки – 1-6 квалитет;
09 – точность обработки – 6-9 квалитет;
10 – шероховатость обработки Rz <4 мкм;
79
11 – шероховатость обработки Rz <2 мкм;
12 – шероховатость обработки Rz <0,8 мкм;
Здесь в заголовках столбцов указаны параметры
входа задачи, разбитые на возможные варианты
конкретных значений. Клетки матриц заполняются двумя
числами – нулями и единицами. Обработка ТПР
производится
автоматически
путем
построчного
сравнивания вариантов решений со значениями входных
параметров. Решение считается найденным, когда всем
конкретным значениям входных параметров для данного
варианта решения соответствовали в клетках матрицы
значения, равные 1. Например, обработке гладкого
отверстия диаметром 20 мм в глухой отливке из чугуна с
точностью по 6 квалитету и шероховатостью поверхности
Rz  3 мкм соответствует ТЭМ №1 – засверливание,
сверление, зенкерование.
5.3 Графы зависимостей
В случае, если формализация связей системных
моделей не привела к их конкретному описанию, а связи
между ними на логическом уровне установлены, то для
принятия решения можно использовать метод поиска по
графам зависимостей между входными параметрами,
факторами решения и выходными параметрами. Суть
данного метода поясним, рассматривая разработку графа
поиска проектных решений для задачи, описанной в
предыдущем примере. Основу метода составляет
разработка «дерева решений» и свода правил поиска
требуемого пути решения. Для нашего примера «дерево
решений» показано на рис. 5.1. На разных уровнях пути
поиска определяются или автоматически, когда правила
80
поиска,
формализованы,
или
выбираются
проектировщиком эвристически. На рис. 5.1 жирной
линией показан путь для прохождения ТЭМ №1.
Рисунок 5.5 – Граф зависимостей
81
5.4 Выводы
1. Процесс принятия решений сам по себе
компромисс.
2. Ситуацию, в которой происходит процесс
принятия решения, характеризуется: наличием
цели, наличием альтернативных линий поведения
и учетом существующих факторов.
3. Эвристические способы принятия решений
позволяют широко использовать вычислительные
средства.
Контрольные вопросы
1. Что такое принятие «правильного» решения
2. Дать характеристику: наличию цели, наличию
альтернативных
линий
поведения
и
существующим факторам.
3. Что такое весовой коэффициент
4. Определить метод обработки поверхности с
помощью матрицы решений.
5. Определить метод обработки поверхности с
помощью таблицы принятия решений.
82
6 НОВЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Новые методы проектирования направлены на то,
чтобы заставить проектировщика «думать вслух», т.е.
позволить другим людям ознакомиться с процессами
мышления, которые протекали в голове, объективировать
процесс
проектирования.
Преимущество
такого
обдумывания проекта заключается в том, что потребители
могут следить за происходящими событиями и участвовать
в них, сообщая проектировщику те сведения и оценки,
которые выходят за пределы его знаний и опыта.
6.1 Проектировщик как «черный ящик»
Многие специалисты считают, что важная часть
процесса
проектирования
совершается
в
голове
проектировщика неподотчетной сознанию, т.е. алогично.
Проектировщик, как и все живые существа, способен
получать на выходе решения, которым он доверяет и
которые часто оказываются удачными, хотя сам он не
может объяснить, каким образом ему удалось прийти к
этим решениям.
Не подлежит сомнению, выходные сигналы мозга
определяются не только текущей ситуацией, но и
ситуациями, пережитыми в прошлом. Из этого заключаем,
что нельзя быть хорошим проектировщиком, не имея
соответствующего опыта.
С другой стороны прошлый опыт является главным
врагом творческого мышления, так как ограничивает
разнообразие
выходных
реакций
организма.
Проектировщик желающий создать проект выходящий за
рамки стереотипа должен обладать большой терпимостью
к неопределённости и внутренним противоречиям.
