Számítógépek alkalmazása a szerkesztési folyamatokban

Az ipari termelés felgyorsult fejlődése megköveteli a tervezőtől és a kivitelezőtől, hogy a tervezést folyamatosan az új feltételekhez igazítsák. Ezért a projektfejlesztésre rendelkezésre álló idő egyre rövidül, és szükséges a magas színvonalú projektmegoldások biztosítása. A teljes koncepció kidolgozása és annak szoftveres támogatása az új körülmények között szükséges a piaci igényekre való gyors reagálás érdekében. Az összes szükséges tevékenység kombinálásával és a tervezési és gyártási módszerek kidolgozásával a következő célokat kell elérni:

• a projektmegoldások minőségének növelése;
• rövidebb tervezési idő;
• tervezési költségek csökkentése;
• több megoldási változat generálásának lehetősége és meghatározott szempontok alapján a megfelelő (optimális) változat kiválasztása;
• a tervezés folyamatának és eredményeinek grafikus bemutatása;
• az információáramlás javítása és az adatok és információk megbízhatóságának növelése;
• a tervezők termelékenységének és munkaminőségének növelése;
• a tervezők felmentése a rutinmunka alól, tudásuk és tapasztalataik jobb felhasználása a kreatív munkában.

Ezen célok elérése érdekében a szoftver fejlesztése a következőkön alapul:

• moduláris felépítés;
• numerikus és grafikus adatfeldolgozás és
• interaktív munka.

Kiegészítő grafikus adatfeldolgozásra csak egyes moduloknál van szükség annak érdekében, hogy a tervezési folyamat és a tervezési megoldások vizuális áttekintése, valamint az egyedi számítások eredményeinek megjelenítése lehetővé váljon.

A numerikus adatfeldolgozás különböző típusú számításokat foglal magában.

Az interaktív munka magában foglalja a felhasználó (tervező) és a szoftver megfelelő moduljának kommunikációját a bemeneti adatok meghatározásának szakaszában, valamint bizonyos döntések meghozatalának fázisaiban. Ez a munkamódszer lehetővé teszi a projektadatok és paraméterek egyszerű megváltoztatását, ami lehetőséget ad egy sor alternatív megoldás létrehozására. Teljesebb képet adnak a problémáról: ezek alapján a tervező ítéletet alkot az egyes megoldások érvényességéről, összehasonlíthatja azokat és kiválaszthatja a legkedvezőbbet. A termelési rendszerek tervezésének (PPS) szoftvertámogatásának egyik koncepciója az alábbi ábrán látható.

A következő ábra a számítógéppel integrált gyártási rendszer (CIM) koncepcióját mutatja be.

A rendszer alapelemei a terméktervezésre, gyártástervezésre, termelésirányításra, gyártóberendezésekre és gyártási folyamatokra vonatkoznak. Az elsődleges bemenet a termékkoncepciókat és az ehhez kapcsolódó kreatív tevékenységeket, valamint bizonyos termékek iránti igényeket tartalmazza, míg az az elsődleges kimeneti értékek maga a kész termék.

A CAD olyan projekttevékenységet jelent, amelynek keretében számítógépet használnak egy tervezési megoldás fejlesztésére, elemzésére vagy módosítására. A CAD szűkebb értelemben a számítógép segítségével történő tervezést, azaz a szerelvények és alkatrészek rajzainak elkészítését jelenti. A tágabb jelentés a számítógépes modellezéssel (CAE) kapcsolatos összes tervezési lehetőségre vonatkozik. Az alábbi ábra a számítógépes modellezés felépítését szemlélteti.

A kidolgozott számítógépes modelleket rajzok készítésére, majd különféle számításokra és állapot elemzésekre, valamint CNC programok készítésére használják. A végeselemes módszer (MKE) alkalmazásához a géprész számítógépes modellje szükséges. A tervezési folyamat számítógépes támogatása a készülő termék modelljének hatékonyabb létrehozásából, valamint szükség esetén a modell paramétereinek újbóli megváltoztatásából áll. Lehetőség van a tervezett objektum néhány jellemzőjének (paraméterének) kiszámítására is, mint térfogat, tömeg, felület, tehetetlenségi nyomaték, súlypont stb. Ily módon a kivitelező munkája a munka kreatív részére összpontosul. Így a tervezési folyamatban nagyobb számú beavatkozás lehetséges, ami csökkenti a hibák számát és gyorsabban megközelíti az optimális megoldást.

A CAD rendszer használatáhoza következőkre van szükség: megfelelő programcsomagok és számítástechnikai eszközök (hardver). A számítógépes berendezéseknek lehetővé kell tenniük a CAD rendszermodulok hatékony működését, az adatok és programok tárolását, valamint a felhasználók és programok közötti kommunikációt a hálózati munka során. Bármely termék tervezésének és kivitelezésének első lépése a bemeneti adatok megalkotása. Ezek a termékek, a gyártás, az anyagok, az alkatrészek, a szabványok és hasonlók jellemzőivel kapcsolatos adatok. Ezeknek az adatoknak egy része a megfelelő adatbázisokból kiválasztható. Ha az adatbázis már létezik, de nem a program által megkívánt módon van rendszerezve, akkor módosítani kell az új követelményekhez. A számítástechnika jelenlegi fejlettségi szintjén a tervező szoftvercsomagok támogatják a számításokat, az alakmodellezést, az optimalizálást és az adattárolást. Például a gépelemek tanulmányozásához olyan programok szükségesek, amelyek a mozgás, az erő- és energiaátadás, a feszültség, a roncsolás, a számítási elemzés és az állapotváltozás szimulációját biztosítják változó méretekkel, alakkal, anyaggal, terheléssel, hőmérséklettel. és egyéb paraméterekkel.

