Производственные функции виды. Понятие производственной функции. Нужна помощь по изучению какой-либы темы

Ревенков А.В.

В развитии технических систем в соответствии с законами диалектики происходит чередование этапов количественного роста и качественных скачков. В процессе количественного роста в результате неравномерного развития характеристик технической системы появляются противоречия.

Противоречие - проявление несоответствия между разными требованиями, предъявляемыми человеком к системе, и ограничениями, налагаемыми на нее законами природы, социальными, юридическими, и экономическими законами, уровнем развития науки и техники, конкретными условиями применения и т. п.

Пример 6.1. При проектировании пассажирского самолета с более высокой скоростью, чем прототип, можно уменьшить площадь крыла (при том же полетном весе). Это связано с тем, что с увеличением скорости увеличивается скоростной напор и, следовательно, для создания той же подъемной силы крыла , где С yкр - коэффициент подъемной силы крыла, ρ - плотность воздуха, Ν - скорость полета, S kp - площадь крыла,

Можно уменьшить площадь крыла S kp . Это желательно сделать, так как чем меньше площадь крыла, тем меньше сопротивление трения и, следовательно, меньше расход горючего.

Но при уменьшении площади крыла падает подъемная сила при малых скоростях полета. Поэтому нужно увеличить посадочную скорость самолета, а это приведет к увеличению длины разбега и торможения и, следовательно, к потребности увеличить взлетно-посадочную полосу, что недопустимо.

На начальных этапах развития, когда требования относительно невысоки, а система обладает большими ресурсами, такие противоречия разрешаются путем компромисса: отыскиваются варианты конструкции, обеспечивающие приемлемые значения обеих конкурирующих характеристик. Но количественный рост продолжается, происходит накопление и обострение противоречий. Эти противоречия разрешаются в результате качественных скачков - создания принципиально новых технических решений.

Если технический объект создан, то весьма часто ставится задача увеличения его главной полезной функции (ГПФ). Для этого, как правило, требуется усилить какое-либо свойство одного из элементов этого технического объекта. Однако при усилении одних свойств элемента нарушается взаимодействие (согласованность) с другими элементами технической системы, возникает противоречие, то есть источником противоречий является совершенствование, развитие технических объектов.

6.1. Административное противоречие

Решение любой технической задачи начинается с анализа проблемы. Результатом этого анализа является постановка и формулировка задачи, которую нужно решать.

В проблеме обычно описывается необходимость создания некоторого технического объекта (ТО) для удовлетворения определенной потребности, приводится соответствующая аргументация этой необходимости, описываются функции, которые должен выполнять этот ТО; требования, которые к нему предъявляются.

Каждый потребитель той или иной продукции характеризуется определенными свойствами. Анализ свойств потребителей позволяет определить некоторый набор требований, которым должна удовлетворять продукция, предназначенная для удовлетворения возникшей потребности.

Каждый вид продукции можно охарактеризовать набором определенных свойств. Часть этих свойств определяют потребительные свойства продукции (рис. 6.1).

Поэтому прежде, чем создавать тот или иной продукт, необходимо, с одной стороны, сформулировать требования, которым он должен удовлетворять, с другой стороны, оценить технические возможности создания продукта с требуемыми свойствами.

Рис. 6.1

Если есть потребность в создании продукции с определенными потребительными свойствами, но неизвестно как ее удовлетворить, то возникает проблемная ситуация (ПС).

Описание ПС - это формулирование потребностей, функций, которые нужно выполнить. Проблема заключается в том, что на этом этапе не видно путей, как реализовать выполнение этой функции.

Проблемная ситуация возникает, если нет соответствия между требованиями, предъявляемыми потребителями, и имеющимися техническими возможностями. Например, создание телевизора с объемным изображением, создание искусственного спутника Земли со сроком активного существования 10 лет и др. То есть первоначальная формулировка проблемы часто носит социально-технический характер и в общем случае выражается в терминах: цель, потребность, функция, нежелательные эффекты.

Г.С. Альтшуллер назвал такие проблемные ситуации административным противоречием . Анализ развития множества ТС показал, что совершенствование их характеристик обычно связано с преодолением противоречий, выявляющихся по мере эксплуатации этих систем. Возникает потребность что-то изменить, улучшить, причем претензии к работе системы обычно формулируются в виде довольно расплывчатых пожеланий типа: "хочется, чтобы было лучше...", "нужно что-то сделать" и т. д., проблем много: нужно что-то сделать, но что?

Этому виду противоречий соответствует изобретательская ситуация, включающая в себя целый клубок задач, из которых нужно выбрать именно ту, которую следует решать в первую очередь. Каким образом выделить первоочередную задачу среди прочих?

Г.С. Альтшуллер в работе "Найти идею" отмечал: "Такие противоречия отражают сам факт возникновения изобретательской задачи, точнее - изобретательской ситуации. Они автоматически даются вместе с ситуацией, но они ни в какой мере не способствуют продвижению к ответу".

Таким образом, административные противоречия только обозначают проблему и в ряде случаев дают некоторое обоснование ее возникновения.

6.2. Техническое противоречие

В первоначальной формулировке проблемы формулируются некоторые потребности, функции, которые необходимо выполнить.

В зависимости от вида проблемной ситуации (ПС) ее можно разрешить двумя способами (рис. 6.2):

Рис. 6.2

существенно изменить рассматриваемую систему или ее взаимодействие с надсистемой (НС) таким образом, чтобы отпала необходимость в этой потребности, в выполнении этой функции - ПС 1 ; в этом случае формулируется проблема по изменению НС;

дополнить существующую техническую систему некоторым устройством, которое позволило бы удовлетворить сформулированную потребность - ПС 2 (см. пример на рис 6.2).

Проблемы могут быть разные.

Например, мы не знаем, как технически реализовать выполнение потребной функции.

Или мы в принципе знаем, какое устройство нужно создавать для выполнения потребной функции, но при этом появляются нежелательные эффекты.

Нежелательный эффект, во-первых, связан с тем, что за реализацию функции, которую он должен выполнять, надо "платить". Из стремления же к идеальному решению следует, что полезная функция должна выполняться, но затрат на ее реализацию не должно быть.

Пример 6.2. По трубопроводу перекачивают газ. Необходимо обеспечить постоянный массовый расход газа при заданном перепаде давлений на входе и выходе трубопровода. Однако температура газа на входе в трубопровод меняется. Следовательно, массовый расход газа тоже будет изменяться.

Таким образом, возникает проблема. Массовый расход газа должен быть постоянным для управления некоторым процессом, но он не может быть постоянным, так как изменяется температура газа. При этом в систему нежелательно вводить сложные устройства, которые осуществляли бы функцию регулирования.

Во-вторых, нежелательные эффекты могут проявляться в виде вредных свойств (функций), которые возникают при функционировании технического объекта. Например, мы создаем некоторый технологический процесс, а он оказывает вредное воздействие на человека (электромагнитные излучения, вибрации и т. д.) или загрязняет окружающую среду и др.

То есть проблемная ситуация (ПС 2) заключается в том, что функцию выполнять надо, ибо в этом есть потребность, а нежелательных эффектов при этом быть не должно.

Такие проблемы часто возникают на начальном этапе создания ТО, когда намечается некоторый план решения проблемы, то есть при формировании идеи, принципа действия ТО для реализации ГПФ или попытке улучшить некоторые функциональные характеристики технического объекта.

Г.С. Альтшуллер отмечал, что каждой задаче, входящей в изобретательскую ситуацию, соответствует свое техническое противоречие (ТП) . Суть ТП сводится к тому, что при улучшении известными путями одного свойства (параметра) системы недопустимо ухудшается другой параметр.

Любая продукция, предназначенная для удовлетворения потребностей, характеризуется многими свойствами: экономичностью, надежностью, эргономичностью, эстетичностью, патентоспособностью, транспортабельностью, безопасностью, экологичностью, технологичностью и т. д. Для некоторых видов продукции весьма важными показателями являются масса конструкции, плотность компоновки, энергоемкость, мощность, производительность, время срабатывания механизмов, точность отработки параметров и т. д.

Все эти показатели условно можно разделить на две группы: показатели, характеризующие степень (уровень) выполнения техническим объектом ГПФ , и показатели, характеризующие факторы расплаты за выполнение ГПФ.

Стремление улучшить одни характеристики продукции часто приводит к ухудшению других. По крайней мере, на этапе анализа проблемы и постановки задачи не видно путей, как сделать так, чтобы при улучшении одних свойств не ухудшались бы другие, тоже весьма важные.

В проектно-конструкторских и технологических задачах обнаруживается противоречивость многих свойств, например, точность и производительность в технологии обработки материалов; масса, надежность и стоимость; устойчивость и управляемость технических объектов и др.

Например, один из способов увеличения надежности летательных аппаратов (потребность) - создание резервных систем и агрегатов. А это приводит к увеличению массы аппарата, что недопустимо, так как увеличиваются затраты на выполнение задания (ГПФ).

Нежелательные эффекты могут быть связаны с тем, что улучшение некоторых потребительных свойств приводит к усложнению ТО и, следовательно, к увеличению факторов расплаты.

Ситуация, когда попытки улучшить одну характеристику (или часть) системы приводит к ухудшению другой ее характеристики (или части), называется техническим противоречием (ТП).

Например, в технологии производства мероприятия, направленные на повышение производительности обработки, часто приводят к ухудшению качества продукции. (Если один из двух вариантов технологии при лучшем качестве позволяет обеспечить и бoльшую производительность, то он вытесняет второй вариант; в этом случае проблемной ситуации нет.)

Техническое противоречие появляется часто тогда, когда разработчик пытается каким-либо известным ему способом улучшить один из параметров качества (или функциональное свойство) объекта, но это приводит к недопустимому ухудшению другого, тоже весьма важного параметра качества (или функционального свойства).

Пример 6.2. Увеличение числа инструментов в слесарном наборе улучшает возможности дифференцированного воздействия на изделие, но ухудшает условия работы с набором, который становится более громоздким.

Для улучшения функционального свойства весьма часто рассматривается изменение одного из параметров технической системы, который существенно влияет на это функциональное свойство.

Пример 6.3. Чем больше литейный уклон на модели отливаемого изделия, тем легче извлечь ее из песчаной формы при формовке, но при этом нежелательно увеличиваются припуски металла (дополнительные его объемы), которые приходится в дальнейшем устранять механической обработкой литой заготовки.

Для этой проблемы можно сформулировать технические противоречия в двух вариантах.

ТП-1: Увеличивая литейный уклон, мы облегчаем процесс формования, но при этом увеличиваются затраты на обработку резанием.

ТП-2: Уменьшая литейный уклон, мы снижаем затраты на обработку, но при этом усложняется процесс формования.

Техническое противоречие можно представить в виде схемы, показанной на рис. 6.3.

Рис. 6.3

Формулирование технических противоречий - это конкретная реализация более общего приема поиска решения - переформулирование условий задачи. Это модель задачи, в которой раскрываются положительные и нежелательные эффекты или явления в рассматриваемой предметной области.

При этом возникает проблема, как, сохранив или даже улучшив положительные стороны (эффекты) в создаваемом ТО, не допустить появления нежелательных эффектов.

Формулировка ТП позволяет вычленить положительные и нежелательные эффекты для того, чтобы провести анализ причин появления нежелательных эффектов, и тем самым активизирует мышление на поиск возможных направлений решения проблемы.

Пример 6.4. ТП: Уменьшая время на изучение конкретной темы, мы добиваемся того, что можем более широко информировать обучаемых, но при этом уровень знаний и умений по этой теме понижается.

Пример 6.5. ТП: Декларируя истины, мы даем материал сжато и энергично, но при этом снижается способность обучаемых к самостоятельному поиску знаний.

Пример 6.6. ТП: Необходимо повысить производительность токарной обработки заготовки.

Анализ доступных ресурсов позволяет наметить два мероприятия, которые будут приводить к появлению нежелательных эффектов, связанных, с одной стороны, с увеличением затрат и, с другой стороны, с ухудшением качества получаемой детали (табл.1).

Таблица 6.1

Пример появления нежелательных эффектов при попытке решить поставленную проблему В приведенной таблице можно увидеть следующие противоречия.

ТП-1: Для повышения производительности труда нужно увеличить скорость резания. Но при этом увеличивается температура резца. Период стойкости инструмента уменьшается и, следовательно, увеличиваются затраты на обработку.

ТП-2: Для повышения производительности труда нужно увеличить скорость резания. Но при этом увеличивается температура заготовки. В материале заготовки происходят структурные изменения и, следовательно, снижается качество детали.

ТП-3: Для повышения производительности труда нужно увеличить подачу инструмента (глубину резания на каждом проходе резца). Но при этом увеличивается шероховатость поверхности и, следовательно, снижается качество детали.

6.3. Физическое противоречие

Как видно из последнего приведенного примера, предлагаемые мероприятия, направленные на повышение производительности токарной обработки, приводят к появлению ряда НЭ.

Проведенный анализ позволяет обнаружить и конкретизировать противоречивость свойств при взаимодействии компонентов рассматриваемой технической системы.

Из анализа табл. 6.1 можно сформулировать следующие противоречия.

Скорость резания должна быть большая для повышения производительности обработки, и она не должна быть большая, так как при этом увеличится температура резца.

Скорость резания должна быть большая для повышения производительности обработки, и она не должна быть большая, так как при этом увеличится температура заготовки.

Подача должна быть большая для повышения производительности обработки, и она не должна быть большая, чтобы не увеличивалась шероховатость поверхности.

Таким образом, для того, чтобы разрешить ТП, формулируются частные задачи, в которых предъявляются несовместимые требования к свойствам отдельных компонентов или взаимодействию между компонентами рассматриваемого объекта.

