Основы конструирования

Применение изделия в условиях, соответствующих указаниям изготовителя, не требует никаких согласований с ним. Тем не менее, возможно по согласованию между потребителем и производителем составление частных технических условий, в которых требования к изделию или к правилам его использования могут быть как ужесточены, так и ослаблены (с соответствующей корректировкой цены).

Отчётность по испытаниям образцов изделия. Как правило, относится к внутренним, конфиденциальным документам организации. Состоит из актов, протоколов и отчётов (в зависимости от объёма и сложности испытаний). Типовым содержанием каждого документа является краткое или развёрнутое описание объекта испытаний, указание цели испытаний, описание методов и условий проведения испытаний, изложение результатов испытаний и выводы в соответствии с целью испытаний. Часто такие документы заканчиваются рекомендациями по устранению недостатков, выявленных в результате испытаний.

Формат отчётных документов может быть регламентирован внутренними правилами.

Особым видом является отчётность по результатам сертификационных испытаний. Перечень изделий, подлежащих таким испытаниям, устанавливается в законодательном порядке. Для проведения таких испытаний привлекаются только специально уполномоченные организации, имеющие так наз. аккредитацию. В результате успешного прохождения таких испытаний изделие получает сертификат соответствия, подтверждающий, что оно по своим характеристикам, которые регламентируются в законодательном порядке (к таким относится всё, что связано с безопасностью и здоровьем людей, с влиянием на окружающую среду и т.д.), соответствует требованиям нормативных документов.

Сведения о патентной чистоте изделия. Как правило, оформляются для внутреннего пользования в виде отчёта о результатах патентного исследования. При этом обязательны ответы на два вопроса: не попадает ли разработанное изделие по своим признакам под формулу какого-нибудь патента с продолжающимся сроком действия, и содержит ли разработанное изделие признаки, которые могли бы стать формулой нового патента.

Недостаточное внимание к этим вопросам может дорого обойтись разработчику. Попадание под действующий патент, особенно находящийся во владении конкурента, может принести большие убытки в результате судебного процесса. Пренебрежение к защите собственных решений, давшихся дорогой ценой проведенной ОКР, позволит любому желающему с гораздо меньшими затратами воспроизвести такие же решения в собственном производстве.

Разработка технического задания.

Как будем стричься? - Хорошо будем стричься. Нужное оставим, лишнее снимем (Из разговора в парикмахерской).

Определив генеральную и промежуточные цели ОКР, мы тем самым определили и действия, которые нужно выполнить для достижения этих целей. И тут же приходится определить, какими должны быть эти результаты и действия. Другими словами, после ответа на вопрос «Что?» немедленно возникают вопросы «Какие?» и «Как?».

Вопрос «Какие?», а точнее, «Какой?», относится к самому главному результату ОКР - к тому объекту или изделию, которое мы хотим спроектировать. Оно ведь должно быть вполне конкретным, имеющим вполне определенные характеристики и особенности. В отечественной практике ОКР принято устанавливать эти характеристики и особенности в документе, который называется техническим заданием (ТЗ). Аналогичные документы существуют и в зарубежной практике.

Техническое задание является текстовым документом, устанавливающим требования к конструкции и характеристикам изделия, подлежащего разработке.

Разработка технического задания обычно является первой стадией ОКР. В ряде случаев выпуск этого документа предшествует официальному началу ОКР, особенно при её выполнении на договорной основе.

Порядок составления, согласования и утверждения технического задания не имеет единой регламентации и в основном соответствует принятым сторонами-участниками ОКР общим правилам. Техническое задание обычно считается действующим до момента официального признания ОКР выполненной. За срок его действия в него могут вноситься по согласованию между заинтересованными сторонами изменения и дополнения.

Если по результатам ОКР начинается производство нового изделия, техническое задание становится основой для разработки документа «Технические условия».

Кто и как составляет этот документ и принимает окончательные решения по его содержанию в форме утверждения? Откуда берутся данные, необходимые для его составления? В каком формате выпускается этот документ? Здесь не существует всеобщего единообразия, хотя в некоторых областях установлены определённые правила (например, для ОКР, выполняемых в интересах Министерства Обороны Российской Федерации, где даже сам этот документ называется «Тактико-техническое задание»). Однако общие принципы составления и оформления этого важнейшего документа в отечественной практике ОКР имеются и должны быть рассмотрены подробно.

Как правило, проект ТЗ разрабатывают специалисты организации-разработчика, т.е. той организации, которая и будет вести намеченную ОКР. Для того, чтобы этот проект приобрел силу директивного, т.е. обязательного для исполнения, документа, он утверждается по меньшей мере руководителем этой организации. Может практиковаться утверждение и на более высоком уровне - руководством фирмы или вышестоящего ведомства. Если в намеченной ОКР имеется конкретный заказчик, может практиковаться совместное утверждение как с его стороны, так и со стороны разработчика. А тактикотехнические задания Министерства Обороны утверждаются только его представителем в лице заинтересованного подразделения, а будущим разработчиком только согласовываются (хотя проект этого документа им и готовится).

