Подбор на софтуер за симулационно движение, част 2

Защо са нужни всички тези усилия и смут? Има много добри икономически причини за възприемането на механотрониката: по-кратък период за пускане на пазара, по-малко физически прототипи (поради това и по-ниски разходи), намален брой корекции в края на цикъла на разработка и като цяло по-качествени продукти (виж. Фигура 1). В допълнение, на лице е и желанието да се избегнат негативните резултати при традиционния подход.
Факт е, че старият подход на конструиране върви с много „мъртви зони” - недостатъци, които създават предпоставки в най-добрия случай за лоши резултати, а в най-лошия – за злополуки. Нека да разгледаме следните примери:
Новите продукти изискват все повече и повече енергия. Почти във всички области, целта е нагряване. В тези случаи, термичното управление често попада между електро-и машинното инженерство. Електро инженерите са отговорни за внимателния подбор на компоненти, например, електрическа верига, която е енергийно ефективна и генерира възможно най-малко топлина. Това обикновено се осъществява от усъвършенстван софтуер, електроцентрали , както и от компоненти с малка мощност. Машинните инженери се справят с проблема посредством флуидно охлаждане и безшумни вентилатори. Въпросът тук е, че тези дисциплини не могат да оптимизират устройството, ако действат самостоятелно.
По-екстремен пример за тези бели полета може да се види в трагедията с Аполо 1. На 27 януари 1967 г., пожар уби астронавтите Roger Chaffee, Ed White и Gus Grissom на борда на космическия кораб, докато репетирали процедурата по спускане. Атмосферата вътре в капсула била с чист кислород, които помогнал да се избегнат проблемите, които биха възникнали, ако имаше азот. От чисто механична и електрическа гледна точка, поставянето на кислород не би трябвало да предизвика проблеми. Не би хрумнало на никого, че ако е налице среда с чист кислород и окабеляване, една искра може да възпламени кислорода и да предизвика ужасен пожар. Именно тези различия между дисциплините – на биоинженерите, на машинните и електро инженерите – карат конструкторите да пренебрегнат заплахата. 

Фигура 2: Графичният език за програмиране LabVIEW на National Instruments е средство, познато на инженерите и свързано с широк спектър от дисциплини, които визуално улавят намерението на конструктора и са взаимно зависими. Софтуерът е лесен за използване, на високо равнище с функционални блокове осигуряващи започване на движението веднага, след като CAD моделът е създаден. Снимка National Instruments

"Това, което инженерите в една област не вземат предвид, когато създават електромеханични системи са взаимозависимостите и значимите проблеми между дисциплините", казва Dave Blakely, директор технологични стратегии в IDEO, занимаваща се с консултации в областта на конструирането със седалище в Palo Alto, Калифорния . "Когато се натъквате на сложни системи, научавате за напълно неочаквани взаимодействия между електрическите и химически системи или между механичните и електрически системи. Това, което инженерите в различните дисциплини, трябва да разберат е колко важна е интеграцията между инженерните дисциплини."

Препятствия

Редица препятствията, стоящи по пътя към постигане на нивото на интеграция, се налагат от механотронната методологията. Повечето от тях попадат в обща категория.
Първото препятствие е психологическият профил на инженера. “Към повечето от основните проблеми, които наблюдаваме трябва да се подхожда индивидуално” казва Blakely от IDEO. "Инженерството е област, която често привлича интровертни и умни хора. Задълбавайки в специфични технически проблеми, те ги решават. Това е самостоятелна дейност. Но какво се случва, ако трябва да бъдеш с по-екстровертен стил на работа и да вземаш под внимание изискванията на другите дисциплини? Объркани принудителни дискусии и компромиси. Това не се възприема лесно от инженерите. Разочароващо е да се съобразяваш с ограничения, налагани от други дисциплини. Има объркване, присъщо на интердисциплинарната работа."
Същата нагласа, която може да попречи на интеграцията, обаче, следва общия подход за разрешаване на проблемите. Всеки инженер подхожда към един проблем като оценява зоните на риск, препоръчва различни мерки, изгражда серия от прототипи и намалява рисковете. Но общата перспектива на различните инженерни дисциплини свършва дотук.
"Машинните инженери и тези по контрола имат различни концепции за обработката", казва Mark Price, мениджър Инженерни технологии на Assembly & Test Worldwide. "В края на механичния процес се интересуваме от опаковането на машината, като се гарантира, че различните движения не са на едно и същото място по едно и също време, както и това, че всичко е оразмерено и разположено така, че да понесе товарите и да поеме силите при обработка – всички, които са механични по природа. Инженерите по контрола гледат на нещата много различно. Те са по-малко загрижени за опаковането, големината на съоръжението или за това колко бързо може да стане придвижването. Интересуват се повече от това какво може да се случи в определен момент, както и от статуса на входните и изходни параметри.

