Методология выбора наилучших проектно-конструкторских решений. Этапы и задачи.

При разработке любого технического объекта разработчику (конструктору, изобретателю-энтузиасту, студенту или школьнику) приходиться решать целый ряд взаимосвязанных задач по поиску и выбору наилучшего проектно-конструкторского решения. С наименьшими трудозатратами и в более короткие сроки с такой работой можно справиться, если освоить и использовать методологию поиска и выбора, которая определяет методически целесообразные этапы разработки, их содержание и рациональную последовательность выполнения. Эта методология предусматривает разбивку всего процесса поиска и принятия решения на этапы. На каждом из них решаются свои логически и содержательно самостоятельные, многовариантные оптимизационные задачи.

Этап 1. Обоснование потребностей и требований к качеству изделия. Здесь выявляются потребности в разработке и изготовлении нового изделия, которые оно может удовлетворить с наибольшей пользой для общества в целом, для фирмы и самого разработчика. Это может быть новая модель или новое поколение изделий, уже выпускаемых конкретной фирмой. Может быть выявлена потребность в разработке и выпуске усовершенствованных конструкций уже известных изделий, но которые фирма до сих пор не производила. И, наконец, может быть удовлетворена принципиально новая потребность. Здесь же обосновываются и потребительские качества разрабатываемого изделия по производительности, надежности, экономичности, энергопотреблению и другим параметрам.

Задачи первого этапа относятся к области маркетинга и маркетинговых исследований. В литературе эти задачи еще называют задачами внешнего проектирования, в отличие от задач внутреннего проектирования, которые решаются на последующих пяти этапах.

Этап 2. Выбор физических операций и соответствующих технических функций. На этом этапе рассматриваются потоки вещества, энергии и сигналов на входе и выходе технического объекта, учитывается соблюдение условий и ограничений на эти потоки в процессе их преобразования как внутри технического объекта, так и при его взаимодействии с надсистемой и окружающей средой. Для каждого из рассматриваемых вариантов формулируется техническая функция, отражающая взаимосвязь потребительской функции объекта с реализуемой им физической операцией.

Этап 3. Выбор функциональной структуры технического объекта. Выбор функциональной (конструктивной и потоковой) структуры производится с позиций наилучшего удовлетворения принятой ранее потребительской функции с учетом анализа аналогов и прототипов технических объектов рассматриваемого класса известных либо из технической и патентной литературы, либо из описания. Естественно, что из всех вариантов выбирается наиболее рациональная функциональная структура, определяющая функции основных элементов объекта и их взаимосвязи.

Этап 4. Выбор физического принципа действия. На этом этапе разработка технического объекта ведется на физическом уровне: выбирают наиболее рациональные принципы действия отдельных элементов изделия с учетом всех, представляющих интерес, физических, химических, биологических и других эффектов. В конкретной потоковой функциональной структуре одни и те же элементы могут быть реализованы на основе различных физико-технических эффектов.

Этап 5. Выбор технического решения. На этом этапе анализируется список дополнительных требований, предъявляемых к разрабатываемому изделию по габаритам, массе, форме, компоновке; по составу комплектующих изделий и применяемых материалов; по способам и средствам их соединения; по диагностике неисправностей, безопасности эксплуатации, себестоимости, патентоспособности. В ряде случаев критерии качества объекта можно существенно улучшить, если использовать какой-то комплектующий элемент, разработанный и запатентованный другой промышленной фирмой. Однако при этом должны учитываться возможности разработчика в покупке такого готового элемента или приобретения лицензии на его изготовление.

Этап 6. Выбор параметров технического объекта. На этом последнем этапе анализируются и выбираются оптимальные значения параметров объекта и параметров его отдельных элементов. Список параметров может быть большим и включать в себя: надежность работы (минимальное число включений и выключений, минимальное число часов на наработку), предельные запасы прочности, устойчивость функционирования, взаимозаменяемость, стандартизация и унификация конструктивных элементов, условия эксплуатации объекта при колебаниях температуры, влажности, давления атмосферы и т. п.

Рассмотренные методологические основы иерархии уровней описания ТО и соответствующие им задачи выбора будут использоваться при изучении эвристических и алгоритмических (компьютерных) методов и технологий решения творческих задач.

Основные понятия конструирования и проектирования.

Техническое творчество предполагает получение новых результатов в области техники в виде технических идей, рисунков, чертежей, воплощенных в реальных технических объектах.

Процесс творчества, в частности технического, всегда осуществляется поэтапно и включает такие процедуры:

— осознание противоречия, создание и обоснование идеи;

— техническую разработку задания и практическую работу над ним (проектирование и конструирование);

— испытание объекта в работе и оценку результата творческого решения.

Первая процедура завершается созданием общего плана, идеи, замысла решения задачи (общего принципа действия систем данного типа).

Вторая процедура включает проектирование и конструирование.

Проектирование — разработка и обоснование проекта машины, отвлеченного от вещественной формы. Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект разрабатываемого объекта (тексты, графики, чертежи, расчеты, модели и т. д.).

Процесс проектирования можно представить так:

— научно-исследовательский поиск наилучшего варианта решения технической задачи;

— формулировка (обоснование) технического задания;

— техническое предложение (аванпроект);

— эскизное проектирование;

— техническое проектирование;

— рабочее проектирование.

Конструирование — разработка подробной схемы выполнения задуманного объекта (системы) и рабочих чертежей всех деталей и отдельных частей машины.

Сначала по предварительным чертежам и расчетам изготовляется опытный образец. Далее все расчеты уточняются, составляются рабочие чертежи и техническая документация для их применения на производстве. Результатом конструирования является конкретная конструкция изделия.

Конструкция — наглядно представленная система способов соединения и взаимодействия частей изделия, а также материал, из которого эти части должны быть изготовлены. Если конструкция является изобретением, т. е. новым инженерным решением, то ее новаторский характер должен быть подтвержден документально, а открытие запатентовано.