книги / Начала инженерного творчества
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
Б.Ф. Потапов, Р.В. Бульбович, А.Ю. Крюков
НАЧАЛА ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2010
УДК 519.242:347.78(075.8) П64
Рецензенты:
д-р техн. наук И.Б. Шендеров (Пермский научно-исследовательский технологический институт);
д-р техн. наук, проф. В.И. Свирщёв (Пермский государственный технический университет)
Потапов, Б.Ф.
П64 Начала инженерного творчества: учеб. пособие / Б.Ф. Потапов, Р.В. Бульбович, А.Ю. Крюков. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 190 с.
ISBN 978-5-398-00541-7
Излагаются основы инженерного творчества в проектно-конст- рукторской деятельности: патентоведение, методы оптимизации и теория планирования эксперимента.
Рассмотрены виды объектов интеллектуальной собственности, их защита и процедура разработки патентов на способы и устройства реализации технологических процессов.
Представлены математические основы численных процедур поиска оптимальных параметров и режимов работы оборудования (одномерные и многомерные численные методы оптимизации, а также линейное программирование, транспортная задача, задача о назначениях).
Изложена теория планирования эксперимента: понятие о факторах и функции отклика, матрице планирования эксперимента, сведения о полном и дробном факторном экспериментах, критериях оптимальности получаемых моделей и ошибках опытов.
Все теоретические вопросы проиллюстрированы решением прикладных задач.
Предназначено для студентов 3 и 4-го курсов специальности «Технология машиностроения» и направления «Авиаракетостроение».
|
УДК519.242:347.78(075.8) |
ISBN 978-5-398-00541-7 |
© ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2010 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие.......................................................................................... |
5 |
Раздел 1. ОСНОВЫ ПАТЕНТОВЕДЕНИЯ........................................ |
11 |
1.1. Охрана промышленной собственности в России................... |
11 |
1.2. Виды интеллектуальной собственности.................................. |
14 |
1.3. Заявка на изобретение и его описание..................................... |
18 |
1.4. Международная патентная классификация (МПК)............... |
27 |
1.5. Пример описания изобретения................................................. |
34 |
1.6. Контрольные вопросы и задания ............................................. |
39 |
Раздел 2. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ .............................................. |
40 |
2.1. Одномерная оптимизация......................................................... |
42 |
2.1.1. Метод сканирования........................................................... |
42 |
2.1.2. Метод деления отрезка пополам....................................... |
44 |
2.1.3. Метод золотого сечения..................................................... |
47 |
2.2. Многомерная оптимизация....................................................... |
49 |
2.2.1. Многомерная безусловная градиентная оптимизация.... |
49 |
2.2.1.1. Метод градиента.......................................................... |
51 |
2.2.1.2. Метод наискорейшего спуска..................................... |
56 |
2.2.1.3. Метод сопряженных градиентов................................ |
59 |
2.2.2. Многомерная безградиентная оптимизация.................... |
62 |
2.2.2.1. Метод Гаусса–Зайделя................................................ |
63 |
2.2.2.2. Симплексный метод .................................................... |
65 |
2.2.2.3. Метод параллельных касательных............................. |
70 |
2.2.3. Многомерная случайная оптимизация............................. |
72 |
2.2.4. Линейное программирование............................................ |
74 |
2.2.4.1. Ограничения и целевая функция задач линейного |
|
программирования.................................................................... |
74 |
2.2.4.2. Общая постановка задач линейного |
|
программирования.................................................................... |
77 |
2.2.4.3. Геометрическая интерпретация решения задач |
|
линейного программирования................................................. |
81 |
2.2.5. Транспортная задача........................................................... |
92 |
2.2.5.1. Постановка транспортной задачи на примере.......... |
92 |
2.2.5.2. Общая постановка транспортной задачи................... |
94 |
2.2.5.3. Решение транспортной задачи методом |
|
«северо-западного угла» .......................................................... |
96 |
2.2.5.4. Решение транспортной задачи методом Фогеля ...... |
99 |
2.2.6. Задача о назначениях.......................................................... |
103 |
3
2.2.6.1. Постановка задачи о назначениях.............................. |
104 |
2.2.6.2. Алгоритм решения задачи о назначениях |
|
«венгерским методом» ............................................................. |
105 |
2.3. Контрольные вопросы и задания.............................................. |
113 |
Раздел 3. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПЛАНИРОВАНИЕ |
|
ЭКСПЕРИМЕНТА................................................................................ |
117 |
3.1. Основные понятия и определения............................................ |
117 |
3.2. Место планирования эксперимента в процедуре |
|
идентификации технических систем............................................... |
118 |
3.3. Функция отклика. Факторы и требования к ним.................... |
121 |
3.4. Ошибки опытов. Дисперсия воспроизводимости................... |
125 |
3.5. Полный факторный эксперимент (ПФЭ)................................. |
129 |
3.5.1. Матрица планирования эксперимента. Её свойства....... |
129 |
3.5.2. Метод наименьших квадратов. Оценка коэффициентов |
|
модели............................................................................................ |
