Проектирование

Проектирование технических систем - это процесс создания нового изделия в виде его проекта.

Проектирование технических систем входит в более общее понятие - инновационная деятельность, т.е. разработка и реализация инновационных проектов. Инновация - это нововведение в виде новых изделий, технологий и любых других новшеств в любых сферах человеческой деятельности от научно-технической до экономической и социальной. В последние годы сформировалось соответствующее новое научное направление - инноватика, предмет которого разработка общей теории и методов инновационной деятельности.

Укрупненно процесс проектирования изделия включает формулировку технического задания на разработку изделия, его идеи -физического принципа действия, разработку плана выполнения проекта и, наконец, его реализацию.

Проект изделия - это совокупность технических документов, по которым оно может изготавливаться и эксплуатироваться. Проект может быть выполнен традиционно на бумаге или на электронных носителях информации. Состав технической документации регламентирован стандартами. В нашей стране они объединены в единую систему конструкторской документации (ЕСКД), а состав программной документации (ее часто выделяют из технической документации) - в единую систему программной документации (ЕСПД). В техническую документацию входят схемная, конструкторская, монтажная, текстовая, технологическая и эксплуатационная документации.

Этапы проектирования и всего жизненного цикла созданного изделия:

-         разработка технического задания;

-         предварительное проектирование;

-         эскизное проектирование;

-         техническое проектирование;

-         производство;

-         эксплуатация.

Рассмотрим содержание этих этапов.

1. Техническое задание (ТЗ) на проектирование изделия. ТЗ является основанием для проектирования. Оно составляется разработчиком на основе исходных данных, предоставленных заказчиком и содержащих прежде всего основные технические требования к создаваемому изделию. ТЗ утверждается заказчиком при согласующей подписи разработчика.

Состав ТЗ:

-         основание для разработки (приказ вышестоящей организации, совместное решение с заказчиком и т.п.);

-         область применения создаваемого изделия;

-         технические требования к изделию (ТТ) или тактико-технические требования (ТТТ) для военной техники (охватывают габариты, массу, точность, надежность, энергопотребление и т.д.);

-         условия эксплуатации (режим и продолжительность эксплуатации, климатические условия, механические и другие внешние воздействия, условия хранения и транспортировки, требования к обслуживанию и ремонту и т.д.);

-         стоимость;

-         требуемое количество изделий (серийность) и условия производства;

-         сроки и стоимость разработки;

-      возможные особые условия производства и эксплуатации. Важной частью технических требований является установление

перечня (номенклатуры) технико-экономических и тактико-эксплуатационных показателей, характеризующих технический уровень подлежащего разработке изделия, и их численные значения. В дальнейшем в ходе проектирования именно на основе этих показателей формируются критерии качества, используемые на различных этапах проектирования. Существует теория обоснования и измерения этих показателей и критериев качества техники - квалиметрия [5].

От качества ТЗ существенно зависит результат проектирования. Составление ТЗ - это всегда результат компромисса между заказчиком и разработчиком, цели которых во многом далеко не идентичны.

Иногда этап разработки ТЗ называют этапом поискового проектирования и трактуется как первая часть НИР.

2.              Предварительное проектирование (ПП). Этот этап
разработки является основной частью НИР. Все последующие этапы
относятся уже к ОКР.

Результаты предварительного проектирования оформляются в виде технического предложения или аванпроекта. На этом этапе производится:

-         выбор прототипов и их сравнительный анализ с определением плюсов, которые, очевидно, следует по крайней мере сохранить, и минусов, которые надо преодолеть;

-         выбор (синтез) возможных вариантов разрабатываемого изделия, включая принцип действия, структуру (состав), основные технические средства ее реализации, элементную базу;

-         сравнительный анализ основных характеристик этих вариантов и отбор из них нескольких (в пределе одного) рабочих вариантов, подлежащих дальнейшей разработке;

-         выбор методов проектирования.

3.              Эскизное проектирование. Назначение этого этапа -
детальная проработка возможностей создания изделия,
удовлетворяющего ТЗ. На этом этапе производится выбор
окончательного варианта разрабатываемого изделия путем
многократного их синтеза и анализа с постепенным уменьшением
вариантов и увеличением глубины проработки.

Результатом этого этапа является эскизный проект (ЭП), в который входят:

-         пояснительная записка, включающая, в частности, теоретическое и расчетное исследование, результаты математического и, если необходимо, физического моделирования;

-         эскизная техническая документация на изделие;

-         общее заключение о его соответствии ТЗ, т.е. о реальности выполнения последнего.

Эскизная документация - это временная документация, предназначенная для изготовления лабораторных и экспериментальных образцов изделия или его отдельных частей, требующих экспериментального исследования. На этапе эскизного проектирования для таких испытаний часто требуется создавать еще и специальные испытательные стенды и другую аппаратуру. Иногда это может представить не меньшую трудность, чем создание самого изделия. Часто на этапе эскизного проектирования требуется также создавать габаритно-массовые и тепловые макеты будущего изделия для испытаний на объекте заказчика, в состав которого будет входить проектируемое изделие.

Эскизный проект защищается разработчиком перед заказчиком и утверждается им (или возвращается на доработку). Предварительно он направляется к заказчику для изучения и выдачи замечаний. При утверждении эскизного проекта в случае необходимости на основании содержащихся в нем материалов может быть откорректировано (уточнено) ТЗ.

