Proiectarea inginerească este procesul de dezvoltare a produselor, proceselor sau sistemelor inginerești. Este diferită de rezolvarea problemelor matematice și științifice în multe feluri. În particular, proiectarea inginerească nu este aceeași cu rezolvarea problemelor științei inginerești. Principalele diferențe sunt evidențiate în tabelul 10.1.

TABEL 10.1 Comparație de proiectare inginerească și soluție de probleme în știința ingineriei

Etapele tipice urmate în procesul de proiectare inginerească sunt enumerate mai jos:

1. Identificați nevoia de proiectare necesară.
2. Descrieți obiectivele produsului sau sistemului proiectat.
3. Adunați specificațiile preliminare de performanță (unele pot fi calitative).
4. Schițați mai multe modele conceptuale.
5. Identificați tehnologiile și expertiza necesare.
6. Identificați componentele sau subsistemele (de exemplu, comerciale, gata de folosință) disponibile pentru fiecare model conceptual.
7. Efectuați un studiu de fezabilitate și o analiză economică (cost-beneficiu) pentru fiecare model conceptual.
8. Stabiliți specificații de performanță cantitative și finale.
9. Obțineți modele preliminare detaliate.
10. Evaluați proiectele prin modelare, analiză (inclusiv economică) și utilizarea experților și restrângeți alternativele de proiectare (la una sau două).
11. Realizați un proiect detaliat.
12. Evaluați proiectul detaliat prin analiză, dezvoltare de prototip și testare etc.

În mod obișnuit, este necesar să revizuiți unul sau mai mulți pași de mai multe ori înainte de realizarea proiectării finale. În particular, mai multe iterații sau toate ale unor etape de proiectare indicate pot fi necesare. În acest context, este nevoie de mai puțin timp și mai economic să se facă schimbări de model înainte de procesul de proiectare. De exemplu, modificările de proiectare în etapa de modelare vor fi mai puțin costisitoare și mai rapide decât cele după prototipare. Completarea dezvoltării finale, transferul tehnologic, implementarea, producția, întreținerea și așa mai departe pot fi încorporate în procesul de proiectare. Factorii sociali și de mediu devin din ce în ce mai importanți în proiectarea inginerească și ar trebui să fie incluși în procesul de proiectare.

10.2.1 Proiectarea inginerească ca o problemă de optimizare

O problemă de proiectare inginerească poate fi descrisă de următoarele două elemente:

1. Obiective de proiectare (sau funcție de performanță)
2. Un set de constrângeri

Întrucât multe soluții de proiectare pot fi posibile pentru a satisface aceste două cerințe, trebuie aleasă cea mai bună soluție. În acest sens, proiectarea inginerească este similară „problemei de optimizare constrânsă” din matematica aplicată. Dar, o soluție matematică nu este de obicei posibilă pentru procesul de proiectare ingineresc, în primul rând, deoarece cele două elementele date mai sus sunt destul de complexe, incomplete, fuzzy și nu sunt analitice în general. În special, funcția obiectiv poate să nu fie derivabilă și, prin urmare, gradientul ei nu poate fi calculabil. De asemenea, chiar și în cazuri speciale care pot utiliza instrumente de optimizare standard, soluția poate fi prinsă într-un optim local în locul optimului global dorit. Atunci, tehnicile de optimizare bazate pe gradient nu vor fi aplicabile. Dar, metodele soft computing, cum ar fi calculul evolutiv și programarea/algoritmii genetici pot fi utilizate eficient în optimizarea proiectării inginerești.

Exemplul 10.1

Trebuie să fie proiectată o mașină care să elimine automat și cu exactitate capetele de pește, într-o instalație de prelucrare-pește. rapidă. Pentru această problemă de proiectare, câteva dintre obiective și constrângeri sunt prezentate mai jos.

Obiective de proiectare: acuratețea de tăiere mai bună de 1,0 mm; viteza de procesare pește de cel puțin 2 pești/s.

Constrângeri: Mașina trebuie să fie spălată la sfârșitul unei ture, costul nu trebuie să depășească 50.000 USD, dimensiunea nu trebuie să depășească 2 m (lungime) × 0,75 m (lățime) × 2 m (înălțime), iar greutatea nu trebuie să depășească 400 kg.