Фигура 3: Реалистични симулации на SolidWorks, позволяващи на конструкторския екип да визуализира работата на машините под контрола на функционалните блокове LabVIEW и да получи анализ на данните, необходими за оптимизиране на проектирането и идентифициране на проблеми, много преди обработката. Снимка National Instruments.
Тези перспективи засилват присъщите ограничения на традиционния "водопаден” подход за проектиране и разработка, където механичното конструиране е последвано от електрическо и последващ контрол. Комуникацията и сътрудничеството, както и едновременното проектиране, са блокирани от индивидуалните дисциплини, които функционират в групи. От друга страна, островните конструкторски функции са спрели развитието си в резултат на често срещаната незаинтересованост за промяна на работните практики и въвеждане на механотронния подход.
"Дори и след като някои инженери са видели предимствата на механотрониката, аз все още усещам, че може би някои от тях просто искат да се върнат обратно и да направят конструкцията по начина, по който са свикнали", казва Rob Shaffer, електро инженер от Siemens Medical. "Това е почти културна промяна."

Създаване на обща основа

В основата на различните гледни точки на отделните инженерни дисциплини, е липсата на общ език, концепции и метричност. Това спъва сътрудничеството и комуникацията, които се изискват от механотрониката, като се стимулират недоразуменията и неправилното тълкуване на термините.
"Различията между инженерните дисциплини са лексикални и концептуални. Всеки идва със своите собствени определения или лексика относно процеса, машината или компонентите ", казва Rob Aleksa – Мениджър корпоративни системи за контрол в Procter & Gamble Co. "Предизвикателството е да се създаде общност, която да разбира какво трябва да бъде конструирането и какъв е речникът."
Процесът на изграждане на общ език започва в областите, където дисциплините си взаимодействат. "Един разработва обща лексика в точката на пресичане между дисциплините", казва Blakely от IDEO. "Електро и машинните инженери се нуждаят от разработване на обща лексика по отношение на тези технически точки на пресичане. Това им дава възможност за по-задълбочена оценка на предизвикателствата, пред които се изправят."
Разработването на общ език е една крачка напред. Инженерите трябва да се развиват в посока на разбиране на основите на други дисциплини.
"Ние не искаме от инженерите да станат експерти в друга област," казва Blakely. "Да се продължи напред и да се определят хората, да кажем машинни инженери, на които да им бъде разрешено да се намесват, така че да могат да извършват ефективно основни дейности от електротехниката – да четат схематични диаграми и опишат точно на електроинженерите какво трябва да се направи."
"Идеята е да се даде възможност и двете дисциплини да разбират общите мерки за ефективност, говорейки на един и същ език," казва Aleksa от Procter & Gamble. "Механиците трябва да имат известни познания в областта на теорията за контрола, а  инженерите по контрол трябва да разбират и от машинно конструиране, защото компонентите, които машинните инженери избират оказват голямо влияние върху работата на машината."

Софтуерни инструменти

Наличните софтуерни приложения и инструменти дават възможност за подобряване на комуникациите според механостроннците . Попадащи в категорията на общия език и общите инженерни концепции, тези софтуерни приложения предоставят обща референция или модел на машината, проектиран чрез използване на симулация и анимация, което да позволи на всички потребители от проектантския екип да видят как ще работи и при наличие на взаимозависимости.

Фигура 4: При разработването на Diego Powered  Dissector System, екипът на Gyrus ENT-IDEO проектира скоростната система, за да осигури  възможност за по-висока точност и намаляване на натоварването на оператора. Снимка IDEO.

Два от тези софтуерни пакета са за конструиране LabVIEW на National Instruments (виж. Фигура 2) и 3D CAD на SolidWorks. Красотата на тези две приложения е в това, че широк спектър от инженери са запознати с тях.
Докато LabVIEW насочена към инженерите, занимаващи се с контрол, но всички дисциплини ползват предимствата му. „LabVIEW се използва за прототипиране на сложни инструменти”, казва Blakely от IDEO. „Това позволява бързо развитие, като предлага добра обща платформа за много дисциплини при създаване на прототипи. Информацията е свързана с много различни дисциплини."
"Електроинженерите, машинните и софтуерните инженери доста добре познават и разбират LabVIEW," казва Shaffer от Siemens. "Те са запознати с графичния програмен език. Това е механизъм за оформяне на различните виждания – от механична, електрическа и контролна гледна точка. Всеки може да види какво става, къде са взаимовръзките, какви са възможностите за избор, както и доколко добре работят."
SolidWorks предлагат на същата широка аудитория общ поглед на проектираната машина, въпреки че основните им потребители са машинните инженери (виж Фигура 3). "SolidWorks използва анимация, за да представи на инженерите по контрола как ще изглежда машината и последователността на нейните функции", казва Price от Assembly & Test.

Време за промяна

Промяна никога не е лесна, без значение колко непреодолими са обстоятелствата. Това със сигурност важи, както за фирмите, така и за инженерите, участващи в процесите на машинно и устройствено проектиране. В част 1 на тази поредица (февруари 2009 DE) са описани много добри причини за преминаване от традиционния подход на проектиране към мехатронната методология. За да създадете сложни авангардни съоръжения или машини (виж. Фигура 4), както и да проектирате къщи, ще трябва да се унищожат т.нар. силози популяризирани сред отделните инженерни дисциплини и съвместяващи механични, електрически и контролни гледни точки в едно холистично решение.
В част 3, ще бъде прегледан успешното разгръщане на тази културна промяна.