El alcance de esta pregunta solo permite respuestas generales sobre el diseño de instrumentos. He hecho mi mejor esfuerzo a continuación, esta respuesta también podría describirse como “aspectos de la ingeniería de sistemas”.
Para empezar, una distinción útil es entre función y rendimiento. Una herramienta como una llave inglesa o una sierra de cinta puede tener su diseño centrado en la función. Si funciona bien, entonces tiene un diseño exitoso. Un instrumento necesita funcionar y funcionar bien, y garantizar este rendimiento es una parte importante del esfuerzo de diseño. Por ejemplo, una pinza de medición funciona un poco como una llave inglesa, pero también debe funcionar: debe ser precisa, debe ser suave y debe mantener su calibración de manera confiable con el tiempo. Por lo tanto, requiere un nivel diferente de ingeniería. Los diseñadores de instrumentos que no aprecian esta distinción dedicarán muy poco tiempo al rendimiento.
El primer paso aproximado en el diseño de un instrumento es la fase de Concepto, donde se reúnen todos los aspectos funcionales del diseño, y se explican aproximadamente las partes difíciles del problema de rendimiento. Debe surgir un esbozo de soluciones de esta fase, asegurando que sea factible y descartando enfoques sin salida o de alto riesgo. ¿Tendrá posicionadores compatibles con vacío, o podemos manipular cosas desde fuera del vacío? ¿Las bombas estarán arriba o abajo? ¿Contratamos a una empresa para hacer esto o lo hacemos nosotros mismos? Este es también el momento de mejorar la imagen según el cronograma, el presupuesto y la tolerancia al riesgo. Si solo se usará una vez, y solo unos pocos aspectos realmente importan, ese conocimiento debería incorporarse al proceso de diseño. Si el fracaso no es una opción, eso lleva a un diseño diferente.
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Luego, antes de elegir partes y subsistemas específicos, debe decidir cuáles son los requisitos funcionales (por ejemplo, qué movimientos) y rendimiento (por ejemplo, qué tan buenos son los movimientos), de una manera que sea medible y alcanzable con los recursos disponibles. Puede tomar un poco de imaginación pensar en todo lo que podría ser importante. ¿Está bien si los ejes del posicionador no son perfectamente perpendiculares entre sí? ¿Qué tan precisa debe ser la posición? ¿Está bien si es inexacto pero repetible? ¿Necesitamos medirlo externamente o con los sensores internos ser lo suficientemente bueno?
Este puede ser un largo proceso de negociación con el usuario final, proveedores y clientes. Un ejemplo es la estabilidad posicional, ¿cuánto puede sacudir cuando una persona pasa? ¿Cómo va a calcular esto, medir esto, verificar esto? Se vuelve más interesante cuando se juntan los requisitos. Si el instrumento se mueve y se mueve, ¿cuánto presupuesta para cada uno? Si puede medir y corregir la deriva, ¿cuánto la reduce en el presupuesto? ¿Qué pasa con los errores en la corrección? Esta parte del proceso es poco apreciada, ya que puede tener el mayor impacto en el costo y en si funciona o no satisfactoriamente. Dependiendo de la complejidad, esta fase puede llevar muchos meses o años.
La fase de concepto está más o menos completa cuando se tiene un buen concepto que incluye todas las funciones, es factible, con un buen manejo de los requisitos. Este es un buen momento para poner a todos en una habitación y tener una revisión del diseño conceptual. Esto le permite aprovechar las buenas ideas de todos y reduce las posibilidades de reelaborar los esfuerzos detallados que vendrán a continuación. O peor, “oh, ¿lo construiste desde cero? Puedes comprar esa pieza a estos tipos … ¿por qué no me preguntaste?”
La fase de diseño comienza después de la exitosa revisión. Se seleccionan modelos específicos de subsistemas para comprar. Las estimaciones de rendimiento mejoradas provienen de las especificaciones reales de los sistemas estándar. Modelado más detallado de las partes que las mantienen juntas. Los diseños de nivel intermedio obtienen más detalles.
A menudo, este tipo de instrumentos necesitan establecer y mantener una variedad de condiciones (por ejemplo, criogenia, vacío, estabilidad mecánica). Esto requiere que varios sistemas trabajen juntos. Y a menudo estos sistemas compiten e interfieren entre sí, por lo que cuanto más hay, más difícil se vuelve. Por ejemplo, necesita un sistema de vacío térmicamente estable, pero la mejor opción de sistema de vacío es una criobomba, que enfría radiantemente su experimento cuando está abierto. O necesita que el sistema esté oscuro, pero los mejores codificadores de posición utilizan LED IR brillantes. Esto obliga a un compromiso sobre uno u otro, o se necesita implementar alguna medida intermedia para mitigar los efectos de uno sobre el otro. Por lo tanto, su sistema se ha vuelto un poco más complejo con diseños intermedios como protectores térmicos, calentadores, filtros IR.
Una vez que se hayan abordado todos estos problemas, habrá completado aproximadamente la fase de diseño. Este es otro buen momento para tener una revisión. Esta vez no está pidiendo opiniones sobre el concepto, sino sobre las piezas y proveedores seleccionados antes de comprar, los materiales y procesos antes de la máquina, la forma en que se ensambla, cómo funcionará, etc. Para un proyecto de alto perfil es bastante tranquilizador para que otros vean antes de gastar muchos $ 100ks.
Luego comienza la fase de fabricación y adquisición. Autoexplicativo. Se piensa qué partes adquirir primero, qué proveedores necesitan supervisión, hay formas más rápidas o menos costosas. Para diseños complicados o personalizados, intercambiar y revisar información con proveedores puede ser un trabajo de tiempo completo.
A medida que llegan las partes, comienza la fase de Integración y Prueba. Cualquier interfaz entre dos partes tiene el potencial de no encajar o funcionar. Cualquier parte que defina el rendimiento podría no funcionar como se requiere. Cualquier lugar donde se unen dos subsistemas de trabajo podría no funcionar cuando están juntos. Con cientos de interfaces, un problema en una o más está prácticamente garantizado. Por lo tanto, “integración y prueba”: póngalo junto, asegúrese de que funcione, próxima interfaz, repita, paso a paso.
Y una vez que el sistema está completamente integrado, la fase final: la puesta en marcha. Todo el sistema está unido, todo funciona, la mayor parte se ha demostrado que funciona. Pero hay numerosas cosas que deben hacerse para alinear, calibrar y refinar las operaciones para que el instrumento sea comprendido, repetible, conveniente y seguro para los usuarios y para el instrumento.
En realidad, todas estas fases se desdibujan juntas y no son discretas. Pero para fines de planificación y diseño es útil desglosar todo de esta manera.
Se puede ver que cualquier tarea menor (como colocar una estantería) necesita cada una de estas fases, aunque algunas son tan triviales que pueden pasarse por alto y repararse si son un problema. Con problemas que pueden ser muy costosos de solucionar, incluir todas las fases es una buena inversión.
