Иерархия описания технических объектов

Волгоградский Государственный Технический Университет Факультет подготовки инженерных кадров Контрольная работа по курсу «Концептуальное проектирование систем»

Тема: «Иерархия описания технических объектов»

Волгоград

Введение

При разработке любого нового устройства перед инженером встают задачи выбора пути осуществления разработки. В случае со сравнительно несложным устройством, разрабатываемым единственным специалистом, его структура и принцип действия может быть представлена без документирования. Если же устройство достаточно сложно или разработку ведет команда разработчиков, возникает задача составления четкого описания устройства и его узлов.

В своей работе я рассмотрю общепризнанный иерархический метод построения такого описания и приведу примеры его реализации.

Иерархия описания технических объектов Каждый ТО может быть представлен описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность. Описания характеризуются двумя свойствами:

· каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует ТО по сравнению с предыдущим;

· каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

Такие свойства имеют следующие описания: потребность, или функция ТО; техническая функция (ТФ); функциональная структура (ФС); физический принцип действия (ФПД); техническое решение (ТР); проект. Иерархия этих описаний показана на рис. 1. Рассмотрим подробнее эти понятия.

Рисунок 1 Иерархия описаний ТО технический объект описание иерархический Потребность Это общепринятое и краткое описание на естественном языке назначения ТО или цели его создания (существования). При описании потребности отвечают на вопрос: «Что (какой результат) желательно иметь (получить) и каким особым условиям и ограничениям при этом нужно удовлетворить?»

Если рассматривать более детально описание потребности, то оно должно включать следующую информацию:

· необходимое действие (наименование действия);

· объект (предмет обработки), на которое направлено это действие;

· особые условия и ограничения.

Описание потребности формализованно можно представить в виде трех компонент:

Р = {D, G, Н), (1)

где D — указание действия, производимого рассматриваемым ТО и приводящего к желаемому результату, т. е. к удовлетворению (реализации) интересующей потребности;

G — указание объекта, или предмета обработки на который направлено действие D;

Н — указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие D. В табл.1 приведены примеры покомпонентного описания потребности.

Таблица 1 Примеры описания потребностей

Наряду с понятием потребности в инженерной практике также широко используется понятие функции ТО. Описания потребности и функции ТО тождественно совпадают. Различие между потребностью и функцией состоит в том, что понятие потребности всегда связано с человеком или автоматом (коллективом людей, автоматов), поставившим задачу реализации потребности и выполняющим проектирование соответствующего ТО и его изготовление.

Понятие функции всегда связано с ТО, реализующим эту потребность. В связи с этим интересно отметить, что человек часто выступает в двух качествах: как субъект, формулирующий потребность, и как элемент ТО, реализующий эту потребность. Мы будем отличать эти понятия только тем, что в описании потребности действия будем пользоваться отглагольным существительным, а функции — глаголом. В табл.1 в скобках указаны описания функции.

Техническая функция (ТФ) Описание ТФ содержит следующую информацию:

· потребность, которую может удовлетворить ТО;

· физическая операция (физическое превращение, преобразование), с помощью которой реализуются потребности.

Таким образом, описание ТФ состоит из двух частей: F — (P, Q), (2)

где Р — удовлетворяемая потребность, описываемая по формуле (1); Q — физическая операция.

Таблица 2 Примеры описания физических операций

Описание физической операции (ФО) формализованно можно представить состоящим из трех компонент:

Q = (Ат, Е, Ст), или Q = (Aт->E->Cт), (3)

где Ат, Ст — соответственно входной или выходной поток (фактор) вещества, энергии или сигналов; Е — наименование операции Коллера по превращению Ат в Ст. Это описание отвечает на вопросы «что» (Ат), «как» (Е), «во что» (Ст) преобразуется с помощью описываемого ТО. Число входов Ат, действий Е и выходов Ст в общем случае произвольное. Иначе говоря, под физической операцией будем подразумевать физическое преобразование заданного входного потока, или фактора, в выходной поток (фактор). В табл.2 приведены примеры описания ФО для ТО, указанных в табл.1.

