ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный институт электроники и математики
(технический университет)
Кафедра “Технологические системы электроники”
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
МЕТОДАМИ СТРУКТУРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Методические указания к самостоятельной работе
по дисциплине “Системный анализ”
Москва 2010
Составители: док. техн. наук, профессор Б.Г. Львов,
канд. техн. наук В.А. Ветров
Настоящие указания являются составной частью методического обеспечения дисциплины "Системный анализ", читаемой студентам четвёртого курса факультета электроники, обучающимся по направлению 210600 "Нанотехнология" и специальности 210602 "Наноматериалы".
Даны понятия структурной модели технического объекта и аспектов ее описания. Приведены методики составления описаний и построения структурных моделей, проиллюстрированные примерами.
УДК 005
Анализ технических объектов методами структурного моделирования: Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине "Системный анализ" / Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост.: Б.Г. Львов, В.А. Ветров. – М.: 2010. – 20 с.
Табл. 2. Ил. 6. Библиогр.: 1 назв.
ISBN 978-5-94506-251-1
Содержание
Введение................................................................................................. 4
1. Задание на самостоятельную работу, содержание и оформление.. 5
2. Вид, марка и изображение ТО......................................................... 6
3. Назначение........................................................................................ 7
4. Иерархическая структура................................................................. 8
5. Описание устройства......................................................................... 11
6. Элементная структура...................................................................... 12
7. Описание окружения......................................................................... 13
8. Описание принципа работы.............................................................. 14
9. Потоковые структуры....................................................................... 15
10. Функциональная структура........................................................................................... 17
11. Рекомендуемая литература......................................................................................... 19
12. Рекомендуемое программное обеспечение................................................................ 19
Введение
Системный анализ представляет собой научный метод познания, в основе которого лежит последовательность действий по установлению структурных связей между элементами исследуемой системы. На сегодняшний день под системным анализом понимают широкую совокупность прикладных методов исследования различного рода систем. Существующие методы (моделирование, статистический анализ, прогноз, выбор, оптимизация, методы активизации интуиции специалистов, командообразование и др.) относятся к различным областям знаний человека и используются отдельно или дополняют друг друга в зависимости от решаемой задачи исследования или проектирования.
Любая инженерная деятельность, направленная на модернизацию технического объекта (ТО), начинается с его анализа, в процессе которого устанавливаются состав, принцип действия, свойства и другие аспекты ТО. Только после этого, на основе полученной на этапе анализа информации, возможен переход к синтезу, результатом которого становится новая модификация ТО.
Множество современных ТО представляют собой сложные системы (например, электронный микроскоп, установка ионной имплантации), провести непосредственный анализ которых не представляется возможным. Для решения этой задачи прибегают к моделям – отображениям аспектов объективной реальности с использованием графических, математических, натурных и других средств.
На различных этапах создания ТО целесообразно прибегать к разным типам моделей, которые описывают реальность с различной степенью конкретизации и детализации. Например, для определения параметров функционирования турбомолекулярного вакуумного насоса разрабатывают математическую модель перекачки газа через него. Однако эта модель не учитывает возникновение механических напряжений в месте крепления крыльчатки ротора к его валу, которые могут привести к разрушению конструкции. Для определения необходимых характеристик крепления крыльчатки к валу и допустимой частоты вращения ротора необходимо составление математической модели распределения механических напряжений внутри ротора при его вращении. После проведения исследований с использованием математических моделей создают физическую модель насоса – его макет, выполненный в некотором масштабе, позволяющий учесть факторы, которыми пренебрегли при математическом моделировании, и установить факт работоспособности предложенного технического решения. На завершающем этапе проектирования разрабатывают конструкторскую документацию на насос, которая также является одной из разновидностей моделей.
Одной из разновидностей моделей, используемых на этапе исследования прототипов ТО, является структурная модель ТО, которая представляет ТО в формализованном виде, для использования в системах автоматизированного проектирования. Структурная модель ТО (структура ТО) – отображение множества объектов, воздействий или действий (процессов) и отношений между ними, образующих необходимую целостность для выполнения некоторой функции. Структура ТО описывается двойкой множеств
, (1)
где Х – множество элементов, из которых состоит ТО; U – множество отношений между элементами Х.
Под элементом понимается часть ТО (деталь, сборочная единица и т.п.). Элемент является относительным понятием – при определенных условиях он сам может рассматриваться в качестве ТО (например, электродвигатель электромеханического привода). Точно так же большинство ТО в определенном контексте являются элементами, входящими в состав более крупных ТО (например, электромеханический привод в составе токарного станка).