132 |
3.5.3. Оценка значимости коэффициентов модели.................... |
135 |
3.5.4. Оценка адекватности модели............................................. |
137 |
3.6. Матричный подход в теории планирования эксперимента..... |
138 |
3.7. Критерии оптимальности экспериментальных планов.......... |
145 |
3.8. Дробный факторный эксперимент для двухуровневых |
|
факторов............................................................................................. |
148 |
3.9. Понятие о планах второго порядка.......................................... |
152 |
Пример 1. Исследование упругой характеристики системы |
|
шпиндель–деталь токарного станка................................................ |
161 |
Пример 2. Получение модели, характеризующей зависимость |
|
температуры резания от основных факторов процесса |
|
резания................................................................................................ |
171 |
Пример 3. Применение ротабельного планирования второго |
|
порядка для минимизации шероховатости при обработке |
|
материалов резанием ........................................................................ |
175 |
3.10. Контрольные вопросы и задачи.............................................. |
182 |
Заключение............................................................................................ |
184 |
Список литературы............................................................................... |
185 |
Приложение 1 ........................................................................................ |
187 |
Приложение 2 ........................................................................................ |
188 |
Приложение 3 ........................................................................................ |
189 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Начала (основы) инженерного творчества» входит в учебные планы практически всех специальностей технического профиля. При этом названия дисциплин отличаются от упомянутого только конкретизацией предметной области. Указанная дисциплина изучается, как правило, на третьем курсе (5-й или 6-й семестры) На этом этапе обучения студенты представляют направление инженерной деятельности, в котором они будут специализироваться, изучив «Введение в специальность». Например, по специальности «Технология машиностроения» это базовая дисциплина цикла ОПД «Технологические процессы машиностроительных производств». К этому времени студентами пройдена также большая часть предметов общетехнического цикла.
Структура курса опирается на квалификационные требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования направления подготовки дипломированного специалиста 151000 «Конструкторско-техно- логическое обеспечение машиностроительных производств». Согласно ГОС инженер по специальности 151001 «Технология машиностроения», со специализацией 120117 «Технология, конструирование и автоматизация нестандартного оборудования» должен быть подготовлен к решению следующих задач по виду профессиональной деятельности:
–формулирование целей проекта, задач, построение структуры их взаимосвязей, выявление приоритетов решения задач;
–разработка вариантов проектов, решения проблем, их анализ и выбор оптимального, планирование реализации конструкторских и технологических проектов;
–использование информационных технологий при проектировании и изготовлении изделий;
–разработка программ и методик испытаний изделий, средств технологического оснащения, автоматизации и управления;
5
– планирование эксперимента и использование методик математической обработки его результатов.
Основы подготовки студента для решения указанных задач и составляют цель данного курса. Получение базовых знаний способствует творческому подходу к дальнейшему изучению общетехнических и специальных предметов. Инженерное творчество относится к научно-технической деятельности, которая порождает нечто качественно новое, никогда ранее не существовавшее. Поэтому для специалистов – выпускников технических вузов является актуальным знание патентного права, умение подготовить заявки на изобретения, а также решение оптимизационных задач применительно к процессам проектирования и изготовления объектов новой техники.
Известно, что проектирование состоит из нескольких этапов [1, 2]. На этапе выбора решения решаются изобретательские задачи. Эта стадия включает в себя исследование проектной ситуации, формирование концепций и разработку технического предложения. Третья стадия процесса проектирования – исследование ранее принятого решения в рамках научноисследовательской разработки (НИР). На этой стадии проводится инженерный анализ, необходимые исследования и разрабатываются рекомендации.
Таким образом, важным звеном решения любой инженерной (научной) задачи является литературный обзор, в том числе патентный, поиск решения на базе современного уровня развития техники и технологии в наиболее развитых промышленных странах по данному направлению, выявление изделий и способов производства – аналогов создаваемого объекта и, наконец, получение патентоспособного решения [3].
Параметры создаваемого изделия (способа, процесса) должны быть по крайней мере не хуже, чем у аналогов, а следовательно, специалисты должны владеть методами получения оптимальных решений. Здесь оптимизация понимается в широком смысле. Получение оптимального решения может про-
6
изводиться аналитически, численно и наконец экспериментально. Оптимизации как одному из направлений математики посвящено большое количество учебников и монографий [4–10]. Важным инструментом принятия оптимальных управленческих и технических решений является линейное программирование [11].
Известно, что стратегия экспериментальных исследований при ограниченных средствах, необходимых для их проведения, должна быть построена определённым образом, иначе говоря, спланирована [12, 13, 14].
