Современные средства и методы проектирования машиностроительных изд

тотипированию позволяют получать модели с максимальным размером не более 1000 мм и достижимой точностью до 0,05 мм. В случае разработки изделий с большими габаритами придется либо использовать масштабирование, либо делать модель секционной. Можно надеяться, что в ближайшее время появятся установки по прототипированию, в которых ограничение по габаритам будет снято или существенно ослаблено.

Самые последние и самые кардинальные тенденции в проектировании машиностроительных изделий на основе ИТ связаны с появлением и внедрением виртуальной инженерии.

Виртуальная инженерия – это новое понятие, стремительно распространяющееся в научно-технической литературе и, особенно, в передовых корпорациях, например, таких как Boing, Ford, Fillips, но именно из-за кратковременности своего существования не успевшее получить достойного освещения в учебной литературе.

В сущности, виртуальная инженерия – это разработка че- го-либо (для машиностроения – технических объектов), основанная на имитации. Прогресс современной имитационной технологии сделал возможным решение таких задач, как численное моделирование большинства механических свойств системы и обнаружение столкновений между геометрическими объектами в реальном времени (имитационное моделирование будет рассмотрено в главе 4).

Основная цель виртуального проектирования – позволить разработчику действовать интуитивным и естественным образом (более подробно об этом в главе 10).

Вторая цель виртуального проектирования – на ранних стадиях проектирования учесть точку зрения потенциального пользователя изделия.

Наконец, третья, только формирующаяся цель виртуального проектирования – стать неотъемлемой частью более высокого иерархического уровня идеологии «INDUSTRIE-4» [49]. Создаваемая идеология лишь опосредованно касается собственно проектирования изделий (в разделе виртуальной инженерии). А основная суть новой идеологии заключается в изме-

11

нении традиционной логики производства, поскольку каждый рабочий объект будет сам определять, какую работу необходимо выполнить для производства. В мире «INDUSTRIE-4» производственное оборудование и продукты станут активными системными компонентами, управляющими своими производственными и логистическими процессами. Они будут включать

всебя киберфизические системы, связывающие виртуальное пространство интернета с реальным физическим миром. При этом они будут отличаться от существующих мехатронных систем наличием способности взаимодействовать со своим окружением, планировать и адаптировать свое собственное поведение согласно окружающим условиям, учиться новым моделям и линиям поведения и, следовательно, быть самооптимизирующимися. Они обеспечат эффективный выпуск даже минимальных партий при быстром внесении изменений в продукцию и большом количестве вариантов.

Поскольку изучаемый в данной дисциплине материал касается исключительно методов и технологии проектирования машиностроительных изделий, то в дальнейшем в пособии вопросы применения идеологии «INDUSTRIE-4» не будут рассматриваться и обсуждаться.

Таким образом, для современной проектной деятельности благодаря использованию ИТ характерны следующие тенден-

ции [47–49]:

a)расширение спектра информации, которая принимается

впроцессе проектирования. Сегодня необходимо учитывать широкие связи и отношения систем, большое число различных профессиональных сфер, которые замыкаются на проектировании. Эта тенденция проявляется и в создании многоцелевых банков данных и автоматизированных систем. Сложные проекты дают возможность многоцелевого применения данных на различных фазах процесса проектирования и последующих фазах использования;

б) возрастающая сложность и математическая трудность инженерных расчетов в процессе проектирования. Эта тенденция проявляется из-за необходимости более детального анали-

12

за и моделирования основных компонентов изделия с помощью высокопроизводительного компьютера или кластера;

в) сложность процесса проектирования, связанная с необходимостью его специального исследования, имитации, проверки возможности различных вариантов планируемых решений. Отсюда возникает совокупность технических, информационных и других требований, включаемых в оценочную деятельность;

г) прогностическая сторона проекта. Проектная деятельность должна быть научно и технически обоснована на базе новейших результатов исследования и разработок, доступных здесь и сейчас. Но в то же время проектант всегда должен принимать во внимание более или менее отдаленное будущее, перспективу.

Как следует из изложенного, проектирование все более смещается с эмпирически данного мира на область «возможных миров», что может и улучшить и ухудшить ситуацию, существующую в нашем современном мире.

Еще одним признаком современного проектирования яв-

ляется системотехническое проектирование. Системотехни-

ческий подход сам по себе не является новым и в общих чертах студенты знакомились с ним на предыдущем этапе обучения. Однако в современных условиях без его учета не может быть получено оптимальное техническое решение (ТР).

В области создания сложных технических систем темпы проектирования являются основным сдерживающим фактором на пути сокращения сроков разработок. Поэтому важнейшая задача специалистов в области проектирования – путем полного учета взаимосвязей в системе и влияния внешних факторов сократить число циклов уточнения системы и обеспечить в кратчайший срок создание системы с предельно высокими показателями качества. Успешное достижение этой цели возможно путем перехода на системное проектирование технических решений.

Методологией такого проектирования являются системный анализ и теория принятия решений, позволяющие соеди-

13

нить системный подход с многоцелевой оптимизацией, т.е. осуществить синтез формальных и неформальных методов ис-

следования [23, 26, 37, 38].

