Главная    Инструменты    Метод конструирования машин, приборов и аппаратов    Разработка структур функций и операций

"Метод конструирования машин, приборов и аппаратов"

Р. Коллер

1976

Начало: смотри "Введение, представление о методе. Синтез функций"

7. Разработка структур функций и операций

В машинах, приборах и аппаратах, в принципе, можно проводить разницу между физическими, алгебраическими и логическими элементарными процессами. В то время как логические и алгебраические процессы могут быть очень хорошо описаны посредством операций обычной алгебры и алгебры Буля, возможность описания физических процессов в технических системах путем соответствующих основных операций, за исключением электроники, электроники и гидравлики, еще не очень хорошо известна.

Как уже упоминалось, под понятием "синтез функций" здесь следует понимать такие виды деятельности, которые необходимы для того, чтобы из словесной постановки задачи сформулировать общую функцию технической системы, а так же те виды деятельности, которые необходимы для того, чтобы общую функцию, сформулированную подобным образом, заменить структурами подфункций или структурами элементарных функций. Последнюю упомянутую технологическую операцию примерно можно сравнить с разработкой так называемых схем соединений для электрических или гидравлических систем. Отдельные рабочие шаги, необходимые для этого, должны называться формулирование и синтезирование.

Технологические позиции и результаты этих рабочих шагов - структуры функций, которые в соответствии с возрастающей степенью детализации должны обозначаться терминами общая функция, структура подфункции и элементарной функции или структура основной операции (рисунок 4.1). Цель и назначение этого метода - создание достаточно обобщенной и абстрагированной модели соответствующей системы, которая пригодна для разработки всех существующих решений. В последующих главах на проведении этих рабочих шагов остановимся более подробно.

7.1. Формулировка общей функции.

Исходным моментом и предпосылкой для разработки общей функции является постановка задачи, зафиксированная в письменном виде, о цели системы, подлежащей разработке, и об условиях, при которых эта цель должна быть достигнута (раздел 5). Описание цели, в общем, дает весьма мало информации об условиях и результатах системы ("входное - выходное устройство"); оно ничего не говорит о том, как должны быть достигнуты эти результаты.

В дальнейшем под понятием система следует понимать техническое устройство, которое в зависимости от размера в состоянии выполнить одну или несколько физических логических или математических операций. Последующие рассуждения, в основном, должны ограничиваться физическими процессами, в силу чего от определения логических или других математических процессов, следует отказаться.

Системам для физических процессов присуща задача изменять каким-либо образом свойства или состояния входных величин: энергии, материала, сигнала или их потоков, так что они снова выходят из соответствующей системы в измененном виде, или, по возможности, без изменения переносить энергию, материал или сигналы таким образом, чтобы они в неизменном виде снова находились в распоряжении в другом месте. Соответственно этому, под технической функцией следует понимать связь "причина- следствие" между входной и выходной величинами. Таким образом, она конкретно может указываться в результате описания свойства или состояния входной и выходной величины, а также вида деятельности, который является необходимым для этого преобразования. Поэтому каждой функции может также присваиваться соответствующая общая функция, подфункция или элементарная функция.

Для разработки технических структур функций, исходя из конкретной постановки задачи, целесообразно рассматривать еще незнакомую систему, подлежащую разработке, как "черный ящик" с входным и выходным устройствами для энергий, материалов и сигналов (рисунок 6.1). Входные и выходные устройства системы представляют собой связи с другими соответствующими техническими системами, с человеком или с другими естественными системами. Далее, они отмечают границу между отдельными подсистемами. Входные и выходные величины и границы систем взаимно обуславливаются и постоянно встречаются в совокупности, поскольку технические и естественные системы обычно всегда находятся в какой-нибудь связи со своей "окружающей средой" или могут устанавливать с ней связь, поскольку речь идет не о замкнутых системах.

