Projektēšana var būt ilgs, dārgs un mokošs process, ja tā tiek veikta haotiski un nepieturoties iepriekš parbaudītai darbu secībai. Taču pareizi strukturējot darbus un laicīgi novērtējot iespējamos riskus, šo procesu ir iespējams padarītu efektīvāku, ātrāku un patīkamāku visām iesaistītajām pusēm. Šajā rakstā aprakstīšu, kādi soļi būtu jāievēro projektēšanas fāzē, lai jaunas iekārtas vai mehānisma radīšanas process būtu uzskatāms par optimālu.

Biežākās problēmas ar ko esam saskarušies, kad ārēju apstākļu dēļ nav iespējams pieturēties pie mūsu iekšēji izstrādātā projektēšanas darbu plāna ir:

• Gala rezultāts nesakrīt ar gaidīto. Klients, vai gala lietotājs ieraugot iekārtas projekta dokumentāciju, secina, ka ir palaista garām kāda būtiska prasība. Tad atliek izvēle – iekārtu pieņemt ar kompromisiem, vai atgriezies pie projektēšanas, tam veltot papildus resursus.

• Projektēšanas process ir garāks un dārgāks kā sākotnēji tika plānots. Projektēšanas laikā tiek izteiktas papildus vēlmes un mainītas prasības, kas noved pie izmaiņām un ilgāka, līdz ar to dārgāka projektēšanas procesa. Svarīgi piebilst – jo vēlmes izdarīt izmaiņas projektā tiek izteiktas tuvāk projektēšanas procesa beigām, jo dārgākas un laikietilpīgākas tās būs.

Projektu noslēdzot un nonākot līdz galīgajam finanšu aprēķinam nākas arī skaidrot, kuram ir jāuzņemas finansiāla atbildība par projektēšanas etapā pārtērētajiem resursiem. Varianti ir divi – pakalpojuma sniedzējs vai klients. Loģiski, ka nevienai no iesaistītajām pusēm šis neplānotais sadārdzinājums nav izdevīgs. Jebkurā gadījumā kādai no pusēm tas nozīmē finansiālus zaudējumus. Taču, lai no tā izvairītos, turpinājumā apskatīsim, kā parasti tiek strukturēts projektēšanas process, lai novērstu negaidītu izmaiņu nepieciešamību. 

Kāds ir risinājums?

Savā vairāk kā 10 gadu projektētāja pieredzē man ir izkristalizējies princips – jo tuvāk projektēšanas procesa beigām izmaiņas tiek ieviestas, jo lielākā mērā tās ietekmē kopējo projekta resursu izlietojumu – gan laika, gan finanšu ziņā. Pamatojums tam ir vienkāršs –  projektēšanā katrs nākamais process tiek turpināts uz iepriekšējā solī iegūtās informācijas bāzes. Tādēļ, teiksim, rasēšanas stadijā, vēloties krasi mainīt svarīgas detaļas produkta konceptā, var nākties daļai no projektēšanas cikla vēlreiz iet cauri pa soļiem.

Gadu gaitā, gūstot pieredzi un iekrājot statistikas datus par iepriekšējajiem projektiem, esmu nonācis pie racionālas projektēšanas procesa kartes. Jāpiebilst arī, ka efektīvi izmantoti resursi nozīmē mazākas izmaksas un lētāku pakalpojumu klientam.

Projektēšanas process sastāv kā minimums no 5 posmiem, sekojoši:

1. Informācijas apkopošana;
2. Skiču projekta sagatavošana – konceptēšana;
3. Aprēķinu veikšana un skiču projekta korekciju ieviešana;
4. Detalizēta CAD modeļa izstrāde;
5. Ražošanas dokumentācijas sagatavošana. 

Turpinājumā detalizēts projektēšanas procesa apraksts, ko mēs ikdienā izmantojam realizējot dažādas sarežģītības inženierprojektus. 

Informācijas apkopošana

Informācijas apkopošana bieži ir visnenovērtētākā projektēšanas sadaļa. Visas iesaistītās puses rezultātu vēlas ātri, taču to uzskatāmi var ieraudzīt tikai 3D modeļos un rasējumos. Tādēļ projektētāji bieži ķeras klāt pie zīmēšanas, neveltot laiku kvalitatīvai prasību apkopošanai. Šāda stratēģija mēdz novest pie iekāpšanas paša izliktās lamatās. Zemāk daži piemēri, no situācijām, ar ko esam saskārušies:

A) Klients apskata pabeigtu 3D modeli un ražošanas dokumentāciju un atceras par kādu svarīgu aspektu, kas lielā mērā ietekmē produkta konstrukciju. Tādā gadījumā nākas atgriezties konceptēšanas fāzē un pārstrādāt projektu.