83
Рисунок 6.1 – Проектировщик как маг и волшебник
6.2 Проектировщик как «прозрачный ящик»
Концепция «прозрачного ящика» построена на
предположении, что проектировщик вполне осознает свои
действия и их причины (рис. 6.2).
Èí ô î ðì àöèÿ
Î öåí êà
Ñèí òåç
Î ï òèì àëüí î å
ðåø åí èå
Àí àëèç
Рисунок 6.2 – Проектировщик как
вычислительная машина
Одно
из
распространённых
наблюдений
относительно проектирования состоит в том, что
проектирование включает в себя три основные стадии:
анализ, синтез и оценку. Простыми словами эти стадии
84
можно определить соответственно как «расчленение
задачи на части», «соединение частей по новому» и
«изучение последствий от практического внедрение нового
устройства». Считается, что эти стадии повторяются
многократно, а каждый следующий цикл отличается от
предыдущего большей детализацией и меньшей
общностью.
Логическое поведение проектировщика напоминает
работу вычислительной машины: он пользуется только той
информацией, которая в него введена. Действует по
заданной схеме проводя анализ, синтез, оценку и
повторение циклов до тех пор, пока не найдет наилучшее
из всех возможных решений.
При применении метода «прозрачного ящика»
коренным вопросом является возможность расчленения,
или декомпозиции, задачи на отдельные части, которые
можно решать последовательно или параллельно.
Решению каждой подзадачи можно уделить больше
внимания, что позволяет резко сократить сроки
проектирования, распределив работу между многими
проектировщиками.
Некоторые задачи проектирования не поддаются
расчленению. В таких случаях на какого-то опытного
работника-руководителя проекта- возлагается полная
ответственность
за
все
существенные
решения.
Руководитель проекта на основе имеющегося у него опыта
решения аналогичных задач определяет общую схему
изделия и распределяет остальную работу между
помощниками. Руководитель в этом случае использует
методы «черного ящика».
При решении часто повторяющихся задач иногда
удается всецело объективировать опыт разработчиков и
полностью автоматизировать процесс проектирования. Это
85
метод проектирования «прозрачного ящика» в чистом
виде.
Ясно,
что
основной
целью
методологии
проектирования является уменьшение цикличности и
увеличение линейности проектирования.
Наличие цикличности предполагает, что важнейшие
частные задачи остаются незамеченными до поздних
этапов работы, а они обнаруживаются, требуется
пересмотр решений, положенных в основу проекта.
Линейность же предполагает, что все важнейшие
проблемы можно обнаружить с самого начала.
6.3 Проектировщик как самоорганизующаяся
система
Основным недостатком методов «черного ящика» и
«прозрачного ящика» является то, что проектировщик
вырабатывает множество неизученных альтернатив,
слишком большое для того, чтобы его можно было
исследовать
медленным
способом
сознательного
осмысления.
Он не может сделать выбор интуитивно, по принципу
«черного ящика», так как при этом вновь вступят
ограничения, налагаемые опытом прошлого, а он как раз
стремится этого избежать.
В тоже время он лишен возможности ускорить и
автоматизировать поиск с помощью вычислительной
техники, так как для составления программ для ЭВМ
необходимо заранее знать цели и критерии отбора, а они
сами зависят от имеющихся вариантов.
Выходом из этой дилеммы может явиться разделение
работы проектировщика на две части:
- осуществление поиска подходящей конструкции;
86
- контроль и оценка схемы поиска (управление
стратегией).
Это даёт возможность вместо слепого перебора
вариантов применить осознанный поиск и найти короткие
пути через незнакомую территорию, используя как
внешние критерии, так и результаты частичного поиска.
Эта модель «осознания себя+ситуации» имеет своей
целью
предоставить
каждому
члену
бригады
проектировщиков возможность самому определять
насколько избранная методика поиска способна привести к
приемлемому равновесию между новой конструкцией,
ситуацией, на которую она окажет влияние, и стоимостью
её разработки.
