 | | |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Работа посвящена синтезу новой технологической системы при отсутствии аналогов. Такого типа работ автор еще не встречал в ТРИЗ литературе. Данная работа - результат анализа разработки конкретного проекта и опыта автора в использовании ТРИЗ в процессе конкретных разработок, преподавания и исследования.
Впервые автор обратился к этой тематике в 1996 г.
Разработка автомата СБК (сборки конусов) была начата в августе 1996 г и завершена в январе 1997 г.
ВВЕДЕНИЕ
Данный класс задач включает в себя задачи на достройку недостающих подсистем (двух и более) в системе более высокого уровня, а также задачи полного синтеза многофункциональной системы по ее заданной главной полезной функции (ГПФ). Такие задачи, на наш взгляд, являются одними из наиболее сложных задач творческого поиска.
В чем же сложность решения этих задач?
Прежде всего, в их большой трудоемкости. Объясняется это тем, что синтез ТС даже из готовых подсистем далеко не простое механическое их сложение. При взаимной увязке подсистем, как правило, возникает целый ряд дополнительных задач (как простых задач синтеза, так и задач-противоречий). Эти задачи требуют своего решения, а следовательно и дополнительных затрат труда на поиск решений.
Следует отметить, что, на наш взгляд, в арсенале всех имеющихся средств ТРИЗ проблема многофункционального синтеза наименее разработана. Из имеющейся литературы по ТРИЗ и другим средствам направленного поиска заслуживает внимания методика функционального синтеза, описанная в рамках Комплексного Метода Б. И. Голдовского и М И. Вайнермана. Очень бедна методологическая литература и практическими примерами решенных задач многофункционального синтеза, т. е. создания ТС "с нуля".
Автор этих строк не претендует на какие-либо отработанные методические рекомендации в данном аспекте, но предлагает вниманию коллег тризовцев техно-тризный отчет по задаче многофункционального синтеза, которая была решена нашей творческой группой в Волгограде по хоздоговору с предприятием заказчиком.
Речь идет о создании "С нуля" автомата сборки конусов (конусных стаканчиков) для фабрики мороженого, изготовление автомата и сдачи "под ключ" заказчику. Вся работа по поиску решений, разработке конструкторской документации и изготовлению автомата была выполнена за довольно короткий срок - 6 месяцев. В составе творческой группы было три инженера-разработчика и 1 дизайнер. Все владели методами ТРИЗ, но на разном уровне.
Заслуживают пристального внимания и психологические аспекты труда творческого коллектива тризовцев, когда идеи решений есть у каждого, а нужно выбрать самые оптимальные по многокритериальным оценкам: простоты, надежности и материальным затратам. В этих вопросах важна роль руководителя, особенно при конкуренции идей [1] . Не избежала конфликтов на этой почве и наша творческая группа. Тем не менее, автомат был создан и получил высокую оценку заказчика.
1 Комментарий составителя сайта:
Решение этой задачи существенно облегчается при использовании технологии "Самоорганизующийся Поток Проблем" развиваемой в рамках ОТСМ-ТРИЗ. [N. Khomenko. OTSM-TRIZ. South Korea, Samsung 2000]
ПРЕДЫСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
На фабрике мороженого имелся многофункциональный автомат "FIL MARK" итальянского производства. Автомат представляет собой замкнутый конвейер роторного типа, на который автоматически подаются стаканчики в виде вставленных один в другой вафельного и упаковочного конусов. На автомате выполняется комплекс операций по дозированной расфасовке мороженого, заливке шоколадной глазури, засыпке ореховой крошки, установки крышечки и завальцовке бортов упаковочного конуса. Автомат имеет входной питатель, выдающий на конвейер сборки установленных один в другой конусов. Наборы из таких сборок (или стопки) периодически загружаются в питатель автомата вручную.
В целом к итальянскому автомату претензий нет. Но чтобы иметь возможность отработать одну рабочую смену, для автомата должно быть заготовлено около 15 тыс. сборок пар конусов в виде наборов (стопок) по 15 - 20 пар.
Исходное сырье существует в виде отдельно заготовленных вафельных и упаковочных конусов. Для заготовки наборов из вставленных один в другой вафельных и упаковочных конусов перед каждым пуском автомата 12 работниц вручную набирают необходимое число сборок в течение двух рабочих смен.
Производственная проблема налицо: необходимо ликвидировать ручной труд, поручив сборку и заготовку наборов конусов машине.
Но такой техники на предприятии не было.
Информации о том, как эту проблему решают итальянцы, получить не удалось. Известно лишь то, что подобные автоматы для расфасовки мороженого встроены в иные, чем в России, технологические линии.
УТОЧНЕНИЕ И КОНКРЕТИЗАЦИЯ ПРОБЛЕМЫ
Имеются в необходимом количестве и собранные в отдельные наборы-стопки двух видов конусов: вафельных и упаковочных, предназначенных для укладки и упаковки мороженого. На технологическую линию нужно подавать собранные один в другой (вафельный в упаковочный) конусы. Для заготовки наборов из таких пар нужно создать автоматическое устройство.
Требования и ограничения:
1) Производительность создаваемого автомата должна быть не ниже, чем у автомата (итальянского), расфасовывающего мороженое со скоростью не менее 60 порций/мин.
2) На конусах не должно быть механических повреждений.
В условиях этой задачи заданы изделия на входе, охарактеризовано то, что должно быть на выходе системы, есть указание цели и главной полезной функции (ГПФ) системы. Даны требования по минимальной производительности.
Нет только самой технической системы ТС. ТС надо синтезировать "с нуля".
Условия такой задачи в обычаях ТРИЗ можно записать так:
Дано: Отдельные стопки вафельных и упаковочных конусов (ИЗДЕЛИЯ) и
"отсутствующий" ИНСТРУМЕНТ (ТС) для автоматической заготовки
наборов из вставленных один в другой вафельного и упаковочного конусов.
Как быть?
Привлекая все, что нам известно из ТРИЗ о законах построения и развития ТС и рекомендации из блока функционального синтеза Комплексного Метода (Б.И.Голдовского и М.И.Вайнермана), переходим к этапу предварительного синтеза.
1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗ
Для начала определимся с входом ТС и с Изделиями, которые будут объектами обработки в подсистемах создаваемой системы.
На вход ТС будут поступать в качестве исходного сырья стопки конусов обоих видов. Очевидно, что ТС должна иметь входные загрузочные питатели, рассчитанные на объем разовой загрузки по 25 - 30 штук конусов. Операцию загрузки придется выполнять вручную периодически по мере опорожнения питателей. Объем в 25 конусов - стартовая загрузка, был определен именно исходя из возможностей ручной загрузки.
Стопка вафельных конусов из 25 - 50 штук занимает высоту порядка 600 мм, т. к. между верхними кромками конусов в стопке имеют место зазоры в 20 мм. Упаковочные конусы в стопке отделены зазорами в 2 - 3 мм и образуют стопку высотой порядка 90 мм.
Итак, изделиями на входе автомата являются две стопки из вафельных и упаковочных конусов (см. рис. 1).
Шаг 1. СОСТАВИТЬ ПЕРЕЧЕНЬ ПОДСИСТЕМ, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО ПОСТРОИТЬ.
По своему смыслу такая операция обеспечивает выявление перечня задач синтеза, решение которых обеспечит функциональную полноту будущей ТС.
1.1.
В первую очередь уточним главную полезную функцию (ГПФ) будущей ТС: "периодическая сборка конусов один в другой (вафельного в упаковочный) и накопление - заготовка наборов из них на потоке.
