В инженерной и изобретательской практике технически развитых стран мира, начиная с 60-х г. XIX в., получил распространение новый подход к снижению стоимости и к повышению качества технических изделий. Этот подход получил название функционально-стоимостного анализа (ФСА).
Используются два подхода к снижению себестоимости изготовления и эксплуатации технических изделий:
а) предметный и б) функциональный.
При традиционном предметном подходе разработчик рассматривает объект как реальную целостную конструкцию.
При функциональном же подходе разработчик полностью абстрагируется от реальной конструкции объекта и сосредотачивает внимание на ее функциях. Такой подход изменяет и направление поиска путей снижения себестоимости изготовления и эксплуатации технического объекта.
Четко определив и сформулировав все функции анализируемого объекта и их количественные характеристики, разработчик выясняет: а) насколько важны и необходимы те или иные функции, которыми обладает прототип?
б) можно ли избавиться от некоторых «излишних» функций без ущерба для общей потребительской ценности объекта?
в) какие характеристики и параметры элементов объекта можно изменить для снижения себестоимости?
Процесс проведения ФСА состоит из следующих поэтапно выполняемых видов работ:
1. Подготовительный этап, на котором производится выбор технического объекта, определяются цели и задачи ФСА, формируется группа разработчиков проекта создания нового или усовершенствования существующего объекта.
2. Информационно-аналитическая работа. На этом этапе осуществляется сбор и анализ информации по конструкторско-технологическим решениям прототипа: а) по условиям его работы, б) по конструктивным и эксплуатационным недостаткам, в) по затратам на его изготовление и обслуживание.
Составляется список основных показателей и требований к техническому объекту, определяются критерии его развития.
Разрабатывается конструктивная функциональная структура. Производится классификация и анализ функций элементов, определяются и попарно сравниваются стоимости функций, выявляются функциональные зоны наибольшего сосредоточения затрат.
На основе проведенного анализа формулируется задача поиска более рациональных, оптимальных (по себестоимости) конструкторско-технологических решений.
3. Поисково-исследовательскиuй этап. Это один из творческих и доминирующих этапов работы, на который затрачивается до 50% времени от суммарного времени на выполнение проекта.
Здесь исследуется каждая функция на предмет: нужна ли она, нельзя ли переложить эту функцию на другой элемент, можно ли объединить функции, можно ли упростить, удешевить или стандартизировать те или иные элементы технического объекта (ТО).
На этом этапе основным инструментарием поисково-исследовательской деятельности разработчиков являются типовые приемы разрешения технических противоречий, эвристические методы и приемы поиска новых идей и рациональных конструкторско-технологических решений.
Финалом этого этапа является оформление результатов в виде технического предложения и эскизного проекта ТО.
4. Разработка и внедрение результатов ФСА. На этом этапе производится (в ряде случаев с привлечением опытных экспертов) отбор наиболее эффективных и перспективных вариантов конструирования технических объектов, определение технологичности и экономичности их изготовления, формируются рекомендации по их внедрению.
4 Алгоритм решения изобретательских задач.
В СССР с конца 40-х годов началась разработка теории научно-технического творчества, или, как ее иначе называют, теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Ее составной частью, основным рабочим инструментом является АРИЗ – алгоритм решения изобретательских задач, предложенный Альтшуллером.
АРИЗ – это комплексная программа, основанная на законах развития технических систем и позволяющая проанализировать исходную задачу, построить ее модель, выявить противоречие, мешающее получению желаемого результата обычными (известными) путями, и найти наиболее эффективный прием разрешения этого противоречия.
Рассмотрим в качестве примеров некоторые приемы поиска решений технических задач, получивших широкое распространение:
1. Прием изменения размеров. Означает - увеличить или уменьшить объект.
2. Принцип дробления. Разделить объект на независимые друг от друга части.
3. Принцип вынесения. Отделить от объекта «мешающую» часть (свойство, фактор) или, наоборот, выделить единственную нужную часть.
4. Принцип местного качества. Разделить объект на части так, чтобы каждая могла быть изготовлена из наиболее подходящего материала и находилась в условиях, наиболее соответствующих ее работе.
5. Принцип асимметрии. Машины создаются симметричными. Это их традиционная форма. Поэтому многие задачи, трудные по отношению к симметричным объектам, легко решаются нарушением симметрии.
6. Принцип объединения. Соединить однородные (или предназначенные для смежных операций) объекты.