Очень важен вопрос, по чьей инициативе разрабатывается проект ТЗ. В своё время в СССР вступил в действие ГОСТ 15.001-73 «Разработка и постановка продукции на производство» (имел и более поздние редакции). Согласно этому стандарту единственным основанием для разработки проекта ТЗ могло быть наличие технических требований заказчика. При всей кажущейся логичности этого правила - разрабатывать только то, что действительно кому-то нужно - оно либо просто обходилось (в моей практике были прецеденты, когда мы сами готовили такие требования от имени Министерства сельского хозяйства СССР и получали требуемые подписи), либо было ненужным препятствием. Действительно, как можно было получить технические требования на какую-либо инициативную разработку, по которой даже не всегда изначально было ясно, кто может считаться заказчиком. Поэтому здравый смысл подсказывает целый ряд разумных оснований для подготовки этого проекта.

Во-первых, инициатива заказчика не исключается. Особенно часто это проявляется для ОКР оборонного или подобного характера. Но это характерно для крупных или сложных изделий. Часто разработчик таких крупных или сложных изделий выступает в роли заказчика более мелких и простых, которые он предполагает применить в качестве комплектующих взамен тех, которые имеются на рынке, но его не устраивают (иной раз такие отношения возникают и по материалам с особыми свойствами). Так, разработчик новой модели автомобиля или трактора может выдать технические требования на разработку новых двигателей, изделий электрического или гидравлического оборудования, колёсных дисков, шин и т.д., если у него есть основания считать такие разработки необходимыми.

Конструкторская организация, получившая технические требования заказчика, обязана тщательно изучить их, прежде всего для того, чтобы обрести уверенность в правильном понимании его нужд. При этом само содержание этих требований не подвергается никакой критике. Главное внимание уделяется тому, насколько эти требования могут быть реализованы в рамках возможностей разработчика. Затем прорабатывается возможность повышения уровня требований без существенного удорожания как самой разработки, так и последующего производства заказанного объекта. После этого разработчик составляет проект ТЗ и согласовывает его с заказчиком.

Как вытекает из сути процедуры подготовки проекта ТЗ, содержащиеся в нём характеристики объекта не могут быть хуже тех, которые предложены в технических требованиях заказчика. Однако не исключаются ситуации, когда желания заказчика либо вообще не могут быть реализованы на имеющемся уровне техники, либо при этом может оказаться слишком высокой цена разработки или производства. Эта коллизия вынуждает начать совместную с заказчиком работу по уточнению его требований. Здесь принято считать, что исполнитель обязан понимать заботы и трудности заказчика лучше, чем он сам. В любом случае проект ТЗ является результатом компромисса между требованиями сторон, однако для его достижения более гибкую позицию должен занимать разработчик, руководствуясь двумя известными правилами:

Клиент (заказчик, покупатель, потребитель) всегда прав.

Если клиент не прав, смотри правило 1.

Во-вторых, техническое задание может быть результатом инициативы самой конструкторской организации. Источники этой инициативы достаточно разнообразны. Появляются новые достижения науки и техники, в том числе изобретения, позволяющие разработать и производить более совершенные изделия. Опыт эксплуатации выпускаемых изделий указывает на необходимость устранения определённых недостатков, не замеченных при разработке. Появилась информация о том, что конкурирующая фирма готовит производство новых изделий, которые могут оказаться более привлекательными для рынка. Наконец, напомним, что в числе мотивов для формирования целей ОКР могут быть стремления к более эффективному производству (снижение себестоимости, повышение объёмов).

Понятно, что хотя в этом случае формальный заказчик вроде бы отсутствует, разработчики ТЗ должны в полном объёме представлять, для кого и для чего будет вестись ОКР. Исходной информацией для таких представлений являются результаты маркетинговых исследований, которые обязана вести любая уважающая себя фирма. Часто затраты на такие исследования сопоставимы с затратами на сами ОКР, но практика показывает, что такой подход является единственно верным.

Теперь рассмотрим, какие источники информации привлекаются для разработки проекта ТЗ. Здесь нет каких-либо приоритетов, и все возможные источники должны использоваться по максимуму.