Sikeresen kifejlesztettek olyan háromdimenziós geometria modellező és rajz-CAD szoftvereket, valamint különböző programokat számításokhoz, optimalizáláshoz, döntéshozatalhoz és egyebekhez. Az új programcsomagok egyre több lehetőséget biztosítanak a kreatív munkára. A kreatív munkához egyre több lehetőség automatizálódik, és a modellezés során nagy mennyiségű adat felhasználásával parametrikus formában is lehet dolgozni. Az egyes paraméterek változtatása nemcsak a közvetlenül modellezett alkatrészben jelenik meg, hanem az egész szerelvényben is, ahol az alkatrészeket beépítik. A leggyakrabban használt CAD csomagok: AutoCAD, I DEAS, ProENGINEER, SOLID WORKS, HELIX DESIGN SYSTEM stb. Ezek közül mindegyik többé-kevésbé parametrikusan orientált, tartalmaznak modulokat a szabványos alkatrészek létrehozására, nyomó- és feszítőrugókhoz, tengelyek terhelésének meghatározásához, szabványos görgőscsapágyak kiválasztásához, fogaskerekek geometriájának számításához és elkészítéséhez stb. Ezen túlmenően ezek a programok adatbázisokkal rendelkeznek a hosszmértékek, formák és pozíciók tűréseihez, valamint a felületi érdességi osztályokhoz.

Új termék modellezésének és elemzésének megvalósítása: A modellezési, elemzési és gyártási folyamatot a modern technológiák segítségével több fázisra osztják. Ezek a szakaszok jelentik azokat az alapvető lépéseket, amelyeken keresztül a termék eljut az eredeti ötlettől a kész termékig. Az első szakaszban egyértelműen és teljes mértékben meg kell határozni mindazokat a követelményeket, amelyeknek az új terméknek meg kell felelnie. Ezek a követelmények olyan területekre vonatkoznak, mint a teljesítményspecifikáció, a kialakítás, az alak, a méret, a súly, az ár-költség és egyéb részletek. Ennek érdekében általában kutatásokat végeznek, amelyek eredménye lehet új technológiák, új anyagok, új tervezési és gyártási lehetősége kifejlesztesése vagy alkalmazása. Az első szakaszból az információk és vázlatok jelentik a kimenetet, amelyek alapján felmérhető, hogy a termék elfogadható lesz-e a piacon. Ezenkívül ez a kezdeti információ a tervezők számára egy koncepcionális megoldás tervezésének megkezdéséhez.

A második fázisban egy koncepcionális megoldás születik, amely számos lehetséges megoldás kidolgozását tartalmazza. Ebben a szakaszban az ötletek lehetnek előzetes vázlatok vagy 3D-s számítógépes modellek, ahol a termékek természetes formái már több változatban is láthatók, amelyeket a gyártás egyszerűsége, a beszerelhetőség, valamint a költségek szempontjából hasonlítanak össze. Ezt követően születik döntés a végső változatok szűkített listájáról. A modern 3D CAD programokkal ezek a paraméterek kimenetként kerülnek meghatározásra: alak, méret, súly, valamint egyéb számított méretek. A harmadik fázis az előzetes tervezést, azaz a kivitelezés alapmegoldását tartalmazza. Ennek a fázisnak a célja lényegében megegyezik az előzővel, a lehető legrészletesebben bemutatni, hogy a tervezési megoldás a kötöttségeken belül minden követelménynek megfelel-e. A fő tevékenység ebben a fázisban az összes elemet tartalmazó 3D-s termékmodellek elkészítése, amelyeket különböző műszaki elemzéseknek vetnek alá, és az eredményeket kielemezik. Mindegyik tulajdonság jelentős szerepet játszhat egyes bonyolult formák átdolgozásában, az anyagok kiválasztásában és magukban az alkalmazott gyártási folyamatokban. Ebben a szakaszban a 3D CAD szoftver használata a domináns, mivel jelentősen növeli a termelékenységet. A végtermék megfelelő változatának kiválasztásával egyidejűleg elkészül a végleges 3D-s modell és a gyártáshoz szükséges dokumentáció. Ebben a fázisban modellezzük és elemezzük az alapformákat és azok kritikus részeit az összeállításokban.

Dominánsak a 3D CAD modellek és szerkezeti elemzések alkalmazása, ahol a korábban meghatározott modelleket mechanikai, termikus és egyéb elemzéseknek vetik alá. A számítógépes tesztek és elemzések eredményeit az egyes alkatrészek és termékek tervezési megoldásának felülvizsgálatára vagy értékelésére használják fel. Ez egy interaktív ciklus, amely addig ismétlődik, amíg a termék el nem éri a kívánt teljesítményt. A harmadik fázisból a kimenet a teljes termék és az egyes elemek 3D-s számítógépes modelljei, a 2D-s dokumentáció, a termék anyagjegyzéke, összeállítási útmutató, valamint a szakértői elemzések eredményei.

