Учебное пособие Морфологические методы конструирования в НТТО
Учебное пособие Морфологические методы конструирования в НТТ
DOC / 883.5 Кб
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
«ПЕРВОМАЙСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Использование морфологических методов исследования
и моделирования в техническом творчестве учащихся.
МЕТОД МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ЯЩИКА.
Разработка:
зам.директора по УПР Евков А.А.
2020
Науки юношей питают,
Отраду старым подают,
В счастливой жизни украшают,
В несчастный случай берегут.
В домашних трудностях утеха
И в дальних странствах не помеха.
Науки пользуют везде:
Среди народов и в пустыне,
В градском шуму и на едине,
В покое сладки и в труде.
М.В.Ломоносов
В современных условиях бурного развития научно-технического прогресса, интенсивного увеличения объема научной и научно-технической информации, быстрому обновлению знаний особое значение приобретает подготовка уже в начале обучения (в том числе еще со школы) высококвалифицированных специалистов, имеющих высокую общенаучную и профессиональную подготовку, способных к самостоятельной творческой работе, к внедрению в производственный процесс новейших и прогрессивных результатов.
Приобщение учащихся к научным знаниям, готовность и способность их к проведению исследовательских работ – объективная предпосылка успешного решения учебных, творческих, инженерных и научных задач. В свою очередь, важным направлением совершенствования теоретической и практической подготовки учащихся является выполнение ими различных учебно-научных, учебно-инженерных работ, дающих следующие результаты:
- способствует углублению и закреплению учащимися имеющихся теоретических знаний изучаемых дисциплин;
- развивает практические умения в проведении исследований, анализе полученных результатов и выработке рекомендаций по совершенствованию того или иного вида деятельности;
- совершенствует методические навыки в самостоятельной работе с источниками информации и программно-техническими средствами;
- открывает широкие возможности для освоения дополнительного теоретического материала и накопленного практического опыта по интересующему их направлению деятельности;
- способствует профессиональной подготовке к выполнению в дальнейшем своих обязанностей и помогает им овладеть методологией исследований.
Данные рекомендации направлены на теоретическое ознакомление учащихся с морфологическими методами исследований и практическое применение метода морфологического ящика (матрицы), выработку навыков получения новых технических решений посредством данного метода и записи этих решений в виде описания изобретения.
Морфологические методы исследования
и моделирование знаний предметной области
Морфологический анализ и морфологический синтез
В инженерной практике обычно отсутствуют способы, позволяющие по условиям технического задания сразу же выбрать оптимальную структуру устройства. Поэтому процесс разработки носит ступенчатый характер. Обычно разработчик определяет, к какому классу устройств будет принадлежать проектируемое устройство, а затем пытается сузить этот класс, опробовать несколько технических решений, принадлежащих данному классу, и выбрать, то, которое является наиболее оптимальным.
Суть морфологических методов заключается примерно в том же: сначала мы определяем пространство поиска, которое обязательно должно включать в себя искомое решение (схему устройства), а затем сужаем это пространство, осуществляя поиск этого решения. Но в отличие от первого варианта, морфологический подход более формален и допускает компьютерную реализацию. Пространство поиска называется морфологическим множеством, а процесс определения это пространства – морфологическим анализом. Поиск решения называется морфологическим синтезом.
В результате морфологического анализа определяется морфологическое множество или множество альтернатив (альтернативных решений). Такое множество должно содержать все структурные решения устройств рассматриваемого класса, как реально существующие, так и потенциально возможные, патентоспособные, конкурентоспособные структуры. Естественно, задать все такие структуры (параметры) прямым перебором невозможно, так как мощность морфологического множества обычно оказывается очень большой. Поэтому для его задания проводят классификацию устройств, входящих в это множество, выделяя классификационные признаки и определяя их возможные значения. Особенностью такой классификации является то, что она является строгой в том смысле, что задав все значения классификационных признаков мы можем однозначно идентифицировать структуру устройства.
В процессе морфологического синтеза мы ищем структуру синтезируемого устройства, проводя поиск на морфологическом множестве. Морфологический синтез имеет комбинаторную природу. Но так как мощность морфологического множества оказывается очень большой, то осуществить его полный перебор не представляется возможным, ни с помощью существующих вычислительных машин, ни с помощью машин, появление которых ожидается в обозримом будущем.
Сложность и в том, что отсутствуют универсальные алгоритмы, позволяющие найти глобальное оптимальное решение за номинальное время. Поэтому для решения таких задач широко применяются эвристические методы. Такие методы могут быть как общими: совершенствование прототипа, древовидное и лабиринтное конструирование, так и частными, специфичными для данного класса устройств, являющимися частью знаний предметной области. С недавнего времени в морфологическом синтезе все более частое применение находят так называемые генетические алгоритмы, имитирующие эволюционный процесс в природе.
Если помимо структуры необходимо найти еще и параметры элементов, составляющих эту структуру, то, получим структурно-параметрический синтез. Так как любое устройство или система имеет структуру, а элементы, которые составляют эту структуру, имеют параметры – то методы структурно-параметрического синтеза могут быть применены практически во всех областях научно-технических знаний.
Чтобы смоделировать предметную область необходимо дополнить аппарат морфологических методов методами математического моделирования рассматриваемых объектов, а также методами инженерных знаний. Морфологические методы во многом составляют основу такого моделирования и присутствуют в моделях всех на всех уровнях. Поэтому методология моделирования является совокупностью морфологических методов, методов математического моделирования и инженерии знаний, и она не является просто суммой этих методов. Модель предметной области представляет собой модель класса устройств, дополненную алгоритмами синтеза этих устройств по техническому заданию.
Представление морфологического множества: морфологические деревья, графы и таблицы
Морфологическое множество включает в себя все структурные решения объектов рассматриваемого класса. Такое множество может быть как неупорядоченным, так и частично упорядоченным. Если мы просто говорим о морфологическом множестве, то подразумеваем множество структур объектов, которые не является упорядоченным. Если мы представляем это множества с помощью морфологического дерева или каким-либо иным способом, то мы тем самым упорядочиваем его. Причем следует обратить внимание, что мы можем одно и то же морфологическое множество упорядочить разными способами, создавая различные системы классификационных признаков, хотя сами эти признаки могут быть одинаковыми.
