plik

IV. PODSTAWY PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO

1. PODSTAWOWE ELEMENTY DZIAŁANIA PROJEKTOWEGO.

Do podstawowych elementów działania projektowego zaliczyć możemy:
formułowanie zadania projektowego, analizę zadania projektowego, poszukiwanie rozwiązań,
wybór i optymalizację, sporządzenie dokumentacji rozwiązania zadania projektowego.
Etap formułowania zadania projektowego ma na celu określenie celu projektowania, a więc
określenie istoty potrzeby, jaka ma być zaspokojona. Z tego względu zadanie projektowe
powinno być formułowane ogólnie, tak aby nie ograniczać liczby możliwych rozwiązań.
Formułowanie rozwiązania ułatwia uzyskanie optymalnego rozwiązania.
Na etapie analizy zadania projektowego ustala się zasadnicze warunki jego wykonania, w
tym przede wszystkim : określa się wymagania projektowe, dokonuje się optymalizacji
wymagań projektowych. Wymaganiami projektowymi są wszystkie ograniczenia narzucone na
rozwiązanie projektowe.
Na etapie poszukiwania rozwiązań  projektowych ma zostać rozwiązany problem,
sformułowany w zadaniu projektowym. Do metod najczęściej stosowanych na etapie
poszukiwania rozwiązania należą: metoda prób i błędów, metoda pytań, burza mózgów,
metoda morfologiczna, metoda drzewa rozwiązań, metoda systemowa.
Kolejnym elementem działania projektowego jest wybór i optymalizacja. Na etapie tym
należy dokonać wyboru jednego, najlepszego z punktu widzenia przyjętego kryterium lub
układu kryteriów. Rozwiązanie musi spełniać wszystkie wymagania sformułowane w zadaniu
projektowym. Optymalizacja ma zastosowanie szczególnie w zadaniach konstrukcyjnych.
Sporządzanie dokumentacji rozwiązania zadania projektowego jest ostatnim etapem
procesu projektowania. Dokumentacja ta zawiera opis rozwiązania zadania wraz ze
wszystkimi niezbędnymi szczegółami.

2. SYSTEMY JAKO PRZEDMIOTY PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO.

Z punktu widzenia zasad inżynierii systemów można wyróżnić w projektowaniu następujące
systemy podstawowe:
-proces zaspokajania potrzeb jako nadsystem projektowania
-projektowanie
-podmiot projektujący
-przedmiot projektowany

Szczególnie istotne znaczenie ma wykorzystanie inżynierii systemów w przypadku przedmiotu
projektowanego, zwłaszcza gdy przedmiot ten jest złożony. Zastosowanie analizy systemowej
pozwala na ustalenie najkorzystniejszej struktury systemu, a więc podziału systemu na
podsystemy oraz ustalenie relacji i sprzężeń zwrotnych zarówno między podsystemem, jak też
między systemem a otoczeniem. Tak określona struktura określa system w stanie statycznym,

niewystarczającym dla właściwej optymalizacji. Dopiero gdy na wejściu systemu
wprowadzone zostaną: energia, materiały i informacja system przechodzi w stan dynamiczny,
a więc zachodzą w nim pewne procesy, w efekcie których pojawia się finalny produkt
działalności systemu.

Systemowe ujęcie procesu produkcyjnego, jest bardzo ważne gdyż pozwala na wyróżnienie
elementów składowych, które w różnym stopniu wpływają na końcowy efekt ekonomiczny
firmy.

W podsumowaniu można stwierdzić, że zastosowanie inżynierii procesów w projektowaniu
umożliwia:

a) wyodrębnienie projektowanego lub badanego systemy z otocznia; zdefiniowanie

systemu i otoczenia

b) określenie celu funkcjonowania systemu
c) dekompozycje systemu na podsystemy i elementy składowe oraz syntezę systemu z

elementów i podsystemów

d) badanie struktury systemu, powiązań między elementami systemu oraz między

systemem a otoczeniem

e) analizę wejść i wyjść systemu oraz operatora przekształcającego wejścia na wyjścia
f) analizę systemu jako całości, zależnej od własności jego elementów składowych,

wartościowanie rozwiązań projektowych systemu

g) planowanie oraz harmonogramowanie prac systemu projektującego

3. OGÓLNE ZASADY POPRAWNEGO PROJEKTOWANIA.

1. Z. rozpoznania potrzeby (projektowanie wymaga pełnego zrozumienia potrzeby i

sformułowania jej odpowiednio do celów projektowych).

