1.5 Види робіт конструктора
У роботі конструктора тісно переплетені різні її складові: творча (аналіз і синтез різноманітних варіантів); технічна (розрахунки, випуск конструкторської документації); організаційна (керівництво виконавцями, перевірка, узгодження конструкторської документації, передача в архів); виробнича (супровід виготовлення виробу); коректувальна (зміна конструкторської документації у зв'язку з виправленням помилок, заміною матеріалів, удосконаленням конструкції і т. д.). Для різних умов конструювання співвідношення цих складових по трудомісткості дещо розрізняється: творча – (5 – 25)%, технічна – (10 – 50)%, організаційна – (5 – 15)%, виробнича – (10 – 50)%, коректувальна – (10 – 20)% [1]. Трудомісткість технічної складової приведена для випадку розробки конструкторської документації ручними способами.
При використовуванні ЕОМ трудомісткість технічної частини може бути зменшена.
Найскладнішою і найважливішою є творча частина роботи конструктора, при виконанні якої розв'язуються дві задачі: 1) аналіз - вивчення поведінки системи із заданою структурою, тобто вивчення залежності показників якості від окремих чинників і їх взаємозв'язку; 2) синтез - визначення оптимальної структури системи (конструкції) при заданих показниках якості і обмеженнях. У результаті аналізу визначаються: мета і задачі конструювання; існуючі рішення; можливі шляхи досягнення поставленої мети (ескізне опрацьовування); орієнтовна (довгострокова) оцінка шляхів досягнення мети і вибір найперспективнішого шляху (звичайно така оцінка здійснюється експертами). При синтезі здійснюється генерація деякого числа нових варіантів конструкцій. Це найбільш творчий етап. Найчастіше він здійснюється за допомогою набору евристичних прийомів, які має кожен конструктор. На цьому етапі якнайповніше виявляються інтуїція, досвід і творчі здібності конструктора, часто посилені завдяки колективній творчості (“мозковий штурм”, “синектика” і т. ін.) і використанню діалогового режиму між людиною і ЕОМ. При генерації варіантів підбираються такі параметри компонентів і такі взаємозв'язки, які забезпечили б отримання конструкції заданої якості.
Як при аналізі, так і при синтезі здійснюються оцінки кожного варіанту конструкції ЗВТ. При синтезі оцінки повинні бути точнішими, ніж при аналізі, і повинні забезпечувати прогнозування очікуваних результатів. Якщо варіант признається неприйнятним, то здійснюють синтез нового варіанту і його оцінку. Як правило, прийнятне рішення виходить після декількох ітерацій, особливо при оптимізації по декількох критеріях.
В даний час якнайповніше розроблені методи аналізу, а методи синтезу засновані, як правило, на використанні евристичних (неформальних) методів.
Аналіз можливих варіантів конструкції ЗВТ можна здійснити логіко-розрахунковим методом, евристичним методом і методом моделювання.
Евристичний метод - метод експертних оцінок - полягає у тому, що групі фахівців-експертів ставиться ряд питань, що стосуються сучасного стану або перспектив розвитку. Цей метод доцільно використовувати у разі достатньо систематизованої інформації про минуле і у разі, коли науково-технічний розвиток здебільшого залежить від схвалюваних рішень, ніж від наявних технічних можливостей.
Метод моделювання характеризується тим, що аналіз проводиться не на самих об'єктах, а на їх моделях, найчастіше математичних (іноді фізичних).
В процесі конструювання використовується як розумова діяльність, так і фізична праця. Розумова діяльність конструктора має місце на всіх етапах роботи, але домінує в творчій частині. Кожна нова конструкція, зазвичай, містить компоненти вже існуючих конструкцій і нові компоненти. На ранніх етапах розробки, коли необхідно визначити (синтезувати) нові компоненти, найчастіше використовують евристичні методи, засновані на інтуїції, які вимагають перевірки методом проб і помилок. Ці методи дозволяють виробити уявну екстраполяцію за межі відомого.
