Издательство бгту брянск 1997

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Первый уровень Второй уровень. Третий уровень Четвертый уровень Пятый уровень 1.4. Постановка и анализ творческих задач 1.5. Классификация методов инженерного творчества Вопросы для самоподготовки

Подобный материал:

• Материалов докладов, 79.99kb.
• Материалов докладов, 80.57kb.
• Материалов докладов, 80.56kb.
• В. И. Аверченков; Брян гос техн ун-т. Изд. 2-е, стер. Брянск : Изд-во бгту, 2010. 267, 292.96kb.
• Программа итогового государственного экзамена выпускников специальности 010503 «Математическое, 146.09kb.
• Программа итогового государственного экзамена выпускников специальности 230105 «Программное, 170.07kb.
• О. Н. Алешин; Брян гос техн ун-т. Брянск : Изд-во бгту, 2006. 112, 126.34kb.
• Дежнев Роман «В концертном исполнении», 235.36kb.
• Методические указания к выполнению лабораторной работы №6 для студентов всех форм обучения, 197.64kb.
• Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения, 197.12kb.

Около 77% зарегистрированных изобретений представляют собой лишь новые конструкции, усовершенствования, для создания которых достаточны знания и навыки, которыми обязан обладать каждый современный инженер. Вместе с тем качественное изменение техники обеспечивают именно решения 3-5 уровней, и они составляют менее 1/4 приведенного числа изобретений.

В истории техники немного великих изобретений революционного характера. Исследователи называют всего 150 - 200 таких решений, "цена" которых может составлять десятки и сотни тысяч проб.

Рассмотрим, более подробно пять уровней изобретений, приведем конкретные примеры изобретений разного уровня и предложим задачи для решения.


Любой человек, сколь бы гениален он ни был, в течение своей жизни использует не более миллиардной доли тех возможностей, которые ему представляет его мозг.



Первый уровень. Решение таких задач, можно сказать, не связано с устранением технических противоречий и приводит к мельчайшим изобретениям ("неизобретательские изобретения"). Задача первого уровня и средства ее решения лежат в пределах одной профессии, решение задачи под силу каждому специалисту. Объект задачи указан точно и правильно. Вариантов изменений мало, обычно не более десяти. Сами изменения локальны: незначительно перестраивая объект, они не отражаются на иерархии систем.

ПРИМЕР

Авторское свидетельство N 157350,: "Защитный колпак к баллонам для сжатых сжиженных газов, отличающийся тем, что с целью значительного снижения стоимости и экономии металла колпак выполнен из пластмассы, и снабжен ребрами жесткости на внутренней поверхности". У этого изобретения все стадии творческого процесса пройдены на первом уровне. Взята готовая задача, использована готовая поисковая концепция, никакой специальной информации собирать не пришлось ( пластмассовые колпаки применяются в термосах). Конструкция тоже готовая.

ЗАДАЧА 1^*

На речных судах мачты состоят из двух частей: неподвижная часть (стандерс) шарнирно соединена с подвижной (стойка). При прохождении, под мостом стойки опускают, а потом, когда мост остается позади, вновь поднимают. Весит стойка немало, поднимать и опускать ее- сложно. Возникает задача: как упростить подъем – спуск стойки?

Второй уровень. Задачи с техническими противоречиями, легко преодолеваемыми с помощью способов, известных применительно к родственным системам. Например, задача, относящаяся к фрезерным и сверлильным станкам, решена приемом, уже используемым в токарно-револьверных станках. Меняется (да и то частично) только один элемент системы. Ответы на задачи второго уровня - мелкие изобретения. Для получения ответа обычно приходится рассмотреть несколько десятков вариантов решения.

Третий уровень. Противоречие и способ его преодоления находятся в пределах одной науки, то есть механическая задача решается путем, известным в механике, химическая задача - в химии. Полностью меняется один из элементов системы, частично меняются другие элементы. Число вариантов, рассматриваемых в процессе решения, измеряется сотнями. В итоге - добротное среднее изобретение.



*В пособии приведены задачи для самостоятельного их решения студентами



ПРИМЕР.

