Материал: 1284
185
абстрактном примере обе комбинации - допустимые и равноценные, потому ни одну из них не относим к наихудшим и не исключаем.
Таблица 3.18
Комбинация из двух элементов
|
A51 |
A52 |
A41 |
A41 A51 |
A41 A52 |
2. Выбираем из таблицы 3.17 следующий столбец с наименьшим числом альтернатив - столбец Ф2. С помощью вариантов этого столбца и допустимых комбинаций из таблицы 3.18 образуем все возможные комбинации из трех элементов (таблица 3.19). Сравнительный анализ этих комбинаций позволил три из них отнести к наихудшим и исключить.
Таблица 3.19 Сокращение комбинаций из трех элементов
|
A21 |
A22 |
A23 |
A41 A51 |
A21 A41 A51 |
A22 A41 A51 |
A23 A41 A51 |
A41 A52 |
A41 A52 |
A41 A52 |
A41 A52 |
3. Выбираем из таблицы 3.17 - следующий столбец с наименьшим числом альтернатив - столбец Ф1 и с помощью оставшихся допустимых комбинаций из таблицы 3.19 образуем все возможные комбинации из четырех элементов (таблица 3.20). Поскольку комбинации легко образуются мысленно, то их не обязательно выписывать в клетках таблицы. В таблице 3.20 на основе сравнительного анализа зачеркнуты клетки с наихудшими комбинациями.
Таблица 3.20
Сокращение комбинаций из четырех элементов
|
|
A11 |
A12 |
A13 |
A14 |
A21 A41 A52 |
|
|
|
|
|
A22 |
A41 A52 |
|
|
|
|
A23 |
A41 A51 |
|
|
|
|
По аналогии с пунктами 1 - 3 образуем таблицы вариантов до последнего столбца, имеющего наибольшее число альтернатив. В последней таблице (после исключения наихудших) остается множество допустимых вариантов
186
ТР. Если допустимых вариантов окажется довольно много, то проводят сокращение по дополнительным наиболее важным показателям (надежность, расход энергии или дефицитных материалов, трудоемкость и т.д.).
Выбор наиболее эффективных вариантов ТР. Множество допусти-
мых вариантов ТР, полученное после сокращения множества возможных вариантов ТР путем исключения наихудших комбинаций элементов, упорядочивают по критерию качества от лучших к худшим. При равных или близких значениях критерия качества в упорядочиваемых вариантах учитывают степень устранения недостатков в прототипе. После упорядочивания выбирают 3 - 5 наиболее эффективных вариантов ТР для дальнейшей проработки.
Если упорядочение и выбор наиболее эффективных вариантов ТР вызывает затруднения, то рекомендуется воспользоваться таблицей сравнения вариантов, в которой дается обзорная сравнительная расчетно-экспертная оценка вариантов. Фрагмент такой сравнительной оценки для некоего аппарата приведен в таблице 3.21.
|
|
|
Таблица 3.21 |
|
|
Сравнительная оценка вариантов |
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатели срав- |
|
Варианты ТР |
|
|
нения |
S1 |
S2 |
S3 |
|
Затраты меди, кг |
26,2 |
21,5 |
34,0 |
|
Трудоемкость |
Высокая |
Средняя |
Низкая |
|
сборки |
|
|||
|
|
|
|
|
КПД |
0,89 |
0,92 |
0,94 |
|
Внешний вид |
Некрасивый |
Красивый |
Удовлетвори- |
|
тельный |
|
|||
|
|
|
|
|
Оформление предварительных эскизов ТР и их описание. Для вы-
бранных выше вариантов дают краткое их описание с приведением схем и эскизов, как это принято в патентных описаниях.
После составления предварительных эскизов проводят более детальную конструкторскую проработку найденных ТР с учетом дополнительного списка требований (надежность работы, удобство обслуживания, трудоемкость изготовления, расход энергии и дефицитных материалов, общая стоимость и т.д.). При этом отдельные наиболее важные и сложные элементы могут быть рассмотрены и проработаны по данной методике в соответствии с рекомендациями, приведенными выше.
Дополнительные рекомендации по дальнейшей проработке полученных ТР даны в Приложении 2 (этапы 5 - 7).
Замечание 1. Если в морфологической таблице 3.17 полифункциональные элементы выполняют одновременно несколько функций, то для них иногда целесообразно составлять отдельно наборы альтернативных средств реализации каждой функции или меньшего числа функций. После этого для по-
187
лучения более эффективных вариантов ТР нужно попробовать заменить полифункциональные элементы на элементы, реализующие отдельные функции или меньшее число функций.
Замечание 2. При решении задач методом морфологического анализа и синтеза часто имеет большой практический смысл использовать только готовые элементы. В этих случаях морфологическая таблица заполняется наименованиями только стандартных, унифицированных и серийно производимых элементов, для которых известны такие показатели, как стоимость, масса и т.д. Синтезируемые в этой таблице допустимые варианты, как правило, легко и быстро изготовляются и осваиваются на практике. Наилучший вариант легко выбирать по суммарным показателям стоимости, массы и т.п.
ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
В настоящем примере пункты 1 - 4, 6 выполнены в соответствии с операциями 1 - 4, изложенными в разделе 3.1, а пункты 7, 8 – в соответствии с рекомендациями настоящего раздела.
