Формулировка задачи

5. Формулировка задачи.

Дано: Линия для склеивания пиломатериалов по длине на зубчатые шипы включает шипорезный станок с поворотным на вертикальной оси конвейером, упором и механизмом резания на суппорте и продольный пресс с конвейером и тормозной колодкой.

Список требований (изложить кратко): длина заготовок 100...300 мм, количество новых отходов, энергоемкость и габариты линии свести к минимуму, производительность – 2 м³ в смену.

Список недостатков прототипа (изложить кратко): невозможно обработать короткие заготовки, образуется много новых отходов, пресс энергоемок, большие габариты линии.

Требуется изменить прототип и устранить его недостатки при заданных ограничениях.

20.2.Преобразование задачи

При решении сложную задачу делят на несколько простых. Количество простых задач равно количеству недостатков. Для каждой простой задачи формулируется техническое противоречие, и подбираются приемы решения.

Недостаток 1 – невозможно на ленточном конвейере сбазировать и закрепить пакет из коротких заготовок для механической обработки. Обычный способ устранения недостатка (СУ) – уменьшить радиус барабана конвейера. Для идеального случая радиус барабана должен равняться нулю. Нежелательный эффект (НЭ–2), который при этом возникнет – при радиусе барабана, равном нулю, лента конвейера не сможет перемещаться. Технические противоречия: ТП–1 – если радиус барабана конвейера уменьшить до нуля, то короткие заготовки хорошо базируются и фиксируются на конвейере, но лента конвейера не может двигаться (конвейер становится неработоспособным); ТП–2 – если радиус барабана не уменьшать, то конвейер работоспособен, но на нем невозможно сбазировать и зафиксировать короткие заготовки для нарезания шипов. При базировании заготовки с помощью ленты конвейера должны упереться торцами в упор.

Подберем эвристические приемы (см. приложение 1).

ЭП₁ – 1.4. Перейти от криволинейных частей к прямолинейным.

ЭП₂ – 3.1. Изменить традиционную ориентацию объекта в пространстве: горизонтальное положение на вертикальное.

ЭП₃ – 7.12. Выделить в объекте самый нужный элемент и усилить его или улучшить условия его работы.

Использовать стандарты 1.1.1, 1.1.3 (см. п. 7.2).

Недостаток 2 – из-за зеркального нарезания шипов на заготовках боковые кромки склеенной ленты получаются ступенчатыми, из-за чего образуются новые отходы.

СУ – при перебазировании пакета для нарезания шипов с другой стороны заготовок пакет надо сдвинуть вбок на половину шага шипов. НЭ–2 – усложняется кинематика устройства базирования пакета. Технические противоречия: ТП–1 – если пакет заготовок сдвинуть вбок на полшага шипов, то боковая кромка склеенной ленты будет плоской, и количество отходов при последующей обработке будет сведено к минимуму, но усложняется кинематика устройства для базирования; ТП–2 – если пакет вбок не сдвигать, то кинематика механизма базирования не усложняется, но объем отходов при последующей обработке увеличивается.

Для решения воспользуемся стандартом 1.1.3.

ЭП₁ – 5.11. Разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга.

Недостаток 3 – пресс слишком энергоемок.

СУ – исследования показывают, что усилие прессования зубчатых шипов можно снизить, если статическое усилие сжатия заменить усилием ударного или вибрационного действия. НЭ–2 – существенно усложняется конструкция тормозного устройства. Технические противоречия: ТП–1 – если тормозное усилие пресса выполнить ударным, то снижается усилие прессования, но усложняется конструкция тормозного устройства; ТП–2 – если тормозное усилие сохранить обычным, то конструкция тормоза не усложняется, но усилие сжатия шипов велико.

ЭП₁ – 5.7. Разделить объект на две части – тяжелую и легкую, передвигать только легкую часть.

ЭП2 – 5.14. Компенсировать действие массы объекта соединением его с объектом, обладающим подъемной силой.

Использовать стандарты 1.1.3, 1.1.7.

Недостаток 4 – большие габаритные размеры.

СУ – заготовки с нарезанными шипами подавать в пресс непосредственно из пакета с позиции нарезания шипов. НЭ–2 – уменьшается производительность. Технические противоречия : ТП–1– если заготовки подавать в пресс из пакета с позиции нарезания шипов, то уменьшаются габариты линии, но убывает ее производительность; ТП–2 – если при загрузке пресса заготовки подавать не из пакета, то производительность линии не уменьшается, но увеличиваются ее габаритные размеры.