Во-первых, это уже упомянутые технические требования заказчика, если они имеются. Во-вторых, это результаты научно-исследовательских работ самой фирмы (если у неё есть соответствующие структуры), так и специализированных организаций, в том числе лабораторий высших учебных заведений. В-третьих, это патентный фонд, содержащий описания изобретений, в том числе изобретений, сделанных сотрудниками фирмы. В-четвёртых, это результаты испытаний и исследований специальных экспериментальных изделий, а также выпускаемых изделий (как на этапах подготовки производства, так и в эксплуатации). В-пятых, это упомянутые результаты маркетинговых исследований, на чём стоит остановиться для более подробного рассмотрения.

В отличие от первых четырёх групп источников, в которых информация, как правило, изложена на понятном разработчикам и производителям языке конкретных технических терминов, результаты маркетинговых исследований могут содержать информацию в терминах пользователя (покупателя). Часто говорят, что это требования на бытовом уровне. К этому нельзя относиться высокомерно, так как рядовой пользователь не обязан обладать такой же подготовкой к пониманию технической терминологии, как специалист. Поэтому следует самим уметь переводить желания пользователя в конкретные технические характеристики будущего изделия. Механизмы такого перевода разработаны и описаны в отечественной и зарубежной литературе. Наиболее эффективным является метод, получивший название «Quality Function Deployment» (структурирование функции качества). Его основными особенностями являются то, что исходная информация содержит требования пользователя именно на этом бытовом уровне, а также то, что в ходе процедуры перевода этих требований на язык технической терминологии ведется сравнение своего положения с положением ближайших конкурентов на рынке выпускаемых изделий (того, которого хочется догнать или даже перегнать, и того, который догоняет нас). Кроме того, сам процесс получения информации о требованиях пользователя может иметь вид опросов, организованных с достаточной представительностью. Наконец, этот метод позволяет органично перейти от технических характеристик будущего объекта ОКР к техническим требованиям на материалы и комплектующие изделия с одной стороны и на технологии производства с другой.

Более подробная информация о существе и особенностях этого метода имеется во многих зарубежных публикациях. В отечественной практике много сделал для его пропаганды Ю. П. Адлер в издаваемом им журнале «Курс на качество».

Оформление ТЗ общих правил не имеет и скорее определяется правилами или традициями ведомства или фирмы. Документ может иметь вид обычного текста. Может быть принято оформление по правилам, установленным для текстовых документов в составе конструкторской документации по стандартам «Единой системы конструкторской документации (ЕСКД)», принятой в отечественной практике. При этом в любом случае в документе должны присутствовать подписи должностных лиц и специалистов, отвечающих за его составление, согласование и утверждение.

Содержание ТЗ также не может подчиняться единым правилам, однако определённые общие требования в этой части существуют. Обычно в начале документа указывают наименование, обозначение и назначение изделия, а также область и особенности его предполагаемого применения. Далее идет раздел, который содержит технические требования, в числе которых указываются состав изделия (перечисляются все его составные части и при необходимости указывается назначение каждой) и требования к конструкции как изделия в целом, так и к каждой его составной части в отдельности. На содержании этого раздела («Технические требования») остановимся для более подробного рассмотрения.

Прежде всего, излагаются конкретные, в том числе количественные, требования к действию и характеристикам изделия в целом и его составных частей. При этом полнота изложения должна быть достаточной для полного представления об особенностях и свойствах будущего изделия. Указываются габаритно-массовые, энергетические и прочие ограничения. При необходимости оговаривается взаимодействие с другими изделиями.

Далее подробно описываются ожидаемые условия эксплуатации изделия. Указывается допустимый уровень виброударных нагрузок на изделие, как правило, в единицах «g» (для вибраций с указанием полосы частот), при необходимости - по различным осям изделия. Температурный диапазон от самой низкой отрицательной до самой высокой положительной температур указывается как для работы изделия, так и для его хранения в нерабочем состоянии. Оговариваются максимально допустимая влажность и запыленность воздуха, окружающего изделие. При необходимости оговариваются такие условия, как радиационные воздействия (в том числе прямая солнечная радиация), наличие в окружающем воздухе химически активных веществ, крайние значения атмосферного давления, возможные биологические воздействия (грибковые микроорганизмы, насекомые, грызуны) и т.п. Для внешнего энергоснабжения указываются особенности источников, например, по стабильности напряжений и частот электропитания.

Для каждого из этих воздействий указываются методы проверки. Кроме того, для них устанавливаются критерии соответствия, на основании которых можно будет впоследствии решать, обеспечена ли достаточная стойкость изделия против этих воздействий. Как правило, в качестве таких критериев принимается сохранение изделием функций и характеристик, указанных в предыдущих пунктах раздела «Технические требования».

