Бесплатный фрагмент - Основы проектирования в машиностроении

Введение

В книге изложены сведения об увлекательном мире проектирования высокотехнологичной продукции.

Инженерное проектирование занимается созданием изделий и систем, которых раньше не существовало, конкурентоспособных на мировом уровне. Проектирование является важнейшей распространенной отраслью человеческой деятельности, которая создает окружающий материальный мир посредством разработки изделий, продуктов, систем, инфраструктурных объектов. Писатели фантастических книг прогнозируют, как будет выглядеть будущее человечества. Инженеры упорным трудом реализуют это будущее в сооружениях и изделиях окружающей среды. Сегодня люди живут в спроектированных предшественниками зданиях, окружены созданными предметами быта, используют мобильную связь, интернет, передвигаются на разработанном ранее транспорте (автомобиль, поезд, самолет, пароход), получают электроэнергию от тепловых, атомных, гидравлических, ветряных, солнечных, приливных преобразователей энергии. Развитие бизнеса в конкурентной среде завтрашнего дня в значительной степени обусловлено достижениями специалистов по проектированию.

Предметом данной книги является фаза разработки продуктов и систем до начала их серийного производства. В настоящее время в РФ активизировалось движение к технологической независимости как гарантия существования государства и общества в будущем. В том числе, успехи нашего государства тесно связаны с развитием различных направлений проектирования. Материальный вклад инженеров высокотехнологичных отраслей в развитие общества гораздо важнее, чем действия граждан по освоению компьютерных игр, заказам еды или покупкам по интернету.

Согласно ГОСТ РВ 56136—2014 разработкой называют этап создания продукта, который включает проектирование конструкции изделия, изготовление и испытания опытных образцов, выпуск рабочей конструкторской документации для передачи в службу технологической подготовки производства перед началом серийного изготовления продукции.

Современный этап инженерной деятельности характеризуется использованием системного подхода при решении задач разработки и производства новых конкурентоспособных изделий и систем. Системный подход при проектировании предполагает, что нужно рассматривать все аспекты продукта в контексте его использования в более крупной системе. К наиболее важным из них относятся требуемые функции продукта с эксплуатационными характеристиками, среда, в которой продукт должен работать, его целевая стоимость, срок службы, условия обслуживания и логистики, эстетика, ожидаемый рынок и объем производства, требования к человеко-машинному интерфейсу, качество, надежность, безопасность и экологические проблемы, а также условия для испытаний изделий. Способность «видеть лес за деревьями» (проблему с высоты птичьего полета) отличает системного мыслителя от инженера, застрявшего в деталях, специфичных для конкретной дисциплины.

В книге излагается методология системного подхода для поэтапного последовательного использования в эффективном проектировании. По ходу разработки требуется выбор между многими переменными и параметрами, а также балансировка многочисленных и зачастую противоречивых требований к изделию. Существуют проверенные приемы, разработанные опытными проектировщиками, которые помогают внедрять эти принципы. В связи с мультидисциплинарным характером объектов проектирования большие проекты выполняет команда проектировщиков различных специальностей. Для эффективного использования накопленного багажа знаний такого коллектива необходимо логически объединить их в стройный и понятный всем участникам процесс. Понимание взаимосвязей имеет решающее значение для правильного проектирования. Язык систем позволяет объединить потребные дисциплины, установить общий словарь для обсуждения проектирования, дает возможность экспертам в разных областях общаться друг с другом, предоставляя универсальный язык проектирования.

Инженеры являются проводниками передовых идей в создании новых изделий, они проектируют сложнейшие технические объекты с использованием современных научных знаний. Сегодня в РФ инженерные профессии переживают пору возрождения, включая проектирование высокотехнологичной продукции. Согласно требованиям времени и важности проектирования сегодня в ВУЗах РФ около половины бюджетных мест выделено на инженерные науки и отрасли высоких технологий. Методологию системного подхода (часто используют термин «системная инженерия») преподавали в высших учебных заведениях СССР под названием «системотехника». Заметное количество обучавшихся в СССР наших соотечественников (включая главу правительства РФ и одного из вице-премьеров на начало 2026 г.) имеет дипломы по специальности «инженер-системотехник». К сожалению, в ходе образовательных реформ данная дисциплина в ВУЗах РФ исчезла в противовес резкому всплеску интереса развитых западных стран к использованию системной инженерии в реальном проектировании и образовательном процессе. Сегодня учебные заведения РФ постепенно восстанавливают обучение по данному направлению. Существует набор национальных (ранее называвшихся государственными) стандартов РФ по теме, включая многочисленные ГОСТы, имеющие отношение к проектной деятельности. Ряд российских предприятий накопил позитивный опыт сотрудничества по современной методологии создания продукции с зарубежными коллегами, но почему-то не спешит его использовать в отечественных проектах и программах.

Эффективному проектированию можно и нужно учиться. О проектировании написано множество книг, часть из которых приведена в приложенном библиографическом списке. В них изложены приемы разработки разнообразных высокотехнологичных изделий. Процессы проектирования подводных трубопроводов, Останкинской телебашни, атомных электростанций, промышленных холодильных камер, жилых зданий и сооружений, самолетов и авиадвигателей, железнодорожных поездов, информационных систем, комплексов программного обеспечения и др. имеют много общих черт. В сегодняшних условиях сотрудник проектной организации должен уметь быстро перестраиваться от темы к теме из-за изменения внешних условий. Универсализм является важным средством стабильности деятельности на рабочем месте.

Участники процесса проектирования получают знания в разных ВУЗах, на разных отраслевых предприятиях, с различными наставниками. Поэтому часто даже базовый объем положений методологии проектирования каждым специалистом усваивается достаточно стихийно. Основные процессы разработки высокотехнологичной продукции можно изучить за относительно короткий промежуток времени и далее использовать, постепенно дополняя понравившимися и удобными приемами проектирования с использованием современного программного обеспечения. Читателю представлен полезный минимум принципов проектирования с использованием универсальных методов для пополнения багажа знаний и навыков процесса разработки систем. Изложение максимально облегчено за счет ухода от детализации приемов и инструментов конкретных отраслей, неоднократно описанных в литературе.

Сегодня на практике доказано, что изложенные в книге навыки помогают инженерам эффективно развивать таланты, чтобы быть успешными на рабочем месте, становиться лидерами, заметно быстрее превращают вчерашних студентов в квалифицированных инженеров за счет выстраивания эффективного и качественного процесса проектирования с поэтапным контролем его развития, пониманием заинтересованных сторон каждого этапа процесса разработки, его затрат во времени, финансах, ресурсах. В частности, использован всесторонний полувековой опыт работы автора в авиационной, энергетической, атомной отраслях отечественной промышленности, успешного исполнения ряда контрактов по разработке изделий для иностранных заказчиков, участия в программах проектирования фирм США, Европы, Азии, преподавания системного подхода к проектированию в Московском физико-техническом институте.

В пяти частях книги рассмотрены технические особенности процесса создания высокотехнологичных продуктов, а также базовые требования к инфраструктуре и управлению проектами для повышения эффективности инженерного труда. Молодым специалистам рекомендуется последовательный порядок изучения текста. Подготовленные инженеры могут сразу знакомиться с выборочными главами книги.

Первая часть книги включает описание целей проектирования и потребных компетенций инженеров.

Во второй части детально рассмотрены этапы процесса проектирования продукции, в том числе рекомендации по исключению ошибок в разработке.

Третья часть содержит сведения по контролю результатов проектирования посредством испытаний, верификации и валидации, обеспечению качества и минимизации ошибок проекта.

В четвертой части дана информация об управлении проектами, требованиям к инфраструктуре, и использованию цифровых инструментов для разработки.

В пятой части изложены сводные преимущества системного подхода к проектированию и предложен вариант прогноза на ближайшее будущее данной профессии.

Для удобства читателя в конце книги приведены список основных государственных стандартов по теме, словарь терминов системного подхода, лист используемых сокращений и перечень рекомендуемой литературы для дальнейшего изучения.

Книга адресована молодым специалистам, делающим первые шаги в профессии. Концепции проектирования, принципы, практики и методы решения проблем и разработки решений на основе системного подхода применимы к любой инженерной дисциплине. Поэтому книга может быть полезна инженерам разных отраслей (электротехника, мехатроника, программное обеспечение, биомедицина, транспорт, авиация и космос, ядерная энергетика, промышленность, химические производства, строительство и др.), специалистам по производству, испытаниям, надежности, обслуживанию, логистике, службам обеспечения качества, менеджерам проектов различных уровней. Данные рекомендации могут быть реализованы инженерами в рамках сроков выполнения текущих проектов и программ различных размеров и сложности. Она может также использоваться в качестве справочного пособия по компонентам процесса разработки. Опытные проектировщики смогут отыскать в тексте полезные советы.

Объем книги ограничен, детальные материалы можно получить в Интернете и книгах из приложенного списка литературы. Для желающих углубить свои знания по теме автором ранее опубликована серия книг по теории и практике реализации системного подхода при создании инновационной продукции.

Книга [4], написанная совместно с доктором экономических наук, содержит сквозное изложение этапов разработки, производства, эксплуатации и модернизации высокотехнологичной продукции на примере авиационной отрасли.

Книга [5], 2-е издание, является методическим пособием на основе учебного курса, прочитанного в МФТИ, и включает пошаговое изложение основ системной инженерии для обучения практикующих специалистов.

В книге [6], 2-е издание, основное внимание уделено специфике управленческих процессов системного подхода для менеджеров.

Книга [7] содержит материалы для практического применения процессов и методов при реализации проектов в рамках системного подхода, в том числе, описание некоторых результатов, полученных под руководством автора на предприятиях СССР и РФ.

В книге [8] изложен непрерывный процесс реализации инновационных проектов от замысла до рынка. Включает описание разнообразных практических вопросов (проектирование под заданную стоимость, бережливое производство, управление качеством, надежность, ремонтопригодность, безопасность, управление человеческим фактором).

Вся перечисленная в приложенном списке литература доступна в сети Интернет.

Часть 1.
Задачи проектирования

Глава 1.
Области применения

Инженерную деятельность можно разделить по отраслевому (машиностроение, энергетика, транспорт, электроника, химическое производство, строительство и т.д.) и функциональному (конструкторская, производственная, управленческая, научная) признакам. Конструкторы разрабатывают технические объекты (инструменты, механизмы, станки, машины, автоматы, системы управления, кибернетические устройства) и системы (агрегаты, установки, технологические роботизированные линии). В профессии используют орудия труда, материалы и технологию. Под материалами понимают используемые в производстве сырьё и полуфабрикаты, а также конструкционные материалы, из которых изготовлены изделия. Создание машиностроительных продуктов и систем объединяет два этапа: разработку и изготовление (технологию производства). Технологией называют совокупность процессов, направленных на получение продукции, включающих изменение свойств, формы, состояния сырья или полуфабрикатов в процессе производства готового продукта.

Виды проектирования включают техническое проектирование (технических систем и устройств); инженерное проектирование систем (электросетей, газопроводов и т.п.); промышленное проектирование (промышленных объектов); проектирование программных средств и информационных систем; строительство гражданских объектов; другие виды проектирования. Тенденциями развития современной инженерной деятельности являются значительное усложнение технических объектов и систем; возникновение новых видов деятельности и специальностей; расширение автоматизации процессов решения конструкторских и производственных задач, применение искусственного (машинного) интеллекта. Основными областями здесь являются электротехника, машиностроение, химия, информационные технологии, телекоммуникации и электроника, энергетика, аэрокосмическая промышленность, биомедицина, гражданское строительство, судостроение, транспорт, экология, и др. Активно развиваемая цифровизация процессов проектирования и управления на базе общего и специального программного обеспечения является необходимым сервисным инструментом инженеров, создающих новую продукцию.

Основная задача конструктора включает создание изделий и систем, наиболее полно отвечающих потребностям заказчика, дающих наибольший экономический эффект и обладающих наиболее высокими техническими и эксплуатационными показателями. Инженеры, участвующие в разработке новой продукции, решают технологические проблемы, чтобы изменить окружающую человека инфраструктуру к лучшему путем создания новых ценностей в виде изделий, систем и услуг. В основе деятельности проектировщиков лежит применение технической компетентности для преобразования природных ресурсов, включая воду, солнечную энергию, месторождения полезных ископаемых, в созданный человеком капитал в виде новых высокотехнологичных продуктов. Каждый продукт проектируется для удовлетворения определённого набора целей, связанных с потребностями сообщества, и состоит из множества взаимодействующих компонентов или подсистем, организованных для совместной работы как единое целое.

---

Примерный перечень функций инженеров высокотехнологичных отраслей включает:

a) проектирование интегрированных систем, объединяющих людей, технологии, процессы и методы;

b) разработку моделирования, измерения и оценки производительности систем;

c) разработку и поддержание стандартов качества для отраслей и бизнеса;

d) эффективное внедрение технологий в рабочие процессы;

e) повышение общей производительности интегрированных систем;

f) разработку стратегий снижения и предотвращения излишних затрат;

g) планирование, организацию, составление графиков и контроль производственных и сервисных проектов;

h) организацию команд для повышения эффективности и результативности проектов;

i) координацию использования материалов и оборудования для эффективной работы систем.

Инженерная специальность проектирования машин и механизмов открывает широкое поле деятельности перед молодыми специалистами. Инженеры проектируют и строят инфраструктуру, поддерживающую жизнь общества, в том числе дороги, жилые и коммерческие здания, мосты, каналы, туннели, системы связи, учреждения здравоохранения, школы, жилые комплексы, транспортные системы и заводы. К примерам инженерных проектов можно отнести строительство путепровода; строительство и эксплуатацию химического завода по производству удобрений; адаптацию и программирование микропроцессора для управления стиральной машиной; расширение и укрепление моста через железную дорогу для увеличения пропускной способности.

Проектом будем называть совокупность расчетов, чертежей и пояснений к ним, предназначенных для определения элементов конструкции и параметров машины или механизма, а также для обоснования технической целесообразности и экономичности предлагаемого решения. Проект также включает комплекс технических документов, содержащих описание конструктивных решений с их обоснованием, и чертежи, необходимые для изготовления машин, механизмов, приборов и т. д.