Совокупность таких требований Ю.В. Горин предложил назвать физическим противоречием (в 1973 г.), подчеркивая, что отношения противоречия перенесены на уровень физических свойств и отношений элементов системы.

Г.С. Альтшуллер отмечал: "Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами технической системы, получим противоречие на уровне внутреннего функционирования системы. Такое противоречие, в отличие от технического, называется физическим противоречием (ФП).

Сформулированные в примере 6.7 ФП позволяют наметить минизадачи и, тем самым, определить область поиска возможных решений (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Пример 6.7. Для получения рельефной поверхности на крупногабаритных оболочках, например, для образования усилений в местах сварки на днищах топливных баков (ТБ), для получения вафельного силового набора на обечайках ТБ (места А на рис. 6.4) применяется операция избирательного размерного химического травления.

Рис. 6.4

Излишки материала удаляются в щелочных растворах. Места, которые не должны подвергаться травлению (поз. А рис. 6.4), покрываются лаком.

Проблемная ситуация заключается в том, что необходимо весьма точно нанести защитный лак на участки, которые не должны подвергаться травлению. Лак должен иметь хорошую адгезию к металлу, чтобы в процессе обработки не было подтравливания материала под покрытием.

Если лак наносить по трафарету, то не удается получить точный контур. Поэтому было принято решение наносить лак на всю поверхность, а затем по шаблону чертилкой делать разметку, скальпелем надрезать покрытие и удалять лак с тех участков, которые должны подвергнуться химической обработке.

Но это решение привело к следующей проблеме. Защитное покрытие должно иметь хорошую адгезию к металлу для того, чтобы не было подтравливания материала под краями покрытия в процессе химической обработки и можно было бы получить точный контур, и покрытие должно иметь слабую (плохую) адгезию , чтобы после нанесения покрытия и его разметки (по шаблону) можно было бы легко удалить часть покрытия (в местах, где должно происходить травление).

Сформулируем ФП:

Лак должен иметь хорошую адгезию, чтобы не было подтравливания; лак должен иметь плохую адгезию, чтобы его можно было легко удалить с участков, подлежащих травлению.

Формулировка ФП - это предельно обостренная и лаконичная формулировка задачи, выраженная часто в парадоксальной форме, обладающая эвристической ценностью.

Кроме того, в этой формулировке необходимо указывать, почему, для какой цели к рассматриваемому объекту предъявляются эти противоречащие требования.

Таким образом, при формулировке ФП нужно раскрыть физическую природу конфликта, объяснить, почему требования, отраженные в постановке задачи, являются противоречащими, и для чего нужно удовлетворить обоим противоречащим требованиям.

Пример 6.8. Из некоторого города в другой надо доехать (на автомобиле) быстро, чтобы успеть к некоторому событию. Но ехать быстро нельзя, так как дорога плохая, и это опасно.

Ехать надо быстро и в то же время медленно. Два противоречащих свойства процесса, которые обусловлены разными требованиями: необходимостью успеть вовремя и безопасностью. Поэтому физическое противоречие можно сформулировать следующим образом.

ФП: Скорость должна быть большая, чтобы успеть, и скорость должна быть маленькая, чтобы доехать.

Таким образом, ФП - это ситуация, когда к объекту или его части предъявляются противоположные (несовместимые) требования. Оно строится по схеме: объект должен обладать свойством Р и, вместе с тем, иметь противоположное свойство анти-Р .

Например. Материал стальной детали, например железнодорожных рельсов, должен быть твердым и прочным (P 1), чтобы хорошо сопротивляться статическим нагрузкам и износу, и должен быть пластичным (P 2), чтобы хорошо сопротивляться ударным воздействиям, приводящим к выкрашиванию поверхностного слоя металла в зоне контакта с колесом. Применение операции термообработки увеличивает прочность и твердость, но при этом снижается пластичность. Свойства прочность и пластичность характеризуют различные качественные стороны материала, но они находятся в отношении противоположности. Для стальной детали они несовместимы.

6.4. Эвристическая ценность противоречий

В физических противоречиях требования, которые предъявляются к объекту, могут являться следствием различных целей, которые ставит перед собой инженер. Эти разные цели и приводят к необходимости реализации в техническом объекте несовместимых свойств (Р и анти-Р) .

Кроме того, физические противоречия могут быть связаны с тем, что требуемое свойство не представляется возможным реализовать, так как этому мешает проявление объективных законов природы. То есть научное основание наблюдаемого явления (которое является нежелательным) не согласуется с требованиями, которые предъявляются к рассматриваемому объекту.

Пример 6.9. Рассмотрим ламповый усилитель. Катод радиолампы должен иметь постоянную термоэлектронную эмиссию (P 1). Однако применение переменного электрического тока (от трансформатора) для подогрева катода приводит к тому, что термоэлектронная эмиссия изменяется (P 2) в соответствии с частотой электрического тока: в громкоговорителе слышен фон (50 Гц), а это недопустимо.

Требуемую функцию (постоянство термоэлектронной эмиссии) надо осуществить, не усложняя систему. Но при этом возникает техническое противоречие, которое можно сформулировать в двух вариантах.

ТП-1: Если для подогрева катода применить постоянный электрический ток, то термоэлектронная эмиссия будет постоянной, но при этом усложняется вся система (надо устанавливать выпрямитель).

ТП-2: Если для подогрева катода применить переменный электрический ток, то вся система упрощается (не надо устанавливать выпрямитель), но термоэлектронная эмиссия не будет постоянной и, следовательно, не обеспечится качество усилителя.

Из этих формулировок видно, что изменяемым параметром (см. рис. 6.3) является электрический ток.

Из этого ТП можно сформулировать следующее ФП.

ФП-1: Электрический ток должен быть переменным, чтобы не усложнять всю систему, и он не должен быть переменным для обеспечения постоянства электронной эмиссии.

Из этого ФП можно сформулировать следующее ИКР.

Катод, который подогревается переменным электрическим током, сам обеспечивает постоянство электронной эмиссии.

Но этому ИКР мешает физическая особенность протекающего процесса.

ФП-2: Электронная эмиссия должна быть постоянной для качественной работы радиолампы, но она должна быть переменной, так как катод подогревается переменным электрическим током.

В этом ФП описываются несовместимые свойства, которыми должен обладать катод при его взаимодействии с другими компонентами радиолампы и надсистемой, то есть при воздействии на него переменного электрического тока.

Рис. 6.5

Таким образом, в физических противоречиях дается описание свойств, которыми должны обладать компоненты системы, чтобы достичь тех целей, которые ставит перед собой разработчик.

Потребность в улучшении (усилении) некоторого функционального свойства Ф 1 влечет за собой необходимость придания одному из компонентов ТС технической характеристики (свойства) Р . Но это ухудшает другое тоже важное функциональное свойство Ф 2 (рис. 6.5).

Свойства Р и не-Р характеризуются на качественном уровне, например, адгезия: большая и маленькая (пример 6.8) скорость: большая и маленькая (пример 6.9), материал: прочный и пластичный, электрический ток: постоянный и переменный (пример 6.10).

Таким образом, ФП отражает ситуацию, в которой к физическому состоянию зоны конфликта предъявляются взаимно противоположные требования.

Для ТП, приведенного в примере 6.4, физическое противоречие можно сформулировать в следующем виде.

ФП: Литейный уклон должен быть большим для удобства формования, и уклон должен быть маленьким, чтобы уменьшить затраты на обработку резанием.

Физическое противоречие представляет собой два несовместимых по истинности высказывания. Как сделать так, чтобы они оказались совместимыми?

Обратимся к законам логики.

Закон непротиворечия гласит, что два противоположных высказывания не могут быть одновременно истинными в одно и то же время и в одном отношении. При этом предполагается соблюдение закона тождества, заключающегося в том, что в рассуждении каждое понятие должно употребляться в одном и том же смысле, в том же содержании признаков.

Закон непротиворечия не будет нарушаться, если утверждение или отрицание относятся к разному времени или изменились какие-либо другие условия. Или же в них понятие, которое является субъектом суждения, рассматривается в разных отношениях. Или же в этих суждениях разные субъекты, то есть рассматриваются разные понятия.

Таким образом, если субъекты высказываний будут разные, то о законе непротиворечия говорить не приходится, так как суждения, участвующие в формулировке ФП, становятся несравнимыми. Следовательно, они перестают быть несовместимыми.

Поэтому можно предложить следующие приемы разрешения противоречий.

Смысл этого приема заключается в том, что при функционировании объекта в одни промежутки времени проявляется одно свойство, например P , а в другие промежутки времени - другое противоположное свойство не-P .

Поскольку субъекты суждения разделены во времени, то в формулировке ФП они представляют собой разные понятия. Следовательно, высказывания, составляющие ФП, становятся несравнимыми и перестают быть противоречащими.

Практическая реализация этого приема весьма часто сводится к введению в систему, например вещества, на определенное время. Это вещество должно обеспечить получение нужного свойства в заданный период времени, а когда оно выполнит свою функцию, оно должно пропасть.

Естественно, возникает проблема, как это организовать. Какими свойствами должно обладать это вещество? Какие поля можно ввести в систему (или найти в ТС или компонентах, с которыми взаимодействует рассматриваемый технический объект), чтобы это вещество проявило нужные свойства?

Для этого нужно посмотреть, какие другие свойства можно обнаружить в системе в эти моменты времени и как их можно для этого использовать.

Таким образом, формулировка ФП активизирует мышление и дает некоторые направления поиска решения.

Пример 6.10. В промышленности распространен способ определения площадок контакта поверхностей при помощи растертых на минеральных маслах красок. Краску наносят на одну поверхность, затем эту поверхность вводят в соприкосновение с другой поверхностью. По распределению пятен краски на этой второй поверхности судят о качестве контакта. Слой краски составляет порядка 5-6 мкм. Для более точного определения зоны контакта поверхностей необходимо применение более тонкого слоя краски. Однако тонкий слой не позволяет четко видеть границы пятна краски.

ТП: При уменьшении толщины краски повышается точность контроля, но ухудшается индикация (обнаружение) результата.

ФП: Слой краски должен быть тонким для повышения точности и он должен быть толстым для обнаружения.

Здесь можно воспользоваться известным приемом переформулирования условий задачи - заменить некоторые термины, желательно более общими, чтобы избавиться от вектора психологической инерции, расширить область поиска возможных решений. В частности, во второй части ФП мысль: "толстым для обнаружения" заменить "контрастным для обнаружения" . Это будет более общая и более точная формулировка, так как толстый слой нужен для контрастности.

Из формулировки ФП видно, что в рассматриваемом технологическом процессе можно выделить два этапа: испытание - приведение площадок в соприкосновение и контроль - момент обнаружения границ пятен краски.

Следовательно, рассматриваемые свойства должны быть различные в разные моменты времени. Значит, нужно использовать прием разрешения противоречия во времени.

Естественно возникает вопрос: какие вещества и (или) поля можно ввести в технологический процесс, чтобы разрешить это противоречие во времени?

Отсюда можно наметить путь решения задачи. Слой краски должен быть тонким в момент испытания, а при контроле пятно краски становится контрастным.

Какие вещества и поля можно ввести в систему, то есть какие физико-технические эффекты можно использовать для решения этой частной задачи?

Можно ввести вещество, которое вступит в химическую реакцию с нанесенным слоем краски, можно ввести в краску люминофор и применить ультрафиолетовое облучение и др.

Действительно, если пытаться ввести в систему вещество, то оно должно определенным образом взаимодействовать с веществами и полями, которые имеются в рассматриваемом техническом объекте. Значит, поиск решения заключается в том, что сначала формулируются свойства, которыми должно обладать это вещество, а потом с учетом определенных ограничений осуществляется поиск самого вещества.

Второй весьма часто применяемый способ разрешения ФП во времени основан на использовании закона динамизации. Действительно, если объект должен иметь различные свойства в разные моменты времени, значит, он должен как-то изменяться и быть легко управляем. Противоречие, описанное в примере 6.1, разрешено введением элементов механизации (закрылки, предкрылки). При посадке самолета форма крыла меняется таким образом, что увеличиваются и коэффициент подъемной силы, и площадь крыла.

Складывающиеся устройства: нож, зонтик, стул, убирающееся шасси самолета, телескопическая удочка - все эти технические решения были разработаны потому, что нужно было разрешить ФП.

Пример. Шариковая ручка должна оставлять след на бумаге, но не должна оставлять следы на одежде, не пачкать карман. Противоречие разрешается во времени либо введением еще одного вещества (шариковая ручка с колпачком), либо за счет динамизации (убирающийся стержень).

Разделить противоречащие свойства в пространстве

Практическая реализация этого приема заключается в том, чтобы разнести в пространстве противоречащие свойства, которыми должен обладать рассматриваемый объект.

Пример 6.11. Еще раз вернемся к рассмотрению проблемы повышения свойств стальных изделий. Для того, чтобы металлическая деталь обладала хорошей износостойкостью нужно, чтобы она имела высокую твердость. Это достигается применением термически упрочняемого материала и процессами упрочняющей термической обработки. Но в таком состоянии материал, как правило, имеет низкую ударную вязкость, то есть подвержен хрупкому разрушению при ударных нагрузках.

Твердость нужна для износостойкости, то есть только в поверхностном слое.

В хрупком материале возникшая трещина развивается практически мгновенно, а в вязком материале происходит медленное разрушение при значительной пластической деформации.

При ударных нагрузках вязкий материал деформируется, а хрупкий ломается. В работающей машине процесс развития пластической деформации может быть обнаружен по изменению характера ее работы. Поэтому высокая ударная вязкость материала конструкции является одним из способов обеспечения безопасности эксплуатации техники.