2. Z. niezbędnej pewności projektowej (należy tak wykonać proces projektowania,

aby najskuteczniejszą drogę przejść od stanu niepewności do stanu niezbędnej
pewności).

3. Z. realizowalności (wytwory projektowania muszą spełniać warunki realizowalności

fizycznej, ekonomicznej i finansowej).

4. Z. jedności funkcji, konstrukcji i formy (projekty powinny spełniać warunek

harmonizowania funkcji, konstrukcji i formy).

5. Z. elastyczności (projektowanie powinno dążyć do takich rozwiązań, które mogłyby

dostosować się czasie zmian otoczenia oraz spełniać zadania zmieniające się wraz ze
zmianą celów).

6. Z. równomiernego zużycia składników systemu (czasokresy zużywania się składników

systemu powinny być wzajemnie zharmonizowane).

7. Z. wiodącej roli syntezy ( w procesie projektowania synteza powinna stanowić czynnik

podstawowy).

8. Z. optymalności (decyzje i rozwiązania powinny być optymalne).
9. Z. hierarchii celów i kompletnego wyważania wartości ( w rozwiązaniach

projektowych należy uwzględnić hierarchie celów, a przy ocenie wytworów i rozwiązań
projektowych trzeba wyważać różne rodzaje wartości składające się na wartość
ogólną).

10. Z. ekonomiczności informacji projektowej (projekty powinny mieć ekonomicznie

wyważoną ilość informacji, gdyż nadmiar informacji kosztuje).

4. MAKROSTRUKTURA I MIKROSTRUKTURA PROCESU PROJEKTOWANIA.

Proces projektowania prowadzi się zazwyczaj w wielu fazach, różniących się stopniem
szczegółowości otrzymanej informacji o projektowanym obiekcie. Po każdej fazie podejmuje
się decyzje akceptującą otrzymane rezultaty („TAK”) lub nakazująca uzupełnienie niektórych
działań poprzedzającej fazy („NIE”) . Przyczyną podziału procesu projektowania na fazy jest
również umożliwienie decydentowi wzięcia udziału w tym procesie w trakcie jego trwania.
Zaplanowanie decyzji pośrednich (po kolejnych fazach makrostruktury) zabezpiecza
projektanta przed ryzykiem tego, ze decydent po zakończeniu projektowania, a zatem po
wykonaniu dokumentacji końcowej zmieni np. założenia albo nie zaakceptuje ogólnej
koncepcji rozwiązania danego zadania. Dla każdej fazy należy wyraźnie określić, jaki jest
zakres i szczegółowość informacji wejściowej oraz cel fazy, czyli zakres, dokładność i poziom
ufności informacji wyjściowej, oraz sprecyzować (choćby orientacyjnie) kryteria
podejmowania decyzji tej fazy.

Makrostruktura – kryterium podziału na fazy są główne decyzje; rezultatem każdej fazy jest
formalny dokument. Kolejne fazy mają ten sam zakres, gdyż obejmują cały przedmiot
projektowania, oraz zwiększający się stopień szczegółowości informacji o przedmiocie
projektowania. Ogólna budowa struktury jest liniowa, sekwencyjna, bez iteracji. Istnieje
możliwość pomijania niektórych faz. Makrostruktura obejmuje cały proces projektowania: od
zlecenia do końcowej dokumentacji (np. od badan studialnych do sprawdzonej dokumentacji
dla produkcji seryjnej). Struktura ta jest podstawą pracy generalnego projektanta; służy mu
do planowania, koordynacji, kierowania i kontroli przebiegu wszystkich prac projektowych.