Поскольку по условию задачи производительность линии требуется снизить, то можно считать, что данное техническое противоречие не обостренное. Недостаток 4 можно устранить обычным способом: подавать заготовки в пресс непосредственно из пакета.

20.3. Поиск новых идей решения

На данном этапе необходимо найти новые идеи решения поочередно всех задач.

Устранение недостатка 1. С целью базирования и фиксации пакета заготовок для нарезания шипов можно применить:

1) стол с направляющей линейкой и прижимом, пакет прижимать к упору и разворачивать вручную;

2) то же, но вместо стола использовать трубу прямоугольного поперечного сечения;

3) из ЭП₂– 3.1 и стандарта 1.1.1 следует, что нужно использовать для базирования и перемещения пакета имеющееся даровое поле – гравитационное. Это можно сделать, если горизонтальное (традиционное) положение пакета при базировании и нарезании шипов заменить на вертикальное положение.

Используя стандарт 1.1.3, решаем, что стол или трубу следует закрепить на горизонтальном валу с целью разворота стола на 180° с помощью, например, пневмоцилиндра.

Устранение недостатка 2. Для смещения пакета заготовок вбок на половину шага зубчатых шипов можно предложить следующие варианты:

1) направляющую линейку стола смещать вбок между регулируемыми упорами пневмоцилиндром;

2) по стандарту 1.1.3, предлагается следующий вариант: если вал стола (трубы) снабдить парой винт-гайка, то при повороте вала на 180° стол сместится вбок на половину шага резьбы винта.

Устранение недостатка 3. Для снижения энергоемкости пресса можно применить ударную или вибрационную тормозную нагрузку. Предлагаются следующие варианты:

1) применить маховик с приводом, вращающийся навстречу подаче заготовок в пресс и кратковременно соприкасающийся с заготовками;

2) согласно стандарту 1.1.7 маховик должен соприкасаться с легкой промежуточной деталью, взаимодействующей с заготовками и выполненной из износостойкого материала.

Устранение недостатка 4: подавать заготовки в пресс непосредственно из пакета, расположенного горизонтально.

Итак, по задаче создано 8 вариантов разрешения технических противоречий. Проведем их анализ.

20.4. Анализ полученных вариантов идей

Анализ вариантов проводится с целью определения их совместимости в разрабатываемой технической системе и возможности нежелательных влияний на другие части системы (табл. 25).

Таблица 25

Анализ последствий использования новых технических решений

 

Отрицательные последствия, влияющие на другие подсистемы	Положительные последствия,  влияющие на другие подсистемы
Вариант 1. Стол с направляющей линейкой и прижимом:
Ручной труд	Можно обрабатывать детали
Вариант 2. Стол в виде трубы прямоугольного сечения:
Ручной труд, неудобно обслуживать	Можно обработать короткие детали
Вариант 3. Стол (труба) на поворотном валу:
Ручная загрузка пакета	Позволяет базировать, фиксировать и перевертывать пакет
Вариант 4. Направляющая линейка, смещаемая вбок:
Усложняет конструкцию	Позволяет правильно базировать
Вариант 5. Вал снабдить парой винт-гайка:
Нет	Позволяет правильно базировать
Вариант 6. Маховик с приводом в контакте с заготовками:
Подгорание древесины	Уплотняет шиповое соединение
Вариант 7. Маховик в контакте с промежуточной деталью, контактирующей с заготовками в прессе:
Нет	Уплотняет шиповое соединение
Вариант 8. Стол (трубу) фиксировать горизонтально для подачи заготовок в пресс:
Нет	Упрощает загрузку пресса

20.5. Синтез работоспособных технических решений

 Из вариантов идей, анализ которых приведен в табл. 25, попытаемся составить несколько вариантов проектных решений задачи. Цель этого этапа – составить как можно больше работоспособных вариантов системы.

При разработке вариантов проектных решений широко пользуются методом инверсии. В устройствах иногда бывает выгодно поменять узлы (детали) ролями, например, перемещаемый узел сделать неподвижным, ведущую деталь сделать ведомой. Целесообразно бывает инверсировать формы деталей, например, наружный конус заменить внутренним, выпуклую поверхность – вогнутой [48]. Каждый раз конструкция при этом приобретает новые свойства.

