Skip to content

Алгоритм процесса конструирования

А)  ТЗ на проектирование ТО является основой для его конструирования и должно содержать все необходимые исходные данные:
— цель проекта, которую следует достичь;
— требования и ограничения, накладываемые на разрабатываемый ТО.

В большинстве случаев ТЗ содержит и основные конструктивные элементы и параметры проектируемого ТО, последнее не является необходимыми исходными данными, но поскольку ТО также может являться составной частью изделия или комплекса, то некоторые элементы и параметры могут быть обязательны по условиям функционирования для разрабатываемого ТО.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ:
Под основным принципом исполнения ТО понимается совокупность существенных параметров и их признаков, обеспечивающих его работоспособность.
Существенность параметров и их признаков идентично такому же пониманию, которое используется в патентной терминологии: необходимые и достаточные для характеристики и функционирования ТО.

В соответствии  с этими определениями разрабатываемого ТО, необходимые исходные данные ТЗ (цель проекта, требования и ограничения) составляют достаточное условие для формулировки основного принципа исполнения конструкции проектируемого ТО.  Рассмотрим составляющие условия основного принципа с точки зрения высоких эффективности и качества ТО.

Цель проекта определят основное функциональное назначение ТО, т.е. технические характеристики, которые ТО должен выполнять при функционировании. С очевидностью следует, что «максимизация» эффективности и качества будет достигнута при наибольших значениях фактора ТХэф, т.е.  при установлении цели проекта необходимо предусматривать максимальные значения технических характеристик разрабатываемого ТО, исходя из объективных требований и условий функционирования. Таким образом в алгоритме конструирования прежде всего должно быть:

1. Проанализировать цели проекта и максимально их усилить в пределах ТЗ.
Проанализировав требования и ограничения ТЗ, которые чаще всего являются  общепринятыми в данной области, следует рассмотреть возможность ввести в них дополнения из всего известного разработчику на момент выработки основного принципа ТО. Для облегчения этой работы следует подразделить требования и ограничения на группы в соответствии с выявленными факторами, имеющими непосредственное отношение к функционированию проектируемого ТО, такими как:
— С – свойства,
— М – материалоёмкость,
— ТХэн – энергетичность,
— Кр – размеры,
— Н – нагрузки,
— Сц – социальность,
— Пр – прочие факторы (например, перспективность, универсальность и т.п.).

Остальные факторы являются общими для любого ТО и не зависят от конкретных условий функционирования, поэтому они не введены в перечисленные группы требований и ограничений, хотя могут быть и исключения. Таким образом, следующий шаг алгоритма:

2. Выявить требования и ограничения по группам:
— энергетичность,
— нагрузки действующие,
— свойства,
— материалоёмкость,
— размеры,
— социальность,
— прочие.

Поскольку  этим шагом заканчивается формулировка требований и ограничений, то фактически разработчик самостоятельно переосмыслив ТЗ, может судить об объективности и целесообразности целей проекта, поэтому, учитывая важность шага 1, его следует повторить:

1′. Повторить шаг 1, согласовав с Заказчиком.
Работа  с ТЗ проходит с максимум позитива и практически без критики, под обычным лозунгом: «клиент всегда прав». В дальнейшем необходимо критически изучить требования и ограничения ТЗ, используя приёмы факторного анализа: «группируя» и «вычёркивая» родственное и несущественное.

Составляется условно окончательный список требований и ограничений, предъявляемых к ТО:

3. Составить список основных исходных требований и ограничений,
группируя и вычёркивая несущественные.

Шагом 3 заканчивается формулирование условий для разработки основного принципа проектируемого ТО. Т.к. начальная стадия любого проекта наиболее ответственная, следует проверить:

4. Понятно ли сформулировано условие проектирования.
Практически в основном субъективный этап проектирования завершается, и при отрицательном ответе формулирование условий проекта следует повторить.

А последующая работа над процессом проектирования будет направлена на активизацию творческого мышления разработчика в принятие технических решений и преодоление при этом психологической инерции.

После выработки условий становится возможной формулировка основного принципа ТО уже более объективно, используя приёмы и возможности ИТ. В соответствии с определением основного принципа требуется детерминировано преобразовать требования и ограничения ТЗ в параметры и признаки ТО.

