Skip to content

Анализ существующих методов конструирования

Общий порядок проведения ОКР устанавливается соответствующими стандартами ЕСКД  (ГОСТ 2.103 – 2013 «Стадии разработки») и отраслевыми стандартами. Общий порядок, отражённый в этих стандартах, включает в основном разработку конструкторской документации на всех этапах от начала конструирования ТО до передачи его в эксплуатацию.

Однако, существующие стандарты не устанавливают и не предопределяют методы непосредственной разработки ТО – их конструирования, оставляя эту область на усмотрение конструкторов – разработчиков, полагаясь на их опыт, интуицию, здравый смысл, имеющийся теоретико – расчётный аппарат по отдельным конструктивным элементам и т.п.

Тем не менее, уже сейчас в различных областях науки и техники разработан логико – методологический аппарат по проектированию и принятию технических решений (ТР), начиная с простейших конструкторских элементов и заканчивая проектированием сложных систем. Разработаны специальные приёмы, интенсифицирующие мыслительный процесс проектирования, особенно, в части конструирования ТО. Эти приёмы  можно подразделить на следующие группы:
а) устанавливающие последовательность шагов по принятию решений при конструировании ТО,
б) устанавливающие правила решения технических задач,
в) рекомендующие мероприятия для формирования идей для решения поставленных задач.

В настоящей работе рассматриваются только те приёмы, интенсифицирующие процесс проектирования, которые поддаются логической обработке и всё то, что касается научной организации процесса проектирования, в части конструирования ТО, а не вообще управления творческими процессами.

Для однозначности используемых основных понятий введём их определения:

  1. Под конструированием понимается часть процесса проектирования, в результате которой требуется наглядно изобразить проектируемый ТО, который ещё не существует, а является лишь продуктом нашей умственной деятельности.
  2. Понятие «ТО» аналогично понятиям «устройство, способ, вещество», достаточно полно изложенным и юридически узаконенным в нормативных актах ФИИС:

УСТРОЙСТВО – это машины, аппараты, установки, приборы, инструменты, агрегаты, приспособления и их составные части,
СПОСОБ – это процесс выполнения взаимосвязанных действий над материальным объектом (устройством, средой, электрическим зарядом, магнитным полем и т.п.) с помощью материальных объектов,
ВЕЩЕСТВО – это сплавы, смеси и т.п.

Характеризуются УСТРОЙСТВА только существенными признаками, такими как: конструктивные элементы, связи, взаимное положение или расположение, форма, соотношение параметров, материал; СПОСОБ – наличием действия или совокупности действий, порядком выполнения действий, порядком выполнения действий во времени, условиями и режимами протекания процессов, используемыми веществами и устройствами; ВЕЩЕСТВО – составом (качественным и количественным) структурой, связью между атомами в молекуле. Существенность признаков определяется их необходимостью и достаточностью для разработки специалистом действующего рабочего варианта проектируемого ТО, удовлетворяющего требованиям технического задания на разработку.

Существующие методики конструирования ТО.

Наиболее распространенная между конструкторами – разработчиками методика заключается:
— в конструировании различных вариантов конструкции ТО вцелом, при этом различие вариантов заключается в различии принципа действия ТО;
— в сравнительном анализе вариантов и выборе наиболее вероятно оптимальных из них к дальнейшей разработке. На этой стадии, как правило, прорабатываются конструктивные элементы, которые, по мнению разработчиков, могут быть выполнены более оптимально, чем как они изначально представлялись.

Все или большинство принятых конструктивных решений обосновываются логически или расчётным путём, основываясь на опыте и интуиции  разработчиков. Такой методический подход к конструированию назовём методом здравого смысла.

Существует также систематизированная методика конструирования, разработанная в ГДР. Эта методика отличается чётким пошаговым ведением конструирования, заключающимся в следующем:
А) Изучение технического задания (ТЗ) на разработку.
Б) Выяснение недостающих исходных данных.
В) Формулировка уточнённого ТЗ на проектирование, включающего цель проекта, требования и ограничения, исходные элементы.
Г) Выработка  принципиального решения ТО – основного принципа , т.е. выполнение и выбор всех существенных конструктивных элементов и связей, обеспечивающих полное выполнение уточнённого ТЗ.
Д) Формулирование ТЗ на проектирование каждой существенной составной части ТО:
а) Выполняемая функция,
б) Требования и ограничения,
в) Исходные данные.

