Komputerowe systemy wspomagające projektowanie
W celu przeprowadzenia przeglądu zagadnień związanych z komputerowymi systemami wspomagającymi projektowanie, należy w pierwszej kolejności odpowiedzieć na pytanie: W czym tkwi istota tego rodzaju projektowania? W klasycznym podejściu projektowany obiekt powstawał w wyobraźni projektanta a materialną formą projektu był zbiór dwuwymiarowych rysunków technicznych.
Współczesne oprogramowanie, pozwala zbudować wirtualny projekt w przestrzeni trójwymiarowej. Powstaje wtedy pewien matematyczny zapis jednoznacznie opisujący cechy konstrukcyjne projektu.
Projekt wirtualny może być przetwarzany na wiele sposobów. Można łatwo i bezbłędnie tworzyć rzuty i przekroje oraz prezentować je w sposób dynamiczny.
Wirtualne projektowanie nie wymaga już tak precyzyjnej wyobraźni przestrzennej jaka była potrzebna w projektowaniu klasycznym. Wirtualny projekt jest czytelniejszy w odbiorze a model matematyczny projektowanego obiektu pozwala na precyzyjny opis przestrzeni.
W naszym kraju historia wdrażania systemów wspomagających projektowanie (CAD) to niestety historia pełna nieporozumień i niepowodzeń. Systemami CAD nazywano i niestety ciągle się nazywa programy wspomagające sporządzanie rysunków technicznych. Systemy te mają kilkudziesięcioletnią tradycję i rzeczywiście wywodzą się z programów wspomagających kreślenie. Warto wyjaśnić nieporozumienie związane ze skrótem CAD. Systemy CAD zostały opracowane z myślą zastąpienia tradycyjnych technik kreślarskich.
Pierwotnie skrót ten określał komputerowe wspomaganie rysowania (kreślenia) (ang. drafting, drawing). Wszystkie rysunki wymagały od inżyniera umiejętności dokładnego prowadzenia ołówka, a także wytrwałości przy nanoszeniu jakichkolwiek zmian i poprawek. Komputery pozwalały na wielokrotne i nieporównywalnie szybsze dokonywanie wszelkich zmian. A zatem pierwsze systemy CAD okazały się w praktyce elektronicznymi odpowiednikami desek kreślarskich, zestawów krzywików, itp. Dopiero, gdy systemy wspomagające rysowanie rozwinęły się do poziomu modelowania postaci konstrukcyjnej, literę D zaczęto uważać jako projektowanie (ang. design).
Prekursorzy komputerowego wspomagania projektowania Wszystko zaczęło się od twierdzeń Euklidesa z Aleksandrii (ok. 350 p.n.e.), autora pierwszych prac teoretycznych z zakresu geometrii. Główne jego dzieło to Elementy (tytuł grecki Stoicheia geometrias). W dziele tym zawarta jest synteza ówczesnej wiedzy matematycznej zarówno w dziedzinie geometrii, jak i w teorii liczb. Elementy są pierwszą próbą aksjomatycznego ujęcia geometrii i były podstawowym podręcznikiem geometrii do XIX wieku.
Osiągnięcia Euklidesa w tym zakresie wykorzystane zostały jako podwaliny dla opracowania geometrii wykorzystywanej w systemach CAD. Do tego dzieła odniósł się w XV wieku Leon Batista Alberti (1404-1472). Napisał on dwie obszerne prace, w których udowadniał konieczność stosowania w szerszym zakresie euklidesowej geometrii przy opracowywaniu projektów. Następny krok uczynił Franz Reuleaux, który jako pierwszy na świecie użył on symboliki do odwzorowania maszyn. Wierzył on, że każdy mechanizm ma swoje unikalne odwzorowanie. Z tej idei narodziło się jego przekonanie, że można stworzyć język tworzenia koncepcji mechanizmów i ich syntezy, czyli opracować klucz do generowania pomysłów projektowych.