Целями самостоятельной работы является приобретение навыков абстрактного мышления и умения анализа ТО посредством его представления в виде различных структурных моделей. В методических указаниях описана последовательность действий, позволяющая достичь поставленных целей. В качестве примера, иллюстрирующего каждый этап методики, рассматривается двухступенчатый зубчатый редуктор РЦ2-100-У.
1. Задание на самостоятельную работу, содержание и оформление
Для выполнения работы студент по согласованию с преподавателем выбирает конкретный ТО, который становится объектом задания на самостоятельную работу. Предпочтительно, чтобы студент имел предварительный опыт работы с выбранным ТО, был знаком с его составом, конструкцией и функционированием. Наличие доступа к ТО, возможность разобрать его и увидеть в работе существенно повышает качество выполняемой работы и повышает шансы на высокую итоговую оценку. Приветствуется, если технический объект имеет отношение к специальности, по которой ведется подготовка. В случае, если студент еще не имеет опыта работы с ТО, изучаемыми в специальных дисциплинах, ему предоставляется возможность выбрать ТО из других областей техники, включая бытовую.
Затрудняющиеся в выборе ТО студенты могут воспользоваться примерными вариантами объектов заданий на самостоятельнуюработу: автомобиль, амортизатор, аудиоколонки, велосипед, гитара, датчик, дрель, зажигалка, зонт, компрессор, компьютерная мышь, кондиционер, кухонный комбайн, лампа, микроволновая печь, монитор, мотоцикл, мясорубка, насос, наушники, обогреватель, очки, принтер, пульверизатор, пылесос, радиоприемник, ручка, сканер, телевизор, телефон, утюг, фонарь, фотокамера, холодильник, чайник, электробритва.
Исходными данными для выполнения работы могут быть непосредственно ТО в натуральном виде, технические паспорта, патентная документация, бумажные и электронные описания, в т.ч. из интернета.
На семинарских занятиях рассматриваются примеры построения структурных моделей ТО с участием студентов, которые выносят на рассмотрение выбранные для самостоятельнойработы ТО. После выполнения самостоятельной работы проводится ее защита. При необходимости в работу вносятся исправления.
Самостоятельная работа должна быть выполнена на стандартных листах белой бумаги формата А4 и иметь сквозную нумерацию страниц. Номер на титульном листе не ставится. Содержание работы:
· титульный лист,
· оглавление с номерами страниц,
· вид и марка ТО,
· изображение ТО,
· назначение,
· иерархическая структура,
· описание устройства,
· элементная структура,
· описание окружения,
· описание принципа работы,
· потоковые структуры,
· функциональная структура,
· список использованных источников.
Вид, марка и изображение ТО
Структурные модели строят для конкретных ТО, например, для "двухступенчатого зубчатого редуктора РЦ2-100-У", а не просто для "зубчатого редуктора". Это связано с тем, что, обладая одинаковым назначением, зубчатые редукторы отличаются своими деталями и зачастую принципом работы.
Для построения структурных моделей указывают вид ТО – абстрактное понятие ТО, подчиненное общему родовому понятию. Для рассматриваемого примера видом является понятие " двухступенчатый зубчатый редуктор ", в котором родовым понятием является "редуктор". Для формулировки вида ТО используют наименования классов ТО, например, "двухступенчатый", "зубчатый". По возможности формулировка должна быть краткой, но отражающей существенные классы ТО.
Наименование вида ТО дополняется его маркой – наименованием по техническому паспорту или коммерческим названием, которое дается производителем. В рассматриваемом примере марка – "РЦ2-100-У".
Для наглядности в самостоятельной работе приводят изображение выбранного ТО, в качестве которого может выступать чертеж, фотография, блок-схема, структурная, принципиальная или другая схема. Изображение должно давать представление об элементах ТО, их связях и взаимном расположении. На рис. 1 изображена конструктивно-кинематическая схема редуктора РЦ2-100-У.
Нумерацию элементов на изображении производят после выбора уровня рассмотрения ТО.
