Послідовність виконання роботи

7.1. Згідно виданих описів на винаходи сформулювати задачі.

7.2. Привести аналіз окремих етапів сформульованих задач.

7.3. Визначити рівні рішень.

7.4. Зробити висновок по роботі.

Зміст звіту

8.1. Ознайомитись та проаналізувати готові рішення винахідницьких задач.

8.2. Визначити рівень складності готових рішень винахідницьких задач.

8.3. Написати висновок по роботі.

Питання для самоконтролю

9.1. Дайте визначення творчості?

9.2. Перелічіть стадій рішення творчих задач.

9.3. Скільки існує рівнів творчих задач?

9.4. Для чого проводять визначення рівня творчості творчої задачі?

Бібліографічний список

1. Кузнєцов Ю.М., Луців І.В., Дубиняк С.А. Теорія технічних систем: Навч. посібник / За ред. Ю.М. Кузнєцова. К. – Тернопіль, 1998. – 310 с., іл.

2. Чус А.В., Данченко В.Н. Основы технического творчества: Учеб. Пособие. – Днепропетровск: ДметИ, 1980. – 107 с.

3. Кузнєцов Ю.М., Скляров Р.А. Прогнозування розвитку технічних систем: Навч. посібник / За ред. Ю.М. Кузнєцова. К. – Тернопіль, 2004. – с. 323: іл.

Практична робота №3.

Використання методів розв'язання винахідницьких задач.

1. Мета роботи. Засвоїти методику використання на практиці основних методів рішення творчих задач. Проаналізувати отримані результати та зробити відповідні висновки щодо переваг та недоліків різних методів.

2. Тривалість заняття – 4 академічні години.

3. Обладнання робочого місця: міліметровий папір формату А4, набір креслярського інструменту, калькулятор, комп’ютер з програмним забезпеченням.

4. Місце проведення заняття: лабораторія №38 розрахункового курсу кафедри сільськогосподарських машин.

Загальні відомості

Нині в інженерній практиці розроблено багато (більше 100) методів активізації творчості, які можна умовно поділити на дві групи:

1.  евристичн і, за допомогою яких вирішують завдання технічної творчості без використання ЕОМ;

2.  комп'ютерні, побудовані на використанні ЕОМ.

Можлива і інша класифікація методів, згідно з якою їх можна розділити на чотири групи:

1. Системні, які направлені на послідовний перебір усіх можливих варіантів рішення і побудовані на принципах аналізу побудови і особливостей ТС (об’єкта).

2. Асоціативні (психологічна активізація творчості), які передбачають активізаці генерування ідей шляхом психологічного подолання інерції мислення.

3. Програмні (алгоритмічні), які передбачають більш або менш цілеспрямований рух до вирішення завдання.

4. Комбіновані, як сполучення перших трьох груп методів.

Більш детально з окремими методами рішення творчих задач можна ознайомитись в рекомендованій літературі, наведеній в кінці даних методичних рекомендацій. Зупинимось лише на двох, найбільш вживаних на наш погляд методах.

5.1. Метод морфологічного аналізу

Метод морфологічного аналізу спрямований на послідовний перебір усіх можливих варіантів рішення і є яскравим прикладом системного підходу до рішення творчих задач.

Мета методу - системно досліджувати усі можливі варіанти рішення задач, які витікають із закономірностей будови (морфології) об'єкту (ТС), що удосконалюється, і тим самим врахувати, крім відомих, незвичайні варіанти, котрі при простому переборі могли бути знехтувані.

Ідея методу - відійти в зону, далеку від того, що лежить на виду.

Суть методу полягає в тому, що в ТС яка удосконалюється виділяють декілька характерних для неї структурних, морфологічних ознак, за кожною з котрих складають максимально повний перелік різних конкретних варіантів (альтернатив) технічного вираження використання цих ознак. Таким чином, кожна ознака може характеризувати певний конструктивний вузол (елемент структури) ТС, деяку функцію (або зв'язок між елементами), певний режим роботи (або стану) ТС, якусь форму взаємодії вузлів (елементів), тобто параметри, характеристики ТС, від котрих залежить вирішення проблеми і досягнення основної мети.

