Романенко, Андрей Михайлович.

Синтез технического решения с помощью морфологического

анализа: методические указания к практическим занятиям [Электронный ресурс]: для студентов специальности 220501 «Управление качеством» очной формы обучения / А. М. Романенко, – Электрон. Дан. – Кемерово: КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева, 2012. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); зв.; цв.; 12 см. – Систем. требования: Pentium IV; ОЗУ 8 Мб; Windows 95 (CD-ROM-дисковод); мышь. – Загл. с экрана.

Методические указания содержат: теоретические положения о синтезе технического решения с помощью морфологического

анализа, порядок выполнения работы, контрольные вопросы, самостоятельную работу и список литературы.

Содержание методических указаний соответствует учебному плану и рабочей программе по курсу «Технология и организация производства продукции и услуг» для студентов специальности

220501 «Управление качеством».

ã КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева, 2012

ã Романенко А.М., 2012

Цель работы -изучить методику расширения области поиска и синтеза технического решения с помощью морфологического анализа.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Датой рождения современного морфологического анализа систем произвольной природы можно считать 1942 год. В это время вышла в свет первая работа известного швейцарского астрофизика Ф. Цвинки по морфологическому анализу реактивных двигателей с описанием его метода морфологического ящика. Ученому за короткое время удалось получить значительное количество оригинальных технических решений в ракетостроении, чем он очень удивил ведущих специалистов и руководителей американской фирмы Аэроджет инжиниринг корпорейшн. Многие из предложенных решений были впоследствии реализованы, среди них, как оказалось позже, были решения, повторяющие немецкие ракеты ФАУ – 1 и ФАУ – 2.

Морфологический метод исследования был применен к целому ряду систем: по утверждению Ф. Цвинки, более 70 крупных промышленных фирм используют его при решении разнообразных научно-технических задач. Сам Ф. Цвинки создал серию оригинальных изобретений, в том числе баллистические устройства, оригинальные силовые установки, взрывчатые вещества, способ комбинированной фотографии и т.д..

Сущность метода заключается в следующем. В совершенствующей технической системе выделяют несколько характерных для нее структурных или функциональных морфологических признаков. Каждый признак может характеризовать, например, какую-то функцию, какой-то режим работы системы, от которых зависит решение проблемы и достижение основной цели.

По каждому морфологическому признаку составляют список его различных конкретных вариантов, альтернатив технического выражения. Признаки с альтернативами можно расположить в форме таблицы, называемой также морфологическим ящиком, морфологической матрицей, картой или таблицей, что позволяет лучше представить себе поисковое поле. Перебирая все возможные сочетания альтернативных вариантов выделенных признаков, можно выявить новые варианты решения задачи, которые при простом переборе могли быть упущены.

Метод предусматривает выполнение работ в 5 этапов:

1. Точная формулировка задачи (проблемы), подлежащей решению.

2. Составление списка всех морфологических признаков, т.е. всех важных характеристик объекта, его параметров, от которых зависит решение проблемы и достижение основной цели.

3. Поиск возможных вариантов по каждому признаку (характеристике) путем составления матрицы.

4. Определение функциональной ценности всех вариантов решений.

5. Выбор наиболее рациональных конкретных решений.

Основное значение морфологической таблицы – быть вспомогательным инструментом для последующего поиска решения задачи, т.е. быть …….., полем всех мыслимых решений задачи, на котором осуществляется отбор наиболее перспективных, принципиально новых решений.

Метод пригоден для поиска принципиально новых решений, для прогнозирования путей развития технических и других систем.

Преимущество метода в том, что он облегчает учет важнейших направлений совершенствования объекта, систематизирует поиск нового технического решения. Основная трудность заключается в определении набора функций, которые были бы:

1. существенными для любого решения;

2. независимыми друг от друга;

3. охватывающими все аспекты проблемы;

4. достаточно немногочисленными, чтобы можно было составить матрицу, допускающую быстрое изучение.