Авторское свидетельство Н 1342604, Резец, содержащий режущую пластину, закрепленную на державке с опорной поверхностью и двумя продольными сквозными пазами, соединенными между собой со стороны головки резца, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости резца за счет уменьшения амплитуды колебаний при резании, резец снабжен пластиной с ребрами , размешенными с натягом в продольных лазах державки под углом 45°- 60° к опорной поверхности державки.

ЗАДАЧА 2

В трубе, по которой движется газ, установлена поворотная заслонка. Иногда, температура газа неконтролируемо меняемся (повышается на 20 - 30°). С повышением температуры уменьшается плотность газа, подает количество газа, проходящего через трубу в единицу времени. Нужно обеспечить постоянный расход газа (для каждого угла поворота заслонки).

ПРИМЕР

Авторское свидетельство Н 258481: "Способ дуговой сварки, при котором дуга горит между электродом и изделием, отличающийся тем, что с целью повышения качества сварки в качестве электрода используют струю жидкого металла, подаваемого в зону сварки электромагнитным насосом по трубопроводу, изменено известное решение и конструкция.

ЗАДАЧА 3

Существует специальный вид фотографирования с использованием взрывного затвора: с помощью сильного электрического заряда уничтожают шторку, перекрывающую путь световому потоку. Решено 6ыло использовать этот принцип при киносъемке. Но киносъемка требует непрерывности, надо снимать один кадр за другим. Возникает проблема: каким образом быстро менять шторку, уничтоженную взрывом?


Четвертый уровень. Синтезируется новая техническая система. Поскольку эта система не содержит технических противоречий, иногда создается впечатление, что изобретение сделано без преодоления технического противоречия. На самом же деле противоречие было, однако относилось оно к прототипу - старой технической системе. В задачах четвертого уровня противоречия устраняются средствами, подчас далеко выходящими за пределы науки, к которой относится задача (например, механическая задача решается химически). Число вариантов, среди которых "прячется" правильный ответ, измеряется тысячами и даже десятками тысяч. В итоге - крупное изобретение. Нередко найденный принцип является "ключом" к решению других задач второго - четвертого уровней.

ПРИМЕР

Авторское свидетельство N 163559: "Способ контроля породоразрушаюшего инструмента, например, буровых долот, отличающийся тем, что с целью упрощения контроля в качестве сигнализатора износа применяют монтируемые в тело долот ампулы с резко пахнущими химическими веществами, например этилер катаном". Здесь предлагается новый (запаховый) способ контроля.

ПРИМЕР

Авторское свидетельство № 1357145. Предложен способ дробления стружки при механической

обработке металлов резанием, отличающийся тем, что на зону пересечения стружки и потока смазочно-охлаждающей жидкости периодически воздействуют магнитные поля, при этом используют жидкость, твердеющую в магнитном поле, в процессе обработки при Фиксации стружки за счет отвердевшей смазочно-охлаждающей жидкости происходит непрерывное увеличение ее длины, а следовательно, увеличение изгиба стружки и разрушение ее на элементы.


ЗАДАЧА 4

На заводе, выпускающем сельскохозяйственные машины, был небольшой полигон для испытания машин на трогание с места и разворота. Завод получил заказ на поставку продукции в


20 стран. Выяснилось, что нужно проводить испытания на 100 видах почв. Чем больше полигон - тем надежнее испытания. Но с увеличением числа полигонов резко возрастает стоимость испытаний и, следовательно, стоимость продукции.

Пятый уровень. Изобретательская ситуация представляет собой клубок сложных проблем (например, очистка океанов и морей от нефтяных и прочих загрязнений). Число вариантов, которые необходимо перебрать для решения, практически неограниченно. В итоге - крупнейшее изобретение. Это изобретение создает принципиально новую систему, она постепенно обрастает изобретениями менее крупными. Возникает новая отрасль техники. Примерами могут служить самолет ( изобретение самолета положило начало авиации), радио (радиотехника), киноаппарат (кинотехника), лазер (квантовая оптика).

ПРИМЕР

Авторское свидетельство N 167056: "Способ уменьшения износа трущихся поверхностей, разделенных слоем смазки, например в подшипниках скольжения, отличающийся тем, что с целью уменьшения трения к трущимся поверхностям в процессе их работы подводят переменное электрическое напряжение от источника тока повышенной частоты" Новый принцип использован в решении этой задачи.

ЗАДАЧА 5

Нужно предложить подземоход, способный передвигаться в земной коре со скоростью 10 км/ч при запасе хода в 300 – 400 км.