Для случая объектов одного класса алгоритм морфологического анализа и представления его результатов следующий:
Выделить классификационные признаки.
Определить значения этих признаков.
Составить систему этих признаков, определив сочетаемость их значений.
Для случая нескольких взаимосвязанных классов объектов:
Определить классы объектов предметной области.
Выделить классификационные признаки.
Определить значения этих признаков.
Составить систему признаков и взаимодействия классов.
Пример
Пусть мы хотим провести анализ класса столов и оформить его результаты в виде морфологического дерева.
Столы у нас будут двух типов: обеденные и письменные. У письменных столов столешницы всегда будут прямоугольной формы, а у обеденных столов они могут прямоугольными, круглыми и овальными. Сечение ножек для обоих типов столов может быть как прямоугольным, так и круглым. Письменные столы могут иметь справа от 2 до 4 ящиков, расположенных вертикально. Все или некоторые из этих ящиков могут иметь замки. Выделим классификационные признаки. Первый такой признак – это тип стола. Он может принимать 2 значения: обеденный и письменный. Второй такой признак – форма столешницы. Он будет иметь три значения: прямоугольная, круглая, овальная. Но для случая письменных столов у нас может быть форма лишь прямоугольной. Это является примером, который показывает необходимость сведения классификационных признаков и их значений в систему. Необходимо наложение ограничений на значения классификационного признака, определяющего форму столешницы для случая с письменными столами. Следующим классификационным признаком будет сечение ножек стола. Его значения: прямоугольное и круглое. Далее, нам необходим еще один классификационный признак – число ящиков, значения которого будут: 0, 2, 3 и 4. Для случая с письменными столами его значения будут в диапазоне от 2 до 4, а так как у обеденных столов наличие ящиков в нашем примере не предусмотрено, то его значение будет 0. Кроме того, в некоторых из ящиков могут присутствовать замки. Поэтому введем еще один признак – наличие замка. Его значениями будут: «присутствует» либо «отсутствует». Попытаемся всю эту информацию отобразить в виде морфологического -дерева (рис. 1). Вершины у такого дерева отражают классификационные признаки, ребра – их значения. У морфологического дерева присутствуют два вида вершин И и ИЛИ. Вершина ИЛИ – означает выбор, вершина И – последовательную обработку всех выходящих из нее ребер.
Рис. 1. Морфологическое И/ИЛИ-дерево множества столов
В состав стола входят столешница, ножки, а для случая с письменным столом еще и ящики. Так как эти части в совокупности составляют стол, то объединим их И-вершиной. Следующим классификационным признаком будет форма столешницы. Для случая с обеденными столами она будет – прямоугольная, круглая и овальная. Для случая с письменными столами – прямоугольная. Теперь переходим к сечению ножек. В обоих случаях множества значений классификационных признаков будут совпадать: сечение ножек может быть прямоугольным или круглым. Теперь необходимо определиться с ящиками. Так как у обеденных столов ящики отсутствуют, то мы просто не будем «подключать» вершину, определяющую этот признак. Для письменных же столов, эту вершину подключить необходимо. Наличие у ящиков замков: так как замки у ящиков могут появляться в любой последовательности, то необходимо иметь возможность определять их независимо для каждого ящика. Для этого воспользуемся И-вершинами, которые будут определять ящики, как агрегаты (составные части) стола. Для случая с двумя ящиками, из И-вершины будут выходить 2 ребра, соответствующие двум ящикам. Для случая с тремя ящиками – 3 ребра, для 4 ящиков – 4. Чтобы всякий раз не подключать к каждому ящику замок, вынесем отдельно изображение морфологического дерева для класса ящиков. Вообще необходимо определиться в какой последовательности мы будем нумеровать ящики. Условимся нумеровать их сверху вниз. Итак, мы получили И/ИЛИ-дерево, описывающее морфологическое множество данного класса столов или для краткости морфологическое дерево столов.
Морфологическое И/ИЛИ-дерево столов описывает все морфологическое множество. А как представить конкретный объект этого множества, являющимся его элементом? Для этого необходимо выбрать ребра, соответствующие значениям классификационных признаков для конкретного рассматриваемого случая. После того как будут выбраны значения признаков, из ИЛИ-вершин будет исходить по одному ребру, соответствующему выбранному значению, а сама вершина окажется вырожденной. Проделав такую операцию для всех необходимых ИЛИ-вершин, получим морфологическое И-дерево с вырожденными ИЛИ-вершинами, которое будет однозначно идентифицировать объект, в нашем случае стол. Что касается И-вершин, то они как и в случае И/ИЛИ-дерева означают агрегацию объектов.
Если внимательно посмотреть на получившееся дерево, то можно заметить, что оно распадается на два почти одинаковых поддерева. В самом деле, поддеревья для обеденных и письменных столов различаются незначительно. Поэтому информацию о морфологическом множестве рассматриваемых столов можно представить не в виде дерева, а в виде морфологического графа (рис. 2).
Рис. 2. Морфологический граф множества столов
Результаты проведенного морфологического анализа можно представить и в виде многоуровневой морфологической таблицы, представленной тремя таблицами (табл.1-3). Таблица будет многоуровневой, так как для ящиков приходится выделить отдельную морфологическую таблицу, в которой будет отражаться наличие или отсутствие замка. Если бы мы ограничились лишь обеденными столами, то мы бы смогли обойтись и одноуровневой морфологической таблицей. Можно было бы избежать многоуровневости, «развернув» таблицу, но тогда она получилась бы чересчур громоздкой.
Таблица 1
Морфологическая таблица класса столов
| Форма столешницы | Форма сечения ножек | Число ящиков |
Обеденный стол | прямоугольная, круглая, овальная | прямоугольная, круглая | 0 |
Письменный стол | прямоугольная | прямоугольная, круглая | 2,3,4 |
Таблица 2
Морфологическая таблица класса ящиков столов
Наличие замка | присутствует, отсутствует |
Таблица 3
Морфологическая таблица класса ножек столов
Форма столешницы | прямоугольная, круглая, овальная |
Форма сечения ножек | прямоугольная, круглая |
Сравним использование морфологических деревьев и таблиц. Морфологические деревья наглядно отражают морфологическое множество. Они могут быть легко разделены на поддеревья. Морфологические таблицы для сколь либо сложных систем получаются многоуровневыми. Более того, отсутствует какой либо стандарт на структуру таких таблиц. Поэтому использование морфологических таблиц представляется целесообразным для достаточно простых морфологических множеств, где можно обойтись низкоуровневыми и одноуровневыми таблицами.