Потребитель может предъявить множество требований к машине. Успех на рынке, дающий наибольшую прибыль и производителю, и продавцу машины, определяется ее способностью удовлетворить наиболее важные потребительские требования. Главными показателями изделия являются производительность; экономичность; надежность; высокий ресурс, малые масса, металлоемкость, габариты, энергоемкость. Кроме того, оценивают объем и стоимость ремонтных работ, расходы на рабочую силу, межремонтные сроки, степень автоматизации; простоту и безопасность обслуживания; удобство управления, разборки и сборки и т. п. Удельный вес каждого из перечисленных факторов зависит от назначения продукта:

• в генераторах и преобразователях энергии приоритет отдают величине коэффициента полезного действия, определяющего совершенство преобразования затрачиваемой энергии в полезную;

• в станках и оборудовании на первый план выходят производительность и безотказность действия, степень автоматизации, точность обработки, диапазон выполняемых операций;

• в приборостроении основными являются чувствительность, точность и стабильность показаний;

• в транспортной, авиационной и ракетной технике требуется малая масса конструкции, высокий коэффициент полезного действия двигателя, обусловливающий малую массу бортового запаса топлива.

Проектированием называют процесс разработки проекта продукта или системы, завершаемый совокупностью расчетов и чертежей, предназначенных для определения геометрических, кинематических, динамических параметров, а также работоспособности, экономичности и других характеристик машины.

В процесс разработки входят этапы проектирования и конструирования.

Проектирование предшествует конструированию и заключается в поиске технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений поставленной задачи. Включает процесс преобразования концептуального замысла продукта в конкретные, реализуемые планы и спецификации через определение архитектуры, компонентов, интерфейсов и других атрибутов продукта. Частично или полностью при проектировании может применяться формирование изделия из готовых покупных комплектующих изделий (ПКИ), например, при строительстве типовых городских жилых кварталов или модификаций популярных смартфонов. Также при проектировании изделий и объектов проводят патентный поиск, экономическое моделирование, исследовательские работы.

Результатом проектирования является документация в виде совокупности моделей, свойств и характеристик, пригодной для реализации изделия, способного решать поставленную задачу при определенных условиях и ограничениях. Эту информацию анализируют, обсуждают, корректируют и принимают в качестве основы для дальнейшей разработки.

---

Конструирование является важнейшей составной частью проектирования продуктов и систем, включающим разработку конкретного продукта или системы на основе результатов проектирования. Под конструированием понимают последующую разработку конкретной, однозначной конструкции изделия, где определяются устройство, состав, взаимное расположение частей и элементов, способ их соединения и взаимодействия с учетом используемых материалов и т. п. В процессе определяют устройство, состав продукта, взаимное расположение частей и элементов, способы их соединения и взаимодействия с учетом выбранных материалов. На этапе конструирования обеспечивают выполнение заданных технических требований к изделию и его частям, создают изображение и виды изделия в формате технических чертежей для производства, рассчитывают комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирают соответствующие материалы деталей.

Конструирование представляет собой творческий процесс создания оптимального варианта изделия в документах и чертежах на основе выполненных расчетов, конструкторского, технологического и эксплуатационного опыта. При этом могут использоваться стандартные компоненты ПКИ, например, крепежные, электронные, трубопроводные, и др. Также проводят испытания узлов и подсистем для подтверждения принятых решений. В результате конструирования выпускают чертежи сборочных единиц и деталей, разрабатывают техническую документацию, необходимую для изготовления и эксплуатации изделия.

Результатом разработки проекта технического объекта является комплект технической документации, на основании которого можно определить устройство этого объекта и все необходимые данные по разработке его конструкции, изготовлению, контролю, приемке, испытаниям, эксплуатации и ремонту, а также утилизации. Кроме того, техническая документация должна соответствовать нормам и стандартам, принятым в соответствующей предметной области. В машиностроении конструкторская документация должна быть оформлена в соответствии со стандартами Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Проектирование и конструирование являются этапами достижения единой цели разработки нового изделия, которого не существует или имеется в аналогах других размеров. Жесткая граница между конструированием и проектированием отсутствует. Проектировщик, например, занимается разработкой проектной документации для зданий, сооружений и инфраструктурных объектов, где максимально используют готовые компоненты. Конструктор занимается созданием новых деталей и механизмов, а используемое количество покупных элементов может быть минимальным. Он формирует рабочие чертежи и документацию в соответствии с определёнными требованиями по прочности и функциональности изделия, контролирует производство, сборку и испытания продуктов и систем. На этапе проектной работы могут быть применены элементы конструирования (разработка макетов для проверки физических принципов действия, выбор и расчёт отдельных частей системы). В процессе конструирования привлекают проектные процедуры (поиск архитектуры компонентов, вариантов используемых функциональных устройств, конструкций, разработка схем). Далее в тексте для простоты процесс разработки изделий и систем в целом будем называть общим термином «проектирование».

Проектирование технических объектов представляет собой сложный многостадийный процесс разработки и уточнения проекта, с выпуском рабочей документации простых или сложных продуктов и систем при высоких требованиях к качеству принимаемых технических решений. В процессе разработки, как правило, появляются варианты удовлетворительных ответов. Для поиска оптимальной формы детали и наилучшего сочетания массы, габаритов, прочности, технологических и других показателей необходимо сделать выбор среди нескольких альтернативных конструкций изделия. Возникающие варианты подвергают количественному анализу для принятия проектных решений и испытывают их характеристики, чтобы убедиться в решении задачи. При оценке размеров деталей используют проектировочные расчеты для сравнения критериев работоспособности различных вариантов.

При проектировании системы или изделия следует:

• использовать системный подход: осуществлять проектирование системы, связанной с общими условиями ее работы и с другими продуктами;

• учитывать многочисленные критерии качества продукта;

• использовать предшествующий опыт проектирования и широко применять нормализацию узлов и деталей, используя удачные узлы и детали других конструкций;

• предусматривать перспективы развития и обеспечивать возможность дальнейшей модернизации и совершенствования изделий и узлов.

По сути, проектирование представляет собой процесс решения задач, связанных с определением размеров и формы элементов нового продукта, выбором соответствующих материалов и производственных процессов, чтобы изготовленная система могла безотказно выполнять заданную функцию. Оптимальная конструкция является выбором наилучшего решения проектной задачи в рамках существующих ограничений. Проектировщик может принимать различные проектные решения, основываясь на опыте, расчетах, исходных данных. Хороший продукт отвечает заданным требованиям производительности, безопасности, надежности, эстетики и стоимости. Проектирование высокотехнологичных изделий входит в более общую деятельность реализации инновационных проектов. Инновацией называют создание и реализацию новых изделий, технологий и любых других новшеств в различных сферах человеческой деятельности [8].

Задачи разработчиков постоянно меняются и усложняются, чтобы соответствовать требованиям рынка, ожиданиям общества и достижениям в области технологий. Перечислим некоторые глобальные цели для инженеров XXI века:

1) сделать солнечную энергию экономичной;

2) обеспечить энергию из термоядерного синтеза;

3) разработать методы связывания углерода;

4) обеспечить доступ к чистой воде;

5) улучшить городскую инфраструктуру;

6) развивать качество услуг здравоохранения;

7) совершенствовать системы искусственного (машинного) интеллекта;

8) применять беспилотные летающие, наземные и водные движущиеся объекты в различных сферах деятельности;

9) обеспечивать безопасность киберпространства.

Возрастают сложность и объем задач проектирования. Например, развиваемая сегодня в ряде стран система коммерческой беспилотной авиации должна масштабироваться на тысячи и миллионы операций с повторяемым качеством, управляемой безопасностью и понятной экономикой. Вокруг семейства небольших летательных аппаратов должна быть выстроена эксплуатационная система. В нее входят развитие пользовательских сценариев, центры удалённого контроля воздушного пространства, цифровое управление полетом тысяч летающих объектов, наземная инфраструктура обслуживания и поддержки, обновление программного обеспечения, прослеживаемость применяемых комплектующих, изучение и блокировки логики отказов.

Развиваются системы искусственного (точнее, машинного) интеллекта, которые включают гигантские базы данных и обучаемые компьютеры. Следует ожидать значительного расширения его использования в ближайшем будущем в областях типового инженерного проектирования, финансового планирования, поиска данных, медицинской диагностики, визуализации образов, а также автоматизации управления и эксплуатации транспортных средств на суше, на море и в воздухе. При использовании в сочетании с Интернетом вещей автоматизированного управления, эксплуатации и обслуживания самых сложных устройств и систем, включая умные дома и умные предприятия, облегчается производственная и бытовая активность людей, освобождается время для созидательной деятельности.

Миниатюризация изделий позволила внедрять небольшие датчики в инженерные системы для мониторинга их производительности. Датчики в зданиях и сооружениях отслеживают напряжения и вибрации, чтобы предсказывать проблемы задолго до их возникновения. Цифровые двойники сложных машин служат объединяющим звеном между проектными моделями и готовой эксплуатируемой системой.

В процессе развития современного общества важное внимание уделяется организации безопасного использования создаваемых ценностей. Перечислим некоторые примеры.

• Автомобильный и железнодорожный транспорт проектируется в соответствии со строгими стандартами безопасности. Инфраструктура железных дорог гарантирует контроль скорости и маршрута поездов для удобства пассажиров, минимизации задержек и транспортных происшествий.

• В здравоохранении при лечении пациентов используют различные сложные приборы, спроектированные с помощью технологий, разработанных и поддерживаемых специалистами по биомедицине и техническому обслуживанию аппаратуры.

• Развивается использование возобновляемой энергии для производства фотоэлектрической (солнечной), ветровой энергии, волновых, приливных, гидроэлектростанций.

• Массовый доступ к надежным телекоммуникационным устройствам и услугам позволяет людям легко общаться между собой, вести бизнес, при необходимости вызывать аварийные службы.

• Экологи проектируют и внедряют системы очистки отходов, сбрасываемых в воду (сточные и ливневые воды, промышленные жидкие отходы), чтобы водоемы оставались безопасными для купания, серфинга, катания на лодках.

Молодые специалисты, работающие в промышленности, должны иметь определенные практические знания обо всей цепочке процессов выпуска продукции своего предприятия. Здесь инженерные концепции преобразуются в технологические усилия по разработке продукции, реализации товаров и связанных с ними услуг для коммерческой эксплуатации. Начинающие инженеры должны учиться выполнять возложенные на них обязанности компетентным и качественным образом, чтобы избежать создания узких мест в работе. Они должны постоянно стремиться к приобретению современных знаний и мастерства, а также решать вопросы, связанные с перспективами карьерного роста.

Новичкам, приходящим на работу в компанию, полезно также ознакомиться с базовыми вопросами деятельности промышленных предприятий, в частности:

a) организационной структурой основного предприятия, желательно со знанием фамилий и полномочий ключевого персонала (форма собственности, владелец, управляющий директор, руководители подразделений и отделов);

b) структурой подразделения, где работает действующий сотрудник, функциями и полномочиями ключевых должностных лиц;

c) линией продуктов организации, а также оказываемых услуг;

d) используемыми технологическими процессами и имеющимися производственными мощностями;

e) краткосрочными целями и стратегией компании, изложенными в соответствующих документах.

Глава 2.
Базовые сведения

Целью проектирования является формирование нового продукта или системы. Система состоит из различных элементов, организованных для совместной работы как единое целое. Системы меняются во времени. Типовой процесс проектирования основан на концепции жизненного цикла продукта. По аналогии с живыми организмами введено понятие типового жизненного цикла развития систем. Жизненным циклом (ЖЦ) называют совокупность взаимоувязанных последовательных изменений состояния изделия, связанных с реализацией установленных процессов от начала разработки (рождения) до вывода из эксплуатации (завершения жизненного цикла). Например, смартфоны имеют жизненный цикл длиной в несколько лет. Бытовые электроприборы (холодильники, стиральные, посудомоечные машины) могут иметь десятилетний или более ЖЦ.

Согласно ГОСТ 56136—2014 этапом называют часть ЖЦ, где предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и физических характеристик экземпляров изделий. Этапы жизненного цикла используют, чтобы упростить планирование и управление всеми основными событиями создания высокотехнологичной сложной системы или продукта. Контрольным рубежом (КР) этапа ЖЦ называют момент его завершения, на котором реализуется процедура проверки результатов выполненных работ для последующего принятия решений о переходе к следующему этапу ЖЦ. Выделяют основные этапы ЖЦ нового продукта или системы.

• Исследования и разработки: поиск и изучение новых проблем, не имеющих стандартных решений, исследование новых технологий и тенденций проектирования.

• Концепция: выявление и определение потребностей системы для удовлетворения нужд заказчика. Формируют различные концепции и конфигурации продукта, выявляют жизнеспособные альтернативы. Выполняют анализ для заинтересованных сторон, исследование рынка для определения предпочтений клиентов и определение критериев проверки потребностей.

• Синтез архитектуры: определение потенциальных вариантов решения проблемы, связанных с потребностями, и поиск предпочтительного решения. Выполняют синтез выбранного варианта системы для детального проектирования. Проводят моделирование и испытания компонентов для подтверждения характеристик продукта.

• Детальное проектирование: системные требования уточняют и распределяют на более низкие уровни. Выбирают поставщиков, определяют конфигурацию подсистем и компонентов, создают подробные чертежи и модели деталей и узлов. Выполняется валидация, чтобы убедиться, что система построена правильно. Анализируют вопросы производства и сборки, проверяют общие функции и производительность продукта, чтобы гарантировать, что продукт будет соответствовать потребностям клиентов.

• Производство: разрабатывают технологические процессы, определяют станки и инструменты, организуют производственные линии, серийное изготовление качественных экземпляров созданного продукта или системы для передачи пользователям.

• Эксплуатация: на этапе система используется конечными пользователями или операторами. Также включают обучение соответствующих сторон эффективному использованию системы.

• Поддержка (послепродажное обслуживание): предоставление услуг, необходимых для эффективной эксплуатации системы, таких как обслуживание, ремонты, отчеты о неисправностях, и т. д.

• Вывод из эксплуатации: реализация плана, как и когда система должна быть выведена из эксплуатации по окончании срока службы. Компоненты системы могут быть переработаны для повторного использования или извлечения сырья, или утилизированы безопасным и надежным образом.