W odwzorowania maszyn, Reuleaux użył trzech grup różnych symboli: symbole klasy lub nazwy [S śruba, P pryzmat, C cylinder, K stożek, G sfera, itp.], symbole kształtu [+ - pełna bryła, - otwarta bryła, z ząb, λ ciecz, γ gaz, itp.], symbole relacji [ - powiązanie, - powiązanie bazowe, - równoległe osie, itp.]. Przykładowo, zastosowanie symboli C i C+ oznacza odpowiednio otwór cylindryczny w bryle oraz pełny walec. C C+
W przeciwieństwie do symboli matematycznych, w notacji Reuleaux a nie istnieją jakiekolwiek logiczne reguły lub działania pomiędzy opracowanymi symbolami za wyjątkiem ich geometrycznej zgodności. Zapewne nie zdawał on sobie sprawy, że przeszło sto lat później użycie symboliki do odwzorowania elementów maszyn będzie podstawą każdego komputerowego systemu wspomagającego proces projektowania maszyn.
W roku 1963 Ivan Sutherland przedstawił w Massachusetts Institute of Technology pracę doktorską na temat systemu projektant-komputer. W opracowanym przez niego systemie SKETCHPAD (szkicownik) możliwe było przetwarzanie dwuwymiarowych informacji graficznych.
Sutherland w nowatorski sposób wykorzystywał pióro świetlne jako narzędzie do wprowadzania danych bezpośrednio na ekran monitora. Fakt ten uznaje się za początek rozwoju komputerowego wspomagania projektowania. Sutherland sformułował wiele podstawowych idei i metod, które wciąż są stosowane.
W latach 70-tych XX wieku pojawiły się nowe tendencje w rozwoju komputerowego wspomagania projektowania, a mianowicie: rozpowszechnienie tanich mikrokomputerów, znaczne obniżenie cen monitorów graficznych, wprowadzenie metod programowania strukturalnego, koncepcja pamięci wirtualnej. Nowy jakościowo etap związany z rozwojem komputerowego wspomagania projektowania otworzyły, pojawiające się latach osiemdziesiątych ubiegłego stulecia, mikrokomputery pozwalając na interaktywny tryb pracy bezpośrednio na stanowisku projektanta.
Systemy CAD Obecnie zakres pojęciowy terminu CAD - komputerowe wspomaganie projektowania obejmuje zastosowanie komputera zarówno: w czynnościach zapisu cech konstrukcyjnych, w czynnościach doboru cech konstrukcyjnych, opracowywanie dokumentacji projektowej.
Klasyfikacja komputerowych systemów w wspomagających prace inżynierskie Istnieje wiele podejść do topologii komputerowych systemów wspomagających prace inżynierskie. Podejścia te różnią się sobą w zależności od dziedziny wiedzy reprezentowanej przez osobę opracowującą sieć relacji pomiędzy tymi systemami. Próbę pełnego przedstawienia takich relacji podjął A.W. Scheer opracowując model Y systemu zarządzania przedsiębiorstwem.
Próbę pełnego przedstawienia takich relacji podjął A.W. Scheer opracowując model Y systemu zarządzania przedsiębiorstwem.
a) b) zapotrzebowanie marketing produktu poziom strategiczny zarządzanie zleceniami zarządzanie cyklem życia poziom zarządzania poziom operacyjny LOGISTYKA gospodarka materiałowa zarządzanie produkcją sterowanie wytwarzaniem akwizycja danych spedycja CAD, CAE planowanie procesów sterowanie urządzeniami robotyzacja magazynowanie transportowanie ROZWÓJ PRODUKTU System zarządzania przedsiębiorstwem wg Scheer a: a) poziomy zarządzania; b) model Y
W ramach tego modelu dąży się do kompleksowego rozważenia wszystkich funkcji przedsiębiorstwa przemysłowego, starając się rozwiązać zarówno zadania o charakterze ekonomicznym, jak i technicznym. Model ten pokazuje dwa zasadnicze systemy przedsiębiorstwa przemysłowego zawierające: podstawowe ekonomiczne funkcje planistyczne ukierunkowane na zlecenie (lewe ramię modelu Y), podstawowe funkcje techniczne ukierunkowane na produkt (prawe ramię modelu Y). transportowanie zapotrzebowanie LOGISTYKA zarządzanie zleceniami gospodarka materiałowa zarządzanie produkcją sterowanie wytwarzaniem akwizycja danych spedycja CAD, CAE planowanie procesów sterowanie urządzeniami robotyzacja magazynowanie marketing produktu zarządzanie cyklem życia ROZWÓJ PRODUKTU
transportowanie zapotrzebowanie LOGISTYKA zarządzanie zleceniami gospodarka materiałowa zarządzanie produkcją sterowanie wytwarzaniem akwizycja danych spedycja CAD, CAE planowanie procesów sterowanie urządzeniami robotyzacja magazynowanie marketing produktu zarządzanie cyklem życia ROZWÓJ PRODUKTU Komputerowe systemy wspomagające prace inżynierskie skrótowo oznaczane jako CAx są zawarte w prawym ramieniu modelu Y.