6.4 Проектирование как трехступенчатый процесс
Новым задачам, связанным с проектированием
систем в большей мере соответствуют следующие три
ступени: дивергенция, трансформация и конвергенция.
6.4.1 Дивергенция
Дивергенция – расширение границ проектной
ситуации с целью обеспечения достаточно обширного и
достаточно плодотворного пространства для поиска
решения.
Дивергентный
поиск
характеризуется
следующими основными чертами:
а) цели неустойчивы и условны;
б) границы задачи неустойчивы и неопределенны;
в) оценка откладывается на будущее: всё что может
иметь отношение к решению задачи, принимается во
внимание, как бы сильно одно положение не
противоречило другому;
87
г) техническое задание, полученное от заказчика,
принимается за отправную точку исследований, но это
задание может подвергаться изменениям и развитию в
ходе дивергентного поиска;
д) задача
проектировщика
заключается
в
сознательном увеличении своей неуверенности, в
освобождении от заранее заданных решений, в изменении
стратегии мыслительной деятельности;
е) изучение реакции заказчика, потребителей, рынка,
производства и т.п. на смещение целей и границ задачи в
разных направлениях и в различном объеме.
На этой стадии проектировщик должен воздержаться
от попытки втиснуть свои выводы в незрелую схему.
Принятие решений необходимо отложить до следующей
стадии, когда проектировщик будет достаточно много
знать о стоящей перед ним задачей, и на основе этих
знаний сумеет предвидеть вероятные последствия
различных способов организации данных.
Цель дивергентного поиска заключается в том, чтобы
пристроить или разрушить первоначальный вариант
технического задания, выявив при этом те аспекты
ситуации проектирования, которые позволят получить
ценные и осуществимые изменения.
6.4.2 Трансформация
Эта стадия создания принципов и концепций, пора
высокого творчества, вдохновенных догадок и озаренийвсего, что составляет радость творческого труда при
проектировании. Это же и самая ответственная стадия,
когда совершаются крупные ошибки, когда может
восторжествовать
необузданный
оптимизм,
когда
необходимы большой опыт и здравомыслие, чтобы не
огорчить
мир
дорогостоящими
и
бесполезными
88
результатами больших, но неверно направленных затрат
человеческого труда.
На этой стадии возникает общая концептуальная
схема проектируемого объекта, которая кажется удачной,
хотя это и нельзя доказать.
Для
трансформации
характерны
следующие
основные черты:
а) на результат дивергентного поиска накладывается
некоторая концептуальная схема. Избранная схема должна
отражать реалии конкретной ситуации;
б) на этой стадии фиксируются цели, технические
задания и границы задачи, выявляются важнейшие
переменные, распознаются ограничения;
в) задача расчленяется на подзадачи, которые можно
решать последовательно или параллельно и в
значительной мере независимо друг от друга;
г) на этой стадии ярче всего проявляется личность
проектировщика. Чем контрастней у проектировщика
сложилась мысленная картина мира. Тем большую
нетерпимость
он
будет
проявлять
ко
всем
трансформациям, которая представляется ему правильной.
Ставить на голосование можно только ту или иную
трансформацию
целиком,
без
«перемешивания»
соперничающих вариантов.
6.4.3 Конвергенция
Эта стадия наступает тогда, когда задача определена,
переменные найдены, цели установлены.
Основные характеристики конвергенции таковы:
а) основная цель на этом этапе – как можно быстрее
уменьшить неопределённость, т.е. исключить все
альтернативы, не заслуживающие рассмотрения. Самое
89
главное решение – это установить порядок принятия
решений, уменьшающих разнообразие.
б) некоторые задачи неожиданно приобретают
особую важность, так как они не могут быть разрешены
без изменения ранее принятых решений, что приводит к
цикличности.
в) модели,
используемые
для
оставшихся
альтернатив, становятся менее абстрактными и более
детализированными.
Цель конвергенции- сократить поле возможных
вариантов до единственного выбранного проекта с
минимальными
затратами
времени
и
средств.
