Методика проведения морфологического анализа и синтеза технических систем.

2.1. Общие положения.

Студенту выдается задание по анализу и синтезу выбранного им в соответствии с его специальностью технического объекта (Т.О.).

Работа выполняется в следующей последовательности:

- Выбор Т.О. для последующего анализа и синтеза.

- Описание проблемной ситуации.

- Выбор критериев качества.

- Разбиение объекта на функциональные элементы.

- Выделение и описание функций элементов Т.О.

- Построение морфологической таблицы.

- Определение числа возможных технических решении (Т.Р.).

- Сокращение числа альтернатив.

- Ранжирование альтернативных вариантов по заданным критериям качества.

- Ввод и корректировка данных в ЭВМ.

- Автоматизированный синтез эффективных комбинаций альтернатив.

- Корректировка данных.

- Оформление отчета по работе.

- Защита отчета и ответы на контрольные вопросы.

2.2 Выбор Т.О. для последующего анализа и синтеза и описание проблемной ситуации.

Выбор Т.О. осуществляется студентом самостоятельно в соответствии со специальностью, по которой он обучается. Целесообразно выбирать реальные Т.О., в том числе являющиеся предметом курсового и дипломного проектирования. Находясь на производственной практике, студенты, для выбора Т.О., могут воспользоваться заводскими темниками для рационализаторов и изобретателей. Выбрать реальный Т.О. помогает и участие в НИРС и НИР кафедр.

Описание проблемной ситуации выполняется студентом на основе анализа научно – технической литературы, а также данных, полученных в процессе производственной практики или от руководителей курсового и дипломного проектирования. Проблемную ситуацию можно сформулировать самостоятельно, если попытаться, при наличии конкретного Т.О., ответить на один из следующих вопросов:

- Как упростить и удешевить конструкцию детали, инструмента, прибора, станка или изделия?

- Как изменить конструкцию Т.О. или технологический процесс, чтобы сократить нормы расхода металла и других материалов или заменить один материал другим?

- Какие рациональные изменения следует внести в целях экономии электроэнергии, воздуха, газа, воды, пара?

- Какими изменениями Т.О. и технологических процессов или контрольно-измерительных средств можно повысить качество выпускаемой продукции, ее долговечность и стоимость?

- За счет каких изменений можно повысить производительность на своем станке, рабочем месте, участке, цехе?

- Как усовершенствовать Т.О. для улучшения условий труда и техники безопасности?

- Что изменить в Т.С. для уменьшения брака и потерь производства?

- Какие изменения следует внести для улучшения внешнего вида выпускаемой продукции?

- Какие новые виды товаров можно изготовить, используя имеющиеся отходы производства?

2.3. Выбор критериев качества.

Критерии качества имеют большое значение при выборе лучшего варианта Т.О. из имеющихся или при оценке эффективности нового Т.О.

Так как рассматриваемый метод обеспечивает синтез большого числа вариантов выполнения совершенствуемого Т.О., то для выбора наилучшего варианта необходимо задаться соответствующими оценивающими критериями.

Набор критериев качества для различных классов Т.О. включает следующие их четыре группы[1]:

- Функциональные (производительность, точность, долговечность);

- Технологические (трудоемкость, технологические возможности, использование материалов, расчленение Т.О. на элементы);

- Экономические (затраты материалов, энергии, габаритные размеры Т.О.);

- Антропогенные (эргономичность, красота, безопасность, экологичность).

Оценку вариантов полученных Т.О. можно осуществлять как по одному из предложенных критериев, так и по нескольким одновременно.

2.4. Разбиение Т.О. на элементы, выделение и описание функций его элементов.

Этот этап выполняется в соответствии с рекомендациями, изложенными в методических указаниях к практической работе «Функциональный анализ технических систем». По результатам анализа выбираются те элементы или функции Т.О., за счет совершенствования которых можно с наибольшим эффектом устранить проблему и решить поставленную задачу.