Do systemów klasy CAx należy zaliczyć: komputerowo wspomagane projektowanie (ang. Computer Aided Design - CAD) komputerowo wspomagane prace inżynierskie (ang. Computer Aided Engineering - CAE) komputerowo wspomagane planowanie i sterowanie produkcją (ang. Production Planning and Control - PPC) komputerowo wspomagane planowanie (ang. Computer Aided Planing - CAP) komputerowo wspomagane planowanie procesów (ang. Computer Aided Process Planning - CAPP), komputerowo wspomagane wytwarzanie (ang. Computer Aided Manufacturing - CAM) komputerowo wspomagane sterowanie jakością (ang. Computer Aided Quality Control)
CAD (Computer( Aided Design) komputerowo wspomagane projektowanie Systemy CAD są to narzędzia i techniki wspomagające prace w zakresie projektowania, modelowania geometrycznego, obliczeniowej analizy z wykorzystaniem metody elementów skończonych oraz tworzenia i opracowywania dokumentacji projektowej. Systemy CAD są też stosowane do opracowywania dokumentacji technologicznej (karty i formularze operacji technologicznych wraz ze szkicami), przeznaczonej do obróbki na konwencjonalnych obrabiarkach.
CAE (Computer( Aided Engineering) komputerowo wspomagane prace inżynierskie W skład systemów CAE wchodzą m.in. narzędzia inżynierskie, umożliwiające komputerową analizę sztywności i wytrzymałości konstrukcji oraz symulację procesów zachodzących w zaprojektowanych układach, w tym symulacje kinematyczne i dynamiczne działania maszyn oraz procesów wytwórczych. Do klasy CAE zalicza się także wszystkie systemy problemowo zorientowane i aplikacje z różnych dziedzin techniki.
PPC (Production Planning and Control) komputerowo wspomagane planowanie W skład systemów PPC wchodzą m.in. metody i narzędzia wspomagające projektowanie technologiczne, obejmujące opracowanie dokumentacji technologicznej z uwzględnieniem modelu geometrycznego przedmiotu, jego stanów pośrednich, narzędzi, oprzyrządowania, rodzaju maszyn i parametrów obróbki. Systemy CAP wspomagają prace związane z programowaniem urządzeń sterowanych numerycznie: obrabiarek, robotów, współrzędnościowych maszyn pomiarowych, systemów transportowych, itp.
CAPP (Computer Aided Process Planning) komputerowo wspomagane planowanie procesów Klasa systemów CAPP jest szersza niż klasa CAP. W zakresie zastosowań CAPP mieszczą się także wszystkie metody i techniki technologicznego przygotowania produkcji realizowanej w konwencjonalnych technologiach, wspomaganych technikami komputerowymi i systemami ekspertowymi.
CAM (Computer Aided Manufacturing) komputerowo wspomagane wytwarzanie Systemy CAM są to techniki i narzędzia wspomagające tworzenie i aktywizowanie programów sterowania numerycznego obrabiarek oraz maszyn do szybkiego wytwarzania prototypów (Rapid Prototyping). Ich funkcje odnoszą się zazwyczaj do wszystkich urządzeń sterowanych numerycznie, a więc do obrabiarek, współrzędnościowych maszyn pomiarowych, robotów, systemów transportowych oraz innych urządzeń obsługiwanych np. za pomocą sterowników PLC.