Prototípus készítés és tesztelés: A termékmodellezés befejezéséhez közeledve egy vagy több termékminta készül. A minta (prototípus) megvalósítása lehet komplex 3D modell vagy 3D CAD modellen alapuló RAPID PROTOTYPING Modell. A legkedvezőbb és leggyorsabb a 3D CAD modell, amelyben a valós test tulajdonságait (szín, árnyék, fény, tömeg …), topológiát és geometriát modellezik. A prototípus tesztelés célja annak bemutatása, hogy a termék megfelel, vagy akár túl is haladja az összes tervezési követelményt. A prototípusok készítése és tesztelése során a tervezők és a gyártási szakértők közösen dolgoznak azon, hogy minden alkatrész a cég rendelkezésére álló eszközökkel, berendezésekkel készüljön, a termék könnyen összeszerelhető (szétszedhető).

Gyártás előtt: A terv ellenőrzése és a számítógépes modell gyártási részlegre történő leadása után megkezdődik a termék gyártásának, összeszerelésének előkészítése. Ebben a szakaszban nagyon sok tevékenység létezik, amelyek közül csak néhányat sorolunk fel: szerszámkészítés, gépek és gyártási módok kiválasztása, CNC programok írása, próbadarabok szimulációs tesztelése. A technológusok megtervezik a gyártási és összeszerelési lépéseket, valamint a gyártási folyamatba kerülő anyagok minőségellenőrzésének menetét. A teszteléshez mintavételi programokat fejlesztenek. Ezeknek a tevékenységeknek biztosítaniuk kell, hogy a végtermék megfeleljen a minőségi előírásoknak.

Termelés: Maga a gyártás, az új termék fejlesztésének és elemzésének korábbi szakaszaiban előkészített, meghatározott követelmények és specifikációk szerinti késztermékeket szolgáltat. A CAD információs rendszer egyik lehetséges struktúrája az ábrán látható.

Ahhoz, hogy egy tervező végrehajtson egy kitűzött feladatot, ismeretekkel és információkkal kell rendelkeznie. A tudás és információ áthatolása a táblázatban látható.

Az ismeretek szükségesek a problémák megoldásához, a tervezett megoldás értékeléséhez, a tervezett megoldás bizonyításához, a technika és technológia ismerete, a feladat megvalósítása szempontjából fontos területek ismerete. A feladatok megoldásához információra van szükség a piaci helyzetről, a konkurenciáról, a meglévő szabadalmakról, a vállalati lehetőségekről és egyebekről.

A projekt megvalósításának további fázisai speciális ismereteket és készségeket igényelnek a CAD rendszer felhasználóitól a mielőbbi és optimális megoldással történő piacra lépéshez. Ezen okok miatt a CAD rendszer használójának folyamatosan hozzá kell férnie a szükséges információkhoz, elsősorban a globális információs hálózat – az Internet – különféle szolgáltatásaihoz kapcsolódó adatbázison keresztül.

Szakértői rendszer: A CAD/CAM rendszerekben feldolgozott információ alapvető formája a geometriai információk, gyártási módokra vonatkozó információk, valamint a matematikailag megfogalmazható információk. Az ilyen rendszerek alkalmazása felgyorsítja a tervezési és gyártási folyamatokat. Egy termék elkészítéséhez sok olyan információra van szükség, amelyet matematikailag lehetetlen vagy nehéz megfogalmazni. Ezek elsősorban mérnöki-műszaki, kísérleti és tapasztalati ismeretek. Ezért a számítástechnika fejlődésével párhuzamosan zajlott a szakértői rendszerek fejlesztése is, pl. olyan programok, amelyek egy szűkebb terület szakértőjének érvelését utánozzák.

Alkalmazásuk új lehetőségeket nyit a tervezők és kivitelezők számára, amelyek különböző területeken eszközként szolgálnak, vagy a CAD/CAM rendszer részét képezik, amely lehetővé teszi a tervezési tevékenységek magasabb szintű automatizálását. A szakértői rendszerek egyelőre elsősorban kutatás-fejlesztés tárgyát képezik, a gyakorlatban csak kisebb számban kerültek alkalmazásra. Ma már bizonyos területekre léteznek szakértői rendszerek, kezdve a terméktervezés kezdeti fázisától a gyártás megszervezéséig vagy a műszaki rendszerek karbantartásáig. A szakértői rendszerek olyan számítógépes programok, amelyek a szakértőket utánozzák.

Általában a következő összetevőkből állnak:

• érvelési algoritmus, amely lehetővé teszi új következtetések és döntések meghozatalát;
• tudásbázis, amely egy adott területről specifikus ismereteket tartalmaz;
• egy magyarázó modul, amely érvelési algoritmus és tudásbázis segítségével megmagyarázhatja, miért van szüksége egy rendszernek bizonyos információkra, vagy hogyan jutott egy következtetésre;
• az elért megoldások nyilvántartása, amely megjegyzi az összes tényt és következtetést, amelyre a rendszer működés közben jutott;
• a felhasználóval való kommunikációt szolgáló modul, amely még mindig valamilyen programnyelvre korlátozódik.

A tudásábrázolás az egyszerű, általános formáktól a bonyolultabb formákig terjed. A szakértői rendszerek alkalmazásának egyik alapvető nehézsége a szakértői tudás formalizált és strukturált formába történő átültetése. Az Expert systems a gépészet azon területein éri el a legnagyobb sikert, ahol a szakértői tudás segíti a felhasználót a termékfejlesztési folyamatban. A szakértői rendszerek intenzív kutatás-fejlesztés tárgyát képezik.

A kutatási projektek célja a számítógépes architektúra, a mikroelektronika és a mesterséges intelligencia új generációjának fejlesztése volt. A szakértői rendszerek új generációjához hangfelismerést és megértést, valamint természetes nyelvi feldolgozást terveznek.