Ознаки з їх альтернативами розташовують у вигляді таблиці, яка зветься морфологічним ящиком (матрицею, картою, моделлю або таблицею), що дозволяє краще уявити пошукове поле. Матриці можуть бути записані у буквеному або цифровому вигляді по рядках або по стовпчиках:

                                                                  (1)

Перевага методу - його багатоваріантність. Оскільки метод заснований на використанні морфології об'єктів, він дозволяє організувати простір (обшир) змін об'єкту (морфологічний ящик) і систематично його аналізувати. При цьому на відміну від простого перебору виключається пропущення якихось варіантів, що дозволяє подолати інерцію мислення фахівців, знайти оригінальні рішення на неосяжній (неоглядній) в розумінні повного перебору множині (полі).

До недоліків методу належить те, що поряд з реально можливими комбінаціями варіантів характеристик (або ознак) морфологічна матриця має велику кількість несумісних варіантів. Поки що не розроблено апарату вибору допустимих рішень з великої кількості можливих варіантів. В теперішній час для вирішення цієї задачі мають місце спроби використання ЕОМ. Коли буде знайдено дійсно практичний і універсальний метод оцінки ефективності застосування того чи іншого варіанту, можна буде, виходячи тільки з теоретичних міркувань, обирати оптимальну комбінацію елементів для кожної проектованої ТС. Таким чином, процес винахідництва, по суті, був би замінений безпосередньо аналізом альтернативних варіантів.

Частіше всього виявляється, що робочі характеристики ТС, в основу побудови якої покладена невідома раніше комбінація елементів (ознак), в більшій чи меншій мірі є невизначеними, що залежить від ступеню відходу від існуючого рівня розвитку техніки.

Область застосування методу - рішення технічних задач, які відносяться до об'єкту (ТС) в цілому при наявності повної інформації про об'єкт (ТС) і направлені на удосконалення об'єкту (ТС). Застосовування методу вимагає систематизованого логічного мислення. Найбільш доцільна область використання методу - рішення конструкторських задач загального плану (проектування машин, їх вузлів, механізмів, технологічного оснащення, інструментів, пошук технологічних принципів, компонувань, схем, способів формоутворення, тощо).

Метод можна використовувати при прогнозуванні розвитку ТС, при визначенні можливості патентування в тому чи іншому абстрактному вигляді комбінацій основних параметрів з метою "заблокувати" можливі майбутні винаходи.

Є п'ять послідовних етапів морфологічного аналізу:

1) точне формулювання задачі (проблеми), яка відображає основну вимогу до об'єкту;

2) розподіл об'єкту на функціональні елементи (ознаки) з складанням списку усіх морфологічних ознак і вимог до них, тобто усіх важливих характеристик об'єкту, його параметрів, від котрих залежать рішення проблеми і досягнення основної мети;

3) незалежний розгляд усіх елементів (ознак) і вибір для кожного повного набору різних варіантів реалізації, тобто складання усіх можливих варіантів за кожною характеристикою незалежно і побудова морфологічної моделі (таблиці, ящики, матриці);

4) аналіз функціональної цінності рішень, які виникають з матриці з визначенням цінності усіх одержаних варіантів, тобто синтез варіантів об'єкту;

5) вибір найбільше раціональних варіантів конкретних рішень, тобто вибір кращих сполучень згідно заданого критерію.

Розглянемо особливості виконання кожного етапу.

  Етап 1. Формулювання задачі. Часто початкове формулювання задачі не містить прямої вказівки про потребу вести конструкторський пошук її компонування. Пряме розуміння задачі буває заховане за багатослівністю її викладення або за невдало обраною термінологією. Метод потребує точного формулювання. Проте цю вимогу нелегко виконати.

Етап 2. Розподіл об'єкту на морфологічні ознаки. Точне формулювання задачі дозволяє виділити коло характеристик об'єкту (структурних елементів, зв'язків і їх ознак), від котрих в основному залежить виконання заданих вимог. В загальному випадку для конструкцій в якості морфологічних ознак можуть бути обрані: а) функціонально важливі елементи (деталі, вузли, прилади і т. і.); б) взаємний зв'язок між елементами; в) взаємне розташування елементів.

Етап 3. Складання морфологічної моделі (матриці). Основна вимога до цього етапу - недопустимість критичної оцінки по відношенню до сформульованих варіантів характеристик об'єкту. Таку критичну оцінку здійснюють на наступному етапі стосовно до одного або декількох варіантів у цілому. При цьому не враховують взаємозв'язки між різними варіантами інших характеристик. Щоб підвищити вірогідність внесених в морфологічну матрицю нових, оригінальних варіантів об'єкту, необхідно використовувати інформацію, яка відноситься не тільки до даного об'єкту або класу об'єктів. Ефективним є функціональний підхід, який дозволяє використовувати інформацію з інших галузей техніки. При цьому слід керуватися наступним. Спочатку складають загальний перелік варіантів розглядуваної характеристики. Потім групують їх за принципом близьких властивостей. З кожної групи варіантів відокремлюють найбільш важливі. Скорочений перелік включають в морфологічну таблицю. Ця процедура скорочує неістотну інформацію.