Морфологические методы являются мощным аппаратом исследования в различных областях знаний. Сущность морфологических методов заключается в следующем: сначала в результате морфологического анализа мы определяем пространство поиска, называемое морфологическим множеством, которое обязательно должно включать в себя искомое решение (структуру объекта), а затем сужаем это пространство, осуществляя поиск этого решения, которое является элементом морфологического множества.
Метод морфологического ящика
Метод морфологического ящика – наиболее популярный из морфологических методов, предложенных швейцарским астрономом Фрицем Цвики (F.Zwicky). Данный метод наиболее приспособлен для решения инженерных и экономических задач.
Алгоритм решения задачи посредством метода морфологического ящика заключается в следующем:
Предельно исчерпывающе сформулировать проблему.
Обозначить и охарактеризовать все параметры возможных решений (определить классификационные признаки и их значения).
Сконструировать морфологический ящик, который будет содержать все решения задачи, оформив его в виде морфологической таблицы или каким-либо иным образом.
Проанализировать решения, содержащиеся в морфологическом ящике с точки зрения поставленных целей.
Выбрать и реализовать наилучшее решение (или ряд наилучших решений) отбросив все неудовлетворяющие заданным требованиям или крайне неудобные в реализации.
Не следует путать метод морфологического ящика и морфологическую таблицу. Как следует из названий, метод морфологического ящика – это метод, а морфологическая таблица – способ представления самого морфологического ящика. Помимо морфологической таблицы, морфологический ящик может быть представлен в виде морфологического дерева, построенного по математическому принципу И/ИЛИ, морфологического графа, либо с помощью специальных языков (например, Structuralist) и счислений.
Метод морфологического ящика основан на подборе возможных решений для отдельных частей задачи (так называемых морфологических признаков, характеризующих устройство вцелом и отдельных его частей) и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании).
Морфологический анализ был разработан для многомерных, не поддающихся количественной оценке проблем, где причинное моделирование и симуляция не дают нужного результата. Эту технику придумал Фриц Цвикки, американский астрофизик швейцарского происхождения. Метод применяется в изобретательстве, известен в ТРИЗ, используется для генерации идей. Применяя метод, проблему разделяют на фундаментальные элементы (весомые составляющие). Затем для каждого элемента задачи ищут возможное решение и путем слияния конкретных решений проблема должна быть решена. Не существует «правильного» или «неправильного» способа использования этого метода, однако получение достаточных знаний о проблеме имеет важное значение для разработки наиболее эффективного морфологического ящика.
Пример
Этот метод настолько универсальный, что может использоваться в любой сфере – от творчества до приготовления изделий в кулинарии, например печенья. В последнем случае элементы могут быть следующими:
Размер: маленький, средний, большой, огромный.
Основа: шоколадная, овсяная, банановая, ванильная.
Наполнение: заварной крем, клубника, малина, шоколад.
Текстура: ровная, с комками, пористая, гладкая.
Если мы хотим приготовить что-то новое, то только на основе этих параметров можем создать 256 разных комбинаций выпечки (конечно, если знаем, как сделать, к примеру, пористую текстуру). Количество возможных комбинаций определяется произведением числа вариантов каждого признака:
4(Размер)*4(Основа)*(Наполнение)*4(Текстура)=256.
Представьте теперь, какие возможности эта техника дает, если вы создаете персонажа. Чем больше параметров (критериев), тем больше комбинаций будет доступно.
Так, драматург и сценарист Семен Лунгин в своей книге «Виденное наяву» описывает применение метода: «И.В.Шток, один из руководителей арбузовского семинара конца пятидесятых годов, куда мы с Ильей Нусиновым были приглашены, рассказал о том, как работал его близкий друг – драматург Александр Афиногенов, размышляя о действующих лицах своих пьес. Он, оказывается, изобрел даже некую таблицу, наподобие таблицы умножения».
В целом с помощью метода можно решать многие проблемы. Задача состоит лишь в том, чтобы разбить систему, продукт или проблему на составляющие и разместить в многомерной таблице. Затем вы просто выбираете интересные комбинации и анализируете каждую из них. Какие-то можно будет отбросить сразу, другие будут признаны негодными после небольших экспериментов или анализа, а вот некоторые окажутся полезными.
Содержание метода
Первый этап: точная формулировка проблемы для рассматриваемой системы. От «создать новое уникальное приспособление» до «придумать оригинального персонажа».
Задача должна быть определена кратким и четким описанием. Предположим, что производитель стеклянных изделий ищет подарочную упаковку. На основании ряда условий (безопасность, прочность и т.д.) он указывает, каким требованиям должна отвечать упаковка.
Второй этап: поиск вариантов функциональных схем, либо принципов действия разрабатываемой системы. Возможно исследование по нескольким признакам.
Эта фаза определяет, что важно для решения проблемы. Проблема делится на разные измерения. Эти перспективы предоставляют потенциальные параметры, которые могут решить проблему. Первое измерение в приведенном выше примере – форма упаковки, второе – цвет упаковки, а третье – выбранные материалы.
Третий этап: выявить и охарактеризовать все параметры возможных решений (определить классификационные признаки и их значения).
Говоря о той же коробке, это могут быть:
Долговечность: одноразовая (распаковал и выбросил), многоразовая-транспортировочная (только для доставки от производителя стеклянного изделия до покупателя), многоразовая-декоративная (используемая покупателем как футляр и т.п.).
Материал: картонная, фанерная, деревянная, пластмассовая, металлическая.
Форма: повторяющая форму изделия, цилиндрическая, коническая, полусфера, кубическая.