Вывод напрашивается сам собой: конструктивные требования и ограничения ТЗ необходимо  информационно выразить, по крайней мере, признаками ТО, а лучше –  в параметрах и признаках ТО. Для этого целесообразно глубже вникнуть в суть решаемой проблемы, т.е. разработчику следует провести предварительную проработку технических решений ТО и его составных частей, хотя вначале весьма смутно представляется возможный конечный результат (особенно, когда ведётся разработка принципиально нового ТО). В связи с тем, что требуется предварительная проработка, без особых подробностей и уточнений, достаточно для начала проработать лишь основные принципиальные моменты, то совершенно не требуется изучение НТИ по вопросу разработки и вполне  применим «принцип концентрации творческих усилий» (п.п. 1.2.4.):

5. Проработать возможные решения разрабатываемого ТО, без глубокого изучения НТИ.
Следующий, обычно предпринимаемый при конструировании шаг, заключается в составлении «списка» существенных элементов и связей ТО, однако, значительно повысить эффективность работы разработчика позволяет выделение, до и во время разработки, доминирующей идеи.

Так работа любого ТО основана на использовании одной или нескольких доминирующих идей (явлений, взаимосвязей и т.п.), которые осуществляются в рабочем исполнении ТО, путём введения в ТО конкретных элементов, связей, технических решений, обусловленных именно этими доминирующими идеями. Для примера рассмотрим несколько устройств:
— вид используемой энергии для вращения заслонки: электрическая, механическая, пневматическая, гидравлическая, магнитная;
— многослойный силовой сосуд – надёжно гарантированное использование всей толщины силовой оболочки, независимо от вида рабочего газа.

Перечисленные идеи являлись доминирующими в разработке ТО, т.к. все, без исключения, принимаемые технические решения оценивались с точки зрения применимости доминирующей идеи. Рассмотрим, каким требованиям должна соответствовать доминирующая идея и её место в процессе разработки ТО.

В отличие от основного принципа, который даёт принципиальное техническое решение ТО,  достаточное для подробной разработки рабочего исполнения проектируемого ТО, доминирующая идея определяет явление, взаимосвязь и т.п., с учётом которых и формируется основной принцип. Таким образом, доминирующая идея должна соответствовать высшему из всех уровней общности и быть изложена чисто общими понятиями, без подробной разработки и завершённости изложения.

Правильность формулировки доминирующей идеи заключается прежде всего в наличии общих характеризующих признаков с требованиями и ограничениями ТЗ. Отсутствие таких общих  признаков свидетельствует о полной или частичной несостоятельности доминирующей идеи – о необходимости её доработки.

Из выше изложенного следует, что доминирующая идея по сути своей должна предшествовать выработке основного принципа ТО, который и создаётся на основе таких идей. Однако без предварительной проработки возможных технических решений в рамках процесса проектирования, выработка доминирующей идеи не гарантирует оптимального ведения разработки, поскольку не будет достаточного понимания поставленных целей и условий ТЗ.

Кроме того, по ходу разработки могут возникнуть идеи равнозначные (по мнению разработчика) или превосходящие имеющуюся доминирующую.

Всё это должен учитывать алгоритм конструирования:

6. Выработать доминирующую идею.
Основываясь на предварительной проработке основного принципа ТО и доминирующей идее:

7. Составить список существенных параметров ТО и их признаков.
Работа над списком проводится с использованием ранее описанных приёмов (см. п.2) проверки значимости, группированием и минимизацией:

8. Функционирует ли ТО с составленным списком параметров и признаков? Минимизировать список.
Проверка функционирования ТО при изменении списка параметров и их признаков может осуществляться исследованием их влияния на обеспечение целей проекта, используя метод приращения значений (уменьшение или увеличение) каждых параметров и характеристик в корреляционной матрице n x m, где в данном случае:
n – цели проекта, требования и ограничения ТЗ,
m – параметры и признаки проектируемого ТО.

Принцип группирования при работе с матрицей – признак или характеристика имеют равные влияния на цели проекта при сходном функциональном назначении в составе ТО, принцип вычёркивания при работе с матрицей – параметр или признак не имеют влияния на цели проекта или оно незначительно при их изменении.

После получения окончательного списка существенных параметров и их признаков основного принципа функционирования ТО, необходимо проверить правильность сформулированной доминирующей идеи:

9. Состоятельна ли доминирующая идея?
Данная проверка, описана выше, для удобства повтор: осуществляется исследованием функциональных   связей признаков доминирующей идеи с признаками параметров окончательного списка. При необходимости возникшие несоответствия необходимо устранить или доработкой доминирующей идеи, или вычёркиванием соответствующих параметров или их признаков при условии функционирования ТО.