1. Описание проблемной ситуации. Описание выполняется по этапам. Этап 1. Применение аналогового электронного вольтметра [33] в каче-
стве прибора для снятия многократных статистических данных или для непрерывного мониторинга выходных параметров системы связано с низкой производительностью и большой трудоемкостью измерений. В зависимости от квалификации оператора время, затраченное на одно измерение физической величины, может достигать нескольких минут.
Этап 2. Необходимо создать вольтметр с высокой производительностью многократных измерений, когда процесс единичного измерения не превышает нескольких секунд.
Этап 3. Низкая производительность труда по измерению физических величин связана с общим временем измерения t:
t = t1 + t2 + t3 + t4 + t5,
где t1 – время подключения измерительного щупа; t2 – выбор масштаба измерения; t3 – визуальное снятие показаний со шкалы прибора; t4 – фиксация по-
казаний на бумаге; t5 – ввод данных в ЭВМ.
Кроме этого, существует вероятность ошибки оператора при выполнении указанных этапов, вследствие чего возможно появление ложных результатов измерений.
Этап 4. Устранение указанных недостатков вольтметра позволит получить значительную экономию времени, материальных ресурсов, а также значительно повысить достоверность измеряемых величин.
2. Описание потребности (функции) вольтметра. Обобщенное опи-
сание: измерение напряжения в цепях электрического тока. Количественное описание: измерение уровней постоянного напряжений и среднеквадратиче-
188
ских значений переменного тока синусоидальной формы от 100 мкВ до 300 В в диапазоне частот от 20 Гц до 5 МГц при времени, затрачиваемом на одно измерение не более 5 с.
3. Выбор прототипа и его описание. В качестве прототипа взят аналоговый электронный вольтметр (рисунок 3.10, а), состоящий из входного устройства 1, среднеквадратичного детектора 2, усилителя постоянного тока 3 и стрелочного измерителя магнитоэлектрической системы 4. Электронные функциональные узлы 1 – 4 размещаются внутри корпуса 5 (рисунок 3.10, б). Измеряемая величина снимается путем удержания руками измерительного щупа 6 на контактной поверхности объекта.
Входное
устройство
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
а) |
б) |
|
а – структурная схема; б – внешний вид |
||
Рисунок 3.10 – Аналоговый вольтметр
В качестве дополнительных прототипов к описанному выше можно рассмотреть варианты с пиковым детектором и детектором средневыпрямленного значения.
4.Выявление недостатков прототипа. Удержание измерительного щупа руками на контактной поверхности объекта не гарантирует плотного и надежного контакта, вследствие чего правильность измерений может быть нарушена. Время, затрачиваемое на этапы регистрации измерения, оказывается чрезмерным. Поскольку регистрация измерения проводится оператором вручную, не исключены ошибки: на этапе считывания показаний со шкалы стрелочного измерителя магнитоэлектрической системы 4 за счет параллакса; на этапе фиксации результата на бумаге за счет описок; на этапе ввода данных измерений в ЭВМ за счет ошибок программиста.
Для снижения вероятности появления ошибок измерения и их регистрации, а также для повышения производительности процесса многократных измерений желательно иметь измерительный комплекс с надежным креплением измерительного щупа к контактной поверхности объекта и автоматизированным вводом значений измеряемой величины в ЭВМ.
5.Выбор критериев качества. За критерий качества примем относительное время регистрации одного измерения:
|
t1 |
, |
|
||
|
tРЕГ |
|
189
где tРЕГ – абсолютное время регистрации одного измерения; t1 – время на подключение измерительного щупа.
Точность измерения за критерий качества, в данном случае, принимать не целесообразно, поскольку автоматизированные измерительные комплексы вносят дополнительные погрешности измерения, связанные с аналогоцифровым преобразователем.
6. Разделение вольтметра (прототипа) на элементы. Описание функций элементов вольтметра приведено в таблице 3.22, а соответствующая ему конструктивно-функциональная схема – на рисунке 3.11.
Окружающая |
|
Объект |
|
Оператор V2 |
|
|
|
|
|
среда V3 |
|
измерения V1 |
|
|
Ф |
|
Ф1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф5 |
|||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднеквадра- |
|
Усилитель |
|
|
||
|
|
|
Измеритель- |
Ф1 |
Входное |
Ф2 |
тичный |
Ф3 |
постоянного |
4 |
Стрелочный |
|||
Корпус Е6 |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
ный щуп Е1 |
|
устройство Е2 |
|
детектор Е3 |
|
|
тока Е4 |
|
измеритель Е6 |
||
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 3.11 – Конструктивно-функциональная схема прототипа
Построение улучшенных ФС. Для автоматизации процесса измерения напряжения и передачи измеренных данных в ЭВМ необходимо перейти к цифровому (дискретному) представлению информации. Для этого целесооб-
разно ввести блок аналого-цифрового преобразования Е4. Поэлементная детализация блока аналого-цифрового преобразования не приводится, чтобы не усложнять конструктивно-функциональную схему нового устройства. Необ-
ходимо также ввести новый интерфейсный блок Е7, который бы обеспечивал передачу данных в ЭВМ. Желательно отказаться от стрелочного измерителя магнитоэлектрической системы и заменить его устройством цифрового от-
счета (индикатором) Е5. Улучшенная ФС представлена в таблице 3.23 и на рисунке 3.12.
Таблица 3.22 Измерение постоянного и переменного напряжений (прототип)