При поиске как можно большего числа функций для разных измерений (признаков) создается множество вариантов решений. Здесь предлагается применять творческий подход. Например, цвет может быть черный, зеленый или красный, а поверхность гладкая, рельефная, глянцевая, матовая, с ручками или без. Чем больше свойств включено, тем больше вариантов, причем они возрастают в геометрической прогрессии.
Четвертый этап: сконструировать морфологический ящик, который будет содержать все решения проблемы, оформив его в виде морфологической таблицы или каким-либо иным образом.
Пятый этап: провести перебор всех вариантов решений (каждый раз берут по одному варианту для каждой оси) с проверкой комбинаций на соответствие условиям задачи, на несовместимость отдельных вариантов в предлагаемой их общей группе, на реализуемость и иные условия.
Шестой этап: выбор нескольких вариантов, удовлетворяющих заданным критериям.
После того, как вы нашли несколько хороших вариантов, следует выяснить, какой является наиболее целесообразным. Причем последнее зависит от вас. В первом случае вы решаете, какое печенье будет, скажем, лучшим в соотношении цена-вкус или цена-качество. Критерий «вкус» относительный, поэтому здесь многое решает интуиция. Во втором случае вы должны решить, сэкономить и использовать упаковку много раз или продать ее вместе с изделием увеличив, тем самым, стоимость самого изделия. Это уже предстоит решить вам, морфологический ящик свою задачу выполнил.
Характеристики метода
При помощи метода морфологического ящика различные решения сложной проблемы можно найти уже на этапе проектирования. Фриц Цвикки применял этот метод к астрономическим исследованиям, разработке реактивных двигателей и ракет. Метод имеет следующие характеристики:
Многомерность: каждая сложная проблема имеет несколько ракурсов, которые необходимо рассматривать как единое целое.
Количественное: различные аспекты проблемы поддаются количественной оценке и выражаются в цифрах. Они также постоянно меняются, что должно быть включено в поиск возможных решений.
Субъективность: правильное решение проблемы – вопрос мнения. Лучшего решения не существует, но есть лучшие или худшие. Вам решать, какое печенье вкуснее или целесообразнее с точки зрения условия «цена-качество».
Метод морфологического ящика наглядно отображает последовательность шагов к достижению поставленной цели и рекомендован при разработке несложных систем. Выбор использования морфологических таблиц, «деревьев», «лабиринтов» или иного наглядного способа (либо совокупности способов) будет зависеть от удобства для того, кто его применяет, и уровня сложности поставленной задачи. В этом плане нет жесткой системы ограничений, и сам подход к вариантам выбора способа решения задачи является творческим.
В приложениях к рекомендациям приведены примеры использования метода морфологического ящика обучающимися, учавствовавшими в международных олимпиадах юного изобретателя «ИЗОБРЕТАЕМ С ПОМОЩЬЮ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ЯЩИКА» на портале Академия развития личности «Радуга Олимпа». В заданиях использован метод морфологического ящика с раздельным анализом возможных вариантов по каждому признаку разрабатываемого изделия.
Выполнение заданий к международным олимпиадам были оценены дипломами I степени победителя.
Приложения к учебному пособию
«Использование морфологических методов исследования и моделирования в техническом творчестве учащихся.
Метод морфологического ящика»
Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
Луганской Народной Республики
«Первомайский колледж»
ЗАДАНИЕ КО II МЕЖДУНАРОДНОЙ ОЛИМПИАДЕ
юного изобретателя
«ИЗОБРЕТАЕМ С ПОМОЩЬЮ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ЯЩИКА»
Задача №5.
Используя метод «морфологического ящика» усовершенствуйте молоток, а затем нарисуйте и опишите лучшее из полученных Вами решений.
Выполнил: учащийся 1-го курса группы ТУ-С, профессия 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки) (программа подготовки квалифицированных рабочих, служащих), ГБОУ СПО ЛНР «ПК»
Лагодиенко Р.В.
Руководитель: мастер производственного обучения ГБОУ СПО ЛНР «ПК» Петров Р.И.
2020г
Технический объект «молоток»
Молоток – небольшой ударный ручной инструмент. В зависимости от области применения молотки можно разделить на:
Молоток плотника;
Столярный молоток;
Молоток слесарный;
Молоток каменщика;
Молоток сварщика;
Молоток плиточника;
Молоток кровельщика;
Породный молоток;
Рихтовочный молоток;
Кувалда и молот;
Другие.
Для решения поставленной задачи выбираем молоток сварщика (шлакоотбойный).
Шлакоотбойный молоток (другое название – зубило сварщика) предназначен для удаления шлака со сварного шва. Также может использоваться для выполнения следующих операций:
очистка первого прохода при формировании многослойных швов;
снятие капель расплавленного металла с поверхности околошовной зоны;
внесение незначительных изменений в форму заготовки.
Конструкция выбранного технического объекта «молоток»
Выбранный молоток состоит из двух основных (разьемных) частей – рукоятки, предназначенной для удержания инструмента и бойка, которым осуществляется обработка швов.
Боек имеет две рабочие поверхности, расположенные в торцах, остальная часть бойка при работе не используется.
Критерии оценки эффективности решений
Требования к техническому объекту определим исходя из двух факторов – Изготовление и Использование, и сформулируем как «дешево – надежно – эффективно».
Исходя из этого, основные критерии оценки эффективности решений можно изложить так:
1.простота изготовления;
2.простота ремонта;
3.минимум разнообразия материалов;
4.надежность в применении;
5.удобность в применении;
6.содержание в конструкции максимального диапазона функций.
Морфологическая таблица на технический объект
«Молоток (сварщика)»
Альтернативный вариант к строки | Признаки i столбца | |||
Материал бойка | Материал рукоятки | Форма рабочей поверхности бойка | Количество рабочих поверхностей бойка | |
1 | 2 | 3 | 4 | |
1 | Железо (А1/1) | Железо (А2/1) | Плоскость (А3/1) | Одна (А4/1) |
2 | Медь (А1/2) | Дерево (А2/2) | Сфера (А3/2) | Две (А4/2) |
3 | Алюминий (А1/3) | Пластик (А2/3) | Конус (А3/3) | Три (А4/3) |
4 | − | Железо обрезиненное (А2/4) | Клин (А3/4) | Четыре (А4/4) |
5 | − | Железо в пластике (А2/5) | − | − |
Число возможных конструкций молотка сварщика – 3*5*4*4 = 240.