В конкретной задаче физическое противоречие заключается в том, что: "Деталь должна быть твердой для обеспечения высокой износостойкости, и деталь не должна быть твердой, чтобы иметь высокую ударную вязкость" .

Формулировка этого ФП сама "подсказывает", что его можно разрешить разделением этих свойств в пространстве - твердой деталь должна быть только в поверхностном слое.

Решение: материал детали не упрочняется термической обработкой (малое содержание углерода), а поверхностный слой цементируется (науглероживается) и производится термообработка - закалка.

Высказывания в ФП перестают быть противоречащими, так как в них меняются субъекты. Теперь уже одна часть рассматриваемого объекта обладает свойством Р , а другая - противоположным свойством не-Р .

Таким образом, чтобы понять, можно ли разрешить противоречие в пространстве или во времени, нужно проанализировать требования, которые приводят к противоречащим свойствам, выяснить, в чем различие этих требований.

Для разрешения ФП в пространстве можно либо использовать свободное (пустое) пространство в ТО, либо ввести в систему вещество-разделитель.

Следует отметить еще одну важную особенность этого этапа решения задачи.

Формулировка ФП - это модель задачи. И как всякая модель она позволяет выделить существенные стороны решаемой задачи, сконцентрировать на них свое внимание, понять какие вещественно-полевые, пространственные и временные ресурсы можно использовать для решения проблемы.

Формулирование ФП раскрывает еще два важных аспекта решаемой задачи. Эта модель дает возможность выявить оперативную зону и оперативное время .

Оперативная зона (ОЗ) - это пространство, в пределах которого возникает конфликт.

Оперативное время (ОВ) - это момент времени, когда конфликт возникает, а также время до появления конфликта, когда в ТО происходят процессы, подготавливающие этот конфликт.

Определение оперативной зоны и оперативного времени позволяет конкретизировать поставленную задачу.

В примере 6.12 ОЗ - это все тело детали, ОВ- технологический процесс, в котором формируются рассматриваемые свойства, то есть, процессы термообработки.

В примере 6.11 ОЗ - сопрягаемые площадки, ОВ - от момента испытания до момента контроля.

Рассматривая противоречащие высказывания как диалектическое противоречие, естественно заключить, что для его разрешения нужно найти (синтезировать) такое решение, которое позволило бы избавиться от НЭ и сохранить или, еще лучше, усилить нужное свойство. То есть нужно создать объект с новыми свойствами, исключающими рассматриваемое противоречие (речь идет не о поиске компромиссного решения). Поэтому для разрешения противоречия естественно воспользоваться приемами, которые позволяют изменять системные свойства рассматриваемых объектов.

Из приведенных примеров видно, что разрешение противоречий в пространстве и во времени, как правило, сопровождалось введением в систему веществ и полей, то есть, введением компонентов и связей, которые приводили к изменению системных свойств ТО.

Изменение системных свойств ТО возможно так же и за счет других структурных изменений.

Введение, удаление связей, изменение характера связей между компонентами системы

Пример 6.12. В радиоприемнике сила радиосигнала (особенно коротких волн) на антенне значительно изменяется. Это обусловлено в основном взаимным наложением радиоволн, приходящих в точку приема различными путями. Это сказывается на выходном сигнале - явление фединга-замирания.

ФП: Сила выходного сигнала должна быть постоянной для удобства прослушивания передач, но она не может быть постоянной из-за явления фединга-замирания.

ОЗ - все радиоприемное устройство от антенны до громкоговорителя;

ОВ - моменты времени, когда изменяется сила сигнала на антенне.

Разрешение ФП

Изменение связей в усилительном устройстве: введение отрицательной обратной связи - устройство, называемое автоматическим регулятором усиления.

Для разрешения ФП в примере 6.10 в катод было введено вещество. В каналах тонкого фарфорового цилиндрика помещена вольфрамовая нить - нагреватель. Нить накаливается переменным электрическим током, и ее тепло передается фарфоровому цилиндрику и нанесенному на него никелевому слою. Электрического контакта между катодом и нагревателем нет. Термоэлектронная эмиссия стала постоянной.

В примере 6.7 решения минизадач 1, 2, 4, приведенных в табл. 6.2, основаны на введении в систему дополнительных компонентов.

Системные свойства ТО могут быть изменены также еще одним приемом, основанным на системном подходе.

Количественные изменения в компонентах или во взаимодействиях между ними, которые привели бы к качественным изменениям.

Количественные изменения весьма часто приводят к качественным изменениям и, следовательно, оказывают существенное влияние на системные свойства объекта.

Например, при нагреве жидкости до определенной температуры происходит ее испарение, при нагреве ферромагнетика до определенной температуры, называемой точкой Кюри, происходит скачкообразное изменение магнитных свойств.

Закалка сталей основана на том, что при охлаждении при определенной температуре происходит изменение кристаллической решетки железа. При этом изменяется растворимость углерода в железе (сталь - это твердый раствор углерода в железе). Но здесь применен еще один прием - количественные изменения. При быстром охлаждении фиксируются те структуры, которые устойчивы при высокой температуре.

Следует отметить, что в технических решениях, как правило, используется сразу не менее двух приемов. Например, введение компонента в систему часто приводит и к разделению противоречащих свойств в пространстве; для того, чтобы разделить противоречащие свойства во времени или ввести количественные изменения во взаимодействие компонентов, иногда приходится вводить в систему еще один компонент в виде вещества или поля.

Таким образом, для разрешения ФП целесообразно, в первую очередь, проанализировать те требования, которые приводят к появлению несовместимых свойств, проверить, действительно ли необходимо совмещать противоречащие свойства в одной и той же точке пространства и в один и тот же момент времени, то есть рассмотреть, нельзя ли разрешить противоречие в пространстве или во времени.

Пример 6.13. Период колебания маятника (например, часов - "ходики") должен быть постоянным при изменении окружающей температуры (рис. 6.6, а).

Но поскольку температура воздуха меняется, то это сказывается на точности хода часов. Это связано с тем, что с изменением температуры изменяется длина маятника и, следовательно, период его колебаний.

Рис. 6.6

ФП: Период колебания маятника должен быть постоянным, но он не может быть постоянным, так как при изменении температуры изменяется длина маятника. Стержень металлический и при изменении температуры изменяется его длина.

ОВ - то время функционирования объекта, когда происходит изменение температуры;

ОЗ - точка подвеса, стержень, точка расположения центра масс груза, то есть вся система в целом.

ОЗ и понимание физических законов, которым подчиняется функционирование объекта, позволяют наметить пути решения задачи.

Период колебания маятника зависит от длины стержня и силы тяжести: , где L - длина маятника; g - ускорение силы тяжести.

Естественно, возникает задача, как управлять этими параметрами. При этом надо стремиться к получению идеального технического решения, то есть ТО должен управлять собой сам.

Здесь следует отметить еще одно важное обстоятельство. Технические и физические противоречия часто возникают именно после формулировки идеального технического решения, идеального конечного результата.

В данном случае объект должен сам управлять своими параметрами, для..., но он не может этого сделать, так как у него нет для этого ресурсов . Это тоже можно рассматривать как физическое противоречие.

Значит, эти ресурсы нужно найти. И ориентировку в поиске ресурсов дает представление об оперативной зоне, оперативном времени и компонентах надсистемы, с которыми связан рассматриваемый ТО.

Нужно устройство, которое хорошо бы реагировало на изменение температуры и изменяло бы длину маятника или силу притяжения груза (mg).

Какие вещества и поля можно ввести в систему?

6.5. Заключение

Таким образом, административные (АП), технические (ТП) и физические (ФП) противоречия - это модели задач.

Из приведенных примеров видно, что:

Административные и технические противоречия носят содержательный характер, а по форме они представляют собой описание проблемной ситуации.

Административные противоречия только формулируют проблему в терминах: цель, потребность, функция, нежелательные эффекты .

В ТП противоречие связано с функционированием ТО в целом при выполнении им главной полезной функции (ГПФ). В нем определяется изменяемый параметр, который существенным образом влияет на функциональные свойства технического объекта. Формулировка ТП позволяет обозначить направления решения проблемы.

В ФП , как правило, речь идет о компонентах ТО и их взаимодействиях.

В отличие от АП и ТП в физическом противоречии формулируются требования, приводящие к несовместимым свойствам, которыми должен обладать объект. Раскрывая суть конфликта, формулировка ФП обладает эвристической ценностью и позволяет наметить приемы поиска решения задачи.

Задачи и обстоятельства, в которых они возникают, могут быть самые разные. Дать рекомендации на все случаи невозможно. Поэтому весьма важным является систематизация приемов, их свертывание в компактный набор, который при необходимости можно было бы развернуть.

Г.С. Альтшуллер предложил 11 приемов разрешения физических противоречий, применение которых будет рассмотрено при изучении алгоритма решения изобретательских задач. Но чтобы ими воспользоваться, нужно уметь выявить и сформулировать физические противоречия.

Кроме того, не надо забывать, что знание законов техники весьма часто позволяет целенаправленно выйти на нужный прием разрешения противоречий.

1.Виды технических противоречий при проектировании. Технические противоречия, решаемые при проектировании роботов и РТС.

Если технический объект создан, то весьма часто ставится задача увеличения его главной полезной функции (ГПФ)Для этого, как правило, требуется усилить какое-либо свойство одного из элементов этого технического объекта. Однако при усилении одних свойств элемента нарушается взаимодействие (согласованность) с другими элементами технической системы, возникает противоречие, то есть источником противоречий является совершенствование, развитие технических объектов.

^ 1)Административное противоречие

Если есть потребность в создании продукции с определенными потребительными свойствами, но неизвестно как ее удовлетворить, то возникает проблемная ситуация (ПС).

Описание ПС - это формулирование потребностей, функций, которые нужно выполнитьПроблема заключается в том, что на этом этапе не видно путей, как реализовать выполнение этой функции.

Проблемная ситуация возникает, если нет соответствия между требованиями, предъявляемыми потребителями, и имеющимися техническими возможностями

Г.С. Альтшуллер назвал такие проблемные ситуации административным противоречием

Этому виду противоречий соответствует изобретательская ситуация, включающая в себя целый клубок задач, из которых нужно выбрать именно ту, которую следует решать в первую очередьКаким образом выделить первоочередную задачу среди прочих?

^ 2)Техническое противоречие

Существенно изменить рассматриваемую систему или ее взаимодействие с надсистемой (НС) таким образом, чтобы отпала необходимость в этой потребности, в выполнении этой функции - ПС1; в этом случае формулируется проблема по изменению НС;

Дополнить существующую техническую систему некоторым устройством, которое позволило бы удовлетворить сформулированную потребность - ПС2 (смпример на рис 6.2).

Проблемы могут быть разные.

Стремление улучшить одни характеристики продукции часто приводит к ухудшению других

Например, один из способов увеличения надежности летательных аппаратов (потребность) - создание резервных систем и агрегатовА это приводит к увеличению массы аппарата, что недопустимо, так как увеличиваются затраты на выполнение задания (ГПФ).

Ситуация, когда попытки улучшить одну характеристику (или часть) системы приводит к ухудшению другой ее характеристики (или части), называется техническим противоречием (ТП).

^ 3)Физическое противоречие

Проведенный анализ позволяет обнаружить и конкретизировать противоречивость свойств при взаимодействии компонентов рассматриваемой технической системы

Совокупность таких требований Ю.ВГорин предложил назвать физическим противоречием (в 1973 г.), подчеркивая, что отношения противоречия перенесены на уровень физических свойств и отношений элементов системы

Г.С. Альтшуллер отмечал: "Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами технической системы, получим противоречие на уровне внутреннего функционирования системыТакое противоречие, в отличие от технического, называется физическим противоречием (ФП).

Сформулированные в примере 6.7 ФП позволяют наметить минизадачи и, тем самым, определить область поиска возможных решений (табл6.2).

6.4Эвристическая ценность противоречий

В физических противоречиях требования, которые предъявляются к объекту, могут являться следствием различных целей, которые ставит перед собой инженерЭти разные цели и приводят к необходимости реализации в техническом объекте несовместимых свойств (Р и анти-Р).

Разделить противоречащие свойства в пространстве

Формулирование ФП раскрывает еще два важных аспекта решаемой задачиЭта модель дает возможность выявить оперативную зону и оперативное время.

Оперативная зона (ОЗ) - это пространство, в пределах которого возникает конфликт.

Оперативное время (ОВ) - это момент времени, когда конфликт возникает, а также время до появления конфликта, когда в ТО происходят процессы, подготавливающие этот конфликт.

Определение оперативной зоны и оперативного времени позволяет конкретизировать поставленную задачу.

^ Таким образом, административные (АП), технические (ТП) и физические (ФП) противоречия - это модели задач.

Из приведенных примеров видно, что:

Административные и технические противоречия носят содержательный характер, а по форме они представляют собой описание проблемной ситуации.

Административные противоречия только формулируют проблему в терминах: цель, потребность, функция, нежелательные эффекты.

В ТП противоречие связано с функционированием ТО в целом при выполнении им главной полезной функции (ГПФ)В нем определяется изменяемый параметр, который существенным образом влияет на функциональные свойства технического объектаФормулировка ТП позволяет обозначить направления решения проблемы.

В ФП, как правило, речь идет о компонентах ТО и их взаимодействиях.

В отличие от АП и ТП в физическом противоречии формулируются требования, приводящие к несовместимым свойствам, которыми должен обладать объектРаскрывая суть конфликта, формулировка ФП обладает эвристической ценностью и позволяет наметить приемы поиска решения задачи.

Виды технических противоречий при проектировании. Технические противоречия, решаемые при проектировании роботов и РТС.