Вариант 1. Линия включает суппорт 1 с фрезой 2, столом 3 и устройством для нанесения клея (рис. 38). Над столом смонтирован вал 4, соединенный с кассетой 5 для заготовок в виде трубы прямоугольного поперечного сечения. Пресс содержит подающие вальцы 6, тормозную колодку 7, взаимодействующую с заготовкой и расположенную между упорами, ограничивающими ее ход. Маховик 8 с приводом может кратковременно взаимодействовать с колодкой. Вал 4 имеет винтовую нарезку, взаимодействующую с гайкой. За прессом смонтировано пильное устройство 9.

При работе линии пачку заготовок немерной длины загружают в кассету. Заготовки падают на стол, и торцы их выравниваются. После этого заготовки зажимают прижимом. Включают суппорт, шипы нарезаются и смазываются клеем. Кассету с помощью вала поворачивают на 180^о над столом, при этом винтовая нарезка вала смещает кассету вбок. Нарезают шипы на противоположных торцах заготовок. Кассету ставят в горизонтальное положение, и заготовки поштучно подают в пресс. Маховик ударной нагрузкой упрессовывает шипы. Образуется непрерывная склеенная лента, которую распиливают по длине пильным устройством 9.

Вариант 2. Решение отличается от варианта 1 тем, что заготовки вручную базируют по направляющей линейке и крепят на столе каретки, которую вручную перемещают относительно фрезы и клеенаносящих дисков. Стол с помощью эксцентриков может подниматься на половину шага шипов. После нарезания шипов заготовки вручную подают в пресс.

Вариант 3. Решение отличается от варианта 2 тем, что в прессе маховик кратковременно взаимодействует непосредственно с заготовкой.

Вариант 4. Решение отличается от варианта 2 тем, что стол каретки выполнен ступенчатым, причем одна ступенька выше другой на половину шага шипов.

Вариант 5. Решение отличается от варианта 4 тем, что стол выполнен плоским, но для поднятия пакета заготовок на половину шага шипов под пакет кладут прокладку.

Предложенные варианты представляют собою область допустимых решений.

20.6. Оценка вариантов и выбор решения

 На этом этапе сначала уточняется область эффективных решений, а затем выбирается окончательный вариант решения задачи, рекомендуемый для дальнейшей конструкторской проработки.

Будем считать, что достижение удачного результата обеспечивают следующие критерии:

А₁ – увеличение надежности работы линии;

А₂ – снижение энергопотребления;

А₃ –повышение уровня автоматизации;

А₄ – точность и стабильность базирования;

А₅ – простота и удобство наладки станка;

А₆ – простота системы управления.

Варианты Y_i и критерии А_j занесем в табл. 26 и произведем ранжирование вариантов.

Таблица 26

Ранжирование вариантов решений

 

Решения	Критерии
	А1	А2	А3	А4	А5	А6
Y1	1	1	1	1	1	2
Y2	2	1	2	2	1	1
Y3	2	1	2	2	1	1
Y4	3	1	2	2	1	1
Y5	4	1	2	3	1	1

Сравнивая варианты попарно в соответствии с принципом Парето, отметим, что вариант Y₂ предпочтительнее вариантов Y₃, Y₄, Y₅, так как каждый его ранг не хуже соответствующих рангов указанных вариантов. Вариант Y₁ имеет ранги более высокие, чем вариант Y₂, за исключением рангов по критерию А₆. Отсюда следует, что в область эффективных решений входят только варианты Y₁, Y₂.

Для выбора наилучшего решения нужны дополнительные сведения по весу критериев. Если такие сведения получить трудно, то решение можно принять волевым путем. Из таблицы видно, что более предпочтительно выглядит вариант Y₁. Его и принимаем за наилучшее решение.

Если все-таки вес критериев можно установить, то сведения об эффективных вариантах и весе критериев надо занести в табл. 27

Таблица 27

Выбор наилучшего решения

 

Решения	Критерии
	А1	А2	А3	А4	А5	А6
Y1	1/0,3	1/1	1/0,1	1/1	1/0,8	2/1	4,2
Y2	2/0,6	1/1	2/0,2	2/2	1/0,8	1/0,5	5,1
Вес	0,3	1	0,1	1	0,8	0,5

Наилучшее решение соответствует варианту Y₁, так как для него значение  меньше, чем для второго варианта.

Итак, вариант проектного решения по теме выбран. Это вариант 1. Далее следует провести подробное описание предлагаемого варианта со ссылками на позиции схемы. На этом технико-экономическое обоснование проектного решения заканчивается.