B) Esam veltījuši laiku “no jauna izgudrojot velosipēdu”, tikai pēc tam apjaušot, ka tirgū jau ir pieejams risinājums, kas apmierina visas prasības pret produktu. 

C) Pie uzražota produkta tiek secināts, ka tas neatbilst kādu standartu vai normatīvu prasībām.

Lai izvairītos no augstāk minētajām situācijām, informācijas apkopošanas procesu strukturējam tā, lai definētu konkrētas, nepārprotamas projekta prasības. Šajā etapā tiek arī tāmētas projektēšanas izmaksas, ko iegūst apzinot projekta realizācijai nepieciešamā darba stundas. Pa soļiem tas parasti notiek šādā secībā:

1. Klienta intervija. Tās laikā tiek noskaidrota visa iespējamā informācija par vēlamo gala rezultātu.
2. Tirgus izpēte. Meklējot kādi līdzīgi produkti ir atrodami tirgū, ko izmantot par piemēru. Iespējams pat atrodot opcijas, ko var iegādāties gatavus, tadējādi atsakoties no projektēšanas.
3. Standartu un normatīvu izpēte. Visbiežāk katra iekārta pakļaujas kādam standartam vai regulai, kā prasībām nepieciešams sekot.

Skiču projekta sagatavošana 

Skiču projekts ir īstenojams dažādās versijās, taču mērķis tam ir viens – izvairīties no detalizētas projektēšanas iekārtas sadaļām, kurām pastāv liela iespēja mainīties projekta gaitā. Pēc iespējas izvairoties no projekta sadaļu pārprojektēšanas. Katra šāda pārstrāde nozīmē veltīt iekārtas sadaļai papildus darba stundas. Bieži vien pārprojektēšana var būt pat laikietilpīgāka nekā mezgla zīmēšana no nulles.

Iekārtas konceptuāla skice vai zemas detalizācijas pakāpes modelis ļauj pārbaudīt mezglu savietojamību un atbilstību prasībām iztērējot salīdzinoši maz darba stundu. 

Piemērs

Teiksim, informācijas apkopošanas etapā tiek secināts, ka iekārtas efektīvai projektēšanai būtu nepieciešamas apmēram 500 darba stundas. Veltot aptuveni 50 darba stundas problēmas izpētei, skicēšanai, idejas saskaņošanai ar klientu, kā arī citu parametru definēšanai, tiek ielikti labi pamati projekta pabeigšanai atlikušajās 450 darba stundās.

Savukārt, uzreiz ķertoties pie detalizētas projektēšanas, bez skiču projekta fāzes, ar augstu ticamību var apgalvot – projekta vidus posmā risinot kādu tehnisku problēmu atklāsies, ka kāda no prasībām nevar tikt apmierināta pie esošā iekārtas koncepta. Piemērs: definētos iekārtas gabarītos nav iespējams ievietot kādu detaļu, līdz ar to nākas veikt sekojošas darbības.

1. Mainīt nesošās konstrukcijas – rāmja, izmērus;
2. Salāgot jauno rāmi ar visām pārējām pie tā piesaistītajām detaļām;
3. Pārprojektēt kādu no pārējām detaļām.

Visu detaļu savstarpēja salāgošana sarežģītās konstrukcijās reālistiski var rezultēties ar simtiem papildus darba stundu. Pie tam, sarežģītām iekārtām ar daudz tehniskajiem mezgliem un to apakšmezgliem, laika patēriņš uz pārprojektēšanu pieaug eksponenciāli. 

Vienkāršākajos gadījumos skiču projektam pietiek ar skici brīvā formā, lai varētu saprast iecerētās iekārtas konstruktīvās aprises. Kompleksām iekārtām tiek veidots zemas detalizācijas 3D modelis. Tas palīdz saprast tādus faktorus kā:

• Iekārtas svars un aptuvenās materiālu izmaksas;
• Iekārtas gabarītizmēri;
• Mezglu sarežģītības līmenis un nepieciešamais projektēšanas laiks;
• Nepieciešamās ražošanas tehnoloģijas, utt.

Līdz šim manā projektētāja pieredzē gandrīz vienmēr ir apstiprinājusies korelācija – jo vairāk laika tiek veltīts iekārtas skiču projekta sadaļas sagatavošanai, jo mazāk laiks būs nepieciešams iekārtas ražošanas dokumentācijas sagatavošanai.

Primārais ieguvums tam ir – efektīvāks un lētāks projektēšanas process. Sekundārais – iekārta būs pārdomātāka, projektēšanas process būs īsāks. Turklāt, klients jau pirms detalizācijas procesa sākuma varēs apskatīt modeli, kas būs ļoti tuvu tam, ko var sagaidīt dzīvē.

Aprēķini un skiču projekta korekcijas 

Aprēķinu būtība

Vairumā gadījumu mehānismu un iekārtas mezglu aprēķini ir neatņemama projektēšanas sastāvdaļa. Projektēšanas procesa efektivitātes nodrošināšanai ir kritiski svarīgi aprēķinus veikt īstajā brīdī. 

