Konstrukciós tervezés
A módszeres mérnöki tervezési folyamatban a konstrukció kialakítását célzó lépéseket megelőzi annak a követelményjegyzéknek az összeállítása, amely a termékkel szemben támasztott valamennyi elvárást fogalmazza meg. Az előzetesen meghatározott követelmények nem csupán egy tervezési fázishoz kötődnek, hanem a tervezési folyamatra egészére érvényesek, sőt sok esetben menet közbeni jelentős módosításukra is sor kerül. A specifikációs listát tehát a tervezési folyamat során lépésről lépésre ki kell egészíteni, esetenként szükségessé válik a felülvizsgálata, konkrét körülmények közötti értelmezése is. A konstrukciós tervezés minden szakmaterületen értelmezhető, így például az építészeti, villamos, gépészeti, vegyipari és informatikai szakmai területeken is. A konstrukciós tervezés során döntően a funkcionális szempontok dominálnak, elsődlegesen a specifikáció ezen elvárásait igyekszünk teljesíteni.
A konstrukciós tervezés során tehát olyan építő elemeket, azok rendszerét határozzuk meg, amelyek a megadott módon képesek a tervezés alapjául szolgáló elvárásokat maradéktalanul teljesíteni.
A 1990es években több műszaki egyetemen folytak kiterjedt kutatások olyan konstrukciós tervezési eszközök fejlesztésére, amelyeknek célja a későbbi tervezési lépést jelentő gyártástechnológia szempontjait jeleníti meg. Így például a Karlsruhei egyetemen a geometriai modellezés fázisában makrók formájában rendelkezésre álltak paraméterezett művelet elemek, amelyek egyszerre határozták meg a geometriát, s az elkészítésére alkalmas technológiát. Az 1.sz. ábrán az elv illusztrálására, a rendszer szemléletű megközelítés megértése érdekében bemutatunk néhány technológiai elemet, amelyek alkalmasak az anyagleválasztási elven történő megmunkálással elkészíthető alkatrészek geometria leírására. A képlékeny alakító technológiák esetében hasonlóképpen vannak olyan geometriai követelmények, amelyek analóg módon lehetővé tennék a
technológiai elemek meghatározását. A geometriai modellezés szabadságát látszólag sértő megoldásnak óriási előnye, hogy csak gyártáshelyes alkatrészek tervezésére nyújt lehetőséget, a konstruktőr szeme előtt lépésről lépésre alakul ki a végleges forma.
1. ábra. Furatok és menetek technológiai elemei
Számos oka van annak, hogy ez a nagyon ígéretes tervezési metodika a mai napig csak az elméleti szinten van jelen. Nagyon messzire vezetne ennek a kérdésnek az elemzése. Ezért itt csak annyit jegyzünk meg, hogy a jövőbeli lehetőségek változása következtében elérkezhet egy olyan kedvező állapot, amikor vissza kell nyúlni azokhoz a kezdeményezésekhez, amelyek a konstrukciós tervezés és a gyártáshelyességet garantálni hivatott technológia tervezés közelítése jelent. Ezt a kutatási irányt az indokolja, hogy a tervezés korai szakaszában sok minden eldől, s így a terv annál használhatóbb, minél több későbbi lépésben felmerülő szempontot képes figyelembe venni.
A ma elterjedt szemlélet szerint a konstrukció tervezés során nem szokás konkrét gyártó helyben, technológiában gondolkodni. A legtöbb konstruktőr úgy gondolja, hogy a gyártási folyamatra neki kevéssé kell figyelemmel lenni, ugyanis a célszerű gyártástechnológia elsősorban a termék piaci lehetőségeivel összefüggő kérdés. Ez tehát egyben azt is jelenti, hogy a konstrukció rögzített tartalma mellett a gyártástechnológiától várható el a teljes körű alkalmazkodás. Ez azonban a gyakorlatban több okból sem elfogadható szemlélet. A konstrukciós tervek felülvizsgálata ugyanis gyakran vezet arra az eredményre, hogy az adott konstrukció elvileg sem gyártható, jobb esetben csak a rendelkezésre álló technológiai segítségével nem gyártható. Ilyen problémák szokták a technológia természetű kutatás fejlesztési feladatokat eredményezni. Éppen ezért tehát megalapozottan mondhatjuk ki, hogy a már igen konkrét előírásokat tartalmazó konstrukciós terveket sem szabad kőbe vésett tartalomként kezelni. Ezer ok sorolható fel, amelyek mindegyike a konstrukciós tervek kisebb nagyobb mértékű átdolgozását igényli.