При решении новых проблем, когда для выбора функций нельзя опереться ни на данные исследований, ни на практический опыт, перед проектировщиком стоит сложная задача уловить какую-то внутреннюю структуру в том, что существует пока только в его воображении. Морфологическую таблицу может составит тот, кто уже обладает достаточными знаниями или достаточным воображением, чтобы предсказать, что будет выявлено с помощью таблицы.

К сожалению, не существует, да и не может быть надежного способа проверки полноты морфологического списка, о чем свидетельствует и пример самого Ф. Цвинки. При морфологическом анализе реактивных двигателей он не учел, например, признак скорости сгорания топлива: в дозвуковом режиме истечения струи или в сверхзвуковом. А между тем воплощением сверхзвуковой скорости сгорания является прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных решений.

Кроме того, возникают затруднения при выборе наиболее приемлемого решения из большого числа возможных.

Недостаток метода состоит в том, что как для выявления функций, так и для поиска приемлемых решений требуется знания базового решения и структуры проблемы, которую сам метод не раскрывает. Например, чтобы усовершенствовать реактивный двигатель, должен быть известен принцип реактивного движения.

Наилучшие результаты метод может дать при исследовании ограниченных областей поиска, а не при изучении плохо определенных и нечетко сформулированных проблем. Исчерпывающий поиск для нахождения всех наборов частичных решений требует длительного времени. Обычно поиск прекращают после нахождения нескольких полезных комбинаций.

В процессе морфологической таблицы в отношении каждой функции решают, необходимы ли альтернативные варианты. Иногда некоторые функциональные элементы или нельзя, или нет смысла заменять альтернативными. Для таких функций в морфологической таблице не предусматривают отдельных строк (столбцов).

Морфологическую таблицу иногда целесообразно строить не на основе конкретного прототипа, а на основе обобщения ряда прототипов, выделяя в них характерные функциональные элементы и формулируя для них обобщенные функции, которые становятся заглавиями строк (столбцов) морфологической таблицы.

В морфологическую таблицу сначала вносят элементы прототипа (первый альтернативный вариант). Затем записывают возможные наиболее интересные и эффективные варианты. При этом могут быть использованы:

- собственные знания и результаты опроса специалистов;

- справочники и энциклопедии;

- словари технических функций;

- международный классификатор изобретений и патентные описания по интересующим рубрикам;

- каталоги выставок для поиска технических решений элементов, соответствующих уровню лучших мировых образцов.

При заполнении строк (столбцов) альтернативными вариантами рекомендуется использовать метод мозговой атаки и метод эвристических приемов. В последнем случае для каждого элемента ищут улучшенные варианты функционирования.

При заполнении каждой строки (столбца) необходимо рассмотреть также возможности комбинации альтернативных вариантов. Часто объединение двух и более альтернативных вариантов. Часто объединение двух и более альтернативных вариантов позволяет устранить какой-либо недостаток одного из вариантов или усилить достоинства вариантов.

Оценим число возможных вариантов технических решений (ТР), которые можно синтезировать на основе морфологической таблицы:

, (1)

где n_i – число альтернативных вариантов в i -ой строке (столбце); m – число строк (столбцов).

Методику применения морфологического анализа рассмотрим на примере совершенствования щетки для чистки полов, ковров, дорожек и букле от разного сора.

За прототип возьмем обычную щетку, представленную на рис. 1. Щетка состоит из корпуса 1, в который вставлен черенок 2 и к которому крепится щетинодержатель 4 с щетиной 3.

Рисунок 1-Щетка

К недостаткам прототипа можно отнести:

- сметаемый с одного места мусор переметается на другое, при этом в воздух поднимается пыль;

- отсутствует регулировка деревянного черенка в зависимости от роста пользующегося щеткой человека;

- хранится щетка должна в подвешенном состоянии (в противном случае происходит остаточная деформация щетины), но в рассматриваемой конструкции отсутствуют необходимые для этого элементы;

- низкая производительность, вследствие того что скорость перемещения щетинок равна скорости перемещения корпуса;

- неоднократное излишне сильное прижатие щетку к ковру при работе приводит к остаточной деформации щетины;

- трудность осуществления наиболее оптимального движения рабочего органа (оптимальное движение – плоскопараллельное; реальное – произвольное).