Логіко-розрахункові методи засновані на використанні формалізованих процесів, повторне застосування яких дає порівняльно точні результати. Іноді ці роботи можуть бути виконані на ЕОМ. Проте обчислювальної машини, ідентичної мозку людини, не існує. Людина може мислити словами, образами (предметами). Середня швидкість мислення людини становить 400 слів за хвилину. Людині властиві багатоканальність обробки інформації, асоціативність і гнучкість (неформальність) мислення, пристосованість до широкого діапазону зміни інформації, висока надійність виділення корисної інформації на фоні завад та перешкод, здатність ухвалення рішення в нестандартних ситуаціях, облік вірогідності подій і прогнозу їх розвитку (прогнозування).
Логіко-розрахунковий метод інтерполяції і екстраполяції заснований на перенесенні динаміки і станів, що мали місце в недалекому минулому, на теперішній час і майбутнє. Цей метод найкраще застосовувати у випадках, коли не очікується стрибкоподібних змін і не вимагається тривалого прогнозу.
Логіко-розрахункові методи використовують на завершальних етапах конструювання, коли задача сформульована і необхідно прискорити детальні і багаторазово повторювані операції проектування (інженерні розрахунки міцності, завадо- і теплостійкості, вологозахисту) або вибрати оптимальний варіант. Використання логіко-розрахункових методів на початкових етапах проектування супроводжується втратою гнучкості ухвалення рішення в умовах невизначеності початкових даних. Оскільки ця невизначеність має місце при нових задачах, які постійно виникають, то очевидно, що роль евристичних методів і прийомів в майбутньому не зменшиться. Необхідно відзначити, що як евристичні, так і логіко-розрахункові методи мають, як правило, творчий характер.
Розрізняють наступні етапи розумової діяльності людини: 1) підготовка, накопичення знань з даного питання, формулювання задачі (аналіз і початковий етап синтезу); 2) концентрація зусиль - наполеглива робота з метою синтезу нового рішення (генерація варіантів, їх оцінка); 3) перерва - період розумового відпочинку, відволікання від задачі яка вирішується; 4) осяяння (відкриття, еврика) - отримання нової ідеї або зміна вже відомої, що і веде до отримання шуканого рішення; 5) доведення роботи до кінця, узагальнення, оцінка результатів. Характерним для видів розумової діяльності є те, що осяяння (відкриття) зазвичай слідує за перервою, а також характер евристичної діяльності, яка не формалізується.
Труднощі розумової роботи полягають в більшому стомленні від напруженої розумової праці, ніж від фізичної, а також неможливості одночасного охоплення великих об'ємів інформації. Перша трудність пов'язана з фізіологічними можливостями людини, яка легше переносить фізичні навантаження, ніж розумові, друга зумовлена великим об'ємом інформації і її розосередженістю. Часто легше винайти щось знову, ніж знайти старе рішення. В результаті цього знижується частка великих винаходів, звужуються теми дисертацій, полегшуються вимоги до конструкцій і т. ін.
Увесь комплекс задач, що вирішується конструктором при синтезі конструкції, можна розділити на дві групи: 1) генерація можливих варіантів конструкції (комбінація поєднань початкових чинників, обмежень і зв'язків між ними); 2) аналіз і оцінка кожного варіанту конструкції для вибору якнайкращого.
Генерація нових варіантів є одним з найбільш творчих етапів роботи конструктора. Методи генерації варіантів пройшли в своєму розвитку ряд етапів і продовжують розвиватися в даний час. Першими конструкторами були кустарі і ремісники. Основним способом їх конструювання був метод “проб і помилок”, який полягав в у експериментальній переробці окремих частин виробу і оцінки результатів цих переробок. Вся інформація про конструкцію містилася в самій конструкції і голові ремісника. В результаті використання цього методу протягом століть створювалися шедеври (предмети античного світу і т. ін.). Основним недоліком методу була нероздільність експериментування (конструювання) і виробництва. Це зумовлювало високу вартість хорошої конструкції і великі витрати часу на її створення. Оскільки якість конструкції залежала від мистецтва ремісника, то хороші конструкції були унікальні; кількість їх була незначна, а вартість висока. Відсутність технічної документації призводила до того, що, наприклад, ще у середині XVIII ст. вироби військової техніки відтворювалися за зразком, який возили з заводу на завод.