Эти связи или границы систем зачастую так же целесообразно называются как пункты пересечения между отдельными системами. Сообразно потокам энергий, материалов и сигналов, входящих в систему, или выходящих из нее, целесообразно проводить различие между пунктами пересечения на входе и выходе. Условия, которые должны быть выполнены, с тем, чтобы оказался возможен обмен энергией, материалами и сигналами, а также материальная связь между отдельными системами, должны соответственно называться условиями пунктов пересечения.

Входные и выходные величины иногда задаются через смежные системы, находящиеся в связи с системой, подлежащей разработке, или более, или менее, могут выбираться свободно. В постановке задачи для разработки конкретного изделия зафиксированы условия пунктов пересечения, поскольку они определены благодаря другим системам. В противном случае они могут устанавливаться на основании целевого назначения изделия, подлежащего разработке; зная целевое назначение, их в отдельных случаях, с учетом целесообразности также можно выбирать свободно. Входные и выходные величины обычно связаны друг с другом определенными причинными соотношениями. Их следует сформулировать в первом рабочем шаге. Согласно ранее изложенному, это можно обобщить в

Правило I: Исходя из постановки задачи, в первом рабочем шаге необходимо установить общую функцию' системы, подлежащей разработке. Под "формулировкой обшей функции", в частности, следует понимать установление свойства и состояний входных и выходных величин, а также их соответствие с учетом заданной цели и ограничивающих условий. Другими словами: под формулировкой обшей функции следует понимать преобразование описания цели в физические, алгебраические или логические функции с учетом ограничивающих условий (сравни пример "Насос" раздел 7.6).

Если, в общем, свойство или состояние входной величины обозначить индексом GE,i, а сопряженную выходную величину индексом Ga,i, то эту задачу, как физическую функцию, можно кратко представить таким образом:

GE,i => Ga,i

Это выражение означает что входная величина Ge,i (энергия, материал или сигнал) приписана выходной величине Ga,i и, что входную величину состояния Ge,i каким-нибудь образом необходимо "преобразовать" в выходную величину состояния Ga,i. В общем, поток энергий, материала или сигнала может также разделяться или сводиться воедино технической системой, следовательно, входная величина может приписываться двум (или нескольким) выходным величинам, или несколько входных величин могут приписываться только одной выходной величине. Стрелка означает то же самое, что и "преобразование", или "изменение состояния или свойства". Индекс "i" должен обозначать соответствующие величины и, сообразно необходимости, принимать значения от 1 до N.

О свойствах (или состояниях) входных или выходных величин энергии, материала или сигнала (Ge и Ca) в этой фазе должны существовать конкретные представления, в то время как вопрос о том "Как" осуществлять преобразование еще может оставаться неразрешенным. Ge и Ga - независимые переменные, которые теоретически могут предполагаться какими угодно. Но зачастую та или иная входная и выходная величины, или обе величины постоянно задаются при постановке задачи.

Входная и выходная величины системы, подлежащей разработке, представляют собой функцию цели, которую необходимо достичь:

Ge или Ga = f (цель)

Общая функция системы описана суммой всех соответствующих связей между отдельными входными и выходными величинами:

Наряду с определением, приведенным в разделе 5.1., под понятием функция следует также понимать соответствие входных и выходных величин технического устройства и их качественное изменение свойств или состояний. Понятие физико-технической функции, воспринимаемое здесь согласно описанию, описывается с указанием свойства и (или) состояния физической величины перед соответствующей системой и после нее, а также с указанием вида .деятельности, который необходим для того, чтобы преобразовать данную входную величину в соответствующую выходную величину (рисунок 7.1.1.).

Поэтому в большинстве случаев функцию можно выразить словесно, в виде заголовка, одним или несколькими именами существительными и глаголами. В качестве примера могут служить электродвигатель и электрическая лампа накаливания. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в кинетическую (электрическую энергию [Ws] превращаем в механическую энергию [mN]). Электрическая лампа накаливания преобразует электрическую энергию в световую (электрическую энергию: [Ws] преобразовываем в свет [Lm]). Для этого то, что должно быть достигнуто при помощи технической системы, без более детального рассмотрения входных и выходных величин, для различия должно называться целью или также целевой функцией технического устройства. Для наглядного объяснения сказанного делается ссылка на некоторые примеры из раздела 7.6.