Исходя из ГПФ, можно определить "способности" ТС, т.е. определить, что конкретно должна "уметь" делать система. В системе должны быть организованы два потока движущихся конусов с определенным в пространстве и времени интервалом, сходящихся на позиции сборки и продолжающих движение в одном потоке пар конусов, накапливающихся в специальном накопителе и периодически разгружаемом.
1.2.
А теперь построим предварительную функциональную модель будущей ТС, анализируя способности от входа до выхода. Сформулируем последовательность полезных функций (ПФ):
ПФ 1 - удерживать стопку упаковочных конусов,
ПФ 2 - удерживать стопку вафельных конусов;
ПФ 3 и ПФ 4 - отделять по одному конусу от стопки каждого вида;
ПФ 5 и ПФ 6 - перемещать отделенные конусы каждого вида на позиции сборки.
Обеспечить сборку конусов один в другой, и для этого:
ПФ 7 - удерживать упаковочный конус на позиции сборки до прихода вафельного;
ПФ 8 - перемещать собранную пару конусов в накопитель;
ПФ 9 - укладывать пары конусов одна в другую (составлять набор) в накопителе;
ПФ 10 - разгрузка накопителя. Эту функцию целесообразно выполнять вручную по мере заполнения, но можно поручить и техническому устройству.
Примечание:
Нумерация полезных функций предварительная. На базе данного состава ПФ будет определен перечень подсистем.
Таким образом, в первом приближении получен перечень задач, выраженных девятью полезными функциями, решение которых необходимо для обеспечения функциональной полноты будущей ТС и ее минимальной работоспособности.
1.3.
Попробуем теперь предварительно обеспечить оптимальную степень идеальности будущей ТС, проведем синтез и анализ ее пространственно-временной организации.
Исходя из содержания ПФ, можно выделить следующие функциональные области пространства:
ТАБЛИЦА 1
| Обозначение |
Наименование |
Функции |
| X1; X2 |
оперативные зоны удержания стопок конусов |
ПФ1; ПФ2 |
| Х3; Х4 |
оперативные зоны отделения конусов от стопок |
ПФ3; ПФ4 |
| Х5 |
оперативная зона переноса конусов |
ПФ5; ПФ6 |
| Х6 |
оперативная зона, где происходит сборка конусов |
ПФ7 |
| Х7 |
оперативная зона накопления сборок конусов |
ПФ8; ПФ9 |
| Х8 |
прочее пространство |
|
Относительное расположение в пространстве оперативных зон ТС:
где:
t1... t4 - основные отрезки времени, определяющие последовательность выполнения полезных функций.
T - Период работы автомата в одном цикле набора накопителя сборок конусов.
Т=(t1 + t2 + t3 + t4)x n. где "n" - число сборок конусов.
Анализируя обе таблицы можно сделать следующие выводы:
- пространственная организация ТС "просится" быть в виде вертикальных потоков конусов на позицию сборки и такого же последующего вертикального потока сборок пар конусов в накопитель. Иными словами, необходимо максимально задействовать гравитационное поле;
- во временной организации выявлена необходимость создания цикличного "включения" последовательности ПФ для обеспечения набора из сборок конусов до полного заполнения накопителя.
Подводя итог выполненному анализу пространственно-временной организации, можно составить перечень подсистем (ПС), распределив между ними основные полезные функции.
ПС1 (ПФ1) - подсистема удерживания загружаемой стопки упаковочных конусов;
ПС2 (ПФ2) - подсистема удерживания загружаемой стопки вафельных конусов;
ПСЗ (ПФЗ) - подсистема отделения одиночных упаковочных конусов;
ПС4 (ПФ4) - подсистема отделения одиночных вафельных конусов;
ПС5 (ПФ5, ПФ6) - подсистема переноса отдельных конусов на позицию сборки;
ПС 6 (ПФ7) - подсистема удержания упаковочного конуса на позиции сборки;
ПС7 (ПФ8, ПФ9) - подсистема переноса собранных конусов в накопитель;
ПС8 (ПФ10) - подсистема-накопитель с разгрузочным устройством;
ПС9 (ПФ?) - подсистема управления.
Примечание: функции управления пока не выяснены.
Шаг 2. ПОСТРОЕНИЕ БЛОК-СХЕМЫ ИСКОМОЙ ТС
2.1.
Определим особенности подсистем:
Две первые группы подсистем ПС1 с ПСЗ и ПС2 с ПС4 идентичны по выполняемым функциям, но должны быть существенно отличны по принципу действия, т. к. существенно отличны ИЗДЕЛИЯ, попадающие в их обработку.
В оперативные зоны ПС1 и ПСЗ попадают упаковочные конусы. Это мягкие податливые на деформацию, почти невесомые из тонкой металлической фольги) стаканчики весом 2 г. (см. рис. 1б).
В оперативные зоны ПС2 и ПС4 подаются вафельные конусы. Это твердые, хрупкие, относительно тяжелые стаканчики (см. рис 1в).
При синтезе рабочих органов подсистем свойства изделий должны быть учтены максимально полно.
По производительности, т. е. скорости "выдачи" конусов на сборку эти две подсистемы должны быть идентичными.
2.2.
Определим необходимые энергопотоки, которые можно использовать для функционирования подсистем.
На производстве, где будет установлен Автомат сборки конусов, имеются электроэнергия и сжатый воздух, поэтому эти энергоносители можно считать "бесплатными".
Теперь, ориентируясь на составленный список подсистем, можно наметить энергопотоки для их функционирования как "дармовые", так и те, которые, возможно, потребуется вводить.
Для ПС1 и ПС2 на ВХОДЕ имеем массу, созданную стопками конусов, т. е. гравитационное поле, которое надо компенсировать, чтобы стопки находились в заданной оперативной зоне пространства. Нужен какой-то простой опорный держатель конусов.
Далее идут подсистемы ПС2 и ПС4, главной ПФ которых является: отделение одиночных конусов от стопок, удерживаемых в опорных гнездах. Здесь возможны варианты, синтез которых еще предстоит. А пока можно наметить вид энергопотока в подсистеме. Рабочим органом этих подсистем должен быть какой-то захват, контактирующий с отделяемым конусом (сжимающийся-разжимающийся или с вакуумными присосками), т. е. механическое поле (Пмех). Для управлением захватом могут привлекаться как механические, так и электромагнитные поля. Таким образом, на входе ПС2 и ПС4 управляющий энергопоток существует в виде Пмех. или Пэл. Возможно также использование вакуума для захватов.
Далее, отделенный захватом от стопки конус должен быть перемещен и отпущен на позицию сборки.
Подсистема ПС5 должна обеспечивать перенос конусов обоих видов из разных точек пространства (X1 и Х2) в одно место (Х6). Сам перенос может быть просто свободным падением на ограниченном участке пространства. Поэтому, пока не вдаваясь в технику дела, можно принять движущей силой переноса гравитационное поле. А падать конусы должны один в другой, т.е. в разные моменты времени. Уточняем: подсистема ПС5 должна направлять свободное падение, а ПС6 - остановить падение.
Дальнейший путь уже собранной пары конусов в накопитель осуществить как будто бы легко опять-таки под действием гравитационного поля. Накопитель (ПС7), таким образом, служит лишь ограничителем зоны пространства, где собираются (оседают) пары собранных конусов.
В итоге можем использовать следующие энергопотоки (поля):
- Э1 - управление захватом: П(э.), П(мех.) или П(вакуум).;
- Э2 - управление переносом конусов: П(грав.) Таким образом, есть возможность использовать только "бесплатные" энергопотоки.
2.3.
Теперь можно построить блок-схему ТС.
На этом шаге можно определить необходимые связи между подсистемами, определить энергетическую полноту и степень управляемости.