A kutatás célja az intelligens CIM rendszer kidolgozása, amely a következő biológiai funkciókból indul ki:

• neurális hálózatok (idegrendszer),
• fuzzy elemek (érzékek) és
• intelligens modul (szervek).

Az említett kutatások szerint elkészültek ezen rendszerek első projektváltozatai. Az intelligens CIM rendszernek a következő jellemzőkkel kell rendelkeznie:

• a CIM struktúra rugalmas szoftver- és hardvermodulokból áll majd, és az igényeknek megfelelően kombinálható lesz,
• a kommunikációs struktúra lineárisról síkbelire és térbelire változik,
• a párhuzamos feldolgozás felváltja a soros feldolgozást,
• az egyidejű műveletek felváltják a szekvenciális műveleteket,
• a kommunikációs hálózat kérés generátorként fog működni, nem információtovábbítóként stb.

Így egy vállalat összes funkciója egyetlen integrált egésszé fog összekapcsolódni.

Az optimalizáció szerepe a szerkesztésben

Az ideális megoldások elképzelése és az optimális kiválasztása

Egy szerkezet elvi kialakításának elgondolásához az alkatrészek különböző elrendezéseit, változatait kell kialakítani az adott funkció elérése érdekében. Ehhez elengedhetetlenül szükséges, hogy a tervező alapvető ismeretekkel rendelkezzen a kielégítendő funkciókról, valamint azt a géprendszert is ismerje, amelybe az adott szerkezetet beépítik. Egy géprendszer kialakításában több tervező is részt vesz, mindenki a saját területével foglalkozik, részmegoldásokat hoznak létre a géprendszer elvi kialakításának és alapparamétereinek megfelelően. A cél, hogy az ötletekből fokozatosan a kész szerkezet kialakuljon. A projektben résztvevő valamennyi személy közös célja, hogy egy sor lehetséges megoldás közül kiválasztják a legmegfelelőbbet. A megoldás megtalálásának elérése a tudás és a tudományos tények felhasználásával és azok alkalmazásának képességén alapul. A koncepcionális megoldás kialakításakor a következő elveket kell követni: hasonló, már megépített szerkezetek, géprendszerek elemzése; analógiák és hasonlóságelmélet alkalmazása; új ötletek keresésének módszertanát használni intuíciót felhasználása. A megoldás elgondolásának és megtalálásának menete lépésről lépésre az alábbi ábrán látható.

Az információs eszközök fejlődésével korszerű módszerek alakultak ki: numerikus, szimulációs, döntéshozatali módszerek, mesterséges intelligencia alkalmazása stb. Ezen módszerek alkalmazásával új termék tervezhető és bemutatható, tulajdonságai letesztelhetők valamint lehetőség van a hiányosságok kiküszöbölésére a gyártás megkezdése előtt. Ezáltal felgyorsul a fejlesztés, és lerövidül a termékfejlesztés időszaka.

Szerkezetek optimalizálása

A tervezés során kell kialakítani a kivitelezéssel szemben támasztott általános követelményeket, úgy mint: funkció, hatásfok, megbízhatóság, gyárthatóság, gazdaságosság, a szerkezet esztétikai követelményei, valamint számos egyéb tulajdonság, amiket szintén be kell tartani. Egy ilyen tervezési feladat megoldása általános esetben számos változatos megoldás formájában kialakítható, amelyek megfelelnek a követelményeknek. Az optimális tervezési megoldás a konstrukciós elemek kombinációja, amely a legjobb a tervező szempontjából. A legjobb megoldás kiválasztásának követelményei különbözőek lehetnek, pl: minimális üzemanyag-fogyasztás, minimális tömeg, maximális hatásfok stb.

Gyakran több, egymással összefüggő követelményt vesznek optimalizálási kritériumnak, fontosságuk szerint rangsorolva kombinált cél feladat formájában. Ezen túlmenően a szerkezeti optimalizálás feladatának megoldása során szükséges, hogy a rendszer paraméterei megfeleljenek bizonyos megkötéseknek, amelyek bizonyos függőségek formájában vannak beállítva. A beállított kényszerek megváltoztatása általános esetben lehetővé teszi az optimális megoldás megtalálását. A globális optimum egy hipotetikus megoldás, amelyet a korlátozások figyelembevétele nélkül kapunk meg. A szerkezeti optimalizálási probléma megoldásának alapja az optimalizálás matematikai modellje, amelyre redukálódik az optimális szerkezeti megoldás problémája.

Az optimalizálás matematikai módszereinek áttekintése

Az tervezett szerkezet optimalizálásának matematikai modellje a tervező által meghatározott követelmények formalizált leírása. Attól függően, hogy a matematikai modell milyen formára redukálódik a konstrukció optimalizálásakor, ezért különböző matematikai módszerekkel keresik a modell optimális megoldását, mint például függvények és határértékeik vizsgálata, variációszámítás, dinamikus, lineáris és nemlineáris programozás, maximumok véletlenszerű keresése stb.

A függvényvizsgálati módszerek a differenciálszámítás klasszikus módszerei. Ismeretes, hogy ha van a Q(x) célfüggvénynek szélsőértéke, akkor optimális megoldását a következő kifejezésből kapjuk:

δQ/δx_i= 0; i = 1,2 … n.