Exemplul 10.2

În figurile 10.1 și 10.2 sunt prezentate două concepte de proiectare pentru ca o mașină să taie automat și cu exactitate capetele de pește. Aceste concepte originale au evoluat în prototipul final prezentat în figura 10.3.

FIGURA 10.1 Conceptul de proiectare a unei mașini pentru îndepărtarea capului de pește (schiță brută)

FIGURA 10.2 Un concept alternativ de proiectare a unei mașini pentru îndepărtarea capului de pește (o schiță): (a) vedere din față; (b) vedere laterală

FIGURA 10.3 Prototipul industrial final al mașinii automate pentru îndepărtarea capului de pește

10.2.2 Terminologie utilă

Câteva terminologii utile în proiectarea inginerească sunt enumerate mai jos.

Proiect pentru fabricabilitate: Procesul de proiectare a unui produs trebuie să țină cont în mod necesar de aspectele de fabricație (de exemplu, numărarea pieselor, ușurința de prelucrare, ușurința de asamblare, disponibilitatea materialului sau a componentelor). Comunicarea cu echipa de producție este importantă cât mai devreme în procesul de proiectare. Unele astfel de comunicări pot fi realizate folosind desenele de proiectare asistată de computer (CAD) și modele solide în formă de copie-soft sau pe suport.

Proiectare simultană: este de dorit să se proiecteze simultan toate componentele sau subsistemele sistemului necesar. Acest lucru este cunoscut sub numele de proiectare simultană și este deosebit de relevant în proiectarea multidisciplinară sau mecatronică. În esență, proiectarea concomitentă presupune realizarea simultană a tuturor aspectelor legate de proiectare (toate funcțiile, toate domeniile, toate componentele etc.).

Conform unei alte terminologii, proiectarea prin interacțiune regulată cu echipa de producție (adică, proiectarea pentru fabricabilitate) este cunoscută și sub denumirea de proiectare simultană. În proiectarea convențională, diverse interacțiuni și cuplare ale funcțiilor, componentelor, efectelor și așa mai departe în sistemul proiectat sunt luate în considerare printr-o interacțiune și o comunicare adecvată între membri și echipele implicate în proiectare (și fabricație etc.). În proiectarea modernă, mecatronică, aceasta este încorporată simultan în procedura de proiectare însăși.

Proiectare pentru sustenabilitate: Aceasta este, de asemenea, cunoscută sub denumirea de proiectare pentru disponibilitate sau reciclare. Aici, în procesul de proiectare este luată în considerare reutilizarea componentelor produsului (adică reciclarea) la sfârșitul

duratei de viață a produsului. De asemenea, impactul asupra mediului de eliminare a produsului este redus prin practici de proiectare îmbunătățite.

Prototipizare rapidă: Folosirea modelelor CAD și conectarea acestora cu instalațiile de producție/fabricare controlate de computer pentru fabricarea rapidă a unui produs se numește prototipare rapidă. Proiectarea pentru fabricabilitate este aplicabilă direct aici.

Proiectare mecatronică: Deoarece mecatronica este un domeniu multidisciplinar al ingineriei, proiectarea mecatronică ar trebui să implice mai multe discipline; în special inginerie mecanică, inginerie electrică și electronică și ingineria informaticii și computerelor. Aici, ar trebui să fie luate în considerare proiectarea integrată și concomitentă a tuturor componentelor și a tuturor funcțiilor produsului sau sistemului. În acest sens, se implică o proiectare concomitentă.