2.5. Составление морфологической таблицы.

На основе выбранных в п. 2.4. элементов и функций Т.С. строится морфологическая таблица. Количество столбцов и их наименования должны соответствовать числу и названию выбранных в результате анализа элементов или функций исследуемой Т.С. (В учебных целях, для сокращения времени на анализ большого числа возможных вариантов исполнения Т.С., рекомендуется строить таблицу из 5 – 10 столбцов). Каждый из столбцов таблицы последовательно заполняется альтернативными вариантами исполнения расположенного в нем элемента или функции. Альтернативные варианты в столбце обозначаются индексом Aⁿ_m, где n – порядковый номер альтернативного варианта исполнения элемента или функции в ”m”- ом столбце (n = 1, 2, …); m – порядковый номер столбца таблицы (m = 1, 2,..).

Для поиска наиболее интересных и эффективных вариантов альтернатив рассматриваемых элементов и функций исследуемой Т.С. могут быть использованы:

- Техническая литература, в том числе справочники и энциклопедии;

- Международный классификатор изобретений, бюллетень изобретений и патентные описания по интересующим рубрикам;

- Каталоги выставок, проспекты для поиска Т.Р., соответствующих уровню лучших мировых образцов;

- Собственные знания и результаты консультаций со специалистами;

- Варианты, полученные при использовании методов поиска новых решений – «мозговой атаки», «гирлянд случайностей и ассоциаций», «эвристических приемов» и др.

2.6. Определение числа возможных технических решений и сокращение числа сочетаний альтернатив.

Совокупность вариантов выполнения всех элементов или функций исследуемой Т.С., выраженная в виде морфологической матрицы, дает возможность определить число вытекающих из неё возможных Т.Р.

Это число «N» определяется по формуле:

N = n_1*n_2*n₃…n_m

где n – число альтернативных вариантов в столбце;

m - число столбцов.

Если на этапе поиска альтернативных, известным элементам или функциям Т.С., вариантов их выполнения, является очень важным не ставить преждевременно вопросов об их практической осуществляемости и ценности, что приносит вред эффективности применения морфологического метода, то после заполнения всей матрицы, целесообразно осуществить сокращение числа альтернатив путем удаления несовместимых их комбинаций. Такие «запрещенные» сочетания выписываются отдельно и в дальнейшем не включаются как комбинации с другими альтернативами при синтезе целостной Т.С.

2.7. Ранжирование альтернативных вариантов по заданным критериям качества.

После сокращения альтернативных вариантов выполнения выбранных элементов или функций Т.С., осуществляется их сопоставление на основе заданных в п. 2.3. критериев качества.

Ранжирование альтернативных вариантов производится посредством относительной их оценки (в баллах) отдельно по каждому из заданных критериев качества.

Для наглядности, результаты ранжирования альтернативных вариантов сводятся в таблицу.

2.8. Ввод и обработка данных на ЭВМ.

Ввод, корректировка данных и автоматизированный синтез наилучших вариантов Т.О. осуществляется в соответствии с инструкцией по работе с ЭВМ.

В дисковод IBM PC AT286 вставляется, гибкий диск с программой. В командной строке «DOSa» ввести спецификацию дисковода с “: ”, далее нажать клавишу «Enter».

В командной строке «DOSa» набрать имя файла пакетной обработки до расширения «bat» и нажать клавишу «Enter».

Отредактировать шаблон для ввода собственных данных и их оценки, нажать клавишу «F₂» и далее «F₁₀».

Ответить на вопрос о завершении или продолжении работы программы. Максимальное число столбцов – 5, строк – 5. В неиспользуемые графы ставить оценку «0».

3. Пример проведения морфологического анализа и синтеза Т.О.

В качестве Т.О. для последующего анализа и синтеза выбираем режущий метчик с гладкой передней направляющей частью по а.с. № 90858, МКИ В23д5/06 (см. рис. 1).