Створення в середині XIX ст. креслень відкрило новий етап у розвитку методів конструювання, оскільки дозволило експериментувати на масштабному кресленні і, тим самим, відділити його від виробництва. Креслярський метод конструювання дозволив також здійснити розподіл праці не тільки між конструкторами і виробниками, але і серед самих конструкторів і самих виробників. Це сприяло об'єднанню зусиль груп людей і створенню складніших виробів в коротші терміни з меншими витратами засобів і часу, з вищою якістю завдяки спеціалізації конструкторів. Скоротити час конструювання дозволила та обставина, що, використовуючи креслення, конструктор може ігнорувати майже все поле пошуку і сконцентрувати увагу на тих невеликих його ділянках, де можна чекати прийнятних рішень. За допомогою креслення конструктор може змінити структуру виробу в цілому замість того, щоб, подібно реміснику, вносити в нього дрібні корективи. Крім того, з'явилась можливість фіксації інформації. Складність сучасної техніки, зокрема ЗВТ, велика кількість чинників, що враховуються при конструюванні, і можливих варіантів конструкції поставили питання про розробку нових методів, що дають змогу здійснити ще більшу концентрацію зусиль конструкторів, ще більший розподіл їх праці при одночасному збільшенні ефективності контролю процесу конструювання завдяки формалізації вибору якнайкращих рішень. Це призвело до створення нових методів конструювання, заснованих на використанні таких розділів науки, як системотехніка, методи дослідження операцій, теорія рішень, мережеве планування, ергономіка, технічна естетика, і багатьох інших з новітніх галузей науки, техніки, мистецтва, перш за все методів генерації ідей.
Нові методи генерації ідей засновані на використанні унікальних можливостей людського мислення і посилення спеціалізації та концентрації зусиль конструкторів. До них, зокрема, відносяться діаграма ідей, матриця ідей, асоціація, інверсія, метод мозкового штурму, синектика.
Використання діаграми ідей засноване на тому, що дуже важко думати одночасно над декількома проблемами, хоча око людини може сприймати одночасно нескінченно велику кількість предметів і відрізняти їх один від одного. Це дозволяє представити можливі варіанти конструкції ЗВТ у вигляді деякої діаграми (рис. 1.1) з метою послідовного аналізу найперспективніших варіантів. При цьому може бути знайдена можливість створення нової конструкції шляхом знаходження невикористаних варіантів або нових поєднань різних варіантів.
Рисунок 1.1 – Приклад діаграми ідей для забезпечення ремонтопридатності ЗВТ
Матриця ідей є засобом обліку різних варіантів шляхом впорядкованого їх перебору. Припустимо, що на вибір конструкції ЗВТ впливають три групи чинників: орієнтація плат, конструкція електромонтажу, конструкція блоку (рис. 1.2). В цьому випадку матриця ідей може бути представлена у вигляді куба, кожне ребро якого містить чинники однієї групи. Кожен елементарний кубик є варіантом конструкції. В даному випадку їх є 27. Введення обмежень дозволяє скоротити область можливих рішень. Наприклад, вибравши горизонтальну орієнтацію плат і жорсткий друкований монтаж, можна зменшити кількість можливих варіантів конструкції до трьох (по кількості видів конструкції блоку).