Обязательной частью раздела являются требования к надёжности изделия. Для разных изделий они могут формулироваться в различных терминах в зависимости от вида изделия, его назначения, требований заказчика и т.д. Здесь могут употребляться такие термины, как ресурс до капитального ремонта или выбраковки, вероятность безотказной работы за заданное время и т.д. При этом могут указываться режимы работы, при которых должны выполняться эти требования, например, относительная продолжительность включения, допустимая длительность предельных режимов нагружения или работы при крайних значениях условий эксплуатации. Могут указываться методы испытаний для проверки выполнения этих требований.

Особой частью являются требования безопасности для людей и окружающей среды. Как правило, в этой области действуют национальные и международные стандарты, требующие безусловного выполнения и нарушение которых может быть связано с ответственностью по закону, от финансовой до уголовной. Поэтому при составлении, согласовании и утверждении ТЗ должно быть обеспечено исчерпывающее соответствие изделия всем таким стандартам записью соответствующих требований. При необходимости также указываются методы проверки соответствия.

В последние годы неотъемлемой частью многих ТЗ стали эргономические требования. Они возникают там, где использование изделия должно происходить с учетом человеческого фактора при применении изделия, управлении им или при его обслуживании. Частью этих требований являются упомянутые выше требования безопасности для людей, однако целью разработчика и изготовителя должно также являться придание изделию таких свойств и характеристик, при которых оно будет не только безопасным для здоровья и самой жизни, но и удобным в работе. Такой подход обязан исключить ситуацию, в которой изделие не обеспечивает в эксплуатации ожидаемых результатов именно потому, что оно неудобно в управлении или обслуживании. Для изделий, у которых покупатель и пользователь чаще всего совпадают (самый наглядный пример - легковой автомобиль), да и не только для них, эти требования попадают в разряд ключевых. Некоторые эргономические требования имеются в составе стандартов безопасности, например, требования по обзорности из кабин автомобилей и тракторов и требования к действию приборов внешнего освещения.

Часто эргономические требования объединяют с эстетическими, относящимися к внешнему виду изделия и (если изделие имеет внутренние пространства - кабины, каюты, салоны и т.п.) к его интерьеру (интерьерам). При этом часто эстетические требования записывают в очень обобщённом виде, однако наличие таковых в составе ТЗ по меньшей мере вселяет уверенность, что в разработке изделия будут принимать участие специалисты по художественному конструированию - дизайнеры.

Раздел «Технические требования» завершается пунктами, содержащими специфические требования, часть из которых тем не менее присутствует в каждом ТЗ. Такими являются требования к упаковке и консервации для изделий, у которых с момента выпуска до момента начала использования может пройти неопределённое время. Понятен смысл требований по транспортировке и хранению. И, наверное, не требуется пояснять, что реализация этих требований увязана с конструкцией изделия.

В отечественной практике принято для некоторых изделий указывать требования по стандартизации и унификации. Ими оговаривается степень использования в изделии как стандартных составных частей, так и частей, уже применяющихся в ранее разработанных изделиях, находящихся на производстве. На мой взгляд, наличие таких требований, особенно в части унификации, оправданно при разработке модификаций. При разработке же нового изделия эти требования вводить не стоит. Конструкторы сами решат, что они смогут применить для него наилучшим образом, не оглядываясь на заданные проценты.

В некоторых случаях вводятся такие специфические требования, как требования к составу комплекта ЗИП (запасные части, инструмент и принадлежности), требования к разработке специального технологического оборудования типа стендов для сборки, регулировки и испытания частей изделия и изделия в целом, требования к разработке учебно-тренировочных средств для обучения и т.д. Понятно, что наличие таких требований определяется самим характером будущего изделия и особенностями его применения. При этом такие требования могут быть как частью технических требований к изделию, так и выводиться в отдельные разделы.

По существу такие разделы являются уже не требованиями к изделию, а определяют требования к характеру ведения самой ОКР. В их числе указываются состав этапов ОКР и намеченные сроки выполнения. Устанавливаются экономические (ценовые) ограничения на производство изделия. Для разработок оборонного характера указываются меры по соблюдению государственной тайны. Этот перечень может быть продолжен, однако важнее понять, что здесь всё определяется спецификой изделия, в том числе его назначением, особенностями конструкторской организации и многими другими факторами.

Упомянув о сроках выполнения этапов ОКР, мы по существу от ответов на вопрос «Какой?», относящийся к изделию, перешли к ответам на вопрос «Как?», относящийся к правилам и ограничениям ведения самой ОКР. Действительно, намечая сроки выполнения разработки, руководитель конструкторской организации или другое лицо, принимающее решение о ней, устанавливает временной лимит для получения требуемого результата и тем самым составляет основную часть плана выполнения ОКР. Ведь понятно, что её результаты необходимы не вообще, а в совершенно определённое время, потому что цели, ради которых она начинается, тоже должны быть достигнуты без опозданий. Так что календарный план выполнения ОКР следует считать одним из главных правил.