Характерная особенность задач пятого уровня: к моменту постановки подобных задач средства их решения лежат за пределами современной науки. Не известны те физические эффекты, явления, принципы, на основе которых может быть создан, например, подземоход (а вместе с ним отрасль техники - глубинный транспорт).

Условия задачи пятого уровня обычно не содержат прямых указаний на противоречие. Поскольку системы - прототипа нет, то нет и присущих этой системе противоречий. Они возникают в процессе синтеза принципиально новой системы. Предположим, решено обеспечить продвижение подземохода путем расплавления горных пород. Сразу образуется узел сложнейших противоречий: расплавляя окружающие породы, мы облегчаем движение машины, но резко увеличиваем расход энергии, создаем гигантский теплоприток внутрь подземного корабля, затрудняем использованием известных навигационных средств, следовательно, лишаем машину управления.



Мысли - это сила. Наши цели, наши планы - это сконцентрированные мысли. Поэтому каждый свой день начинайте мыслями, полными уверенности, радости и оптимизма.



1.4. ПОСТАНОВКА И АНАЛИЗ ТВОРЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Постановка задачи - это нелегкая работа. Однако нужно всегда помнить, что правильная постановка изобретательской задачи - это половина ее решения и отсечение многих бесперспективных и тупиковых направлений поиска. Нередки случаи, когда решение задачи находят в процессе ее постановки. Поэтому не следует экономить время на анализ и постановку задачи. В работе А.И. Половинкина [15] предложен алгоритм в виде набора операций, позволяющих формализовать теоретический процесс постановки изобретательской задачи. Рассмотрим последовательность и содержание этих операций.

Операция 1. Описание проблемной ситуации представляет собой самую предварительную


краткую формулировку задачи, в которой должны содержаться ответы на следующие вопросы:

А. В чем состоит затруднение или проблемная ситуация и какова ее предыстория?

Б. Что требуется сделать для устранения проблемной ситуации, то есть какую потребность нужно удовлетворить?

В. Что мешает устранению проблемной ситуации или достижению цели?

Г. Что дает решение задачи для людей, предприятия, народного хозяйства и так далее?

Операция 2. Описание функции (назначения) технического объекта содержит четкую краткую характеристику технического средства, с помощью которого можно удовлетворить возникающую потребность.

При этом рекомендуется давать сначала качественное, а затем количественное описание функции, которую требуется реализовать с помощью разрабатываемого технического объекта (табл.2).


Ясность цели совершенно необходима. В четком формулировании целей проявляется способность сосредоточиваться.



Операция 3. Выбор прототипа и составление списка требований. В описании проблемной ситуации часто указывают прототип, который требуется усовершенствовать. Этот исходный прототип обычно приходится брать за основу при поиске улучшенного решения. Кроме этого, рекомендуется выбрать еще 1 - 2 дополнительных прототипа, имеющих определенные достоинства по сравнению с исходным.


Таблица 2

Пример описания функции объектов [15]

Технический объект	Описание функции
	Действие	Объект	Условие
Пневмотранспорт внутри цеха	Транспортирует	Крупные заготовки с габаритами 420х275х350 мм	Между складом и рабочими местами на расстояние 60 м
Бытовая электроплитка	Нагревает	Емкость с водой объемом до 5 л	До кипения за время не более 20 мин

При этом в первую очередь используются существующие в практике изделия на уровне лучших мировых образцов, аналогичные технические решения в ведущем классе объектов. Ведущий класс технических объектов по сравнению с рассматриваемым имеет близкую функцию и более высокий технический уровень. Например, для автомобилестроения ведущим классом может быть авиация, для строительства - машиностроение.


Иногда при выборе прототипа удается найти подходящее решение и тем самым снять проблемную ситуацию. В этом случае при дефиците времени и ресурсов можно прекратить решение задачи поиска улучшенного варианта. Однако при наличии времени почти всегда имеет смысл и есть возможность улучшить найденное решение и тем самым отодвинуть время возникновения новой проблемной ситуации в данном месте.