Rapid Prototyping - fizyczne modelowanie (modele geometryczne, funkcjonalne, wizualne, montażowe, prototypy techniczne) na podstawie obiektów komputerowych 3D mające na celu: ocenę funkcji użytkowych ocenę estetyki ocenę marketingową produktu
Stereolitografia lokalna zmiana stanu fazowego jednorodnego ośrodka (ciecz w ciało stałe) pod działaniem promieni UV lasera. Ośrodkiem zwykle jest płynna żywica i jest zestalana warstwowo pod wpływem fotopolimeryzacji.
1. Laser jonowy He-Cd 2. Układ Optyczny 3. Przestrzeń robocza 4. Komputer kontrolny sterujący pracą maszyny
CAQ (Computer Aided Quality Control) komputerowo wspomagane sterowanie jakością Systemy CAQ są to metody i techniki komputerowego wspomagania projektowania, planowania i realizacji procesów pomiarowych, a także procedur kontroli jakości. Systemy CAQ, najczęściej sprzężone z systemami CAD przez model geometryczny lub przez programy bądź procedury pomiarowe, są zintegrowane z systemami PPC, CAP i CAM, głównie w części odnoszącej się do pomiarów na współrzędnościowej maszynie pomiarowej.
Ponadto, istnieją systemy komputerowe oparte na zintegrowanych modelach danych, takie jak np. EDM/PDM (Engineering Data Management/Product Data Management) - zarządzanie danymi inżynierskimi / zarządzanie danymi produktu - komputerowe systemy, techniki i narzędzia, opracowane na podstawie informatycznych metod przetwarzania danych, TDM (Team Data Management, również Total Data Management lub Technical Data Management) - zarządzanie danymi w pracy grupowej, również totalne zarządzanie danymi lub zarządzanie danymi technicznymi, CIM (Computer Integrated Manufacturing) - komputerowo zintegrowanego wytwarzanie - powiązane funkcjonalnie i poprzez modele danych poszczególne systemy CAx.
Podstawowe funkcje systemów w CAD PODSTAWOWE FUNKCJE CAD odwzorowanie konstrukcji tworzenie rysunków 2D tworzenie rysunków 3D analizy inżynierskie obliczenia, np. wytrzymałościowe symulacje na modelach optymalizacja przetwarzanie danych archiwizacja danych biblioteki elementów gotowych
Podstawowe funkcje programów w CAD PODSTAWOWE FUNKCJE CAD odwzorowanie konstrukcji tworzenie rysunków 2D tworzenie rysunków 3D analizy inżynierskie obliczenia, np. wytrzymałościowe symulacje na modelach optymalizacja przetwarzanie danych archiwizacja danych biblioteki elementów gotowych
Komputerowe odwzorowanie konstrukcji, czyli modelowanie geometryczne pozwala na uzyskanie: rysunków płaskich, także izometrycznych, rysunków trójwymiarowych odpowiednio: krawędziowych (drutowych, belkowych), powłokowych, bryłowych.
Uzyskane modele geometryczne wykorzystuje się m.in. do: generowania klasycznej dokumentacji technicznej, przeprowadzenia analizy tolerancji i pasowań, animacji ruchu elementów konstrukcji, badań symulacyjnych na modelach (m.in. prototypy wirtualne), szybkiego (komputerowego) tworzenia prototypów, tworzenia programów sterujących obrabiarkami numerycznymi.
Podstawowe funkcje programów w CAD PODSTAWOWE FUNKCJE CAD odwzorowanie konstrukcji tworzenie rysunków 2D tworzenie rysunków 3D analizy inżynierskie obliczenia, np. wytrzymałościowe symulacje na modelach optymalizacja przetwarzanie danych archiwizacja danych biblioteki elementów gotowych
Wspomagane komputerowo analizy inżynierskie pozwalają m.in. na przeprowadzenie: różnego rodzaju obliczeń, w tym obliczeń wytrzymałościowych, różnego rodzaju symulacji, np. wariantowanie postaci konstrukcyjnej na podstawie obliczeń wytrzymałościowych, różnego rodzaju wizualizacje, jedno i wielowymiarowej optymalizacji, np. postaci konstrukcyjnej elementów składowych maszyny, procesu wyboru poprzedzającego podejmowania decyzji.