Конвергенция до конца поддается логическому анализу и
может быть целиком выполнена вычислительной
машиной.
6.5 Методы исследования проектных ситуаций
при создании технических систем (дивергенция).
6.5.1 Формулирование задач
Цель: охарактеризовать внешние условия, которым
должен отвечать проектируемый объект.
План действий.
1. Охарактеризовать ситуацию функционирования
объекта.
2. Определить характерные для ситуации условия,
которым должен отвечать объект, чтобы он был принят
заказчиками.
К этим условиям относятся:
а) конечные требования заказчиков к объекту и их
обоснование;
б) наличные ресурсы;
в) главные задачи (или цели).
90
Конечной целью является обеспечение соответствия
объекта этим условиям.
3. Обеспечить, чтобы условия, характеризующие
главные задачи, были совместимы как друг с другом, так и
с информацией, используемой в процессе проектирования.
6.5.2 Поиск литературы
Цель: отыскать опубликованную информацию,
полезную для будущих проектных решений, которую
можно получить своевременно и без излишних затрат.
План действий.
1. Определить цели, для которых разыскивается
опубликованная информация.
2. Определить виды изданий, в которых может
публиковаться достоверная информация, пригодная для
указанных целей.
3. Выбрать наиболее подходящие общепринятые
методы поиска литературы.
4. Свести стоимость поиска литературы к минимуму,
предусмотрев время на задержки в выдаче информации и
непрерывно оценивая как выбор источника информации,
так и пригодность собранных данных.
5. Поддерживать точную и полную картотеку
признанных полезными документов.
6. Составить и постоянно обновлять небольшую
библиотечку для быстрого отыскивания нужной
информации.
91
6.5.3 Выявление визуальных несоответствий
Цель: определить направления, по которым должен
идти поиск путей совершенствования художественноконструкторского решения.
План действий.
1. Изучить
образцы
и
(или)
фотографию
существующих изделий.
2. Определить
очевидные
несоответствия
и
противоречия в компоновке и назначении деталей
конструкции.
3. Определить причины этих несоответствий и
доказать целесообразность изменения художественноконструкторского решения.
4. Предусмотреть пути ликвидации несоответствий и
способы приведения конструкции в соответствие с
условиями эксплуатации.
6.5.4 Интервьюирование потребителей
Цель: собрать информацию, известную только
потребителям данного изделия или системы.
План действий.
1. Выявить
ситуации
потребления,
имеющие
отношение к исследуемой проектной ситуации.
2. Получить согласие всех лиц в рамках ситуации
потребления, на которых может оказать влияние
присутствие интервьюирующего или внедрение нового
проекта.
3. Побуждать
потребителей
к
описанию
и
демонстрации любых аспектов их деятельности, которые
они считают важными.
92
4. Направить беседу на обсуждение тех аспектов
деятельности
потребителя,
которые
имеют
непосредственное отношение исследуемой ситуации.
5. Зафиксировать во время интервью или сразу же
после него как основные, так и побочные выводы.
6. Получить замечания потребителей (если это
целесообразно) относительно выводов, сделанных на
основании интервью.
6.5.5 Анкетный опрос
Цель: собрать полезную информацию среди большой
группы населения.
План действий.
1. Определить проектные решения, на которые могут
повлиять ответы на вопросы анкеты.
2.Охарактеризовать виды информации, имеющие
важное значение для принятия проектных решений.
3. Определить категории лиц, располагающих
необходимыми видами информации.
4. Провести предварительные исследования, чтобы
получить представление о значениях потенциальных
участников анкетного опроса.
5. Составить пробную анкету, отвечающую как
процедуре опроса, так и конкретной проектной ситуации.
6. Распространить пробную анкету для проверки
вопросов, вариативности ответов и метода их анализа.
7. Отобрать наиболее подходящий контингент лиц,
располагающих необходимой информацией.
8. Собрать ответы на анкету путем личного
интервьюирования или по почте.
9. Извлечь из ответов данные, наиболее полезные для
проектировщиков.