7. Принцип универсальности. Один объект выполняет несколько функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.
8. Принцип «матрешки». Один объект размещается внутри другого, который в свою очередь находится внутри третьего т. д.
9. Принцип «антивеса». 1. Компенсация веса объекта соединением с другими объектами, обладающими подъемной силой.
2. Самоподдержание объекта за счет аэродинамических, гидродинамических и других сил.
10. Принцип предварительного напряжения. Заранее придать объекту изменения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим позициям.
11. Принцип предварительного исполнения. Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затрат времени на их доставку и с наиболее удобного места.
12. Принцип заранее предложенной подушки. Компенсировать относительно невысокую надежность объекта заранее подготовленными аварийными средствами.
Пример. Патент США № 2879821. Жесткий металлический диск, заранее расположенный внутри шины и позволяющий продолжить движение на спущенной шине без повреждения покрышки.
13. Принцип эквипотенциальности. Исторически многие производственные процессы складывались так, что обрабатываемый объект перемещался в пространстве по кривой, многократно поднимался и опускался. Между тем траекторию движения почти всегда можно расположить в одной плоскости. В идеальном случае объект должен перемещаться по прямой линии или по окружности. Всякий дополнительный изгиб затрудняет работу, осложняет автоматизацию.
Пример. Авторское свидетельство № 110661. Контейнеровоз, в котором груз в кузов поднимается гидроприводом и устанавливается на опорную скобу. Такая машина работает без крана и перевозит значительно более высокие контейнеры.
14. Принцип «наоборот». 1.Вместо действия, диктующего условия задачи, осуществить обратное действие, например, если в задаче охладить объект, то вместо охлаждения надо, наоборот, нагревать.
2. Сделать движущиеся части системы неподвижными, неподвижные – движущимися.
3. Перевернуть объект «вверх ногами».
Пример. Авторское свидетельство № 169687. Карманный электрический фонарь, отличающийся тем, что с целью уменьшения габаритности и лучшего использования силы света лампа накаливания расположена целиком снаружи и размещена внутри рефлектора.
15. Принцип сфероидальности. Перейти от прямоугольных частей объекта к криволинейным, от плоских поверхностей к сферическим, от частей, выполненных в виде куба или параллелепипеда, к шаровым поверхностям.
16. Принцип динамичности. Характеристика объекта (вес, габариты, форма, агрегатное состояние, температура, окраска и т. д.) должна быть оптимальной на каждом этапе процесса.
Примеры. Авторское свидетельство №161247. Например, транспортное судно, корпус которого имеет цилиндрическую форму, отличается тем, что с целью уменьшения осадки судна при полной его загрузке, корпус выполнен из двух раскрывающихся сочлененных цилиндров.
Патент СССР № 174148. Автомобиль с шарнирно соединенными секциями рамы, которые могут поворачиваться с помощью гидроцилиндров. Такой автомобиль имеет повышенную проходимость.
17. Принцип частичного решения. Получить 99% требуемого эффекта намного легче, чем все 100%. Задача перестает быть трудной, если отказаться от абсолютного ее решения (что нередко можно сделать).
Глобус, выполненный в виде двадцатигранника. Такой глобус, близкий по форме к сферическому, легко изготовить. Кроме того, он может быть превращен в плоскую географическую карту.
18. Принцип перехода в другое измерение. 1. Трудности, связанные с движением (или размещением) объекта по линии, устраняются, если объект приобретает возможность перемещаться в двух измерениях (т. е. по плоскости). Соответственно задачи, связанные с движением (или размещением) объектов в одной зависимости, упрощаются при переходе к пространству трех измерений.
2. Многоэтажная компоновка объектов вместо одноэтажной.
3. При нескольких объектах – изменить их взаимное расположение в пространстве.
Пример. Авторское свидетельство №153073. Устройство для очистки и выравнивания льда катком, устанавливаемое на автомашине, включающее нож и систему тяг, отличающееся тем, что с целью увеличения маневренности автомашины, устройство смонтировано под шасси автомобиля.
19. Принцип изменения среды. Для интенсификации процесса
(или устранения сопутствующих процессам вредных факторов) надо изменить среду, в которой протекают эти процессы. Или изменить объекты, соприкасающиеся с этим объектом.
Пример. Искусственное увеличение содержания углекислого газа в воздухе теплиц и парников. В результате овощные культуры созревают вдвое быстрее, а урожай увеличивается в три-шесть раз.