Сокращаем число возможных вариантов технического решения путем указания запрещенных комбинаций некоторых альтернатив, т.е. тех, которые не удовлетворяют требованиям технического решения полностью или недостаточно полно:
1.А1/1-А2/1-А3/1-А4/2
2.А1/1-А2/1-А3/3-А4/2
3.А1/1-А2/1-А3/4-А4/2
4.А1/1-А2/1-А3/1-А4/3
5.А1/1-А2/1-А3/3-А4/3
6.А1/1-А2/1-А3/4-А4/3
7.А1/1-А2/1-А3/1-А4/4
8.А1/1-А2/1-А3/3-А4/4
9.А1/1-А2/1-А3/4-А4/4
Остальные варианты относим к неприемлемым и исключаем.
Обосновать осуществленный отбор можно анализом свойств и функциональности отмеченных в таблице признаков, с учетом возможности изготовления в условиях простых производственных мастерских:
Материал бойка | достоинства | недостатки |
железо | доступность, высокая стойкость к деформации, простота в способе скрепления (сварка), простота в обработке в условиях мастерских, низкая стоимость в сравнении с медью и алюминием | невозможность отливки заданной формы |
медь | простота в обработке в условиях мастерских | ограниченная доступность, низкая стойкость к деформации, сложность в способе скрепления, высокая стоимость в сравнении железом, невозможность отливки заданной формы |
алюминий | простота в обработке в условиях мастерских, возможность отливки заданной формы | ограниченная доступность, низкая стойкость к деформации, сложность в способе скрепления, высокая стоимость в сравнении железом |
Из таблицы видно, что все варианты с медью и алюминием исключены.
Аналогичным образом исключаем варианты признаков 2, 3 и 4.
Анализируем обозначенные варианты рукоятки изделия:
Материал рукоятки | достоинства | недостатки |
Железо | доступность, высокая прочность, простота в способе скрепления с бойком (сварка), простота в обработке в условиях мастерских | невозможность отливки заданной формы |
Дерево | простота в обработке в условиях мастерских, удобность при использовании, малый вес | ограниченная доступность твердых пород дерева, низкая прочность, сложность в способе скрепления с бойком |
Пластик | удобность при использовании, малый вес | ограниченная доступность, низкая прочность, сложность в способе скрепления с бойком |
Железо обрезиненное | удобность при использовании, высокая прочность | сложность процесса покрытия исключающий сползание |
Железо в пластике | удобность при использовании, высокая прочность | сложность процесса покрытия исключающий сползание |
Максимально удовлетворяющий требования материал для изготовления рукоятки – железо.
Проводим анализ формы бойка. Исходя из опыта работы применение молотка для отбивки шлака сварного шва можно выделить следующие варианты и оптимальные поверхности бойка для обработки:
1.Стык двух плоских поверхностей, угловой шов (внешний) – плоский боек;
2.Фигурный шов с углублением, угол стыка трех плоскостей – конический боек;
3.Шов на вогнутой поверхности – скругленный боек (на практике встречается крайне редко);
4.Угловой шов (внутренний) – клиновидный боек.
Форма рабочей поверхности бойка | достоинства | недостатки |
Плоскость | возможность эффективной обработки плоской поверхности и наружного угла с углами стыковки более 90°, трубных швов | невозможность обработки внутренних швов |
Сфера | возможность обработки швов на вогнутой поверхности | невозможность обработки внутренних угловых швов, внутренних стыков трех и более плоскостей, низкая производительность при обработке плоской поверхности и наружных углов |
Конус | возможность эффективной обработки внутренних стыков трех плоскостей, нелинейных швов в углублении | низкая производительность при обработке внутренних угловых швов |
Клин | возможность эффективной обработки внутреннего угла | низкая производительность при обработке плоской поверхности, внутренних стыков трех и более плоскостей, трубных швов |
Максимально удовлетворяющие потребности при обработке сварных швов можно выделить три формы рабочей поверхности бойка – плоскость, конус и клин.
По количеству рабочих поверхностей бойка, с учетом выбранных форм, самым оптимальным будет вариант с тремя бойками. Один – не рационально, два – нет смысла в оптимизации, т.к. достаточно образцов промышленного производства различного исполнения, четыре бойка образуют в плоскости между собой углы 90°, что затрудняет или полностью исключает доступность бойка к внутренним угловым швам.
Из выбранных вариантов необходимо отобрать один, максимально удовлетворяющий требованиям технического решения. Для этого оставляем признаки, присутствующие во всех вариантах, а именно А1/1 и А2/1, они определены окончательно. Признаки А3/1, А3/3 и А3/4 целесообразно иметь все в проектируемом объекте. Следовательно, признак А4 удовлетворяет в единственном исполнении, а именно – А4/3.
Итоговый вариант технического решения можно записать следующим образом: А1/1-А2/1-А3/n-А4/3, где А3/n будет суммой следующих признаков: А3/1+ А3/3+ А3/4.
Таким образом, объект можно описать как:
Материал бойка – железо/ Материал рукоятки – железо/ Форма рабочей поверхности бойка/ многопрофильная (плоскость, конус, клин)/ Количество рабочих поверхностей бойка – три.
Конструкция лучшего полученого технического решения
Рукоятка – Ст.20Х, Ø20, L=270
Боек 3 (плоскость) – Ст.20Х, Ø20, Ø30, Lобщ=
1
|
4 |
Боек 1 (конус) – Ст.20Х,
Ø20, L= 1
|
Боек 2 (клин) –Ст.20Х, Ø20, L=
1
|
Соединение бойков и рукоятки осуществляется ручной электросваркой покрытым электродом. При наличии литейного производства все изделие целесообразно отливать целиком.
Бойки соединяются в одной плоскости, рукоятка соединяется с бойками под прямым углом к их плоскости.
Форма рабочей поверхности бойка 3 в поперечном сечении – круг или квадрат, в зависимости от выбранной заготовки и способа обработки.