93
6.5.6 Исследование поведения потребителей
Цель: исследовать модели поведения потенциальных
потребителей нового изделия и предсказать их предельные
характеристики.
План действий.
1. Прежде чем приступить к разработке новой
конструкции, следует проконсультироваться с опытными и
неопытными потребителями аналогичного оборудования и
провести соответствующие наблюдения.
2. Проанализировать систему человек-машина для
определения задач, возможностей потребителя и
художественно-конструкторских требований к тем деталям
конструкции, которые находятся в непосредственном
взаимодействии с потребителем.
3. Изучить путём наблюдения или моделирования
особенно
важные
аспекты
поведения
как
малоискушённых,
так
и
опытных
потребителей
предлагаемого изделия.
4. Зафиксировать предельные значения, превышение
которых приведёт к невозможности выполнения
потребителем необходимых операций без возникновения
ошибок, поломок и неудобств.
6.5.7 Системные испытания
Цель: определить действия, способные привести к
желаемым изменениям сложной проектной ситуации.
План действий.
1. Определить характеристики данной проектной
ситуации, не соответствующие желаемому.
2. Определить
источники
резких
изменений
поведения в рамках данной ситуации.
94
3. Ввести существенные ограничения в источники
вариабельности или снять их, зарегистрировав результаты
их влияния на характеристики ситуации, не отвечающие
желаемому. Зарегистрировать также их влияние на другие
характеристики данной ситуации.
4. Выбрать наиболее перспективные и наименее
опасные из изученных ограничений и использовать их для
планирования и достижения желаемых изменений.
6.5.8 Выбор шкал измерения
Цель: соотнести измерения и вычисления с
погрешностями наблюдений, со стоимостью сбора данных
и с задачами проекта.
План действий.
1. Сформулировать вопросы, на которые результаты
измерения должны дать ответ.
2. Определить
допустимую
погрешность
и
приемлемую стоимость измерения.
3. Выбрать соответствующую шкалу измерения.
4. Разработать
методику
измерений,
соответствующую изложенному выше.
6.5.9 Накопление и свертывание данных
Цель: построить и представить в визуальной форме
модели поведения человека, от которых зависят
критические проектные решения.
План действий.
1. Выявить неопределенности, имеющие критическое
значение для успеха или неудачи проектных решений в
рассматриваемом диапазоне.
2. Определить, до какой степени следует сократить
неопределенности, имеющие критическое значение.
95
3. Определить время и имеющиеся возможности для
сокращения неопределенностей, имеющих критическое
значение.
4. Просмотреть существующие методы накопления и
свертывания данных, отмечая в каждом случае точность,
скорость и стоимость обработки данных, а также типы
вопросов, на которые может быть дан ответ.
5. Выбрать методы накопления и свертывания
данных, совместимые с изложенными требованиями и друг
с другом.
6. Непрерывно
проверять
релевантность
промежуточных результатов и неопределенностей,
имеющих критическое значение, и при необходимости
корректировать методику.
6.6 Методы поиска идей
6.6.1 Мозговая атака
Цель: стимулировать группу лиц к быстрому
генерированию идей.
План действий.
1. Отобрать группу лиц для генерации идей.
2. Ввести правило, запрещающее критиковать любую
идею, какой бы «дикой» она не казалась, и довести до
сознания участников, что приветствуются любые идеи, что
необходимо получить много идей и что участники должны
попытаться комбинировать или усовершенствовать идеи,
предложенные другими.
3. Зафиксировать выдвинутые идеи и дать им затем
оценку.
96
6.6.2 Синектика
Цель: направить спонтанную деятельность мозга и
нервной системы на исследование и преобразование
проектной проблемы.
План действий.
1. Тщательно подобрать группу специалистов в
качестве самостоятельного «отдела разработок».
2. Предоставить
этой
группе
возможность
попрактиковаться в использовании аналогий для
ориентации спонтанной активности мозга и нервной
системы на решение предложенной проблемы.