A megadott kifejezés által meghatározott pontban a maximum akkor következik be, ha a függvény deriváltja a plusz előjelet mínuszra változtatja a szélső pontban. Ezzel szemben a szélső pontban lévő függvénynek van minimuma, ha a függvény a mínusz előjelet pluszjelre változtatja. Ha viszont a függvény nem változtatja meg az előjelet az δQ/δx_i=0 pontban, akkor abban a pontban nincs szélsőértéke a függvénynek. Ha a δQ/δx_i=0 kifejezés szerinti optimalizálási egyenletek nemlineárisak, akkor ezek megoldására elsősorban numerikus elemző számítógépes programokat vagy nemlineáris programozási módszereket használnak. A függvények tesztelésének módszerei viszonylag egyszerűbb, megkötéseket nem tartalmazó optimalizálási modellek megoldására alkalmas.

Modellezés és döntéshozatal a tervezési folyamatban

A tervezési folyamat az tervezési műveletek megvalósításával és a megfelelő megoldás kiválasztásával egyidejűleg zajlik. A tervezés fő feladatai a feszültségek- és méretek kiszámítása, valamint a formák kialakítása. A döntéshozatali műveletek a paraméterek és egyéb kiindulási értékek kiválasztására vonatkoznak, mint például az anyag, a gyártási mód, a minőség stb. Az ábra egy példát mutat be a tervezési műveletek egymás közötti kapcsolatára a fogaskerék-hajtómű fejlesztése során.

A tervezési folyamatban a modellezés egyik fontos területe az alkatrészek és szerelvények alakjának kialakítása. Ez a művelet a különböző modelltípusok, a modellezési folyamat megvalósítása szerint, megfelelő szoftverek felhasználásával történik. Az alábbi ábra szerinti bemutatás a megfelelő szoftverre épül, amely lehetővé teszi olyan alapformák kialakítását, amelyek alapján a megfelelő eljárással kialakíthatók az alkatrészek alakjai. A VDI 2225 ajánlás ezen az elven dolgozza ki az egyik lehetséges eljárást.

A modellezés másik módja az építési folyamatban egy logikai eljárás alkalmazása, amely szerint a döntés az egyes korlátok fokozatos vizsgálatával történik. A döntések lehetnek „fontosak” és „kevésbé fontosak”. Az optimalizálási megközelítés lehetővé teszi a paraméterek optimális matematikai kombinációjának kiválasztását a megfelelő eljárással.

Integrált megközelítés: Egy géprendszer akkor van a tökéletesség legmagasabb fokán, ha a szerkezet, a technológia és az üzemelés magas szintű harmonizációja megvalósul. A klasszikus megközelítésben a megfelelőségi szint és a géprendszer tökéletességi foka termékgenerációról generációra integráltan növekszik. Ha a géprendszer számítógépes rendszerekkel (CAD) épül fel, ha a technológiát számítógépes rendszerekkel (CAM) is fejlesztik, és a működési feltételeket azonos módon figyelik, akkor felmerül a kérdés, hogy lehetséges-e a gép vagy a fentebb említett három tulajdonság egyidejű fejlesztése.

Egy ilyen megközelítés gondolata egyre reálisabbá válik a módszerek, a hardver és a szoftver fejlesztésével mindhárom területen. A modellezés és szimulációk ilyen irányú fejlesztése, lehetővé teszi a valós feltételek bemutatását a szimulációk absztrakt világában.

Az integrált megközelítésben az első láncszem a CAE program, a számítógép által definiált forma (CAD) és az azt legyártó gépek számítógépes programozása és vezérlése (CAM), azaz a CAD / CAE / CAM közötti kapcsolat. Ez a három szegmens és az azt követő további számítógépes vezérlésekkel alkotja a számítógéppel integrált gyártás (CIM) gerincét. A tervezők egyidejű kommunikációját hálózatba kapcsolt számítógépeken keresztül egy szerkezet vagy technológia fejlesztése során „versenymérnöki tervezésnek” nevezik.

A fenti ábra azt mutatja be, hogyan hozzák meg a döntéseket egy fogaskerekes hajtómű modellezésekor és egyben előrejelzik az üzemi körülményeket is. A meghozott döntések mindhárom területre hatással vannak. Az ábra mutatja azokat a helyeket, ahol szükséges a kommunikáció kialakítása. Az építési folyamat fejlesztési irányai a kreativitás növelésére, a versenyképes tervezés alkalmazására, a modellezésre, a szakértői rendszerek döntéshozatalban történő alkalmazására, új építési módszerek kidolgozására, szoftverfejlesztésre irányulnak. pl.: Hengeres fogaskerékpárok optimalizálása a felületi szilárdság szempontjából. A fogaskerékpároknak szigorú műszaki és technológiai követelményeknek kell megfelelniük a kívánt teljesítmény tekintetében, különösen a maximális kihasználtsági fok, a maximális csatolási fok, a minimális tömeg, a fogaskerékpár minimális tengelytávolsága stb. Az optimalizálási modell kialakításához meg kell határozni az összes releváns mennyiséget, és tiszteletben kell tartani a változókat és követelményeket. Valamint meg kell határozni a változók és követelmények közötti kölcsönhatást. Hengeres fogaskerékpár esetén a változó mennyiségek vektora a következő összefüggés formájában írható fel: x = x (m, z₁, x₁, x₂, φ), ahol a változók a fogaskerék különböző tulajdonságait jelölik.

Optimalizálási algoritmus: A beállított többváltozós optimalizálási probléma megoldására egy véletlen számok szimulációs módszerrel történő integrált módszert alkalmazunk és egy megfelelő algoritmus segítségével találjuk meg a legjobb, kompromisszumos megoldást.