Итак, предварительная блок-схема искомой ТС может выглядеть так:
Окончательная блок-схема ТС уточнится после решения задач синтеза всех указанных подсистем, а пока можно говорить лишь о ее минимальной работоспособности и управляемости.
Неизбежна в дальнейшем и достройка ТС дополнительными, но необходимыми подсистемами, а также сокращение предварительного исходного состава ПС.
2.4.
Перед решением задач синтеза необходимо разделить совокупность подсистем на группы по степени их влияния на выполнение ГПФ. Такое разделение позволит наметить очередность решения задач, в первую очередь выделить центральную ПС (или группу таких), то есть ту, которая в наибольшей степени определяет показатели работы ТС и резервы развития.
В синтезируемой ТС самыми ответственными, в смысле надежности, являются два блока подсистем, оперирующих с исходным сырьем стопками конусов разных видов. Это ПС-1 и ПС-3 для упаковочных конусов и ПС-2 и ПС-4 для вафельных конусов. Эти подсистемы образуют центральную группу.
Ко второй группе следует отнести ПС-5 - и ПС-6, первая из которых обеспечивает транспортировку и соединение потоков конусов, а вторая обеспечивает "ожидание" упаковочного конуса на позиции сборки до подхода вафельного и перенос сборки конусов в накопитель.
К третьей группе относятся ПС-7 и ПС-8.
Характер и сущность системы управления ПС-9 определится после нахождения решений по центральной группе подсистем.
Теперь можно приступать непосредственно к решению задач синтеза по каждой подсистеме и увязке их в единую ТС.
Предварительный синтез закончен.
Шаг 3. СИНТЕЗ И ОЦЕНКА ВАРИАНТОВ ПОДСИСТЕМ.
На синтезе очень трудно избежать перебора вариантов 2 . В данной работе подход к синтезу системы и ее подсистем (ПС) основывается на четком определении ГПФ и составляющих ее полезных функции (ПФ) по правилам ФСА.
2 Комментарий составителя сайта www.trizminsk.org
Для сокращения числа итераций и минимизации излишней вариативности и перебора вариантов бывает полезно применять методики: функционального развертывания и элементного свертывания; разворачивающегося черного ящика; пятый класс системы стандартов Г.С.Альтшуллера; технологию "Самоорганизующийся Поток Проблем" ОТСМ-ТРИЗ; Метод Золотой рыбки и, конечно же, систему законов развития технических систем Г.С.Альтшщуллера.
Таким образом, построенная функциональная модель является "входом" или задачей на построение вариантов объектно-предметного исполнения ПС на основе системного подхода. Четкая формулировка функции определяет направления поиска, а представление системы в виде взаимосвязанных обобщенных системных компонентов, таких как Двигатель (Д)- Трансмиссия (Т) - Рабочий орган (Ро), позволит последовательно изыскать принципиальные решения по этим элементам.
Причем поиск принципиальных решений начинается с поиска принципа действия рабочего органа "Ро". Другие элементы (Д - Тр ...) привязываются к найденному решению для Ро, и таким образом сокращается перебор вариантов. В данном случае, операции синтеза выполнялись по следующей программе:
1. Четкая формулировка ГПФ подсистемы.
2. Выделение элементарных полезных функций (ПФ) и постановка задач.
3. Поиск вариантов исполнения рабочего органа (Ро) и его принципа действия.
4. Описание характера функционирования подсистемы, характерных ритмов, с выбором управляющего энергопотока и, соответственно. Двигателя (Д) и Трансмиссии (Тр). Возможно отсутствие Д и Тр.
5. Общая компоновка подсистемы, принципиальное решение.
6. Доводка принципиального решения. Проведение мини-ФСА (при необходимости).
3.1. Синтез ПС-1 и ПС-3
Итак, начнем синтез с одной пары центральных подсистем ПС-1 и ПС-3. Эту группу следует рассматривать как взаимосвязанную совокупность по следующей причине: ПС-1 должна быть отзывчивой на воздействие ПС-3 (отдавать по одному конусу). Сформулируем ГПФ для этих подсистем.
ПС-1. ГПФ1- дозировать конусы из стопки (держать стопку и отдавать по одному конусу), т. е. какая-то часть ПС-1 должна выполнять ПФ1.1 - удерживать стопку конусов. Другая часть ПС-1 должна выполнять ПФ1.2.- отдавать по одному конусу (при взаимодействии с ПС-3 эта функция должна выполняться в короткие моменты).
ПС-3. ГПФ3 - отделить один конус от стопки. Эта ГПФ реализуется последовательным выполнением следующих ПФ:
- ПФ3.1 - периодическое захватывание одного конуса.
- ПФ3.2 - отделение (смещение) конуса от стопки.
- ПФ3.3 - отпускание конуса.
Сформулированные ПФ являются задачами синтеза в рамках каждой подсистемы. Эти задачи могут быть очень простыми, ибо само дробление сложной проблемы, как правило, ведет к совокупности простых задач. Но могут возникнуть и задачи-противоречия. Поэтому арсенал ТРИЗ должен быть наготове. Кроме того, следует помнить, что всякое решение для подсистемы ПС-1 должно быть увязано (согласовано) с решением по ПС-3.
Начнем по порядку с ПФ1.
Как удерживать стопку конусов?
Задача очень простая. Вся стопка удерживается нижним конусом, поэтому нужен держатель для одного конуса. Это можно выполнить, поместив конус в кольцо по диаметру меньше, чем диаметр верхней кромки конуса:
Вариант "а": рабочий орган - опорное кольцо (Рис. 2а).
Просматривается еще один простой вариант: удерживать стопку может и конусная болванка, на которую конус - основание стопки - надет, как шляпа, поэтому вариант "б": рабочий орган - конусная болванка (Рис. 2б).
Теперь рассмотрим, какими путями или средствами выполнить ПФ2 - отдавать по одному конусу.
Совершенно ясно, что отдавать можно только верхний или нижний конус из стопки. Т.е. возможны два варианта отделения конусов.
а) Наиболее доступен, на первый взгляд, для отделения верхний конус в стопке, в то время как нижний зажат в кольце или надет на болванку. Поэтому отделение по одному конусу сверху стопки как будто не представляет проблем. ПС-1 всегда готова "отдать" верхний конус. Теперь посмотрим, что должна делать ПС-3, каким должен быть "Ро" в этом случае. Возможны такие операции:
- введение в полость верхнего конуса захвата (Ро) с раздвижными лапками или вакуум-присосками;
- прихват за внутренние стопки конуса;
- подъем конуса за пределы стопки;
- перемещение захвата с конусом в нужное место;
- отпуск захвата;
- возврат захвата к очередному конусу.
То же самое предстоит делать ПС- 3 в случае держателя стопки в виде конусной болванки. Сразу бросается в глаза большое количество операций для ПС-3. Это весьма далеко от идеала. Поэтому рассмотрим другой вариант:
б) Рассмотрим несколько "дикий" вариант отделения - стягивание нижнего конуса из объятия кольца, не допуская сброса всей стопки. Если это станет возможным, то захват (ПС-3) не будет нуждается в операциях подъема и перемещения в сторону от стопки. Стянув конус на несколько миллиметров вниз, захват отпускает его и готов к стягиванию очередного конуса.
Анализ вариантов "а" и "б" показывает явную предпочтительность второго, ибо требуется меньше операций с конусом. Кроме того, по варианту "а" необходима еще дополнительная, не отмеченная ранее операция корректировки позиции верхнего конуса (подъем всей стопки) после каждого отделения. По варианту "б" этого не требуется, ибо позиция нижнего конуса не меняется.
Однако такое предпочтение ставит перед нами задачу-противоречие для кольцевого держателя стопки конусов.