Рис. 1. Конструктивно-кинематическая схема редуктора РЦ2-100-У:
1 – болтовое соединение; 2, 7 – шестерня; 3 – шпонка; 4 – входной вал;
5, 8 – зубчатое колесо; 6 – промежуточный вал; 9 – выходной вал;
10 – подшипник; 11 – масло; 12 – стойка; 13 – корпус; 14 – крышка
Назначение
Каждый технический объект имеет свое назначение или, говоря иначе, служит для удовлетворения какой-либо потребности человека или техники. Назначение – краткое общепринятое описание действия на естественном (русском) языке, которое производит ТО над объектом или воздействием. Назначение описывается тремя компонентами:
, (2)
где Р – назначение, D – множество производимых действий, О – множество операндов (объектов и воздействий, на которые направлены действия D), Н – множество условий и ограничений, при которых выполняются действия.
Действие – процесс, направленный на объект или воздействие и вызывающий в них необходимые качественные и количественные изменения свойств. Виды действий описываются отглагольными существительными, например, "нагрев", "нанесение", "шлифование", "сборка" и другими.
Так, например, назначение двухступенчатого зубчатого редуктора – преобразование вращательного механического движения посредством повышения его крутящего момента и снижения его угловой скорости, где D = "преобразование", О = "вращательное механическое движение", Н1 = "повышение крутящего момента", Н2 = "снижение угловой скорости".
Иногда в технической литературе используется термин "потребительская функция", имеющий аналогичный смысл и описываемый формулой (2). Поскольку функция рассматривается, как правило, в техническом аспекте, о чем речь пойдет ниже, и во избежание синонимии рекомендуется употреблять термин "назначение".
Иерархическая структура
Большое количество элементов сложных ТО затрудняет его анализ. Для упрощения задачи применяют принцип декомпозиции, разделяя ТО на ряд более простых элементов, которые легче анализировать. Для большей детализации выделенные элементы могут быть также разбиты на еще более простые. В результате проведения этой процедуры строят иерархическую структуру, представляемую в виде графа, вершины которого соответствуют ТО и его элементам, а ребра – отношениям включения:
, (3)
где Sи – иерархическая структура, Е – множество элементов ТО, U1 – множество отношений включения.
На рис. 2 представлена абстрактная (не связанная ни с одним конкретным ТО) иерархическая структура.
На нулевом уровне располагается ТО, на первом уровне – элементы, из которых он состоит, на втором уровне – элементы, из которых в свою очередь состоят элементы уровня 1. Такое деление может быть достаточно глубоким, а количество иерархических уровней иногда достигать нескольких десятков, например, в таком сложном техническом объекте, как самолет. На последнем иерархическом уровне располагаются детали – неделимые элементы ТО.
В реальных ТО элементы различных уровней иерархии в соответствии с ЕСКД имеют свои абстрактные имена: "структурная единица", "сборочная единица", "примитивная структурная единица", "деталь". Однако для многоуровневых ТО этих наименований может не хватать. В этом случае используют термины – "узел", "агрегат" или другие, отражающие положение элемента в иерархии ТО.
Рис. 2. Абстрактная иерархическая структура:
Eks – элементы, U1 – отношение включения
На рис. 3 представлена иерархическая структура редуктора РЦ2-100-У, конструктивно-кинематическая схема которого изображена на рис. 1. Редуктор состоит из зубчатых передач (ЗП1) и (ЗП2), корпуса (К), стойки (Ст), двух крышек (Кр), шести подшипников (Пш), масла (М) и восьми болтовых соединений (БС). Каждая зубчатая передача (ЗП) состоит из двух сборочных единиц вал - зубчатое колесо (ВЗК). В свою очередь ВЗК делятся на детали – валы (В), шпонки (Шп), зубчатые колёса (ЗК) и шестерни (Ш). Болтовое соединение состоит из болта (Б), гайки (Г) и двух шайб (Шб).
Рис. 3. Иерархическая структура редуктора РЦ2-100-У
Важно обратить внимание на то, что зубчатые передачи не являются в строгом смысле элементами ТО, поскольку представляют собой лишь так называемое взаимодействие двух сборочных единиц ВЗК. Однако для проектирования взаимодействия играют существенную роль, поскольку с их помощью реализуются основные функции ТО. В связи с этим взаимодействия в виде исключения могут быть включены в иерархическую структуру, в которой выделяются штриховкой или отдельным цветом.
Расположение болтовых соединений и подшипников на одном уровне с ВЗК обусловлено тем, что все они являются сборочными единицами. При построении иерархической структуры рекомендуется располагать схожие группы элементов на одном уровне. Вершины графа, соответствующие деталям, опускают на нижний уровень.
