"Метод конструирования машин, приборов и аппаратов"

Р. Коллер

1976

"Введение, представление о методе. Синтез функций"

"Разработка структур функций и операций"

"Вывод основных физических операций"

7.4 Основные математические операции

Аналогично основным физическим операциям, названным в разделе 7.3, существуют известные алгебраические операции. Таковыми являются:

- сложение и вычитание,
- умножение и деление,
- возведение в квадрат и извлечение корня,
- интегрирование и дифференцирование.

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

Рисунок 7.4.1.: Основные математические операции.

Совокупность этих операций и их символы показаны на рисунке 7.4.1. В качестве примеров технических устройств, в которых реализованы математические операции, могут служить известные механические настольные счетные машины, планиметры, аналоговые вычислительные машины и т.д.

7.5. Основные логические операции (Буля)

Технические системы зачастую включают в себя не только основные физические или алгебраические, но и логические операции. Последние, например, встречаются в безопасных схемах технических и пассажирских лифтов. Кроме того, для клавиатур (кодирующего или декодирующего устройств), а также для электронно - вычислительных машин или для подобных систем почти исключительно необходимы элементы конструкций, которые могут производить логические операции. Таким операциям, например, соответствует отрицание, которое также называется логическим отрицанием или функцией "НЕ", конъюнкция, называемая также функцией "И" или операцией "И", а также дизъюнкция, которая называется также операцией "ИЛИ". Эти операции и соответствующие им условные обозначения схем соединений подобраны на рисунке 7.5.1.

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

Рисунок .7.5.1. Основные логические операции (Буля)

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

7.6. Примеры

Пусть дана задача подать жидкость из пункта А в пункт В. Поток жидкости должен регулироваться плавно. Далее, техническая система, подлежащая разработке, должна включаться и выключаться. С целью ограничения множества решений этой задачи пусть еще будет задано условие, что в качестве задающей энергии имеется в распоряжении электрическая энергия. Абсолютное количество жидкости, которое должно быть подано этой насосной системой в единицу времени, для последующих принципиальных рассуждений не имеет никакого значения и поэтому не должно приниматься во внимание.

Путь решения: цель технической системы, подлежащей разработке, подавать жидкость; вопрос, как или при помощи каких средств эта цель должна быть достигнута, является совершенно неразрешенным. На основании данных, приведенных в постановке задачи, можно сделать вывод относительно того, что поток вещества (жидкость) будет входить в систему, подлежащую разработке, и снова будет выходить из нее, что система, далее, будет иметь вводы для входного и выходного сигнала, для управляющего сигнала регулировки расхода жидкости и для энергии. Соответствующая общая функция показана на рисунке 7.6.1. Сначала общую функцию можно расчленить на структуру подфункций, состоящую из подфункций: насос, двигатель и регулирование (рисунок 7.6.2), или ее можно расчленить непосредственно на структуру элементарных функций, согласно рисунку 7.6.3. Для этого необходимы, следующие рассуждения: для того, чтобы жидкость привести в движение, необходимо ее подавать (связывать) с кинетической энергией.

В соответствии с этой операцией следует элементарная функция "Связь энергии и вещества" (рисунок 7.6.3, справа). Поскольку в этой стадии разработки еще неизвестно, какой вид энергии требуется для реализации операция "Связь" /насос/, - он зависит от физического эффекта, которой следует выбирать для этого позднее, - в общем необходимо согласование энергии, то есть соответственно, необходимо предусмотреть операцию "Преобразование энергии". На основании всех требований, что система еще должна включаться и выключаться, а в отношении подачи жидкости должна регулироваться, еще, в конечном счете, следуют операции "Переключение" /связь и прерывание/ и "Уменьшение" /рисунок 7.6.3/.

Последовательность отдельных основных операций, установленная в результате этих рассуждений, такая, как она была выбрана, в ней нет крайней необходимости, более того, операции "Переключение", "Уменьшение" и "Преобразование" в их последовательности могут переставляться местами по желанию.

Выбор возможных комбинаций показан на рисунке 7.6.4 а, б, с. Операция "Включение/Выключение" и операция по регулированию подачи вместо включения в цепь энергии могут также включаться в цепь вещества. Вместо операции "Уменьшение", среди прочих, должна при этом выступить операция "Разделение", так как на основании закона сохранения вещества нельзя уменьшить количество вещества /рисунок 7.6.4 d./ В результате изменения последовательности отдельных операций для этого вида структуры функции можно также указать другие различные структуры. Этих рассуждений будет пока достаточно. Рассмотрение этого примера снова начинается в разделе 8.4 и приводится в дальнейшем.

Передача

Основные операции, представленные в предыдущем разделе, между прочим, также очень хорошо подходят для разработки структур функций, рассчитанных для систем движения. При этом в каждой основной операции, целесообразной для систем движения, можно себе мысленно представить приписанную к ней соответствующую основную передачу, как это показано на рисунке 7.6.5 для некоторых основных операций. Основной операции "Сложение" соответствует дифференциальная передача, следовательно, передача с несколькими степенями свободы. При помощи этих передач могут суммироваться /накладываться друг на друга/ два или несколько импульсов движения на входе /рисунок 7.6.5 а/.