7.2. Разработка структур подфункций - элементарных функций и структур основных операций.

Общую функцию комплексного технического устройства обычно можно составить из множества подфункций или элементарных функций. Согласно положению границ систем мысленно проводят различие между общими функциями, подфункциями и элементарными функциями. Точное определение понятия элементарная функция дается в разделе 7.3; здесь пока достаточным будет высказывание, что под элементарной функцией следует понимать наименьшую, в дальнейшем практически уже больше неделимую (расчленяемую) функцию. Подфункция, в общем, составляется из двух или нескольких элементарных функций. Несколько подфункций, в свою очередь, могут образовывать общую функцию.

Если предположить, что все процессы в технических машинах, приборах и аппаратах оказывается возможным свести к конечному числу элементарных функций, то представляется целесообразным свести общую функцию системы, подлежащей разработке, к структуре этих элементарных функций. Преимущество подобного метода заключается в том, что для требуемой общей функции соответствующей системы при сравнительно малой затрате времени могут разрабатываться несколько альтернативных структур функций и отбираться по их оптимальной пригодности.

Рисунок 7.1.1.: Описательные признаки физической функции а также физической операции.

Примечательно то, что такие комплексные электрические или гидравлические системы реализуются благодаря структуре (схеме соединения) более или менее определенных элементарных функций или подфункций (сопротивления, усилители, схемы "ИЛИ" и т.д.).

В разработке электрических и гидравлических систем этот метод уже давно известен. Конструктор исходит из заданной функции системы, подлежащей разработке, и пытается заменить эти общие связи причина-следствие структурой известных подфункций или элементарных функций. С этой целью необходимо проанализировать данную общую функцию и расчленить ее на подфункции и/или элементарные функции. Условием для подобного вида деятельности являются определенные подфункции или элементарные функции. Создание структуры функции из определенных элементарных функций и/или подфункций, эквивалентных обшей функции, по существу, представляет собой процесс синтеза, который дополняется параллельными процессами анализа и основывается на них.

В конкретном случае имеют представление о связях причина-следствие обшей системы (общей функции) и пытаются заменить их разумным сочетанием определенных элементарных функций или подфункций. Этот процесс можно сравнить с положением архитектора, который знает то, как должно выглядеть определенное здание, которое должно быть построено, и какие элементы конструкции /кирпичи, окна, двери и т.д./ находятся в распоряжении, с тем, чтобы реализовать эти замыслы. Прекрасное сравнение для метода при разработке структуры функции дает также игра - головоломка. Игрок знает отдельные кубики и общую картину, которая должна из них создаваться; в этой игре важность заключается "только" в том, чтобы их "правильно" установить друг к другу в один ряд.

Лучше всего эту проблематичность можно уяснить себе при разработке структур функций, разрабатывая схемы соединений для электрических систем (электрические схемы здесь практически идентичны так называемым структурам функций).

Как известно, для определенных групп электрических систем существуют весьма превосходные методы для проектирования логических систем для передачи информации; следует напомнить об алгебре Буля и о теории многополюсников. Если эти методы не знают или по другим причинам к ним нельзя прибегнуть, поскольку они для определенного случая являются неподходящими, то снова исходят из конструктивных элементов системы, находящихся в распоряжении, объединяют их в виде схемы соединений в единую структуру и одновременно анализируют их.

В случае, если этот "первый проект" еще обнаруживает ошибки, то он, соответственно, усовершенствуется и анализируется повторно. Этот процесс повторяется до тех пор, пока структура функции, разрабатываемая таким образом, не будет соответствовать заданной общей функции или желаемой связи причина-следствие общей системы.