При проектировании необходимо ориентироваться на ИКР (идеальный конечный вариант), недостижимый в практике. Цель проектирования – максимальное приближение к ИКР. Для приближения к ИКР необходимо максимально использовать имеющиеся вещественно – полевые ресурсы (ВПР). Макс. использование ВПР для макс. приближения к ИКР – формула проектирования.

Решаемые противоречия:

Административные (нужно что-то сделать, как – неизвестно.) - лишь констатируют сам факт сложившейся ситуации. Они присутствуют вместе с ситуацией, но не способствуют решению.
Технические – отражают конфликт между частями или свойствами системы. Это может быть межранговый конфликт: системы с надсистемой или с подсистемой. Типовые технические противоречия: вес-прочность, точность-стоимость и т.д. (если известными способами улучшить одну часть (или один параметр) технической системы, недопустимо ухудшится другая часть (или другой параметр)). Если присутствуют типовые противоречия, то и присутствуют их типовые решения.
Физические противоречия - возникает между параметрами технической системы в каком-либо одном элементе или даже его части. Сформировать пример ФП можно следующим образом: объект должен обладать свойством «А», чтобы выполнять функцию - например, крыло самолета должно быть большим, чтобы поднять самолет, и свойством «не А», чтобы удовлетворять условиям задачи – крыло должно быть маленьким, чтобы уменьшить лобовое сопротивление.

Развитие РТС идет в сторону увеличения управляемости (вепольности)

Невепольная система превращается в полную вепольную
Простые веполи переходят в сложные
Увеличивается количество управляемых связей
Мобилизация вещественно – полевых ресурсов
В веполи вводятся в-ва и поля, позволяющие без существенного усложнения реализовать новые физические эффекты

Развитие идет в сторону увеличения степени дробления рабочих органов.

Типичен переход от РО на макроуровне к РО на микроуровне.

Закон перехода

Исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой, образуя более сложную.

Если эффективность функционирования взаимодействующей системы невозможно повысить путем усиления или форсирования, то это можно сделать путем объединения системы с одной или несколькими другими системами, как однородными, так и разнородными по структуре.

Закон перехода в надсистему формулируется следующим образом: исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему. Механизм такого перехода состоит в объединении двух исходных систем, при этом получают бисистему, или нескольких систем с получением полисистемы. Переход "моно-би-поли" - неизбежный этап в развитии всех технических систем. Дальнейшее развитие би- и полисистем происходит в двух направлениях:

1. Эффективность новых систем может быть повышена увеличением различия между элементами системы. Движение идет от однородных элементов (пачка одинаковых карандашей) к элементам со сдвинутыми характеристиками (набор цветных карандашей), к альтернативным элементам (карандаш и авторучка); к разнородным элементам (карандаш с циркулем), а затем - к инверсным (карандаш с резинкой).

2. Эффективность новых систем повышается развитием связей между элементами. Связь элементов изменяется от "нулевой", т.е. без вещественных связей между элементами, до усиленных межэлементарных (жестких) связей.
Кроме того, при объединении систем может происходить дальнейшее их развитие по линии упрощения. В результате возможны следующие варианты:

1. Система из практически самостоятельных, несвязанных элементов, не изменяющихся при объединении.

2. Система частично изменяемых, согласованных между собой элементов, которые функционируют только вместе и только для в данной системе. Например, отдельные радиоэлементы в микросхеме. Такая система получила полностью свернутой системы.

3. Полностью свернутую систему можно представить как новую моносистему. Ее дальнейшее развитие связано с движение по новому витку спирали. Иногда в качестве новой моноститемы может выступать частично свернутая система.

Обобщенные величины и параметры цепей различной физической при-роды. Цепи физической природы, применяемые в роботах.

Обобщенные параметры – параметры, с помощью которых описываются свойства системы как физ. устройства. В описание входят: физические константы, размеры рассматриваемой системы. Параметры являются неизменными для данной системы значениями (постоянными, константами) при отсутствии воздействия систем другой физической природы.

Обобщенные величины – характеризуют процессы, протекающие в системе (механические, тепловые, и т.д.), и являются переменными, находятся с помощью критериев.

Любой процесс является следствием и имеет причину. Причина – сила, воздействие, реакция.

Параметры

R	C	L	G	W	D
R	C/p	pL	G	Wp	D/p

Величины

U – воздействие, I – реакция, Q – интеграл от реакции, P – интеграл от воздействия, t – время.

Критерии:

Энергетическое соотношение UI = P

Соотношение интенсивности I = dQ/dt

Соотношения статики U=IR

Соотношения динамики I = d(Uc)/dt; U=dL/dt

^ Законы развития робототехнических систем. Понятие об инверсных бисистемах. Инверсные бисистемы роботов и РТС.

Современный уровень развития робототехнических систем характеризуется расширением возможностей, миниатюризацией, повышением сложности и интеллектуальности роботов. Более того, отдельные роботы могут взаимодействовать друг с другом при автономном выполнении сложных задач.

Размеры и возможности современных мини- и микророботов расширяются с удивительной быстротой. К сожалению, разработчики нормативно-методических документов не успевают подготовить своевременные требования и рекомендации. Научно-технический прогресс в робототехнике развивается очень быстрыми темпами.

10. Системы подготовки и управления производством роботов.

1)Более тщательная проработка типовых циклограмм, связанная с выполнением тех процессов.

2)Разработка компоновочных схем, разработка архитектуры, расчет приводов, разработка СПУ.

3)Многократные проверочные расчеты, моделирование.

4)Разработка конструкции.

5)Выбор комплектующих изделий

6)Разработка кинематики, законов движения, высокая точность позиционирования в тяжелых условиях.

7)расчет динамики.

8)Оценка прочности, жесткости конструкции пром. роботов

9)проработка программного обеспечения.

10)Разработка методик контроля тех. хар-к и ускоренных испытаний

11)экспериментальная проверка новых технических решений.

12)оценка изделия на технологичность, метрологичность по показателям стандартизации и унификации.

коэффиц. стандартизации.

13)эстетическая и эргономическая проработка

14)расчеты подтверждающие долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, живучесть.

15)Установка и транспортировка.

16)проверка принятых решений на патентную чистоту и конкурентоспособность.

17)графические мат-лы: чертежи общего вида, СБ, спецификация, деталировка.

18)расчет экономическогоэффекта.
11. Развитие автономных роботов и робототехнических комплексов (РТК) невозможно без развития адаптивных систем управления. Развитие систем управления идет по пути совершенствования их гибкости и обеспечения высокой степени автономности. Как показано на рисунок 1.1, в достижении этих целей можно наметить два разных пути. Считается, что современный роботы является абсолютно автономным, т.к. будучи изначально запрограммированным, он не требует дальнейшего вмешательства в его работу. Из-за ограниченных возможностей чувствительных органов робототехнические системы обладают недостаточной гибкостью в приспособлении к изменению условий эксплуатации. Это, в свою очередь, стимулирует разработку устройств технического зрения. Системы управления обладают достаточной приспосабливаемостью, но лишь при участии человека-оператора. Совершенствование робототехнических систем идет за счет оснащения их чувствительными элементами обратной связи с улучшенными характеристиками. Исследовательские работы в области искусственного интеллекта, датчиков, компьютерного зрения, программирования комплексов компьютеризированного проектирования и производства должны сделать эти системы более универсальными и экономичными. Чтобы уменьшить нагрузку на человека-оператора и повысить эффективность его работы, ведутся интенсивные исследования в области супервизорного управления, человеко-машинного интерфейса и управления компьютерными базами данных. Многие исследования одинаково полезны для совершенствования как роботов, так и систем управления; их цель состоит в снижении затрат на изготовление и расширении области применения. Они связаны также с улучшением методов передачи информации и дальнейшим развитием языков программирования.

Рисунок 1.1– Перспективы совершенствования роботов и
интеллектуальных систем

Как видно из рисунока 1.1 дальнейшее развитие автоматизации будет осуществляться по двум путям: улучшение роботов и улучшение цифровых систем управления, направленных на увеличение автономности и гибкости систем управления.

Для создания оптимальной системы управления, выбора необходимых датчиком и приводов и самого робота необходимо учитывать среду, в которой робот будет функционировать. По среде обитания роботов классифицируют на 5 групп:

наземные,
водные,
воздушные,
космические,
уникальные.

Так же необходимо учитывать способ перемещения в этих средах. Для удобства эти группы подразделяют на подгруппы по этому признаку:

колесные,
гусеничные,
гибридные,
шагающие,
прыгающие.

Аналогично подразделяют водных и воздушных роботов:

надводные,
подводные,

аэродинамика,
аэростатика.

Метод обобщенных приемов применительно к проектированию роботов и РТС и их элементов.

I этап. Подбор описаний изобретений из заданного класса по теме проекта.

1.1 Определение класса по МПК.

1.2 Подбор аналогов

1.3Изучение конструкции и принципа действия наиболее раннего аналога.

1.5Изучение принципа действия конструкции послужившей прототипом для аналога.

Если нет возможности посмотреть конструкции прототипа, то можно восстановить по формуле аналога.

1.6Составление ПСС(параметрических структурных схем) прототипа. При этом необходимо детально рассматривать только те узлы, которые подверглись совершенствованию.

Необходимо выделить отличия она ПСС.

1.7Составление уравнений (модели) улучшаемой хар-ки. Уравнение составляется для аналога и прототипа.

Записать модель с помощью выделенной модели ПСС.

Цель 1 этапа - Получить модель улучшаемой характеристики по сравнению с прототипом.

2 этап : Предварительная формулировка обобщенного приема.

Выполняется анализ отличительной части ПСС.

Используется для формулировки обобщенных приемов описание отличительной части ПСС.

Структурная схема может быть реализована несколькими конструктивными вариантами. Разные конструкции могут иметь одну и ту же структурную схему.Может быть прототип и аналог имеют одну и ту структурную схему тогда метод ОП не применим.

Степень обобщения должна быть мин. Чтобы конструкция анализируемого аналога была бы частным случаем этого обобщения.

3этап. Изучение принципа действия и конструкции 2-ого аналога

3.1Псс 2-ого аналога аналогично в 1 этапе.

^ 4этап. Предварительная формулировка 2-ого обобщенного приема для 2-ого аналога.аналогично 2-ому этапу.

5этап . Осуществление попытки обобщенного приема выявленного в результате анализа 1-ого аналога для совершенствования 2 аналога.

В результате может быть получены ряд новых СС прототипом которых являются либо 1-ый, либо 2-ой аналог.

По ПСС разрабатывается конструктивная реализация

Уточнение или закрепление формулировки 1-ого обобщенного приема.

Новая конструкция.

6этап. Уточнение или закреплениеформулировки 2-ого обощенногоприемапри попыткеего применения для улучшения 2-ого аналога.

Перекрестное применение 1-ог обобщенного приема для улучшения 2-ого аналога и наоборот.

В рез-те: 1) уточнение или закрепление формулировки 2-ого обобщенного приема

2)получение новой 2-ой конструкции.

7этап. Выполнение последовательности операций по предыдущим 5 операциям для 3-ого,4-ого, и т.д. аналогов.

Если n-аналогов то n(n-1) новых конструкций.

8этап. Систематизация обобщенных приемов по теме:

По назначению

По применению

По цели

По элементам конструкции

Одной из центральных проблем роботизации является проблема взаимодействия человека и робота, проблема правильного распределения функций между ними. Человек - творец роботов - неизбежно испытывает на себе многостороннее влияние процесса роботизации физического и умственного труда.

Вопрос о том, какие функции из числа тех, которые должна выполнять система «человек - робот», доверить роботу, а какие оставить человеку, возникает главным образом на этапе анализа и проектирования таких систем. Этот вопрос имеет свою историю. Робототехнику будущего можно представить себе как гармоничное сочетание программных, очувствленных и интеллектуальных роботов, обеспечивающих все более полное удовлетворение потребностей общества. Однако прогнозировать развитие роботов и искусственного интеллекта на длительный период с достаточной точностью пока не представляется возможным. В данном случае мы ограничимся прогнозом на период, который реально обозрим, т. е. в его пределах могут быть практически реализованы те достижения науки и техники, принципиальная осуществимость и экономическая целесообразность которых уже сегодня не вызывает сомнений.

Растущие потребности практики ставят перед робототехникой две основные задачи - дальфнейшее повышение производительности роботов и упрощение их эксплуатации. Решение этих задач связано главным образом со значительным увеличением степени очувствленности и интеллектуальности роботов. Естественно ожидать, что именно в этом направлении будет развиваться робототехника.

Интересен прогноз относительно ожидаемых темпов развертывания работ в области создания и применения роботов различных поколений, опубликованный в 1974 г. в статье «Рынок роботов в США» в международном журнале «Промышленные роботы». В этой статье приводятся выдержки из обширного прогноза, подготовленного фирмой «Кайберфактс» («Кибернетические факты»). Согласно этим данным только в США общая стоимость производства наиболее совершенных программных роботов, а также первых образцов очувствленных роботов составит в 1977 году 33 млн. долларов, а в 1985 году достигнет уже 370 млн. долларов. Что же касается усовершенствованных образцов очувствленных роботов, то стоимость их производства в 1980 году составит 80 млн. долларов, а в 1985 году достигнет 730 млн. долларов. Эти колоссальные цифры, относящиеся только к США, говорят сами за себя.

Каковы же научно-технические предпосылки такого интенсивного ожидаемого развития главным образом роботов второго и третьего поколений?

Прежде всего заметим, что будущее роботов в огромной степени зависит от прогресса в области развития ЭВМ. В самом деле, производительность и универсальность роботов определяются, в основном, программным обеспечением управляющей ЭВМ, быстродействием ее элементов, а также организацией их соединения и взаимодействия или, как теперь принято говорить, архитектурой управляющей ЭВМ.