Операция 4. Составление списка недостатков прототипа. Каждый практически используемый объект, как правило, имеет некоторый список недостатков, устранение которых обеспечивает получение новой улучшенной модификации. При выполнении этой операции стремитесь выявить


все недостатки прототипа, которые могут быть устранены в новом изделии, то есть для каждого прототипа укажите:

• показатели, которые не соответствуют сформулированной функции;
  

• факторы, которые сникают эффективность или затрудняют использование прототипа;
  

• показатели, которые желательно улучшить.
  

Операция 5. Предварительная формулировка задачи кратко обобщает результаты, полученные при выполнении операций 1 - 4. При этом задача традиционно содержит две части: "дано" и "требуется". Такое обобщение дает комплексное и легко обозримое представление о задаче, что способствует продуктивной работе.

Дано:

а) в зависимости от характера задачи качественное или количественное описание функции и ограничений, накладываемых на реализацию функций;

б) перечень и описание возможных прототипов;

в) списки недостатков прототипов.

Требуется: в процессе решения задачи так изменить прототип, то есть найти такое новое техническое решение, которое бы реализовало интересующую функцию и не имело (или имело в меньшей мере) недостатки, присущие прототипу.

Уточненная постановка задачи.

Операция 6. Проводят анализ функций прототипа и построение улучшенной конструктивной функциональной структуры.

После этого выполняют корректировку (улучшение функциональной структуры, отвечая на вопросы):

А. Какие можно ввести новые функциональные элементы, обеспечивающие устранение недостатков прототипа или существенное повышение эффективности и качества объекта?

Дают название таким элементам и описывают их функции.

Б. Какие можно исключить элементы с целью устранения недостатков прототипа или повышения эффективности и качества?

В. Какие целесообразно исключить элементы путем передачи их функций другим элементам?

Г. Для каких элементов, имеющих несколько функций, целесообразно разделение функций и введение вместо одного двух или более элементов? Дают название новым элементам и описывают их функции.

Операция 7. Выявление причин возникновения недостатков. Проводятся более углубленный анализ и изучение задачи в направлении выявления причин возникновения недостатков в прототипе, сформулированных при выполнении операции 4.

Сопоставьте каждый недостаток и причину его возникновения, попытайтесь ответить на вопрос: можно ли полностью или частично избавиться от недостатка, исключив причину его возникновения?

Операция 8. Выявление и анализ противоречий развития. Улучшение многих технических объектов связано с преодолением так называемых противоречий развития, которые могут возникнуть в следующей типичной ситуации.

Улучшение какого-либо желаемого показателя объекта приводит к существенному ухудшению одного или нескольких других важных показателей. Например, увеличение грузоподъемности моста приводит к возникновению расхода материалов; снижение деформации антенны радиотелескопа приводит к резкому повышению стоимости антенны; снижение веса военного самолета приводит к ухудшению двух показателей: снижается живучесть самолета за счет меньшего бронирования, а также запас прочности.


Операция 9. Уточнение списка прототипов и формирование идеального технического решения. Выявление и анализ недостатков прототипа, анализ функций прототипа и вышестоящей системы значительно расширяют представление о задаче и требованиях к прототипу. Кроме того, полезно сформулировать и представить идеальное техническое решение.

Любой класс технических объектов имеет определенное направление или главную магистраль развития, показанную пунктиром на рис.4. В связи с этим все изобретения можно разделить на две


группы: прогрессивные (Т1 Т4), которые лежат на главной магистрали, и ту­пиковые (ТЗа, Т4а), уходящие в сторону от главной магистрали. При создании нового объекта задача заключается не в поиске вообще новых улучшенных технических решений, а в поиске решений, лежащих на главной магистрали.

К одному из приемов, помогающих выбору нового технического решения на главной магистрали развития, относится формулировка идеального технического решения(ИТР), которое конструкторы и изобретатели называют по-разному (идеальный конечный результат, идеальная машина, предельно совершенное устройство и тому подобное). ИТР является как бы ориентиром для выбора прототипа и конструирования улучшенного решения.



Едва ли есть что-либо более нужное для знания и для успеха всякого дела, чем умение человека владеть своими мыслями.




Идеальным будем считать такое техническое решение, которое имеет хотя бы одно из следующих свойств:

1. В ИТР размеры технического объекта приближаются или совпадают с размерами обрабатываемого или транспортируемого объекта, а его чистый вес намного меньше обрабатываемого объекта.
   