Следующей отличительной процедурой для современного инновационного проектирования должно стать социотехническое проектирование [34]. Это проектирование без прототипов, и оно ориентировано на реализацию идеалов, формирующихся в теоретической сфере или в культуре в целом. Его можно охарактеризовать как особое проектное движение, состоящее из различных видов деятельности: производственной, эксплуатационной, традиционного проектирования и т.п. Пока для машиностроительной сферы, особенно для разработки технологического оборудования на существующих предприятиях такой подход в целом представляется нереализуемым, хотя элементы социотехнического подхода должны использоваться в виде эргономического проектирования. В эргономическом проектировании наряду с психологией, физиологией, анатомией, гигиеной труда большое внимание уделяется социальным, соци- ально-психологическим, экономическим и другим факторам.

Если системотехника ориентирована в конечном счете на максимально возможную и разумную автоматизацию человеческой деятельности как в плане объекта системотехники (автоматизация функционирования сложных систем), так и самой системотехнической деятельности (автоматизация проектирования и конструирования), то в эргономике такой подход неприемлем принципиально. Эргономика анализирует специфические черты деятельности сложной человеко-машинной системы, а технические средства рассматриваются как включенные в нее.

В России, несмотря на использование CAD-CAM-CAE- модулей в проектировании машиностроительных изделий, некоторые вышеперечисленные инновации еще не нашли применения. Поэтому темпы проектирования оставляют желать лучшего. Существующие системы геометрического моделирования позволяют автоматизировать только часть проектноконструкторских работ. Для наглядности на рис. 1.2 показаны

14

этапы проектирования, которые позволяют автоматизировать эти системы.

1 2 3 4 5 6

Рис. 1.2. Схема процесса проектирования изделий с использованием систем геометрического моделирования: 1 – анализ ТЗ, исследование областей применения; 2 – выработка концепции изделия; 3 – разработка технических предложений; 4 – разработка эскизного проекта; 5 – рабочее проектирование; 6 – изготовление

и стендовые испытания изделия

Начальные этапы проектирования по-прежнему осуществляются проектантом «вручную». При этом термин «вручную» не надо понимать буквально, т.е. использование кульмана, бумаги и карандаша для графического представления будущего изделия; ручки и бумаги для записи текстов. Подразумевается наряду с традиционным изучением фондов технических библиотек максимальное использование компьютера для поиска релевантной информации в интернете, поиск новых идей и решений с помощью тех или иных эвристических методов; с помощью CAD-программ графическое построение вариантов предварительного образа будущего изделия; проведение инженерных расчетов, например, с помощью SolidWorks, составление пояснительной записки и т.д., т.е. всего того, что студенты уже использовали при выполнении выпускной квалификационной работы на предыдущем этапе обучения.

На начальном этапе проектирования использование компьютера не представляет непрерывной единой логической и алгоритмической цепочки и этот этап не может быть автоматизирован так, чтобы поручить самую творческую и непредсказуемую работу компьютеру. Успех на «ручном» этапе зависит от таланта, опыта и интуиции проектанта (или группы проектантов), в том числе и от того, где и как искать информацию, по каким странам, фирмам, тематике, глубине поиска, какие

15

критерии эффективности взять за основу, у кого заказывать комплектующие изделия, какие конструкционные материалы можно заказать в необходимом количестве, на каких предприятиях будет развернуто производство и т.д.

Последующие этапы не только можно, но необходимо автоматизировать. Возможность автоматизации работ по совершенствованию, уточнению, корректировке предварительно найденного технического решения изделия, начиная с третьего этапа, позволит сократить сроки, повысить точность проектных работ и эффективность труда проектанта (рис. 1.3), что многократно доказано всеми ведущими фирмами мира.

Рис. 1.3. Модернизированная схема процесса проектирования изделий с использованием систем геометрического моделирования

Наконец, наряду с чисто техническими и социальными вопросами в проектировании в последнее время большое внимание стало уделяться и психологическим факторам. Почему? Потому что при переходе на автоматизированное проектирование возрастает ответственность проектанта по решениям, полученным «вручную» на самых ответственных творческих этапах 1 и 2, так как далее работа передается САПР (эти этапы переходят в разряд технических). И если человек выбрал вначале неправильное направление, то никакая «автоматизация» не исправит ситуацию в дальнейшем.

Поскольку студенты уже должны владеть технологиями использования CAD-CAM-CAE-модулей в проектировании, то акцент в дальнейших главах будет сделан на первых творческих и самых сложных этапах. На творческие способности влияют наследственность, окружающая естественная и социальная среда, научно-техническая подготовка, степень развития воображения, способность мыслить образно и другие факторы. При этом образность мышления сильно развивают прак-

16

тический опыт и искусство, в первую очередь – пластическое: живопись, графика, скульптура.