Известно, что точность обработки отверстия размерным инструментом (к числу которых относится и метчик) во многом зависит от точности совмещения их осей, а также величины неуравновешенно и радиальной составляющей силы резания. В процессе работы метчик должен перемещаться в осевом направлении точно по шагу, т.е. любому углу поворота метчика должно соответствовать совершенно определенное его осевое перемещение.

где v – численная величина вектора скорости по прямой.

w - численная величина вектора угловой скорости.

При подходе метчика к обрабатываемому отверстию и в момент контакта с материалом изделия его ось должна быть неподвижна, соосна с обрабатываемым отверстием или строго перпендикулярна базовому или заходному торцу изделия.

В реальных условиях работы метчика трудно выполнить эти требования, т.к. процесс обработки протекает при наличие целого ряда погрешностей. Так, при работе метчика, на него действуют как внешние избыточные осевые и радиальные силы, так и силы сопротивления со стороны обрабатываемого материала. Под действием этих избыточных сил нарушается точность параметра винтового движения метчика, что приводит к неправильному срезанию слоев металла с обрабатываемой поверхности отверстия.

Являясь одновременно режущим инструментом и копирным винтом, метчик, сформировав в начальный момент резания, как инструмент, резьбу с отклонениями от требуемого закона (1), следует в дальнейшем ей, как копирный винт, копируя эти отклонения на всю ее длину. Недостатком выбранного объекта (рис. 1) является то, что гладкая направляющая часть выполняется с наружным диаметром, который должен быть меньше наименьшего по допуску, диаметра отверстия обрабатываемого изделия. Таким образом, погрешность захода метчика в отверстие не устраняется, а лишь колеблется в пределах допуска на него.

 

 

Критериями качества целесообразно выбрать:

1. Из функциональных – точность взаимного расположения осей нарезаемой резьбы и исходного отверстия и производительность.

2. Из экономических – габаритные размеры.

 

Функции основных конструктивных элементов метчика. Таблица 1

№	Наименование элемента	Функции элемента
1.	Направляющая часть	Центрирует метчик вдоль оси отверстия в начальный момент резания и направляет его в процессе дальнейшей работы.
2.	Режущая часть	Обеспечивает снижение величины неуравновешенных, радиальных и осевых составляющих сил резания.
3.	Переходный участок	Снижение возникновения избыточных осевых сил и крутящего момента.
4.	Калибрующая часть	Обеспечивает опору метчику, при его движении на уже обработанную поверхность и его ориентацию в витках нарезаемой резьбы.
5.	Стружечные канавки	Используются, как направляющие или опорные поверхности.
6.	Перья метчика	Несут ведущие и направляющие элементы.

 

 

Из всей совокупности функциональных элементов, характеристик и параметров Т.О., при его разделении выбираются те, от которых зависит решение проблемы и достижение поставленной цели. В нашем примере, на обеспечение точности взаимного расположения осей исходного отверстия и обрабатываемой резьбы оказывает влияние не вся совокупность конструктивных элементов метчика, а только определенная их часть, выявить которую можно на основе проведения функционального анализа (2). Его результаты сводятся в соответствующую таблицу 1, где у каждого элемента выделяются только функции по обеспечению его работы, направленной на решение поставленной задачи.

Записываем выделенные в результате функционального анализа метчика его элементы в наименования столбцов морфологической таблицы 2. В рассматриваемом примере заполнение столбцов таблицы 2 альтернативными вариантами выполнения выделенных элементов метчика будем осуществлять на основе их поиска по фондам патентной библиотеки (ВПТБ). Рассматриваемому Т.О. соответствует класс В23д5/06. Каждую альтернативу будет сопровождать ссылкой на номер соответствующего авторского свидетельства, по которой можно, при желании, более подробно ознакомиться с существом предлагаемого Т.Р.