Примерно таким образом, исключая использование каких-либо теорий, разрабатываются на практике схемы электрических соединений.

Этот метод можно без изменения переносить на разработку общих межпредметных структур функций. Заданную общую функцию пытаются заменить созданием (синтезом) структуры функции, состоящей из определенных элементарных функций или подфункций. Структура функции, возникающая постепенно подобным образом, до тех пор анализируется и исправляется, пока она не будет являться 'эквивалентной обшей функции (сравни примеры в разделах 7.6 и 15). Методы для систематической разработки структур функций из физических элементарных функций до сих пор еще находятся в начальных стадиях своего развития; в разделе 8.5 вкратце остановимся на этих сведениях относительно данного алгебраического метода, существующих до сих пор лишь в малом объеме.

Теоретически общую функцию можно заменить непосредственно в рабочем шаге структурой элементарной функций. Но по различным причинам зачастую оказывается намного проще и целесообразнее преобразовывать общую функцию не прямо в структуру элементарной функции, а сначала в структуру подфункции. Причиной такого вида деятельности, например, может быть намерение расчленить общую функцию на подфункции, для реализации которых уже существуют подходящие узлы, имеющиеся в продаже, которые, следовательно, больше не должны подвергаться дальнейшей разработке. Иногда в какой-нибудь фирме также разрабатываются и строятся различные машины, приборы или аппараты, в которых встречаются идентичные подфункции и, следовательно, подобные узлы могут находить многообразное применение: Преимущество такого метода заключается в выявлении этих общностей. Однако, в принципе, в этом промежуточном шаге нет необходимости, напротив, расчленение на подфункции представляет собой произвольное установление границ подсистем, которое на практике, без сомнения, производится весьма осмысленно. В этом случае зачастую получаются структуры, состоящие из подфункций, для которых уже имеются продажные элементы конструкций или узлы, как, например, редукторы, двигатели, делительные столы и т.д.

Далее, в отношении вида структур функций можно проводить различие между:

- цепочечными/структурами для процессов, которые могут происходить в последовательности один за другим;

- параллельными структурами для процессов, которые происходят друг с другом, и

- кольцевыми структурами для процессов с обратной связью (рисунок 7.2.1. а, б, с).

Примеры цепочечных параллельных и кольцевых структур приводятся в разделе 7.6 из области редукторостроения.

Рисунок 7.2.1.: а - с: Виды структур функций технических систем.

Для разработки структур подфункций или структур элементарных функций, обобщая сказанное, можно придерживаться следящего правила:

Правило 2: Разработка структур подфункций или структур элементарных пункций представляет собой расчленение заданной общей .функции на известные подфункции или элементарные функции, или создание (синтезирование) структуры функции путем логического сочетания определенных подфункций или элементарных функций, так что реализуются требуемые связи общей системы причина - следствие.

Для подфункций определение отдельных часто повторяющихся функций иногда является целесообразным и также употребительным на практике. Так, например, системы станков расчленяют на подфункции или узлы: станину, привод главного шпинделя, унифицированный механизм подачи, делительный стол и т.д.; у автомобилей вошла в употребление градация на подсистемы: двигатель, коробка передач, рулевое управление, кузов, ходовая часть шасси и т.д. Поскольку со все возрастающим пополнением технических устройств число различных возможных подфункций или узлов становится "бесконечно" большим, то, естественно, оказывается невозможным произвести развернутую классификацию всех возможных подфункций. Поэтому, подфункции окажется возможным осмысленно определять и устанавливать всегда только в ограниченном объеме в зависимости от специфичности отрасли промышленности или фирмы, специализирующейся на выпуске определенных технических изделий. Поэтому весьма ценным и важным выводом в научно-исследовательской работе по конструированию является то, что комплексные процессы в машинах, приборах и аппаратах могут быть сведены к сравнительно малому числу элементарных видов деятельности, к так называемым основным операциям (рисунок 7.3.1), а именно, в частности, следующие операции, противоположные друг другу:

Излучение (источник) Поглощение (место впадения)
Проводимость Изолирование
Сбор Рассеивание
Проведение Непроведение
Преобразование Обратное преобразование
Увеличение Уменьшение
Изменение направления Изменение направления
Выравнивание Колебание
Связь Прерывание
Соединение Разъединение
Сборка Разделение
Накопление (информации) Выдача (информации)

Рис 7.3.1.

