Особенности конструирования мехатронных модулей
Существует множество методов конструирования, перечислять которые здесь мы не намерены. Общим для многих из них, однако, является то, что отправной точкой поиска служит выполняющая нужную функцию известная конструкция, обычно уже проверенная на практике. Так, часто предполагается, что для движения вала или ползуна необходимы подшипники качения или скольжения с соответствующей смазкой. Если первое предположение не изменяется (например, по правилам теории конструирования) и целесообразность его не вызывает сомнений, то часть конструкции уже готова и, в сочетании с другими решениями, заимствуемыми без изменений, образует завершенную конструкцию.
Приведенные ниже примеры показывают, как развитие этой идеи приводит к методу вариации эффектов при выявленных частных функциях. Роль абстрагирования в этом методе подчеркнута в работах Паля [17], Рота, Франке, Симонека [24] и Штойера [26]. Пример двух вариантов конструкции саморазгружающегося контейнеровоза иллюстрирует основные понятия, а пример конструкции замка освещает некоторые тонкости и показывает, что число практических конструктивных решений может быть очень велико.
Рис. 1.1. Разложение обшей задачи на частные на примере задачи подъема контейнера на грузовой автомобиль
Важную роль в дальнейшем изложении играет понятие "физический эффект" или просто "эффект", и поэтому здесь следует обсудить его связь с такими понятиями, как "закон", "положение" и "правило".
Прежде всего заметим, что хотя применение рассматриваемых терминов к новым знаниям в физике можно считать вполне устоявшимся, многие давно известные явления сохраняют свои традиционные названия, порождая некоторый разнобой в терминологии.
За исключением подобных случаев под "эффектом" в физике понимают физическое событие или течение физического процесса (например, "эффект рычага" или "эффект клина").
Под "законом" или "закономерностью" в физике понимают количественно выраженное соотношение между физическими величинами, при необходимости включающее в себя константы, характеризующие свойства материала. В "законе" может найти свое количественное выражение "эффект" (например, в "законе рычага" - "эффект рычага"). Различие между "законом" и "закономерностью" довольно-таки субъективно и последнее обычно отражает некоторое сомнение в общезначимости "закона".
"Положение" можно довольно четко отграничить от "закона": "положение" - это некоторое физическое высказывание, которое, по сути, должно быть законом, в справедливости которого исследователь убежден, но которое при этом не может быть экспериментально доказано в полном объеме или даже вообще в принципе (например, второе и третье начала термодинамики).
У понятия "правило" в физике нет однозначного употребления. Наряду с правилами, которые по существу являются законами или эффектами, можно найти немало примеров правил, которые обобщают данные опыта и вполне допускают исключения.
При использовании теории конструирования в первую очередь ставится вопрос, существует ли вообще физический процесс, который позволяет реализовать в техническом изделии чисто формальное условие, содержащееся в постановке задачи. При этом абсолютно безразлично, можно ли назвать этот процесс "законом", "положением" или "эффектом". В последующем изложении мы будем поэтому всегда говорить об эффекте, не обращая внимания на то, окажется ли он общезначимым законом или только положением.
Итак, пусть перед нами стоит задача; спроектировать устройство, устанавливаемое на грузовом автомобиле, которое поднимало бы контейнер и ставило бы его на грузовую платформу автомобиля. Эта задача, связанная с целым рядом процессов, называется общей задачей и разлагается на более мелкие процессы - частные задачи (рис. 1.1). Возможность более или менее подробного разложения обшей задачи на частные, связана с правдоподобным предположением, что сложную общую задачу можно свести к обозримому числу более простых задач (ср. с методом структурных схем и системотехникой) для которых уже имеются проверенные варианты решений. Эти частные задачи в несколько измененном виде могут быть "соединены" для выполнения общей задачи. Таким образом, общая задача "создать устройство для подъема контейнера" (см. рис. 1.1) сводится к частным задачам: сконструировать устройство,; чтобы "прикрепить контейнер к грузоподъемнику", "подвести энергию", "умножить силу", "переместить контейнер", "отделить контейнер от' подъемного механизма". Подобные задачи можно! выделить в случае многих других технических изделий, и способы их решения нам известны.
Гораздо проще выделить частные задачи, если решение общей задачи мы уже знаем (рис. 1.2), что и используется в предлагаемом методе. Мы выделяем, например, частную задачу "создать устройство для умножения силы " и ищем технические устройства, которые служат для этой цели. В решении на рис. 1.2 - это гидравлический цилиндр, реализующий эффект распространения давления в жидкости (от входного поршня меньшей площади к выходному поршню большей площади). Говоря! более абстрактно, назначение гидравлическогс цилиндра состоит в умножении силы при передаче энергии от входного поршня к выходному.
Рис. 1-2. Перенос контейнера на автомобиль (умножение силы с помощью гидравлических цилиндров 1; эффект распространения давления в жидкости)
Рис. 1.3. Установление соответствия между известной частной задачей и выявленной в результате абстрагирования частной функцией. Альтернативные решения, возникающие при переходе к новым эффектам (см. кат. 4.4.2), и соответствующие детали или узлы. Метод вариации эффектов при выявленных частных функциях
Функция, соответствующая частной задаче "создать устройство для умножения силы" - это, очевидно, "умножить силу" (рис. 1.3). Она является частью общей функции, решает частную задачу и называется поэтому частной функцией. Нетрудно понять, какие другие эффекты, кроме распространения давления в жидкости, позволяют реализовать эту частную функцию. Ответ дает рис. 1.3, который создан на основе систематизированной подборки решений - кат. (каталога) 4.4.2. Другие возможные эффекты: - разложение силы, сложение сил, преобразование "сила - момент силы". Пока речь идет о механических системах, передающих энергию, этот перечень заведомо полон.
На следующем шаге от найденных эффектов следует перейти к конструкциям, позволяющим реализовать эти эффекты. Разложить силу на малую входную и большую выходную составляющие можно с помощью наклонной плоскости, клина, рычага и т. п. В результате возникают альтернативные решения, одно из которых, построенное на использовании наклонной плоскости, схематически изображено на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Втягивание контейнера на автомобиль (умножение силы с помощью наклонной плоскости; эффект клина): 1 - механическая лебедка; 2 - наклонная плоскость
Примечательно, что описанный метод включал в себя три перехода: от частной задачи к частной функции, от частной функции к эффекту и от эффекта - к детали или узлу. Если для реализации эффекта было рассмотрено несколько возможностей, то для частной функции абстрагирование на основе исходного примера дало лишь одну возможность - "умножить силу". Другая возможность, основанная на частной функции "создать силу" (кат. 4.4.1), в данном случае осталась вне нашего поля зрения. На основе этой частной функции можно было бы вывести целый ряд нетривиальных решений, например катапультирование контейнера с помощью механического или химического накопителя энергии и т. п. Таким образом, метод вариации эффектов при выявленных частных функциях порождает целый ряд различных, но, в каком-то смысле, однотипных решений (в рассмотренном примере - на основе систем передачи энергии). Обшей задачей второго примера является конструирование замка (запора, затвора, крепления, пробки, зажима и т. п.), т. е. приспособления, с помощью которого посредством запирающего движения можно соединять два узла или два конца одной деформируемой детали, а посредством отпирающего движения - разъединять.
Лекция 5.