На данном этапе разработчик лишь приступил к разработке проекта и ещё не успел глубоко вникнуть в суть возможного конечного решения, поэтому уместно «покачать» ситуацию и рассмотреть вопрос:

10. Имеются ли другие доминирующие идей основного принципа исполнения ТО.
Например, это может быть решение другой, не прямой (обходной) задачи, если ответ положительный, то повторяются шаги 7,8,9 для нового основного принципа.

Поскольку параллельная разработка нескольких основных принципов практически заключается в подробном рабочем проектировании нескольких ТО одного назначения, то, очевидно, усложнять разработку в несколько раз следует только в тех случаях, когда нет возможности рассуждениями или рассчётно отдать предпочтение какому – либо из основных принципов и позволяет финансовое обеспечение проекта.

После завершения в основном выработки доминирующей идеи, становится реальной уточненная формулировка основного принципа исполнения ТО, используя возможности ИТ в части подбора списка характеризующих ТО существенных параметров и признаков, коррелирующих межу собой, требованиями и ограничениями ТЗ, параметрами и признаками доминирующей идеи:

11.Выработать уточненный основной принцип ТО:
список существенных параметров и признаков, коррелирующих межу собой, требованиями и ограничениями ТЗ, параметрами и признаками доминирующей идеи.

Для разработчика с опытом работы, т.е. со знаниями в различных областях проектирования, и с хорошо развитым ассоциативным мышлением не представляет большого труда идентифицировать параметры и признаки  основного принципа и преобразовать их в реальный ТО, однако это не гарантия высокого уровня разработки.

По известным процедурам поиска и принятия решений эффективная процедура должна включать:
— эвристическую функцию оптимального пути – функцию поиска,
оценочную функцию,
— кроме этого, как показала практика применения систематизированной методики конструирования, эффективному принятию технических решений весьма способствует проверочная (контрольная) функция, цель которой комплексно проверить работоспособность ТО, полноту использования творческих возможностей разработчика и т.п.

Исходные данные, имеющиеся после шага 11 алгоритма, это предварительный основной принцип ТО в достаточно абстрактных, но информационно значимых, параметрах и их признаках, более того, этот список был оптимизирован и уточнён. Этим фактически обусловлено небольшое количество шагов по принятию лучших технических решений по формулированию реального ТО.

Поскольку смысловой подход на всех этапах алгоритма должен быть соблюдён, то и последующие шаги аналогичны во многом предыдущим:

12. В общих чертах, исходя из личного опыта, проработать реальные компоненты решения основного принципа ТО, без глубокого изучения НТИ.

13. Рассмотреть возможность выполнения параметров и признаков основного принципа ТО реальным однокомпонентным решением или решением с минимальным количеством компонентов.

После этого шага целесообразно и своевременно провести изучение НТИ, теперь уж без вреда для прошедшей, в основном, концентрации творческих усилий и возможностей разработчика:

14. Проработать возможные компоненты решения реального ТО с подробным изучением НТИ и дополнить, минимизировать или уточнить список компонентов.
После этого поиск технических решений по основному принципу реального ТО   можно считать законченным, проведём теоретическую – информационную  проверку функционирования реального ТО:

15. Функционирует ли принятый реальный ТО при исследовании ИТ полноты взаимосвязей его параметров и их признаков с требованиями и ограничениями ТЗ и доминирующей идеи?
Минимизировать или дополнить список компонентов реального ТО.

Благодаря информационно – детерминированному подходу к данной методике проектирование проходит на достаточно узком пространстве состояний, что, практически, предопределяется существующими объективными свойствами параметров ТО и их признаками. Этим и обусловлено ведение разработки практически без вариантов. С целью самоконтроля целесообразно повторить контрольный шаг активизации творческих усилий разработчика:

16. Возможно ли исполнение реального ТО одним или меньшим количеством компонентов?
Этот шаг является последним в информационно – факторной формулировке основного принципа реального ТО.

После окончательного  составления такого списка компонентов основного принципа, становится возможным поиск их конкретных исполнений, пространство состояний которых чрезвычайно велико: от широко известных до вновь изобретённых. Поэтому,  только хорошая функция поиска позволит эффективно провести составление списка реальных компонентов, выбрать оптимальные из них и, соответственно, разработать оптимальный рабочий проект ТО.

Рассмотрим возможные функции поиска.
В широко известном и хорошо себя зарекомендовавшем методе «мозгового штурма» основная задача – получить как можно больше отличительных признаков и вариантов по каждому предмету рассмотрения, критика и анализ проводятся во вторую очередь. Не вдаваясь в подробности самого метода, отметим наиболее принципиальный для проектировщика момент – получение как можно большего числа идей для последующей их проработки.