Е) Поэлементная разработка:
а) Выявление и выбор существенных компонентов, необходимых и достаточных для выработки полного решения по разрабатываемой составной части,
б) Набор отличительных признаков по каждому компоненту,
в) Определение достоинств, недостатков и неточностей с точки зрения ТЗ на разработку составной части.

Ж) Компоновка рабочих принципов исполнения ТО из выбранных решений составных частей.
З) Анализ рабочих принципов и выбор оптимального.

Остальные известные методики конструирования, в основном, касаются непосредственного решения технических задач и рассматриваются ниже.

Сравнительный анализ обоих методов показывает, что «Метод здравого смысла» позволяет обеспечить достаточно высокий уровень качества разработки, гарантированный опытом разработчиков, при выполнении разработки в сжатые сроки, но при этом:

— ряд решений, несущественных с точки зрения исполнителя, может выпасть из рассмотрения;
— затруднены анализ и оценка качества самого процесса конструирования для лица, принимающего решение (ЛПР), поскольку нет ясности о глубине осмысления окончательных решений.

«Систематизированная методика» не зависимо от опыта и способностей разработчика, требует искать, комбинировать и оптимизировать все без исключения конструктивные компоненты, стимулируя тем сам самым более скорое возникновение лучших идей и обеспечивая при этом:
— лёгкость рассмотрения и обсуждения вариантов,
— высокий содержательный уровень, полноту и глубину разработки,
— возможность анализа и оценки качества самого процесса конструирования,
— возможность стандартизации методов конструирования как новых ТО, так и аналогичных ранее разработанным, поскольку устанавливается достаточно строгий порядок ведения разработки, терминологии и т.п.

Для широкого внедрения систематизированной методики необходимо обучение и приобретение разработчиком навыков ведения конструирования ТО по методике.

Таким образом, систематизированная методика конструирования значительно  превосходит конструирование только по здравому смыслу своей организующей упорядоченностью, охватывая все приёмы по здравому смыслу. Именно поэтому систематизированная методика конструирования положена в основу дальнейшей работы по методологии конструирования ТО.

Существующие методы решения технических задач.

А) Метод логических последовательных приближений. Применение этого метода обусловлено постоянным изменением условий эксплуатации и функционирования ТО, включая конкурентную способность. Последовательно улучшая все качества, стараясь более полно удовлетворить требованиям и пожеланиям заказчика, учитывая новые возможности науки и техники, перспективу развития данной отрасли, конструктор и принимает окончательные решения.

Основные принципы, применяемые при этом методе, заключаются в следующем:
— наиболее полное удовлетворение предъявляемым требованиям,
— наилучшее использование свойств  элементов, связей, объёмов, площадей и т.п.,
— создание наилучших условий эксплуатации ТО с учётом психологических и физиологических возможностей и потребностей обслуживающего персонала,
— сведение к минимуму расходов на изготовление и эксплуатацию ТО.

Следует отметить, что особенную тщательность в принятии решений необходимо  соблюдать на начальных стадиях проектирования, когда принимаются принципиальные решения, поскольку ошибки, допущенные при разработке отдельных деталей проекта, обычно, легко исправимы, а принципиальные основополагающие ошибки могут привести к полной переделке всего проекта.

Б) Метод проб и ошибок. Его неоспоримые преимущества – простота и стимулирование творческого процесса неудачными пробами. Наличие большого объёма информации о прошлом опыте делает этот метод вполне действенным, хотя возможно дорогостоящим и не надёжным.

В) Интуиция – всякое самопроизвольное или внезапное зарождение идеи. Действенность интуиции находится в зависимости от творческих способностей разработчика, его настроения, сосредоточенности и т.п. субъективных факторов.

Г) «Исследование операций», «Системотехника», «Алгоритмы решения изобретательских задач (АРИЗ)» появились во второй половине ХХ века. В результате были систематизированы приёмы реального конструирования и вообще решения технических задач. Из всей совокупности рекомендуемых и предписываемых мероприятий активизирующих творческий процесс, делающих его эффективнее, необходимо выделить следующее:

а) определение идеального конечного  результата (ИКР) и выявление технического противоречия по его достижению.

В качестве ИКР можно, например, считать ТО, наилучшим образом удовлетворяющий требованиям ТЗ без дополнительных затрат массы, материалов, с минимальными размерами и т.п., при этом все составные части выполняют полезную работу в полной мере своих возможностей.