Заключение

Изучение предлагаемой книги позволяет читателю приобрести новые знания, умения и навыки в области научных исследований и конструирования. Эти знания могут быть использованы при изучении других учебных дисциплин, а умения и навыки будут закреплены при выполнении студенческих исследовательских работ, а также курсовых и дипломных проектов.

Учебная дисциплина “Научно-техническое творчество” изучает две первые подсистемы единой системы “наука – техника – производство”. Во введении к книге показано, что все части указанной системы тесно взаимосвязаны друг с другом и опираются на потребность.

На основании изложенного в книге материала можно сделать следующие выводы.

1. Учебная дисциплина “Научно-техническое творчество” опирается на научную базу, которая складывалась годами. В книге неоднократно делаются ссылки на историю развития науки и техники. Исторически сложился язык науки, основные понятия и определения, методология.

Изучив и освоив общие сведения о научно-техническом творчестве, обучающийся сможет мыслить и обсуждать различные вопросы на языке науки.

2. Любое новое знание об объекте техники опирается на старое знание. Для получения нового знания исключительную роль приобретает информация. Потоки информации в современном мире настолько велики, что использовать их в полном объеме становится невозможно.

Для того, чтобы облегчить доступ к информации следует на стадии ее подготовки и поиска применять трудосберегающие технологии. Подобранная и обработанная информация должна использоваться многократно различными специалистами. Для этого информация должна быть систематизирована и представлена в виде структурных матриц, обобщенных графов и фактографических графиков.

Основное требование к информации – меньше текста и больше матриц, графов и графиков.

3. Большинство научных, технических, технологических, экологических и других проблем и задач невозможно решить без проведения измерений. Так как любые результаты измерений являются случайными величинами (из-за невозможности исключения ошибок измерения), то подход к ним должен основываться на методах математической статистики и теории вероятностей. Случайные величины подчиняются законам распределения Гаусса, Пирсона, Стьюдента, Фишера и др.

Для оценки результатов измерения надо иметь представление об ошибках измерения: абсолютной и относительной, случайной и систематической и др. Надо освоить законы накопления ошибок.

Спецификой измерений в химии и химической технологии (и особенно при выполнении лабораторных работ) можно считать малое число, а иногда и отсутствие параллельных (повторных, кратных) измерений, что затрудняет оценку погрешностей, проведение анализа и выбор формы представления конечных результатов измерений.

4. Научное исследование часто выполняется путем проведения эксперимента. Эксперимент ставится на модели (экспериментальной установке) по определенному плану. Часто используют четыре типа планов: для применения корреляционного анализа, дисперсионного анализа, регрессионного анализа и для решения оптимизационных задач. Освоив указанные методики, читатель будет уверенно чувствовать себя при проведении и обсуждении научно-исследовательских работ

5. Результаты прикладных научных исследований используются при разработке технических объектов в качестве новых параметров, новых режимов работы устройства, новых компонентов вещества, новых принципов действия устройства и др.

6. Движущей силой процесса совершенствования технического объекта является обостренное техническое противоречие. Технических объектов без противоречий не бывает. При создании нового технического объекта устраняется обостренное противоречие, но одновременно с этим зарождается другое противоречие, которое пока не обостренное. Со временем это противоречие становится обостренным, тормозит желаемое функционирование объекта и его надо будет устранить.

7. Для разработки новых технических объектов разработаны различные методики. Известные методы технического творчества можно объединить по принципу их схожести в несколько групп: мозговой атаки, морфологического анализа, “контрольных вопросов”, методы эвристических приемов. Самая сильная группа методов относится к алгоритмам решения изобретательских задач, например, АРИЗ-85-В, а также к стандартам на решение изобретательских задач, разработанным Г.С. Альтшуллером.

Таким образом, для решения технических задач имеется достаточное количество методов. При этом первые четыре метода активизируют творческий процесс, а последние два помогают генерировать новые идеи. Для успешной работы, особенно молодым специалистам, достаточно освоить 3…5 методов.

8. В процессе разработки нового технического объекта необходимо подготовить несколько вариантов решения задачи, а затем выбрать несколько (до 15) критериев, с помощью которых будет выбрано оптимальное решение.

Работая с книгой самостоятельно, надо последовательно изучать излагаемый материал. Самоконтроль можно провести с помощью контрольных вопросов. Только после того, как пройденный материал будет надежно усвоен, можно переходить к изучению следующего материала. Для запоминания терминов, определений можно пользоваться глоссарием (приложение 4).