Dizájn a szerkesztésben

A tervezés az ember kreatív tevékenysége, amelyet testi és lelki világának jobb rendszerezése, formálása érdekében fejleszt. Minden használati tárgyra vonatkozik, amelyet az ember évszázadok óta állított elő különféle anyagokból, különböző technológiákkal és stílusokból. A tervezés problémája egyidős az ember vágyával, hogy valamit tervezzen. Csak a tervezési módszerek újulnak meg folyamatosan. Minden nemzedékben és kultúrában, az adott környezet és a tervező kreativitásától függ a kapott eredmény. A modern dizájn csak egy újabb megnyilvánulása az embert az életben, munkában és a szórakozásban szolgáló tárgyak, termékek és környezet kialakítására. Ezek a termékek funkciójukban, gyártási módjukban, alapanyagukban, alkalmazott technológiájukban és esztétikai megjelenésükben nagyon eltérőek.

A tervezés első fázisa egy adott termék iránti igényre, valamint annak céljára vagy egy új termék funkciójáról alkotott elképzelésére vonatkozik, és mint ilyen, a tervezési folyamat szerves részét képezi. A tervezés első szakasza a piackutatást foglalja magában. A következő a műszaki tervezési fázis. Itt történik az anyag kiválasztása, a termék műszaki felépítésének meghatározása, ami biztosítja annak megfelelő működését. Az ergonomikus kialakítás a termék-felhasználó kapcsolat legkedvezőbb megoldásaihoz kapcsolódik. Valamint a termék egy kultúra kifejeződése és tükröződése. A dizájn esztétikai része a termékforma kialakításával foglalkozik. Az ember által használt tárgyaknak a praktikusság mellett szépnek is kell lenniük, mert az esztétikai értékek nemcsak kiegészítői a terméknek, hanem szerves részét képezik annak általános minőségének is.

Ha minden azonos rendeltetésű termék tartalmazza az összes fontos dizájn elemet, akkor is ezek az alkatrészek a működésükben térnek el egymástól. Attól függően hogy a tervezés során mindegyik esetben más szempontokat vesznek figyelembe. A különbözőség az egyes elemek prioritásában nyilvánul meg, amellyel az adott termék a tervezése során rendelkezik. A ruhaiparban nagyon fontos az esztétikai komponens. Itt a dekoratív tervezés érvényesül. Egy funkcionális terméknél, mint például egy kombájn vagy teherautó, sokkal fontosabbak a funkcionális és ergonomikus alkatrészek. A személygépkocsikban és a buszokban, de a szerszámgépekben is a funkcionális és ergonómiai szempontok mellett a tervezés esztétikai összetevője is nagyon fontos. Mindazonáltal, bármennyire is jelentősek voltak az egyes összetevők a tervezési folyamatban, az összes többi szempont figyelembe vétele is szükséges a termék tervezési minőségéhez. A ruha amellett, hogy szép és modern, legyen jó anyagú, kényelmes viseletű, könnyen karbantartható stb. A kombájn vagy teherautó tervezésében ezzel szemben az esztétikai komponens is jelentős szerepet játszik, függetlenül attól, hogy a tervezés funkcionális és ergonómiai összetevője milyen feltételekhez kötött. Ezek az összetevők elkerülhetetlenül rámutatnak a tervezés interdiszciplináris voltára.

A kézműves gyártású termékek (bútorok, kerámiák, szövetek, dísztárgyak) gyártásánál általában a tervező (mester, művész) old meg minden tervezéssel kapcsolatos kérdést. Ha azonban műszakilag összetett termékről van szó (ipari formatervezés), a mai modern körülmények között a tervező szorosan együttműködik egy piackutató szakemberekből, technológusokból és kivitelezőkből, ergonómiai szakértőkből, iparszociológusokból álló tervezői csapattal. Egy termék tervezése során a különböző tervezési elemek koordinálásában a kulcsszemély a tervező. Az tervezési folyamat során döntéseket hoz és felelősséget vállal azok megvalósításáért, legyen szó akár új termék tervezéséről, akár meglévő termék újratervezéséről, ami a leggyakoribb eset. Ha a tervezési folyamat információkon és kutatómunkán alapul, vagy ha a terméket kreatívan alkotják meg hogy jól működjön és esztétikailag is megfelelő formája legyen, akkor az az alkotói folyamat folyamat eredeti terméke. Ugyanakkor maga a tervezés kreatív folyamat. Egy műszaki termékről azt mondják, hogy szép, ha a formája megfelel a célnak.

Tervezés és marketing

A termékek egyre jobb minőségűek lesznek, beleértve a dizájnt is. Ami hozzájárul a fogyasztói elvárások növekedéséhez. Emellett a termékek általános minőségével szemben támasztott magas követelményeket befolyásolja az oktatás, a kultúra, a vásárlóerő és a fogyasztói tájékoztatás, és ezek a szempontok egyre fontosabbá válnak. A cég elvárja a tervezőktől, hogy a termékorientáció a lehető legnagyobb profit érdekében megfeleljen a fogyasztók követelményeinek és vágyainak. Ily módon a tervezésnek fontos szerepe van a vállalat termelésében és üzleti tevékenységében. A cég marketing osztályának fő feladata a vállalat orientálása és szoros összekapcsolása a piaccal és a környezettel. A piackutatással foglalkozó részlegnek megbízható információkat kell nyújtania a piaci helyzetről, annak igényeiről és követelményeiről. Ezek képezik a cég minden fejlesztési tervének alapját. Így a marketing igen nagy hatással van a vállalat termelésére és üzletmenetére. Fontos, hogy a piackutatás és a terméktervezés, a termelést és az üzletmenetet irányító tevékenység alapján a cég erős piaci pozíciót szerezzen. Ez azt jelenti, hogy egy vállalat termelésében és üzleti tevékenységében a tervezésnek és a marketingnek együtt kell működnie. A marketingnek a kutatási tevékenységben kell szerepelnie, mert a megbízható információk alapján a tervezők új termékeket hoznak létre és ez alapján fejlesztik a meglévőket. Másrészt minden sikeres termék a marketing alapvető mozgatórugójává válik a piac és a fogyasztók meghódításában. Ebből láthatjuk a dizájn és a marketing szerves kapcsolatát. Minden tevékenységük egy minőségi, versenyképes és optimális termékre összpontosul, amelyet meg kell tervezni, előállítani, értékesíteni és profitot termelni.