Проектировщики работают над проблемами на всех этапах создания новой продукции. Одни специалисты занимаются стратегическим планированием, например, при разработке энергетической программы на двадцать лет вперед. Другие исследуют новые технологии, например, как заставить работать искусственный глаз. Третьи работают над концептуальным или детальным проектированием нового смартфона, определяя характер наилучшего решения и то, как оно будет реализовано. Четвертые трудятся на этапах реализации продукта, производства или строительства.

Напомним основные особенности некоторых отраслей проектирования.

1. Машиностроение охватывает широкий спектр деятельности и имеет множество подотраслей для удовлетворения конкретных функциональных потребностей. Здесь занимаются проектированием, оптимизацией, испытанием, созданием и обслуживанием механических систем и процессов. К механическим относят системы с движущимися частями, включая генерацию и использование различных форм энергии для питания механизмов (например, сжигание топлива, электромоторы, улавливание энергии ветра или волн). В проектировании таких продуктов применяют концепции прочности, динамики, термодинамики и гидродинамики. Например, проектирование и обслуживание инженерных систем зданий затрагивает системы отопления, кондиционирования, электроосвещения и электропитания, системы связи, водоснабжения и газоснабжения, водопровода и канализации, а также системы пожарной безопасности и охраны для обслуживания потребностей предприятий и частных лиц, которые живут и работают в жилых и офисных зданиях.

2. Электротехника, электроника и телекоммуникации охватывают проектирование, передачу и использование электроэнергии, а также систем связи и передачи информации. Специалисты создают системы и машины, которые генерируют, передают, измеряют, контролируют и используют электрическую энергию, необходимую для обеспечения жизни населения. Инженеры по электронике и телекоммуникациям проектируют устройства и системы для анализа, управления, передачи и хранения информации для связи, вещания, авиации, обороны, робототехники, в компьютерах, для медицинских приложений или в метеорологии. Применяют технологии систем мобильной и спутниковой связи, оптоволоконные технологии и компьютерные системы, которые позволяют общаться в реальном времени между людьми в различных точках земного шара. Сюда также входят программная инженерия (проектирование, модификация и поддержка использования компьютерных программ и пакетов) и мехатроника (объединение механической и электрической инженерии в проектировании процессов и систем, которые управляют машинами или имитируют человеческие мысли и реакции). Компьютерная инженерия отвечает за проектирование, разработку и эксплуатацию взаимосвязанных компьютерных аппаратных и программных систем.

3. Аэрокосмическая инженерия связана с проектированием, строительством и эксплуатацией самолетов, вертолетов, космических аппаратов и двигательных установок для них. Проектировщики отвечают за разработку и реализацию программ безопасности и технического обслуживания самолетов, а также за создание систем автоматического управления и связи для космических и воздушных судов. В части обеспечения безопасности гражданской авиации проектировщики должны удовлетворять требованиям летной годности самолетов, которые подтверждаются в процессе сертификации и оценки данных от производителей авиатехники.

4. Химическая инженерия отвечает за проектирование и управление технологиями и процессами для крупномасштабной переработки сырья в полезные и коммерческие продукты (большую химию). Специалисты разрабатывают оборудование и рабочие процессы для производства продуктов питания, бензина, пластмасс, красок, косметики, фармацевтических препаратов, удобрений, бумаги, керамики, минералов и др. Сюда также входит проектирование управляющих систем и крупномасштабных перерабатывающих комплексов для газа, нефти, угля, а также систем очистки питьевой воды и сточных вод посредством физических, химических и биологических методов.

5. Капитальное строительство включает проектирование и обслуживание физической инфраструктуры городской среды, сооружение и обслуживание жилых и производственных зданий, дорог, мостов, портов, плотин, управление городским движением, водоснабжением и т. д. Системы очистки загрязненных промышленных земель используют для последующего сооружения жилья или занятий спортом. Мусороперерабатывающие заводы применяют для безопасной утилизации отходов коммунального хозяйства (например, твердых бытовых отходов, осадков сточных вод) и промышленности (например, биологически опасных медицинских отходов, остатков строительного мусора).

6. Материаловедение занимается проектированием, производством и выбором наилучших материалов для конкретного применения. Если подходящего материала не существует, материаловеды создают и производят новые, улучшенные металлические и неметаллические материалы, сплавы, композиты. Их работа влияет на все области инженерного проектирования, включая строительство, транспорт, электронику, биомедицинские устройства для имплантов и др. Например, использование перспективных композитных метаматериалов позволило создать плащи-невидимки, перешедшие из сказок в реальные изделия.

Высокотехнологичное изделие или система включает узлы и компоненты, а также программное обеспечение. Система может быть разделена на подсистемы. Входящие в конкретную систему элементы определяются ее границей. Требуемые функции изделия используют для определения или описания функциональных связей между входами и выходами компонентов, целью которых является выполнение поставленной задачи. Входы и выходы также пересекают внешнюю границу системы. Системы могут являться частями более сложных систем (подробности в [5]).

Конечная цель процесса проектирования включает выпуск полного набора документации для передачи в службу технологической подготовки производства разработанного изделия, его последующего изготовления, эксплуатации, ремонта и утилизации. Состав технической документации продукта регламентирован государственными и отраслевыми стандартами. В техническую документацию входят схемная, конструкторская, монтажная, текстовая, технологическая и эксплуатационная документации. Единая система конструкторской документации устанавливает правила и способы разработки, оформления и обращения технической документации. Состав продукции информационных технологий выделен в единую систему программной документации, которая устанавливает правила и способы разработки, оформления и обращения документации по программному обеспечению. Проект может быть выполнен на бумаге или в виде электронных носителей информации. Конструирование как часть проектирования включает создание материального образа разрабатываемой системы в виде макета (прототипа) или графических изображений (эскизов, чертежей, компьютерных моделей). В области разработки технических систем прототипом называют работающую физическую модель, опытный образец устройства или системы. Хороший проект отвечает требованиям производительности, надежности, эстетики и стоимости, устойчивости к потере качества или отклонения от желаемых характеристик. Инженеры должны проектировать продукты, безопасные при предполагаемом использовании в течение всего срока службы. Безопасность подразумевает, что продукт будет защищать людей от травм, предотвращать ущерб имуществу и вред окружающей среде.

Проектирование машин невозможно без использования расчетных работ. Расчеты и конструирование неразрывно связаны между собой. Расчеты указывают путь, по которому следует идти, чтобы получить наилучший вариант конструкции. С их помощью устанавливается техническая характеристика, размеры, форма сечений нагруженных деталей, запасы прочности и долговечности во всех условиях и при всех нагрузках, при которых должна работать система. Расчетные исследования должны объективно обосновать принимаемые в проекте решения, а также ответить на вопросы, по которым конструктор не имеет опытных данных, чтобы обеспечить надежность, работоспособность и эффективность конструкции. Цифровое моделирование сегодня является эффективным методом контроля характеристик изделия в процессе разработки. Подробности изложены в главе 23. Так как конструирование всегда влияет на экономику, то любой вариант проверяется расчетом экономической целесообразности.

Много лет самым распространенным инженерным методом создания новых изделий был метод проб и ошибок. В нем на первом этапе формируют гипотезу по разрабатываемому техническому решению в виде схемы или эскиза. Проектант интуитивно предполагает, что данный вариант окажется работоспособным. На втором этапе проверяют качество предложенного варианта. Если не удается получить требуемое проектное решение, тогда формируют второе предложение, которое учитывает ошибки, допущенные в первом варианте, и снова выполняют проверку работоспособности конструкции. Процедуру повторяют до тех пор, пока не будет найдена совокупность значений конструктивных параметров, соответствующих требованиям конкретного проектирования. Космическое подразделение бизнесмена И. Маска и сегодня продолжает трудиться в основном по данному варианту. Такой метод проектирования часто приводит к длительным затратным этапам последовательных приближений. В настоящее время на вооружении крупных корпораций и продвинутых предприятий при создании новой продукции используют методологию системного подхода, часто называемую также системной инженерией [2…8, 14, 15, 18], используемую в данной книге.

Системный подход к проектированию требует рассматривать систему в целом, оценивать все действия при проектировании с точки зрения их эффективности на последующих этапах ЖЦ изделия, включая производство и эксплуатацию. Содержание каждой инженерной проектной задачи уникально, но методология решения этих проблем универсальна, с элементами адаптации в различных отраслях. Цели типовых этапов проектирования, перечисленные далее, могут модифицироваться в соответствии с конкретными задачами. Для управления комплексным продуктом с множеством систем и взаимодействием между различными системами требуется эффективная организационная структура (см. главу 21).

На рис.1 представлен процесс разработки коммерческого самолета в виде латинской буквы V.

Основными требованиями, предъявляемыми к нормально работающим системам и изделиям, являются:

1) работоспособность, включая точное выполнение узлами заданного закона и скоростей движения, достаточная прочность каждой детали, износостойкость, жесткость деталей и компонентов, защита трущихся частей от загрязнения;

2) наименьшая масса, что достигается прототой конструкции, рациональным распределением материала детали по поперечному и продольному сечениям; наиболее выгодных способах базирования деталей с точки зрения их наименьших деформаций; влиянии модуля упругости на жесткость детали;

3) применение стандартных деталей и узлов;

4) технологичность изготовления деталей на каждой стадии производственного процесса, с использованием простых поверхностей деталей (плоские, цилиндрические, конические, стандартные резьбовые и др.), получаемых на распространенных типах высокопроизводительного станочного оборудования с помощью стандартного режущего инструмента;

5) технологичность сборочных операций с обеспечением удобной сборки и разборки узлов, предпочтительно модульной конструкции компонентов, устанавливаемых в собранном виде в узел.

В процессе проектирования рекомендуется использовать два технических приема.

Декомпозицией называют иерархическое деление сложной задачи на ряд частных подзадач, объединённых общей целью, для облегчения совместной обработки всей информации с требуемой степенью точности решения задачи. Наличие множества отдельных подпроектов должно соответствовать общей цели проекта. Разделение проекта на небольшие рабочие элементы или задачи гарантирует, что он будет эффективно управляться для достижения целей.

Итеративный подход к решению дает возможность добиваться требуемой точности решения задачи. При решении задачи используют несколько итераций с внесением новой информации, полученной на предыдущих циклах. Количество повторов желательно ограничить двумя-тремя приближениями.

Сложный продукт может быть организован и разделен на системы, подсистемы и компоненты для управления проектированием, конструированием, производством, сборкой и испытаниями. Системы автомобиля обычно делят по специализированным инженерным дисциплинам, таким как проектирование кузова, шасси, конструкций, аэродинамики, электротехники и электроники, двигателей и трансмиссии, климат-контроля и так далее. У бытового холодильника можно выделить следующие системы:

• система хранения охлажденных продуктов (температура выше точки замерзания),

• система хранения морозильной камеры (температура ниже точки замерзания),

• система охлаждения (компрессор, двигатель, теплообменники и трубопроводы),

• система электропитания;

• система контроля температуры.

Каждая система в продукте может быть дополнительно подразделена на подсистемы. Например, тормозная система в автомобиле может иметь следующие подсистемы:

1) система педали тормоза,

2) система главного цилиндра,

3) трубопроводы и шланги тормозной жидкости,

4) внутриколесные тормозные системы (барабанная или дисковая);

5) стояночная тормозная система.

В свою очередь, подсистемы могут быть дополнительно разделены на составные части. Проектирование соединений или интерфейсов между различными системами, их подсистемами и компонентами требует значительного понимания типов интерфейсов. К ним относят физическое соединение (например, выравнивание двух соседних поверхностей и методы соединения); потоки жидкостей, данных или энергии между интерфейсами; компоненты, обеспечивающие определенные функциональные возможности (например, движение и передачу усилий между соприкасающимися частями).

Современное разделение труда разработчиков и изготовителей с отделением их друг от друга позволило резко сократить сроки создания и изготовления изделий. Стало более эффективным создание сложных систем, которые принципиально не могут быть созданы одним инженером (теплоходы, атомные станции, небоскребы и т.п.). Соответственно требованиям появилось разделение специалистов на проектировщиков, конструкторов, расчетчиков, испытателей, технологов и т. д. Сегодня удается решить существенный недостаток проектирования. Над чертежом всего изделия в начальный период его создания в ручном режиме работал один человек. Только после формирования идеи и общего вида изделия было возможно подключение других специалистов. Это вносило определенные ограничения не только на сроки и технический уровень разработок, но и на степень сложности изделий, которые создавались с опорой на знания и опыт одного человека. На старте профессиональной карьеры автор был свидетелем варианта устранения этого недостатка. В авиадвигателестроительном конструкторском бюро при инициации нового проекта поручали работу одновременно четверым компоновщикам (наиболее опытным конструкторам, имевшим значительный опыт интеграции изделий в целом). После завершения эскизных компоновок проводилось обсуждение вариантов. В результате принимали наиболее обещающий вариант за основу, поручали его автору доработку с внедрением замечаний и позитивных элементов из других вариантов проекта. В настоящее время все более широко применяют процесс параллельного инжиниринга, когда над проектом работают одновременно несколько проектировщиков (см. главу 10).

Глава 3.
Информация в чертежах

Документы проекта в зависимости от стадии разработки подразделяют на проектные (техническое предложение, эскизный проект и технический проект) и рабочие (рабочая документация). Основной комплект конструкторских документов изделия объединяет сведения, относящиеся к изделию в целом, например, сборочный чертеж, принципиальную электрическую схему, технические условия, эксплуатационные документы. Конструкторские документы составных частей в основной комплект для изделия не входят. Полный комплект конструкторских документов продукта составляют в общем случае из основного комплекта документов на данное изделие; а также основных комплектов документов на все составные части данного изделия.

Выходные данные проектирования включают рабочие чертежи и спецификации на изделие или процесс. Все сведения о материалах, процессах и допусках приведены на чертежах деталей. В них также представлен окончательный сборочный процесс для производства продукта. Система нумерации чертежей оговорена в ГОСТах и отраслевых документах. Чертежи и компоненты продуктов и систем обычно идентифицируют по номеру и наименованию. Предпочтительный метод наименования деталей заключается в присвоении имени, описывающего характер детали, например, поршень, вал, крыло или колесо в сборе. Компоненты, которые могут быть получены в соответствии с общепринятыми стандартами размеров, прочности или грузоподъемности, называют стандартными деталями. Они включают подшипники качения, болты, гайки, крепежные винты, шплинты, заклепки и др. Такие компоненты используют во многих областях проектирования.