Определим функции основных элементов щетки для чистки полов, ковров, дорожек и букле от разного сора и сведем их в табл. 1.

Дополнительно введем функции, отсутствующие в прототипе (см. недостатки прототипа):

Ф₁^" – регулировка длины ручки, Ф₂" ' – удержание пыли, поднимающейся при работе щеткой, Ф₅ – недопущение деформации щетины при хранении, Ф₆ – временное хранение сметенного мусора, Ф₇ – перемещение щетинодержателя относительно корпуса, Ф₈ – ограничение деформации щетины при работе.

Таблица 1 - Функции щетки

В формуляре морфологической таблицы функции Ф i (см. таблицу 2) лучше располагать в таком порядке, чтобы наиболее конструктивно связанные элементы А i находились, по возможности, в соседних строках (горизонтальное расположение) или столбцах (вертикальное расположение), например, Ф₁^', …… и Ф₅; Ф₂^', Ф₂^" , Ф₂^{" '} и Ф₆; Ф₆ и Ф₄^'; Ф₄^" ; Ф₄^', Ф₄^" и Ф₇.

Будем считать, что принцип удаления мусора остается неизменным, т.е. функциональный элемент Ф₃ не имеет альтернатив, и в морфологической таблице не будет соответствующей строки.

По формуле (1) число возможных вариантов технических решений (ТР), которые можно синтезировать на основе морфологической

таблицы (табл. 2),

Сократим множество возможных вариантов ТР путем исключения наихудших элементов. К ним относят реализуемые или несовместимые комбинации, труднореализуемые и наиболее дорогие по затратам комбинации, а также комбинации, в наименьшей мере устраняющие недостатки прототипа и или улучшающие критерии качества и т.п.

Таблица 2 Морфологическая таблица возможных щеток

В исходной морфологической таблице (см. табл. 2) выбираем две строки (в нашем случае), имеющие наименьшее число альтернативных вариантов, например вторую и четвертую, и образуем из них все возможные парные комбинации (табл. 3). Считаем, что варианты с подставкой А₅² относятся к наихудшим (конструкция достаточно высокая и положение при хранении на подставке – неустойчивое), поэтому исключаем их из табл. 3.

Таблица 3

Поиск оптимальных ТР

Таблица 4

Поиск оптимальных ТР

Выбираем следующую строку с наименьшим числом альтернатив – шестую. С помощью вариантов этой строки и допустимых комбинаций из табл.3 образуем все возможные комбинации (табл.4). Считаем, что полученные комбинации равноценны, поэтому не одну из них не относим к наихудшим и не исключаем.

Действуя аналогично, перебираем возможные комбинации для всех оставшихся строк и заполняем табл. 5…8.

Считаем, что варианты с ограничителем А₈¹, скользящим по поверхности, относятся к наихудшим, и исключаем их из таблицы 5 (на поверхности ковра в местах движения ограничителей могут оставаться полосы от втираемого полозьями мусора).

Таблица 5 Поиск оптимальных ТР

Считаем, что варианты с нерегулируемым черенком А₁¹ (см. недостатки прототипа) и составной ручкой-черенком А₁³ (неиспользуемые части составной ручки-черенка нужно хранить отдельно, что не удобно при эксплуатации) относятся к наихудшим, и исключаем их из табл. 6.

Таблица 6 Поиск оптимальных ТР

Варианты с неподвижным соединением корпуса, черенка и щетинодержателя А₂¹ несовместимы с вариантами, имеющими привод щетинодержателя А₇¹ и А₇², роэтому исключаем их из таблицы 7. Считаем, что другие варианты с А₂² и А₂³ равноценны, поэтому оставляем их.

Таблица 7 Поиск оптимальных ТР

Таблица 8 Поиск оптимальных ТР

При рассмотрении вариантов, образуемых с различными щетинодержателями, считаем, что плоский щетинодержатель А₄¹ несовместим с вариантами корпуса А₂² и А₂³, поэтому вычеркиваем все их комбинации. Щетинодержетель А₄³ считаем сложным в изготовлении, и кроме того, при его работе будут создаваться большое тянущее усилие, что помешает работе. Поэтому вычеркиваем все возможные комбинации с А₄³. Другие варианты считаем равноценными и оставляем их.