Mikrostruktura - reprezentuje sekwencje działań podczas rozwiązywania elementarnych
(najprostszych) zadań w procesie projektowania. W odróżnieniu od makrostruktury, która
obejmuje cały proces, mikrostruktura dotyczy tylko pojedynczych zadań, wykonywanych
najczęściej prze jednego człowieka, w dość krótkim czasie. Kryterium podziału na
poszczególne elementy w tej strukturze nie może być pominięty. Ma ona charakter iteracyjny
i rekurencyjny. Mikrostruktura – kryterium podziału stanowi odmienność działań w każdym
etapie. Ogólna budowa tej struktury realizuje zasadę kolejności następujących działań:
syntezy – analizy – oceny – optymalizacji – decyzji, tworzących wielokrotnie powtarzana
pętlę. Mikrostruktura ma budowę iteracyjną. Nie można pominąć żadnego etapu, przy czym
rezultaty kolejnych etapów nie muszą być formalnie rejestrowane. Mikrostruktura umożliwia

indywidualnemu projektantowi poznanie racjonalnej kolejności działań w procesie
przetwarzania i generowania informacji. Opisuje strukturę rozwiązywania pojedynczych
zadań.

5. WYMAGANIA PROJEKTOWE W PROCESIE PROJEKTOWANIA.

Wymaganiami projektowymi są wszystkie ograniczenia narzucone na rozwiązanie
projektowe. Listę tych wymagań ustala się heurystycznie. Po ustaleniu listy wymagań określa
się w odniesieniu do nich typowe przedziały wartości dopuszczalnych. Wymagania
projektowe opisują więc zadanie w sposób ilościowy.

Typowe wymagania projektowe można zestawić w następujące grupy:

a)   funkcjonalne (wynikające bezpośrednio z funkcji obiektu),
b)  niezawodnościowe (charakteryzujące żądaną trwałość i odporność na zużycie),
c)  dynamiczne (związane z prędkością działania obiektu oraz układów współdziałających),
d)  ergonomiczne i estetyczne (opisujące stopień dopasowania obiektu do fizycznych i

psychicznych możliwości oraz potrzeb człowieka),

e) kulturowe (wynikające z uwarunkowań obyczajowych, religijnych i in.),
f) ekonomiczne (określające główne wskaźniki kosztów oraz planowaną skalę produkcji

projektowanego obiektu),

g) technologiczne (opisujące możliwość i łatwość wykonania obiektu, w tym np.

dostępność materiałów, parametry dostępnych urządzeń produkcyjnych, możliwość
przechowywania, pakowania, transportu itd.),

h) ekologiczne (charakteryzujące i ograniczające niekorzystne oddziaływanie obiektu na

otoczenie naturalne: atmosferę, glebę, faunę, florę itd.),

i) wynikające z możliwości obliczeń i zakresu ważności przyjętych w obliczeniach modeli

matematycznych,

j) prawne (wynikające z prawa obowiązującego na obszarze, gdzie projektowany obiekt

będzie wytwarzany i użytkowany),

k) formalne (wynikające np. z norm czy katalogów)

6. METODY KONCYPOWANIA.

Podział heurystycznych metod koncypowania:
- metody do pracy indywidualnej lub grupowej,
- metody ogólne lub metody wyspecjalizowane,
- metody rozwiązywania zadań wynalazczych lub metody do zadań bardziej rutynowych,

- metody ściśle heurystyczne (np. synektyka) lub metody o pewnym stopniu
zalgorytmizowania,

Operatory metod heurystycznych koncypowania.

1. Analogie – szukanie analogii polega na wykrywaniu podobieństwa między różnymi
elementami, np. obiektami (konkretami), ze względu na ich właściwości, które są abstraktami.
Współczesna psychologia uznaje analogię jako fundamentalną formę myślenia. Szukanie i
formułowanie analogii jest podstawowym operatorem synektyki. Analogie traktuje się jako
metodę działania poznawczego polegająca na świadomym poszukiwaniu podobieństwa
między znanym a szukanym, w celu przeniesienia i wykorzystania informacji o właściwościach
obiektu znanego na obiekt szukany. Twórca synektyki Gordon, wyróżnił i opisał cztery
charakterystyczne rodzaje analogii: -analogia osobista –analogie prostą (bezpośrednia) –
analogie symboliczną –analogie fantastyczną.

