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).

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.

poziom strategiczny poziom zarządzania poziom operacyjny transportowanie zapotrzebowanie zarządzanie zleceniami marketing produktu zarządzanie cyklem życia LOGISTYKA gospodarka materiałowa zarządzanie produkcją sterowanie wytwarzaniem akwizycja danych spedycja CAD, CAE planowanie procesów sterowanie urządzeniami robotyzacja magazynowanie ROZWÓJ PRODUKTU

Scheer podkreśla, że 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 Komputerowe systemy wspomagające prace inżynierskie skrótowo oznaczane jako CAx są zawarte w prawym ramieniu modelu Y.

CAD (Computer( Aided Design) komputerowo wspomagane projektowanie 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 tej klasy systemów 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 tej klasy systemów 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 Ta klasa systemów 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 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.

CAQ (Computer Aided Quality Control) komputerowo wspomagane sterowanie jakością Są to metody i techniki komputerowego wspomagania projektowania, planowania i realizacji procesów pomiarowych, a także procedur kontroli jakości. Systemy te, 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 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.

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 - Fire and Smoke Propagation

Przetwarzanie danych przez programy CAD polega głównie na ich gromadzeniu oraz wykorzystywaniu w procesie projektowania, np. tablic danych potrzebnych do projektowania, biblioteki gotowych podzespołów.

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? Zapewne może ale ryzyko popełnienia błędu jest wtedy bardzo duże.

Projektowanie współbie bieżne

podatność montażowa transport środowisko technologiczność wytwarzania koszt PROJEKTOWANIE ZORIENTOWANE (projektowanie dla ) recykling niezawodność bezpieczeństwo jakość obsługiwalność

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 a projektowanie współbieżne a) PROJEKTOWANIE OBIEKTU dokumentacja projektowa PLANOWANIE PRODUKCJI dokumentacja produkcyjna czas do produkcji PRODUKCJA b) 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

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

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

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.