Чертежи, за исключением схем, выполняют в масштабе реальных размеров. Для деталей больших размеров выбор масштаба чертежа зависит от размера и сложности объекта и его размещения на стандартном формате чертежной бумаги. В чертежах ручного изготовления используют, как правило, изометрическую аксонометрию проекций, в которой каждый вид формируется путём проецирования перпендикулярно объекту на плоскость. Очень мелкие детали или увеличенные фрагменты чертежей иногда изображают на выносках в большем размере, чем натуральная величина. В настоящее время, вследствие использования передачи информации между участниками процесса в электронном виде, можно выбирать удобный формат изображений, отличающийся от реальных размеров детали или узла.

Детальный чертеж содержит все инструкции по изготовлению компонента. Указывают материал, окончательные размеры, форму, качество поверхности и необходимую специальную обработку (например, термическая обработка или гальванопокрытие).

Сборочный чертеж определяет компоненты, которые должны быть соединены вместе, и процедуры, необходимые для их изготовления. Например, для сварной конструкции указывают детали, которые должны быть сварены, места сварки и размеры сварных швов. Другой тип сборочного чертежа может представлять посадку с натягом, например, втулку, запрессованую в отверстие шатуна двигателя. На чертеже показывают несколько компонентов, которые собирают в единый узел. Сборочный чертеж включает спецификацию деталей с указанием их номеров, наименований и необходимого количества деталей.

Схематические чертежи, например, для электрических систем управления, гидравлических или трубопроводных систем, показывают основные компоненты в условной форме. На них также показано, как компоненты соединяются друг с другом для направления потока электроэнергии или жидкости.

Размеры на чертеже указывают для определения величины и местоположения геометрии детали относительно осей, поверхностей, других деталей или опорных точек. Точность является одним из основных показателей качества деталей машин, существенно влияющим на критерии работоспособности и надежности. Контроль размеров необходим для обеспечения сборки и взаимозаменяемости сопрягаемых деталей.

Основной размер, заданный конструктором на основе функционального назначения детали, называют номинальным. Действительные размеры, полученные после обработки детали в производстве, часто отличаются от номинальных. Абсолютно точно изготовить деталь невозможно. Взаимозаменяемость деталей обеспечивают тем, что их размеры задают в определенных границах, т.е. указывают не один номинальный размер, а два, наибольший и наименьший предельные. Разность между ними называют допуском размера, характеризующим точность изготовления детали. Допуски учитывают разрешенные отклонения размеров при производстве и влияние температурных изменений условий окружающей среды.

Система допусков и посадок (сопряжения разных деталей посредством зазоров и натяга) сделала возможным взаимозаменяемое производство деталей. Взаимозаменяемостью называют способность независимо изготовленных деталей и узлов без дополнительной обработки занимать свои места в изделии и обеспечивать заданные характеристики. Взаимозаменяемость позволяет эффективно применять конвейерную сборку, быстро заменять вышедшие из строя детали машин заранее изготовленными запасными и т. д. При этом отдельные детали могут быть изготовлены в разное время или на разных предприятиях или станках.

Малые (жесткие) допуски назначают для критических размеров, которые влияют на малые зазоры и посадки с натягом, или для вращающихся с большой частотой деталей. Жесткие допуски увеличивают стоимость производства из-за снижения выхода годных деталей. Они могут потребовать дополнительных этапов обработки и контроля или даже сделать деталь нерентабельной в производстве. Например, если принять точность чистовой токарной обработки за единицу, то шлифовка увеличит стоимость детали вдвое, а хонингование в четыре раза. Поэтому по возможности жестких допусков следует избегать. Детали с большими допусками могут быть изготовлены на станках с более высокой производительностью, затраты будут значительно ниже. Кроме того, меньше изготовленных деталей будет отбраковано в процессе контроля. Однако, в сборке большие допуски могут приводить к некоторому ухудшению характеристик изделия. Для различных видов производственных операций компании устанавливают типовые общие допуски. Например, для деталей средних размеров, обработанных на фрезерном станке, общий допуск может составлять плюс или минус 0,1 мм от номинала. То есть, размер годной детали, указанный как 12 мм, может находиться в диапазоне от 11,9 до 12,1 мм. Общие допуски можно применять к сверленым отверстиям, линейным размерам на формованном металле, отливкам, поковкам, а также сварным швам и галтелям.

Степени точности изготовления деталей в Единой Системе Допусков и Посадок (ЕСДП) называют квалитетами, то есть ступенями значений допусков системы. Допуски в каждом квалитете возрастают с увеличением номинальных размеров. В ЕСДП установлено 20 квалитетов точности от IT01 до IT20 (от особо точных до грубых). Квалитеты с 5 по 13 предназначены для сопрягаемых поверхностей деталей машин, с 14 по 20 для несопрягаемых. Например, квалитет точности IT7 обеспечивают чистовое обтачивание и растачивание, чистовое шлифование, чистовое протягивание, развертывание двумя развертками, полирование, холодная штамповка с зачисткой и калибровкой. Квалитет точности IT8 можно получить при чистовом обтачивании и растачивании, развертывании одной разверткой, шлифовании, хонинговании, обкатывании роликом или шариком, тонком строгании, тонком фрезеровании, тонком шабрении. Квалитеты IT12 и IT13 обеспечивают при черновом обтачивании и растачивании, сверлении без кондуктора, строгании, долблении, черновом фрезеровании, литье в оболочковые формы, холодной штамповке в вырубных штампах, рассверливании.

Посадкой называют характер соединения деталей, определяемый величиной получающихся при этом зазоров или натягов. В зависимости от требований относительного взаимного перемещения сопрягаемых деталей посадки разделяют на три типа: с зазором, натягом и переходные. Посадками с натягом называют тип соединения двух деталей (например, вала и отверстия), при котором диаметр вала до сборки заведомо больше диаметра отверстия. Соединения двух деталей могут быть подвижными или неподвижными. В первом случае между сопрягаемыми поверхностями деталей должен быть зазор, во втором натяг.

При обработке деталей невозможно получить идеально ровную поверхность. Неровности возникают в результате вибраций при резании, неоднородности обрабатываемого материала заготовки, шероховатости режущей кромки инструмента, шага подачи инструмента. Шероховатостью называют совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, рассматриваемых в пределах участка некоторой базовой длины. Характеристики шероховатости поверхности зависят от методов ее обработки. Литьё в песчаные формы и горячая обработка металлов, как правило, приводят к образованию очень неровных поверхностей. Процессы удаления металла (шлифование, полирование, хонингование) могут создавать зеркально гладкие поверхности. Существует взаимосвязь между допустимыми изменениями неровностей поверхности и допусками на размеры. Если требуется малый допуск, необходимо, чтобы отклонения шероховатости поверхности также были незначительными. Степень шероховатости оказывает большое влияние на усталостную прочность детали, износостойкость сопрягаемых трущихся поверхностей, их антикоррозионные свойства.

При механической обработке некоторых деталей (профилированные кулачки, зубчатые колеса, эвольвентные шлицы) в чертежах приводят таблицу с информацией, необходимой для обработки и проверки деталей. Например, для чертежа зубчатого колеса требуется указать количество зубьев, диаметральный шаг или модуль, угол зацепления, делительный диаметр, форму зуба, толщину окружного зуба и размеры для проверки готовых деталей.

Работоспособность деталей и узлов изделий, характеризуют совокупностью определённых критериев. В зависимости от условий эксплуатации и причин отказов изделий критерии работоспособности могут быть разными. Основными в машиностроительных изделиях являются:

1) прочность,

2) жесткость,

3) износостойкость,

4) теплостойкость,

5) виброустойчивость;

6) усталость (для изделий, подвергаемых циклическим нагрузкам в эксплуатации).

Указанные критерии работоспособности связаны с определением сил, действующих на детали изделия, в узлах трения, в зонах соприкосновения отдельных деталей, на изделие в целом.

Прочностью называют способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы. Потеря прочности, ведущая к разрушению деталей изделия, проявляется в виде поломок с нарушением целостности материала, повреждений рабочих поверхностей.

Жесткость характеризует способность элементов конструкции сопротивляться упругому изменению формы под действием внешних сил.

Износостойкость является свойством материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях контактного трения.

Теплостойкость влияет на возможности изделия работать при заданных высоких температурах, сохраняя значения всех параметров в норме в течение установленного срока эксплуатации.

Виброустойчивость означает свойство объекта выполнять требуемые функции при заданном уровне вибрации, сохраняя значения параметров в пределах установленных норм.

Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению изделия. При усталостной нагрузке прочность материала определяют пределом выносливости, различают малоцикловую и многоцикловую усталость.

Прочность материала оценивают по его статическим и динамическим свойствам. При статической нагрузке важно учитывать предел текучести или предел длительной прочности. Чтобы определить допустимые напряжения для материала детали при растяжении или сдвиге, конструктор использует запас прочности. Его рассчитывают как отношение предела прочности материала к максимальному допустимому напряжению детали конструкции в условиях эксплуатации. Это отношение всегда должно быть больше единицы. Запас прочности используют для учета неопределенностей, возникающих из-за колебаний свойств материалов, производственных допусков, изменений нагрузок и других эффектов, возникающих при эксплуатации изделий. В расчетах прочности используют консервативные значения предела длительной прочности материала на основе статистики многочисленных испытаний образцов. Предел прочности материала зависит от процесса его изготовления. Например, холоднокатаный металлический пруток имеет более высокую прочность, но меньшую пластичность, чем горячекатаный. Детали, подвергающиеся длительным переменным нагрузкам, разрушаются при напряжениях, которые значительно меньше предела текучести материала при статическом нагружении. Это следует учитывать для машин, детали которых работают в условиях циклических нагрузок (за весь период службы общее число циклов изделия может достигать миллионов единиц).

В процессе проектирования конструктор для каждого компонента сборки выполняет расчеты на прочность с учетом приложенных к детали сил. При анализе нужно учитывать следующие составляющие.

1. Силы нагружения собственной массой конструкции.

2. Силы инерции, вызванные изменением скорости при работе.

3. Контактные напряжения.

4. Центробежные силы.

5. Силы, возникающие из-за температурного градиента между частями конструкции.

6. Внутренние напряжения, возникающие в процессе изготовления детали.

7. Силы сопротивления трения.

8. Динамические напряжения от воздействия различных факторов (вращение, вибрации, турбулентность потоков, эволюции в эксплуатации, и др.).

Коэффициент запаса прочности обычно включает три составляющих, отражающих тип нагрузки (длительная, ударная, циклично повторяющаяся), поправку на статистику располагаемых измерений прочности и на перегрузку в эксплуатации. Приведем ориентировочные примеры числовых значений коэффициента запаса прочности.

• Коэффициент запаса от 1,25 до 1,5 используют для проверенных материалов, используемых в контролируемых условиях и подвергаемых нагрузкам и напряжениям, которые можно определить с высокой точностью. Также применяют для изделий, в которых малая масса является важным фактором.

• Запас прочности от 1,5 до 2,5 используют для хорошо известных материалов, используемых в постоянных условиях окружающей среды и подвергаемых нагрузкам и напряжениям, которые можно определить расчетом.

• Коэффициенты от 2,5 до 4 и более применяют для недостаточно испытанных или новых материалов при средних условиях нагрузки и напряжений, или подвергающихся неопределенным напряжениям. Например, в ядерных реакторах коэффициент запаса прочности имеет некую неопределенность с учетом влияния на свойства материалов длительных многолетних сроков радиационного облучения.

Для улучшения отдельных свойств материала перед механической обработкой может применяться термическая обработка металлической детали (отжиг или нормализация), которую указывают в чертежах. После выполнения части или всей механической обработки используют виды термообработки (цементация, индукционная закалка) с указанием требуемых результатов (например, глубина цементации и твердость поверхности после упрочнения).

Также на чертеже могут быть указаны специальные процессы обработки, например, методы очистки и пропитки отливок для предотвращения утечки жидкостей, обезжиривание готовых деталей, защита поверхностей. В чертежах деталей, подлежащих гальванизации, указывают материал и толщину гальванического покрытия. Если требуется окраска металлических поверхностей для предотвращения ржавления, указывают цвет, тип краски и способ её нанесения.

При проектировании в дополнение к перечисленной информации инженер должен учитывать целый ряд соображений. Традиционные критерии оценки механической детали включают прочность, прогиб, массу, размер и форму, свойства материалов, условия эксплуатации, обработку, стоимость, доступность, удобство использования, полезность и срок службы. Важными критериями также являются безопасность, качество, влияние на окружающую среду, надежность, ремонтопригодность, эргономика и эстетика.

Чертежи вращающихся деталей или узлов включают спецификации предельных значений динамической балансировки, включая инструкции по месту и способу удаления или добавления металла для достижения баланса. Например, снижение в два раза допуска по балансировке ротора высокооборотной турбомашины, увеличивает ресурс подшипниковых опор ротора в четыре раза. Полезно ознакомиться в Интернете с влиянием требований к балансировке гидротурбин на причины катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 г.

Инженерные измерения являются неотъемлемой частью общего процесса проектирования. Соблюдение потребной метрологии размеров в производстве изделий реализуется с помощью разнообразных устройств. К ним относят измерительные инструменты, калибры, индикаторные приборы для наружных и внутренних размеров, компараторные и калибровочные стенды, эталоны в физических формах, координатно-измерительные и универсальные измерительные машины, профилометры для измерения профиля, резьбомеры, микрометры шага резьбы, оптические микроскопы, электронные приборы (микроскопы, приборы измерения положения лазерного луча, оптический проектор профиля, бороскопы и др.). Используемое при производстве и испытаниях деталей и узлов метрологическое оборудование должно проходить периодические процедуры поверки, в ходе которых проверяют соответствие измерительных приборов установленным метрологическим требованиям, чтобы выяснить их пригодность для обеспечения точности и достоверности измерений.