Кромка рабочей поверхности бойка 2 лежит в плоскости бойков или повернута перпендикулярно ей (определить наиболее удобный для работы вариант перед окончательной сборкой).
Описание работы лучшего полученого технического решения
Характеристика нового полученого технического устройства полностью соответствует исходному устройству – молоток; а именно – небольшой ударный ручной инструмент.
В новом устройстве расширены функции за счет добавления третьей рабочей поверхности бойка. Фактически новое устройство заменяет два молотка с разными бойками, что уменьшает набор носимых инструментов сварщика и экономит время на смену инструмента при обработке сварных швов при сварке элементов конструкции расположенных в трехмерном пространстве.
Работа нового устройства сводится к удалению шлака со сварных швов несильными ударами по шву, очистке первого прохода при формировании многослойных швов, снятию капель расплавленного металла с поверхности околошовной зоны, внесению незначительных изменений в форму свариваемого изделия.
Смена рабочей поверхности бойка заключается в проворачивании молотка в плоскости бойков вокруг оси рукоятки в руке сварщика.
Рабочие поверхности бойков (в нашем случае это фактически отдельные односторонние бойки) предназначены для индивидуальных зон всех видов обрабатываемых швов:
Боек 1 (конус) –угловой (внутренние места стыковки трех и более плоскостей), круговой (внутренний), фигурный (внутренний)
Боек 2 (клин) – угловой (внутренний), нахлесточный (подложеная область), снятие капель расплавленного металла с поверхности околошовной зоны
Боек 3 (плоскость) – стыковой, нахлесточный, угловой (наружный), круговой (наружный)
Тестовый вариант реализации полученного решения
Выводы по итогам работы
После изготовления тестового изделия по предвательным чертежам и опробации в условиях мастерских колледжа был выявлен побочный эффект «скручивания» молотка в руке из-за разности в весе бойков и значительного рычага на каждом бойке.
В итоге было решено уменьшить длинну каждого бойка вдвое.
После изготовления и опробации изделия с изменениями, молоток показал результаты, полностью удовлетворяющие заявленным при разработке и отсутствие побочных нежелательных эффектов.
Готовое изделие.
Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
Луганской Народной Республики
«Первомайский колледж»
ЗАДАНИЕ КО II МЕЖДУНАРОДНОЙ ОЛИМПИАДЕ
юного изобретателя
«ИЗОБРЕТАЕМ С ПОМОЩЬЮ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ЯЩИКА»
Задача №2.
Используя метод «морфологического ящика» усовершенствуйте очки, а затем нарисуйте и опишите лучшее из полученных Вами решений.
Выполнил: учащийся 1-го курса группы ТУ-С, профессия 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки) (программа подготовки квалифицированных рабочих, служащих), ГБОУ СПО ЛНР «ПК»
Лагодиенко Р.В.
Руководитель: мастер производственного обучения ГБОУ СПО ЛНР «ПК» Петров Р.И.
Технический объект «очки»
Очки – прибор, предназначенный для коррекции человеческого зрения при оптических несовершенствах глаза, либо для защиты глаз от различных вредных воздействий. В зависимости от области применения очки можно разделить на:
Для коррекции зрения;
Декоративные;
3D;
Спортивные;
Строительные;
Защитные;
Солнцезащитные;
Военные;
Очки для врачей, лаборантов и пр.
Каждый вид можно в свою очередь разделить на подвиды. В частности строительные условно можно разделить на очки маляра, сварщика, универсальные строительные, очки-маски для строителей.
Для решения поставленной задачи выбираем защитные очки сварщика.
Очки сварщика – прибор, предназначенный для защиты глаз от различных вредных воздействий.
Раньше для сварочных работ использовалась массивная маска (для электросварки) и бинокулярные очки (для газовой сварки). Теперь сварщики используют универсальные или комбинированные приспособления, а так же специальные защитные очки. Сегодня выпускается множество моделей от различных изготовителей. Есть очки круглой формы, с четырьмя линзами, в виде маски разного цвета и пр. Их главная задача – эффективно защитить глаза.
Конструкция выбранного технического объекта «очки»
Выбранный обьект состоит из нескольких основных разьемных частей:
Рамка оправы
«Мост» оправы
Линза
Заушник или дужка
Носоупор
Замок или шарнир (гибкий пружинный шарнир имеет название «флекс»).
Критерии оценки эффективности решений
Требования к техническому объекту определим исходя из двух факторов – Эргономичность и Эффективность, и сформулируем как «удобно – надежно – эффективно».
Исходя из этого, основные критерии оценки эффективности решений можно изложить так:
1.простота конструкции;
2.возможность ремонта в условиях производства;
3.надежность в применении;
4.удобность в применении;
5.возможность быстрой смены защитного и смотрового стекла в зависимости от вида работ.
Морфологическая таблица на технический объект
«Очки (сварщика)»
Альтернативный вариант к строки | Признаки i столбца | ||||
Материал оправы | Материал заушника (фиксатора) | Форма защитного стекла | Количество защитных стекол | Визуализация досварочная | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
1 | Металл (А1/1) | Металл (А2/1) | Круг (А3/1) | Одно (пластина) (А4/1) | Снятие очков (А5/1) |
2 | Пластик (А1/2) | Резина (А2/2) | Овал (А3/2) | Два (бинокуляр) (А4/2) | Откидное защитное стекло (А5/2) |
3 | Пластик армирован-ный металлом (А1/3) | Пластик (А2/3) | Прямоуголь-ник (А3/3) | − | Дополнительная смотровая щель (А5/3) |
4 | − | Резиноткань (А2/4) | Квадрат (А3/4) | − | − |
5 | − | − | − | − | − |
Число возможных конструкций очков сварщика – 3*4*4*2*3 = 288.
Сокращаем число возможных вариантов технического решения путем указания запрещенных комбинаций некоторых сочетаний, т.е. тех, которые не удовлетворяют требованиям технического решения полностью или недостаточно полно.
Из оставшихся комбинаций впоследствии выбирем один, максимально удовлетворяющий требованиям.