A számítógép mint a vizuális bemutatás eszköze az ipari tervezésben

Az ipari formatervezésben a rajzolás lehetővé teszi olyan információk rögzítését, amelyek elősegítik a tervező ötletének vizuális bemutatását. A rajz az alapvető kommunikációs eszköz a tervezők és az új termék létrehozásának folyamatában résztvevő személyek között. Tekintettel arra, hogy az ipari tervezésben a projektet csapatban végzik, különféle profilú szakértők részvételével, a rajznak rendelkeznie kell egy univerzális, mindenki számára érthető kommunikációs nyelv jellemzőivel. Ráadásul az ipari formatervezésben a rajzok mindig több tervezési kérdéshez kapcsolódnak, ezért megjelenésükben és tartalmukban is különböznek egymástól. Ezért az ipari tervezésben különböző típusú rajzok léteznek, a hagyományos műszaki rajztól a képi ábrázolásig. Az ipari formatervezési rajz különbözik a hagyományos műszaki rajztól. A művészi kifejezés elemeit és a technikai adatokat egyesíti a termékfejlesztéshez szükséges információk érdekében. Az összes vonatkozó rajzot a projektdokumentáció tartalmazza.

Az ipari tervezésben a rajzokhoz hagyományos eszközöket (ceruza, pasztell stb.) és számítógépet használnak. A hagyományos eszközökkel rajzoló tervezőnek fontos, hogy rendelkezzen érzékelési képességgel, amely a formák és a terek érzékelésében, valamint a kompozíciós alapelvek alkalmazásában is megmutatkozik. A számítógépes rajzoláshoz fontosak a különböző perifériális eszközök , szoftverek és a tervezők számítógépes munkavégzéshez való képessége. A megfelelő rajzeszköz céltudatos és racionális megválasztása az igények és lehetőségek függvényében történik, ahol a számítógép nem egyszerűen helyettesíti a hagyományos eszközöket, ahogy a rajz sem helyettesítheti a 3D-s modellt.

A CAD rendszer speciális programokat használ, mint például IDEAS, MICRO-CAD Helix, Pro-ENGENEER stb. és megfelelő számítógépes kiegészítőket. A számítógépes rajzolás fő előnye a rugalmas modellek felépítése. A rugalmasság abban mutatkozik meg, hogy a modell teljes fejlesztési és tesztelési folyamata bármikor könnyen és gyorsan megváltoztatható, ellenőrizhető és bemutatható, amelyek nem igényelnek visszatérést a munka elejére. Az ilyen modellek gyorsan továbbíthatók és megoszthatók helyi vagy globális hálózaton. A számítógépes tervezőrendszerek alkalmazása lehetővé teszi a gyors átállást a 3 dimenziós (virtuális térmodellről) a 2 dimenziós rajzolásra és fordítva, ami a teljes tervezési folyamat során szükséges. Az ipari tervezésben a számítógép, mint rajzolási eszköz hatékony használatának feltétele a hagyományos rajzolási módszerek és technikák ismerete valamint a 3D-s térben való tájékozódás.

A dokumentáció minden részének kialakításához nem csak a számítógépes munka ismerete szükséges, hanem olyan egyéb feltételek teljesítése is, amelyekre a számítógép nem tud megoldást kínálni. Ilyen például a látószög és a szín kiválasztása, a világítás típusai, a dokumentáció végleges megjelenése stb. Ezért elengedhetetlen a formák karakterének, arányainak, a fényjelenségeknek, a művészi bemutatása. A tervezőnek elsősorban a megoldáson kell gondolkodnia, nem a megoldás bemutatásán, mert így olyan helyzetbe kerülhet, hogy csak azt tervezi meg amit meg tud rajzolni is. Ebben az értelemben a rajzolás (a modellalkotás folyamata) az ipari formatervezésben egy ötlet vizuális megjelenítésének a feladata. Az alkatrészek, szerelvények és gépek konstrukciós megoldásainak megtervezett formáinak képi bemutatása hozzájárul a tervezett szerkezetek vizuális megjelenítéséhez.

Zajok a gépi rendszerekben

A gépi rendszerekben az energia átalakulása történik, elsősorban mechanikai energiává alakulnak át a más energiák. Ez az átalakulás következtében történik a munkavégzés. Ennek az energiának egy része rugalmas deformációkkal és hullámmozgással jut el a rendszer egyes részeihez. Ezek egyik része rezgéseket gerjeszt, a másik, jóval kisebb része pedig külső felületekre jut át, amelyek rezgése hanghullámokat hoz létre. Még ha nagyon alacsony intenzitású is, a hangenergia nagyon kellemetlen és káros lehet a környezetre. A gépi rendszerek által kibocsátott hanghullámok nagyszámú egyedi hullámból állnak. Kényelmetlensége és nagy intenzitása miatt ezt a jelenséget zajnak nevezik.