Задача № 1 (с ТП). Имеется инструмент - кольцевой держатель стопки конусов, отлично удерживающий стопку в заданном месте. Данный держатель должен еще "уметь" отпускать нижний конус, когда это нужно. Однако, чтобы отпускать нижний конус, кольцо должно быть по диаметру больше максимального диаметра конуса. При этом вся стопка может провалиться.
Сформулируем систему технических противоречий ТП-1 и ТП-2:
ТП-1) Увеличение диаметра кольца позволяет отпустить нижний конус в стопке, но не позволяет удержать всю стопку.
ТП-2) Уменьшение диаметра кольца удерживает - стопку, но не позволяет отпустить нижний конус.
Как быть?
Теперь возможен переход к Физическому противоречию:
Отверстие кольца должно одновременно большим и малым.
Для разрешения ТП использовались типовые приемы и матрица технических противоречий Г. С. Альтшуллера.
По условиям задачи необходимо улучшить: "адаптацию, универсальность" кольца (35 строка).
При этом ухудшается: повышается "сложность устройства" (36 столбец). Приемы: 15, 29, 37, 28.
Прием 15 - принцип динамичности. Рекомендуется сделать кольцо, меняющее свой диаметр в момент стягивания.
Прием 29 - использование пневмо-, гидроконструкций развивает идею динамичности.
Прием 37 - не подходит. Термическое расширение слишком инерционно.
Прием 28 - замена механической схемы. Заслуживает внимания, но требует изыскать иные принципы удержания стопки конусов.
Не трудно заметить, что подсказки приемов выводят на ряд решений по держателю с обеспечением его динамичности, из которых наиболее просто реализуется следующее: держатель выполнен из подпружиненных двух половинок кольца. При стаскивании нижнего конуса происходит увеличение диаметра держателя ровно настолько, насколько нужно, чтобы конус прошел, после чего половинки кольца сходятся под следующим конусом (см. рис. 3).
Эта конструкция была изготовлена в макете и показала достаточную надежность. Но на этом варианте мы не остановились.
Обратимся к физическому противоречию: отверстие должно быть большим и малым.
Найденное решение с полукольцами, подпружиненными держателя, хорошо работает, пока скорость стаскивания относительно невелика. А ведь скорость стаскивания - это производительность автомата, т. е. фактор очень важный. Поэтому неплохо иметь "за пазухой" решение, годное для больших скоростей.
Кроме того, пружины должны очень четко и долго работать. На больших скоростях оказалось сильным влияние разнобоя при срабатывании пружин в каждом полукольце держателя. Создать идентичные пружины для каждой пары полуколец держателя не удалось. На больших скоростях имели место сбои, что недопустимо.
Между тем, требование ФП заставляет нас увидеть в одном отверстии... два:
кромки отверстия на отдельных частях дуги окружности пропадают, переходят в дуги большого отверстия (см. рис. 4).
А как же поведет себя конус при стаскивании?
Упаковочный конус очень податлив на изменение формы (это нельзя увидеть теоретически, но мы имели дело с "живыми" конусами, поэтому при прохождении сечения конуса через такое отверстие стенки конуса деформируются и уходят в пазухи между большим и малым кругом, и весь конус проходит сквозь держатель. Следующий конус застревает на дугах малого диаметрах, т. к. захват на него не действует. Данное решение было опробовано на действующем макете и показало высокую надежность.
3.2. Синтез ПС-3
ГПФ 3 - периодическое отделение от стопки одиночного конуса:
- ПФ 3. 1. - периодический захват нижнего конуса.
- ПФ 3. 2. - отделение конуса от стопки.
- ПФ 3.3. - сброс (отпуск) отделенного конуса.
В соответствии с ГПФ эта подсистема периодического действия нужно стаскивать периодически один за другим конусы из стопки.
Периодическое действие наиболее просто реализуется путем вращения рабочего органа.
Конструктивное выполнение рабочего органа было найдено не сразу. На действующем макете держателя (ПС-1) стопки конусов было выявлено, что усилие, необходимое для отделения конуса от стопки невелико. Поэтому в макете рабочий орган-захват был выполнен в виде вилки с постоянным раствором, равным среднему диаметру ("талии") конуса. На концах вилки-захвата - резиновые насадки, а сам захват закреплен на вращающемся валу.
В процессе вращения концы вилки-захвата короткое время контактируют с конусом, стаскивают его за счет силы трения и уходят на очередной ход-оборот. Однако после того как было определено количество конусов в стопке при стартовой, т. е. максимальной загрузке в держателе (30 - 35 шт.), пришлось усиливать "зажим", т. е. уменьшить диаметр малого круга в держателе, чтобы не допустить провала стопки. А это потребовало увеличить сцепление захвата с конусом, т. е. тоже усилить "зажим".
В этой ситуации вилка с жестко заданным раствором оказалась неудачным решением. Такой захват либо мял легкоподатливые конусы выше "талии", либо не стаскивал. Мы вышли, таким образом, на новую задачу.
Задача № 2 с противоречием, причем сразу видно ТП-1 и ТП-2:
ТП-1: Увеличение раствора захвата обеспечивает его проход возле верхней части конуса, но не обеспечивает сцепление с талией.
ТП-2: При меньшем растворе происходит смятие конуса и стягивание нескольких конусов.
Переход к ФП: Раствор вилочного захвата должен быть большим, чтобы обходить, не сминать верхнюю часть конуса и должен быть малым, чтобы сцепиться с "талией" конуса.
И снова то же каноническое противоречие матрицы технических противоречий: адаптация, универсальность (35) - сложность устройства (36).
И снова нужно применять принцип динамичности. Захват должен "уметь" менять размер раствора вилки в нужный момент. Возникла, таким образом, необходимость в приспособлении, управляющем раствором захвата при его вращении. Это не трудно. Лапки захвата-вилки закрепляем шарнирно на приводном валу и между ними устанавливаем пружину сжатия, которая распирает захват.
Таким образом, максимальный раствор обеспечен.
Остается найти возможность сводить в нужный момент концы вилки возле "талии" конуса, чтобы его стащить.
Этому препятствует пружина.
Переход к вепольному анализу.
Имеем: B1 - вилка-захват; В2 - пружина.
Согласно известному Стандарту: избыток поля убирают веществом.
Учитывая отзывчивость концов вилки на воздействие механического поля, на траектории ее движения устанавливаем КОПИР. т. е. направляющие с заданным профилем, сводящие концы вилки-захвата на необходимый раствор на коротком участке хода (см. рис. 5).
Возможны, естественно, и другие варианты решений, но с увеличением сложности.
Очень интересен Вариант 2: избыток поля можно убрать и полем, но другой природы. Так, если в зоне "талии" конуса поместить магниты, а концы вилки сделать также магнитными с учетом отталкивания, то получим тот же эффект. Этот вариант интересен тем, что взаимодействие концов вилки с отталкивающими магнитами - бесконтактное, а, следовательно, устраняется износ концов вилки при трении по копиру в варианте 1. Так, использование магнитного поля оборачивается еще и бесплатными "пирожными".
По этой задаче есть еще один вариант решения с полным устранением противоречия.
Вариант 3. Рабочие органы (стержни вилки) закрепляем на двух вращающийся валах, размещенных на диаметрально противоположных сторонах конуса. При схождении этих концов возле "талии" конуса они обеспечивают его стаскивание. В этом случае нет нужды в пружине, стержни вилки жестко крепятся на валах и подстраиваются по длине регулировочными винтами. Нет вообще нужды в копире. Однако придется сделать два вала, вращающихся в противоположных направлениях (см. рис. 6).
Итак, для подсистемы ПС-3 найдено несколько вариантов решений.