Следующее правило относится к составу ОКР. В нём должны быть предусмотрены все её основные компоненты: выпуск комплекта конструкторской документации (КД), изготовление образца (образцов) изделия в опытном производстве, испытания составных частей и образца (образцов) в целом и корректировка КД по результатам изготовления и испытаний. Однако следует иметь в виду цели ОКР, которые могут внести определённые поправки в этот перечень. Так, при проектировании штучного уникального изделия типа тяжёлого пресса или прокатного стана вряд ли стоит планировать изготовление предварительного образца. А если изделие разрабатывается как экспериментальное, вряд ли будет производиться корректировка КД по результатам его испытаний или исследований, если только не окажется, что изделие просто не работает и его нужно переделать.

Теперь рассмотрим некоторые правила выполнения компонентов (этапов) ОКР. Что касается выпуска КД, то здесь существуют правила комплектности и оформления, в основном у нас опирающиеся на уже упомянутую ЕСКД. При этом могут существовать в виде стандартов предприятия и собственные правила и нормативы. Они могут касаться очень многих особенностей, начиная от обозначений размеров и допусков и технологических указаний и кончая ограничениями по применению материалов, стандартизованных или нормализованных изделий. Чисто фирменными являются правила изготовления чертежей и текстовых документов по бумажной или по компьютерной технологиям проектирования.

По содержанию самой КД какие-либо общие правила указать трудно. Тем не менее стоит обратить внимание на важную тенденцию современного производства, которая проявляется в том, что высокое качество будущего изделия закладывается уже при его проектировании. И здесь речь не идёт о том, что проектирование должно быть достаточно квалифицированным и безошибочным - это подразумевается само собой (и гарантируется многими способами, например, тщательной доводкой конструкции изделия и отработкой технологии перед началом его производства). Имеется в виду, что конструкция изделия такова, что она обеспечивает минимальный ущерб от возможных ошибок в производстве или при использовании. Такой подход обеспечивает изделию особенность, которую в русском переводе можно назвать «стойкостью от дурака» (по-английски «foolproof»). Примерами такого подхода могут быть конструктивные решения, исключающие неправильную сборку или выход изделия из строя при несоблюдении полярности питания постоянным током (но они, конечно, не спасут, если изделие будут собирать с кувалдой или вместо аккумулятора подключат его к высоковольтной сети).

Применительно к изготовлению образцов в опытном производстве также трудно указать общие правила. Каждое производство по-своему уникально даже при том, что опытные производства гораздо более универсальны, чем основные (серийные). Тем не менее, организаторам и руководителям ОКР необходимо понимать, что опытное производство обладает рядом особенностей, которые требуют понимания и внимания.

Прежде всего, нужно помнить о специфике технологических возможностей опытного производства. В нем допускается больший вес малопроизводительных, но требующих более высокой квалификации операций, выполняемых вручную или на универсальном оборудовании. В то же время для опытного производства вряд ли применима технология, требующая дорогой трудоёмкой оснастки типа моделей для крупных или сложных отливок, тяжёлых штампов или сложных пресс-форм (если только эта оснастка с большой уверенностью не проектируется и изготовляется сразу для основного производства). Однако при проектировании таких объектов, как тракторы и автомобили, для изготовления некоторых деталей типа корпусов применяется исключительно литьё.

Поэтому по результатам изготовления образцов не стоит оценивать технологичность спроектированного изделия. Зато необходимо отслеживать, не исказит ли технология опытного производства результаты будущих испытаний образцов, причём в любую сторону - как в лучшую, так и в худшую. Так, в машиностроении, как правило, надёжность образцов несколько выше, чем изделий серийного производства (если не считать первичные отказы, из-за которых производятся изменения конструкции в ходе доводки). А в электронном приборостроении скорее наоборот - надёжность образцов, собранных с ручной пайкой, ниже, чем серийных изделий с машинной пайкой.

Наконец, говоря об испытаниях образцов, сразу же отметим очевидное разнообразие целей, методов и средств. Понятно, что испытания самолёта имеют мало общего с испытаниями образца бытового электроприбора. В то же время все и всякие испытания имеют одну общую особенность - они должны быть по возможности исчерпывающими. Это означает, что в результате проведенных испытаний должны быть получены все ответы на все вопросы. Общим и обязательным правилом является то, что каждые испытания начинаются с разработки программы-методики, проводятся в строгом соответствии с ней и заканчиваются отчётным документом с выводами, содержащими однозначные ответы на все поставленные вопросы и рекомендации для дальнейшей работы, в том числе по корректировке КД для изделий, предназначенных для производства.

Второе общее правило - испытания должны иметь ясную цель. Именно она определяет содержание программы-методики. Для образцов изделий, намеченных к производству, в первую очередь должно быть проверено соответствие образца требованиям, записанным в ТЗ. При этом должны быть выявлены недостатки конструкции, вызывающие несоответствие этим требованиям.