1.А1/2-А2/2-А3/3-А4/1-А5/3
2.А1/2-А2/4-А3/3-А4/2-А5/3
3.А1/2-А2/2-А3/3-А4/2-А5/3
4.А1/2-А2/4-А3/3-А4/1-А5/3
Остальные варианты относим к неприемлемым и исключаем.
Обосновать осуществленный отбор можно анализом свойств и функциональности отмеченных в таблице признаков, с учетом возможности изготовления в условиях простых производственных мастерских:
Материал оправы | достоинства | недостатки |
Металл | простота в изготовлении (не требующая дополнительных операций и деталей отливка или штамповка) | наибольший вес в сравнении с пластиком и армированным пластиком, требует защитного покрытия, сложность ремонта, невосстановимость формы после деформации |
Пластик | простота в изготовлении (не требующая дополнительных операций и деталей отливка или штамповка), небольшой вес, не требует защитного покрытия, восстанавливаемость формы после деформаций, простота ремонта | нет (приминительно к выбранному изделию) |
Пластик армированный металлом | небольшой вес, не требует защитного покрытия, восстанавливаемость формы после незначительных деформаций | сложность (многооперационность) в изготовлении, сложность ремонта |
Из таблицы видно, что все варианты с металлом и армированным пластиком наиболее неприемлемы. Аналогичным образом исключаем варианты признаков А1/1 и А1/3.
Анализируем обозначенные варианты заушника изделия:
Материал заушника | достоинства | недостатки |
Металл | прочность, долговечность | фиксированная форма, жесткость, поломка приводит в нерабочее состояние все изделие |
Резина | изменяемая форма | ограниченный срок службы, поломка (разрыв) приводит в нерабочее состояние все изделие |
Пластик | прочность, долговечность | фиксированная форма, жесткость, поломка приводит в нерабочее состояние все изделие |
Резиноткань | изменяемая форма, разрыв отдельных нитей не приводит к общей поломке | ограниченный срок службы |
Максимально удовлетворяющий требованиям материал для изготовления заушника – резиноткань.
Проводим анализ формы защитного стекла. Исходя из применяемых ранее и в настоящее время промышленных образцов очков и маски сварщика, можно выделить следующие варианты формы стекла:
1.Круг (для бинокуляра);
2.Квадрат (для бинокуляра и маски);
3.Прямоугольник (для очков и маски);
Форма рабочей поверхности бойка | достоинства | недостатки |
Круг | выпускается промышленно | усложнение оправы, сложность замены |
Овал | расширенный обзор в сравнении с круглым стеклом | усложнение оправы, сложность замены |
Прямоугольник | выпускается промышленно, расширенный обзор | (приминительно к выбранному изделию) |
Квадрат | расширенный обзор | не выпускается промышленно |
Максимально удовлетворяющиая потребности форма защитного стекла и из изготавливаемых промышленно – прямоугольник.
По количеству защитных стекол, с учетом простоты изготовления, максимального обзора, простоты замены, самым оптимальным будет вариант с одним стеклом – пластиной, защищающей сразу оба глаза.
Способы досварочной визуализации ограничены:
- снятие очков А5/1 (что не удобно, так как отвлекается от работы одна рука и затрачивается время на удобное размещение очков на лице);
- откидывание защитного стекла А5/2 (подьем рамки с защитным стеклом не требует снятия очков с лица, но так же отвлекает одну руку, имеет подвижное сочленение, вероятность поломки которого велика);
- дополнительная смотровая щель А5/3 (не требует никаких действий с очками руками, достаточно незначительно изменить наклон головы).
Из трех вариантов самым удобным, исключающим поломку элементов очков, не отвлекающим руки от рабочих действий является третий вариант - А5/3.
Из выбранных вариантов необходимо отобрать один, максимально удовлетворяющий требованиям технического решения. Для этого оставляем признаки, присутствующие во всех вариантах, а именно А1/2, А3/3 и А5/3, они определены как единственные, признаки А2/4 и А4/1 максимально удовлетворяют требованиям.
Итоговый вариант технического решения можно записать следующим образом: А1/2-А2/4-А3/3-А4/1-А5/3.
Таким образом, объект можно описать как:
Материал оправы – пластик
Материал заушника – резиноткань
Форма защитного стекла – прямоугольник
Количество защитных стекол – одно
Визуализация досварочная – дополнительная смотровая щель
Конструкция лучшего полученого технического решения
(обьемный эскиз)
Корпус (пластик) Отверстия-петли для заушника
Стекло защитное Стекло прозрачное (доп.смотровая щель)
|
Описание работы лучшего полученого технического решения
Характеристика нового полученого технического устройства полностью соответствует исходному устройству: очки сварщика – прибор, предназначенный для защиты глаз от различных вредных воздействий.
В новом устройстве расширены функции за счет добавления дополнительной смотровой щели перекрытой прозрачным стеклом (для исключения попадания внутрь очков посторонних предметов и пыли), расположенной ниже основного защитного стекла, под небольшим углом.
Наличие дополнительной щели позволяет не снимая очков и не производя с ними никаких действий руками (т.е. полностью освободить руки) беспрепятственно смотреть на рабочую поверхность, менять электрод и производить другие действия не требующие защиты глаз от электрической дуги или факела горелки, а так же не требует применение дорогостоящего устройства, автоматически затемняющего защитное стекло.
«Смена» защитного и смотрового стекла осуществляется незначительным наклоном или поднятием головы и изменения угла зрения.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
«ПЕРВОМАЙСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
ЗАДАНИЕ К III МЕЖДУНАРОДНОЙ ОЛИМПИАДЕ
ЮНОГО ИЗОБРЕТАТЕЛЯ
«ИЗОБРЕТАЕМ С ПОМОЩЬЮ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ЯЩИКА»
Задача №4
Используя метод «морфологического ящика» усовершенствуйте ножовку, а затем нарисуйте и опишите лучшее из полученных Вами решений.
Выполнил: учащийся 2-го курса группы 2-С, профессия 23.01.03 «Автомеханик» (программа подготовки квалифицированных рабочих, служащих), ГБОУ СПО ЛНР «ПК»
Шалаев М.А.
Руководитель: зам.директора по УПР ГБОУ СПО ЛНР «ПК»
Евков А.А.