Глава 4.
Навыки проектировщика

Ключевым звеном деятельности по проектированию изделий и систем является человек. Приоритетами деятельности инженеров при выполнении профессиональных обязанностей являются эффективность, надежность, безопасность продукции и выгоды пользователей. Для успешного создания нового технического объекта конструктор должен обладать необходимым объемом знаний в своей области техники, навыками и умением конструирования, уметь гибко пользоваться методами создания новых технических решений, абстрактно мыслить и логически рассуждать. Квалификационные характеристики инженера включают общие знания, необходимые для проектирования любых машин (детали машин, материаловедение, теоретическая механика, сопротивление материалов и т.д.), а также специальные знания, связанные со специфическими условиями работы проектируемого объекта (технологические, конструкторские, эксплуатационные особенности для отрасли, к которой относится новое изделие).

К умениям проектировщика относят основанные на знаниях практические навыки эффективного выполнения автономных действий и умение продуктивно, с должным качеством в заданное время выполнять свою работу. Важную роль в реализации технических решений проекта играет опыт разработки конструкторской документации, наладки, испытаний опытных образцов аналогичных технических объектов. В конструкции вновь создаваемого изделия имеются детали или сборочные единицы, при конструировании которых могут быть использованы применяемые ранее проверенные решения. Эти знания позволяют конструктору сократить сроки проектирования, а также увеличить надежность и улучшить качество изделия.

Инженерная деятельность включает множество специальностей (конструкторы, технологи, производственники, управленцы), относящихся к различным дисциплинам, используемым в высокотехнологичных отраслях, в том числе:

• моделирование работы сложных систем, и их математическую оптимизацию;

• формирование архитектуры продуктов;

• расчеты на прочность и структурную механику деталей и машин;

• динамика движущихся объектов;

• динамика жидкости, описывающая поведение жидкостей и газов в системе;

• термодинамика, в первую очередь для оценки тепловых потоков;

• электромагнетизм (где приложимо);

• применение принципов работы различных электронных устройств;

• компоненты управления для контроля поведения сложных инженерных систем.

Важно наличие пространственного воображения в работе конструктора, которое позволяет правильно составлять и читать чертежи. Оно может быть улучшено с помощью практических занятий, решения задач по начертательной геометрии и изучения чертежей разных конструкций. К сожалению, не все люди могут развить пространственное воображение до идеала. Однако уверенное владение компьютерными инструментами с визуализацией деталей и сборок, автоматизацией сопряжений деталей позволяет компенсировать этот недостаток.

Еще одним важным фактором для разработчика является наличие уверенности в правильности выбранных технических решений и работоспособности создаваемых конструкций и узлов. Она вырабатывается на основе опыта успешной реализации оригинальных технических проектов изготовления и модернизации опытных образцов новых технических объектов. Развитое мышление для понимания сущности технических систем и быстрой ориентации во всех инженерных вопросах позволяет оперативно понять принцип работы неизвестных ранее машин и отдельных узлов и механизмов, ориентироваться в общей схеме и во взаимодействии частей конструкции.

Для успешного решения различных профессиональных задач, кроме обширных технических знаний, инженеру необходимо обладать достаточно развитыми способностями, в частности, умением оперировать зрительными образами моделей технических объектов, правильно воспринимать и оценивать пространственные конструкции, понимать общие физические и технические принципы проектирования и эксплуатации оборудования. Помимо знания предметной области к специалисту предъявляют требования развитого технического и творческого мышления и воображения, умение переключать и концентрировать внимание, наблюдательность, хорошую координацию движений, точное зрительное и слуховое восприятия.

Для эффективной переработки информации инженер должен обладать хорошей оперативной и механической памятью, способностью к длительной концентрации внимания на материале, усидчивостью, терпением, логическим мышлением. В проектирование входит процесс перевода требований, спецификаций и нужд заказчика на язык, понятный людям, ответственным за создание нового продукта, услуги или системы. Например, инженеры излагают требования к задаче транспортировки грузов через водную преграду для проектирования моста, включая его геометрию, планируемую нагрузку, количество материалов, необходимых для строительства, обработку, компоновку и сборку деталей, испытания моста во время его строительства и в ходе эксплуатации. Быстро растущей областью является проектирование и внедрение информационных систем, поддерживающих процессы автоматизации и роботизации.

Сложность больших систем сегодня делает практически невозможным одному человеку помнить все детали и отслеживать конкретное функционирование каждого компонента. Для решения объемных и сложных задач проектирования инженеры используют системный подход как комплексную методологию решения проблем разработки и управления системами. Рассматривается полезность цепочки действий с точки зрения влияния на общую картину и конечную цель проекта, восприятия свойств системы в виде единого интегрированного целого, а не ее отдельных частей. Системный подход обеспечивает возможность реализации коллективных усилий по формированию и осуществлению набора процессов, необходимых для управления ЖЦ объекта, включая замысел, реализацию, эксплуатацию и утилизацию. Он позволяет эффективно организовать работу интегрированной команды проекта и включает набор правил, когда все члены команды знают, что делать для успеха проекта, включая моделирование систем, теорию принятия решений, управление разработкой, требованиями, рисками, оценку затрат на проектирование. На каждом этапе разработки следует добиваться получения заданных продуктов, успешных результатов на основе связанных с ними уровней готовности располагаемых технологий.

Можно выделить основные компоненты системного подхода:

1) общий междисциплинарный язык, чтобы договариваться и передавать знания всем участникам проекта;

2) жизненный цикл продукта, чтобы учесть необходимость принимаемых решений для последующих стадий ЖЦ и исправлять ошибки на как можно более ранних стадиях;

3) моделецентричность (активное использование моделирования деталей, узлов и продукта в целом на всех этапах разработки) для накопления и использования всей информации о системе, начиная с самых ранних стадий жизненного цикла.

Использование понятия ЖЦ изделия и связанных управленческих решений дают максимальный эффект от внедрения, который распространяется на последующие этапы ЖЦ. Таким образом, именно на этапе проектирования закладывается максимум свойств успешного будущего продукта от надежности до экономики.

Центральным компонентом системного подхода является системное мышление. Системы рассматривают как открытые, чтобы увидеть, как они действуют в единстве своей среды и содержания. Системное мышление означает думать о системе в целом, чтобы понимать ее с точки зрения роли или функции, оценить возникновение проблемной ситуации, определение причин нежелательной ситуации, дать предложения по их вероятному устранению.

Для реализации основных идей системного мышления на начальном этапе разработки следует определить:

• границу, чтобы уточнить, что находится внутри и снаружи интересующей системы;

• цели и критерии эффективности системы в целом;

• основные компоненты и подсистемы, их функции и свойства;

• взаимодействия компонентов друг с другом и показатели эффективности;

• особенности окружающей среды, ограничений продукта и то, как он будет использоваться;

• обсудить с заинтересованными сторонами формат входных данных и последствий принятия решений проекта;

• выполнить оценку рисков при возникновении проблем с учетом уровня технологии;

• управлять проектированием, рассматривая систему в ее широком окружении и среде эксплуатации.

Системное мышление удобно использовать для решения сложных проблем. Например, перегруженную автостраду можно рассматривать как дорожную проблему, транспортную или проблему рабочего места (в результате политики расписания удаленной работы населения). Достижение результатов возможно за счет увеличения количества общественного транспорта, или принятия долгосрочных решений по сокращению поездок при разумном планировании загрузки трассы.

Одним их эффективных приемов системного подхода является процесс декомпозиции, при котором свойства каждого сложного объекта разбивают на более простые уровни.

1. Декомпозиция продукта на составляющие части с указанием конкретных результатов позволяет эффективно контролировать процесс разработки, измерять характеристики компонентов и вовремя применять корректирующие меры.

---

2. Декомпозиция сложной задачи на более простые позволяет легче найти решение и четко сформулировать цели для каждого сотрудника.

3. Декомпозиция состава работ по проектированию посредством создания структуры разделения работ по продукту на подсистемы, элементы, сборки и части позволяет эффективно управлять процессом разработки, конфигурацией и поставщиками.

4. Декомпозиция действий проекта с последующей интеграцией изделия позволяет определить четкую последовательность необходимых активностей по требованиям, архитектуре, анализу и синтезу, интеграции, верификации, валидации, производству для эффективной эксплуатации продукта.

Декомпозиция облегчает решение самых сложных задач, позволяет сократить сроки и стоимость разработок до трех раз, ведет к снижению ошибок в рабочей конструкторской документации в 3…5 раз.

Системный подход к проектированию добавляет возможности для улучшений, которые можно реализовать в различных вариантах. При проектировании очередной конструкции инженер может либо применить известные типовые решения, общепринятые схемы, или решить задачу творчески, стремиться все элементы конструкции выполнить заново. Проектирование «с чистого листа» реализует разработку системы на основе только набора требований. Это позволяет проектировать и оптимизировать систему как единое целое. Ключом к успеху проекта является удовлетворение фиксированного набора требований с возможностью отслеживания вверх и вниз по уровням. Инженер должен понимать основную разницу между верификацией (правильно ли поняты цели системы) и валидацией (правильно ли выполнена требуемая система), подробности изложены в главе 15. Единовременное проектирование сложной системы с акцентом на системном уровне при выборе и интеграции подсистем позволяет идентифицировать и оформить синергию между ними, когда объединение нескольких элементов дает результат больший, чем простое сложение их возможностей, для достижения выгоды системы в целом.

Основной объем работы конструктора является кропотливым трудом, где ненадлежащее исполнение отдельных задач может привести к неработоспособной конструкции изделия. Инженеры должны освоить основные составляющие проектирования, влияющие на достижение позитивных результатов. Это работа с требованиями, системное моделирование, обеспечение качества, сквозное взаимодействие участников проекта в реальном времени. Преобладание творческих способностей у конструкторов особенно ценно на этапах разработки технического задания, начальных стадиях проектирования, в случаях, когда поставленная задача требует нетипового решения.

При проектировании важно не только решить правильную проблему, но и ясно донести результат до заказчика. Часто клиент не может верно оценить реальную проблему. Например, сеть супермаркетов «Пятерочка» обратилась в инженерную компанию с просьбой помочь спроектировать новый склад. Причиной представители сети назвали ограничения имеющегося места, чтобы быстро поставлять товары и выдавать их в торговлю. Инженеры после анализа задачи предложили решить проблему на той же площади склада путем внедрения автоматизации логистики, интеллектуальной системы отслеживания поддонов, использования более сложных информационных технологий, роботизированных транспортеров и повышения квалификации рабочей силы.

Разработки являются коллективным видом деятельности. Хорошо функционирующая команда всегда будет более успешной, чем любой отдельный специалист. Поэтому компетентные инженеры с эффективными навыками общения будут, как правило, предпочтительнее специалиста, которому не хватает умения работать в команде. Выпускники инженерных специальностей должны использовать способности к техническому анализу и проектированию в сочетании с хорошо развитыми нетехническими навыками.

При оценке общих затрат жизненного цикла системы необходимо учитывать не только разработку целевого продукта но и создание инфраструктуры продуктов обеспечения жизненного цикла. Пример набора основных работ при проектировании железнодорожного состава показан на рис.2.

---

На этапе проектирования необходимо прогнозировать поведение ещё не созданных физических объектов в нормальных и экстремальных условиях окружающей среды и эксплуатации. Для этого используют анализ, моделирование и физические испытания. Целью этапа моделирования является создание аналитической модели, представляющей собой упрощенное концептуальное представление объекта или процесса, учитывающее основные характеристики и игнорирующее второстепенные. Поведение модели затем можно теоретически проанализировать для прогнозирования поведения в различных реалистичных условиях.

В процессе развития проектировщикам полезно сосредоточиться на изучении действий, которых ранее делать не приходилось. При исполнении различных поручений нужно спрашивать себя, как можно применить это в реальном проекте. Сотрудники, которые хорошо работают с командой, будут превосходить коллег, которые сосредоточены только на технологиях. Каждый проектировщик должен уметь внятно излагать полезную информацию по работе, или оценить, идет ли проект по графику или нет. Часто недооцениваемые, но важные навыки эффективной устной и письменной коммуникации являются ключевым атрибутом инженера. Они включают хорошее владение качествами слушания, высказываний, чтения и письма (в том числе на английском языке для изучения и использования обширных источников Интернета), критическое и справедливое понимание точек зрения других людей, эффективное и лаконичное выражение информации, участие в тематических обсуждениях с использованием текстовых, схематических, изобразительных и графических средств для изложения инженерного контекста. Также следует отрабатывать подготовку и проведение выступлений на основе качественных, понятных и объективных инженерных документов (отчетов о ходе работ и проектах, о технико-экономических обоснованиях, спецификациях, моделях и чертежах, технических описаниях), имеющих отношение к конкретной дисциплине проектирования.

В свое время автору книги довелось служить два года в военно-воздушных силах СССР на должности техника самолета. После возвращения к инженерной деятельности оказалось, что изучение работы реальных компонентов самолета при эксплуатации и испытаниях авиатехники очень пригодилось в последующем проектировании и руководстве разработками.

Для некоторого представления о разнообразии инженерной деятельности при разработке изделий и систем приведем два примера задач проектирования.

При сооружении типовой многоэтажки в районе «новой Москвы» инжиниринговая компания после заключения договора с заказчиком распределяет работы примерно так:

1) архитекторы занимаются общим проектированием и компоновкой конструкции, а также общаются с заказчиком по определению объемов работ;

2) экологи рассмотрят общий проект экологических систем, включая поддержание систем жизнедеятельности в здании и утилизацию бытового мусора;

3) строители займутся моделированием каркаса здания и плит перекрытия, фундаментами, сваями, подпорными стенами под землей, а также осушением грунта;

4) электрики разработают подводящие линии для электроснабжения и освещения, включая новую подстанцию в здании, коммуникациями (телефон, сетевые данные, беспроводная связь) и управляющими контроллерами для систем здания, включая отопление, освещение, безопасность и водоснабжение;

5) сантехники сформируют систему водоснабжения и удаления отходов жизнедеятельности, водоотводящих каналов вокруг здания, подключения очистных сооружений для переработки сточных вод из ванных и туалетов;

6) механики будут заниматься проектированием лифтов, насосов для очистки сточных вод, подачи воды на все этажи и систем кондиционирования воздуха (отопление и охлаждение);

7) программисты будут заниматься координацией, контролем и мониторингом всех услуг с серверов центральной станции интеллектуального управления зданием.