В ряде случаев возникает цель получения экспериментальных данных для внесения в рабочую, технологическую или эксплуатационную документацию сведений, которые не могут быть получены предварительным расчётом с достаточной достоверностью. К ним, например, могут быть отнесены диаметры дроссельных отверстий в гидравлических или пневматических системах, жёсткости некоторых пружин, сопротивления и ёмкости в электрических цепях, положения настроечных элементов некоторых механизмов. Для получения этих данных организуются специальные испытания (отметим, что им в основном подвергаются составные части изделий, хотя не исключаются ситуации, в которых приходится испытывать изделия и целиком). В последующем на основании таких испытаний в технологию производства изделий могут вводиться контрольно-сдаточные испытания с целью правильной настройки изделия или его составной части, как с помощью регулировок, так и с помощью сменных элементов (жиклёры, термокомпенсирующие пакеты, пружины, резисторы, конденсаторы и т.п.).

Третье общее правило заключается в том, что испытания должны приводить к достоверным результатам. Это также обеспечивается программой-методикой через условия проведения испытаний, применяемые средства сбора и обработки получаемой в их ходе информации, а также предусмотренные объёмы испытаний.

Планирование, а точнее, вся организация ОКР может сопровождаться некоторыми частными ограничениями. Они могут относиться к содержанию ТЗ и к порядку выполнения этапов ОКР. Здесь можно показать только отдельные примеры. Так, при разработке модификаций выпускаемого изделия стремятся свести к минимуму число изменений базовой модели. При разработке нового изделия стремятся не только использовать в нем детали и узлы предшествующей модели, но и по возможности обеспечить так называемую технологическую преемственность, при которой используются те же самые технологические процессы и оборудование. Особенно это относится к дорогостоящим его видам.

Разумеется, всё сказанное выше не исчерпывает всех особенностей составления ТЗ и организации ОКР. Важно только понимать, что все сведения о том, каким должно получиться изделие и по каким правилам и с учётом каких ограничений должна вестись ОКР, должны быть известными до ее начала. Только тогда от неё можно ожидать получения запланированного результата.

4. Системы автоматизированного проектирования

Понятия, цели и принципы автоматизированного проектирования. Система автоматизированного проектирования (САПР) машиностроительных изделий - это система, обеспечивающая разработку новой и модернизацию старой техники в процессе интерактивного взаимодействия человека и ЭВМ.

В организационно-техническом отношении множество создаваемых САПР различаются между собой архитектурой-набором составляющих подсистем (рис.) и техническими средствами, обеспечивающими автоматизацию процесса проектирования (рис.).

Пример архитектуры типовой САПР

Иерархическая структура технического обеспечения САПР:

Верхний уровень -- ЭВМ большой мощности тина ЕС ЭВМ, средний уровень управляющие вычислительные комплексы (УВКС) на базе ЭВМ средней мощности типа СМ ЭВМ, нижний уровень автоматизированные рабочие места (АРМ) на базе СМ ЭВМ и персональных компьютеров

САПР характеризуется более или менее развитым интерфейсом «пользователь-ЭВМ» («пользовательским интерфейсом»). При этом, как правило, ЭВМ выступает в роли советчика, подсказчика, автомата, выполняющего с большой скоростью заданную последовательность операций, принятие окончательного решения остается за человеком.

САПР присущи, по крайней мере, два признака: целостность и коммуникативность.

Целостность САПР определяется информационным обеспечением (рис.), представляющим собой распределенную систему локальных баз данных, осуществляющую информационную поддержку процесса проектирования каждого объекта (детали, узла, сборки), начиная с выбора технического решения и кончая документированием (оформление рабочих чертежей, пояснительной записки, управляющих перфолент для станков с ЧПУ).

Распределенная система локальных баз данных

В смысле коммуникативности САПР рассматривают как составляющий элемент в интегрированной системе:

АСУП -- АСНИ -- САПР -- АСТПП

где АСУП -- автоматизированная система управления предприятием;

АСНИ -- автоматизированная система научных исследований;

АСТПП -- автоматизированная система технологической подготовки производства.

Любой из элементов САПР (см. рис.1) является, в свою очередь, сложной самостоятельной подсистемой.

Существуют следующие основные принципы автоматизированного проектирования:

- проектирование «от общего к частному»;

- максимальное использование готовых проектных решений;

- разумная целесообразность использования ЭВМ для автоматизации отдельных операций;

- постепенное пропорциональное наращивание числа автоматизируемых процедур, объектов информационных баз и мощности вычислительных средств;

- максимальная автоматизация трудоемких нетворческих операций;

- очередность выбора объектов проектирования и объектов автоматизации в зависимости от их значимости.

