5.2. Синтез принципа действия
Функция — цель, физический (или иной) принцип — основа ее достижения. Задача синтеза принципа действия — перевести словесное описание технической задачи (ТЗ) на материально-физическую основу, предложить функционально-физическую схему разрабатываемого объекта, причем такую, которая наилучшим образом удовлетворит требованиям ТЗ.
5.2.1. Составление функциональной структуры
Выбор вида исходной схемы. Это — первый шаг на пути синтеза объекта. Графическим отображением схемы может служить блок-схема, включающая следующие элементы (рис.16а):
выполняемое действие (функция). Изображается стрелкой и, для удобства восприятия,
рядом с ней кратко указывается его название или обозначение (Ф). Название функции приводится в ТЗ: это та функция, реализация которой обеспечит выполнение заданной потребности;
проектируемый объект (ТС), который выполняет указанное действие. Изображается в виде прямоугольника, который подписывается или обозначается;
объект воздействия (ОВ), на который направлено действие. Он конкретизирует условия реализации функции, приводится в ТЗ. Изображается прямоугольником.
Рис.16. Возможные виды исходных функциональных схем разрабатываемых объектов
В отдельных случаях ТЗ включает указание на вид объекта, приводящего проектируемый объект в действие (например, писать рукой на бумаге). Тогда в начало функциональной схемы вводят блок-источник действия (ИД) и соответствующую стрелку-функцию (рис.16б).
В процессе эксплуатации изделия может возникнуть необходимость контроля и управления его работой. С этой целью в функциональную схему включают дополнительные связи. В итоге блок-схема принимает вид, показанный на рис.16в, где СУ — система управления, Фу — выполняемая ею функция (например, регулировать (Фу) усилие, создаваемое устройством (ТС), удерживающим (Ф) некий груз (ОВ)). Система управления часто является системой с обратной связью, т.е. изменяющей характер своего действия в зависимости от его результатов и их соответствия требованиям ТЗ. В этом случае в схему вводят функцию-ответное воздействие (Фо).
Выделение элементарных действий. При составлении функциональной структуры может оказаться, что не совсем ясна суть функции, приведенной в ТЗ, или характеризующие ее термин и схема имеют слишком обобщенный вид. Поэтому следующим шагом является выделение элементарных действий, выполнение которых обеспечивает требуемое функционирование разрабатываемого объекта. Их поиск возможен рядом способов:
выбором из списка операций, составленного Р. Коллером. В результате исследования различных технических объектов им предложено для описания элементарных действий 12 пар операций (прямого и обратного действия): излучение-поглощение, проводимость-изолирование, сбор-рассеяние, проведение-непроведение, прямое и обратное преобразование, увеличение-уменьшение, изменение направления, выравнивание-колебание, связь-прерывание, объединение-разъединение, соединение-разделение, накопление-выдача. Так, например, элементарные действия лампы: проведение-преобразование-излучение. Цепочки элементарных действий составляют интуитивно, эвристическими методами, логически (формально или на основе здравого смысла), а затем комбинируют различные операции;
посредством декомпозиции исходного понятия функции и построения из найденных элементарных функций функциональных цепочек. Разложение исходной функции (цели) на элементарные понятия — обязательное условие разработки алгоритмов (последовательности операций-действий, ведущих к поставленной цели) и широко применяется в математике, программировании, в инструкциях (по работе, действии в тех или иных ситуациях), уставах (воинских) и т.п.;
на основе анализа подобных объектов с последующей комбинацией выявленных действий.
Составление функциональной структуры можно вести постепенно (отталкиваясь от схем, подобных приведенным на рис.16а,б), полагаясь на итерационный характер процесса проектирования. Но это слишком долго и дорого. Проще структуру выбирать, изучая подобные объекты — аналоги и прототипы, их устройство, опыт эксплуатации. К аналогам относят объекты сходной сущности и достигаемого при использовании результата. Наиболее близкий аналог называется прототипом.
Однако наличие прототипа и затрудняет работу. Он создает психологическую инерцию, предопределяет ход поиска решений. При этом не всегда обращают внимание на те условия и показатели качества, под которые создавалось изделие-прототип. А ведь незначительные на первый взгляд отличия в перечне требований ТЗ могут привести к созданию неэффективного, хотя и работоспособного изделия (например, решения для серийного и единичного условий производства сильно отличаются).
В процессе анализа прототипа, прежде всего, изучают его функциональную структуру (характер, вид и число элементарных действий и связей между ними), способ разрешения имеющихся противоречий, тенденции развития данных объектов техники.
Поиск аналогов и прототипов ведется на основе изучения научно-технической литературы (книги, журналы, отчеты, диссертации, каталоги и т.п.) и патентной документации (авторские свидетельства, патенты, заявки). Ведение патентных исследований регламентируется ГОСТ 15.011.
Патентные исследования позволяют определить патентную чистоту и патентоспособность создаваемого объекта на уровне способа. Патентная чистота указывает на оригинальность предлагаемого решения или отсутствие на него права собственности. Патентоспособность указывает на то, что предлагаемое решение соответствует изобретательскому уровню, и его функциональная структура отлична от функциональных структур известных объектов (т.е. предлагается новый способ функционирования, принцип действия).
Поиск патентно-чистой функциональной структуры обязателен:
если необходимо закрепиться на рынке и недопустимо копирование разрабатываемого изделия конкурентами. С этой целью на решение следует получить патент;
чтобы не выпускать продукцию, в основе которой лежат защищенные патентами чужие решения.
Разрабатываемая структура может оказаться достаточно сложной из-за обилия связей и блоков (например, как на рис.16г). Для удобства ее можно представить в виде отдельных простых структур (рис.16д), но важно не потерять взаимосвязи.