Конструирование приборов и оборудования

Конструирование приборов и оборудования — это процесс разработки и создания различных устройств, механизмов и систем, используемых в большинстве высокотехнологичных отраслей, например промышленности, медицины, науке, ритейле, логистики, потребительской и бытовой технике. Процесс включает в себя анализ требований к оборудованию, проектирование, изготовление и тестирование опытных образцов, а также внедрение и эксплуатацию готовых изделий. Чаще всего процесс разработки приборов и оборудования доверяют конструкторским бюро. В этой статье мы останавливались подробно на наиболее популярных видах и типах бюро представленных на отечественном рынке.

Для представления общей концепции, на которой строится разработка в целом и конструирования в частности, обозначим примерный состав конечного продукта. В реальности каждый, сколь бы то не было сложное решение будь это промышленный станок или лабораторное оборудование, упрощенно состоит из:

• механической части, в нее можно включить корпус, механику, раму, крепления, приводные механизмы;
• электронной системы управления, например печатной платы, промышленной АСУТП или управляющего компьютера;
• программного обеспечения, это может быть как встроенное ПО, так и полноценные пользовательские приложения.

В понятие "конструирование" часто включают разработку электроники, промышленного дизайна или программного обеспечения, что далеко не всегда соотносится с реальностью. Следует понимать, что конструирование по своей сути является одной из важных составляющих при проектировании технологичного продукта, но не всегда единственной. В базовом варианте конструирование покрывает собой механическую часть, другими словами, аппаратную платформу на которой будет построено устройство. В том время как одновременное создание механической, электронной и программной частей продукта следует называть комплексной разработкой или на западный манер инжинирингом. Тем не менее в современном мире конструировании приборов и оборудования по умолчанию представляет собой именно комплексный подход, включающий в себя помимо конструкции проработку внешнего вида, электронной системы управления, программного обеспечения, упаковки и наладку производственного процесса, защиту интеллектуальной собственности, а иногда и помощь в маркетинге и продвижении продукта.

Задачи конструирования

При проектировании конструкции прибора, будь то корпус, механика или отдельный узел конструктор опирается на бизнес и технические требования, ставя во главу угла технологичность, надежность и воспроизводимость продукта в реальных условиях. При конструировании учитывается конечный дизайн, размещение электронных компонентов, периферийных узлов и креплений. Тем не мнее ключевым осязаемым результатом проектировании конструкции является:

• Инженерная CAD модель. Содержит полную деталировку всего продукта как внутри, так и снаружи. Модель является главным результатом на основе которой можно получить довольно точную себестоимость продукта, перечень всех элементов и узлов входящих в состав, а также с помощью нее можно произвести моделирование процесса эксплуатации продукта, например посмотреть зоны перегрева при активной работе.

• Конструкторская документация. В обывательском представлении набор чертежей, спецификаций, а иногда и эксплуатационной документации необходимой для производства. Как правило конструкторская документация проектируется после разработки 3Д модели. Важным нюансом является возможность ее оптимизации. Например, для производства опытных образцов достаточно так называемой рабочей конструкторской документации (минимального набора) а для постановки продукта на серийного производства разумней выпустить документацию по нормам и правилам ЕСКД.

Этапы конструирования

Упрощенно конструирование приборов и оборудования можно поделить на пять основных этапов. Этапы обычно выполняются друг за другом с фокусом на последовательное решение задачи. Приведенная схема не является унифицированной и видоизменяется в зависимости от сложности конечного продукта. Например, при разработке приборов с упором на научно-техническую новизну, добавляются этапы макетирования и лабораторного тестирования. Для бюрократизированных разработок, хорошо изложенных в ГОСТ 2.103-2013 характерны дополнительные этапы написания технического проекта, формирования программы и методики испытаний, уточнения конструкторской документации с добавлением литеры, что так же немаловажно для формализации разработки. Тем не менее рассмотрим упрощенный и наиболее гибкий вариант, достаточный в большинстве случаев.

Эскизы помогают визуализировать идею, оценить её соответствие требованиям и стандартам, а также выявить возможные проблемы и внести необходимые изменения на ранних этапах разработки. Для сложных приборов и оборудования имеющих в составе электронику, многоуровневое программное обеспечение или сложную механику этап эскизирования дополняют макетированием отдельных узлов. Это позволяет снизить риски проектирования продукта и более детально проработать принцип и технологию работы.

При должном уровне детализации на этапе эскизирования возможно оценить предварительную себестоимость продукта. Большинство современных фабрик и заводов принимают трехмерные модели для предварительной оценки, это позволят получить базовую оценку конечного продукта, до перехода к полноценной разработке. В случае промышленного дизайна возможно разработать несколько различных вариантов внешнего вида прибора, выбрав наиболее удачный. Конструирование и промышленный дизайн часто идут рука об руку, в этой статье разобрали отличия и сходства. В целом разработка эскизного дизайна и конструкторского эскиза происходят параллельно и чаще всего в одной среде проектирования. При этом промышленный дизайн закрывает зону разработки, связанную с эргономикой, внешним видом и эстетикой, в то время как при конструирование фокусировка идет на технологичность, внутреннюю компоновку и производимость продукта.

Это позволяет повысит скорость разработки и произвести отладку на опытном образце, с внесением необходимых изменений по итогу испытаний. При этом тонкая доводка 3Д модели итогового продукта, например переход от технологии фрезеровки достаточной для прототипа, к литью или вакуумной формовке осуществляется на этапе подготовки к производству.

Примеры популярных расчетов, используемых в приборостроении чаще всего:

• прочностные расчёты, определяют способность объекта выдерживать нагрузки и воздействия;
• тепловые расчёты, позволяют определить оптимальные температурные параметры системы и зоны перегрева;
• ресурсные расчёты, оценивают срок службы и надёжность работы оборудования;

Для большинства разрабатываемых приборов готовятся отдельные документы называемые программа и методика испытаний (ПМИ), регламентирующие тестирование. Этот пул работ так же включается в этап разработки конструкторской документации и служит целью формализировать и соотнести выпускаемые образцы с технической документацией.

Тем не менее наиболее действенным и эффективным способом является контакт с производственной площадкой на старте разработки. Это позволяет согласовывать применяемые технологии с конечной фабрикой еще на стадии эскизирования а на стадии CAD моделирования возможно обойти все ограничения производства. В таком случае адаптация под производство на финальной стадии сводится лишь к оптимизации разработанной документации с точки зрения удобства сборки и себестоимости конечного продукта.