При таком достаточно крупном масштабе проекта инженеры должны согласованно начать свою деятельность, принять важные решения в первую очередь, определить зависимости, которые существуют между работой специалистов различных направлений. Искусство решения сложных проблем заключается в сведении больших задач к простым, которые можно легко выполнить с помощью известных методов, ресурсов и в заданные сроки.

Второй иллюстрацией сложности современных инженерных программ разработки систем является набор подрядчиков и поставочных единиц для отечественного пассажирского самолета типа МС21. Обширный перечень основных составных частей характеризует объем сложности высокотехнологичного изделия, где все эти системы должны работать на единую цель исполнения норм летной годности и обеспечения высокой эффективности самолета в эксплуатации.

• Интеграторы планера проектируют секции фюзеляжа: хвостовую часть и поворотные компоненты, сборки дверей, секции фюзеляжа, рулевую систему, крыло, все двери и люки, носовой конус, нижнюю часть, винглеты (законцовки крыла), заднюю часть фюзеляжа, панели крыла, киль, компоненты крыла.

• Инженеры по авионике (системе управления полетом) проектируют системы связи, управления авионикой, мониторинга состояния самолета, электронную систему управления полетом, систему предотвращения столкновений, указатели положения и контрольные датчики на дверях, шасси и подвижных панелях оперения, многоосевые акселерометры, резервные модули для системы электродистанционного управления, систему загрузки чувствительности педалей, дисплеи, электронные часы, индикаторы кабины, компьютеры, систему противообледенения, все температурные сенсоры, дисплеи и нашлемные указатели, части вспомогательной силовой установки, гашения вибраций, шумов.

• Электрики проектируют первичную систему распределения энергии, трансформаторы, распределительные коробки, контакторы, электрические провода и кабели, зарядные устройства и анализаторы батарей, аккумуляторные батареи, освещение кабины, все светильники и лампы, внутреннюю и внешнюю светотехнику.

• Специалисты по силовой установке разрабатывают авиадвигатели ПД-14 и системы, включая собственно двигатели, пилоны подвески, мотогондолы, реверс, систему мониторинга состояния двигателя, интерфейс и управление подачей топлива, приводные агрегаты, топливные насосы двигателей, масляные фильтры, компоненты двигателя и топливные форсунки, топливную систему, дозаторы топлива.

• Инженеры по взлетно-посадочным устройствам конструируют собственно систему шасси, шины, управление шасси, тормозную систему, стойки, включая их кинематику.

• Инженеры по интерьерам выполняют дизайн и стилистику пассажирской кабины, сигналы, туалеты, полы, оборудование кухни, туалетов, кресла экономического и первого класса, интерьер и кресла кабины пилотов, места для стюардесс.

• Материаловеды конструируют алюминиевые панели для фюзеляжа, уникальное композитное крыло, толстолистовые алюминиевые части и широкие полированные панели, композитные панели, люки шасси, соты наполнителей, конструкционные клеи, рули, компоненты кокпита, герметики для топливного бака и специальные химикаты системы пожаротушения, ламинаты для тепловой и акустической изоляции.

• Инженеры по электронике создают высокопроизводительные электромеханические системы контроля движения.

• Специалисты по приводным исполнительным механизмам проектируют линейные приводы, системы срабатывания реверса тяги, механические и горизонтальные приводы закрылков и предкрылков, систему управления полетом, механические приводы частей стабилизатора.

• Инженеры по системам жизнеобеспечения разрабатывают акустическую изоляцию, водяную систему, подогреватели, систему питьевой воды, систему кондиционирования и давления в кабине, удаления мусора и сточных вод, систему вентиляции, кислородное оборудование, систему аварийной посадки и аварийного освещения, аварийные передатчики, освещение трапов и связанную проводку, детекторы дыма и огня, компоненты системы пожаротушения, аварийные трапы.

• Гидравлики проектируют насосы, гидравлические линии привода соответствующих систем и фильтры.

• Механики отвечают за заклёпки, болты, крепёжные детали и аксессуары, антивибрационную изоляцию, воздуховоды и вентиляторы, дворники и нагреватели лобового стекла кабины пилотов, модули управления двигателями, штамповки деталей шасси, точную ковку для пассажирских окон, горизонтальные передние кромки крыла, структурные, алюминиевые и титановые детали фюзеляжа, механические переключатели, топливные краны.

• Инженеры по стеклам и окнам проектируют ламинированные окна пассажирского салона, окна кабины пилотов.

Перечень поставщиков показывает, что в процессе разработки таких сложных систем необходима многоуровневая кооперация групп подрядчиков.

Для правильной реализации требований последующих фаз жизненного цикла изделий и систем разработчик должен представлять все этапы жизненного цикла продукта. Процесс производства объединяет последовательность операций, выполняемых машинами и людьми, направленных на преобразование сырья в готовый продукт. Промышленный инженер должен понимать эти процессы и задействованные физические принципы, такие как резка металла, ковка, сварка и т. д. Проектировщик должен уметь выявлять проблемы на сборочной линии и использовать эргономические принципы для проектирования сборочного конвейера. Примерный перечень вопросов для изучения включает:

a) знакомство с используемыми производственными процессами;

b) ознакомление со значениями производственных терминов, таких как заказ на работу, незавершенное производство, готовые изделия, планы заказа материалов и полуфабрикатов, производительность оборудования, поэтапный план контроля качества, инструкции по технике безопасности;

c) перечень образовательных требований и навыков производственного персонала;

d) изучение системы единого конструкторского архива и документооборота (с чертежами, технологическими картами, спецификациями материалов и др.);

e) функции обеспечения и контроля качества: поэтапный контроль качества в процессе производства в соответствии с процедурами и параметрами, предписанными службой качества, клиентами и проектировщиками;

f) ознакомление с системой управленческой отчетности, применяемой в организации, набором основных нормативных актов и внутренних положений;

g) знакомство с бюджетным процессом и бюджетным контролем в компании;

h) управление материалами: закупки, хранение, распределение, логистические услуги и т.д.;

i) обслуживание клиентов, содержание контрактов на поставку, координацию послепродажного обслуживания;

j) функции обеспечения производства: вспомогательные услуги для бесперебойной работы машин, оборудования, услуг, зданий и других инфраструктурных объектов, техническое обслуживание и ремонт объектов, функции техники безопасности;

k) функции администрации предприятия: общее управление, обеспечение деятельности инфраструктуры компании, связи с общественностью, юридические вопросы, секретариат и т. д.

Принятие операционных решений, включающих финансовые соображения, также является важной областью работы проектировщика. Ему приходится решать или предлагать руководству, что производить на месте, а что покупать, чтобы минимизировать затраты и максимизировать качество. Разработчикам необходимы знания управления человеческими ресурсами, включая проектирование рабочего места (эргономика), планирование рабочей силы, определение стимулов и вознаграждений персонала, и т. д. Сегодня все организации обрабатывают и генерируют в информационных системах огромные объемы данных по текущей деятельности. Проектировщики определяют требования к этим корпоративным информационным системам и помогают устанавливать, адаптировать, модифицировать и интегрировать их для организации.

Приходящая сегодня на работу молодежь должна понимать, что попадает в ситуацию «шведского стола» в ресторане. «Стол» предприятия щедро накрыт, но унести с него можно только то, что захочет и узнает сотрудник, насильно знания не усваиваются. При выполнении каждой порученной работы всегда полезно фиксировать крупицы получаемого опыта для повышения собственных компетенций. На начальном этапе трудовой деятельности по проектированию можно познать очень много новых сведений, а можно впустую проболтаться по курительным комнатам с обидой на невнимательное начальство.

Для поддержания рабочей атмосферы в рамках этических качеств поведения в коллективе проектировщики должны:

1) быть открытыми для общения, то есть уметь слушать, думать и справедливо разрешать споры и компромиссные решения, возникающие в процессе на основе объективности, системности и полезности для общей цели;

2) быть любознательными, вникая во все аспекты проблемы, развивая интерес к общей картине разработки;

3) практиковать детальное наблюдение за опытом взаимодействия с продуктом или услугой, и анализировать вопросы как, когда, где, что и почему с точки зрения пользователя;

4) уметь распознавать собственные ограничения и получать экспертные советы, постоянно учиться, поскольку технология никогда не бывает статичной;

5) быть готовыми взаимодействовать и бросать вызов другим, задавая вопросы коллегам, а также вверх и вниз по организационной иерархии.

Существуют законодательные требования, которые регулируют поведенческую этику специалистов, чтобы действовать в рамках требуемых ограничений и надзора. Нарушение этих требований может привести к личной ответственности.

Приведенные навыки являются набором целей, которые проектировщик инженерных систем стремится приобрести и практиковать в течение всей трудовой жизни. Овладение ими должно начинаться с понимания потребностей и желаний, лежащих в основе проблемы (генерация навыков); изучения предполагаемого пользователя и инструментов решения проблем (образовательный и профессиональный опыт).

Глава 5.
Компьютеризация работ

Распространение персональных компьютеров и инженерных рабочих станций с непрерывно растущей вычислительной мощностью произвело революцию в подходе инженеров к решению вопросов проектирования. Базовые возможности человека дополняются с помощью программных инструментов для разработки концепции системы, извлечения требований, создания архитектуры, построения диаграмм функциональности, расчетных оценок производительности, моделирования сценариев поведения системы, прогнозирования стоимости и графика работ, и др. Скоростное использование вычислительных приложений облегчает интеграцию инструментов в рамках деятельности большой команды и позволяет использовать метод параллельного инжиниринга в разработке. Огромное количество рутинных операций сегодня выполняется в автоматизированном режиме, что помогает гарантировать исключение человеческих ошибок в процессе. Существенно облегчен и ускорен обмен информацией между участниками работ.

Инженеры выполняют разработку продуктов на базе специализированного программного обеспечения (ПО). Единый набор ПО команды проектировщиков предоставляет возможности моделировать, визуализировать и манипулировать конфигурацией проекта. Трехмерное твердотельное моделирование обеспечивает полное геометрическое и математическое описание геометрии детали. Твердые конструкции можно разрезать, чтобы показать внутренние детали, или можно автоматически преобразовать в двумерные инженерные чертежи, контролировать и отслеживать процедуры изменения. Широко используется автоматизированный режим проектирования, при котором проектные операции и процедуры выполняются компьютером при участии человека (в так называемом интерактивном режиме), включая черчение, графику и моделирование; конечно-элементный анализ сложных компонентов и выполнение большого количества вычислений на сформированных моделях компонентов и изделия в целом. К серьезному ускорению в способах инженерного проектирования привела возможность переброски трехмерной геометрии детали в соответствующие расчетные программные модули. После проведения расчетов и возможной коррекции детали ее образ возвращают в геометрическую форму. Кроме того, в программы геометрического трехмерного моделирования сегодня встроены блоки конечно-элементного моделирования, что позволяет конструктору без перехода в другие программные инструменты реализовать интерактивное решение задач анализа напряжений, потоков жидкости, кинематики механических связей и формирования траектории инструмента для станков с числовым управлением при обработке детали. Можно наблюдать поведение изделия на компьютерной динамической модели в системах виртуальной реальности.

Базовые пункты работы проектировщика включают:

a) разработку концепции продукта;

b) извлечение и расширение требований;

c) создание архитектуры и интерфейсов системы;

d) построение диаграмм функциональности;

e) расчет характеристик поведения изделия;

f) разработка специального программного обеспечения;

g) разметка платы (для электронных систем);

h) моделирование свойств продукта.

Наибольшее влияние компьютеризация оказала на качество и скорость выпуска чертежной документации. Экономит время возможность быстро вносить изменения и использовать части предыдущих разработок в новых конструкциях. Использование специализированного ПО предоставляет возможность построения больших и сложных системных моделей. В распоряжении проектировщика имеются разнообразные программные инструменты, применяемые к конкретному классу технических объектов. Например, при разработке пассажирских самолетов в компании Airbus используют более полутора сотен различных программных средств, реализующих набор процедур технического конструирования. К сожалению, исторически они не всегда стыкуются между собой, поэтому приходится объединять их в систему комплексной автоматизации проектирования, охватывающую функциональный конструкторский, технологический аспекты проектирования, соответствующие стадии и этапы. Для повышения качества проектирования необходимо в рамках процедур синтеза и анализа решать проблемы, относящиеся к задачам так называемого искусственного (точнее, машинного) интеллекта, посредством формализации системы управления знаниями в соответствующей предметной области (рекомендации, отражающие накопленный опыт проектирования и эксплуатации, информацию о патентах и типовых проектных решениях в соответствующей области).

В проектировании изделий участвует значительное количество вовлеченного персонала. Интенсивный информационный обмен является важной составляющей этого процесса. Информацией называют организованные данные, которые имеют значение и ценность для получателя. ПО облегчает общение между проектными группами и работу в режиме так называемого параллельного инжиниринга, устраняет ошибки при передаче больших объемов информации. С помощью общей базы данных разработчики могут оперативно синхронизировать процессы проекта, обеспечить совещания и отслеживание всех действий по продукту.

Многообразие видов используемой в проекте информации можно разделить на технические данные, программное обеспечение, управленческую и финансовую информацию. В каждом проекте должны быть определены наборы ключевых технических данных, используемых в течение жизненного цикла системы. Их основу составляют полные сведения о продукте, включая определение требований, конструкцию, результаты испытаний, производство, упаковку, хранение, эксплуатацию, обслуживание, модификации и утилизацию продукта. ГОСТ Р 58675—2019 «Автоматизированная система управления данными об изделии. Общие требования» содержит полезные рекомендации по составу информации. Процесс обеспечивает доступ к правильной информации, когда это необходимо, без ущерба для ее безопасности и ценности. Пользователь итеративно изменяет переменные в модели для проведения исследований «что если», наблюдая за результатами численных опытов. В задачи управления входит сбор, управление, хранение и распространение всей информации на программе, включая необработанные данные, относящиеся к конкретному проекту и системе.