Выбор наиболее оптимального из них следует сделать при объединении всех остальных подсистем.
Во всех вариантах двигателем (Д) в подсистеме является электропривод. Трансмиссия (Тр) - Вал. На валу - рабочий орган (Ро)- вилка захвата.
3.3. Синтез ПС-2 и ПС-4
Подсистема ПС-2: ГПФ2 - "дозировать" вафельные конусы из стопки (держать всю стопку и отдавать по одному):
- ПФ 2.1. - удерживать стопку;
- ПФ 2.2. - "отдавать" по одному конусу
Подсистема ПС-4: ГПФ 4 - отделять нижний конус от стопки:
- ПФ 4.1. - периодический захват нижнего конуса;
- ПФ 4.2. - отделение конуса от стопки;
- ПФ 4.5. - отпуск (сброс) конуса.
Эти подсистемы должны выполнять функции, идентичные (аналогичные) для ПС-1 и ПС-3 соответственно, но изделиями для них являются объекты, существенно отличающиеся: вафельный конус и стопка таких конусов.
Особенности "конструкции" вафельного конуса необходимо четко определить:
- В отличие от упаковочного конуса, отзывчивого на изменение формы при прохождении кольца-держателя, вафельный конус жесткий и хрупкий.
- На внешней поверхности у него имеются несколько выпуклых поясков - ребер жесткости, которые могут оказаться полезными при создании конструкции держателя.
- Следует учесть и значительно больший вес вафельных конусов.
Для согласования и увязки с подсистемами ПС-1 и ПС-3 держатель вафельных конусов должен быть очень похожим, т. е. также "отдавать" от стопки конусы по одному снизу. Похожим должен быть и захват (ПС-4).
Иными словами, по мере синтеза предыдущих подсистем растет степень определенности требований к последующим.
Учитывая жесткость формы вафельного конуса, мы попробовали сделать мягкими и податливыми части опорного кольца-держателя. Здесь нам помогла задача-аналог и ее решение, найденное в ТРИЗ литературе: использовать щетки.3
Вариант 1: Полукольца держателя мы выполнили на макете из зубных щеток. Такой щеточный держатель при стаскивании нижнего конуса частью щетинок удерживал предыдущий конус и не мешал стаскивать самый нижний.
Все было великолепно на макете, пока стаскивание осуществлялось вручную. Однако когда эту функцию передали захватам, установленным на вращающемся валу (как и у ПС-3) начались неприятности. Так, если полукольца щетинного держателя крепко обжимали конус, чтобы удерживать исходную стопку, вилки захватов проламывали вафельные стенки конусов при стаскивании. При ослаблении раствора вилок захватов стаскивания не происходило. Если ослабить щетинные держатели, может произойти и обвал стопки при загрузке. Так возникла новая задача.
3 Комментарий составителя сайта www.trizminsk.org: см. Указатель Геометрических Эффектов И.Л.Викентьева.
Задача № 3: Необходимо найти иной принцип действия для держателя вафельных конусов. Аналогия с держателем упаковочных конусов не сработала. Но техническое противоречие просматривалось четко: увеличение сжима держателя ведет к вредным факторам, повреждению конусов. При ослаблении сжима исходная стопка не удерживается.
Канонический вид ТП просматривался в нескольких вариантах:
а) увеличение "силы" (10) - ухудшает прочность (14);
или увеличение "напряжения" (11) - ухудшает прочность (14);
б) ослабление "силы" (10) - создает вредные факторы (31);
Рекомендуемые приемы разрешения:
(10) Сила -- (14) прочность. Приемы: 35, 10, 14, 27.
(10) Сила -- (31) вредные факторы. Приемы: 13, 3, 36, 24.
(31) Вредные факторы -- (10) Сила. Приемы: 35, 28, 1, 40.
Проанализируем подчеркнутые приемы.
Прием 13 - принцип наоборот.
Если не стаскивать конус, а наоборот? Что значит наоборот? Буквально это значит поднимать вверх. Но при этом, чтобы отделился нижний конус, нужно поднять всю стопку, ухватив... предпоследний конус. Тогда последний останется свободным. Очень сильная подсказка! Попробуем развить эту идею, проанализируем другие приемы.
Прием 10 - принципы предварительности.
Это подсказка в унисон. Предварительно отделить стопку конусов от нижнего конуса и какое-то время держать, пока отделенный конус не попал в объятия периодически действующего захвата.
Прием 24 - принцип посредника.
Нужен держатель-посредник стопки на момент отделения нижнего конуса.
И наконец, прием 1 - принцип дробления.
Предлагается сделать много держателей, в пределе, для каждого конуса. Если присмотреться к стопке конусов, то... это уже имеет место, ибо каждый предыдущий конус удерживается последующим. А нам нужны один держатель нижнего конуса и один держатель-посредник остальной стопки. Т. е. всего два.
Идея еще не оформилась в решение, но подсказки очень сильные.
Есть еще прием 3. - принцип местного качества.
Суть этого подхода к данным условиям должна заключаться в нахождении взаимного расположения держателей и их механизации. Ведь держатель стопки должен уметь периодически "перехватываться" на очередной предпоследний конус, отпуская нижний. И в этой операции перехвата должен участвовать вращающийся на общем валу захват (ПС-4). Кроме того, нужно найти способ обойтись без поднимания стопки для отделения нижнего конуса, чтобы согласованно работать с ПС-1 и ПС-3.
В результате экспериментальной проработки нескольких вариантов было найдено следующее решение (см. рис. 7а и 76) - два одинаковых держателя с раздвижными полукольцами располагаются в два этажа один под другим (местное качество):
- полукольца каждого из держателей снабжены выдвинутыми лапками (поз. 5), образуя по форме копир, внутри которого проходит вращающийся захват (поз. 3) с жестким раствором вилки, и, взаимодействуя с выступами на лапках, раздвигает их на короткое время.
- после раздвижки верхнего держателя, удерживающего всю стопку конусов, последняя полностью проваливается в нижний держатель, а вращающийся захват после этого выходит из контакта с лапками верхнего держателя, полукольца которого смыкаются на "талии" предпоследнего конуса. Разделение произошло: верхний держатель держит всю стопку за предпоследний конус.
- далее по ходу движения захват вступает в контакт с лапками нижнего держателя, который удерживает к этому моменту один свободный конус. После раздвижки держателя отделенный конус может продолжать движение на позицию сборки за счет свободного падения.
Найденное решение обеспечивает согласование работы всех подсистем (ПС-1... ПС-4), входящих в центральную группу. Удалось избежать подъема вверх держателя со стопкой вафельных конусов за счет последовательно срабатывающих держателей с двухэтажной компоновкой.
Таким образом, для отделения вафельных конусов от стопки похожего механизма не получилось. Получился механизм освобождения одиночного конуса от стопки, дальнейшее перемещение которого осуществляется под действием гравитационного поля.
3.4. Синтез подсистем ПС-5 и ПС-6
ГПФ5 подсистемы ПС-5 - обеспечить перенос, отдельных конусов, упаковочного и вафельного, из разных точек пространства (X1 и Х2) в одно место (Х5) на позицию сборки.
Как было отмечено раньше, движущей силой переноса должно быть гравитационное поле. Для выполнения этой ГПФ нет проблем. Отделенные конусы должны попадать на свои лотки, расположенные под углом к вертикальной оси, которые направляют падающие конусы в одну точку. Единственное требование, - конусы должны падать на лотки в разные моменты времени, чтобы вафельный падал в упаковочный.
Это также легко решается при согласовании работы подсистем ПС-1... ПС-4 по времени срабатывания. С этой целью захваты упаковочного и вафельного конусов размещаются на валу со смещением в пол-оборота вала.