2. Superpozycje - jest metodą stymulacji myślenia twórczego, wymuszającą kojarzenia idei,
pomysłów rozwiązań, metod itp. Po to by w ten sposób zwiększyć prawdopodobieństwo
znalezienia nowej idei pomysłu, rozwiązania, metody itp. Punktem startowym tej metody jest
problem do rozwiązania lub konkretna konstrukcja (czy metoda) do ulepszenia. Pierwszym
krokiem w metodzie superpozycji jest wybranie na chybił trafił kilku obiektów. Można do tego
użyć np. encyklopedii lub słownika dowolnie biorąc hasła albo wziąć dowolne elementy
spośród widzianych na wystawie sklepowej czy spośród otoczenia. Następnie wymienia się
kolejno różne cechy tych obiektów (dotyczące budowy, właściwości użytkowych, wyglądu,
skojarzeń z nimi wywołanych) i zestawiając je z badanym problemem próbujemy znaleźć
nowe skojarzenia, ukazujące badany problem w nowym świecie.

3. Metoda rozwiązania idealnego - twórca metody jest Gerald Nadler (1959, USA) istotą tej
metody jest zrezygnowanie z rozwiązania danego zadania na drodze ewolucji, tzn. przez
usuwanie i niedogodności znanych rozwiązań, i przyjęcie drogi rewolucyjnej, przez
wyobrażenie sobie stanu idealnego. Ten stan idealny może dotyczyć zarówno warunków
użytkowania jak i samego obiektu projektowania. Rozwiązaniem idealnym jest takie, które w
sposób doskonały realizuje stawiane mu cele, nie mając przy tym żadnych niedogodności (np.
nie zużywa energii, nie zajmuje miejsca, nic nie kosztuje). Biorąc pod uwagę możliwość
realizacji takiego obiektu, warunki użytkowania oraz inne ograniczenia, wyróżnia się trzy
stopnie idealności: -obiekt idealny teoretyczny (najbardziej idealny), pełniący rolę myślowego
wzorca, przyczyniając się do zniesienia granic myślenia i do oderwania się od znanych
projektantowi rozwiązań, -obiekt maksymalny, idealny w określonych okolicznościach
użytkowania, -obiekt możliwy do wykonania, optymalny, spełniający wszystkie ograniczenia
rzeczywiste.

4. Gra ze słowami - Współcześni badacze (np. Mc Luhan, Chomski) zgodnie wskazują
podstawową rolę języka (semantyki słów, gramatyki) w procesie rozumienia otaczającego nas
świata. Nasze wyobrażenia o tym, co jest i co może być (co projektujemy) zależą od użytych
słów do nazwania i opisu rzeczy. Zatem operowanie słowami i ich znaczeniami
semantycznymi może przyczynić się do stymulowania myślenia twórczego. Proponuje się więc
szukanie synonimów lub słów bliskoznacznych do tych, które mają kluczowe znaczenie w
sformułowaniu zadania. Na przykład jeśli zadaniem do rozwiązania jest: ”pompować wodę dla
potrzeb ogródka działkowego z pobliskiego stawu” możemy próbować zastąpić słowo
„pompować” następującymi wyrazami bliskoznacznymi i skojarzeniami: tłoczyć, ssać,
przelewać, przetłaczać, przetaczać, czerpać, chlustać, sikać, przesączać, ciurkać, chlapać.
Mogą one sugerować inne, daleko wygodniejsze rozwiązania

7. PIERWOTNE, NADRZĘDNE I ZADANIOWE KRYTERIA OPTYMALIZACJI

W PROJEKTOWANIU INŻYNIERSKIM.

Nadrzędne kryterium optymalizacji jest niezmiennikiem danego procesu projektowania, tzn.
jest ważne dla wszystkich zadań tego procesu. Ocena polega na przypisaniu kolejnym
wariantom rozwiązania wartości kolejnych kryteriów; w wypadku zbiorów nieprzeliczanych
rolę ocen odgrywa model matematyczny wariantów.

Nadrzędnym kryterium optymalizacji nazywa się takie wielkości lub pojęcia, niekoniecznie
zdefiniowane lub jednoznacznie określone, w stosunku do których wyraża się życzenie, aby
były ekstremalne (tzn. minimalne lub maksymalne), np. maksymalna wygoda użytkowania czy
minimalne straty produkcyjne. Wykorzystując nadrzędne kryterium optymalizacji, ustala się
kryteria cząstkowe, czy kryteria oceny.

