Первоначально метод предложен швейцарским астрофизиком Цвикки и назывался метод морфологического ящика

Метод морфологического анализа применяется на ранних стадиях проектирования и конструирования; он позволяет найти и систематизировать все возможные способы построения объекта, имеющие данное функциональное назначение.

Цель метода – системно исследовать все возможные варианты решения задач, которые возникают из закономерностей структуры (морфологии) совершенствуемого объекта (ТС), и тем самым учесть, кроме известных, необычные варианты, которыми при простом переборе могли и пренебречь.

Метод включает следующие этапы:

- формулировка цели технической задачи;

- выбор конкретного технического объекта и перечисление его главных составляющих;

- формирование списка возможных характеристик (свойств, признаков) перечисленных выше элементов технического объекта;

- составление двумерной таблицы (матрицы, морфологического ящика), по осям которых размещают отобранные ранее для рассмотрения элементы и характеристики. Матрицы могут быть записаны в буквенном или цифровом виде по строкам или по столбцам:

или .

- составление решений, соединяющие в себе соответствующие сочетания элементов и характеристик и анализ решений, содержащихся в морфологическом ящике, с точки зрения достижения поставленных целей;

- выбор одного или нескольких лучших вариантов решений для дальнейшей проработки.

Достоинство метода – многовариантность.

К недостаткам метода относится то, что рядом с реально возможными комбинациями вариантов характеристик (или признаков) морфологическая матрица имеет большое количество несовместимых вариантов.

Рассмотрим примеры морфологических матриц.

Таблица 7.1 – Морфологическая матрица схем конического редуктора (рисунок 7.1)

Рисунок 7.1 – Схема конического редуктора:

В1, В2 - вал, соответственно входной и выходной; О11, О12, О21, О22 – опоры соответственно входного (1) и выходного (2) валов; Ш1, Ш2 – шестерни, соответственно ведущая и ведомая; К – корпус; Кр – крышка

Этап 4. Синтез вариантов объекта.

После заполнения морфологической матрицы переходят к синтезу вариантов. Количество вариантов может вычисляться астрономическими числами, так как каждая из "n" характеристик владеет определенным числом Ki разных вариантов (альтернатив). Совокупность вариантов морфологической матрицы дает возможность определить полное количество решений:

.

Если каждая из "n" характеристик имеет одинаковое количество альтернатив (Kl=K2=...=K=const), то полное количество решений

N=Kⁿ .

Пример: По табл. 10.3 синтез схем конического редуктору дает N=3⁸=6561 комбинацию, так как для каждой из восьми характеристик (n=8) число альтернатов К=3.

Каждый вариант можно обозначить, например, следующей формулой:

1.1-2.3-3.2-4.1-5.2-6.2-7.1-8.2, что означает вариант конструкции редуктора, в которой входной вал расположен справа, опоры входного вала – одна в середине, другая снаружи, входная шестерня – слева, выходной вал – внизу, его опоры – обе снаружи, выходная шестерня – внизу, корпус выполняется цельнолитым, а крышка располагается горизонтально.

Другой пример – морфологическая матрица для объекта "Печь для дачного домика" (таблица 7.2).

Таблица 7.2 – Морфологическая матрица для объекта "Печь для дачного домика"

В этой матрице содержится - 4*4*5*2*5*2*3*3=14400 вариантов печей. Каждый вариант можно обозначить формулой АiБjВkГl... Например, вариант А2Б2В1Г1Д2Е2Ж3И3 означает следующее: чугунная печь (А2) с асбоцементной трубой (Б2), выведенной через потолок (Е2), топится дровами (В1), топливник вертикальный (Г1), теплоаккумулирующая емкость засыпана песком или золой (Д2), печь на ножках (Ж3), никаких приспособлений для приготовления пищи нет (И3).

С учетом большого количества вариантов бессистемный их пepeбоp неблагоприятен. При проведении четвертого этапа следует руководствоваться перечнем технических требований, которые есть в техническом задании и откорректированы с учетом уточнения формулировки задачи.

Так как приходится оперировать несколькими характеристиками с большим числом вариантов (10 и больше), однозначных правил выбора нет, чаще - это интуитивный выбор. Каждый вариант решения - это совокупность (соединение) единичных вариантов вcеx характеристик. Синтез варианта решения осуществляют, начиная из выбора вариантов основных элементов и более существенных признаков. Технические требования в отдельности или в соединении одно с другим должны удовлетворять подмножеству синтезированных вариантов в целом. Количество вариантов ограничивают исходя из возможности проработки иx в ограниченное (благоприятное) время.

Этап 5. Выбор рациональных (лучших) вариантов.

На этом этапе выбирают не более 2-3 вариантов лучших решений для детальной конструктивной проработки.