model krawędziowy
model powłokowy
model bryłowy
ANSYS analiza propagacji ognia i dymu
Podstawowe funkcje programów w CAD PODSTAWOWE FUNKCJE CAD odwzorowanie konstrukcji tworzenie rysunków 2D tworzenie rysunków 3D analizy inżynierskie obliczenia, np. wytrzymałościowe symulacje na modelach optymalizacja przetwarzanie danych archiwizacja danych biblioteki elementów gotowych
Przetwarzanie danych przez programy CAD polega głównie na ich gromadzeniu oraz wykorzystywaniu w procesie projektowania, np. tablic danych potrzebnych do projektowania, biblioteki gotowych podzespołów.
podatność montażowa transport środowisko technologiczność wytwarzania koszt PROJEKTOWANIE ZORIENTOWANE (projektowanie dla ) recykling niezawodność bezpieczeństwo jakość obsługiwalność Rozwój systemów komputerowych spowodował, że zaczęto wyróżniać tzw. projektowanie zorientowane na właściwości obiektu technicznego (ang. Design for... X). Można tu zaliczyć projektowanie zorientowane na montaż (ang. Design for Assembly DFA), na wytwarzanie (ang. Design for Manufacture DFM), na jakość (ang. Design for Quality DFQ), itp.
Pojawia się jednak pytanie dotyczące korzystania z zaawansowanego oprogramowania wspomagającego projektowanie. Czy można korzystać z niego bez przygotowania i odpowiedniej wiedzy z zakresu projektowania, np. modelowania geometrycznego? Pytanie to można sformułować szerzej, czy projektant może nieświadomie korzystać z programów wspomagających istotne elementy procesu projektowania, np. korzystać z metody elementów skończonych nie znając uwarunkowań stosowania tej metody?
Projektowanie jest i będzie złożonym procesem decyzyjnym, który wykorzystuje nie tylko ludzką intuicję, ale także kreatywność, czyli zdolność ludzi do twórczego myślenia i rozwiązywania problemów. W zasadzie każdy proces projektowania związany jest z wielkim ryzykiem popełnienia błędów. Jeśli na wczesnym etapie powstawania projektu popełniony zostanie błąd z pozoru nawet nieistotny jego konsekwencje mogą narastać w postępie geometrycznym. Teoretycznie systemy komputerowe miały być krokiem naprzód w kierunku eliminacji ryzyka popełniania błędów projektowych. W praktyce okazało się, że nie jest to do końca prawdą.
Użytkownik systemów CAD, który nie jest w stanie odróżnić pojęć z grafiki wektorowej i rastrowej może zaprzepaścić podstawowy sens komputerowego odwzorowania konstrukcji. Powracając do pytania - czy może on korzystać z sytemu metody elementów skończonych nie znając uwarunkowań stosowania tej metody? Pewnie może, ale ryzyko popełnienia błędu jest wtedy bardzo duże. Powinien on mieć również wiedzę na temat sposobów weryfikacji uzyskanych wyników. W przeciwnym przypadku nie ma on pewności, iż algorytmy systemu CAD nie zakwalifikują nowatorskiego i bezpiecznego rozwiązania jako błędnego, i nie podważą sensowności jego rozwijania.
Projektowanie współbie bieżne
Analiza procedur projektowania obiektów technicznych, pokazuje, że: postaci konstrukcyjne obiektów technicznych są na ogół kompromisem szeregu parametrów i właściwości z różnym priorytetem, celowa zmiana parametrów lub właściwości jednego z elementów powoduje na ogół zmianę charakterystyk pozostałych elementów.