Однако в творческом процессе важны не только способности, но и знание факторов, которые могут помешать успешному достижению цели. Так, в работе А.Н. Хорошева [38] имеется ссылка на высказывания одного из авторитетных отечественных специалистов по методологическим основам научного управления изобретательством Г.Я. Буша, который сформулировал ряд неэффективных стратегий решения задач проектирования и синдромов, порождающих барьеры творчеству. К таким стратегиям он отнес:

стратегию осла Буридана – предпочтение существующего положения всяким изменениям;

стратегию Одиссея – ожидание случайного осенения творческой идеей;

стратегию Обломова – равнодушие к общественно значимым целям;

стратегию Антисфена – не изменять внешний мир, а внутренне приспосабливаться к нему.

Синдромами (сочетание признаков с общим механизмом возникновения), порождающими препятствия проявлению или развитию творчества, являются:

ситуативные барьеры – географические, ведомственные, режимные, бюрократические, получения и понимания информации, разобщения творческого коллектива в пространстве, вредного воздействия внешней и социальной среды, ситуационный антагонизм в творческом коллективе:

контрсуггестативные барьеры – предубеждения, неверие в свои силы, недоверие к коллегам, эгоцентризм, нигилизм, замкнутый образ жизни, отсутствие юмора, апатия;

тезаурусные барьеры – низкий уровень интеллектуального развития, отсутствие навыков общественной и творческой деятельности, неясное осознание собственных целей, отсутствие личного фонда собственных эвристических методов;

барьеры коммуникабельности – неумение планировать

иорганизовывать коллективное воздействие, творческое взаи-

17

модействие и дружеское соревнование, отсутствие контактов с информационными и патентными службами, неиспользование возможностей обмена опытом и консультаций специалистов.

Барьеры не всегда легко преодолимы, но обычно имеется возможность уменьшить накладываемые ими ограничения.

Успех также зависит и от личных качеств проектанта – творца новых изделий. Наиболее важны следующие черты характера: уверенность в необходимости и возможности решения задачи; свобода от предрассудков; способность принимать решения и нести за них ответственность.

Контрольные вопросы

1.Перечислите современные инновационные тенденции в проектировании.

2.Каковы причины произошедших изменений в технологии проектирования?

3.Объясните суть 3D-проектирования, чем оно отличается от традиционного?

4.Что такое быстрое прототипирование (БП)? Для чего нужно его использовать? Каковы возможности БП?

5.Что такое виртуальное проектирование? Какие его потенциальные преимущества?

6.Что такое идеология «INDUSTRIE-4»?

7.Что такое системотехническое проектирование?

8.Что такое социотехническое проектирование?

9.Назовите этапы проектирования. Какие этапы проектирования поддаются и требуют автоматизации?

10.Почему при проектировании необходимо учесть психологические факторы?

11.Перечислите неэффективные стратегии решения задач проектирования.

18

2.ОСНОВНЫЕ БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ

ВМЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Преподавание данного курса предполагает, что студенты получили на этапе бакалавриата базовые знания по проектированию технических объектов, и умеют применять при конструировании различные программы САПР. Поэтому, наряду с ограниченным объемом часов, выделенных на изучение данного курса, часть тем из рассмотрения исключены. При необходимости в тексте будут делаться ссылки на ранее использованные учебники, например [42].

Чтобы перейти непосредственно к раскрытию особенностей инноваций в проектировании, основанных в первую очередь на информационных технологиях, прежде всего, перечислим некоторые базовые определения из предыдущего этапа обучения.

Напомним смысл понятия «проектирование». Есть несколько определений, каждое по-своему определяет суть проектирования.

1.Под «проектированием» подразумевают практическую деятельность, направленную на удовлетворение новых потребностей людей, предприятий, отрасли, государства. Конечным итогом проектной деятельности является проект, т.е. комплект документации, предназначенной для создания определенного объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных решений, на основе которых был разработан данный объект.

2.Проектирование – это процесс переработки информации, приводящий в конечном счете, к получению полного представления о проектируемом объекте и способах его изготовления. (Информация – все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.)

3.Проектирование – процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в оконча-

19

тельное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характеров.

2.1.Процесс проектирования

Вобщем виде процесс проектирования любого технического объекта или сложной технической системы упрощенно может быть представлен пятью основными блоками (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема процесса проектирования технических объектов

Блок 1 – постановка задачи, предварительное проектирование – определение свойств и характеристик будущего объекта, ориентировочная оценка стоимости проектирования, производства и эксплуатации будущего изделия (см. п. 2.4.2).

Блок 2 – проведение поиска релевантной информации по заданным темам, направлениям, вопросам и др., проведение структуризации выявленной информации, отбор наиболее перспективных прототипов и аналогов будущего технического решения.

Блок 3 – синтез технического решения. В сущности это формирование вариантов системы из отдельных элементов.

Блок 4 – анализ вариантов. На этом этапе производится окончательныйрасчет всех синтезированных элементов системы.

Блок 5 – выбор наилучшего варианта по одному или нескольким критериям.

Обратная связь, показанная на рис. 2.1 между блоками 3 и 4, дает возможность осуществления корректировки вариантов, а между блоками 4 и 2 уточнения и дополнения недостающей информации. Таким образом, обратные связи реализуют итерационность процесса проектирования и улучшают качество принимаемых технических решений.

20