В будущем управляющие системы роботов второго и третьего поколений будут создаваться на базе параллельно работающих проблемно-ориентированных процессоров, специализированных на решение отдельных классов задач. Эти процессоры могут с помощью метапрограмм надпроблемного типа использоваться для решения интеллектуальных задач. При этом степень специализации процессоров, а также структура метапрограмм должны определяться назначением робота и его функциональными возможностями.

Особенно велики возможности и перспективы распараллеливания процессоров, предназначенных для распознавания зрительных, звуковых и тактильных образов. К числу таких процессоров относятся перцептроны с многослойной структурой, а также однородные среды (сети) нейроподобных элементов.

Возможно появление процессоров, специализирующихся на процессах дедуктивного (логического) вывода (задачи планирования поведения робота и логического анализа ситуаций, вопросно-ответные системы и т. п.). Первые шаги в этом направлении - специализация процессоров на вычислительных, а в последнее время и на некоторых интеллектуальных задачах - уже сделаны.

Наряду с совершенствованием управляющих ЭВМ и их программного обеспечения важное значение для развития робототехники имеет прогресс в области создания искусственных органов чувств и исполнительных систем. В соответствующих разделах книги мы уже отмечали актуальность создания топографического зрения, средств осязания и обоняния, «мускульных» двигателей и т. п. для роботов будущего.

Мы рассмотрели некоторые ближайшие перспективы развития роботов, в которых роль мозга играют специальные управляющие ЭВМ. Однако в отдаленном будущем можно представить себе роботов, реализованных не на электронной, а, скажем, на нейронно-волоконной основе. Сегодня в нервных и мышечных волокнах скрыто еще много секретов, открытие которых позволит создать искусственные волокна с аналогичными свойствами. Например, хорошо известно, что по нервным волокнам, представляющим собой диэлектрики, может свободно распространяться электрический сигнал. Мы знаем, что это, несомненно, имеет место в нервных волокнах, но механизм этого интересного явления пока еще совсем не понят, и воспроизводить его мы не умеем. Когда же эта задача будет решена, то станет возможным создавать логические вычислительные и запоминающие элементы не на электронной, а на биологической основе.

Дальнейший прогресс в области робототехники в значительной степени зависит от понимания того, каким образом мозг «вычисляет» мысли, наши движения «следуют» нашей воле, а генетическая программа «рассчитывает» организм. Ответы на эти вопросы откроют совершенно невиданные перспективы перед робототехникой будущего.

25.Разработка технических требований к проектируемым роботам и РТС. Развитие робототехнических систем в направлении увеличения степени дробления рабочих органов роботов (на примере специализированных роботов).

Типичным является переход от рабочих органов на макроуровне к рабочим органам на микроуровне. Так же можно отметить использование нанотехнологий (нанороботы).
26.Примеры технических задач, решаемых с помощью эффекта "многоступенчатости". Системы с нулевыми связями, частично и полностью "свернутые системы".

Объединение однородных систем

Пример - катамаран объединив два одинаковых корпуса, получили корабль, у которого остойчивость - как у ширококорпусного, а лобовое сопротивление - как у узкокорпусного.

Объединение систем со сдвинутыми характеристиками

Пример: стереопара. Объединение двух плоских изображанеий, отличающихся по углу съемки и цвету, дает новое качество - объемное изображение.

Объединение альтернативных систем

Пример: гвоздь и шуруп. Альтернативное противоречие: гвоздь легко забивать, но он плохо держит, а шуруп держит значительно лучше, но его сложно закручивать. Объединением этих систем является спиральный гвоздь. Его забивают как обычно, но благодаря нарезке он при этом проворачиватся и нарезает канавки, в которых держится почти также хорошо, как шуруп.

^ ТС с "нулевой связью" – система с нулевой связью образуется из неизменившихся в процессе объединения исходных систем, действующих независимо друг от друга. Обычно это родственные системы, просто собранные вместе, чтобы было удобнее ими пользоваться. Пример - аптечка первой помощи

^ Частично свернутые ТС – частично свернутая система образуется из исходных систем, у которых парные однородные элементы свернуты с передачей полезных функций одному из них. Дополнительный выигрыш от объединения систем получается от того, что при этом можно избавится от элементов исходных систем, дублирующих друг друга. В новой системе обычно можно оставить только один из них. Пример - обычный молоток и гвоздодер. Они объединились, но при этом рукоятка гвоздодера, как элемент, дублирующий рукоятку молотка, была свернута, и от гвоздодера в новой системе осталась только вилка

^ Полностью свернутые ТС – полностью свернутая система образуется из исходных систем, все элементы одной из которых свернуты с передачей их полезных функций элементам второй.

27.Принципы проектирования роботов и РТС.
Принципы – это наиболее общие закономерности. При проектировании РТС выделяют следующие принципы.

1. Принцип проектирования по прототипам.

В этом случае объём новизны разработки в отношении прототипа должен составлять 5-10%. Разработки бывают 1. революционные 2. эволюционные.

Прототип – наиболее близкое техническое решение к проекту, причем степень близости критерием существенных признаков (это элементы конструкции и их взаимосвязи).

Аналог – технические решения близкие к проекту по каким-либо отдельным группам существенных признаков.

2. Разработка конструкции смещается в сторону более ранних стадий проектирования, что позволяет получить более ранний достоверный результат с помощью моделирования.

3. При разработке повышается роль и значимость количественных оценок, приведенных в техническом задании.

4. Проектировщик должен учитывать достижения полученные в смежных областях.

5. Многофункциональность и живучесть. Разработка техники ведется с целью повышения надежности и долговечности, а так же увеличения функциональных возможностей.
28.Разработка технических требований к проектируемым роботам и РТС. Законы развития робототехнических систем. Закон перехода в надсистему различных подсистем роботов и РТС.

Технические требования можно разбить на три группы.

Эксплуатационные характеристики. К ним относятся такие характеристики как ремонтопригодность, надежность по различным параметрам, быстродействие работы и т.д.
Технологические характеристики. К ним относятся например массогабаритные показатели системы.
Метрологические характеристики. Это могут быть расчет относительной погрешности, приведенной погрешности, точность работы системы и т.д.

Чтобы определить технические требования необходимо сначала определить тему проекта. После этого нужно исследовать и проанализировать область применения системы, т.е. определить для чего может использоваться рассматриваемая система, в каких условиях система будет эксплуатироваться. На основе этого и составляются технические требования.

Законы развития РТС. 1. Развитие РТС идет в направление увеличения управляемости (увеличения вепольности).

– Невепольная (неполновепольная) система переходит в полно вепольную.

– Простые переходят в сложные.

– Увеличение кол-ва управляемых связей.

– Мобилизация вещественнополевых ресурсов.

– Вводятся вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения системы реализовать новые физич. эффекты, расширить функциональные фозможности системы.

2. Развитие РТС идет в направление увеличения степени дробления рабочих органов.

3.Закон повышение идеальности. Идеальность повышается в «операторной зоны», а за ее пределами может и ухудшиться. Грамоздкое и тяжелое оборудование вытесняется за пределы «операторной зоны». Происходит не просто механическое вытеснение но и упрощение.

4. Закон перехода в надсистему.

Исчерпав ресурсы развития следующим этапом существования системы может быть объединение с другой системой, в результате чего образуется новая более сложная система, обладающая новыми свойствами. Исходная моносистема сдваиваясь преобразуется в бисистему или полисистему. При сдваивании возникает внутренняя среда или условия для ее возникновения, так же появляется эффект свертывания.
29.Разработка технического задания на проектирование роботов и РТС на основе анализа предметной области и общих технических требований к рассматриваемому технологическому процессу и оборудованию.

Чтобы разработать техническое задание необходимо сначала определить тему проекта. После этого нужно исследовать и проанализировать область применения системы, т.е. определить для чего может использоваться рассматриваемая система, в каких условиях система будет эксплуатироваться. На основе этого составляются общие технические требования. Далее проводятся патентные исследования по теме проекта заключающиеся в определение основного и смежного класса МПК, составление списка патентов по теме проекта, анализе динамики патентования. Из полученного списка патентов на основе раннее составленных общих технических требований выбираются аналоги. Далее проводится анализ и критика аналогов, то есть определяются их недостатки. В результате анализа недостатков разрабатывается ТЗ.

30.Алгоритм разработки динамических математических моделей устройств и агрегатов роботов по энерго-инфомационному методу.

Основы энерго-инфомационного метода по составлению ММ берутся из:

законов термодинамики и мехпники
теории электрических и магнитных цепей
структурные методы ТАУ

Основные понятия:

Обобщенные величины – они характеризуют процессы протекающие в системе (мех, элек, тепл, магн).ОВ являются переменными, т.е. зависят от времени.

Обобщенные параметры – с помощью них описываются свойства системы кА физического устройства. В описание входят физич константы и геометр размеры. ОП являются неизменными для данной системы при отсутствии внешнего воздействия.

Алгоритм разработки ММ:

^ Обобщенные величины - характеризуют процессы протекающие в системе (механической, тепловой и тд.). являются переменными и находятся с помощью критериев.

Любой процесс является следствием и имеет причину.

Причина-сила, возмущение, следствие, реакция.

^ Обобщенные параметры - с помощью них описывается свойства системы как физического устройства. В описание входят: физические константы и геометрические размеры рассматриваемой системы. Параметры являются неизменными для данной системы при отсутствии воздействий систем другой физической природы.

Критерии :

критерий энергетического соотношения UI=P
соотношение интенсивности I=dQ/dt реакция является производной от заряда
Соотношение статики U=IR, R определяет нагрев
Соотношение динамики I=dUC/dt=C(du/dt), C константа
2-е Соотношение динамики U=dIL/dt=L(dI/dt), L константа

цепь	Обобщенные величины			Обобщенные параметры
цепь	U	I	Q	R	C	L
Мех	Um=F	I=V	Q=X	R=KтрPтрS	С=l/E*S	L=m
Индукт	U=Iэ*ω-	I=dФ/dt	Q=Ф	R=(Sэ/ρэlэ) -Gэ	C=μ(S/l)	L=ε(S/l)
Тепловая	U=T2-T1	I=dS/dt	Q=Q/Tср	R=Tсрl/λS	C=cSl ε/Tср
Гидрав/ пнев	U=P	I=Q

Целью обследования объекта является совместная разработка технических требований к проекту. На основе этой информации предлагается будущее решение, для новых решений создается концепция. После обсуждения с Заказчиком предлагаемой концепции, выполняется ориентировочная оценка планируемых сроков его реализации и необходимого бюджета.

^ 4 группы технических требований:

1) метрологические характеристики

2) эксплуатационные характеристики

3) технологические характеристики

4) экономические характеристики

^ Законы развития робототехнических систем

1)Развитие ТС идет в направление увеличения управляемости(увеличении вепольности): 1. невепольная (неполная вепольная) превращается в полную вепольную; 2. простые веполи переходят в сложные; 3. увеличения количества управляемых связей; 4. Мобилизация вещественно-полевых ресурсов (ВПР) за счет более полного использования имеющихся и применение «даровых» вещественных полей; 5. В веполи вводятся вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения реализовывать новые физические явления, расширить функциональные возможности.

2) Развитие ТС идет в направление увеличения степени дробления(дисперсности) рабочих органов.

Типичен переход РО на макроуровне к РО на микроуровне.

3)Закон увеличения степени идеальности системы

Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

Повышение количества выполняемых функций,

-«свертывание» в рабочий орган,

Переход в надсистему.

При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.

4) Закон переход над систему.

Исчерпав ресурсы развития система объединяется с другой системой, образуя новую более сложную. Исходная моносистема сдваивается, преобразовывается в бисистему (или полисистему). Главные особенности полиситем:1. возникает внутренняя среда(или условия для ее возгикновения);2. в би- и полисистемах может быть получен эффект многоступенчатости.3. эффект свертывания;4. эффект сдваивания на основе не родственных систем.

Общая схема развития ТС
По спирали

№	Стадия	Содержание работ
1	Техническое предложение	Подбор материалов, которая оформляется как КД. Технико-экономические обоснования целесообразности разработки, которое выполняется на основание тех.задания, утверждаемого заказчиком. Сравнительные оценки известных технических решений, на основе патентных исследований. Документация маркируется литерой "П".
2	Эскизный проект	ЭП – конструкторская документация. ГОСТ 2.119-73 . Эта документация дает принципиальные конструкторские решения выполняемой разработки, дающее общее представления об устройстве, принципе работы, а также данные, определяющие назначения, принцип работы разработки. Документации присваивается литера «Э». В отличии от ТП отдельные узлы и блоки маркированы. ЭП утверждается, согласуется и является основанием для ТП.
3	Технический проект	Объем работы в ГОСТ 2.120-73. Это конструкторская документация, которая должна содержать окончательное техническое решение, дающее полное представление разработки. Документации присваивается литера «Т». Документация утверждается и согласовывается. ТП является основанием для РКД.
4	Рабочая КД	Для изготовления и испытания опытного образца. После изготовления опытного образца производится: корректировка КД по результатам предварительных исследований. Присваивается литера «О». Проведение приемочных испытаний. Корректировка КД. Присваивается литера «О1». После приемочных испытаний- изготовление головной(контрольной) серии. Литера «А». Возможно изготовление установочной серии. Оснащение технического процесса.

40. Применение методов: "Ликвидация тупиковых ситуаций", "Поиск новых взаимосвязей", "Правила преобразований" при проектировании роботов, РТС и их элементов.
Цель: найти новое направление поиска, если очевидная область поиска не дала решения.

Способы:

1. Правило преобразований, которому можно подвергнуть неудовлетворительное решение.

2. Поиск новых взаимосвязей между частями, имеющими неудовлетворительное решение.