20. Принцип непрерывного полезного действия. 1. Работа должна вестись непрерывно: все части объекта должны все время нести полную нагрузку. 2. Полезная работа должна осуществляться без холостых и промежуточных ходов. 3. Переход от поступательного возвратного движения к вращательному.
Пример. Авторское свидетельство № 126440. Способ многоствольного бурения скважин двумя комплектами труб. При одновременном бурении двух-трех скважин применяется ротор с несколькими стволами, включаемыми в работу независимо друг от друга, и два комплекта бурильных труб, поочередно поднимаемых и опускаемых в скважину для смены отработанных долот. Операции по смене совмещаются по времени с автом. бурением в одной из скважин.
21. Принцип проскока. Вредные или опасные стадии процесса должны преодолеваться на большой скорости.
Пример. Патент ФРГ № 1134821. Устройство для разрезания тонкостенных пластмассовых труб большого диаметра. Особенность устройства – нож рассекает трубу так быстро, что она не успевает деформироваться.
22. Принцип «обратить вред в пользу». Вредные факторы могут быть использованы для получения положительного эффекта.
Пример. Авторское свидетельство № 112684. Устройство, использующее волнение моря для очистки поверхности свай.
23. Принцип «клин – клином». Вредный фактор устраняется за счет сложения с другими вредными факторами.
Пример. Новый тип телефонных наушников, которыми можно пользоваться при сильном шуме.
24. Принцип «перегибания палки». Усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным.
Пример. Холодильные установки для сжижения гелия нуждаются в смазке, но она замерзает при сверхнизких температурах. Академик П. Капица в своей машине для сжижения гелия устроил зазор между поршнем и цилиндром, дав возможность газу свободно вытекать через этот зазор. При утечке газ расширяется настолько быстро, что создает противодавление, мешающее вытекать новым порциям газа.
25. Принцип самообслуживания. 1. Машина должна сама себя обслуживать, выполняя вспомогательные и ремонтные операции.
2. Использование отходов для выполнения вспомогательных операций.
Пример. Авторское свидетельство № 153152. Устройство для охлаждения двигателя внутреннего сгорания, отличающееся тем, что с целью повышения интенсивности охлаждения, за вентилятором установлен эжектор, использующий кинетическую энергию выхлопных газов для подсоса дополнительного количества охлаждающего воздуха.
Учеными СНГ первыми разработаны программные продукты для ЭВМ, алгоритмы работы которых реализуют наилучшие достижения в области автоматизации помощи разработчику нового технического объекта на уровне изобретения. Такие продукты носят название изобретающей машины и, как правило, используют языки программирования искусственного интеллекта, обширные базы данных и базы знаний по примерам реализации известных физических эффектов в созданных человечеством объектах техники.
При этом наиболее общая функция работы таких программных продуктов – это, по сути, функция постановщика задачи, советчика примерами из науки и техники, решателя-анализатора вариантов, то есть состоит в интерактивной помощи по конкретизации задачи на создание ТО путем последовательности уточняющих вопросов, активного использования графических визуализаций примеров подобных ТО, помощи в анализе и выборе наилучшего технического решения и др.
Изобретающая Машина (ИМ) - это интеллектуальная система, построенная по классической линии ТРИЗ. Система ведет пользователя по линии решения задачи, она знает, что такое противоречие и как его можно разрешать, она знает линии развития отдельных систем, она может сопоставлять эти линии развития через подсистему аналогии. Если пользователь даст описание своего устройства, то эта система должна иметь возможность понять, что за систему ей описали, вызвать линию развития и оценить, в какой точке развития находится данная система, дав перспективы ее развития.
Выводы: 1)уяснили сущность некоторых методов поиска новых технических решений, порядок использования методов и формы представления результатов (Метод проб и ошибок, списки контрольных вопросов, Метод морфологического анализа, Метод функционально-стоимостного анализа, Алгоритм решения изобретат. задач (АРИЗ);
2) уяснили, что такое изобретающая машина, ее назначение, состояние развития, как работает;
3) выполнили попытки самостоятельного применения эвристических методов поиска нового технического решения, при создании элементов и общей компоновки мобильной машины в целом;
4) разработали примеры собственных находок в области дизайна машины на основе применения конкретного эвристического приема (из банка эвристических приемов машиностроения) для преобразования взятой за прототип машины, при постановке задачи модернизации ее внешнего оформления, которые приведены на отдельном листе.