2. В ИТР вес и размеры технического объекта или его главных функциональных элементов приближаются к нулю и в предельном случае равны нулю (когда устройства вообще нет, а необходимая функция выполняется).
   

1.5. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА


Для творческой деятельности характерны определенные закономерности, которые можно использовать для создания результативных методов поиска решений творческих задач, позволяющих повысить эффективность творческого труда. Благодаря использованию этих закономерностей, создан ряд приемов, методов и методик, позволяющих рационально организовать поиск новых технических решений, активизировать мышление, развить и реализовать творческие способности человека.

Анализ известных методов проектирования и активизации технического творчества позволяет заметить возрастание темпов развития методологии технического творчества по увеличению числа методов: до 1940 г. был разработан всего 1 метод; в период с 1940 по 1950 гг. -4; с 1950 по 1960 гг. - 10; с 1960 по 1970 гг. - 11; с 1970 по 1980 гг.- 18 методов [15]. В настоящее время насчитывается свыше 50 методов активизации творчества.

Следует отметить, что исторически развитие методов технического творчества проходило от случайного (хаотичного) перебора вариантов решений задачи (метод проб и ошибок) до стройной теории алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ).


Сегодня сформировалась такая система знаний о техническом творчестве и его методах, которую уверенно можно считать фундаментом науки. Определилась терминология, некоторые основные понятия методологии творчества, ставшие языком развивающейся науки.


Наука - не волшебный рог изобилия, а лишь средство преобразования мира в руках людей.



В настоящее время в литературе [3,8,15] встречается ряд классификаций методов технического творчества, предложенных отечественными и зарубежными учеными. Так, Ю.Н.Кузнецов в работе [8] предлагает методы активизации творчества разбить на три основные группы:

1. системные (комбинаторные или гибридные), направленные на последовательный перебор всех возможных вариантов решения и основанные на анализе строения и особенностей объекта;
   
2. ассоциативные (психологической активизации творчества), предусматривающие активизацию генерирования идей за счет психологического преодоления вектора инерции мышления и представляющие бессистемный поиск решений задачи;
   
3. программные (алгоритмические), обеспечивающие более или менее целеустремленное движение к решению задачи выявлением технических и физических противоречий в известных объектах и их последующим преодолением.
   

Во всем мире широко известна классификация методов проектирования по Д. Джонсону [3]. Согласно этой классификации все методы разбиваются на группы в зависимости от стадии проектирования. Проектирование включает в себя три основных стадии:



Рис.5. Классификационная схема методов инженерного творчества.




АНАЛИЗ - расчленение задачи на части;

СИНТЕЗ - соединение частей рассматриваемого объекта по-новому;

ОЦЕНКА - изучение последствий от практического внедрения нового устройства.

Для того, чтобы иметь наиболее полное представление о многообразии методов проектирования и активизации творчества, нами предложена классификация (рис.6), включающая следующие группы методов: методы исследования проектной ситуации, методы поиска идей новых технических решений, методы анализа технических решений.

Новые методы проектирования направлены на то, чтобы заставить проектировщика "думать вслух", позволить другим людям ознакомиться с процессами мышления, которые до сих пор протекали у него в голове, объективизировать процесс проектирования.

В последующих главах рассмотрены некоторые методы проектирования. При этом для каждого метода раскрывается:

ЦЕЛЬ - предложение, описывающее желаемый результат применения данного метода;

ПЛАН ДЕЙСТВИЙ - краткий перечень действий, которые должен выполнить проектировщик при применении данного метода;

ПРИМЕНЕНИЕ - указываются те типы ситуаций, в которых метод может оказаться полезным, область применения метода. Также приводятся ПРИМЕРЫ и ЗАДАЧИ для закрепления материала.



В памяти обучаемого остается 90 %. того, что он делает, 50 % того, что он видит, 10 %. того, что он слышит.




ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Назовите цели и задачи методов инженерного творчества.
   
2. Требования к профессиональному качеству инженеров-проектировщиков.
   
3. Препятствия к творчеству инженеров.
   
4. Назовите основные качества изобретателя.
   
5. Основные этапы творческого процесса.
   
6. Виды противоречий при решении изобретательских задач.
   
7. Дайте характеристику основным видам инженерной деятельности.
   
8. Назовите основные группы методов инженерного творчества.