3. Переоценка проектных ситуаций.
Правило преобразований

Преобразования:

использовать по другому назначению
усилить/ослабить связи
приспособить/заменить/перекомпановать

Пример: Удаление скопления жидкости под трубопроводом. Берется за основу неприемлимое решение: естественное испарение. «Испарение» заменяется на синонимы:

Испариться: исчезнуть, скрыться, улетучиться, выветриться, рассосаться.

Скрыться – перфорированный настил

Улетучиться – отсасывание

Рассосаться – пористое покрытие.
^ Поиск новых взаимосвязей

Метод принудительных отношений. По этому методу осуществляется поиск ассоциаций путем попарного сопоставления проектируемых устройств.

Пример: улучшение телефона.

Функциональные элементы: трубка, наборный диск, микрофон, наушники.

Анализируются различные варианты сочетания всех этих элементов, перемена их местами, перемена их размеров.

Данный метод эффективен при разработке дизайна.

^ 41. Основные этапы проектирования робототехнической системы. Виды проектной документации.
Этапы:

1. подбор описаний изобретений из заданного класса по теме проекта

1.1 определение класса по МПК

1.3 изучение конструкции и принципа действия первого, наиболее раннего аналога

1.4 составление параметрической структурной схемы (ПСС) этой физической модели

1.5 изучения принципа действия конструкции, послужившей прототипом (если нет оригинала патента, то надо изучить принцип действия по формуле изобретения аналога)

1.6 составление ПСС прототипа (детально рассмотреть только те узлы, которые подверглись совершенствованию). Выделить участок на ПСС, который изменился

1.7 составление уравнений (модели) улучшаемой характеристики. Уравнение составляется для аналога и для прототипа.

2. предварительная формулировка обобщенного приема. Выполняется анализ отличительной части ПСС

3. изучение принципа действия и конструкцию второго аналога (аналогично этапу №1)

4. предварительная формулировка второго обобщенного приема для второго аналога (аналогично этапу №2)

5. осуществление попытки реализации обобщенного приема, выявленного в результате анализа первого аналога для совершенствования второго аналога.

5.1 Составляется ряд новых ПСС, прототипом которых является либо первый, либо второй аналог.

5.2 По ПСС разрабатывается вариант конструктивной реализации, из чего следует: 1) уточнение/закрепление формулировки первого обобщенного приема; 2) получение конструкции

6. уточнение/закрепление формулировки первого обобщенного приема при попытке его применения для улучшения второго аналога (перекрестное применение).

6.1, 6.2 так же как 5.1, 5.2

7. выполнение последовательности операций предыдущих 5 этапов относительно 3,4, … аналогов. Если имеем n аналогов, то n (n -1) новых конструкций

8. систематизация обобщенных приемов

43.Синектика

В условиях применения метода синектики следует избегать преждевременной четкой формулировки проблемы (творческой задачи), так как это нейтрализует дальнейший поиск решения. Обсуждение целесообразно начинать не с самой задачи (проблемы), а с анализа некоторых общих признаков, которые как бы вводят в ситуацию постановки проблемы, неоднократно уточняя ее смысл.
Не следует останавливаться при выдвижении идеи, если даже кажется, что уже найдена оригинальная идея и что задача уже решена. Если проблема (творческая задача) не решается, то целесообразно вновь вернуться к анализу ситуации, порождающей проблему, или раздробить проблему на подпроблемы.
В процессе применения метода синектики большое внимание уделяется использованию метода аналогий. Аналогия используется в самых различных видах: как личная (эмпатия), прямая, фантастическая и символическая. Символическая аналогия, например, приняла форму конкретного приема определенного поиска названия, характеризующего в парадоксальной форме определенное понятие.

Синектика (3.11). Наиболее эффективная из созданных за рубежом методик психологической активизации творчества - синектика (предложена В. Дж. Гордоном), которая является развитием и усовершенствованием метода мозгового штурма .При синектическом штурме допустима критика, которая позволяет развивать и видоизменять высказанные идеи. Этот штурм ведет постоянная группа. Её члены постепенно привыкают к совместной работе, перестают бояться критики, не обижаются, когда кто-то отвергает их предложения.
44. ^

45^ . Принципы проектирования робото в .

1 принип пр. по прототипу 5- 10 проц новизны.прототип наиболее близкий техн реш. Степень близости определяется критериями сущ. Признаков. Аналог- техн решение которое по неск группам признаков близка к проекту.

2. отработка онструкций смещается в сторону более ранних стадий проектирования.

Более ранний результато полезности изобретения позволяет достигнуть этот принцип.

3 повышение роли в значимости количественных оценок.

4 . разработка должна использовать положительны свойцства смежных областей.

5. многофункциональность живучесть разраб. С целью повышения надежости и долговечности.
46. ^ Переоценка проектной ситуации . Поставленный в тупик проектировщик пишет предложение, характеризующее его затруднение и для каждого слова ищет его синоним.

Например: при обработке вызывают несовпадение двух поверхностей.Допустим при обработке заменяют на неровности сварного шва. Несовмещение заменяют на зазор 2 поверхности на две плоскости и поверхность на плосость

47. ^ Эвристические методы решения творческих задач - это система принципов и правил, которые задают наиболее вероятностные стратегии и тактики деятельности решающего, стимулирующие его интуитивное мышление в процессе решения, генерирование новых идей и на этой основе существенно повышающие эффективность решения определенного класса творческих задач. Правила решения творческих задач также часто называют эвристическими правилами, а отдельно взятое правило, прием решения творческой задачи часто называют эвристикой. о продуктивности эвристик и эвристических правил в решении творческих задач хорошо знают изобретатели и рационализаторы. Однако и они часто их используют стихийно. А это чрезвычайно затрудняет их практическое применение. Поэтому обучение решению творческих задач и в школьной, и в вузовской практике в основном осуществлялось методом проб и ошибок, то есть далеко не лучшим образом. Правда, как в отечественной практике в работах Г. С. Альтшуллера, Г. Я. Буша, так и в зарубежной практике имеются серьезные попытки описать эти методические рекомендации в применении к изобретателям, например, метод "мозгового штурма", метод синектики и др. Но эти методические рекомендации, если их сформулировать в виде правил, могут найти самое широкое применение и в деятельности менеджера – современного руководителя.

48. Агрегатно-модульный промышленный робот -робот, в котором используют

исполнительные модули. составные части промышленных роботов,автооператоров:

Исполнительное устройство -устройство, выполняющее все его дви-

Гательные функции. Исполнительный модуль промышленного робота - агрегат, входящий в унифицированный набор, или образуемый из деталей и узлов этого набора, способный самостоятельно выполнять функцию реализации движений по од- ной или нескольким степеням подвижности промышленного робота.

^ 49 Упорядочный поиск

Цель: решать задачу проектирования логической достоверностью

Выявить компоненты задачи
1. переменные которые проектировщик может распоряжатся по своему усмотрению(это факторы решения или параметры пр-я)
2. переменные, которые зависят от воли проектировщика (факторы окр среды) или независимых переменных
3. Пер-е которые должны определяться проектом(цели и зависимые переменные)
4. Назначить целям веса в соответствии с их отл-ой важностью
Выявить зависимости м/д переменными
Прогнозировать вероятные значения факторов окр. Среды
Выявить ограничения или граничные условия, т.е. предельные значения всех переменных.
Присвоить числовые значения каждому из факторов решения(проверить ряд вариантов реш-я проекта). Вычислить значения зависимых переменных (рассчитать получаемые при этом технические хар-ки)
Выбрать такие значения факторов решений при которых достигается макс. Сумма числовых значений для всех целей с учетом их весов (т.е выбор оптимального варианта проекта по крайней мере достигается приемлемое значения для каждой из целей)

Основные требования ГОСТов ЕСКД к оформлению текстовой доку ментации. Особенности документации на проекты роботов и РТС.

Стадия проектирования Технический проект". Особенности этой стадии при проектировании роботов и РТС.

Стадии проектирования: 1. Тех. Предложение, 2. Эскизный проект,

3. Тех. Проект, 4. Разработка Конструкторской Документации.

Технический проект – это совокупность тех. документации которая должна содержать окончательное тех. решение дающее полное представление об проектируемом устройстве. Тех. Проект представляет собой основу, исходный материал для разработки конструкторской документации. Так же в ТПроекте предусматривается разработка и испытание макетов.

При проектирование роботов и РТС должны учитываться:

Большое внимание уделяется разработке компановачных схем и архитектуре ПР и РТС.
Многократные проверочные расчеты и моделирование.
разработка конструкции
выбор комплектующих
разработка кинематических схем обеспечивающих высокую точность позиционирования
расчет динамики ПР (+расчет по ТАУ)
оценка жесткости/прочности основных узлов и элементов ПР
проработка ПО
разработка методик контроля технических характеристик и ускоренных испытаний
экспериментальная проверка новых техн. решений (макеты, ПО)
оценка изделия на технологичность и метрологичность по показателям стандартизации и унификации.
эрганомическая и эстетическая проработка.
расчеты подтверждающие долговечность, ремонтопригодность, сопротивляемость, живучесть.
разработка сборочных чертежей, спецификаций, деталировок
проверка изделия на патентную чистоту и конкурентоспособность.
расчет ожидаемого годового дохода, окупаемость.

Алгоритм разработки динамических математических моделей устройств и агрегатов роботов по энерго-инфомационному методу.

Данный метод основывается на: 1. законах термодинамики 2. Теориях электрических цепей 3. Структурных методах ТАУ. Основными понятиями данного метода являются – обобщенные величины, обобщенные параметры.

обобщенные величины – величины которые описывают процесс. Представляют собой ф-цию времени, хар-ет изменения которые протекают в системе. обобщенные параметры – хар-ют саму систему и определяют через неё геометрические размеры и физические константы, имеют относительно постоянные значения. В данном методе преимущественно за основу выбираются эл. процессы, это обуславливается следующим: 1. Мат. аппарат создавался в сер. ХХ века и явл. современным и хорошо проработанным.

2. Эл. процессы можно передавать на большие расстояния. 3. Очень большой диапазон преобразований. 4. Возможность преобразовать как аналоговый сигнал так и цифровой.

Критерии преобразования обобщ. величин и параметров.

энергетический «воздействия - реакция»

IU=N [Вт]

2. «заряд - реакция»

3. «воздействие - импульс»

4. коэффициент пропорциональности «сопротивление»

R = U/I, G = 1/R

^ 70. Агрегатно-модульный принцип построения роботов и РТС

Предполагает создание роботов на базе группы унифицированных узлов или модулей.

Преимущества:

Возможность построения специальных и специализированных роботов для конкретной технологической операции, не обладающих избыточностью функций и потому более дешевых по сравнению с универсальными роботами

Сокращение времени и трудоемкости проектирования специальных роботов, так как они создаются на базе унифицированных узлов, номенклатура которых может пополнятся

Повышение надежности вследствие отработанности входящих в него унифицированных узлов и отсутствия избыточности

Удешевление производства роботов вследствие ограниченности номенклатуры деталей и узлов и, следовательно, повышение серийности выпуска

Улучшение условий эксплуатации и ремонта роботов вследствие уменьшения разнообразия конструкций узлов и деталей

Сокращение сроков подготовки обслуживающего персонала

Недостатки: отказ в некоторых случаях от более выгодных конструктивных решений в пользу менее выгодных, но соответствующих принципу агрегатного построения, увеличение габаритов и массы конструкции, увеличение числа стыков, что повышает трудоемкость сборки роботов, снижает жесткость и точность

Классификация:

1)по специализации и компоновке: на базе одной принципиальной компоновочной схемы (однотипные роботы различия в размерах, грузоподъемности, системами управления, различными типами приводов); несколько различных компоновочных схем (многотипные – различаются видом системы координат, формой и размерами рабочих зон, грузоподъемностью и другими признаками)

2) по характеру и числу технических показателей: с неизменными значениями основных технический показателей, с ограниченным диапазоном основных ТП, с широким диапазоном основных ТП

3) по типу системы управления: су одного типа, различных типов.

^ Уровни технических решений применяемых при проектировании роботов и РТС. Примеры.

Технические решения должны соответствовать решению противоречий.

Изобретение: новизна, достоверность, полезность.

5 уровней технических решений:

1. изобретения, не связанные с решением противоречий(тривиальные изобретения).Оценивается уровень изобретения по кол-ву вариантов.(пример. Прочность:толщина)

2. изобретения, решающие технические противоречия с помощью способов, известных в родственных схемах(пример. Задачи для токарных станков решаються способами для сверлильных станков)

3. противоречия и способы их решения –в пределах одной науки.

“средние изобретения”

4. новая отрасль науки

Производство - основная область деятельности фирмы. Фирмы используют производственные факторы, которые называются также вводимыми (входными) факторами производства..

Производственная функция - это зависимость между набором факторов производства и максимально возможным объемом продукта, производимым с помощью данного набора факторов .

Производственная функция может быть представлена множеством изоквант, связанных с различными уровнями объема производства. Такой вид функции, когда устанавливается явная зависимость объема производства продукции от наличия или потребления ресурсов, называется функцией выпуска.

В частности, широко используются функции выпуска в сельском хозяйстве, где с их помощью изучается влияние на урожайность таких факторов, как, напр., разные виды и составы удобрений, методы обработки почвы. Наряду с подобными производственной функцией используются обратные к ним функции производственных затрат. Они характеризуют зависимость затрат ресурсов от объемов выпуска продукции (строго говоря, они обратны только к ПФ с взаимозаменяемыми ресурсами). Частными случаями ПФ можно считать функцию издержек (связь объема продукции и издержек производства), инвестиционную функцию: зависимость потребных капиталовложений от производственной мощности будущего предприятия .