Итак, если предположить, что оказывается возможным вывести все комплексные физические функции технических систем из названных основных операций, и, что, далее, для каждой основной операции возможно указать все подходящие физические, химические или биологические эффекты, которые имеются в наличии для их реализации, то этим самым дается метод, при помощи которого в чисто теоретическом плане оказывается возможным указывать всё существующие решения для определенной задачи.

Обобщая сказанное для ранее рассмотренной фазы процесса "Синтез Функций"' получаются три следующих элементарных рабочих шага (сравни также рисунок 4.1):

- Формулировка общей функции технической системы, подлежащей разработке. Исходным пунктом для разработки общей функции является описание цели или, по меньшей мере, целевое представление об изделии, подлежащем разработке. Этот вид деятельности кратко должен называться формулирование. Его результатом является общая функция соответствующей системы.

- Синтез этой общей функции посредством известных .подфункций и/или элементарных функций кратко называется синтезирование. Его результатом являются структуры подфункций или структуры элементарных функций, эквивалентные обшей функции.

- Обобщение элементарных функций в так называемые основные операции кратко называется абстрагирование. Результатом являются структуры основных операций.

В то время как при синтезировании, то есть при замене общей функции структурой логически связанных подфункций или элементарных функций, степень комплексности отдельных функций уменьшается, при переходе от структуры элементарной функции к структуре основной операции она остается постоянной. Элементарные функции и основные операции различаются лишь установлением их входных и выходных величин.

В то время как у элементарной функции они уже установлены, при переходе к основной операции, насколько это позволяет постановка задачи, они должны игнорироваться или оставаться постоянными. Структура основной операции отличается от структуры элементарной функции лишь не установлением входных и выходных, величин. Следовательно, в структуре основной операции установлены лишь операции или сами процессы (преобразование, увеличение и т.д.) и больше не должен подлежать рассмотрению вопрос, "что" во "что" должно быть преобразовано.

Это обобщение условия решения всегда является целесообразным в том случае, если в конкретном случае не является важным вопрос, какой вид энергии, материала или сигнала должен быть преобразован. Этот случай применения, например, часто встречается в сигнализационной технике. Для передачи информации вид сигнала (независимо от того, является ли он оптическим, электрическим, механическим и т.д.) в некоторых случаях не имеет значения. Поэтому это постоянство вида физической величины и связанное с ним введение другого переменного параметра конструкции в этих случаях является целесообразным, так как в результате этого при известных условиях не исключается последующие черновые наброски решений. Подразделение обшей функции технической системы на подфункции, как уже упоминалось, в принципе, собственно, представляет собой удлинение произвольных границ подсистем, которое на практике проводится целесообразными методами. Оно также может производиться после разработки структуры основной операции или в более позднее время. В случаях, когда намерены использовать существующие узлы или элементы, было бы неразумно повторно "изобретать" соответствующую подфункцию или элементарную функцию, напротив, в этих случаях можно прекратить процесс синтеза функций с тем, чтобы снова применить его при разработке узлов или вариантов систем (рисунок 4.1; пункт 11 или 12).

Далее в виду создания блочных систем и применения уже существующих узлов или элементов, важное значение имеет еще расчленение обшей функции на менее комплексные подфункции или элементарные функции.

Еще особо следует отметить тот факт, что для решения определенной задачи существует не только одна структура функции, а обычно несколько структур функций. Число пригодных из них структур уменьшается с числом условий, предъявляемых к системе.

Продолжение


Главная    Инструменты    Метод конструирования машин, приборов и аппаратов    Разработка структур функций и операций