Можно рекомендовать такой порядок выбора лучших решений:

1) выполнить ранжирование требований по их значимости; 2) осуществить ранжирование вариантов решения с учетом числа удовлетворяющих требований и их значимости; 3) используя экспертные оценки или другой метод неформальных процедур, выбрать 2-3 наиболее благоприятных варианта.

Метод поэлементного экономического анализа (ПЭА)

Одной из главных забот после создания объекта по требованиям технического задания является забота конструктора о достижении технологичности, когда высокие эксплуатационные качества обеспечиваются применением экономичного при данном виде производства технологического процесса.

Для решения задач такого рода используются методы технико-экономического анализа конструкций.

К этой категории относится метод поэлементного экономического анализа.

Метод поэлементного экономического анализа прост и кратко может быть сформулирован так:

- анализируемый объект делится на отдельные элементы;

- определяются функции, выполняемые этими элементами;

- элементы делятся на две группы: основные и вспомогательные;

- каждый элемент рассматривается как источник затрат и отрабатывается с целью максимально качественного выполнения возложенных на него функций, при минимальных затратах;

- после отработки всех, без исключения элементов проводится анализ результатов проделанной работы и синтез нового объекта.

Цель применения метода ПЭА - достижение максимально эффективного функционирования объекта при минимальных затратах.

Проведем с применением метода поэлементного экономического анализа отработку детали.

Перед нами штампованная деталь - контактная пружина 3, являющаяся частью собранного узла (рисунок 7.1). Попытаемся на ней показать весь процесс анализа и отработки: разбивку детали на элементы, разделение элементов на основную и вспомогательную группы, контрольную проверку функции детали. Подчеркнем: показывается влияние вспомогательных элементов на рациональный расход материала.

Рисунок 7.1 – Контактная пружина

Перед конструктором стояла задача создать узел-индуктор, в том числе, эластичную пружину, обеспечивающую определенное давление на контакт, и, благодаря этому, передачу электрического тока от контакта 4 на контакт 5, а затем к проводнику 1. Пружину необходимо было укрепить на стойке 2 узла.

К моменту конструирования контактной пружины конструктору были хорошо известны, точки ее механического крепления к стойке, точка крепления контакта и расстояние от подвижной поверхности контакта до стойки.

На основании этих данных рассчитано сечение рабочей (средней) части пружины. Чтобы обеспечить эластичность и устойчивость пружины, конструктор изогнул и тем самым удлинил ее рабочую часть. А для удобства припайки проводника с обеих сторон пружины вывел два паяльных лепестка. В остальном конфигурация детали образована произвольным соединением всех рабочих частей.

Конструктор избрал для изготовления детали способ холодного штампования, который обеспечил быстроту изготовления детали. Холодное штампование не представляло для производства никакой трудности. Для технологов и инструментальщиков деталь также оказалась обычной и несложной, ее приняли к производству вместе с принятием конструкции узла.

Технолог, работая над чертежом, сделал развертку детали и раскроил ее в ленте. Отход материала составил 59%. Более экономичного раскроя получить не удалось. Подготовили полную технологическую оснастку, запустили деталь в производство.

Но действительно ли совершенной оказалась конструкция? Давайте разберемся. Обычный подход. Начнем с ознакомления с технологическим процессом. Далее при беглом анализе видно, что деталь имеет два крупных недостатка, отрицательно сказывающихся на ее себестоимости: большой отход металла и неудачный раскрой, требующий либо переворота ленты при штамповке, что затрудняет автоматизацию штампования, либо изготовления более сложного штампа.

Оба недостатка столь обычны, что если бы мы не занимались анализом экономичности детали, никому не пришло бы в голову обратить на них внимание; их вообще не стали бы считать недостатками. Подобная деталь, сложность ее изготовления и отхода слишком привычны для глаза любого технолога и штамповщика. Обычный вывод: обычная деталь, обычные отходы, обычные трудности.

Мы же, используя метод поэлементного экономического анализа, проанализируем функции каждого элемента, его вклад в затраты и по результатам попытаемся при отработке элементов устранить оба недостатка.

Как отмечалось, назначение детали - передача электрического тока от контакта якоря к схемному кабелю аппарата. К детали предъявляются определенные требования: пружина должна обеспечивать нужное давление на контакт, быть устойчивой в работе, прочно закрепляться на стойке, иметь место для пайки передающего ток проводника.

Применяя наш метод, выделим основные и вспомогательные элементы пружины (рисунок 8.2). К основным элементам относим:

1) отверстия диам.4 для крепления детали к стойке и расстояние между ними (38 мм);

2) отверстие диам.2 для крепления контакта и расположение его относительно отверстий крепления (размеры 19 и 16,5 мм);

3) расстояние от плоскости крепления пружины до плоскости крепления контакта - изгиб пружины (длина средней рабочей части 10 мм);

4) рабочее сечение пружины (5 х 0,4 мм);

5) паяльный лепесток с отверстием диам.1,5 для припайки проводника;

6) минимальные запасы прочности материала вокруг отверстий.