Существует широкий выбор алгебраических выражений, которые можно использовать для представления производственных функций. Простейшая модель - это специальный случай общей модели анализа производства. Если фирме доступен только один вид деятельности, то производственную функцию можно представить прямоугольными изоквантами с постоянной отдачей от масштаба. Возможность изменять соотношение факторов производства отсутствует, и эластичность замены, безусловно, равна нулю. Это крайне специализированная производственная функция, но ее простота объясняет ее широкое применение во многих моделях .

Математически производственные функции могут быть представлены в различных формах - от столь простых, как линейная зависимость результата производства от одного исследуемого фактора, до весьма сложных систем уравнений, включающих рекуррентные соотношения, которыми связываются состояния изучаемого объекта в разные периоды времени ..

Производственная функция графически представляется семейством изоквант. Чем дальше от начала координат расположена изокванта, тем больший объем производства она отражает. В отличие от кривой безразличия, каждая изокванта характеризует количественно определенный объем выпуска.

Рисунок 2 _ Изокванты, соответствующие различному объему производства

На рис. 1 представлено три изокванты, соответствующие объему производства в 200, 300 и 400 единиц продукции. Можно сказать, что для выпуска 300 единиц продукции необходимо K 1 единиц капитала и L 1 единиц труда или K 2 единиц капитала и L 2 единиц труда, или любая другая их комбинация из того множества, которое представлено изоквантой Y 2 = 300.

В общем случае в множестве X допустимых наборов производственных факторов выделяется подмножество X c , называемое изоквантой производственной функции, которое характеризуется тем, что для всякого вектора справедливо равенство

Таким образом, для всех наборов ресурсов, соответствующих изокванте, оказываются равными объемы выпускаемой продукции. По существу изокванта представляет собой описание возможности взаимной замены факторов в процессе производства продукции, обеспечивающей неизменный объем производства. В связи с этим оказывается возможным определить коэффициент взаимной замены ресурсов, используя дифференциальное соотношение вдоль любой изокванты

Отсюда коэффициент эквивалентной замены пары факторов j и k равен:

Полученное соотношение показывает, что если производственные ресурсы замещаются в отношении, равном отношению приростных продуктивностей, то количество производимой продукции остается неизменным. Нужно сказать, что знание производственной функции позволяет охарактеризовать масштабы возможности осуществить взаимную замену ресурсов в эффективных технологических способах. Для достижения этой цели служит коэффициент эластичности замены ресурсов по продукции

который вычисляется вдоль изокванты при неизменном уровне затрат прочих производственных факторов. Величина sjk представляет собой характеристику относительного изменения коэффициента взаимной замены ресурсов при изменении соотношения между ними. Если отношение взаимозаменяемых ресурсов изменится на sjk процентов, то коэффициент взаимной замены sjk изменится на один процент. В случае линейной производственной функции коэффициент взаимной замены остается неизменным при любом соотношении используемых ресурсов и поэтому можно считать, что эластичность s jk = 1. Соответственно большие значения sjk свидетельствуют о том, что возможна большая свобода в замене производственных факторов вдоль изокванты и при этом основные характеристики производственной функции (продуктивности, коэффициент взаимозамены) будут меняться очень слабо .

Для степенных производственных функций для любой пары взаимозаменяемых ресурсов справедливо равенство s jk = 1.

Представление эффективного технологического множества с помощью скалярной производственной функции оказывается недостаточным в тех случаях, когда нельзя обойтись единственным показателем, описывающим результаты деятельности производственного объекта, но необходимо использовать несколько (М) выходных показателей (рисунок 3).

Рисунок 3 _ Различные случаи поведения изоквант

В этих условиях можно использовать векторную производственную функцию

Важное понятие предельной (дифференциальной) продуктивности вводится соотношением

Аналогичное обобщение допускают все остальные главные характеристики скалярных ПФ.

Подобно кривым безразличия изокванты также подразделяются на различные типы.

Для линейной производственной функции вида

где Y объем производства; A , b 1 , b 2 параметры; K , L затраты капитала и труда, и полном замещении одного ресурса другим изокванта будет иметь линейную форму (рисунок 4, а).

Для степенной производственной функции

Тогда изокванты будут иметь вид кривых (рисунок 4,б).

Если изокванта отражает лишьодин технологический способ производства данного продукта, то труд и капитал комбинируются в единственно возможном сочетании (рисунок 4,в).

г) Ломаные изокванты

Рисунок 4 - Разные варианты изоквант

Такие изокванты иногда называют изоквантами леонтьевского типа по имени американского экономиста В.В. Леонтьева, который положил такой тип изокванты в основу разработанного им метода inputoutput (затраты выпуск).

Ломаная изокванта предполагает наличие ограниченного количества технологий F (рисунок 4,г).

Изокванты подобной конфигурации используются в линейном программировании для обоснования теории оптимального распределения ресурсов. Ломаные изокванты наиболее реалистично представляют технологические возможности многих производственных объектов. Однако в экономической теории традиционно используют главным образом кривые изокванты, которые получаются из ломаных при увеличении числа технологий и увеличении соответственно точек излома .

Наиболее широко распространены мультипликативно-степенные формы представления производственных функций. Их особенность состоит в следующем: если один из сомножителей равен нулю, то результат обращается в нуль. Легко заметить, что это реалистично отражает тот факт, что в большинстве случаев в производстве участвуют все анализируемые первичные ресурсы и без любого из них выпуск продукции оказывается невозможным. В самой общей форме (она называется канонической) эта функция записывается так:

Здесь коэффициент А, стоящий перед знаком умножения, учитывает размерность, он зависит от избранной единицы измерений затрат и выпуска. Сомножители от первого до n-го могут иметь различное содержание в зависимости от того, какие факторы оказывают влияние на общий результат (выпуск). Напр., в ПФ, которая применяется для изучения экономики в целом, можно в качестве результативного показателя принять объем конечного продукта, а сомножителей - численность занятого населения x1, сумму основных и оборотных фондов x2, площадь используемой земли x3. Только два сомножителя у функции Кобба-Дугласа, с помощью которой была сделана попытка оценить связь таких факторов, как труд и капитал, с ростом национального дохода США в 20-30-е гг. ХХ в.:

N = A · Lб · Kв,

где N - национальный доход; L и K - соответственно объемы приложенного труда и капитала (подробнее см.;Кобба-Дугласа функция).

Степенные коэффициенты (параметры) мультипликативно-степенной производственной функции показывают ту долю в процентном приросте конечного продукта, которую вносит каждый из сомножителей (или на сколько процентов возрастет продукт, если затраты соответствующего ресурса увеличить на один процент); они являются коэффициентами эластичности производства относительно затрат соответствующего ресурса. Если сумма коэффициентов составляет 1, это означает однородность функции: она возрастает пропорционально росту количества ресурсов. Но возможны и такие случаи, когда сумма параметров больше или меньше единицы; это показывает, что увеличение затрат приводит к непропорционально большему или непропорционально меньшему росту выпуска - эффект масштаба .

В динамическом варианте применяются разные формы производственной функции. Например в 2-факторном случае: Y(t) = A(t) Lб(t) Kв(t), где множитель A(t) обычно возрастает во времени, отражая общий рост эффективности производственных факторов в динамике.

Логарифмируя, а затем дифференцируя по t указанную функцию, можно получить соотношения между темпами прироста конечного продукта (национального дохода) и прироста производственных факторов (темпы прироста переменных принято здесь описывать в процентах).

Дальнейшая “динамизация” ПФ может заключаться в использовании переменных коэффициентов эластичности.

Описываемые ПФ соотношения носят статистический характер, т. е. проявляются только в среднем, в большой массе наблюдений, поскольку реально на результат производства воздействуют не только анализируемые факторы, но и множество неучитываемых. Кроме того, применяемые показатели как затрат, так и результатов неизбежно являются продуктами сложного агрегирования (напр., обобщенный показатель трудовых затрат в макроэкономической функции вбирает в себя затраты труда разной производительности, интенсивности, квалификации и т. д.).

Особая проблема - учет в макроэкономических ПФ фактора технического прогресса (подробнее см. в ст. “Научно-технический прогресс”). С помощью ПФ изучается также эквивалентная взаимозаменяемость факторов производства (см. Эластичность замещения ресурсов), которая может быть либо неизменной, либо переменной (т. е. зависимой от объемов ресурсов). Соответственно функции делят на два вида: с постоянной эластичностью замены (CES - Constant Elasticity of Substitution) и с переменной (VES - Variable Elasticity of Substitution) (см. ниже).

На практике применяются три основных метода определения параметров макроэкономических ПФ: на основе обработки временных рядов, на основе данных о структурных элементах агрегатов и о распределении национального дохода. Последний метод называется распределительным.

При построении производственной функции необходимо избавляться от явлений мультиколлинеарности параметров и автокорреляции - в противном случае неизбежны грубые ошибки.

Приведем некоторые важные производственные функции.

Линейная производственная функция:

P = a1x1 + ... + anxn,

где a1, ..., an - оцениваемые параметры модели: здесь факторы производства замещаемы в любых пропорциях.

Функция CES:

P = A [(1 - б) K-b + бL-b]-c/b,

в этом случае эластичность замещения ресурсов не зависит ни от K, ни от L и, следовательно, постоянна:

Отсюда и происходит название функции.

Функция CES, как и функция Кобба- Дугласа, исходит из допущения о постоянном убывании предельной нормы замещения используемых ресурсов. Между тем эластичность замещения капитала трудом и, наоборот, труда капиталом в функции Кобба-Дугласа, равная единице, здесь может принимать различные значения, не равные единице, хотя и является постоянной. Наконец, в отличие от функции Кобба-Дугласа логарифмирование функции CES не приводит ее к линейному виду, что вынуждает использовать для оценки параметров более сложные методы нелинейного регрессионного анализа .

Производственная функция всегда конкретна, т.е. предназначается для данной технологии. Новая технология - новая производительная функция. С помощью производственной функции определяется минимальное количество затрат, необходимых для производства данного объема продукта.

Производственные функции, независимо от того, какой вид производства ими выражается, обладают следующими общими свойствами:

1) Увеличение объема производства за счет роста затрат только по одному ресурсу имеет предел (нельзя нанимать много рабочих в одно помещение - не у всех будут места).
2) Факторы производства могут быть взаимодополняемы (рабочие и инструменты) и взаимозаменяемы (автоматизация производства).

В наиболее общем виде производственная функция выглядит следующим образом:

где - объем выпуска;

K- капитал (оборудование);

М- сырье, материалы;

Т - технология;

N - предпринимательские способности.

Наиболее простой является двухфакторная модель производственной функции Кобба - Дугласа, с помощью которой раскрывается взаимосвязь труда (L) и капитала (К).

Эти факторы взаимозаменяемы и взаимодополняемы. Еще в 1928 году американские ученые - экономист П. Дуглас и математик Ч. Кобб - создали макроэкономическую модель, позволяющую оценить вклад различных факторов производства в увеличении объема производства или национального дохода. Эта функция имеет следующий вид:

где А - производственный коэффициент, показывающий пропорциональность всех функций и изменяется при изменении базовой технологии (через 30-40 лет);

K, L- капитал и труд;

б,в -коэффициенты эластичности объема производства по затратам капитала и труда.

Если б = 0,25, то рост затрат капитала на 1% увеличивает объем производства на 0,25%.

На основе анализа коэффициентов эластичности в производственной функции Кобба - Дугласа можно выделить:

1) пропорционально возрастающую производственную функцию, когда

2) непропорционально - возрастающую

3) убывающую

Рассмотрим короткий период деятельности фирмы, в котором из двух факторов переменным является труд. В такой ситуации фирма может увеличить производство за счет использования большего количества трудовых ресурсов (рисунок 5).

Рисунок 5_ Динамика и взаимосвязь общего среднего и предельного продуктов

На рисунке 5 виден график производственной функции Кобба - Дугласа с одной переменной изображен - кривая ТРн .

Функция Кобба-Дугласа имела долгую и успешную жизнь без серьезных соперников, но недавно ей составила сильную конкуренцию новая функция Эрроу, Ченери, Минхаса и Солоу, которую мы будем называть сокращенно SMAC. (Браун и Де Кани также разработали эту функцию независимо). Основное отличие функции SMAC заключается в том, что вводится постоянная эластичности замещения у, отличная от единицы (как в функции Кобба-Дугласа) и нуля: как в модели затраты- выпуск .

Разнообразие рыночных и технологических условий, какое наблюдается в современной экономике, внушает мысль о невозможности удовлетворить основным требованиям разумного агрегирования, за исключением, может быть, отдельных фирм в одной и той же отрасли или ограниченных секторов экономики .

Таким образом, в экономико-математических моделях производства каждая технология графически может быть представлена точкой, координаты которой отражают минимально необходимые затраты ресурсов K и L для производства данного объема выпуска. Множество таких точек образуют линию равного выпуска, или изокванту. Т.е., производственная функция графически представляется семейством изоквант. Чем дальше от начала координат расположена изокванта, тем больший объем производства она отражает. В отличие от кривой безразличия, каждая изокванта характеризует количественно определенный объем выпуска. Обычно в микроэкономике анализируется двухфакторная производственная функция, отражающая зависимость выпуска от количества используемых труда и капитала.

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

понятие производства;
понятие и свойства производственной функции;
что такое технология, постоянные и переменные ресурсы;
закон убывающей отдачи ресурса;
понятия краткосрочного и долгосрочного периодов;
характеристики изоквант и понятие карты изоквант;
технологическую норму замещения труда капиталом;

уметь

различать виды производственной деятельности;
рассчитать показатели краткосрочной производственной функции;
охарактеризовать стадии производства в краткосрочном периоде;

владеть

анализом влияния технического прогресса на функцию производства;
навыками построения изокванты;
навыками определения оптимальной комбинации ресурсов.