Из определения ИКР с очевидностью вытекает, что абсолютное улучшение всех требуемых характеристик, как правило, связано ухудшением каких – либо показателей разрабатываемого ТО – возникает техническое противоречие, выявить которое и разрешить – это задача конструктора;

б) критерии анализа поставленной задачи:
— что здесь не так? (полный перечень недостатков),
— как улучшить положение? (пригодны любые идеи без анализа их осуществимости),
— модификация, уменьшение или увеличение,
— приспособление,
— противоположный подход (перекомпоновка, перемена мест, изменение принципа действия и т.п.),
— изменение внешнего вида,
— замена материала, конструкции и т.п.,
— сочетание, комбинация различных идей,
— удобство функционирования,
— безопасность,

в) конкретные правила конструирования:
— увеличить экономический эффект,
— увеличить производительность,
— снизить расходы на эксплуатацию,
— увеличить степень автоматизации,
— увеличить долговечность,
— обеспечить длительный моральный срок службы, закладывая высокие исходные показатели и предусматривая резервы развития и последовательность совершенствования;
— обеспечить полную взаимозаменяемость,
— обеспечить высокую прочность и жёсткость,
— устранить возможность неправильной сборки, случайных поломок и аварий,
— предупредить коррозию деталей,
— уменьшить стоимость изготовления,
— уменьшить массу,
— упростить конструкцию,
— обеспечить максимальную технологичность, унификацию и стандартизацию элементов конструкции;
— соблюдать требования технической эстетики, безопасности работ и т.п.;
— проверять все элементы новизны при помощи  эксперимента, моделирования, заблаговременного изготовления и испытания;
— шире использовать опыт исполнения подобных конструкций ТО, опыт смежных и отдалённых отраслей;
— изучать патентный фонд,
— и т.д., и т.п.;

г) метод мозгового штурма – получение новых идей путём творческого сотрудничества специально организованной группы из равноправных членов;

д) синектический подход, аналогичен методу мозгового штурма, но группа работает под руководством руководителя, который направляет работу группы;

е) морфологический метод, основанный на анализе независимых переменных по каждому элементу рассматриваемой задачи. В таком методе очень много комбинаций, что с одной стороны даёт полноту рассмотрения при разработке, а с другой стороны – трудоёмко;

ж) метод  генерирования идей на основе диаграммы идей, т.е. графического изображения различных вариантов решения в виде графопостроения;

з) типовые приёмы устранения технических противоречий:
— дробление на  части, объединение или внесение дополнительных составных частей;
— изменение качества отдельных частей,
—  симметричность или асимметричность,
— размещение одной части в другой,
— предварительное напряжение – исполнение с предупреждением недостатка,
— изменение функции,
— обратить вред в пользу,
— изменить окраску,
— изменить агрегатное состояние,
— компенсация,
—  и т.д., и т.п.;

и) образование производных ТО на базе известных:
— секционирование, т.е. образование ТО из одинаковых секций;
— изменение линейных размеров,
— метод базового агрегата, когда к нему присоединяют различные приспособления;
— конвертирование, когда базовый ТО или его части используют для различных целей;
— компаундирование, т.е. параллельное соединение частей с целью увеличения мощности или производительности,
— модификация,
— агрегатирование – создание устройств путём составления различных агрегатов,
— нормализация – создание устройств из нормализованных составных частей и деталей;

к) кроме этого, теории исследования операций, искусственного интеллекта, прогностики, АСУ, АРИЗ и т.п. предлагают различные, но систематизированные в последовательности шагов методы принятия решений.

Такое, далеко неполное многообразие методов решения технических задач подтверждает актуальность вопроса и его незавершенность. В связи с этим напрашивается вывод, что поскольку в настоящее время нет достоверной научной теории решения, то каждый конструктор –  разработчик должен самостоятельно выбирать методы решения таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать свои творческие возможности. Однако, несомненно, и то, что правильно поставленная организация принятия решений и знания о существующих методологических возможностях способствуют активизации творческой деятельности конструктора. В этом смысле следует отметить:
— целесообразность наличия систематизированной методики принятия технических решений при конструировании,
— выработка ИКР решения проектируемого ТО, отдельных его составных частей пересекается с описанной систематизированной методикой конструирования не только тем, что облегчает определение направления разработки, но и способствует также оценке всего процесса проектирования.

Используя проведенный анализ существующих методов конструирования и решения технических задач, остановимся более подробно на методологических принципах, положенных в основу описываемой методики.