Конструктивно удалось два лотка объединить в один и выполнить его в виде сплющенной конусной воронки и с частично вырезанной частью образующей (рис. 8).
Дальше на пути свободно падающих конусов должна быть позиция сборки подсистема ПС-6.
ГПФ подсистемы ПС-6: обеспечить сборку пары конусов разного вида один в другой.
Реализация этой ГПФ обеспечивается выполнением двух полезных функций:
- ПФ 6.1. - остановить падение упаковочного конуса на позиции сборки, чтобы "подождать" приход вафельного.
- ПФ 6.2. - отпустить собранную пару конусов для падения в накопитель.
Накопитель представлялся в виде отрезка трубы, в которую с минимальным зазором вписывался упаковочный конус. Был изготовлен из картона отрезок трубы, и туда попробовали сбрасывать легкие упаковочные конусы. Столб воздуха, перекрытый конусом, оказался хорошим демпфером, и конусы мягко, как парашютики, опускались на дно. Нам тогда казалось, что найдено изящное и простое решение. Но не тут-то было....
Непрозрачные стенки трубы скрыли от наших глаз одно неприятное явление. Когда для макета автомата сделали прозрачный накопитель, мы увидели серьезный недостаток этой схемы. Остроконечные вершины упаковочных конусов при падении в трубе испытывали беспорядочные колебания из стороны в сторону, что приводило к неупорядоченному нагромождению конусов. Стопки из сборок конусов не получались. Все попытки хоть как-то стабилизировать полеты конусов в трубе не увенчались успехом. Здесь проявило свое коварство гравитационное поле как неуправляемое. Тем более, что участок полета конусов потребовался длиной в 600 мм.
Стало ясно, что на этом участке следует отказаться от услуг гравитации и обеспечить управляемое перемещение конусов иным путем. Здесь в нашем победном шествии в решении задач произошла, заминка. Но длилась она недолго.
Возникли две задачи:
Задача № 4. Создать позицию сборки пар конусов после их пролета по лоткам. Для этого требуется реализация следующих функций:
- ПФ-6.1. - остановить падение упаковочного конуса под лотком.
- ПФ-6.2. - "выждать" момент прихода вафельного, т.е. обеспечить сборку конусов один в другой;
- ПФ-6.3. - переместить собранную пару в накопитель.
Задача № 5. В накопителе не должно осуществляться свободного падения сборок конусов, но необходимо обеспечить перемещение сборок по мере их укладки одна в другую:
- ПФ-6.4. - перемещение сборок;
- ПФ-6.5. - укладка сборок в набор "матрешкой".
Таким образом, возникает, потребность в дополнительной подсистеме, управляющей перемещением сборок конусов.
Решение обеих задач должно быть взаимосвязано.
В поисках решения задачи № 4 проведем аналогию с держателем стопок упаковочных конусов (ПС-1), ведь в сборке вафельный конус сидит внутри упаковочного. Поэтому, установив под сдвоенным лотком приспособление типа такого же держателя, мы сумеем поймать падающий упаковочный конус и удержать его в этом положении до прилета вафельного. ПФ-6.l. и ПФ-6.2. можно выполнить таким с помощью такого же приспособления.
Далее нужно освободить место для следующей пары конусов, а собранную передать в накопитель, т. е. просто протолкнуть сборку через держатель. Он это позволяет. В этом случае нет нужды в захвате, как в подсистеме ПС-2, ибо к сборке конусов имеются доступы со всех сторон. Но возникает необходимость в специальном толкателе, периодически действующем в режиме согласованной ритмики с вращающимися захватами подсистем ПС-2 и ПС-4.
Допустим, эту проблему мы решили. Дальше на пути сборки конусов расположен накопитель ПС-8, глубокая труба (или иная емкость), рассчитанная на прием 25 сборок (600 мм). И в этой трубе не допускается свободное падение.
Куда должна переместиться первая сборка конусов после позиции сборки?
Логично ее переместить сразу на дно накопителя. Если не допускается падение, какая же должна быть перемещалка?
Для каждой следующей сборки путь в накопителе будет сокращаться. Как управлять такой перемещалкой?
Самый минимальный путь пройдет последняя из 25 сборок. Этот путь равен разности высот между верхними кромками соседних конусов в стопке (в нашем случае 20 мм), а максимальный ход - 600 мм.
Итак, логика предполагает "перемещалку" периодически действующую, но с каждым шагом укладки сборок конусов сокращающей свой путь, что ненадежно и сложно. В идеале же необходимо выбрать для каждого шага перемещалки одинаковый и минимальный путь.
Теперь можно сформулировать и противоречие в этой задаче: ведь чем длиннее путь сборки конусов, т.е. время действия перемещалки, тем больше шансов не попасть при укладке сборок друг в друга, тем хуже надежность. В идеале путь должен быть минимальным.
Задача № 5 принимает вид:
Необходимо обеспечить минимальный путь для сборки конусов.
ТП1: Если путь длинный, то ухудшается.
а) точность изготовления (29) - приемы 3, 27, 16. 40;
или
б) надежность (27) - приемы 11. 2, 13;
ТП2: Если путь короткий, то некуда девать остальные сборки.
Проанализируем подсказки приемов:
3 - принцип местного качества - что-то нужно сделать в оперативной зоне на входе в накопитель;
27, 40 - приемы явно не подходят;
16 - принцип частичного или избыточного решения. Избыточность хода перемещалки у нас уже есть. А вот что будет, если сократить его до минимума?
Это как раз те самые 20 мм хода, нужные для последней в наборе сборки конусов. Если протолкнуть собранную пару конусов на 20 мм вниз от позиции сборки, позиция освободится, и можно принимать следующую сборку, и та точно попадет в предыдущую. Но предыдущая должна быт зафиксирована, чтобы не падать на дно накопителя.
У нас в запасе еще есть приемы:
11 - принцип заранее подложенной подушки.
И снова лучше нашего держателя, как в ПС-1, в качестве "заранее подложенной подушки" ничего пока не придумать. Иными словами, на 20 мм ниже позиции сборки устанавливаем такой же держатель (а это всего лишь отверстие с кромками переменного диаметра), и каждая прошедшая позицию сборки пара конусов будет зафиксирована. И так же остальные сборки.
Нетрудно представить теперь конструкцию накопителя.
Это много этажей держателей, т.е. труба, где через каждые 20 мм закреплены кольца-отверстия с кромками переменного диаметра. Проталкивая каждую пару конусов с позиции сборки на 20 мм вниз, мы будем перемещать весь набор сборок пошаговым путем до дна накопителя.
Если это еще и не само решение, то, по, крайней мере, его удобная модель.
Наконец, рекомендуемый таблицей, прием 13 - принцип наоборот - только подтверждает найденное решение: заполнять накопитель не снизу - вверх, а сверху - вниз.
Таким образом, найдено принципиальное решение по способу перемещения сборок из пар конусов в накопителе. Решение пока чисто принципиальное, требует доводки и конструктивного упрощения.
А теперь "сыграем" на инструменте под названием - ФСА. Возьмем всего несколько "аккордов" ФСА.
Наш объект мини-ФСА - накопитель, состоит из следующие элементов:
1. Общая труба-контейнер.
2. Кольца-держатели (24 шт.).
3. Промежуточные части трубы между держателями (промежутки).
Сформулируем функции этих элементов:
1. Труба: ПФ-1 - удерживает кольца-держатели. Других функций нет.
2. Кольца-держатели:
2.1. ПФ-2 - удерживать сборки конусов в статике.
2.2. ПФ-3 - пропускать сборки конусов в динамике (при проталкивании).
3. Промежутки: ПФ-4 - полезных функций не выполняют.