Для построения следующих структурных моделей по иерархической структуре выбирают уровень рассмотрения, на котором будет проводиться дальнейший анализ ТО. Среди отобранных элементов не должно быть находящихся в иерархическом соподчинении. Для этого пользуются правилом: из каждой ветки декомпозиции должен быть выбран строго один элемент. Так, если в рассматриваемом примере из ветки ЗП1-ВЗК2-ЗК1 выбрать ВЗК2, то согласно правилу ЗП1 и ЗК1 выбраны уже быть не могут, как и элементы Шп2, В2, Ш2, Шп3. При формировании уровня рассмотрения следует избегать попадания в него стандартных деталей (болтов, гаек, шайб и др.), включая в него элементы более высокого уровня иерархии (болтовое соединение и др.). Вершины иерархической структуры, соответствующие элементам выбранного уровня рассмотрения, нумеруют арабскими цифрами.
Методика построения
1. Построение иерархической структуры начинают с изображения корневой вершины графа, соответствующей ТО как целому, которая графически представляет собой небольшой круг. Рядом с вершиной указывают сокращенное наименование ТО.
2. Далее ТО анализируют на наличие в нем узлов и деталей, которые изображают в виде вершин графа, располагая их ниже корневой. Эти вершины соединяют с корневой вершиной ребрами.
3. Выявленные узлы анализируют на наличие в их составе более мелких узлов и деталей, которые аналогичным образом в виде вершин изображают на графе и соединяют ребрами с соответствующими элементами вышележащего иерархического уровня. Операцию продолжают до тех пор, пока ТО не будет полностью декомпозирован на детали и стандартные сборочные единицы (подшипник, электродвигатель, электронная плата и т.п.).
4. Выбирают уровень рассмотрения, на котором будет проводиться дальнейший анализ ТО, и нумеруют вершины графа, соответствующие элементам выбранного уровня. Этими номерами отмечают элементы выбранного уровня рассмотрения на изображении ТО.
5. В тексте работы в виде таблицы приводят соответствие введенной нумерации элементов, полных и сокращенных наименований вершин графа по примеру таблицы 1.
Примечания
· Рядом с каждой вершиной указывают ее сокращенное наименование. Наименование ребер U1 для облегчения чтения модели допускается не приводить.
· В случае, если ТО содержит несколько идентичных элементов (например, шесть подшипников), их обозначают одной вершиной, а после сокращенного наименования в скобках указывают количество элементов. Если идентичные элементы входят в состав разных элементов вышележащего уровня, их нумеруют одним числом и сверху ставят штриховые индексы или римские числа (например, 3I, 3II, 3III, 3IV и т.д.).
· В рамках самостоятельной работы для многоуровневых ТО допускается остановить процесс декомпозиции на третьем иерархическом уровне.
· Число элементов выбранного уровня рассмотрения не должно быть менее семи.
· Описание иерархической структуры на естественном языке не приводят.
Таблица 1. Обозначения элементов в структурных моделях редуктора РЦ2-100-У
| № | Полное наименование | Сокр. наи- менование | № | Полное наименование | Сокр. наи- менование | |
| Болтовое соединение | БС | Масло | М | |||
| Шестерня | Ш1 | Стойка | Ст | |||
| Шпонка | Шп1 - Шп4 | Корпус | К | |||
| Входной вал | В1 | Крышка | Кр | |||
| Зубчатое колесо | ЗК1 | - | Зубчатая передача | Зп1, Зп2 | ||
| Промежуточный вал | В2 | - | Вал - зубчатое колесо | ВЗК1 - ВЗК3 | ||
| Шестерня | Ш2 | - | Болт | Б | ||
| Зубчатое колесо | ЗК2 | - | Гайка | Г | ||
| Выходной вал | В3 | - | Шайба | Шб | ||
| Подшипник | Пш |
Описание устройства
Описание устройства ТО представляет собой текст на естественном (русском) языке, который описывает физическое взаимодействие (сопряжение) элементов ТО выбранного уровня рассмотрения. В нем преобладают глаголы "закреплен", "прикручен", "приварен", "приклеен", "впрессован", "насажен", "припаян", "расположен", "размещен", "контактирует", "надет", "приклепан", "сопряжен", "перекрыт", "упирается", "входит", "зацеплен", "скреплён", "зажат" и др.