3. Передать группе сложные проблемы, которые не
может решить основная организация, и предоставить ей
достаточное время для их решения.
4. Представить результаты работы группы основной
организации для оценки и внедрения.
6.6.3 Ликвидация тупиковых ситуаций
Цель: найти новые направления поиска, если
очевидная область поиска не дала приемлемого решения.
План действий.
1. Правила
преобразований,
которым
можно
подвергнуть имеющееся неудовлетворительное решение
или какие-либо его части.
2. Поиск новых взаимосвязей между частями
имеющегося неудовлетворительного решения.
3. Переоценка проектной ситуации.
6.6.4 Морфологические карты
Цель: расширить область поиск решений проектной
проблемы.
97
План действий.
1. Определить функции, которые приемлемый
вариант изделия должен быть способен выполнять.
2. Перечислить на карте широкий спектр частичных
решений, т. е. альтернативных средств осуществления
каждой функции.
3. Выбрать по одному приемлемому решению для
каждой функции.
6.7 Методы исследования структуры проблемы
6.7.1 Матрица взаимодействий
Цель:
обеспечить
систематический
поиск
взаимосвязей между элементами в рамках данной
проблемы.
План действий.
1. Определить понятия «элемент» и «взаимосвязь»
(таким образом, чтобы другие специалисты могли выявить
ту же конфигурацию элементов и взаимосвязей, что и вы).
2. Составить матрицу взаимодействий, в которой
каждый элемент может быть сопоставлен с любым другим.
3. На основе объективных данных определить
имеется ли взаимосвязь между каждой парой элементов.
6.7.2 Сеть взаимодействий
Цель:
отразить
схему взаимосвязей
между
элементами в рамках проектной проблемы.
План действий
1. Дать
однозначное
определение
понятий
«элементы» и «взаимосвязи», как это предложено в
разделе 4.7.1.
98
2. Использовать матрицу взаимодействий для
определения взаимосвязанных пар элементов.
3. Вычертить граф в виде точек (представляющих
элементы), соединенных линиями (изображающими связи
между элементами).
4. Изменить положения точек так, чтобы свести к
минимуму число пересечений и более отчетливо выявить
структуру сети.
6.7.3 Анализ взаимосвязанных областей решения
(AIDA)
Цель: выявить и оценить все совместимые
комбинации частичных решений проектов проблемы.
План действий.
1. Выявить несколько возможных вариантов в
каждой области решений.
2. Указать, какие варианты несовместимы друг с
другом.
3. Перечислить все наборы вариантов, которые
можно объединять друг с другом, не опасаясь их
несовместимости.
4. При наличии единого количественного критерия
для выбора вариантов (например, стоимости) найти
совместимые наборы вариантов, наилучшим образом
удовлетворяющие данному критерию.
6.7.4 Трансформация системы
Цель: найти способы трансформации системы с
целью ликвидации присущих ей недостатков.
План действий.
1. Выявить коренные недостатки существующей
системы.
99
2. Установить причины этих недостатков.
3. Определить новые типы компонентов системы,
способных ликвидировать присущие ей недостатки.
4. Определить последовательность измерений (путь
трансформации, или эволюционная траектория), которая
позволит
существующим
компонентам
системы
эволюционировать в качественно новые.
6.7.5
Проектирование
смещения границ
нововведений
путем
Цель: сместить границы нерешенной проектной
проблемы, чтобы для ее решения можно было
использовать знания из смежных областей.
План действий.
1. Выявить существенные функции какого-либо
устройства, которое способствовало бы достижению
поставленной задачи.
2. Выявить противоречия между существующими
средствами выполнения этих функций в рамках
предполагаемых границ проблемы.
3. Выявить знания, выходящие за предполагаемые
границы проблемы, которые можно было бы использовать
при трансформации проблемы.
4. Найти сопоставимые промежуточные решения
проблемы, которые проложили бы путь к частичному или
полному использованию знаний из смежных областей.