Вредных функций нет.
Проведем ранжирование функций:
- ПФ-2 - главная;
- ПФ-3 - основная;
- ПФ-1 - вспомогательная;
- ПФ-4 - ненужная.
Таким образом, элемент "промежутки" как носитель ненужной функции подлежит свертыванию.
А подсистема ПС-6 подлежит свертыванию с передачей ее главной функции накопителю.
Как при этом должен измениться накопитель, состоящий из колец-держателей и трубы?
Убрав промежутки, следует сдвинуть по вертикали кольца, и получится труба, внутреннее сечение которой соответствует кольцу-держателю (см. рис. 9). Такая труба и держит, и пропускает конусы.
Но продолжим операции свертывания.
Обратимся по ранжиру к элементу "труба".
В новой системе изменяется функция трубы, т. к. исчезли и промежутки, и кольца, взамен которых появились вертикальные столбики, охваченные трубой.
Изменилась сущность функции трубы.
ПФ1' - удерживать столбики-направляющие; это вспомогательная функция, которую можно передать элементам надсистемы (автомата), которые безусловно, есть. Таким образом, накопитель можно выполнить из нескольких фигурных столбиков.
Но и это еще не все. Столбики не обязательно должны быть фигурными.
В качестве столбиков можно использовать, просто прямые стержни, установленные по окружности с диаметром меньшим, чем у верхней кромки конусов.
Чисто технологическое воплощение в окончательной доработке этого решения оформилось в виде четырех металлических уголков стандартного проката, закрепленных на опорных частях автомата.
Пунктиром на рис.10 показано, в каких точках окружности, охваченной уголками, происходит взаимодействие с ними верхних кромок конусов. Проще просто некуда!
Но и это еще не все!
Свернув кольца-держатели в накопителе, следует обратить внимание на подсистему "позиция сборки" (ПС-6) - кольцо-держатель под лотком Нужна ли она? Функцию позиции сборки успешно может выполнить горловина (верхняя кромка) накопителя.
Подсистему ПС-6 свертываем с передачей ее главной функции накопителю ПС-8
Опытная проверка накопителя из четырем уголков показала его высокую надежность и при выполнении этой функции.
3.5. Синтез "перемещалки" (ПС-7)
Задача № 7.
Нам успешно удалось свернуть целую подсистему (ПС-6). Но на этапе синтеза позиции сборки и накопителя возникла потребность в специальном толкателе сборок конусов, обеспечивающем пошаговый сдвиг их в накопителе.
ГПФ подсистемы ПС-7 : проталкивание собранной пары конусов на 20 мм вниз.
Рабочий орган толкателя должен появляться на короткое время между моментами попадания вафельного конуса в упаковочный и моментом падения очередного упаковочного в горловину накопителя и после проталкивания "исчезать" из этой оперативной зоны.
Таким образом, должны выполняться две полезные функции:
- ПФ 7.1 - перемещение туда-обратно рабочего органа.
- ПФ 7.2 - давление (проталкивание) на сборку конусов.
Характерный ритм функционирования - периодичность, согласованная с периодичностью действия захватов при отделении конусов от исходных стопок.
Наиболее просто оказать давление на засевший в горловине конус плоской рамкой или плоским кольцом. Для работы достаточно будет и части кольца - полукольца, а еще проще - две лопатки вилки, воздействующие на диаметрально противоположные точки кромок конуса.
Остается выбрать тип энергопотока для выполнения указанных действий.
В надсистеме для привода захватов (ПС-3 и ПС-4) используется носитель механического поля - вращающийся вал. Предпочтительно использовать этот же энергопоток. Но на том же валу для нашего толкателя места нет, да и оперативная зона толкателя значительно ниже.
В то же время функции ПФ7-1. и ПФ7.2. можно выполнить одновременно посредством поворота рабочего органа и возврата его в рамках определенного угла.
Считая вышеуказанный вращающийся вал Двигателем для подсистемы ПС-7, необходимо найти конструкцию Трансмиссии, обеспечивающую возвратно-поворотное перемещение рабочего органа.
Это - обычная инженерная задача, которая решается с помощью кривошипного механизма. Так и было сделано. На основном валу захватов закрепили кривошип, тяга от которого приводит в движение кривошип, закрепленный на отдельном валу, который и совершает возвратно-поворотное движение. На этом валу закреплен рабочий орган - толкатель конусов. Механизм легко настраивается на необходимую величину хода и время срабатывания (см. рис 11).
Резюме.
Выше показано, как были найдены решения задач, возникших на синтезе подсистем.
Поиск решений не был легким, потребовал экспериментальной проверки на макете, на что потребовалось немало времени. На этом задачи не иссякли, но это уже были чисто технические задачи.
Одной из самых трудных оказалась задача выбора оптимальной скорости вращения главного приводного вала автомата, входящего в систему управления, на котором были установлены захваты конусов. От решения этой задачи зависел главный показатель работы нашего автомата - производительность, т. е. число сборок конусов в единицу времени.
Был проведен ряд экспериментов с разными редукторами, в результате которых была определена эта скорость - 30 об/мин. Этого было явно недостаточно, а на больших скоростях наступали сбои в работе автомата.
Выход из этой ситуации был найден при объединении подсистем.
Шаг 4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ (АВТОМАТА СБОРКИ КОНУСОВ)
На этом этапе необходимо объединить в единое целое наиболее предпочтительные варианты подсистем. Или, что вернее, наиболее предпочтительные комплексы взаимосвязанных подсистем.
Эти операции должны дать в результате систему, выполняющую все требования, сформулированные при определении ее ГПФ.
Основным критерием выбора варианта подсистемы является обеспечение работоспособности ТС в целом.
4.1. Выбор вариантов подсистем
Начнем с комплекса первой пары центральных подсистем ПС-1 и ПС-3.
Для ПС-1 было найдено два варианта решений, но в испытаниях на макете предпочтение отдано безпружинному варианту держателя стопок упаковочных конусов (см. рис. 4). Этот вариант и принят для включения в систему.
Для ПС-3 было найдено три варианта решений. При выборе рабочего варианта предпочтение отдано далеко не лучшему из них по следующим соображениям: вариант с магнитной отклоняющей системой для захвата не был даже опробован из-за трудностей чисто технического порядка - не было возможности быстро приобрести магниты с нужными характеристиками. Ну, а времени в условиях договорной работы совсем не было.
От наиболее предпочтительного варианта с двумя вращающимися валами (рис. 6) пришлось тоже отказаться из-за необходимости введения дополнительного вращающегося вала для подсистемы ПС-8 (привод толкателя собранных пар конусов). В противном случае серьезно усложнялась трансмиссия всей системы.
Таким образом, для ПС-3 был принят первый вариант (см. рис.5) с копирами, управляющими сведением-разведением вилки-захвата. Трение лапок захвата по копиру создаст чисто механический износ. Поэтому лапки захвата в окончательном варианте были снабжены специальными роликами, тем самым было заменено трение скольжения на трение качения, и подсистема ПС-3 обрела необходимую долговечность и надежность, но и усложнилась.
Далее необходимо отработать второй комплекс центральных подсистем ПС-2 и ПС-4.
Как было показано, двухэтажная конструкция держателей вафельных конусов обеспечила надежное удержание стопки и отделение нижнего конуса в каждом акте прохождения (поворота) вилки-захвата с постоянным раствором. Однако вафельный конус, будучи достаточно тяжелым, даже на коротком участке свободного падения до горловины накопителя по лотку, опережает вилку-захват, а последняя перед выходом из оперативной зоны своими лапками прижимала конус к лотку и проламывала его.