Целью САПР является выдача конструкторско-технологической документации, представляющей собой обоснованные оптимальные проектные решения с максимальным использованием технических средств. К функциям автоматизированного проектирования относятся:

- поиск аналогов отечественного и зарубежного оборудования;

- выбор сборочной единицы, удовлетворяющей заданным техническим требованиям;

- выделение модифицируемых элементов сборочной конструкции;

- поиск детали (прототипа);

- обогащение детали (прототипа) типовыми конструктивными элементами,

- проверка детали на технологичность в условиях конкретного производства и родственных предприятий;

- проведение инженерно-экономических и оптимизационных расчетов;

- выдача конструкторско-технологической документации.

Пользователей САПР можно условно разделить на шесть групп в соответствии с выполняемыми ими функциями (табл.).

Пользователи САПР

Факторы, определяющие степень комфортности пользователя САПР. На комфортность работы пользователя в САПР влияют следующие технические и эргономические факторы, имеющие отношение к человеку и связанные с физической средой, со средствами взаимодействия человек ЭВМ и с процессом работы системы.

1) Наличие сети ЭВМ (локальная сеть ЭВМ позволяет разработчику обмениваться информацией с коллегами, создает эффект коллективного творчества, сохраняя в то же время преимущества спокойной работы за пультом персонального компьютера).

2) Тип машины (персональная ЭВМ, мини-ЭВМ, большая ЭВМ).

3) Наличие многопользовательского (мультипрограммного, многозадачного) режима разделения времени для машин с несколькими терминалами.

4) Наличие развитого программного обеспечения, включающего средства трехмерной графики, программ методов конечных и граничных элементов и т. д.

5) Полнота сервисных интерфейсных средств (многооконный интерфейс, удобная диалоговая система, электронные таблицы и т. д.).

6) Оснащенность рабочего терминала манипуляторами управления курсором (мышь, световое перо, джойстик и т. д.).

7) Наличие устройств ввода-вывода информации (планшет, функциональная клавиатура, многоцветные скоростные принтеры и плоттеры).

8) Наличие обучающей системы, включающей в себя не только «HЕLP» (помощь), но и вывод информации, отражающей на копленные знания об объекте или процессе проектирования, обеспечивающей тестирование знаний пользователя и присвоение ему определенною приоритет и т.д.

9) Используемая цветовая палитра изображения на экране дисплея.

10) Время реакции системы на введенную директиву пользователя.

11) Язык общения с ЭВМ (командный, ограниченно-естественный и т. д.).

12) Организация вычислительного процесса, предусматривающая, например, планирование загрузки ЭВМ с учетом пожеланий пользователя, разделение функций между оператором ЭВМ, подготавливающим задачу, и собственно разработчиком, работающим только со своей процедурой и т. д.

13) Многосменность работы, с одной стороны, учитывающая различные типы людей (совы, жаворонки), с другой предусматривающая во вторую и третью смену такие работы, как, например, вывод информации с магнитных носителей на бумагу, перепись информации и т.д.

14) Квалификация обслуживающего персонала, обеспечивающего надежную работу вычислительных средств.

15) Наличие справочной документации и руководств пользователя, дополняющих или углубляющих специальными сведениями обучающую систему

16) Конструкция рабочего места, обеспечивающая удобную работу за пультом дисплея.

17) Характеристики окружающей среды (температура, шум, освещенность, уровень вибрации и т. п).

Технология автоматизированного проектирования. В соответствии с одной из концепций автоматизированного проектирования на основе модельного представления данных технология проектирования предусматривает следующие этапы (рис.)

Основные этапы разработки оборудования: ТЭО - технико-экономическое обоснование, ФСА - функционально-стоимостной анализ, ТЗ - техническое задание

1. Структурное моделирование объекта проектирования предполагает декомпозицию конструкции на составляющие элементы и составление конструктивной модели объекта (КМО).

Конструктивная модель объекта (в кружках указаны коды элементов по спецификации)

2. Планирование процесса проектирования (СНУ) предполагает построение моделей следующего вида: сетевые объектные модели (СОМ).

Сетевая объектная модель

Граф показывает последовательность выполнения отдельных элементов КМО, время выполнения каждого элемента, резервы по времени (полный, свободный, независимый)

Сетевая процедурная модель

Граф показывает последовательность проектных процедур, выполняемых в процессе проектирования какого-либо элемента КМО. Разметка графа содержит предлагаемые временные затраты, резервы времени на выполнение каждой проектной процедуры

Указанные виды моделей дают полную информацию о состоянии разработки каждого элемента КМО, т. е. в процессе контроля руководитель работ может получить ответы на вопросы: какие элементы еще не разработаны? Из-за чего не может быть выполнена та или иная проектная процедура.