Sākot rēķināt par ātru, var gadīties, ka aprēķinu inženieris rēķinās arī tādus mezglus, kuri iekārtai dabā nebūs, jo tie atmesti skicēšanas procesā. Citiem vārdiem sakot – varēja arī nerēķināt. 

Savukārt, aprēķinus veicot par vēlu, iespējams, būs nepieciešams veikt būtiskas izmaiņas iekārtas konstrukcijā, kas ietvers arī apjomīgas 3D modeļa un rasējumu izmaiņas. Lielāko daļu nesošās konstrukcijas aprēķinu ieteicams veikt uzreiz pēc skiču projekta noslēgšanas. Ik pa laikam aprēķini mēdz uzrādīt, ka nepieciešams iekārtas projektā ieviest izmaiņas – piedziņas elemementu izmēriem (vārpstas, reduktori, utt.), nesošās konstrukcijas elementu izmēriem, utml. Šajā brīdī izmaiņas ir salīdzinoši nesāpīgi implementējamas projektā, jo zemās detalizācijas pakāpes dēļ ir salīdzinoši maz elementu, ko izmainīt 3D modelī. 

Šis aprēķinu – skiču projekta process, vismaz nesošajām konstrukcijām, strādā pēc iterāciju principa un tiek atkārtots līdz noslēdzas ar apmierinošu aprēķina atskaiti.

Klienta iesaiste

Šis arī ir labs brīdis, lai prezentētu klientam iekārtas kopējās aprises un uzklausītu viņa ierosinājumus, tos ātri implementējot 3D modelī. Šāda skiču projekta saskaņošana ir lieliska iespēja izvairīties no būtiskām izmaiņām tālākos projektēšanas posmos. Ļoti ieteicams to nesteidzināt, kā arī klientam ņemt aktīvu dalību un neskopoties ar ieteikumiem. Jo vairāk klients iesaistās šajā procesā, jo tuvāk viņa vīzijai produktu būs iespējams beigās izgatavot.

Standartu lasīšana

Tā kā iekārtai jāpakļaujās attiecīgu standartu prasībām, šajā posmā tās visas tiek apkopotas. Nezinot par standartu prasībām, iespējams nonākt dažādās nepatikšanās. Sākot no tā, ka kāda no institūcījām atsakās iekārtu sertificēt, kas noved pie dārgām modifikācijām jau pēc iekārtas uzražošanas. Līdz pat situācijām, kad jāuzņemas kriminālatbildība par cilvēku traumēšanos, darbojoties ar šo iekārtu.

Lielākajā daļā gadījumu ir viens galvenais standarts, kas nosaka prasības pret iekārtu, lai to varētu sertificēt, taču šis viens standarts veidojas no atsaucēm uz daudziem citiem standartiem, kas arī jāņem vērā.

Ir vērtīgi sadarboties ar inženieriem, kam ir pieredze darbā ar standartiem un zināšanas, kā to pareizi traktēt un piemērot iekārtas konstrukcijai. Šī pieredze būtiski ietaupa projektēšanas laika resursus, jo ne vienmēr standarta prasības ir viennozīmīgas.     

Detalizēta CAD modeļa izstrāde

Ja līdz šim viss darīts pareizi, tad detalizētajā izstrādē atliek tikai projektēt. Ko mūsdienās praktiski nozīmē projektēt?

Vienkāršoti izsakoties, tas nozīmē radīt virtuālu, jeb digitālu, iekārtas kopiju datorā – 3 dimensiju modeli. Šī modeļa detalizācijas līmenim ir pilnībā jāatbilst plānotajam rezultātam dabā. Pēc tam no šī 3D CAD (computer-aider design) modeļa tiek sagatavota ražošanas informācija rasējumu un citu failu formātā. Tā nepieciešama ražotnē, lai varētu pēc konkrētām prasībām izgatavot visas nepieciešamās detaļas šai iekārtai, kā arī to samontēt.

Mēdz pastāvēt uzskats, ka projektēšana ir tikai 3D modelēšana un rasēšana, tomēr projektētāja darbs sastāv no daudziem kompleksiem uzdevumiem, bez kuriem nevar nonākt pie apmierinoša rezultāta.

Daži piemēri inženiera pienākumiem uzskaitīti zemāk:

• Katalogu lasīšana un standartelementu izvēle;
• Konsultēšanās ar piegādātajiem;
• Paraugu testēšana;
• Iekārtas parametru saskaņošana ar citām iesaistītajām pusēm (elektriķi, programmētāji, utml.)
• Montāžas aprakstu un shēmu rakstīšana.