Произведем сравнительную оценку оставшихся восьми (из 432 исходных) вариантов.

Первые два варианта, указанные в столбце А₄², отличаются друг от друга типом привода щетинодержателя, третий и четвертый варианты от первых двух – наличием сменных емкостей для мусора вместо постоянных. Последующие четыре варианта от первых четырех отличаются типом корпуса (устройством для отсоса пыли). Считаем, что щетки с постоянными и сменными емкостями – варианты исполнения одного и того же изделия для потребителей, не желающих постоянно приобретать разовые или освобождать от мусора постоянные емкости соответственно.

Варианты А₁²А₂²А₄²А₅¹А₆¹А₇¹А₈² и А₁²А₂²А₄²А₅¹А₆² А₇¹А₈² – механические щетки.

Варианты А₁²А₂³ А₄²А₅¹А₆¹А₇²А₈² и А₁²А₂³ А₄²А₅¹А₆² А₇²А₈² – электромеханические щетки, представляющие собой некое подобие пылесосов. Отличие – в способе удаления мусора (сметание вместо всасывания). Привод для всасывания пыли, образующийся при сметании на порядок менее мощный, чем у пылесоса. Конкурентоспособность таких изделий по отношению к пылесосам можно оценить после сравнения потребляемой электроэнергии и времени, необходимого для уборки, при работе в одинаковых условиях.

В рамках данной работы не будем проводить это сравнение.

Остальные варианты – промежуточные решения. В них отсутствует либо независимый привод на щетку, либо привод для отсоса пыли, образуемый при сметании мусора. Эти варианты можно считать переходными от механической к электромеханической щетке.

С экономической точки зрения механические и электромеханические щетки относятся к разным (по стоимости и контингенту возможных покупателей) классам изделий. Прототип – недорогое изделие, поэтому окончательно считаем, что синтезированная с помощью морфологического анализа конструкция механической щетки наиболее близка к прототипу по области применения. Возможная конструкция такой щетки изображена на рис.2.

Щетка механическая состоит из корпуса 1 и установленных в него постоянных или сменных емкостей для мусора 4 щетинодержателя со щетиной 6, колесиков зависимых от перемещения щетки привода 7 (они же обеспечивают прижим щетины к очищаемой поверхности с постоянным усилием), поворотной скобы 5, обеспечивающей шарнирное соединение ручки-черенка 2 с корпусом. Ручка-черенок состоит из двух частей, которые могут перемещаться друг относительно друга, и устройства фиксации 8 их взаимного положения (например, цангового типа). В верхней части ручки расположена проушина для подвешивания щетки во время хранения.

Рисунок 2. Щетка механическая

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Получить задание.

2. Изучить подлежащую изучению задачу, обсудив под руководством преподавателя недостатки прототипа.

3. Выделить выбор морфологических признаков (функций).

4. Найти несколько возможных технических решений по каждому морфологическому признаку.

5. Составить морфологическую таблицу.

6. Оценит число возможных технических решений и при необходимости сократить число альтернативных вариантов в столбцах (строках) и числа столбцов (строк) путем исключения наихудших комбинаций элементов.

7. Выбрать один или несколько наиболее эффективных вариантов технического решения.

8. Оформить предварительный эскиз технического решения и дать его характеристику.

9. Составит отчет по практической работе.

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Вариант № 1

Прототип – электрообогреватель-сушилка, предназначенный для дополнительного обогрева жилых помещений, сушки мелких вещей, полотенец, пеленок обуви и т.п. (рис. 3). Краткая техническая характеристика прототипа:

- расход электроэнергии, КВт-ч—0, 3;

- время разогрева рабочей поверхности до 70˚ С, мин., не более – 30;

- масса кг – 7.