Optymalizacja stanowiąca wybór ze zbioru nieprzeliczalnego, ma charakter szczególnie w
zadaniach konstrukcyjnych. Typowym przykładem optymalizacji lub polioptymalizacji jest
wyznaczenie optymalnych wartości głównych cech konstrukcyjnych projektowanego obiektu,
gdy dana jest jego koncepcja (idea). Wartości optymalne to takie wartości, w odniesieniu do
których pewne inne wielkości, zwane kryteriami oceny osiągną wartości najlepsze oraz
zostaną spełnione wszystkie wymagania (ograniczenia). Obecnie istnieje bardzo duży zbiór
metod stosowanych w celu rozwiązania zadania optymalizacji, stąd wybór właściwej metody
może być trudny. Czasami dopiero po wielu próbach można powiedzieć, która metoda jest
najlepsza w wypadku konkretnego zadania. Zadanie polioptymalizacji dotyczy takich
problemów, w których należy maksymalizować lub minimalizować jednocześnie wiele
kryteriów oceny.

8. SYNEKTYKA JAKO METODA ORGANIZACJI PROCESU PROJEKTOWANIA.

Synektyka jest metodą twórczego rozwiązywania problemów, która wykorzystuje zdolność i
pojemność ludzkiego umysłu do łączenia razem na pozór niepowiązanych ze sobą elementów,
co z kolei motywuje umysł do poszukiwania nowych idei i rozwiązań w wybranym przez nas
problemie. Według Gordona jest to technika, która obok opisanego powyżej myślenia
metaforycznego pozwala na uzyskanie nowej perspektywy myślenia. Jest to zjawisko
charakterystyczne dla ludzi twórczych.

Synektyka (W.Gordon, USA 1961) łączy cechy „burzy mózgów” i analizy morfologicznej :
emocjonalność i racjonalność. Celem tej metody jest wykorzystanie spontanicznego myślenia
i odczuwania do badania i przekształcania zadań projektowych. Metoda trudna, kosztowna,
wymagająca pracy grupowej, rozwiązuje zadania nowatorskie i nie tradycyjne. Zakres działań
grupy synektycznej obejmuje poszukiwanie nowych rozwiązań i ich weryfikację fizyczną.

Szukanie i formułowanie analogii jest podstawowym operatorem synektyki. Analogie traktuje
się jako metodę działania poznawczego polegająca na świadomym poszukiwaniu
podobieństwa między znanym a szukanym, w celu przeniesienia i wykorzystania informacji o
właściwościach obiektu znanego na obiekt szukany.

Twórca synektyki Gordon, wyróżnił i opisał cztery charakterystyczne rodzaje analogii:

a)  analogię osobistą
b)  analogię prostą (bezpośrednia)
c)  analogię symboliczną
d)  analogię fantastyczną.

Etapy postępowania w Synektyce Gordona
1. Postawienie problemu,
2. Zdefiniowanie i analiza problemu,
3. Wstępne oczyszczenie problemu,
4. Sformułowanie problemu,
5. Analogie bezpośrednie (pierwsza faza),
6. Analogie fantastyczne,
7. Analogie osobowe,
8. Analogie symboliczne,
9. Analogie bezpośrednie(druga faza),
10. Analiza,
11. Wymuszenie rozwiązania,
12. Nowe punkty widzenia.

9. BAZY DANYCH W PROJEKTOWANIU INŻYNIERSKIM.

Baza danych- to zestaw uporządkowanych informacji przechowywanych w stałej pamięci
komputera. Główne funkcje baz danych (implementacje) w przemyśle to:
a) obszar zarządzania przedsiębiorstwem, w tym produkcją. Systemy: MRP II/ERP, PPC, tryb
on-line),

b) obszar zarządzania technicznego (system zarządzania bazą danych DMBS (offline)-
kompatybilny z CAD/FEM/CAP/CAM, idealnie dostosowany do pracy projektantów i
inżynierów)

Rodzaje informacji w bazach danych:
- rysunki
–tablice
–wzory matem
–algorytmy
–wykresy
–opisy.

W procesie projektowania informacje są wyszukiwane, gromadzone, przetwarzane ,
przechowywane.

Informacje przechowywane w bazie danych dotyczą m.in. parametrów technicznych,
wielkości normatywnych, własności materiałów, stosowanych metod, warunków w jakich
projekt będzie realizowany.

Bazy danych zawierają również cenniki, katalogi ,opisy rozwiązań lub kompletne
dokumentacje projektów realizowanych w przeszłości.