Етап 4. Синтез варіантів об'єкту. Після заповнення морфологічної матриці переходять до синтезу варіантів. Кількість варіантів може обчислюватись астрономічними числами, тому що кожна і -та характеристика з "п" характеристик володіє певним числом К_і різних варіантів (альтернатив). Сукупність варіантів морфологічної матриці дає можливість визначити повну кількість рішень:

                                                                                                (2)

Якщо кожна з "п" характеристик має однакову кількість альтернатив (К₁=К₂=...=К_п=сопst), то повна кількість рішень

                                               N = Kⁿ.                                                 (3)

З врахуванням великої кількості варіантів безсистемний їх перебір несприятливий. При виконанні четвертого етапу слід керуватися переліком технічних вимог, які є в технічному завданні і відкоректовані з урахуванням уточнення формулювання задачі.

Етап 5. Вибір раціональних (кращих) варіантів. На цьому етапі вибирають не більш 2-3 варіантів кращих рішень для детальної конструктивної проробки.

Можна рекомендувати такий порядок вибору кращих рішень:

1) здійснити ранжування вимог по їх значимості;

2) здійснити ранжування варіантів рішення з врахуванням числа вимог, які вони задовольняють, і їх значимості;

3) використовуючи експертні оцінки або інший метод неформальних процедур, вибрати 2-3 найбільш сприятливих варіанти.

 

Методика виконання роботи

Суть методу розглянемо на прикладі синтезу швидкохідних підшипників. Приклад

1. Запропонувати варіанти виконання швидкохідних підшипників і вибрати краще рішення по швидкохідності з урахуванням сприйняття радіального навантаження.

2. Формуємо основні ознаки підшипника (рис. 5.1)

3. Будуємо морфологічну таблицю (матрицю) схем підшипників  (табл. 5.1).

1. зовнішнє кільце К₃;

2. проміжне середовище С;

3. внутрішнє кільце К_в;

4. допоміжні елементи Е_д;

5. сприйняття навантаження Н.

 

Таблиця 5.1

Морфологічна таблиця схем підшипників

1-Кз	2-С	3-Кв	4-Ед	5-Н
1.1. Циліндр	2.1. Кульки	3.1. Циліндр	4.1. Сепаратор	5.1. Радіальне
1.2. Конічне всередині	2.2. Ролики циліндричні	3.2. Конічне Зовні	4.2. Сепаратор і захисне кільце	5.2. Осьове

Продовження табл. 5.1

1	2	3	4	5
1.3. Сферичне всередині	2.3. Ролики конічні	3.3. Конічне всередині	4.3. Сепаратор і два захисних кільця	5.3. Радіальне і осьове
1.4. Немає	2.4. Рідина під тиском	3.4. Немає	4.4. Немає
	2.5. Повітря під тиском
	2.6. Магнітне поле
	2.7. Немає

В скороченому вигляді табл. 5.1 можна представити як морфологічну матрицю схем підшипників з цифровим позначенням альтернатив по аналогії з матрицею (1).

Таблиця 5.2

Синтезовані схеми підшипників за ознакою швидкохідності

№ варіан.	Позначен.	Схема підшипника	Сполучення альтернатив*	Назва підшипника
1	Х1		1.1 - 2.1 - 3.1 - 4.1 - 5.1	Кульковий підшипник радіальний
2	Х2		1.1 – 2.4 – 3.1 – 4.4 – 5.1	Гідростатичний радіальний
3	Х3		1.1 – 2.5 – 3.1 – 4.4 – 5.1	Аеростатичний радіальний
4	Х4		1.1 - 2.6 – 3.4 – 4.4 – 5.1	Магнітний радіальний
*Примітка: для варіантів 2 – 4 підкреслені нові альтернативи у порівнянні з варіантом 1

 

В табл. 5.2 зведені результати, де варіанти відомих підшипників, які сприймають радіальне навантаження, в порядку підвищення максимальних значень частот: Х1 – n = (5…10)·10³хв^-1; Х2 – n = (10…15)·10³хв^-1; Х3 – n = (50…100)·10³хв^-1; Х4 – n до 800·10³хв^-1.