Рисунок 3. Нагреватель - сушилка

Общий вид электрообогревателя и его основные элементы показаны на рис. 3. Электрообогреватель состоит из герметичного корпуса 4 и змеевика 8, заполненных жидким теплоносителем. В нижнюю часть корпуса вмонтированы нагреватель (на рисунке не показан), блок управления 1 и индикаторная лампочка 3. Нагреватель устанавливается на горизонтальную поверхность с помощью ножек 5, закрепленных на корпусе винтами 2. В электросети подключение производится вилкой с сетевым шнуром 7. Для просушки обуви на змеевик корпуса навешиваются рамки 6, на рамках размещается обувь. В условиях нормальной теплоотдачи включенный в сеть электрообогреватель работает непрерывно, при этом температура рабочей поверхности корпуса не превышает 90˚ С. При более высокой температуре корпуса срабатывает установленный в блоке управления термовыключатель, который отключает электрообогреватель от сети. Включение электрообогревателя после остывания происходит автоматически.

К недостаткам прототипа можно отнести:

— неэффективный дополнительный обогрев помещения вследствие:

- относительно небольшой площади теплопередающей поверхности змеевика и корпуса;

- использования только естественной конвекции, которая ухудшается при использовании электрообогревателя для сушки вещей;

— невозможность регулирования мощности нагревателя в зависимости от температуры воздуха в помещении и его размеров.

Вариант № 2

Прототип – велосипед дорожный, предназначенный для езды по дорогам различного типа и покрытия (рис. 4). Краткая техническая характеристика прототипа:

Рисунок 4. Велосипед дорожный

- база (расстояние между центрами колес), мм – 1150;

- высота рамы (расстояние от центра каретки до верха подседельной трубы), мм – 560;

- размер шин, мм – 40х622;

- втулка заднего колеса – тормозная;

- седло – кожаное подпружиненное;

- общая максимальная нагрузка, кг – 110;

- нагрузка на багажник, кг – 15;

- масса (без принадлежностей и дополнительного оборудования), кг, не более – 16.

Общий вид велосипеда дорожного показан на рис.4. Велосипед дорожный состоит из рамы 8, на которую установлены переднее 6 и заднее 5 колеса со щитками соответственно 14 и 13, рулевая колонка 9 и седло 11. На щиток задний и оба колеса устанавливаются светоотражатели 10. Для перевозки грузов над задним колесом предусмотрен багажник 1. Привод велосипеда педальный. Педали и ведущая звездочка расположены на валу каретки 4. Привод заднего колеса осуществляется цепной передачей 12, закрытым щитком 15. Велосипед оснащен инструментальной сумкой 3, звонком 2 и насосом велосипедным 7.

К недостаткам прототипа можно отнести:

- большую массу;

- большой занимаемый объем, что затрудняет перевозку в общественном транспорте и хранение в условиях городской квартиры;

- невозможность изменения усилия, прилагаемого к педалям (путем изменения передаточного отношения цепной передачи), в зависимости от дорожных условий и физических данных велосипедиста;

- сложную конструкцию колес с большим числом спиц (в переднем 32 и в заднем 36), приводящей к большой трудоемкости сборки последующего обслуживания;

- большой износ цепи и обеих звездочек в открытой цепной передаче, не защищенной от пыли и грязи;

- возможность создания аварийной ситуации и порчи одежды в результате попадания ее в цепную передачу, огражденную щитком лишь на половину длины верхней ветви цепи;

- излишне жесткую конструкцию седла, вызывающая неудобства при длительных поездках.

Вариант № 3

Прототип – мясорубка бытовая, предназначенная для изготовления мясного и рыбного фарша, а также с приспособлением—комплектом профильных решеток и конусной насадки—для изготовления печенья и колбас в домашних условиях (рис. 5). Краткая техническая характеристика прототипа:

- производительность, кг/ч, не менее – 30;

- диаметр отверстий в решетке, мм – 5, 7;

- масса, в кг – 1, 35.

Рисунок 5. Мясорубка бытовая

Мясорубка бытовая (см. рис.5) состоит из корпуса 3, в котором вращается шнек 9, гайки нажимной 2, ножа 4, решетки 5, рукоятки 6, которая удерживается на конце шнека винтом 1, шайбы 8. Мясорубка закрепляется на столе спецвинтом 7.