Baza danych powinna być na bieżąco uzupełniana i aktualizowana, a ponieważ informacje
mogą być przechowywane w pamięciach zewnętrznych komputera możliwe jest dowolne
rozbudowywanie bazy danych, stosownie do potrzeb i możliwości sprzętowych zespołu
projektującego.

Najczęstszym sposobem zapisu i przetwarzania dużych zbiorów danych jest system
zarządzania bazą danych RDBMS, który składa się z oprogramowanych procedur
wprowadzania, zapisu i przetwarzania danych utworzonych na podstawie własności i relacji
między nimi. Użytkownik systemu wprowadza dane wywołuje je i modyfikuje w zakresie
dozwolonym przez system zarządzania danymi. Zakres oraz prawa dostępu do danych,
mechanizmy modyfikacji oraz zabezpieczenia danych są przypisywane wszystkim
użytkownikom przez administratora systemu. Dane zapisywane w odpowiednich tabelach
mogą być wielokrotnie używane do różnorodnych zastosowań.

Baza danych tworzona na potrzeby komputerowego wspomagania projektowania i
uzupełniona o potrzebne informacje jest wykorzystywana również do sterowania

wytwarzania wyrobów w ramach systemy CAM. Oznacza to że funkcjonuje jedna
ogólnozakładowa baza danych obsługująca systemy CAD/CAM, która zapewnia zarządzanie
projektem, zmianami i wersjami w całym procesie projektowania i wytwarzania.

10. PODSTAWOWE TECHNIKI CAX W PROJEKTOWANIU INŻYNIERSKIM.

Ponieważ wciąż nowe dziedziny zostają objęte komputerowym wspomaganiem, w celu
określenia technik i narzędzi komputerowych stosowanych w zintegrowanym wytwarzaniu
używa się ogólnego terminu CAx. W pracach inżynierskich stosuje się różne pakiety
programowe powstałe w wyniku integracji programów. Należą do nich m.in.:

CAM (computer aided manufacturing) - wspomagane komputerowo sterowanie procesem
wytwarzania, z wykorzystaniem obrabiarek sterowanych numerycznie i obrabiarek
sterowanych mikroprocesorami.
CAM wykorzystuje utworzone w środowisku CAD projekty i generuje bezpośredni kod
sterujący maszyną. Generowanie kodów odbywa się na podstawie zadanej geometrii
obrabianego przedmiotu. Większość programów CAM ma możliwość wizualizacji obróbki,
niektóre dają nawet możliwość pomiaru wykonanego teoretycznie detalu

CADD (computer aide design and drafting) - wspomagane komputerowo geometryczne
modelowanie w zintegrowanym procesie konstruowania i projektowania

CIM (computer integrated manufacturing) - komputerowo zintegrowane wytwarzanie.
Najbardziej rozwinięta koncepcja produkcji, integrująca programy w obszarach zarządzania,
planowania, projektowania konstrukcyjnego i technologicznego, programowania urządzeń
sterowanych numerycznie (NC)nadzoru ich funkcjonowania oraz sterowania produkcją z
uwzględnieniem gospodarki zasobami magazynowymi, transportem bliskim i logistyką

CAT (computer aide testing) - sterowany komputerowo proces kontroli technicznej w
procesie wytwarzania. Umożliwia kontrolę jakości w trakcie procesów technologicznych oraz
kontrolę gotowych wyrobów.

CAE (computer aide engineering) - łączne określenie komputerowego wspomagania prac
inżynierskich, tzw. systemów łączących: CAD, analizę pola, obsługę eksperymentu,
komputerowe sterowanie obiektami, edytory tekstów, bazy danych i inne.

CAP (computer aide planning) - komputerowo wspomagane planowanie. Wspomaga
projektowanie technologiczne obejmuje opracowanie dokumentacji technologicznej z
uwzględnieniem modelu geometrycznego przedmiotu, jego stanów pośrednich, narzędzi,
oprzyrządowania, rodzaju maszyn i parametrów obróbki.

CAPP (computer aide process planning) - komputerowo wspomagane planowanie procesów.
Ta klasa systemów jest szersza niż klasa CAP. W zakresie zastosowań CAPP mieszczą się także
wszystkie metody i techniki technologicznego przygotowania produkcji realizowanej