Процесс инженерного проектирования связан с балансировкой четырех целей: надлежащее функционирование, оптимальная производительность, адекватная надежность и низкая стоимость. Заметная экономия средств достигается за счет повторного использования существующих деталей в проекте. Компьютеризация облегчает стандартизацию объектов и процессов. Автоматизировано выполнение чертежей семейства связанных деталей. В большинстве новых конструкций модернизируемого продукта новыми являются примерно 20% деталей, около 40% являются существующими деталями с незначительной модификацией, и оставшиеся 40% составляют существующие повторно используемые детали. Отраслевые стандарты и нормали (устанавливают определённые требования, правила и нормы на детали, узлы конструкций изделия, материалы) позволяют освобождать конструктора от рутинной работы. Они входят в компьютерные базы данных и содержат анализы, размеры и характеристики материалов и полуфабрикатов, имеющихся на складе или доступных для приобретения. В стандартах указаны размеры метчиков, втулок, стандартные отверстия и размеры валов для подшипников, а также другая полезная информация по деталям массового применения. Например, при проектировании болта нужно найти в базе стандарт, который подробно описывает уже разработанные болты, выбрать из них подходящий, сослаться на него в чертеже и заняться решением других задач проектирования.

После завершения разработки трехмерную конструкторскую документацию далее безошибочно передают в автоматизированную систему технологической подготовки производства, что особенно важно для экономии времени реализации проекта и повышения его качества. В состав систем автоматизированного проектирования входит аппаратная часть, включая компьютеры, объединенные в сеть, периферийные устройства, оргтехнику и т. п. Для обеспечения работы применяют ПО, поддерживающее совместную работу аппаратной части, реализующее математические модели, методы и алгоритмы хранения данных и доступа к ним, а также взаимодействие между техническими средствами и обмену данными между различными пакетами ПО. Отраслевые организации разрабатывают необходимые инструменты обеспечения проектирования, включая набор математических моделей, расчетных схем, методов, алгоритмов и т. п. Для обмена информацией формируют базы данных, необходимых при проектировании, каталоги покупных и стандартных компонентов, систему управления знаниями. Для совместной работы всех участников этапа проектирования должны быть разработаны и внедрены методические документы, нормы, инструкции, отраслевые и государственные стандарты, правила, определяющие структуру и технологию автоматизированного проектирования с эффективным использованием всех средств.

Менеджеры проекта используют в работе специализированное управленческое ПО, формируя базу для проектных данных, документируют и контролируют прослеживаемость между различными требованиями и элементами системы, генерируя электронные отчеты. С компьютером удобно контролировать функции проектирования в отношении логической и структурной целостности; прослеживаемости вверх и вниз требований, действий и выбранных решений; поверочных и сертификационных расчетов; визуализации через интерфейсы; пополнения и обработки баз данных связанной информации; моделей оценки производительности; повышения скорости работы с использованием моделей разного уровня; отчетности о результатах деталей проекта и принятых решений.

Непрерывный обмен данными расширяет цифровую интеграцию проектирования и производства на протяжении всего ЖЦ продукта, соединяет концептуальный дизайн, требования, анализ, рабочий проект, производство, верификацию, эксплуатацию, ремонты и списание изделия. Полная информация по проекту доступна для ознакомления лиц, принимающих решения, на протяжении всего ЖЦ системы. Предоставляется возможность доступа, интеграции и преобразования разрозненных данных в цифровую полезную информацию стандартного формата. Подробности см. в главе 22.

Часть 2.
Процесс проектирования

Глава 6.
Фазы разработки

Инженерное проектирование продукта является важной частью создания изделий и систем. Конечной целью коммерческого проектирования является извлечение прибыли от продукта. Ключевыми факторами, определяющими успех продукта на рынке, являются:

a) качество, производительность (характеристики) и цена продукта;

b) стоимость производства продукта в течение его жизненного цикла;

c) стоимость разработки продукта;

d) время, необходимое от старта проектирования до вывода продукта на рынок.

В разработке участвует множество людей со знаниями в разных дисциплинах, а также требуется время и финансовые затраты. От начала выхода продукта к покупателям должно пройти время на достижение объема продаж до точки окупаемости изделия, то есть возврата исходных инвестиций. Дата выпуска продукта является очень важной целью для команды проектировщиков, так как многие существенные преимущества продаж зависят от того, кто первым представит товар на рынке. Ранний выпуск продукта обеспечивает увеличенную долю рынка, пока отсутствует конкурирующий продукт.

Общепринятая модель процесса разработки продукта в сжатом виде включает пять фаз. Каждая фаза завершается контрольным рубежом и обзором, который проект должен успешно пройти, прежде чем перейти к следующему этапу или фазе процесса.

Фаза 1 включает определение цели проекта. Например, для существующего оборудования нужно улучшить его долговечность, эффективность, скорость, снизить массу или себестоимость. Процессы поиска и разработки идеи создания продукта подробно изложены в [8].

Заказчик проекта формулирует основные задачи создания нового изделия или системы в виде технического задания на разработку. Типовое техническое задание включает:

• назначение системы;

• область применения;

• технические требования к характеристикам и экономическим показателям разрабатываемой системы в форме ограничений на параметры эффективности;

• условия эксплуатации (режимы и продолжительность эксплуатации, внешние воздействия и т.д.);

• сроки и стоимость разработки;

• дополнительные сведения, которые могут влиять на результаты проектирования системы.

Должен быть представлен укрупненный план работ, а также сформирована интегрированная команда проекта, которая будет выполнять разработку. В качестве входной информации используют стратегические планы руководства (разработка новой продукции, модернизация серийно выпускаемой продукции, импортозамещение и др.), цели и задачи проекта, базовые требования по стандартизации и унификации, метрологическому и информационному обеспечению, обеспечению охраны окружающей среды, патентным исследованиям, обеспечению качества при обосновании технических решений разрабатываемых изделий, обеспечению стойкости изделия к внешним воздействующим факторам при эксплуатации и др.

Разрабатывают архитектуру механизма или устройства, которые будут выполнять требуемую функцию. Новое оборудование часто состоит из типовых элементов, возможно, с измененными размерами и материалами. Спецификация включает набор входных и выходных величин. Необходимо принять ряд решений для формирования чертежей, текста, спецификаций материалов и подробных инструкций. Часто этот этап называют выработкой требований к конструкции и эксплуатационным характеристикам нового продукта или системы. На этапе формирования проекта необходимо оценить возможности его реализации. Оценку осуществимости проекта (предпроектный анализ) выполняют на уровне располагаемых технологий, людских и финансовых ресурсов, чтобы понять коммерческую выгоду для предприятия. Ее проводят путем анализа технических, экономических, юридических, эксплуатационных и календарных факторов.

В процессе анализа на основе сведений о функциях и параметрах элементов, входящих в состав системы определяются значения показателей эффективности, описывающие свойства системы в целом. Должны быть оценены технические возможности, готовность существующих и новых технологий, анализ подтверждения концепции или тестирование для проверки предварительных концепций дизайна. Располагаемое производство определяет возможные технологические ограничения, затраты и стратегию цепочки поставок. Следует учесть законы, нормативные акты, стандарты и кодексы, которым должна удовлетворять новая разработка, включая стандарты безопасности и характеристик. Эксплуатационный раздел осуществимости показывает, насколько хорошо предлагаемая система удовлетворяет заданным требованиям клиентов.

Выполняют подробный маркетинговый анализ, включающий сегментацию рынка для определения целей продукта, его позиционирования и ожидаемых преимуществ. Важное место занимает оценка возможностей и сроков по возврату инвестиций в проект. Рыночная привлекательность продукта определяется набором его преимуществ. Например, для системы гражданского самолета это дальность, грузоподъемность, стоимость пассажиро-километра, масса, надежность, наличие послепродажного обслуживания, стоимость владения, и др. Анализ затрат и выгод измеряется прибыльностью предлагаемой системы в течение проектного срока службы. Нужно оценить, в какие сроки окупятся затраты на разработку изделия или системы. У новой системы могут быть также нематериальные преимущества, включая улучшение экологичности, повышение лояльности клиентов, лучшее качество, лучшее обслуживание и т. д. Эти факторы могут влиять на экономическую осуществимость системы.

В заключение анализа осуществимости обычно выбирают от одной до трех концепций для перехода к этапу детализации. Разрабатывают альтернативные варианты реализации и выбирают один-два лучших, с учетом технологических ограничений, ресурсов, финансов, прогнозов продаж. Рассматривают опции модернизации существующего изделия, типовую разработку «с нуля» или внедрение новых прорывных технологий.

Результатом первоначальной стадии разработки является техническое предложение по ГОСТ 2.103—2013. Его следует разрабатывать в соответствии с техническим заданием на основании анализа различных вариантов возможных решений изделий, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий.

Фаза 2, разработка концепции и эскизного проекта, рассматривает различные способы проектирования продукта и каждой подсистемы. Эскизный проект согласно ГОСТ 2.103—2013 следует разрабатывать в соответствии с техническим заданием с целью установления принципиальных конструктивных решений, дающих общее представление об устройстве, принципах работы и габаритных размерах разрабатываемого изделия, а также данных, определяющих его основные параметры, когда это целесообразно сделать до разработки технического предложения или рабочей конструкторской документации.

На основе требований заказчика и полученной информации генерируют концепции изделия. После чего следует уточнить и зафиксировать потребности клиента. Они часто не зависят от знания того, есть ли техническое решение достижения цели. Далее нужно определить ключевые влияющие и ограничивающие параметры, чтобы перейти к определению границ проектирования системы. Затем на основе требований заказчика (часто изложенных в виде «хотелок») нужно разработать набор проектных требований, учитывая, что это самый сложный и меняющийся во времени фактор, определяющий судьбу проекта (см. главу 7). Полезно совместно с заинтересованными лицами проекта создать и согласовать документ по концепции эксплуатации. Команда разработчиков добавляет к требованиям, полученным от потенциальных клиентов, собственную базу знаний и формирует архитектуру продукта с учетом ранее проведенных исследований рынка. Используют функциональную декомпозицию для определения задач проектирования и их выполнения вплоть до уровня проектных групп, а также оценку возможности последующей интеграции компонентов для получения необходимой производительности системы.

Синтез продукта включает предварительное проектирование и эскизы, формирование концепции образца продукта, определяет структурную и функциональную организацию системы, удовлетворяющие требованиям по эффективности. Может решаться задача выбора наилучшего из нескольких вариантов построения системы, либо разработка оптимальной системы в соответствии с выбранным критерием эффективности.

Синтез базируется на результатах анализа после определения соответствия прогнозных характеристик потребным спецификациям продукта или системы. Используют эскизы макетов, математические модели для получения подробной информации и выполнения необходимых расчётов. В результате создается документация прототипа изделия. Проектировщик определяет геометрические размеры, выбирает компоненты и материалы, а также учитывает вопросы производства, стоимости, надёжности, удобства эксплуатации и безопасности. На этом этапе инженеры объединяют отдельные части в сложное целое из различных идей и концепций, создавая единую конструкцию нового продукта.

Выполняют исследование альтернативных вариантов с помощью динамических моделей, а также других методов сравнительной оценки технических, экономических и организационных преимуществ. По результатам требуется сформировать и отобрать от двух до четырех альтернатив проекта. Работать только с одной концепцией на этой ранней стадии проекта не рекомендуется. Статистика больших проектов подтверждает, что эффективные вложения и действия на старте проекта критичны для его последующей судьбы. Недостаточная проработка требований ведет к провалу процесса создания нового продукта.

В общем случае эскизный проект должен содержать:

• изображения вариантов изделия, текстовую часть и надписи, необходимые для сопоставления рассматриваемых вариантов и установления требований к разрабатываемому изделию, а также позволяющие получить представление о компоновочных и основных конструктивных исполнениях изделия, взаимодействии его основных составных частей и принципе работы;

• наименования, а также обозначения (если они имеются) тех составных частей изделия, для которых необходимо указать данные (технические характеристики, количество и др.) или запись которых необходима для пояснения изображений чертежа общего вида или электронной модели сборочной единицы; описания принципа работы изделия, указания о его составе и др.;

• размеры и другие наносимые на изображение данные (при необходимости);

• схему (электрическую, гидравлическую и др.), если она необходима и оформлять ее отдельным документов нецелесообразно;

• технические характеристики изделия, если это необходимо для удобства сопоставления вариантов по чертежу общего вида или электронной модели сборной единицы. При выполнении чертежа общего вида в форме электронной модели сборной единицы рекомендуется модели отдельных составных частей изделия размещать в отдельных файлах.

Также должны быть разработаны план проекта; отчет служб материально-технического снабжения о соответствии закупаемых материалов и оборудования; перечень сотрудников команды проекта с распределением ролей и задач; план обеспечения качества; план управления конфигурацией продукта или системы.

На контрольном рубеже завершения данной фазы следует провести обзор эскизного проекта (концептуального дизайна). Решения, принятые на этапе эскизного проекта, определяют дальнейший процесс разработки продукта и подавляющую долю затрат (семьдесят и более процентов) на создание изделия.

В фазе 3 выполняют проектирование на уровне системы (технический проект), где связывают функции продукта с его разделением на различные подсистемы. Изучают альтернативные способы организации подсистем в детальную архитектуру продукта. Определяют интерфейсы между подсистемами, от которых зависит успешная работа всей системы. Состав и характеристики продукта детализируют до уровня технического проекта. Выполняют окончательный выбор материалов и производственных процессов, а также устанавливают конфигурацию и размеры деталей. Критические детали, ответственные за исполнение ключевых функций, подвергают расчетному анализу для обеспечения робастности (надежности) конструкции. Эти детали могут быть изготовлены на базе трехмерной геометрической модели продукта с помощью методов быстрого прототипирования и физически испытаны на соответствие потребным характеристикам.

При выполнении технического проекта решают следующие задачи.

1. Проводится разработка с увеличенным количеством сотрудников, вовлеченных в выполнение работы по детализации выбранных ключевых вех проекта.

2. Группы интегрированной команды проекта проектируют свои подсистемы для соответствия базовым и производным техническим требованиям, предоставленным в согласованном перечне.

3. Изготавливают, испытывают и оценивают прототип продукта. Прототип изготавливают для оценки базовых характеристик изделия, часто из более дешевых материалов. Далее проводят испытания прототипа и его компонентов в лаборатории или на компьютере. Компьютерные модели, как правило, дешевле и их создание занимает меньше времени. Оценивая результаты испытаний продукта, определяют, насколько он удовлетворяет потребностям и другим желаемым характеристикам.