Производство: понятие, виды, производственная функция

Понятие и виды производства

Производство – это деятельность но использованию факторов производства с целью достижения наилучшего результата. Если объем использования ресурсов известен, то максимизируется результат. Если известен ожидаемый результат, то минимизируется объем ресурсов.

Виды производственной деятельности:

заказное производство;
негибкое массовое производство;
гибкое массовое производство;
поточное производство.

Заказное производство – производство продукции по индивидуальным заказам (электростанция, мост, авианосец, услуги юридической фирмы, офисное здание). Заказное производство отличается спросом на высококвалифицированный труд. Производство начинается только после получения заказа.

Негибкое массовое производство характеризуется стандартизацией как конечной продукции, так и материалов, технологий, производственных процессов. Основано на применении капиталоемких технологий, которые позволяют непрерывно получать высокий объем готовой продукции. Предприятия, массово производящие стандартные товары, вынуждены влиять на потребителей, чтобы те приспосабливали свои вкусы и потребности к узкому кругу товаров.

Гибкое массовое производство – это объединение преимуществ экономичного массового производства с расширением номенклатуры производимой продукции путем использования различных комбинаций общедоступных стандартных комплектующих. Результатом является семейство похожих товаров, каждый из которых имеет характеристики, рассчитанные на определенный потребительский сегмент.

Поточное производство характеризуется тем, что технология обеспечивает на входе непрерывное потребление сырья и материалов, а на выходе – непрерывный поток продукции. Производство высокоавтоматизировано, требует больших капитальных вложений и малых затрат трудовых ресурсов (примеры: нефтепереработка, производство молока, листового стекла и бумаги). Чем выше степень использования оборудования, тем ниже себестоимость продукции.

Технология – это определенный способ соединения (комбинации) факторов производства в едином производственном процессе, который определяет результирующий уровень выпуска при эффективном использовании факторов производства. Природа накладывает на фирмы технологические ограничения: лишь некоторые комбинации ресурсов представляют собой практически осуществимые способы производства данного объема выпуска. Множество всех комбинаций вводимых ресурсов и выпусков, которые охватывают технологически достижимый способ производства, называется производственным множеством.

Производственная функция и ее свойства

Производственная функция – наиболее удобный способ описания технологически эффективных способов производства. Производственная функция является максимально возможным уровнем производства при данном количестве факторов производства и данной технологии.

В экономической теории традиционно используется двухфакторная производственная функция, которая в общем виде может быть представлена так:

Q=f (K,L ),

где Q – максимально возможный объем выпускаемой продукции в единицу времени; К – капитал; L – труд.

Производственная функция характеризует техническую результативность производства, т.е. зависимость между количеством применяемых ресурсов и объемом выпускаемой продукции в единицу времени.

Свойства производственной функции:

ресурсы в большинстве случаев являются субститутами;
ресурсы комплементарны;
в зависимости от изменения факторов производства различают краткосрочный и долгосрочный периоды.

Параметры производственной функции являются натуральными величинами, имеющими размерность "количество/время". Если при оптимально организованном производстве за 1 час 10 рабочих на пяти станках изготавливают 60 деталей, то Q = 60 шт./ час, L = 10 час, К = 5 станко-часов. Для краткости размерность параметров опускается.

Краткосрочный и долгосрочный периоды в анализе производства

Как показывает практика, в своей деятельности фирма сталкивается с ситуациями, которые диктуют ей принятие различных управленческих решений. Иногда ей приходится решать, как наилучшим образом использовать действующее капитальное оборудование. Промежутки времени, в течение которых фирме приходится делать подобный выбор, относятся к краткосрочным периодам.

Краткосрочный период – это промежуток времени, в течение которого фирма варьирует объемы производства, не изменяя количества некоторых факторов производства.

Неизменяемые факторы производства называются постоянными . В их число, как правило, включают капитальное оборудование, а также землю, производственные помещения, услуги высококвалифицированных специалистов, управленцев. Факторы производства, которые по мере колебаний выпуска товаров и услуг могут изменяться в краткосрочном периоде, называются переменными . К ним относят услуги наемных рабочих, сырье, вспомогательные материалы, электро- и теплоэнергию.

Принципиально иное решение должна принимать фирма, когда реальные или ожидаемые изменения рыночной ситуации заставляют ее заменять и капитальное оборудование. Подобные вопросы решаются в течение долгосрочного периода.

Под долгосрочным периодом понимают такой промежуток времени, в течение которого фирма изменяет объемы всех используемых факторов производства.

Особое значение этого периода в экономической теории состоит в том, что в течение него фирма сталкивается с ситуациями, в которых она должна решить, входить или не входить ей в новую отрасль, расширять или сокращать масштабы предприятия, перемещать, модернизировать или реорганизовывать производство.

Отметим, что краткосрочный и долгосрочный периоды не должны ассоциироваться с длительностью периода времени, например краткосрочный – до полугода, а долгосрочный – свыше этого интервала. Эти периоды различаются только тем, какие факторы производства меняет фирма, выпуская тот или иной объем товаров и услуг. В отдельных отраслях (положим, энергетической) краткосрочный период может длиться свыше 10 лет, а в аэрокосмической промышленности долгосрочный период имеет протяженность 2–3 года.

Характеризует зависимость между количеством используемых ресурсов () и максимально возможным объемом выпуска, который может быть достигнут при условии, что все имеющиеся ресурсы используются наиболее рациональным образом.

Производственная функция обладает следующими свойствами:

1. Существует предел увеличения производства, который может быть достигнут при увеличении одного ресурса и постоянстве прочих ресурсов. Если, например, в сельском хозяйстве увеличивать количество труда при постоянных количествах капитала и земли, то рано или поздно наступает момент, когда выпуск перестает расти.

2. Ресурсы дополняют друг друга, но в определенных пределах возможна и их взаимозаменяемость без сокращения выпуска. Ручной труд, например, может заменяться использованием большего количества машин, и наоборот.

3. Чем длиннее временной период, тем большее количество ресурсов может быть пересмотрено. В этой связи различают мгновенный, короткий и длительный периоды. Мгновенный период — период, когда все ресурсы являются фиксированными. Короткий период — период, когда, по крайней мере, один ресурс является фиксированным. Длительный период - период, когда все ресурсы являются переменными.

Обычно в микроэкономике анализируется двухфакторная производственная функция, отражающая зависимость выпуска (q) от количества используемых труда () и капитала (). Напомним, что под капиталом понимаются средства производства, т.е. количество машин и оборудования, используемое в производстве и измеряемое в машино-часах (тема 2, п. 2.2). В свою очередь количество труда измеряется в человеко-часах.

Как правило, рассматриваемая производственная функция выглядит так:

A, α, β — заданные параметры. Параметр А — это коэффициент совокупной производительности факторов производства. Он отражает влияние технического прогресса на производство: если производитель внедряет передовые технологии, величина А возрастает, т.е. выпуск увеличивается при прежних количествах труда и капитала. Параметры α и β — это коэффициенты эластичности выпуска соответственно по капиталу и труду. Иными словами, они показывают, на сколько процентов изменяется выпуск при изменении капитала (труда) на один процент. Коэффициенты эти положительны, но меньше единицы. Последнее означает, что при росте труда при постоянном капитале (либо капитала при постоянном труде) на один процент производство возрастает в меньшей степени.

Построение изокванты

Приведенная производственная функция говорит о том, что производитель может заменять труд капитаном и капитал трудом, оставляя выпуск неизменным. Например, в сельском хозяйстве развитых стран труд является высокомеханизированным, т.е. на одного работника приходится много машин (капитала). Напротив, в развивающихся странах тот же объем производства достигается за счет большого количества труда при незначительном капитале. Это позволяет построить изокванту (рис. 8.1).

Изокванта (линия равного продукта) отражает все комбинации двух факторов производства (труда и капитала), при которых выпуск остается неизменным. На рис. 8.1 рядом с изоквантой проставлен соответствующий ей выпуск. Так, выпуск , достижим при использовании труда и капитала или с использованием труда и капитана.

Рис. 8.1. Изокванта

Возможны и другие комбинации объемов труда и капитала, минимально необходимых для достижения данного выпуска.

Все комбинации ресурсов, соответствующих данной изокванте, отражают технически эффективные способы производства. Способ производства A является технически эффективным в сравнении со способом В , если он требует использования хотя бы одного ресурса в меньшем количестве, а всех остальных не в больших количествах в сравнении со способом В . Соответственно способ В является технически неэффективным в сравнении с А. Технически неэффективные способы производства не используются рациональными предпринимателями и не относятся к производственной функции.

Из вышесказанного вытекает, что изокванта не может иметь положительный наклон, как это показано на рис. 8.2.

Отрезок, выделенный пунктиром, отражает все технически неэффективные способы производства. В частности, в сравнении со способом А способ В для обеспечения одинакового выпуска () требует того же количества капитала, но большего количества труда. Очевидно, поэтому, что способ B не является рациональным и не может приниматься в расчет.

На основе изокванты можно определить предельную норму технической замены.

Предельная норма технической замены фактора Y фактором X (MRTS XY) — это количество фактора (например, капитала), от которого можно отказаться при увеличении фактора (например, труда) на 1 ед., чтобы выпуск не изменился (остаемся на прежней изокванте).

Рис. 8.2. Технически эффективное и неэффективное производство

Следовательно, предельная норма технической замены капитала трудом исчисляется по формуле

При бесконечно малых измененияхL и K она составляет

Таким образом, предельная норма технической замены есть производная функции изокванты в данной точке. Геометрически она представляет собой наклон изокванты (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Предельная норма технической замены

При движении сверху — вниз вдоль изокванты предельная норма технической замены все время убывает, о чем говорит уменьшающийся наклон изокванты.

Если же производитель увеличивает и труд, и капитал, то это позволяет ему достичь большего выпуска, т.е. перейти на более высокую изокванту (q 2). Изокванта, расположенная правее и выше предыдущей, соответствует большему объему выпуска. Совокупность изоквант образует карту изоквант (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Карта изоквант

Особые случаи изоквант

Напомним, что приведенные соответствуют производственной функции вида . Но бывают и другие производственные функции. Рассмотрим случай, когда имеет место совершенная замещаемость факторов производства. Допустим, например, что на складских работах можно использовать квалифицированных и неквалифицированных грузчиков, причем производительность квалифицированного грузчика в N раз выше, чем неквалифицированного. Это означает, что мы можем заменить любое количество квалифицированных грузчиков неквалифицированными в соотношении N к одному. И наоборот, можно заменить N неквалифицированных грузчиков одним квалифицированным.

Производственная функция при этом имеет вид: где — число квалифицированных рабочих, — число неквалифицированных рабочих, а и b — постоянные параметры, отражающие производительность соответственно одного квалифицированного и одного неквалифицированного рабочего. Соотношение коэффициентов а и b — предельная норма технической замены неквалифицированных грузчиков квалифицированными. Она постоянна и равнаN : MRTS xy = a/b = N.

Пусть, например, квалифицированный грузчик в состоянии в единицу времени обработать 3 т груза (это будет коэффициент а в производственной функции), а неквалифицированный — только 1 т (коэффициент b). Значит, работодатель может отказаться от трех неквалифицированных грузчиков, дополнительно нанимая одного квалифицированного грузчика, чтобы выпуск (общий вес обработанного груза) при этом остался прежним.

Изокванта в данном случае является линейной (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Изокванта при совершенной заменяемости факторов

Тангенс угла наклона изокванты равен предельной норме технической замены неквалифицированных грузчиков квалифицированными.

Еще одна производственная функция — функция Леонтьева. Она предполагает жесткую дополняемость факторов производства. Это означает, что факторы могут использоваться только в строго определенной пропорции, нарушение которой технологически невозможно. Например, авиационный рейс может быть нормально осуществлен при наличии как минимум одного самолета и пяти членов экипажа. При этом нельзя увеличивать самолето-часы (капитал), одновременно сокращая человеко-часы (труд), и наоборот, и сохранять неизменным выпуск. Изокванты в данном случае имеют вид прямых углов, т.е. предельные нормы технической замены равны нулю (рис. 8.6). В то же время можно увеличивать выпуск (количество рейсов), увеличивая в одной и той же пропорции и труд, и капитал. Графически это означает переход на более высокую изокванту.

Рис. 8.6. Изокванты в случае жесткой дополняемости факторов производства

Аналитически такая производственная функция имеет вид: q = min {aK; bL} , где а иb — постоянные коэффициенты, отражающие производительность соответственно капитала и труда. Соотношение этих коэффициентов определяет пропорцию использования капитала и труда.

В нашем примере с авиарейсом производственная функция выглядит так: q = min{1K; 0,2L} . Дело в том, что производительность капитала здесь составляет один рейс на один самолет, а производительность труда — один рейс на пять человек или 0,2 рейса на одного человека. Если авиакомпания располагает самолетным парком в 10 машин и имеет 40 человек летного персонала, то ее максимальный выпуск составит:q = min{ 1 х 8; 0,2 х 40} = 8 рейсов. Два самолета при этом будут простаивать на земле из-за нехватки персонала.

Взглянем, наконец, на производственную функцию, предполагающую существование ограниченного числа производственных технологий для производства заданного количества продукции. Каждой из них соответствует определенное состояние труда и капитала. В результате мы имеем ряд опорных точек в пространстве «труд-капитал», соединив которые, получаем ломаную изокванту (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Ломаные изокванты при наличии ограниченного числа производственных методов

На рисунке видно, что выпуск продукции в объемеq 1 можно получить при четырех комбинациях труда и капитала, соответствующих точкам А, B, С иD . Возможны также и промежуточные комбинации, достижимые в тех случаях, когда предприятие совместно использует две технологии для получения определенного совокупного выпуска. Как всегда, увеличив количества труда и капитала, мы переходим на более высокую изокванту.

Доверенности