В АРИЗ поиск идей направляется функцией в виде – «идеального конечного результата (ИКР)», который служит в качестве оценочного фактора на всех стадиях решения изобретательских задач.  ИКР является целевым результатом, который следовало бы достичь при проектировании.

Однако, нельзя назвать ни метод «мозгового штурма», ни ИКР эффективными функциями поиска: первый ввиду отсутствия жесткой информационно – факторной направленности  и гарантии получения объективно оптимального решения, второй – ввиду отсутствия функциональной приспособленности. Такие методы хороши для активизации творческого мышления разработчика, но вцелом оптимальный результат могут не дать.

В связи с этим проведём дальнейшие изыскания функций поиска посредством анализа действий, которые предпринимаются  с использованием систематизированной методики конструирования и практического приложения теории поиска решений.

В соответствии с систематизированной методикой конструирования назначение, анализ и выбор отличительных признаков по каждому из компонентов производится в последовательности, которая практически реализована в выше приведенном алгоритме.

Теория поиска решений предлагает в качестве оптимальной функции – использование только тех решений, которые ближе других к искомому результату. В случае конструирования – это решения имеющие наименьшее количество и значимость существенных недостатков, т.е. максимально близкие к ИКР по данному компоненту. Выявить ИКР для компонентов решения – это означает завершить поиск, и если такой приём возможен при работе с общими принципиальными моментами в проектировании, то на этапе конкретного рабочего конструирования определение ИКР компонентов представляет собой такую же сложную задачу, как и поиск оптимального решения. В то же время инженерная практика показывает, что принципы, сформулированные абстрактно, очень слабо «будят» фантазию конструктора, тогда как принципы примеры резко растормаживают, благодаря активной работе ассоциативного мышления.

На основании изложенного предлагается следующая последовательность шагов поиска приемлемых оптимальных решений по каждому компоненту ТО:

17. Рассмотреть каждый компонент ТО с точки зрения выявления недостатков.

18. Предложить идеализированный вариант исполнения (ИКР) рассматриваемого компонента, устраняющий все недостатки.

19. Заменить ИКР одним или несколькими реальными параметрами, наиболее полно соответствующими ИКР по характеризующим признакам.

20. Сгруппировать ИКР компонентов по их признакам и по всем возможностям, которые могут быть практически реализованы.

21. Дать количественную оценку каждому компоненту, ориентируясь на требования и ограничения ТЗ.

Исходя из аксиомы, что новая техника должна существенно превосходить имеющуюся по технико – экономическим показателям, следует выполнить контрольный шаг:

22. Предложить ИКР по каждому компоненту, превосходящий ранее принятый.
Таким образом была проведена разработка составных частей ТО, дальнейшая работа сводится к компоновке этих составных частей в единый ТО, а поскольку возможны варианты, то – выбор оптимального из них. На данной стадии необходимо квалифицированно использовать ранее изложенные идеи принятые решений для обеспечения конечной цели проекта – создание, в соответствии с ТЗ, высоко эффективно и оптимально функционирующего нового ТО.
23. Скомпоновать ТО разработанными компонентами на основе характеризующих признаков, знаний НТИ и приёмов решения задач конструирования.
Массив приёмов решения технических задач представляет собой более или около 500, после их анализа и обобщений выделено  10 основных и главное обозримых приёмов:
— неология (перенос нового из другой области),
— адаптация,
— мультипликация,
— дифференциация,
— интеграция,
— инверсия (переворачивание, перестановка и т.п.),
— импульсация,
— динамизация,
— аналогия,
— идеализация.

Использование этих приёмов – принципов стимулирует генерирование идей разработчиками, расширяет инженерную мысль и, соответственно, делает поиск решений более эффективным, особенно, с точки зрения затрат времени.

24. Дать интегральные оценки рабочим вариантам ТО, используя требования и ограничения ТЗ. Вычеркнуть более слабые.
В случае, если несколько рабочих вариантов ТО определены как оптимальные, то дальнейший выбор может быть произведён, исходя из более полного выполнения особых (основных, главных и т.п.) требований и ограничений ТЗ (например, по перспективности использования), которые не поддаются количественной оценке.
Завершающим этапом алгоритма должен быть  контроль гарантии по работоспособности разработанного ТО:

25. Выявить умозрительно или расчётно основные возможные нарушения  работоспособности ТО и их причины.
Используя приёмы алгоритма, устранить возможность нарушения работоспособности ТО.
Не исключено, что введение контрольных мероприятий потребует коренных изменений в основном принципе и рабочем исполнении ТО, и работу алгоритма необходимо будет повторить.