Najodpowiedniejszym rozwiązaniem problemu efektywnego uwzględniania żądanych właściwości w projektowanym obiekcie byłoby równoczesne uwzględnianie wszystkich zadanych właściwości, oczywiście z zadaną hierarchią ważności. Taki sposób postępowania nazywa się projektowaniem współbieżnym (ang. Concurrent Engineering) lub niecałkowicie zamiennie Simultaneous Design Engineering Life Cycle Engineering Process Driven Design Team Approach
projektowanie sekwencyjne PROJEKTOWANIE OBIEKTU dokumentacja projektowa PLANOWANIE PRODUKCJI dokumentacja produkcyjna czas do produkcji PRODUKCJA projektowanie współbieżne PROJEKTOWANIE OBIEKTU dokumentacja projektowa zysk czasowy PLANOWANIE PRODUKCJI czas do produkcji dokumentacja produkcyjna PRODUKCJA
Problem projektowania sekwencyjnego over the wall DZIAŁ MARKE- TINGU DZIAŁ FINAN- SOWY BIURO PROJEK- TOWE BIURO TECHNO- LOGICZNE UŻYTKOW- NICY OBIEKTU Podczas projektowania sekwencyjnego pojawia się charakterystyczny problem znany pod nazwą angielską over the wall. Polega on na tym, że specjaliści od uwzględnienia w projektowanym obiekcie poszczególnych właściwości (technolodzy, użytkownicy, itp.) przerzucają nawzajem swoje żądania dotyczące uwzględnienia ich sugestii w projektowanym obiekcie. Taki sposób postępowania może czasami prowadzić do jego przeprojektowania, a tym samym wydłużyć czas wprowadzenia jego do eksploatacji.
Metodyka zintegrowanego projektowania współbieżnego pozwala na poprawę konkurencyjności wyrobu poprzez: zmniejszenie kosztów, zapewnienie jakości, skrócenia czasu wprowadzania produktu na rynek (harmonogram). KOSZT JAKOŚĆ CZAS złoty trójkąt zarządzania projektami obiektów technicznych
Zapewnienie wymagań zintegrowanego projektowania współbieżnego spełniają dwa wzajemnie powiązane elementy: zespoły projektowe, system komputerowy.
Zespoły projektowe tworzy się oddzielnie dla każdego obiektu projektowanego. Oprócz projektantów, najczęściej w skład takiego zespołu wchodzą m.in.: menedżerowie z zakresu marketingu, technolodzy, specjaliści inżynierii materiałowej, specjaliści od montażu, specjaliści od zapewnienia jakości, analitycy rynku, przedstawiciele handlowi, specjaliści mający doświadczenie w zakresie eksploatacji obiektów podobnego przeznaczenia.
Właściwy przebieg procesów projektowania oraz planowania produkcji umożliwia odpowiednia konfiguracja systemu komputerowego zapewniająca dostęp do usystematyzowanych danych i ich integrację. Narzędziem sterowania zintegrowanym projektowaniem współbieżnym jest wymieniony już CAPP obejmujący takie komputerowe systemy wspomagające prace inżynierskie jak CAD, CAM i systemy doradcze. Wszystkie te elementy wspomagają proces wyboru decyzji podejmowanych przez członków zespołów w celu zbudowania kompromisowego rozwiązania projektowego.
Schemat zintegrowanego projektowania współbieżnego ANALIZA właściwości charakteryzujące obszary funkcjonalne cyklu życia maszyny FUNKCJONALNOŚĆ TECHNOLOGICZNOŚĆ WYTWARZANIA ESTETYKA PODATNOŚĆ TRANSPOTROWA czynniki brane pod uwagę podczas projektowania moc, szybkość, ruch, zasięg, itp. tolerancje, pasowania, kształt, itp. kształt, wielkość, kolor, tekstura, stylizacja, itp. wymiary, ciężar, orientacja, itp. OCENA ERGONOMICZNOŚĆ NIEZAWODONOŚĆ rozmieszczenie, oświetlenie, hałas, itp. struktura funkcjonalna, wytrzymałość, itp. SYNTEZA TRWAŁOŚĆ NAPRAWIALNOŚĆ BEZPIECZENSTWO PODATNOSC NA RECYKLING INNE materiał odporny na korozję, zmęczenie, itp. kształt, dostępność, zamienność, itp. stabilność, materiał, kształt, itp. materiał biodegradacyjny, itp inne czynniki projektowania