Описание устройства редуктора РЦ2-100-У:
Шестерня 2 закреплена на входном вале 4 посредством шпонки 3I. Шестерня 2 находится в зацеплении с зубчатым колесом 5, которое в свою очередь закреплено на промежуточном вале 6 посредством шпонки 3II. На промежуточном вале 6 посредством шпонки 3III закреплена шестерня 7, которая входит в зацепление с зубчатым колесом 8, закрепленным на выходном вале 9 посредством шпонки 3IV. Входной вал 4 расположен в подшипниках 10I и 10V, промежуточный вал 6 – в подшипниках 10II и 10III, выходной вал 9 – в подшипниках 10IV и 10VI. Подшипники 10I и 10II впрессованы в крышку 14I, подшипники 10III и 10IV – в крышку 14II, подшипники 10V и 10 VI – в стойку 12, которая приварена ко дну корпуса 13. Крышка 14I соединена с корпусом 13 болтовыми соединениями 1I-1IV, крышка 14II – болтовыми соединениями 1V-1VIII. Полость, ограниченная корпусом 13, стойкой 12, крышками 14I и 14II, заполнена маслом 11, в которое частично погружены шестерня 2 и зубчатое колесо 8.
Методика составления
1. В виде текста последовательно описывают физические взаимодействия (сопряжения) элементов ТО выбранного уровня рассмотрения. Рекомендуется начинать с описания основных функциональных элементов.
Примечание
· Каждый раз после упоминания элемента ставят его номер.
Элементная структура
Элементную структуру представляют в виде графа, вершины которого соответствуют элементам ТО выбранного уровня рассмотрения, а ребра – отношениям сопряжения:
, (4)
где Sэ – элементная структура, Е – множество элементов ТО, U2 – множество отношений сопряжения.
Элементная структура является отображением описания устройства в виде структурной модели. На рис. 4 представлена элементная структура редуктора РЦ2-100-У.
Методика построения
1. При построении элементной структуры анализируют описание устройства ТО, читая текст и выделяя в нем имена элементов (отмечены номерами) и отношений сопряжения (глаголы, перечисленные выше).
2. Выделенные элементы изображают в виде вершин графа.
3. Соединяют вершины ребрами, соответствующими выделенным отношениям сопряжения.
4. Проводят проверку соответствия описания устройства и элементной структуры. В случае несоответствия корректируют либо структуру, либо описание, либо и то и другое.
Примечания
· Внутри вершин указывают номера соответствующих элементов. Наименование ребер U2 для облегчения чтения модели допускается не приводить.
· Рекомендуется выполнять пункты методики 1-3 одновременно, последовательно читая текст описания устройства и отмечая вершины графа и ребра по мере выявления элементов и отношений сопряжения.
· Если имеется несколько идентичных сопряжений (например, крепление крышки к корпусу четырьмя болтовыми соединениями), рекомендуется обозначать идентичные элементы одной вершиной, обозначая ее интервалом (например, 1I-IV).
Рис. 4. Элементная структура редуктора РЦ2-100-У
Описание окружения
Назначение ТО связано с генерацией, преобразованием или поглощением физических воздействий, которые входят в ТО и/или выходят из него. Физическое воздействие – форма движения физического или технического объекта. Источниками или приемниками воздействий являются ТО и объекты их окружения. Анализ и проектирование ТО невозможны в отрыве от его окружения, под которым понимают множество объектов, не принадлежащих ТО, но связанных с ним и оказывающих на него существенное влияние. Понятие "окружение" очень обширно, и на каждом уровне рассмотрения описывается семеркой множеств:
, (5)
где О1 – множество управляющих объектов; О2 – множество объектов эксплуатации на всех стадиях жизненного цикла ТО; О3 – множество взаимодействующих ТО; О4 – множество объектов производства; О5 – множество операндов (объектов, на которые направлены действия со стороны ТО); О6 – множество технологических процессов, которым способствует ТО; О7 – множество факторов окружающей физической среды.
В контексте самостоятельной работы рассматриваются множества О1, О3, О5, О7. В таблице 2 приведено описание окружения рассматриваемого редуктора.
Таблица 2. Описание окружения редуктора РЦ2-100-У
| Множество | Объекты и предметы окружения |
| О1 | - |
| О3 | О31 – электродвигатель, О32 – муфта, О33 – муфта, О34 – исполнительный механизм |
| О5 | - |
| О7 | О71 – температура окружающей среды, О72 – влажность |
Стоит отметить, что для одного и того же ТО может существовать различное окружение. Так, например, функцию источника вращательного механического движения, воспринимаемого редуктором, вместо электродвигателя может исполнять человек.
Методика составления
1. Анализируют ТО на наличие объектов и предметов окружения в каждом из четырех обозначенных выше множеств. Результаты заносят в таблицу по примеру таблицы 2.
Примечание
· Объектам и предметам окружения присваивают обозначения аналогично примеру.