6.7.6 Проектирование новых функций
Цель: создание радикально новой конструкции,
способной привести к новым моделям поведения и спроса.
План действий
100
1. Выявить функции каждого конкретного элемента
существующего решения.
2. Охарактеризовать основную функцию, для которой
указанные функции являются вспомогательными.
3. Охарактеризовать изменения основной функции,
которые могут привести к улучшению данной проектной
ситуации.
4. Объединить решения пп. 2 и 3 для получения
новой основной функции.
5. Найти альтернативные решения разделения новой
основной функции на вспомогательные и закрепить
каждую из них за новыми конкретными элементами.
6.7.7 Определение элементов по Александеру
Цель: найти правильные физические компоненты
конкретной структуры, которые можно было бы изменять
независимо друг от друга в соответствии с последующими
изменениями среды.
План действий
1. Выявить все требования, оказывающие влияние на
формирование конкретной структуры.
2. Определить, является ли каждая пара требований
независимой или нет, и зафиксировать каждое решение в
матрице взаимодействий.
3. Разложить матрицу на группы с тесно внутренней
взаимосвязью и слабой связью между группами. Это и
будут «правильные» компоненты.
4. Разработать конкретные компоненты для каждого
набора требований.
5. Скомпоновать из этих новых компонентов новую
конкретную структуру или ввести некоторые новые
компоненты в конкретные существующие системы.
101
6.7.8 Классификация проектной информации
Цель:
разделить
проектную
проблему
на
поддающиеся решению части.
План действий.
1. Записать на отдельной карточке каждую единицу
информации, собранной в результате исследования
проектной ситуации.
2. Классифицировать карточки по альтернативным
наборам категорий до тех пор. Пока не будет найден
набор, соответствующий как зафиксированным данным,
таки субъективной точке зрения проектировщика на
проблему.
3. Использовать отобранные наборы категорий как
основу для индексации информации, собранной на более
позднем этапе, для разбивки проблемы на части с целью
последовательной или параллельной работы над ними, а
также для пробной идентификации переменных величин и
взаимосвязей между ними.
4. Пересмотреть классификацию на более позднем
этапе, если появятся противоречивые доказательства,
изменятся задачи или точка зрения проектировщика на
проблему.
6.8 Методы оценки (конвергенция)
6.8.1 Контрольные перечни
Цель:
дать
проектировщикам
сведения
о
требованиях, которые были признаны релевантными в
аналогичных ситуациях.
План действий.
102
1. Подготовить перечень вопросов, которые были
признаны важными в одной или нескольких аналогичных
ситуациях.
2. Задать некоторые или все вопросы применительно
к проекту, подлежащему оценке.
6.8.2 Выбор критериев
Цель: установить критерии приемлемости проектного
решения.
План действий.
1. Сформулировать задачу, которой должно отвечать
приемлемое проектное решение.
2. Охарактеризовать
«гарантирующее
успех»
направление работ по данной задаче.
3. Изучить имеющиеся данные о влиянии отклонений
от сформулированной задачи и определить условие,
соответствующее «области гарантированного успеха» в
зоне между приемлемыми и неприемлемыми решениями.
4. Выбрать в качестве критерия простейшую меру,
надежно указывающую, лежит ли проект в «области
гарантированного успеха».
5. Повторить действия пп. 1-4 для каждой задачи.
6.8.3 Ранжирование и взвешивание
Цель: сравнить ряд альтернативных проектных
решений, используя общую шкалу измерения.
План действий.
1. Определить задачи, которым должны отвечать
альтернативные проектные решения.
2. Если задачи следует ранжировать, то:
а) записать в матрице предпочтительную задачу из
каждой пары;
103
б) распределить задачи по их степени предпочтения.
3. Если задачи должны быть взвешены, назначить
каждой задаче коэффициент весомости, указывающий на
ее важность по сравнению с другими задачами.
4. Измерить или оценить степень, с которой каждое
альтернативное проектное решение отвечает каждой из
ранжированных или взвешенных задач.