Выход из этой ситуации был найден такой: лапки вилки были удлиненны и согнуты под углом так, чтобы после освобождения конуса нижним держателем, он сразу оседал в "объятия" концов вилки. Таким образом, и на участке движения по лотку перемещение конуса проходило со скоростью прохождения вилки-захвата (см. рис. 7а).
Подсистема ПС-5 - лоток - доработки не потребовала.
В подсистеме ПС-9 - накопитель - проблем при стыковке с ПС-5 не возникло.
Однако нужно было решить задачу разгрузки накопителя. Дело в том, что при разгрузке пропускать содержание накопителя дальше вниз не представлялось возможным из-за неудобства обслуживания: нижняя часть накопителя была уже почти на уровне пола.
Увеличивать высоту всей системы на 600 мм было нецелесообразно. Собранный в накопителе набор конусов решено было извлекать специальным приспособлением снизу вверх, а сам накопитель предварительно разворачивать на позицию разгрузки. Было сконструировано простейшее приспособление в виде длинного шомпола, установленного постоянно в накопителе с посадочным "гнездом" (для конуса) на конце. При разгрузке с помощью такого шомпола легко извлекается весь набор конусов (см. рис. 12).
В результате указанных небольших доработок "образ" автомата был создан (см. рис. 13). Весь комплекс полезных функций реализуется в заданной последовательности.
Однако одно из главных требований к разработке - обеспечение производительности - т. е. число сборок конусов в минуту, - оказалось не достигнутым. Наша система обеспечивала скорость лишь 30 об/мин., а при загрузке 25 вафельных конусов мы могли рассчитывать на 25 сборок/мин. - а надо не менее 60-ти.
Здесь мы подошли к проблеме поиска резервов развития нашей системы. А резервы у только что созданной системы, как правило, имеются.
4.2.
С целью улучшения основного показателя автомата, его производительности, рассмотрим возможность перехода к БИ-системе.
В данном случае, следуя этому правилу, необходимо организовать в системе два потока конусов одновременно, т. е. удвоить число всех подсистем, при этом необходимо провести анализ на выявление системного эффекта, путем ответа на вопрос: все ли подсистемы необходимо дублировать?
В первую очередь оценим ресурсы главного энергопотока -электропривода автомата.
Оказалось, что Двигатель, потребляя совсем незначительную мощность (25 ватт), за счет редуктора способен "тянуть" гораздо большую нагрузку. Следовательно, привод автомата дублировать не надо.
Удваиваем все остальные подсистемы, а значит удлиняется на необходимый размер вал главного привода и вал толкателей над накопителем. На валах закрепляем вторые подсистемы (ПС-3 и ПС-4) захватов и толкателей.
ПС-8 и соответственно устанавливаем в нужных местах вторую пару держателей стопок конусов (ПС-1 и ПС-2) и т. д. Такая двухсекционная система, но с одним общим приводом удвоит производительность автомата до 50 сборок/мин.
Но и этого мало.
Что ж, путь для дальнейшего наращивания производительности открыт. Добавляем еще одну секцию подсистем ПС-1... ПС-8, т. е. переходим к полисистеме, но с тем же приводом. Трехсекционная система обеспечит 75 сборок/мин. (см. рис. 14).
Это уже то, что требуется. При этом единственное усложнение возникает в групповом устройстве накопителя. Накопитель в этом случае выполняется в виде каркаса - прямоугольной формы (параллелепипеда), на двух сторонах которого закреплены накопители для каждой из трех секций автомата, по паре.
Каркас с такими накопителями способен разворачиваться относительно вертикальной оси для вывода заполненных контейнеров накопителя на позицию разгрузки, одновременно устанавливая пустые накопители на рабочую позицию.
Таково окончательное решение по синтезу Автомата сборки конусов. Общий вил автомата см.рис.14 и 15.
ВЫВОДЫ
1. В работе достаточно подробно описан синтез технической системы "с нуля", т. е. в условиях отсутствия информации о прототипах и аналогах. Наиболее трудным был этап предварительного синтеза "образа" будущей системы в целом, на абстрактном уровне, но как только на основе функционального синтеза и синтеза пространственно-временной организации была создана блок-схема из предполагаемых подсистем, работа значительно облегчилась. Проблема была переведена на уровень подсистем, где выявились конкретные задачи. Дальнейшее было делом техники, ТРИЗной техники.
2. Для синтеза применялась методика, которая создавалась в процессе работы. Методика эта построена с использованием средств ТРИЗ - ФСА и рекомендаций Комплексного Метода СБ. Голдовского и М. Вайнермана). Обобщать эту методику пока рановато, но применять можно и должно.
3. В процессе синтеза выявлены и решены 7 задач разного уровня сложности. Для поиска решений этих задач не потребовалось применять "тяжелую артиллерию" - АРИЗ. Использовались отдельные инструменты ТРИЗ и достаточно эффективно. Характерно, что идея сильного решения, найденная для одной из центральных подсистем, стала отличным аналогом для выхода на решения в других подсистемах.
4. В итоге накоплены крупицы опыта работы по синтезу многофункциональных технических систем. Создан автомат, получивший высокую оценку заказчика.
Автомат создан тризовцами, ни один из которых не являлся специалистом в области разработки автоматов. С благодарностью называю имена своих коллег:
Романов Сергей Никифорович,
Шаповалов Николай Никитович,
Белов Петр.
Об Авторе.
Хочу представить вам Эдуарда Львовича Кагана одного из тех, кто был у истоков ТРИЗого движения. Это мой друг и коллега, который и сейчас принимает активное участие в деятельности Ассоциации ТРИЗ Израиля.
Он родился в 1936. Окончил Петрозаводский университет (1958 г.) по специальности физика.
С 1962 по 1967 г. работал в КБ автоматики завода "ТЯЖБУММАШ".
Первое знакомство с ТРИЗ у него состоялось в 1964 году после прочтения первых книг Г.С.Альтшуллера "Как научится изобретать" и "Основы изобретательства". В 1971 году он познакомился с Генрихом Альтшуллером на семинаре в Баку. Это был 60 часовой учебный семинар, который вел Г.С.Альтшуллер.
Свою первую заявку на изобретение Эдуард подал в 1965г. В 1967 году переехал в Волгоград.
В 1974 году Эдуард организовал и возглавил школу ТРИЗ в Волгограде. Он много времени отдавал организационной, преподавательской и исследовательской деятельности в ТРИЗ. Он провел сотни семинаров по 120 часовой программе. Среди его наиболее известных учеников можно назвать Лопатину Н.Г., супругов Бутенко и др. Его ученики получили несколько сот изобретений, многие из изобретений были внедрены.
Э.Каган много времени профессионально занимался использованием пъезокерамики. Он изобрел и успешно внедрил в производство ряд своих изобретений. Наибольший объем внедрения был у бытовой пьезозажигалки, прибора "ТЕСТ" для экспресс-контроля автомобильных свечей зажигания, устройства для контроля знаний, источника электрических зарядов "ПЬЕЗОСТАТ" и др.
Исследовательские интересы Э.Кагана распространяются на законы развития технических систем и многие друге аспекты ТРИЗ для инженеров и ФСА.
В 1994 г организовал и возглавил отдел перспективных технологий в Корпорации МДМ (Волгоград), где была создана и обучена команда разработчиков, владеющих ТРИЗ. В активе команды решения ряда задач по заказу на коммерческой основе с внедрением "в железе" и сдачей заказчику "под ключ".
Частичный его опыт изложен в представленной статье.
В 2000 году Эдуард получил СЕРТИФИКАТ МАТРИЗ № 5. В том же году репатриировался в Израиль.
Владимир Петров
Президент Ассоциации ТРИЗ Израиля,
Мастер ТРИЗ.
|
вверх