10.2.3 Elaborarea de proiecte

Elaborarea de proiecte inginerești este realizată de echipe de ingineri. Acest lucru se întâmplă mai ales că, de obicei, sunt implicate mai multe discipline și domenii de expertiză. Insă, toate aspectele, componentele sau evoluțiile pot să nu aibă nevoie de toți membrii echipei. În acest sens, este crucială păstrarea și comunicarea periodică a înregistrărilor. Este important să obțineți nu numai personalul de producție, dar și cercetătorii și dezvoltatorii de tehnologie, clienții, oamenii de marketing și chiar personalul implicat în ambalare și expediere (transport), de asemenea, pentru discuții și contribuții, astfel încât punctele de vedere, nevoile, obiectivele, și capabilitățile tuturor acestora să fie încorporate în proiectare. Comunicarea între membrii echipei de proiectare și cu alte echipe (de exemplu, departamentul de fabricație) se poate face verbal sau folosind text și grafică. Un raport detaliat este utilizat pentru a documenta proiectul și pentru a comunica informațiile altora. Atât calitatea sa tehnică, cât și calitatea literară ar trebui să fie ridicate. Prezentarea orală (de exemplu, o prezentare PowerPoint) este, de asemenea, o parte eficientă și deseori indispensabilă a comunicării în proiectarea inginerească.

Odată ce echipa de proiectare este stabilită (de către dumneavoastră și de supraveghetorul dvs., în consultare cu potențialii membri) în funcție de abilitățile necesare, complexitatea proiectului, logistica și alte considerente, proiectul poate fi realizat cu următorii pași:

1. Pe baza scopului proiectării și prin brainstorming, gândiți-vă la mai multe idei conceptuale de proiectare pentru dispozitiv/sistem.

2. Scrieți o propunere pentru proiect care descrie sistemul/dispozitivul proiectat, scopul acestuia, cerințele funcționale, posibilele considerente de performanță, abordarea planificată pentru procesul de proiectare etc.

3. Stabiliți (consultând experți, surse de informații, industrie, utilizatori potențiali, producători etc.) și identificați parametrii de performanță și specificațiile de proiectare.

4. Efectuați o evaluare preliminară a desenelor conceptuale prin considerente de fezabilitate, modelare, analiză, simulare pe computer, analize economice (cost-beneficiu), disponibilitate de componente etc. și restrângeți proiectul conceptual.

5. Efectuați un proiect detaliat complet cu selecția materialelor, selectarea/proiectarea componentelor etc., împreună cu considerente de fabricație și asamblare etc.

6. Completați desenele tehnice pentru proiectare.

7. Dezvoltați prototipul.

8. Testați prototipul pentru a evalua performanța acestuia și modificați dacă este necesar.

9. Pregătiți un raport de proiect.

10. Faceți o prezentare orală supervizorului vostru și altora.

10.2.4 Desfășurarea funcției de calitate

Metoda de implementare a funcției de calitate (QFD) a fost dezvoltată în anii '70 în Japonia, special pentru a integra cerințele clienților în procesul de proiectare inginerească. Prin utilizarea acestei metode, dezvoltarea este redusă cu aproximativ 60%, iar timpul de dezvoltare este redus cu o treime. Majoritatea companiilor din lumea industrială (inclusiv în Statele Unite) folosesc pe scară largă metoda QFD.

Metoda presupune elaborarea unei diagrame QFD (sau matrice), care să corespundă nevoilor clienților cu cerințele tehnice ale produsului sau sistemului proiectat și, de asemenea, compară proiectul cu produse sau sisteme concurente (adică, benchmarking = analiză comparativă).

Exemplul 10.3

Considerați proiectul unui aparat portabil de masaj a corpului. O diagramă QFD preliminară pentru proiectarea sa este dată în Figura 10.4.

FIGURA 10.4 O diagramă QFD pentru un masaj corporal portabil

10.2.5 Raport de proiectare

Pregătirea unui raport de proiectare profesional este importantă în orice proiect de proiectare. Structura tipică a unui raport de proiectare este prezentată mai jos.

Pagina de titlu: ar trebui să includă titlul proiectului, numele personalului de proiectare (autorii raportului), numele companiei/ diviziei, coordonatele (adresa, adresa de e-mail etc.) și data.

Rezumatul executiv: oferă un rezumat al raportului într-un limbaj destul de netehnic. Prezintă obiectivele de proiectare, procesul de proiectare și rezultatul proiectării. Poate indica realizări și probleme majore.

Cuprinsul: conține cel puțin capitolele și principalele lor rubrici de secțiuni (și adesea și titlurile subsecțiunii) cu numerele lor de pagină.