5. Преобразовать эти результаты в процентные
отношения при ранжировании задач и в абсолютные
величины цифровых коэффициентов весомости при
взвешивании задач.
6. Выбрать альтернативные проектные решения,
имеющие наилучшее процентное отношение или
наибольший коэффициент весомости.
6.8.4 Составление технического задания
Цель: описать приемлемый конечный результат
предстоящего процесса проектирования.
План действий
1. В предварительном плане охарактеризовать ряд
возможных результатов на разных уровнях общности.
2. Выбрать
низший
уровень
общности,
предоставляющий проектировщикам достаточную свободу
решений.
3. Определить ожидаемый результат проектирования
вне зависимости от проектных характеристик, которые
проектировщики могут свободно изменять, и в
зависимости
от эксплуатационных характеристик.
Которые проектировщики в состоянии прогнозировать.
104
6.8.5 Индекс надежности по Квирку
Цель: позволить неопытным проектировщикам
выявлять ненадежные элементы без испытания всей
конструкции.
План действий.
1. Подготовить
описательную
классификацию,
включающую все характеристики, относящиеся к
надежности деталей, а также все случаи ненадежности для
рассматриваемого типа изделия.
2. Предложить опытным проектировщикам оценить
степень, с которой каждая пара элементов в данной
классификации увеличивает ненадежность изделия.
3. На основе сделанных инженерами оценок
вычислить средние величины показателей ненадежности
для каждого элемента классификации.
4. Выбрать элементы для описания каждой детали
новой конструкции.
5. Вычислить
средний
цифровой
показатель
ненадежности для каждой детали.
6. Изменить конструкцию деталей, для которых
получился высокий показатель ненадежности.
6.9 Выводы
1. Новые методы проектирования заставляют
проектировщика «думать вслух».
2. Проектировщик – «черный ящик», важная часть
процесса проектирования совершается в голове
проектировщика и неподотчётно сознанию, то
есть алогична.
3. Проектировщик
–
«прозрачный
ящик».
Поведение проектировщика напоминает работу
вычислительной машины. Действуя по заданной
105
схеме и проводя анализ, синтез и оценку, через
определенное число циклов будет найдено
наилучшее из возможных решений.
4. Новым задачам при проектировании ТС
соответствуют
три
ступени:
дивергенция,
трансформация и конвергенция.
Контрольные вопросы:
1. В чем заключается преимущество обдумывания
проекта при новом методе «думать вслух»
2. Что такое проектировщик как «черный ящик»
3. Что такое проектировщик «прозрачный ящик»
4. Что такое дивергенция
5. Что такое трансформация
6. Что такое конвергенция
106
Литература
1. Автоматические станочные системы / В. Э. Пуш и др. –
М. : Машиностроение, 1982. – 319 с.
2. Борисов В. И. Общая методология конструирования
машин / В. И. Борисов – М. : Машиностроение, 1978. –
120 с.
3. Джонс Дж. Методы проектирования : пер. с англ. /
Дж. Джонс. – М. : Мир, 1986. – 326 с.
4. Хубка В. Теория технических систем [Электронный
ресурс]
/
В.
Хубка.
–
Режим
доступа
:
http://www.twirpx.com/file/460905/
5. Гюнтер Рополь. Моделирование технических систем
[Электронный ресурс] / Рополь Гюнтер. – Режим доступа :
philsci.univ.kiev.ua>biblio/FRG/323-334.html
6. Иванов Е. И. Теория технических систем : учебнометодическое пособие / Е. И. Иванов. – Мариуполь, 2008. –
38 с.
7. Иванов Е. И. Теория технических систем. Методические
указания к выполнению практической работы / Е. И.
Иванов. – Мариуполь, 2005. – 23 с.
8. Митрофанов С. П.
Групповая
технология
машиностроительного производства : в 2 т. /
С. П. Митрофанов. – Л. : Машиностроение, Ленингр. отдние, 1983. – 407 с.
107