Технический объект «ножовка»
Ножовка – инструмент (пила) с длинным узким полотном с множеством резцов, обычно зубьев, для разрезания (распиловки) различных материалов: древесины, металла, пластика, камня и других, путем совершения возвратно-поступательных движений.
Ножовочные полотна изготавливаются тонкими и узкими. Длина ручных ножовок характеризуется расстоянием между отверстиями на концах – от 6" до 14" (от 150 до 400 мм). Для ручного пиления используются полотна 250 мм и 300 мм, шириной 12,5 и 25 мм и толщиной 0,63 – 1,25 мм. Полотна для ручных ножовок бывают двух типов:
А – с расположением зубов на одной стороне полотна;
Б – с расположением зубов на обеих сторонах полотна.
Ножовочные полотна изготовляют из быстрорежущей стали и стали Х6ВФ. Для того чтобы полотно не ломалось, используют только термическую обработку зубцов полотна.
Для решения поставленной задачи выбираем ножовку для самого дешевого и распространенного полотна 250х12,5мм.
Недостаток выбранного полотна – хрупкость и неустойчивость к ударам и скручиванию. Часто полотно, режущая кромка которого не изношена, ломается близко к центру или практически у отверстий для фиксации. После этого полотно в рамке ножовки невозможно закрепить и обломки приходится выбрасывать.
Задачей модернизации ножовки будет изменение конструкции рамки, которая позволила бы использовать поломанные полотна, а именно – изменяемое расстояние между точками крепления полотна и изменение способа крепления.
Конструкция выбранного технического объекта «ножовка»
Выбранный обьект состоит из нескольких основных частей:
4 1 2 3
Рамка
Полотно
Натяжной болт
Фиксирующий болт
Критерии оценки эффективности решений
Требования к техническому объекту определим исходя из устранения главного недостатка рамки ножовки – возможность использовать как целые, так и поломанные ножовочные полотна различной длинны.
Основные критерии оценки эффективности решений можно изложить так:
1.простота конструкции;
2.надежность;
3.исключить механическую обработку ломаных полотен для их крепления в рамке.
Морфологическая таблица на технический объект
«ножовка»
Альтернатив-ный вариант строки к | | ||
Материал рамки | Крепление | Доработка полотна | |
1 | 2 | 3 | |
1 | Металл (А1/1) | Натяжное (А2/1) | Да (А3/1) |
2 | Пластмасс (А1/2) | Прижимное (А2/2) | Нет (А3/2) |
Число возможных конструкций очков сварщика – 2*2*2 = 8.
Сокращаем число возможных вариантов технического решения путем отбрасывания комбинаций сочетаний, которые не удовлетворяют требованиям технического решения.
Из оставшихся комбинаций выбираем один, который максимально удовлетворяет заданным параметрам.
1. А1/1-А2/2-А3/2
2. А1/2-А2/2-А3/2
Все остальные варианты относим к неприемлемым и исключаем.
Обоснование отбора по анализу свойств отмеченных в таблице признаков
Материал рамки | достоинства | недостатки |
Металл (А1/1) | высокая жесткость и прочность конструкции; доступность ремонта при поломках | требует защитного покрытия от ржавления; значительный вес по сравнению с пластмассами |
Пластик (А1/2) | не требует защитного покрытия; небольшой вес по сравнению с металлом | низкая жесткость и прочность конструкции; недоступность ремонта при поломках |
Из таблицы видно, что вариант с металлом самый приемлемый. Для окончательного варианта исключаем вариант признаков А1/2.
Крепление | достоинства | недостатки |
Натяжное (А2/1) | высокая надежность фиксации полотна | необходима обработка обломков полотна (отверстия, пазы для болтов или шпилек крепления) |
Прижимное (А2/2) | использование обломков полотна без дополнительной обработки | невысокая надежность фиксации полотна в сравнении с натяжным вариантом |
Наиболее удовлетворяющий требованиям вариант – прижимное, т.е. А2/2.
Доработка полотна | достоинства | недостатки |
Да (А3/1) | нет | трата времени на доработку; наличие инструментов для обработки |
Нет (А3/2) | исключает дополнительные операции с обломками полотна | нет |
Полностью удовлетворяющим заданным требованиям является вариант без необходимости доработки полотна – А3/2.
По итогам отбора получаем комбинацию признаков:
А1/1-А2/2-А3/2
Основные свойства объекта можно описать следующим образом:
А1/1 Материал рамки – металл
А2/2 Крепление – прижимное
А3/2 Доработка полотна – не требуется
В отличие от выпускаемых промышленностью ножовок добавлено дополнительное свойство – изменяемое расстояние между местами крепления полотна в широких пределах, что позволяет использовать как целые полотна, так и обломки различной длинны.
Так же заменено натяжное крепление прижимным, позволяющее быстро менять полотна или обломки полотна без дополнительной обработки обломков.
Конструкция лучшего полученного технического решения объекта «ножовка»
4.
1 2 3
Рамка ножовки в сборе.
|
1.Подвижная часть ножовки.
2.Места крепления винтами полотна.
3.Неподвижная часть ножовки.
4. Место фиксирования винтом подвижной части ножовки.
Описание работы
лучшего полученого технического решения объекта
«ножовка»
Общая характеристика нового полученого технического устройства соответствует исходному устройству: ножовка – инструмент (пила) с длинным узким полотном со множеством резцов, обычно зубьев, для разрезания (распиловки) различных материалов: древесины, металла, пластика, камня и других, путем совершения возвратно-поступательных движений.
1. Работа ножовки заключается в поступательных движениях инструмента, удерживаемого двумя руками и прижатого с незначительным усилием режущей кромкой полотна к распиливаемому обьекту.
2. Смена полотна осуществляется следующим образом:
-отвинчивание прижимных винтов;
-отвинчивание винта регулирующего длинну рамки ножовки;
-удаление ненужного полотна или обломков сломанного;
-вставка в пазы рамки нового полотна или обломка;
-затягивание прижимных винтов;
-затягивание винта регулирующего длинну рамки.
Макет лучшего полученого технического решения объекта
«ножовка»
Макет габаритный (выполнен из: картон, винты железные стандартные, обломок ножовочного полотна, краска).
2
