Inżynieria systemów dla inżynierów mechaników

Wstęp

Zacznijmy od tego, że inżynier mechanik zazwyczaj nie potrzebuje pomocy inżyniera systemów, aby dobrze wykonać swoją pracę. Sprawa się komplikuje w sytuacjach gdy projektowana mechanika jest częścią bardziej złożonego systemu, ale nawet wtedy dobrze przygotowany inżynier mechanik może sobie sam poradzić stosując pewne techniki i procesy pochodzące z inżynierii systemów.

Ten artykuł ma na celu dostarczyć tych podstaw przydatnych dla inżynierów mechaników.

Na potrzeby tego artykułu założyłem, że zajmiemy się projektami stricte mechanicznym. W następny artykule rozszerzę ten zakres o specyfikę projektów mechatronicznych.

Od czego zacząć projekt mechaniczny?

Tutaj proces inżynierii systemów daje uniwersalne narzędzie od którego wypadałoby, żeby każdy inżynier rozpoczynał swoją pracę. Przede wszystkim należy zrozumieć kontekst tego co mamy zaprojektować.

Ja preferuję dwa spojrzenia na taki kontekst. Pierwszym jest kontekst statyczny, który obejmuje odpowiedzi na pytania:

• Dla kogo to projektujemy?

• Kto tego będzie używał?

• Jakie normy lub standardy projekt mechaniczny musi spełniać?

• Gdzie, to co projektujemy, będzie się znajdowało lub działało?

Drugim jest kontekst dynamiczny, który obejmuje następujące kwestie:

• Jak działa całość, której mechanika będzie częścią?

• Jak mechanika będzie używana?

• Jak mechanika może być serwisowana?

Po uzyskaniu odpowiedzi na takie podstawowe pytania, powinniśmy mieć lepsze zrozumienie kontekstu. Powyższe listy pytań nie są wyczerpujące, ale jest dobrym startem do dyskusji.

Zanim zaczniemy tworzyć model

Z autopsji wiem, że pierwszy odruch, świeżo upieczonego mechanika konstruktora to usiąść do narzędzia CAD i zacząć rysować to nasze „najlepsze z możliwych rozwiązań”. Natomiast w tym miejscu należy się powstrzymać ponieważ, jak wiadomo z praktyki systemowej, im wcześniej wykryjemy błąd w naszej koncepcji tym taniej jest go naprawić. Jeśli od razu rzucimy się w wir projektowania to bardzo łatwo będzie nam przeoczyć oczywiste błędy, które popełniamy.

Trzeba zacząć od koncepcji. Najlepiej kartka papieru i ołówek. Po coś nas w końcu uczono rysunku technicznego! A tak serio, to tak jak w inżynierii systemów zaczynamy od wysokopoziomowej architektury zachowania i struktury systemu, tak samo mechanik musi sobie całe rozwiązanie rozpisać, zanim wejdzie w szczegóły projektowe.

Spisanie podstawowych wymagań

Spisywanie wymagań dla prostych konstrukcji mechanicznych lub mechanizmów dla wielu może być przesadą. Ja nie mam takiego poczucia. Przy odrobinie wprawy, spisanie 20 wymagań i skonsultowanie ich z klientem to kwestia nie więcej niż 2 godzin, a dzięki takiemu formalizmowi mamy znacznie spokojniejszy sen bo wiemy, że kluczowe punkty mamy „na papierze”.

Więcej na temat tworzenia wymagań tutaj.

W takim podstawowym zestawie widziałbym następujące typy wymagań:

• Funkcjonalne – jaką funkcję spełnia konstrukcja lub mechanizm.

• Wydajnościowe – jaką wydajność ma konstrukcja lub mechanizm zapewnić dla wykonywanych funkcji. Np. wytrzymałość na obciążenia statyczne lub dynamiczne, przełożenie mechanizmu.

• Fizyczne – określające dopuszczalny rozmiar i masę konstrukcji czy mechanizmu.