5.2. Метод десяткових матриць пошуку (ДМП)

Автор цього методу - Повілейко Р.П. (1972 р., м. Новосибірськ).

Призначення - для пошуку нових технічних рішень на основі взаємозв'язку показників технічних об'єктів і евристичних прийомів з побудовою матриці.

В літературі по методиці конструювання і винахідництва зустрічаються відомості про можливі прийоми вирішення технічних протиріч, а також ті показники, що змінювалися при використанні цих прийомів: всього 428 авторських прийомів і 129 показників. З них у результаті порівняльного аналізу виділили 223 оригінальних не дубльованих прийоми і 95 показників. В результаті групування спеціальними методами (з використанням теорії графів і ЕОМ) було сформовано 10 груп показників, включаючи художньо-конструкторські, зручності обслуговування та безпеки.

ДМП на базі десяткової розбивки показали себе доступними для сприйняття, легкими в запам'ятовуванні і зручними в користуванні. Контрольна перевірка ДМП на 500 оригінальних винаходах, що представляють загально технічний інтерес, і на 1000 галузевих винаходах (2 серії по 500 з області верстатобудування) переконала, що жодна з них не вийшла за рамки виділених груп прийомів і показників. Ряд додаткових незалежних перевірок підтвердив логічність, психологічну обґрунтованість і об'єктивність представлення поля конструкторсько-винахідницького пошуку у вигляді ДМП.

Формування ДМП і застосування поняття системи привело в підсумку до цікавого результату. Виявилося, що будь-які з наявних описів конструкторсько-винахідницького пошуку (незалежно чи робив їх автор чи спостерігач-психолог) зводяться всього лише до двох дій: кроків по індексованих комірках ДМП і звуженню-розширенню розглянутої технічної системи. Якщо говорити коротше, то конструкторсько-винахідницький пошук — це пульсація системи в ДМП.

Технічні протиріччя виникають як між однорідними показниками всередині деякої їх групи, так і між групами показників, причому в одному «протиріччі» можуть зіштовхуватися два, три і більше показники. Вирішення такого протиріччя може поліпшити один який-небудь показник за рахунок іншого чи інших, але може поліпшуватися і група показників. Основні групи показників, що враховуються при конструюванні машини чи системи машин:

П1. Геометричні (довжина, ширина, висота, площа,...);

П 2. Фізико-механічні (вага, міцність, еластичність,...);

П 3. Енергетичні (вид енергії, К.К.Д,...).

П 4. Конструкційно-технологічні (технологічність, транспортабельність, складність,...);

П 5. Надійність і довговічність;

П 6. Експлуатаційні (продуктивність, точність, стабільність параметрів,...);

П 7. Економічні (собівартість, трудові витрати на виробництво й експлуатацію, втрати,...);

 П 8. Ступінь стандартизації й уніфікації;

П 9. Зручність обслуговування і безпека (шум, вібрації, освітленість, вологість,...);

П 10. Художньо-конструкторські (гармонійність, масштабність, колір,...). Для перетворення показників використовують 10 груп евристичних прийомів:

Е1. Неологія - перенос у дану область техніки нових для неї значень основних показників ТС;

Е2. Адаптація - пристосування відомих процесів, конструкцій, форм, матеріалів і їхніх властивостей до даних конкретних умов;

ЕЗ. Мультиплікація - множення, збільшення основних показників наприклад, багатоінструментальність і багатопозиційність верстата для підвищення продуктивності обробки);

Е 4. Диференціація показників (дроблення, поділ, очищення,...);

Е5. Інтеграція показників (додавання, поєднання, змішування, зближення,...);

Е 6. Інверсія - зміна порядку на протилежний, звертання, вивертання,...); Е 7. Імпульсація - імпульсна зміна показників ТС;

Е 8. Динамізація - зміна в часі ваги, температури, розмірів, кольору й інших показників ТС;

Е9. Аналогія - пошук і використання подібності, подоби в якому-небудь відношенні показників даної ТС і відомих;

Е10. Ідеалізація - наближення показників ТС до ідеальних.

Матриця "показники - прийоми" (типу 10x10) дає осередки зміни якого-небудь з параметрів ТС, що сприяють виникненню асоціацій, які активізують пошук ідеї рішення (табл. 5.3).

Таблиця 5.3

Матриця "показники-прийоми"

Показники	Евристичні прийоми
	Е1	Е2	Е3	Е4	Е5	Е6	Е7	Е8	Е9	Е10
П1
П2
П3
П4
П5
П6
П7
П8
П9
П10