Рисунок 8.2 – Чертеж пружины

В связи о тем, что необходимо сохранить взаимозаменяемость новой детали и деталей, ранее выпущенных, и тем, что качество работы пружины вполне удовлетворяет предъявляемым требованиям, не будем изменять основные элементы, а путем поэлементно-экономического анализа попытаемся обосновать и отработать вспомогательные элементы детали.

Наиболее простым и удобным для автоматизации штампования будет штамп с одним вырубным пуансоном и работа без переворота ленты. Поэтому расположим развертки детали в один ряд, друг за другом, как показано на рисунок 7.3а. Раскрой получается исключительно невыгодным, гораздо худшим, чем на принятом в производстве штампе с переворотом ленты. Но это расположение позволяет увидеть, что минимальное допустимое расстояние (перемычка между деталями) получается между основным элементом нижней вырубки и вспомогательным элементом верхней вырубки.

Поскольку мы ищем возможность экономии материала то невольно напрашивается новое конструктивное решение вспомогательного элемента, позволяющее уменьшить шаг штампа. Среднюю часть пружины раздваиваем для сближения вырубок.

Изменив среднюю часть пружины, сблизим вырубки и вновь расположим их друг за другом (рисунок 7.3б). Отход металла сократится до 46,1%. Теперь дальнейшему сближению мешает не средняя часть пружины, а паяльные лепестки, которые упираются в условно обозначенные окружности минимального запаса прочности материала вокруг крепежных отверстий. Уменьшение этих окружностей недопустимо. Каков же выход?

Анализируя работу и расположение узла в общей конструкции изделия, приходим к выводу, что один из паяльных лепестков пружины не является необходимым. Проводник всегда припаивается только к правому лепестку, второй остается нерабочим. Следовательно, его можно убрать.

Расположение оставшегося лепестка не оговорено в требованиях к детали, не влияет на выполнение возложенных на лепесток функций и к зависит от других деталей. Лепесток, мешающий сближению разверток, можно отвести под углом в сторону (рисунок 7.3в). Таким образом, паяльный лепесток остается, хотя конструктивное оформление его стало несколько другим. Это дало возможность еще больше сблизить вырубки пружины, раскрой стал более экономичным, а отход сократился до 30%. Теперь уже нет лишних площадей отходов, осталась только перемычка между вырубками, которая необходима при обычном штамповании.

С этого момента отработка вспомогательных элементов, создающих конфигурацию детали, может идти по двум направлениям, обусловленным чисто технологическими соображениями; первое - стремление к безотходному раскрою; второе (если по каким-либо причинам невозможно безотходное штампование) - стремление к наиболее простому изготовлению штампа при сохранении уже достигнутой экономичности расположения вырубок в ленте.

Прорабатывая элементы конфигурации детали так, чтобы максимально упростить изготовление штампа, получаем конфигурацию пружины, показанную на рисунок 7.3г. Если считать, что пружина будет изготовляться обычным штампованием, при котором вырубка происходит сразу по всему периметру и между вырубками остаются перемычки, то деталь можно считать доработанной.

Для безотходного двухшагового штампования, наиболее экономичного и производительного, вспомогательные элементы профиля пружины прорабатываются еще более тщательно. Верхнюю и нижнюю части контура делают одинаковыми, что позволяет убрать перемычку между деталями.

Тщательно отработанный верхний профиль нижней вырубки -полностью вписывается в нижний профиль верхней вырубки и получается безотходный, максимально экономичный раскрой (рисунок 7.3д). Шаг штампа доведен до минимума - 7 мм; теперь он равен диаметру условного кольца минимального запаса прочности. Уменьшение его не представляется возможным. Отход материала (отверстия и боковой нож) доведен до минимума - 7,5%.

Такая степень использования материала (92,5%) вполне реальна, но говоря о безотходном штамповании, следует подчеркнуть, что внедрение его требует высокой культуры инструментального производства, высокой точности штампов.

Теперь можно подвести итог. На фоне старой пружины (рисунок 7.4), обозначенной пунктиром, показана пружина новой конфигурации.

Рисунок 7.3 – Последовательные этапы отработки пружины

Рисунок 7.4 – Пружины старой и новой конфигурации

Все основные элементы пружины, влияющие на работу узла, остались без изменения. Один из основных элементов - сечение рабочей части пружины - несколько изменился. Но все конструктивные требования, предъявленные к функции данной детали и узда, сохранены полностью. Обеспечена взаимозаменяемость новой детали и деталей, ранее выпущенных заводом. Между тем, новая конфигурация детали, полученная только за счет изменения вспомогательных элементов, позволила сократить отход материала при обычном штамповании на 29% и при безотходном штамповании - на 51,5%.