Piemērs no inženiera darba ikdienas

Teiksim, iekārtai nepieciešama vadotne iekārtas daļas lineārās kustības vadīšanai. Tas ir inženiera pienākums atrast gan tehniski vispiemērotāko, gan ekonomiski pamatotāko vadotnes elementu.

Ir vairāku tipu vadotnes, katrai no tām vairāki piegādātāji, un katram piegādātājam ir dažādas iespējamas vadotnes konfigurācijas. Inženiera darbs ir lasīt katalogos norādīto informāciju un to saskaņot ar projekta prasībām:

• Atrašanās vietu (iekštelpas vai ārā);
• Atbilstošu korozijas noturību;
• Paredzēto dzīves ciklu;
• Kustības ātrumu;
• Pieļaujamās slodzes 
• Izmēru ierobežojumi no ražotāja (piemēram, garums) 
• Pieļaujamās brīvkustības un citi parametri. 

Tas ir normāli, ka lielākā daļa no detalizētās projektēšanas laika paiet iekārtas standarta elementu izvēlē un tā saucamajā “dzīvošanā” pa piegādātāju katalogiem. Bez katalogu lasīšanas bieži nepieciešams pasūtīt paraugus, tos aptaustīt vai kā citādi notestēt.

Tikai pēc minēto priekšdarbu veikšanas inženieris apkopo visu iegūto informāciju, izvēlas īstos elementus un ievieto tos 3D modeļa attiecīgajā apakšmezglā. Pielāgotās detaļas (custom parts) gandrīz vienmēr tiek apzīmētas apkārt un pielāgotas standartelementiem, nevis otrādi. Analoģiski kā ar iekārtu kopumā, tāpat ar tās atsevišķiem elementiem – ja ir iespējams nopirkt gatavu elementu, gandrīz vienmēr tā ir pareizā izvēle.

Detalizēti zīmējot detaļu pa detaļai, tās liek kopā mazākos salikumos, kuri kopā veido lielos iekārtas mezglus. Detaļas savstarpēji salāgo, jeb kā inženieri saka – piedzen izmērus. Rezultātā tiek iegūts smalkas detalizācijas 3D CAD modelis, kas ietver visu līdz pēdējai skrūvītei. Šajā modelī visi izmēri atbilst tam, ko plānots ražot, un ir iespējams vizuāli novērtēt, kāda iekārta izskatīsies dabā. Līdz ar to principā noslēdzas projektēšanas “radošā” daļa. 

Normālos apstākļos pēc šī punkta būtu ļoti svarīgi neieviest jebkādas izmaiņas iekārtā. Protams, tas ir izdarāms, taču kā minēju iepriekš – tas būs nesalīdzināmi sarežģītāk un dārgāk kā skiču projekta izstrādes posmā.

Ražošanas dokumentācijas sagatavošana

Ražošanas dokumentācijas sagatavošanas procesa sagaidāmie gala produkti ir:

• 2D izprintējami rasējumi;
• Digitāli detaļu modeļi no kā iespējams izveidot darba instrukcijas (G-code) automātiskajiem darbagaldiem.
• Materiālu saraksts, ieskaitot pērkamo detaļu sarakstu jeb BOM (Bill Of Materials) . 

Mūsdienās rasēšanas process ir ļoti atvieglots – dators automātiski ģenerē prasītās detaļas projekcijas rasējumā, mērogo skatus, kā arī mēra inženiera pieprasītos izmērus. Taču inženiera kompetence kontrolējamo izmēru izvēlē, pielaižu norādīšanā un norādījumu sniegšanā ražotājam ir atslēga kvalitatīviem rasējumiem. Šī nebūt nav interesantākā inženiera darba daļa, jo ietver daudz vienveidīgas un atkārtotas darbības. Taču kvalitatīva ražošanas dokumentācija tieši korelē ar to, cik ļoti uzražotā iekārta atbildīs 3d modelim.

Parasti rasēšanas process aizņem aptuveni 1/4 daļu no kopējā projektēšanas laika. Taču tas ir relatīvs lielums, kas mainās atkarībā no iekārtas tehniskās sarežģītības. Tehniski sarežģītos projektos, kur ir maz detaļu, bet jāvelta vairāk laika risinājumu izpētei, rasēšana aizņems mazāk laika. Stingri reglamentētos inženierbūvju projektos, kur ir daudz līdzīgu, bet vienkāršāku elementu, rasēšanas laiks varētu būt proporcionāli lielāks.

 Pēc būtības projektēšanas inženiera darbs ir pabeigts pēc augstāk minēto punktu izpildes. Realitatē, inženieri bieži vien ņem dalību arī uzražotās iekārtas kvalitātes kontrolē, kā arī konsultē ražotājus montāžas procesā, palīdz rakstīt lietošanas un apkopes instrukcijas, utml.

Kristians Rimkus, WEMPS konstruktoru biroja galvenais inženieris