Функциональная структура (ФС) Подавляющее большинство ТО состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков, узлов) и могут быть естественным образом разделены на части. Каждый элемент как самостоятельный ТО выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию (ФО), т. е. между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.

Во-первых, элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом, которые образуют конструктивную функциональную структуру. Конструктивная ФС представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов, а ребрами — функции элементов.

Кроме функциональных связей, между элементами ТО имеются еще потоковые связи, т. е. элементы, реализуя определенные физические операции, образуют поток преобразуемых или превращаемых веществ, энергии, сигналов или других факторов. Например, в прокатном стане на входе такого потока имеются заготовки сечением 200×200 мм, а на выходе — стальная лента толщиной 1 мм, шириной 2 м; в гидроэлектростанции на входе — поток воды с напором 20 м и расходом 150 м3/с, а на выходе — электрический ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

Такие потоки определенным образом объединяют и связывают элементы ТО и соответственно их ФО. В сложных ТО часто присутствуют несколько взаимосвязанных потоков.

Взаимосвязанный набор ФО, реализующих один определенный поток преобразований вещества, энергии или сигналов, либо несколько взаимосвязанных потоков будем называть потоковой функциональной структурой. Потоковая ФС представляет собой граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО или наименования операций Коллера Е, а ребрами — входные Ат и выходные Ст потоки (факторы).

Различают две разновидности потоковой ФС: конкретизированная потоковая ФС, у которой в вершинах графа указаны наименования элементов; абстрагированная потоковая ФС, у которой в вершинах графа указаны наименования операций Коллера. Абстрагированную потоковую ФС называют также структурой физических операций.

Таким образом, существуют функциональные структуры ТО двух видов: конструктивная ФС и потоковая ФС, которые дополняют друг друга. При решении различных прикладных задач (конструирования, обучения и т. д.) используют или только конструктивную ФС, или потоковую ФС, или одновременно обе разновидности.

Таблица 3 Пример описания физических эффектов

В потоковой ФС каждый элемент реализует определенную ФО. Такая реализация происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов.

Под физико-техническими эффектами будем понимать различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах. Как правило, в физико-технических эффектах имеет место определенная причинно-следственная связь между «входом» и «выходом». Физико-технический эффект должен иметь стандартное формализованное (имеющее определенную структуру) описание, удобное для технических приложений н машинной обработки.

Наиболее обобщенное качественное описание физико-техннческого эффекта состоит из трех компонент:

(А, В, С), или (А->В->С), (4)

где, А — входной поток вещества, энергии или сигналов; С — выходной поток; В — физический объект, обеспечивающий или осуществляющий преобразование, А в С. Для входного, А и выходного С потоков, так же как и для компонент Ат, СТ в формуле (3), можно указать носители потоков и их качественные и количественные характеристики. В табл.3 приведены примеры описания физико-технических эффектов по формуле (4).

Физический принцип действия (ФПД) Под ФПД будем понимать ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами входные, А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов. Таким образом, во многих случаях ФПД легко построить с помощью потоковой ФС путем замены наименований элементов или физических операций на наименования объектов В.

Описание ФПД, как правило, содержит изображение принципиальной схемы ТО, в которой в упрощенно-идеализированной форме показаны основные конструктивные элементы, обеспечивающие реализацию ФПД, и указаны направления потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты. Принципиальная схема облегчает последующую разработку (конструирование) технического решения.

Техническое решение (ТР) Оно представляет собой конструктивное оформление ФПД или ФС. ТР конкретного ТО, как правило, описывается в виде двухуровневой структуры через характерные признаки ТО в целом и его элементов. При этом используют следующие группы признаков:

· указание (перечень) основных элементов;

· взаимное расположение элементов в пространстве;

· способы и средства соединения и связи элементов между собой;

· последовательность взаимодействия элементов во времени;

· особенности конструктивного исполнения элементов (геометрическая форма, материал и т. д.);

· принципиально важные соотношения параметров для ТО в целом или отдельных элементов.