• Ograniczenia projektowe – np. materiałowe, technologiczne, wynikające z narzuconych standardów.

• Środowiskowe – określające np. w jakim zakresie temperatur czy wilgotności konstrukcja lub mechanizm będą przebywały.

Ponadto mogą istnieć wymagania pochodzące z innych stron niż klient, np. ze strony naszego pracodawcy, który chce, aby produkcja naszego projektu nie pochłonęła całego budżetu wraz z jego marżą. W związku z tym takie aspekty jak np. cena czy użycie określonych metod produkcji możemy również uwzględnić.

Identyfikacja interfejsów

W powyższym zestawienie wymagań zabrakło jednego typu wymagań, który zasługuje na osobny paragraf.

Ponieważ znamy już cały kontekst to nie powinniśmy mieć problemów, aby określić z czym nasz system będzie miał kontakt mechaniczny i do czego zwyczajnie musimy się dopasować. To dopasowanie obejmuje tak zwykłe interfejsy mechaniczne, czyli m. in. rozstaw otworów, kształt, czy typ materiału do którego musimy się dostosować, jak i również ograniczenia w zakresie tego gdzie nasz system może, a gdzie nie może się znaleźć, czyli tzw. strefy zakazane i strefy dozwolone.

Koncepcje i analiza systemu

Wiem, że już chcieli byście na tym etapie robić projekt w programie CAD, ale zapewniam Was, że warto z tym zaczekać.

Gdy już znamy kontekst i spisaliśmy kluczowe wymagania to możemy zasiąść do tworzenia koncepcji. I to najlepiej nie jednej koncepcji, ale kilka!

Przykładowa tabela analizy porównawczej

Na tym etapie możemy skorzystać z kolejnego narzędzia wykorzystywanego przez inżynierów systemów, czyli analizy porównawczej (ang. trade-off).

Po co?

Żeby postarać się obiektywnie wybrać najlepsze rozwiązanie bazując na określonych kryteriach oceny z przypisanymi wagami. Każdą z koncepcji powinniśmy ocenić pod kątem każdego z kryteriów, po czym sumaryczne wyniki porównać do siebie. Ten proces również nie zabiera dużo czasu, a stanowi punkt wyjścia do podjęcia świadomej decyzji projektowej.

Weryfikacja wymagań

Stworzony model CAD, wraz z rysunkami wykonawczymi, można poddać formalnej lub quasi-formalnej weryfikacji względem zgodności z wymaganiami. W końcu po to je spisywaliśmy. Ten krok pozwoli zaoszczędzić dużo pieniędzy, jeśli się okaże, że nasz projekt odbiegł od pierwotnych założeń, a wykryjemy to przed kosztowną produkcją. Kolejny etap weryfikacji można przeprowadzić po wyprodukowaniu, poprzez inspekcję czy testy. Dzięki temu, będziemy mieli pewność, że klient otrzyma to na co się pierwotnie umówiliśmy.

Podsumowanie

W całym tym temacie dużo zależy od tego czym jest ta mechanika, którą projektujemy. Element konstrukcyjny nie będzie wymagał analiz kinematyki, ale może wymagać pełnych analiz i testów strukturalnych. Z kolei złożony mechanizm, może wymagać pełnych analiz kinematycznych, zgodności materiałowej, testów zużycia i itp.

Przedstawione przeze mnie narzędzia i podejście są uniwersalne, dlatego nie ważne czego dotyczy nasz projekt.

Chciałbym żebyście z tego wpisu wynieśli następujące konkluzje:

• Zastosowanie narzędzi inżynierii systemów w pracy inżyniera mechanika nie jest poza Waszym zasięgiem!

• To nie musi zabierać dużo czasu. Najważniejsze to próbować i nabrać wprawy!

• Odrobina formalizmu, wykonana z głową działa na naszą korzyść i powinno się Wam udać przekonać Waszych szefów, że warto poświęcić na to czas.