A szoftverek írásakor is a tervezésnél szokásos lépések zajlanak le. A formatervezés is értelmezhető. Egyfelől a felhasználói felület formai kialakítása jelent fontos feladatot a sokszor művészi vénával megáldott grafikai tervezőknek, hiszen a termék használója ezzel a felülettel találkozik. Ugyanakkor sokkal mélyebb értelme van a forráskód formai jellemzőinek, a konkrét nyelvi reprezentációk szépségének, mint minden emberi alkotásnak. Ennek a belső szépségnek az előnyei igazán akkor jönnek elő, amikor a tervező munkáját csapatban végzi, vagy mások kell továbbvigyenek egyegy
megkezdett munkát. Minden tervezési lépésnél rendkívül fontos, hogy ellenőrzés hajtsunk végre, hiszen a kiindulási és peremfeltételek, valamint a végcél ismeretében számos megoldási változat képzelhető el.
A konstrukciós tervezés menetének egyszerűsítése, gyorsítása érdekében számos részfeladatnak létezik intelligens megoldása, amelyet makróként, behelyettesítés jelleggel fel lehet használni. Nem kell mást tenni, mint az adott építő elem tulajdonságait ismerve azt felhasználni. A gépészetben tipikusan a kötőelemek, csapágyak, ilyen, sokszor szabványosított elemek állnak rendelkezésre. A CAD rendszerek gazdag könyvtári elemkészletek támogatják a tervezők munkáját. A villamos és más szakmaterületeken is hasonlóan kedvező a helyzet.
A tervező számára óriási előnyt jelent az, hogy nem kell elmélyednie a részletekben, megteszi helyette az a specialista, aki az adott termékkört igen jól ismeri. Az ilyen szabványos elemek esetében igyekeznek a gyártók egy olyan paraméterlistával jellemezhető választékot kialakítani, amivel szinte minden feladat megoldható anélkül, hogy a tervező kezét feleslegesen megkötnék. Ennek ellenére igen gyakran fordul elő, hogy a nagy választékban, tömegesen gyártott, s éppen ezért rendkívül kedvező áron elérhető építő elemek speciális tulajdonságokkal egyedi kivitelben kell elkészüljenek. A szabványosítás általában érvényre jutó előnye egyes esetekben hátrányként is jelentkezhet.
A konstrukciós tervezés során első lépésben mindig egy idealizált megoldást képzelünk el és írunk le a legkülönbözőbb eszközök segítségével. A tervezés sajátosságainak megfelelően szinte soha nem sikerül elsőre egy minden előzetesen megállapított követelményt teljesíteni. Egy nagyon kiterjedt ellenőrzési folyamat szükséges ahhoz, hogy a megfelelőséget igazolni lehessen. Az utólagos ellenőrzéshez képest célszerűbb eljárás a méretezés, amellyel az ismert törvényeket leíró összefüggések segítségével határozzuk meg a termék valamely jellemzőjét.
A méretezés és ellenőrzés az idő és tudásunk végességére tekintettel soha nem lehet teljes körű, ezért arra kell törekedni, hogy megtaláljuk azokat a kritikus pontokat, amelyek ellenőrzésével nagy valószínűséggel kiszűrhetők a későbbi fatális hibák. Itt kell azonban megjegyezni, hogy a kritikus pontok általában egyegy jellemző terhelési fajtához tartozóan állapíthatók meg. Egy másik jellemző terhelés már más kritikus pontokra világíthat rá. A konstrukciós hibák legnagyobb része erre a „feledékenységre” vezethető vissza. Főleg a kezdő tervezők hagyják gyakran figyelmen kívül, hogy a jellemző és a kritikus terhelés nagyon eltérő eredményre vezethet.