4. Техническое проектирование. Оно осуществляется на основании эскизного проекта и материалов его защиты, включая замечания заказчика и возможные изменения ТЗ. Результат этапа технического проектирования - комплект технической документации на изделие, включая конструкторскую, программную, технологическую и эксплуатационную. В конструкторскую документацию входят:

-         схемы структурные, функциональные, электрические, монтажные, подключения и расположения;

-         графические документы в виде чертежей общего вида, габаритных, сборочных, узлов и деталей;

-         текстовая документация: общие технические условия (ТУ) на изделие, частные технические условия (ЧТУ) на его части, техническое описание (ТО) всего изделия и его частей.

В программную документацию согласно ЕСПД входят текст и описание программ, описание применения, руководства оператора и системного программиста и т.д.

Технологическая документация включает технологические инструкции, технологические (маршрутные) карты, чертежи на техническую оснастку и приспособления. Эта документация разрабатывается применительно к конкретному производству с учетом его возможностей и особенностей. Это должно учитываться, разумеется, и при разработке конструкторской документации.

В эксплуатационную документацию (по ГОСТ 2.601-95) входят руководство по эксплуатации (РЭ), инструкция по монтажу, пуску и т.п. (ИМ), формуляр (ФО), паспорт (ПС), ведомость ЗИП - 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.

На этапе технического проектирования осуществляются изготовление и испытания опытных, а затем и серийных образцов изделия с последующей корректировкой документации по результатам этих испытаний.

В общем случае в этом этапе различают два самостоятельных этапа - разработку технического проекта (ТП) по эскизному проекту и разработку рабочего проекта (РП) по техническому проекту. В последний и входит вся перечисленная выше рабочая документация. Однако часто, когда изделие не слишком сложное, эти этапы объединяются в один.

Не останавливаясь на этапах производства и эксплуатации, рассмотрим особенно важную для разработчика проблему испытаний.

Различают следующие виды испытаний:

-         Лабораторные испытания. Они проводятся на всех этапах проектирования причем в более жестких условиях и в большем диапазоне изменений внешних воздействий, чем те, что указаны в ТЗ и ТУ.

-         Совместные испытания. Они проводятся, как следует из их названия, разработчиком и заказчиком совместно обычно в объеме лабораторных испытаний с тем, чтобы определить запасы по сравнению с требованиями, указанными в этих документах. (Перед этим разработчик проводит свои лабораторные испытания в более широких пределах изменения варьируемых параметров, чтобы получить уверенность в положительных результатах предстоящих совместных испытаний.)

-         Приемно-сдаточные испытания. Проводятся при производстве изделия на соответствие ТУ.

-         Натурные испытания. Эти испытания проводятся как до сдачи изделия в серийное производство и в эксплуатацию, так и на серийных изделиях и максимально приближены к реальным условиям работы изделия при комплексном воздействии большинства реальных возмущений.

-         Выборочные (типовые) испытания. Эти испытания проводятся в процессе серийного производства (наряду с приемо-сдаточными) для уточнения результатов предыдущих испытаний опытных образцов изделия и для оценки их надежности.

В ходе производства и эксплуатации изделия накапливаются статистические данные, на основании анализа которых осуществляется корректировка технической документации. Этот процесс идет все время пока изделие производится и позволяет окончательно «довести» изделие, а затем постоянно улучшать его технический уровень, в том числе с учетом возможных изменений требований потребителей. Таким образом процесс создания изделия продолжается в течение всего времени его производства. При серийном производстве это осуществляется прежде всего изготовителем изделия, который ведет перевыпущенную им техническую документацию при авторском надзоре разработчика изделия.

Наряду с рассмотренными выше последовательными этапами этот процесс «запараллеливается» путем декомпозиции общей задачи на частные задачи, которые можно решить параллельно. При этом структура решения каждой такой частной задачи в свою очередь содержит все перечисленные выше типовые этапы проектирования. Эти частные задачи решаются по частным ТЗ - ЧТЗ отдельными коллективами специалистов (группы, лаборатории, отделы, специализированные организации) под общим руководством руководителя всего проекта (главный или генеральный конструктор, технический руководитель).

Процесс проектирования наряду с последовательно-параллельной структурой имеет обратные связи (на рис.2 не показаны), являясь итеративными, т.е. с неоднократным уточненным повторением уже пройденных этапов. К таким обратным связям относятся, в частности, и упомянутые выше корректировки технической документации по результатам испытаний и эксплуатации изделия..

Проектирование нового изделия - это всегда противоречивая задача для разработчика: с одной стороны, существует естественное стремление использовать все последние достижения науки и техники в данной области, а с другой этому препятствуют многочисленные ограничения по срокам, стоимости, материальным ресурсам и др., оговоренные в ТЗ и еще реально существующие вне их. Выход здесь один - это компромисс в виде оптимальной преемственности с ранее созданными подобными изделиями и их компонентами. Основным средством для этого является, как известно, унификация. Иногда в ТЗ прямо оговаривается степень (процент) унификации. (Е.И.Юревич. Проектирование технических систем. СПб 2001 г.)