В зависимости от вида рассматриваемого ТО элементом может быть часть детали, деталь, узел, блок, агрегат, техническая система (ТС), комплекс ТС. При описании ТР некоторых ТО может использоваться только часть признаков.

ТР конкретного ТО может быть описано с любой степенью детализации. Для этого используют иерархический набор двухуровневых описаний ТР, т. е. сначала описывают ТР устройства в целом, затем ТР каждого блока, затем — каждого узла и т. д. Описание ТР на естественном языке, как правило, дополняют его графическим изображением. Способы описания ТР достаточно хорошо разработаны и изложены в методических и инструктивных материалах по патентоведению, поскольку во всех патентах и авторских свидетельствах на устройства дается описание ТР прототипа и нового решения. Для большей ясности рассматриваемого понятия приведем следующий пример (фрагмент) описания ТР широко известного ТО.

Рис. 2. Дорожный велосипед Дорожный велосипед (рис. 2) состоит из следующих элементов:

· переднего колеса 1, на ось которого опираются концы вилки 2;

· передней вилки 2, соединенной с рамой шарниром 5, обеспечивающим поворот вилки вокруг вертикальной (или близкой к вертикальной) оси;

· руля 4, жестко соединенного с вилкой 2;

· ромбовидной рамы 5, сваренной из металлических трубок, и имеющихся сзади вилок 7, 10, концы которых соединены между собой;

· седла 6, жестко соединенного с верхним узлом рамы;

· педалей 9, соединенных цепной передачей 8 с задним колесом;

· заднего колеса 11, на ось которого опираются концы вилок 7, 10.

При вращении педалей 9 вращающий момент посредством цепной передачи 8 передается от оси педалей на заднее колесо, которое служит движителем и обеспечивает движение велосипеда с сидящим на нем человеком. Руль 4 обеспечивает управление движением на поворотах.

Если требуется более детальное описание велосипеда, то аналогично описывают ТР выделенных элементов. Например, переднее колесо состоит из оси, опирающейся через два шарикоподшипника на втулку; металлического обода с резиновой пневмошиной; 36 спиц, соединяющих с предварительным натяжением втулку с ободом. Здесь ввиду простоты и ясности изображение колеса не дается.

ТР представляет собой как бы безразмерное описание ТО, которое может иметь самые различные реализации по параметрам. К параметрам будем относить размеры ТО и его элементов, количественные характеристики входных и выходных потоков и другие важные измеряемые свойства ТО. Например, асинхронный электродвигатель при одинаковом ТР имеет десятки модификаций по размерам, силе тока, напряжению, частоте, частоте вращения, мощности и другим параметрам.

В отличие от ТР в проекте указываются значения параметров ТО и всех элементов до деталей. Он содержит всю необходимую информацию для изготовления и эксплуатации ТО. В зависимости от сложности ТО описание проекта составляет от нескольких до сотен томов, т. е. проекты ТС — это многотомные уникальные собрания сочинении, недоступные широкому читателю, но, как правило, осязаемые в виде готовых изделий и сооружений.

Следует отметить, что здесь под проектом подразумеваются рабочие чертежи и конструкторская документация. Для сложных ТО часто предварительно разрабатывают менее детальные проекты (техническое предложение, эскизный проект, технический проект и т. д.). Б этих промежуточных проектах степень детальности описания ТР обычно возрастает от технического предложения к рабочим чертежам. С понижением сложности ТО число промежуточных проектов сокращается.

Заключение

Таким образом, иерархическое описание технических объектов позволяет разбить задачу проектирования на части и упростить в итоге разработку.

С помощью метода может быть описано техническое устройство любой сложности — составляя сперва общее описание, и постепенно переходя к деталям мы можем описать всю конструкцию до мельчайших подробностей.

1. Половинкин А. И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов. — М.: Машиностроение, 1988. — 368 с.

2. Техническое творчество: теория, методология, практика / Под ред. В. И. Половинкина, В. В. Попова. — М., 1995. — 408 с.