4. Выполняется верификация узлов, модулей и подсистем по контрольным спискам (чек-листам), включая параметры технических характеристик и другие критические вопросы. Раннее обнаружение и исправление ошибок экономит время и деньги проекта. Если основные проблемы выявляются на этапе производства, их коррекция обходится значительно дороже.

5. Разрабатывают и исследуют динамические модели ключевых узлов, подсистем и продукта в целом для формирования данных по интеграции системы.

6. Обновляют вариант конфигурации изделия.

7. Совместно с группой технологической подготовки производства проверяют процессы изготовления компонентов на располагаемом оборудовании по освоенным техпроцессам. В результате возможны коррекции конструкции продукта.

8. После интеграции проводят испытания финального прототипа, чтобы определить вероятные дефекты «младенческого возраста».

В конце фазы проводят критический обзор технического проекта, чтобы подтвердить качество выполненной работы и проверку соответствия разработанного продукта первоначальному замыслу. Поскольку после этого момента необходимо вложить большие денежные суммы в закупки материалов и изготовление компонентов, уточняют риски, финансовые оценки и рыночные перспективы продукта. На критическом обзоре рассматривают конструкцию системы во всех деталях (как правило, выполнено 90% объема чертежей); предложенные пути разрешения технических проблем; достигнутые величины технических характеристик; план производства; документы управления интерфейсами.

---

Должно быть подтверждено, что:

a) проект сбалансирован по стоимости, графику, характеристикам и рискам для жизненного цикла;

b) физическая архитектура системы реализует технический проект в части удовлетворения требований, включая взаимодействия и интерфейсы;

c) прослеживание данных показывает, как распределенные по подсистемам требования удовлетворяют верхнему уровню требований к конструкции;

d) уточнены базовые варианты подсистем;

e) продукт соответствует текущим маркетинговым требованиям для реализации на рынке;

f) актуализированы риски проекта;

g) утвержден окончательный план верификации продукта.

В процессе фазы 4 выполняют детальное проектирование и выпуск рабочей конструкторской документации, формируют всеобъемлющее инженерное описание продукта или системы. Добавляют недостающую информацию о расположении, форме, размерах, допусках, свойствах поверхности, материалах и производстве каждой детали. Создают окончательную спецификацию для набора деталей и принимают решение «сделать или купить», то есть будет ли конкретная деталь изготовлена на предприятии или передана на аутсорсинг поставщику. Параллельно производственники выполняют технологическую проработку процесса изготовления для каждой детали, при необходимости согласуют коррективы в конструкции, а также проектируют оснастку для производства этих деталей, для достижения требуемой надежности и определения процессов обеспечения качества продукта. Выходом фазы детального проектирования является рабочая конструкторская документация (РКД) продукта для передачи его в производство. Производство начинает заключать контракты на поставку заготовок длительного цикла изготовления и проектирует процесс сборки продукта или системы.

Параллельно выполняют испытания и верификацию предсерийных версий продукта. Прототипы компонентов и ответственных деталей изготавливают с использованием материалов, определенных для производственной версии продукта, как правило, по упрощенным технологическим процессам, без полного набора оснастки, процессов и инструментов. Это делается для ускорения получения деталей и минимизации затрат на разработку. Целью испытаний является определение того, будет ли продукт действительно работать так, как задумано, и удовлетворит ли он наиболее важные потребности клиентов. Системный подход помогает снижать уровень дефектов при испытаниях прототипа. Чтобы обойтись без сюрпризов, на предыдущих фазах проектирования верифицируют ключевые решения по выполнению требований. Если конструкция соответствует ожидаемому результату и производительность подтверждается, прототип служит основой комплекта РКД. Это резко контрастирует с прежними процессами разработки, когда испытания прототипа впервые позволяли определить, что получилось из конструкции.

В целях поддержки этапа использования изделия проектировщики выпускают эксплуатационную документацию (по ГОСТ 2.601—2019), куда входят руководство по эксплуатации, инструкция по монтажу, пуску, формуляр, паспорт, ведомость запасных частей, инструмента и приспособлений. Руководство по эксплуатации включает описание изделия и его использование по назначению, техническое обслуживание, текущий ремонт, правила хранения и транспортировки и т. п.

Фаза выпуска РКД включает валидацию продукта на базе изготовленного прототипа. Сертификационные (валидационные) испытания рекомендуется проводить, когда 90% деталей изготовлены по окончательным чертежам с помощью реальных производственных процессов и инструментов. Валидацию проводят в реальных условиях эксплуатации продукта с приглашением заказчиков. Целью этих тестов является подтверждение потребной производительности и надежности продукта, а также внесение минимальных необходимых коррекций до того, как продукт будет выпущен на рынок. Минимизация изменений этого этапа гарантируется процессами верификации требований и характеристик на предыдущих этапах проектирования.

В конце фазы проводят обзор готовности проекта к передаче в производство, чтобы определить, была ли работа выполнена качественно и соответствует ли разработанный продукт первоначальному замыслу.

Фаза 5, производство коммерческих партий продукта, также предусматривает участие части проектировщиков (подробности см. в главе 13). Первые экземпляры продукта, произведенные во время развертывания производства, поставляют клиентам и тщательно изучают на предмет наличия дефектов. На этапе производства изменения обходятся на порядок дороже, чем в процессе разработки, и могут ухудшить репутацию компании на рынке.

Основные принципы проектирования изделий можно свести к краткому перечню накопленных эвристик (практических правил).

Лучше продвигаться по проекту, имея несколько «сомнительных» решений, чем опоздать с решениями в поисках «совершенного» варианта. Лучшее решение является врагом хорошего.

---

В проекте надо использовать принцип «сделай это проще», чтобы снизить риски и стоимость, обеспечить легкую реализацию и эксплуатацию.

Излишние опции в проекте должны быть определены и обоснованно исключены на ранней стадии из целей системы.

В проекте обязательны независимые обзоры промежуточных результатов для всестороннего обсуждения вопросов разработки.

Хотя проектирование является творческим процессом, однако большая часть каждого проекта специализированной организации похожа на предыдущие работы. Существуют очевидные преимущества в плане экономии средств и времени, если лучшие практики будут собраны и предоставлены для всеобщего использования. Инженерные стандарты являются набором практических сведений общего характера и добровольными соглашениями между пользователями и производителями отрасли. Проектирование с использованием стандартов делает передовую практику доступной, обеспечивая эффективность и безопасность, способствует взаимозаменяемости и совместимости подсистем и компонентов. При создании новых изделий может потребоваться разработка отраслевых или внутренних стандартов компании. Стандарты по конкретным темам включают общепринятый набор процедур, критериев, размеров, материалов или деталей. Они могут описывать размеры стандартных деталей, таких как болты и подшипники, минимальные свойства материалов или согласованную процедуру измерения свойств, например, длительной прочности материала. Стандарты подсказывают проектировщику, как это делать, и рассматриваются как рекомендации.

В конце книги приведен выборочный перечень основных национальных государственных стандартов ГОСТ РФ для проектировщиков, включая стандарты серии единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и моделирования. Стандарты ЕСКД распространяются на изделия машиностроения и приборостроения.

Финансовые затраты на разработку проекта увеличиваются экспоненциально от первой фазы до последней. Однако вложения, потраченные на разработку продукта, невелики по сравнению с тем, сколько будет затрачено на серийное производство, а также на восстановление репутации бренда, если дефектный продукт придется отозвать с рынка. Поэтому, чтобы «сделать все правильно», процесс разработки и требования на каждом этапе должны быть понятны менеджерам и инженерам. Большинство компаний адаптируют проектирование объектов в соответствии со своим опытом и ресурсными возможностями.

Глава 7.
Требования верхнего уровня

Для перехода к конкретному проектированию необходимо определить и утвердить потребности, цели и задачи продукта или системы. Для этого следует выявить потребности, желания заинтересованных лиц, возможности, внешние интерфейсы, допущения и ограничения. Достижение согласованного набора целей и задач выполняется посредством итераций с заинтересованными сторонами. Группы заинтересованных сторон включают:

1) заказчика, который платит за разработку;

2) пользователей системы, которые не обязательно являются клиентами;

3) поставщиков, которые предоставляют узлы и компоненты (включая производителей оригинального оборудования для больших систем);

4) финансовых спонсоров, которые могут быть заинтересованы в реализации прибыльных проектов;

5) общественность, которая может влиять на проектирование (например, в вопросах экологии), но не обязательно использовать систему.

Важно знать, какие заинтересованные стороны имеют полномочия принимать решения для разрешения конфликтов на этой стадии. Сначала необходимо ознакомиться с различными точками зрения, которых придерживаются разные группы людей, участвующих в разработке системы. В совокупности они влияют на необходимые требования и их реализацию.

---

Напомним базовые термины.

• Потребность является основным утверждением заказчика. Она должна устранить реальные недостатки имеющейся системы: неадекватность, недоступность, неудобства и затратность в эксплуатации. Потребность формулирует проблему, но не конкретизирует решение. Она должна быть представлена в конкретных качественных и количественных терминах с достаточной детализацией, чтобы помочь инженерам реализовать конструкцию в функциональных терминах. Каждая потребность формулируется в единичном утверждении. Попытка связать несколько потребностей в предложении может далее привести к неверному выбору и последующему отказу от одного из ожиданий заинтересованных сторон.

• Цель проекта представляет развитие потребностей в виде определенного набора ожиданий для системы, включая выявление критических проблем. Цели должны позволять оценку их достижения изделием.

• Задачи проекта представляют конкретные целевые уровни свойств и характеристик, которые должна иметь система или изделие.

Формулировка цели проектирования является самым важным шагом в процессе жизненного цикла. Пользователь результатов проекта часто не является заказчиком продукта или системы. Основными приоритетами заказчика являются:

a) достижение целей по производительности нового продукта или системы;

b) требование доступности системы к согласованному времени;

c) ввод проекта в эксплуатацию в рамках бюджетной стоимости;

d) безопасная эксплуатация;

e) низкий риск неработоспособности, поскольку отказ в работе может быть дорогостоящим или небезопасным с точки зрения травм и потерянных жизней;

f) стремление к максимальной производительности за минимальную стоимость, что часто нереалистично, если преследуется краткосрочная выгода.

Требованием называют утверждение, которое идентифицирует эксплуатационные, функциональные параметры, характеристики или ограничения проектирования продукта или процесса, и должно быть однозначным, проверяемым и измеримым. Требования определяют цель проекта, например, чтобы получить прибыль от реализации хорошего продукта на рынке. Они формулируют, что система должна делать и управляют ее развитием. Требования необходимы для приемки продукта или процесса. Они также определяют ограничения, связанные с реализацией проекта, а именно сроки, бюджет, персонал, применяемые технологии, соответствие требованиям законодательства, и т. д.

Требования верхнего уровня обычно формирует заказчик в рамках технического задания контракта на проектирование. Однако для целей разработки они часто не содержат количественную информацию, либо являются неполными. Заказчик часто включает в требования все располагаемые хорошие функции будущей системы по самой низкой стоимости. Такое сочетание обычно невыполнимо, поскольку каждая хорошая функция обычно достигается за счет меньшей производительности других или увеличения затрат. Клиенты легко ставят нереалистичные внутренние цели, полагая, что за заданную стоимость можно получить лучшую производительность, создавая завышенные ожидания в проекте.

Проектировщику при формировании набора требований необходимо изучить характер проблемы, которую необходимо решить при разработке продукта, в рамках ответов на следующие вопросы.

1. Зачем нужно это изделие?

2. Какую роль оно выполняет?

3. Это новое изделие или модификация для удержания места на рынке?

4. Какие функции обеспечивают эту потребность?

5. Что должно получиться?

6. Какие факторы имеют значение с течением времени?

7. Что и как следует делать для решения проблемы?

Требования к продукту должны содержать описание всех входов, выходов и требуемых взаимосвязей между ними, включая ограничения и взаимодействие системы с операторами, сопровождающими и другими системами. Следует определить все технические требования от уровня проекта и системы вниз к компонентам самого низкого уровня. На этапе детализации некоторые требования могут оказаться неработоспособными, странными, неожиданными, непроверяемыми, неполными, чрезмерными или просто неверными. В таких случаях проектировщики должны проверять схемы трассировки от базовых требований, а также консультаций с людьми, принимающими решения. При коррекции перечня требований используют стандартный для организации процесс уведомления об изменении.

Для процесса проектирования должны быть сформированы понятные инженерам исполнимые и проверяемые требования. Процесс определения технических требований преобразует ожидания заинтересованных сторон в полный набор утвержденных технических требований верхнего уровня, выраженных как заявления «должны» для продукта. Далее создают дочерние и производные требования для более низких уровней иерархии продукта.

Создание набора требований для проекта требует терпения, понимания и опыта. Может потребоваться время, чтобы собрать надежный набор потребностей клиента. Они должны быть установлены тщательно и полностью, что определяет успех проектирования. В результате должен быть согласован и подписан с заказчиком документ требований, исчерпывающе необходимый для выполнения разработки, включая выпуск рабочей конструкторской документации.

Возможны неожиданные реакции покупателей на цели создания продукта. Например, смартфоны изначально создавались для удобства мобильной телефонной связи. Сегодня многие пользователи в первую очередь оценивают их «вторичные» функции качества фотоснимков и просмотра видео. Размеры экранов растут вследствие конкуренции с планшетными устройствами.

При формировании требований полезно создавать и моделировать упрощенные сценарии эксплуатации, чтобы оценивать динамику работы системы с использованием подходящих инструментов. На этом этапе нужно избегать делать точные модели, так как обоснования могут отсутствовать. Требования лучше всего готовить как описания работы будущей системы. Они не должны указывать на проектное решение, которое возникает позже. Когда количество отдельных требований превышает несколько сотен, рекомендуется использовать компьютерный инструмент управления требованиями.

В процессе формирования набора требований их удобно классифицировать по типам.

• Функциональные требования, которые указывают, что система должна делать. Они должны перечислить основные функции изделия, включая набор эксплуатационных сценариев, определить рабочие характеристики предполагаемых функций, потребный срок службы, стоимость жизненного цикла.