Недостатки прототипа:

- подача мяса рукой создает опасность травмирования пальцев;

- вследствие небольшого коэффициента трения между опорной частью корпуса и поверхностью стола практически не удается надежно закрепить мясорубку на столе, кроме того металлические опорные части корпуса и спецвинта повреждают стол;

- режущие кромки ножа быстро корродируют (тупятся), особенно если мясорубка остается немытой некоторое время;

- работать продолжительное время с использованием мясорубки, даже если не требуется обеспечить указанную в технической характеристике производительность, может человек, обладающий определенными физическими данными;

- конструкция ножа с гладкими режущими кромками способствует тому, что мясо скользит вдоль них, мясорубка не режет, а мнет мясо, соединительные ткани и сухожилия наматываются на ножи.

Вариант № 4

Прототип – насос автомобильный, предназначенный для наполнения сжатым воздухом автошин (рис.6). Краткая техническая характеристика прототипа:

- ход штока, мм – 405;

- объем воздуха попадающий в цилиндр при перемещении поршня от крайнего нижнего к крайнему верхнему положению, дм³ – 0, 39;

- максимальное создаваемое давление (при положении к рукоятке усилия 200 Н), МПа – 0, 208;

- длина шланга, м – 0, 6;

- масса, кг – 1, 5;

Насос автомобильный (рис.6) состоит из цилиндра 9 с приваренным к нему основанием 5. Внутри цилиндра находится поршень, состоящий из шайб 10, 11 и кожаной манжеты 4, соединенных между собой на шейке штока 14 с гайкой 16. С другой стороны на штоке расположена рукоятка 7. Сверху цилиндр закрыт крышкой 3. Между крышкой и поршнем на штоке расположена пружина 6, ограничивающая подъем поршня и предотвращающая его удар в крышку. В бобышку на нижней части цилиндра ввернут корпус клапана 2, в котором находится шарик 12. Корпус клапана соединяется со штуцером 15 резинотканевым шлангом 13, удерживаемым двумя хомутами 8. К вентилю автошины насос присоединяется нажимной гайкой 1. При движении рукоятки со штоком и поршнем вверх воздух через отверстие в верхней части цилиндра попадает в надпоршевое пространство. Прижав (за счет атмосферного давления) манжету к шайбе 11, воздух проходит через образовавшуюся щель между цилиндром и манжетой в подпоршневое пространство. Шариковый клапан при этом закрыт.

Рисунок 6. Насос автомобильный

К недостаткам прототипа можно отнести:

- невозможность контроля давления воздуха в процессе нагнетания его в шину;

- неудобное присоединение насоса к вентилю (требуется наворачивать нажимную гайку);

- при перерывах в использовании кожаная манжета огрубевает и насос перестает работать (нет плотного прилегания манжеты к цилиндру);

- необходимость приложения значительных физических усилий для наполнения сжатым воздухом автошин, особенно имеющих большой внутренний объем и если требуется создать давление свыше 0, 2 МПа.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Описание проблемной ситуации, предложенной в задании.

2. Морфологическая таблица.

3. Описание выбора наиболее эффективного технического решения.

4. Эскиз синтезированных технических решений (отдельных элементов ТР) и их характеристика.

5. Выводы.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Когда и кем был разработан метод морфологического анализа?

2. В чем заключается сущность метода морфологического ящика?

3. Выполнение каких этапов предусматривает метод?

4. Каково назначение метода морфологического анализа?

5. в чем сложность выбора морфологических признаков (функций) и какие требования предъявляются к ним?

6. Как определить количество возможных вариантов технических решений?

7. Какие проблемы возникают при выборе частичных решений по морфологической таблице?

8. Как можно уменьшить число вариантов технических решений, подлежащих рассмотрению?

9. В чем преимущества и недостатки метода морфологического анализа при синтезе технического решения?

7. ЛИТЕРАТУРА

1. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем: курс лекций. – М.: ВНИИПИ, 1989. – 312с.

8. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

Используя приведенную в п. 7 литературу:

7.1. Изучить методику расширения области поиска и синтеза технического решения с помощью морфологического анализа (1 час).

7.2. Ознакомиться с методом морфологического анализа объекта (1 час).

7.3. Подготовиться к защите практической работы (2 часа).