Имеется ряд учебников, в которых отражены те или иные аспекты инженерного творчества. В пособии Б.В. Литвинова [15] рассмотрен комплекс вопросов инженерной деятельности, математический аппарат, необходимый современному специалисту, надёжность технических систем, основы управления коллективами, в том числе малыми группами. Автор имеет более чем 30-летний опыт работы в должности Главного конструктора одного из ведущих НИИ России. Учебник предназначен для студентов старших курсов технических университетов. Также многопланово рассмотрены различные аспекты инженерного творчества в пособии [16]. В учебном пособии А.С. Донскова [17] приведены критерии развития технических объектов, законы развития техники. Охарактеризованы методы инженерного творчества, а также дана постановка и поиск решения технической задачи, как традиционными методами, так и на уровне изобретения. Приводятся краткие сведения о международной патентной классификации и содержании заявки на изобретение. К техническому творчеству также относится учебник для вузов [18], в котором даны направления творче- ско-конструкторской деятельности, представлены различные методы развития конструкторских способностей учащихся. Предназначено это учебное пособие для студентов педагогических вузов.
7
Структура предлагаемого пособия соответствует рабочей программе элективной дисциплины «Начала инженерного творчества», в которой определены следующие основные задачи её изучения:
–знакомство с методами решения изобретательских задач, структурой описания изобретения и подготовка учебной заявки на изобретение;
–изучение основных методов численной оптимизации
иих реализации в одном из математических пакетов, например в системе MathCAD, общий подход к решению задач линейного программирования, в том числе транспортной задачи;
–изучение основ планирования эксперимента и получения инженерной математической модели исследуемого объекта.
Указанный набор задач определяется тем, что современному инженеру часто приходится решать не только чисто технические вопросы проектирования изделий, но и вопросы планирования и организации производства.
В связи с особенностями учебного плана по специальности 150001 и рабочих программ по читаемым на кафедре дисциплинам в пособии лишь упомянуты методы инженерного
творчества, которые подробно рассматриваются студентами в курсе «Проектирование нестандартного оборудования» [2]. Кроме того, не приводятся регулярные методы оптимизации и методы многокритериальной оптимизации, включенные в программу курса «Математическое моделирование в машиностроении» [19].
Учебное пособие содержит три раздела, по содержанию соответствующие задачам её изучения.
Основные понятия и определения, а также наиболее значимые места в тексте выделены курсивом или жирным шрифтом.
В первом разделе представлена системная информация по основам патентоведения, которая позволяет получить знания
8
по организации охраны интеллектуальной собственности в России и за рубежом, по видам интеллектуальной собственности, порядку разработки заявок на патенты и полезные модели. В целом рассматриваются информационные ресурсы, которые помогают выявлять существующий уровень состояния той области техники, в которой работает инженер. В разделе содержатся важные сведения об основных источниках информации о существующей интеллектуальной собственности. Для будущего инженера очень значимо развитие умений самостоятельной работы с данными источниками (например, с базами данных службы Роспатента) для обоснования актуальности
иновизны собственных научных разработок и технических решений.
Во втором разделе представлены математические основы поиска оптимальных технических решений. Рассмотрены методы оптимизации функций качества технических объектов. В частности, содержатся подробные алгоритмы реализации одномерных и многомерных методов поиска оптимальных значений функций одной и нескольких переменных с использованием численных методов. Представлены многомерные методы оптимизации, опирающиеся на анализ как самой целевой функции, так и её производных. Приведены конкретные примеры поиска оптимальных значений функций.
Третий раздел содержит сведения по организации и планированию экспериментальных исследований. В начале раздела изложена теория планирования полного факторного и дробного факторного эксперимента: построение функций отклика
итребования к факторам. Далее содержатся математические основы обработки экспериментальных данных и анализа результатов. Приведены примеры постановки экспериментов, критерии и оценки адекватности полученных математических моделей. В частности представлены исследования упругой характеристики системы «шпиндель – деталь токарного станка» (анализ влияния подачи, числа оборотов шпинделя и глубины
9
резания на величину упругой характеристики); исследование влияния основных факторов процесса резания на температуру
взоне резания, а также применение математической модели, полученной экспериментально, для минимизации шероховатости при обработке материалов резанием.
Авторы учебного пособия:
–завкафедрой «Технология, конструирование и автоматизация в специальном машиностроении» аэрокосмического факультета ПГТУ, канд. техн. наук, почётный работник высшего образования доцент Борис Федосеевич Потапов;
–декан аэрокосмического факультета ПГТУ, докт. техн. наук, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические установки» Бульбович Роман Васильевич;
–доцент кафедры «Технология, конструирование и автоматизация в специальном машиностроении» аэрокосмического факультета ПГТУ, канд. техн. наук Крюков Алексей Юрьевич.
Пособие разработано на основе курса лекций, читаемых авторами студентам 3–4-х курсов на кафедрах РКТиЭУ и ТКА
впериод с 1990 по 2008 гг., а также на основе результатов самостоятельных исследований научно-технической информации по постановке и решению задач.
Предисловие и заключение, а также разделы 2-й и 3-й написаны авторами совместно; раздел 1-й учебного пособия подготовлен Б.Ф. Потаповым.
Авторы просят читателей направлять свои отзывы, замечания и пожелания по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, Пермский государственный технический университет, аэрокосмический факультет, кафедра «Технология, конструирование и автоматизация в специальном машиностроении», Б.Ф. Потапову. Контактный телефон 8-(342)-239-15-08.
10