Зубчатая передача, как показано на рисунке 7.6.5 с, соответствует основной операции "Увеличение". Далее, основной операции "Колебание" соответствует кривошипно-коромысловый механизм, как это показано на рисунке 7.6.5 b. Передачи, показанные на рисунке 7.6.5, должны, соответственно, употребляться в порядке замены для всех остальных видов передач с одинаковой функцией.

Комбинация отдельных основных операций в комплексные структуры функций, соответственно, является предпосылкой создания широко разветвленных систем движения. При этом, при помощи структур функций, не имея предварительных знаний о передаче, можно заранее определить качественные свойства соответствующей системы движения. При цепочном включении операций "Уменьшение", и "Колебание", при условии равномерного движения передачи, возникает лишь замедленное, или ускоренное колебательное движение ведомого звена. Эта структура и соответствующая система механизмов, которая возникла формально путем комбинации двух передач, согласно рисунку 7.6.6 б. и с, показана на рисунке 7.6.6 а.

При соответствующем расчете /выборе/ отдельных параметров передач, в результате наложения /сложения/ равномерного и колебательного, движения, получают систему передач, которая при равномерном движении передачи на стороне ведомого звена, создает шаговое перемещение /движение с периодическими остановами или обратным ходом, пильгерный шаг/. Этому высказыванию соответствует, например, структура Функции, состоящей из суммирующей операции параллельно проходящих операций "Уменьшение" и "Колебание", как они показаны на рисунке 7.6.6 б /параллельная структура/. При известных случаях от операции "Увеличение" также можно отказаться, если равномерное движение может передаваться на сумматор без снижения или повышения числа оборотов.

Другой пример синтеза Функций показал на рисунке 7.6.6 с. Шаговое перемещение возникает также в том случае, если выходное движение вибратора отводится обратно в сумматор /обратная связь/. При соответствующем расчете системы шаговое движение, в этом случае уменьшается в месте, обозначенном символом "X". Следует заметить, что обратная связь всегда приводит к кольцевым структурам; примером для этого является, структура, показанная на рисунке 7.6.6.с. Наличие этого примера должно было показать возможность составления черновика для систем движения с определенными заданными свойствами при помощи основных операций. В противоположность количественному или размерному синтезу механизмов, при этом могут учитываться только качественные критерии. Поэтому этот же вид разработок черновых набросков механизмов следует также называть качественным синтезом механизмов.

II. Качественный процесс конструирования (фаза составления чернового наброска)

Вероятно, самым привлекательным видом деятельности для конструктора является разработка новых решений для определенной постановки задачи. Этот вид деятельности, который, в частности, зачастую характеризуется как изобретение, отыскание идей, составление чернового наброска, проектирование к др., и который здесь должен быть обобщен под понятием качественное конструирование, зачастую рассматривается как чисто творческая деятельность, выполнение которой зависит исключительно от догадки того или иного конструктора. Последующие рассуждения включают в себя систематическую разработку "идей" и они должны показать, что "изобретение", до определенной степени, представляет собой методический процесс, то есть его можно реализовать с помощью правил. Естественно, этим никогда невозможно заменить творческие способности гениального или даже пусть средне одаренного инженера, но благодаря методическому подходу, тот и другой могут в значительной степени опираться друг на друга в их активной творческой деятельности и стимулировать ее. Конструирование потеряло бы очень много от своей привлекательности в случае, если бы оказалось возможным обойтись без интуиции конструктора.

Предыдущий раздел, включающий в себя процесс "Синтез функций", завершался разработкой структуры элементарной функции. Здесь еще раз следует подчеркнуть, что в общем, для определенной задачи существует несколько структур функций. Исходя из одной из данных структур, задачей и целью качественной фазы конструирования является разработка решений для отдельных элементарных функций и объединение их в одну общую систему. Как еще будет видно из последующих рассуждений, качественная фаза конструирования состоит из следующих элементарных, то есть больше в дальнейшем уже неделимых рабочих шагов (сравним также рисунок 4.1):

- поиск эффекта,

- поиск носителя эффекта,

- поиск принципа,

- комбинирование,

- поиск формы и

- проектирование.

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

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

Для систематической разработки решений данным являлся тот вывод, что любой вид функции или операции может быть реализован только на основе соответствующих физических, химических или биологических эффектов в технических системах. Конструирование рычага для уменьшения или увеличения силы, например, оказалось бы невозможно, если бы в физике не был известен соответствующий эффект (эффект рычага). Это означает, что физические и другие эффекты могут рассматриваться как "самые маленькие элементы" конструкции. На основе этих выводов целесообразно аккумулировать все физические, химические и биологические эффекты и систематизировать их согласно их возможностям применения, а также реализовать определенную связь причина - следствие или определенную элементарную функцию. "Систематики физических эффектов" для отдельных основных операций, которые создаются подобным образом, представляют отличное вспомогательное средство при реализации определенных элементарных функций. Поскольку их, в общем, можно реализовать не только при помощи одного определенного эффекта, а с помощью различных эффектов, в зависимости от выбора, то согласование всех существующих физических или других эффектов, соответствующее определенной элементарной функции, представляет собой первый элементарный рабочий шаг на пути реализации элементарных функций. Поэтому он должен характеризоваться как изменение эффекта и ниже будет рассматриваться более подробно.