Az akusztika a hangterjedés és a zaj problémájával foglalkozik. A géprendszerek zajkeltési mechanizmusának ismerete megfelelő konstrukciós megoldásokat is lehetővé tesz a zajszint csökkentésére. A gépi rendszerekben a mechanikai- és egyéb energiák átalakulása az elemek intenzív mozgásával valósul meg. Ugyanakkor az alkatrészek ütköznek, csúsznak és gurulnak, ezáltal az energia egy része elveszik a rendszer rezgésének következtében. Az elveszett energia és a kibocsátott zaj között kapcsolat van. Méréssel vagy meghallgatással figyelemmel kísérhetjük a gépet üzem közben és értékelhetjük a rendszer működésének helyességét.

Az ábrán példák láthatók az alkatrészek rezgésére: a) ütközés a csuklóban, b) a fogaskerekek fogainak ütközése, c) ütközések a motor szelepét nyitó mechanizmusban és d) a gördülőcsapágy pályájának deformációja. Az ütközések nagy intenzitásúak lehetnek az anyagfeldolgozási folyamatokban.

A törőgépek, ércmalmok, prések és kalapácsok tipikus példái az erős ütéseket generáló munkagépeknek. A csúszás során az egyik felület egyenetlenségei megragadják egy másik felület egyenetlenségeit. A mozgás során, amikor rugalmasan és plasztikusan deformálódnak, a surlódó felületek tovább sérülnek és közvetlenül az egyenetlenség alatt átadják a terheléseket, alakváltozásokat a géprész többi részére. Ha az egyik alkatrészt a másikhoz viszonyítva elmozdítjuk, az egyenetlenségek következtében a felületi réteg síkjában rezgések keletkeznek. A hullámmozgás energiájának egy része a géprész belsejébe is átkerül. A csúszás során létrejövő akusztikus nyomásimpulzus az ábrán látható.

A hangrezgések komplex spektrumában, amint azt az ábra is mutatja, minden amplitúdó megfelel annak a frekvenciának, amelyen az adott amplitúdó előfordult. Az alapfrekvencia mellett azonban, vannak magasabb és alacsonyabb rezgések is. Ezek az összetett amplitúdó-frekvencia spektrumok egyedi rezgésekre bonthatók és a műszerek meg tudják határozni az egyes amplitúdókhoz tartozó frekvenciát. Ez az ún. zaj és rezgések frekvenciaelemzése. Így közvetve, a zaj és a rezgések elemzésével felderíthető a különböző dinamikus jelenségek és a vibrációk okai a gépi rendszerekben. Ezt a módszert a géprendszerek műszaki diagnosztikájában használják. Az alábbi ábrán az f_m1 és f_m2 az m₁ és m₂ tömegek sajátfrekvenciáját, az f_c pedig az egyenetlenségek ütközési gyakoriságát jelöli.

A járművek kerekei kisebb-nagyobb mértékben zajt okozó zavarokat keltenek. A gördülőcsapágyak és más gördülő elemek a géprendszerekben makro- és mikroelasztikus deformációkat okoznak, amelyek zavaró energiát hoznak létre a közvetlenül érintkező alkatrészek rugalmas közegében. Ez az energia hanghullámok formájában szabadul fel.

Zaj keletkezik az áramlási folyamatokban is, mint például: áramlás a csövekben, folyadékszivárgás, lapátok és turbinák meghajtása stb. Az áramlás során mikroörvények keletkeznek a szilárd felületek egyenetlenségeivel való érintkezés következtében és makroörvények, amikor a folyadék akadályba ütközik. E jelenségek következtében a folyadék mozgási energiájának egy része nyomási energiává alakul. A helyi nyomás növekedése robbanást okoz, vákuumot és buborékot hozva létre, amelybe hirtelen folyadék hatol be. A hirtelen tágulás és összehúzódás, azaz a folyadék behatolása a buborékba hanghullámokat generál, amelyek a folyadék zajaként vagy a gázok sziszegéseként hallható. Ha ez a folyamat szilárd felülettel érintkezve megy végbe, az előidézheti az anyag kifáradását. A felület ilyen típusú károsodását kavitációnak nevezik. A sérült felület hozzájárul a helyi örvények gyarapodásához és a kavitációs folyamat felgyorsulásához. Így kezdetben a kavitáció enyhe zajként észlelhető, amely idővel fokozódik, és a kavitációs folyamat végén nagyon nagy intenzitást vesz fel.

Égések a gépi rendszerekben, mint például belső égésű motorok, kazánok stb. esetében zajok is keletkeznek, miközben a hőenergia hangenergiává alakul. A zavar akkor lép fel, ha a nyomás növekedésével egyidejűleg hőt visznek be a zárt térbe. Ugyanakkor a gáz entrópiája meredeken növekszik. A belső égésű motorban a nyomás a térfogat csökkenésével növekszik. A hirtelen gyulladás az entrópia növekedését és a zavar létrejöttét okozza. A gázturbinák égésterében a nyomás a gázáramlás változásával változik. A belső égésű motorok gyújtási időzítésének matematikai modellezésével és beállításával az elsődleges hanghullámok energiái csökkenthetők. A gázturbinák égési folyamatát és meghajtását a légáramlás beállításával lehet szabályozni. Ilyen módon az elsődleges hanghullámok energiája csökkenthető.