 

 

В соответствии с табл. 2 число возможных вариантов Т.Р. метчика составляет:

N = 7 · 8 · 3 · 5 · 3 · 4 = 20080

При комбинировании – ряд сочетаний альтернатив могут оказаться не реализуемыми в техническом плане, поэтому необходимо заранее ввести запреты на такие комбинации. В нашем примере таких несовместимых сочетаний альтернативных признаков три:

А₁³ А₆⁴; А₁⁵ А₆⁴; А₁⁷ А₆⁴.

Для всех альтернативных вариантов проводится оценка по заданным критериям качества. Варианты оцениваются по пятибалльной системе.

В результате синтеза эффективных комбинаций альтернатив были найдены следующие технические решения:

По критерию точности:

ТР₁ = А₁⁵ А₂⁵; А₃² А₄⁴; А₅³ А₆³.

ТР₂ = А₁³ А₂⁴; А₃² А₄³; А₅³ А₆¹.

По критерию производительности:

ТР₃ = А₁¹ А₂⁵; А₃² А₄¹; А₅¹ А₆⁴.

ТР₄ = А₁⁷ А₂⁸; А₃³ А₄⁴; А₅³ А₆³.

По критерию габаритов:

ТР₅ = А₁⁷ А₂⁵; А₃³ А₄⁵; А₅² А₆³.

ТР₆ = А₁⁷ А₂⁸; А₃³ А₄⁴; А₅³ А₆³.

Форма описаний найденных лучших решений приводится на примере описаний Т.Р.₁.

Предлагается метчик, направляющая часть которого выполнена с деформирующими элементами в виде пирамид. На режущей части ведущая сторона зуба занижена от его основания к вершине под углом “ β ”, при этом зубья переходного участка работают по профильной схеме.

На калибрующей части зубья выполнены деформирующими. Стружечная канавка на рабочем торце смещена относительно начала резьбы, а угол перьев со стороны спинки отличается от угла передней поверхности.

 

 

Таблица 3

Направляющая часть

А₁¹ 3 5 3

А₁² 2 3 2

А₁³ 4 3 2

А₁⁴ 3 4 2

А₁⁵ 5 4 3

А₁⁶ 4 4 2

А₁⁷ 2 5 5

Режущая часть

А₂¹ 2 3 3

А₂² 3 2 3

А₂³ 3 3 3

А₂⁴ 4 3 3

А₂⁵ 5 4 4
А₂⁶ 4 2 2
А₂⁷ 4 3 3
А₂⁸ 4 4 4

Переходной участок

А₃¹ 3 3 3

А₃² 4 4 3

А₃³ 2 4 5

Калибрующая часть

А₄¹ 3 4 4
А₄² 3 3 3

А₄³ 4 2 3

А₄⁴ 5 4 4

А₄⁵ 4 4 5

Стружечные канавки

А₅¹ 3 4 3

А₅² 2 3 4

А₅³ 4 4 4

Перья метчика

А₆¹ 4 3 2

А₆² 4 3 3

А₆³ 3 3 3

А₆⁴ 5 4 4

Таблица 2

МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТЧИКА

4.Содержание отчета.

1. Описание проблемной ситуации и формулировка цели работы.

2. Таблица анализа функций элементов Т.С.

3. Морфологическая таблица выполнения элементов и реализации функций Т.С.

4. Определение числа возможных Т.Р. и выявление несовместимых комбинаций альтернатив.

5. Таблица ранжирования альтернативных вариантов по заданным критериям качества.

6. Перечень или распечатка десяти лучших вариантов полученных Т.Р.

7. Примеры выполнения Т.С. в виде эскизов двух – трех лучших сочетаний и анализ возможности их охраноспособности.

Контрольные вопросы.

1. Сущность метода морфологического анализа и синтеза Т.С.?

2. Эффективная область использования метода морфологического анализа?

3. Как составляется морфологическая матрица альтернатив выполнения элементов и реализации функции Т.С.?

4. Критерии, используемые при оценке выявления альтернативных вариантов?

5. Как определить число возможных вариантов выполнения элементов или функции Т.С.?

Практическая работа №6