Рисунок 1.2 – Приклад матриці ідей при виборі конструкції блоку ЗВТ
Метод асоціації заснований на здатності людини так перетворювати одержані раніше знання, щоб їх можна було використовувати для нових умов. Прикладом може бути використання медичного шприца для подачі герметизуючого компаунда у важкодоступні місця при виробництві ЗВТ, або конструкція антени радіолокаційної станції у виді комірчастої структури (типу бджолиних стільників).
Метод інверсії передбачає розгляд задачі з протилежних позицій по відношенню до прийнятих, наприклад: порівняння параметрів конструкції починаючи не з нижнього значення, а з верхнього; визначення не форми блоку в залежності від відведеного для нього об'єму, а навпаки; не зменшення, а збільшення надмірності адресних формувачів напівпровідникової пам'яті (при цьому збільшиться швидкодія внаслідок зменшення довжини ліній); забезпечення температурної стабільності не охолодженням, а нагріванням кварцової пластини до певної температури; не збільшення густини компоновки радіоелементів на платі, а зменшення її, що дозволяє покращити ремонтну придатність і полегшити тепловідвід (габарити ЗВТ при цьому можуть навіть знизитися за рахунок зменшення габаритів системи охолодження).
Метод мозкового штурму заснований на можливості отримання нових ідей шляхом творчої співпраці учасників організованої групи. Він проводиться у виді бесіди, коли кожен вільно висуває пропозиції, а критика їх заборонена. Цей метод найбільш ефективний на початкових етапах конструювання, коли завдання повністю ще не визначено. Найкращі результати виходять, коли група з 5... 10 чоловік працює не більш за 1 год. Для проведення сеансу мозкового штурму потрібні керівник, ініціатор і пристрій аудіозапису. Керівник у жодному випадку не повинен робити критичних зауважень. Ініціатором може бути один з учасників групи. Якщо сеанс мозкового штурму виявився безуспішним, то основна вина в цьому лежить на керівнику. Учасники мозкового штурму ретельно підбираються заздалегідь.
Метод синектики заснований на збільшенні продуктивності розумової діяльності людини при використанні аналогій. Зазвичай рішення шукає група фахівців. Наприклад, керівник групи ставить задачу забезпечити ремонт конструкції ЗВТ в умовах невагомості. Для імітації цього в наземних умовах пропонується виконати отвір в шматку пінопласту, підвішеного на нитці. Традиційні методи виконання цієї роботи за допомогою свердління не підходять. Хтось з членів групи пропонує пропалити отвір паяльником. Далі група досліджує можливість використання цього принципу для реалізації конструкції, ремонт якої здійснюється електронним променем.
Контрольні запитання до теми “Основи конструювання засобів вимірювальної техніки”
Що таке конструкція ЗВТ, та що входить до її складу?
Хто формує вимоги до нового виробу?
Хто приймає участь у розробці конструкції ЗВТ?
Які існують стадії та етапи розроблення нового виробу, конструкції?
Хто виконує науково-дослідні роботи і як вони контролюються?
Що саме входить до обов’язків керівника НДР?
Які роботи виконуються на етапі НДР?
Хто виконує дослідно-конструкторські роботи і як вони контролюються?
Що саме входить до обов’язків керівника ДКР?
Які роботи виконуються на етапі ДКР?
У чому полягає суть системного підходу при конструюванні ЗВТ?
Що таке аналіз та синтез нових варіантів конструкцій ЗВТ?
Якими методами здійснюється аналіз конструкції?
Якими методами здійснюється синтез конструкції?
Які існують види робіт конструктора?
Пояснити необхідність застосування діаграми ідей.
Пояснити необхідність застосування матриці ідей.
Пояснити суть методу асоціації.
Пояснити суть методу інверсії.
Пояснити суть методу мозкового штурму.
Пояснити суть методу синектики.
Пояснити роль керівника групи конструкторів при використанні методів генерації нових ідей для правильного проектування виробу.
Л Е К Ц І Я № 3
Т Е М А 2: Правила виконання схем засобів вимірювальної техніки