Lista figurilor: listează numerele figurilor și titlurile lor.

Lista tabelelor: listează numerele și titlurile tabelelor.

Nomenclatura: oferă o listă de notații utilizate în raport și definițiile scurte ale acestora. Cuprinde caractere și simboluri englezești și speciale (grecești) utilizate pentru a numi variabile, parametri, operații etc. în corpul raportului. Ar trebui să fie ordonate adecvat (în ordine alfabetică).

Mulțumiri: Această secțiune mulțumește persoanelor cheie (altele decât autorii raportului) care au asistat la elaborarea și pregătirea raportului.

Corpul raportului: va consta din mai multe capitole. Primul capitol este de obicei un capitol introductiv care oferă scopul raportului, obiectivele proiectului, istoricul lucrărilor de fond, conturul procesului de proiectare, caracteristicile cheie ale rezultatului proiectării și organizarea restului raportului. Ultimul capitol ar trebui să discute principalele realizări ale procesului de proiectare, scurte discuții despre problemele cheie ale proiectării, concluzii (concluzii majore trase din proiectare și discuție), recomandări (cursul recomandat de acțiune bazat pe concluzii) și posibile îmbunătățiri și deficiențe suplimentare.

Referințe/bibliografie: Aceasta încheie corpul principal al raportului. Secțiunea Referințe prezintă toate sursele de informații care au fost utilizate în proiectare, care sunt citate (la care se face referire) în raport. Alternativ, sursele citate și alte surse de informații care nu sunt citate în raport pot fi enumerate sub Bibliografie. În mod obișnuit se includ numele tuturor autorilor sursei de informații (cărți, rapoarte, jurnale, lucrări de conferință, site-uri web etc.); titlul sursei; locație (oraș și stat sau țară); Volumul (Vol.) și numărul chestiunii (nr.) pentru lucrări (și unele rapoarte) sau ISBN; și pentru cărți, furnizați o serie de numere de pagini (pp.) și anul (și luna pentru lucrări sau rapoarte) publicării.

Anexe: Una sau mai multe anexe pot fi incluse după secțiunea referințe/bibliografie. Acestea vor include informații utile, date și proceduri care nu sunt necesare imediat în corpul raportului sau sunt prea complexe și vor interfera cu fluxul materialului din raportul principal. De asemenea, materialul din anexe poate proveni direct din alte surse (de exemplu, cataloage, manuale) și poate include calcule, derivate analitice, coduri sursă de computer, desene și grafică.

10.2.6 Proiectarea unui sistem mecatronic

Un sistem mecatronic poate fi tratat ca un sistem de control, constând dintr-o instalație (care este procesul, mașina, dispozitivul sau sistemul care trebuie controlat), actuatoare, senzori, structuri de interfațare și comunicare, dispozitive de modificare a semnalului și controllere și compensatoare. Funcția sistemului mecatronic este centrată în primul rând pe instalație. Actuatoarele (Cap. 7), senzorii (Cap. 6) și dispozitivele de modificare a semnalului (Cap. 4) ar putea fi integrate cu instalația în sine sau ar putea fi necesare ca componente externe instalației, pentru funcționarea corectă a sistemului mecatronic. Controllerele (Cap.9) sunt o parte esențială a unui sistem mecatronic. Ele generează semnale de control către actuatoare pentru a opera (acționa) instalația într-o manieră dorită (Cap. 5). Este posibil ca aceste componente să nu fie prezente ca unități autonome fizice într-un sistem mecatronic, în general, chiar dacă pot fi identificate separat din punct de vedere funcțional. De exemplu, un actuator și un senzor pot face parte integrantă din instalația în sine. Proiectarea unui sistem mecatronic poate fi interpretată ca procesul de integrare a componentelor (fizică/funcțională), cum ar fi actuatoarele, senzorii, dispozitivele de modificare a semnalului, structurile de interfață și comunicare și controlerele cu o instalație, astfel încât instalația din sistemul mecatronic general să răspundă la intrări (sau comenzi) într-o manieră dorită.