A konstrukció tervezésben az ideális megoldás megtalálásával messze nem zárult le a folyamat, ugyanis nincs az az építő elem, amely megtestesítené az ideális alkatrészt, nincs az a gyártástechnológia, amely ilyet produkálni lenne képes. Éppen ezért óriási felelősséggel járó feladat az ideálistól való eltérést, a tűrésmezőket megadni. A tervezők legtöbbje részletkérdésnek tekinti ezt a lépést. Itt kell azonban megjegyezzük, hogy rendkívül sok múlik azon, hogy a tűrések meghatározása milyen gondossággal történik. Nem helyes az a jelenleg szinte minden szakmaterületen érvényes gyakorlat, hogy a konstruktőr szigorú előírásokat tesz, a gyártás pedig csinálja, ahogy tudja. Ha nem lesz ebből probléma, akkor átsiklunk a tűrések felesleges szigorúsága felett, ha pedig probléma adódik, akkor a konstruktőr mossa kezeit, ő ugyanis idejében gondoskodott a minőségi paraméterek előírásáról. Gyakran adódik éppen ezért vita, hogy a hiba konstrukciós, vagy technológiai természetű e. S akkor még nem beszéltünk arról, hogy a feleslegesen szigorú előírások exponenciálisan növekvő költségekkel szoktak járni.
Általános érvénnyel kijelenthető, hogy a konstrukciós tervezésben gyakran hatalmas tartalékok vannak arra, hogy ne a pontosság minden ésszerű határon túli növelésével érjük el a kiváló működési feltételeket. A pontossági előírásokban számos korlátozó feltétel játszik szerepet. Az első helyen a gyártási költségek, az ezzel szoros kapcsolatban lévő gyártási technológia áll. Számos területen azonban mára olyan fejlett technológia szolgálja az alkatrészgyártást, amellyel nem tudott lépést tartani a méréstechnika. Jóllehet a méréstechnika alapelve szerint egy nagyságrenddel pontosabb mérést kell megköveteljünk, mint a mérni kívánt mennyiség legkisebb egysége. Az ultraprecíziós technológiában a szerszámgépek pontossága sok esetben lényegesen nagyobb, mint a gépen készülő alkatrészek mérésére szolgáló eszközök. Az ultraprecíziós megmunkálások területén folyó kutatásaink eredményeit több szakmai közleményben, kutatási jelentésként készült tanulmányban foglaltuk össze. Itt csupán ezen munkák általánosítható tanulságait használtuk fel.
A pontosság értelmezése is komoly nehézségekbe ütközik egyes esetekben. Bonyolult felületek leírása és jellemzése esetenként kézben tarthatatlanul sok paraméter megadását követeli meg, amelyek mindegyikére valamifajta tűrésmezőt kellene értelmezni.
A konstrukciós tervezés eredményeként megszületnek azok a válaszok, amelyek a fejlesztés tárgyát képező termék „hogyan működik” és a „mit gyártsunk” kérdésekre adja meg a válaszokat. Az egyes előírt funkciók teljesítése több fajta szokásos módszerrel oldható meg, amelyek között mindig található egy, amely az adott körülmények között a legjobbnak tekinthető. A működést gyakran gondolatkísérlettel, elméleti, vagy gyakorlati modellel ellenőrizhető. A nehézséget többnyire nem is az okozza, hogy egyegy funkcióra megoldást találjunk, hanem az, hogy egyszerre minden funkció teljesítése azok harmonikus összhangjaként teremtődjön meg.
A mérnöki alkotás általában egy olyan mesterséges képződmény, amely egy tudatos tervezés eredménye. Szándékoltan ugyan a természet ismert törvényszerűségeit alkalmazva működik, de akaratlanul olyan funkciókat is létrehozhatunk, amely nem is volt célunk. Ezen a ponton merül fel az alkotó felelőssége. A tudomány etikai szempontok minden tervezési szakaszra befolyással vannak, de különösen számolnunk kell velük a funkciók csaknem végleges terjedelmét eldöntő konstrukciós tervezés során.
A jó terv a követelményjegyzék minden pontjára talál megoldást. A műszaki specifikációra természetesen mindaddig szükség van, amíg következő fejlesztési szakaszokat sikeresen le nem zártuk. Gyakran a későbbi fázisokban derül fény olyan problémákra, amelyeknek a konstrukciós tervre van visszahatása.
Dr. Reith János