3. Система контроля и управления обеспечивает выдачу информации по указанным вопросам, выдает сигнальную информацию о намечающихся нарушениях процесса проектирования, дополняет сетевые модели отметками о выполнении работ, осуществляет корректировку сетевых моделей и выдачу рекомендаций по управлению процессом проектирования (перепланирование работ, привлечение дополнительных ресурсов, оптимизация процесса проектирования по заданному критерию: время, стоимость, количество человек, интегральный критерий и т. п.).

4. Планирование вычислительного процесса предполагает размещение работ по имеющемуся вычислительному оборудованию, моделирование вычислительного процесса с целью оценки эффективности вычислительной системы и выдачи рекомендаций по совершенствованию структуры технических средств и (или) перепланированию процесса проектирования; планирование машинного времени в соответствии с сетевыми моделями процесса проектирования; составление графиков загрузки ЭВМ с учетом заявок и пожеланий пользователей, приоритета задач и привилегированности пользователей.

Планированием вычислительного процесса на предприятии занимаются службы вычислительного центра или группа САПР.

Результатом работы данного этапа являются график работы пользователей и график работы оператора, содержащий дополнительную информацию о требуемых магнитных носителях и устройствах, подготавливаемых к приходу пользователя.

5. Проектирование. Данный этап является собственно рабочим этапом, предполагающим выполнение проектных процедур в соответствии с сетевыми моделями, т. е. работу с аналогами конструкций, модификацию имеющихся информационных моделей, оригинальное конструирование элементов КМО с помощью средств машинной геометрии и графики, выполнение расчетных работ, проектирование технологического процесса, планирование проведения доводочных испытаний.

6. Организация вычислительного процесса в САПР. От организации работы вычислительного центра во многом зависит эффективность работы пользователя в САПР.

Организация вычислительного процесса

Перед началом работ обслуживающий персонал проводит регламентные работы, определяет степень готовности устройств и вводит информацию в базу управляющей подсистемы «Монитор». После этого выполняется загрузка «Планировщика», размещающего задания по вычислительным устройствам в соответствии с таблицей готовности устройств. Результатом работы планировщика является график пользователей и график работы оператора. После этого загружается монитор и происходит выполнение заданий. Требуемая входная информация из локальной базы очередной процедуры переносится монитором в локальную базу сопровождения (ЛВС) проектируемого элемента. По окончании работы с процедурой происходит загрузка ЛВС в центральную базу данных.

Заключение

Таким образом, даны понятия, определены цели и принципы автоматизированного проектирования, установлены группы пользователей САПР, выявлены факторы, определяющие степень комфортности пользователя САПР, рассмотрена технология автоматизированного проектирования.

Были рассмотрены основные этапы разработки и конструирования новых машин, проанализированы их функциональные признаки. Выявлены основные показатели и параметры конструируемой машины и обозначены общие принципы конструирования.

Литература

1. Аветисян Д.А., Башмаков И.А., Геминтерн В.И. и др. Системы автоматизированного проектирования. Типовые элементы, методы и процессы, -- М.: Издательство стандартов, 1985,-- 180 с.

2. Фролов К.Ф. Конструирование машин: Справочно-методическое пособие: В 2 т. Т. 1/К. Ф. Фролов, А. Ф. Крайнев, Г. В. Крейнин и др.; Под общ. ред К. Ф. Фролова. -- М.: Машиностроение, 1994. -- 528с.

3. Орлов П. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. П. Н. Учаева.-- Изд. 3-е, испр. -- М.: Машиностроение, 1988. -- 560 с.

4. Амиров Ю. Д. Основы конструирования: Творчество-стандартизация-экономика: Справочное пособие. -- М.: Издательство стандартов,1991.-- 392 с.

5. Фролов К.Ф. Конструирование машин: Справочно-методическое пособие: В 2 т. Т. 1/К. Ф. Фролов, А. Ф. Крайнев, Г. В. Крейнин и др.; Под общ. ред К. Ф. Фролова. -- М.: Машиностроение, 1994. -- 528с.

6. Орлов П. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. П. Н. Учаева.-- Изд. 3-е, испр. -- М.: Машиностроение, 1988. -- 560 с.

7. Амиров Ю. Д. Основы конструирования: Творчество-стандартизация-экономика: Справочное пособие. -- М.: Издательство стандартов,1991.-- 392 с.

8. Аветисян Д.А., Башмаков И.А., Геминтерн В.И. и др. Системы автоматизированного проектирования. Типовые элементы, методы и процессы, -- М.: Издательство стандартов, 1985,-- 180 с.

9. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. Изд. 4-е М.: Машиностроение, 1973. -- 528с.

Размещено на Allbest.ru