 KOMPUTEROWE SYSTEMY PROJEKTOWANIA, KONSTRUOWANIA I WYTWARZANIA ( CAD/CAM/CAE) - ROZWÓJ SYSTEMÓW I KRYTERIA OCENY
Przedstawiony jest rozwój systemów od lat sześćdziesiątych z podkreśleniem tych cech, które stanowiły o przejściu do nowego etapu rozwojowego. Wyselekcjonowane zostaly te gałęzie nauk technicznych, które mają największy wpływ na rozwój zintegrowanych systemów CAD/CAM/CAE i CIM. Uwypuklone zostały warunki jakie muszą spełniać systemy CAD/CAM, aby można przy ich użyciu realizować koncepcję wsółbieżnego projektowania i wytwarzania (concurrent or simultaneous engineering) oraz konstruowania odwrotnego (reverse engineering).. Rozwój zastosowań w czolowych koncernach samochodowych i lotniczych oraz analiza modułów funkcjonalnych w poszczególnych systemach CAD/CAM/CAE posłużyły do ustalenia kryteriów oceny tych systemów. W postaci modułowej przedstawiony został uogólniony schemat zintegrowanego systemu projektowania, konstruowania i wytwarzania.
1.Wstęp
Komputerowe systemy projektowania, konstruowania i wytwarzania (CAD/CAM/CAE i CIM) stanowią najbardziej praktyczny wyraz stosowania technologii informatycznej do produkcji wyrobów zaawansowanej technologii. W artykule dotyczącym systemów CAD/CAM/CAE z poprzedniego numeru (Mechanik, luty 1999 r.) przedstawione zostały najbardziej reprezentatywne osiągnięcia czołowych koncernów samochodowych i lotniczych w dziedzinie zastosowań zintegrowanych systemów CAD/CAM/CAE. Łatwo można było zauważyć, że największe opisywane sukcesy obejmowały obszar projektowania i konstruowania złożonych obiektów technicznych, natomiast zmiany w procesach wytwarzania (w ramach systemów CAM i CIM) miały wyrażnie ograniczony charakter. W ostatnich czterech latach nastąpił jednak dalszy rozwój systemów CAM i CIM, wraz z wykorzystywaniem nowej generacji obrabiarek CNC, współrzędnościowych maszyn pomiarowych i robotów przemysłowych. W ramach zintegrowanego systemu, moduły wytwarzania nie wykraczają poza automatyzację przygotowania programów sterujących ruchem narzędzia, a to nie jest jeszcze porównywalne z tym stopniem komputeryzacji jaka została osiągnięta w projektowaniu i konstruowaniu połączonym z wirtualnym prototypowaniem. Zakłady produkcyjne, które w ostatnich latach zaczęły przechodzić na stosowanie systemów CAD/CAM/CAE wykorzystując koncepcję konstruowania odwrotnego (reverse engineering), stają się bardzo często najbardziej zainteresowanymi w rozszerzeniu automatyzacji produkcji na drodze kolejnego włączania modułów CAM i CIM. Jest to zrozumiałe, jeśli przyjmie się, że konstruowanie odwrotne oznacza przeniesienie, najlepszej i już wypróbowanej, konstrukcji wyrobu na zapis w CAD i ponowną analizę wytrzymałościową i masową w ramach CAE. A wtedy następnym krokiem staje się zbudowanie zintegrowanego i efektywnego systemu CAM a w dalszym etapie również CIM.
Jednakże, żadna z firm nie ogłosiła że przeszła całkowicie na zautomatyzowane systemy wytwarzania swych wyrobów, chociaż intensywne prace badawcze i wdrożeniowe nad systemami CAM i CIM doprowadziły do zautomatyzowanej produkcji prostych podzespołów. Istotnie, mimo skomputeryzowania wielu ogniw łańcucha produkcyjnego,ciągle mamy do czynienia z próbami łączenia "wysp automatyzacji" a nie ze zintegrowanym systemem wytwarzania. Pierwsze całkowicie zintegrowane systemy produkcji zautomatyzowanej dla złożonych obiektów technicznych, takich jak samolot czy samochód, nie pojawią się wcześniej niż za 5-7 lat.
Główne przyczyny takiego stanu rzeczy to:
moduły CAM i CIM , w przeciwieństwie do modułów CAD i CAE, muszą być powiązane z istniejącymi technikami wytwarzania w danym przedsiębiorstwie, co oznacza że oprogramowanie uogólnione, nie obejmujące dotychczasowych doświadczeń produkcyjnych zakładu, może być mało przydatne; brak oprogramowania dla skomplikowanych operacji obróbkowych i dla wielu etapów procesu produkcyjnego, a w szczególności dla zintegrowanych podsystemów wysokim stopniu niezawodności wykorzystujących obrabiarki CNC, roboty, współrzędnościowe maszyny pomiarowe i inne urządzenia technologiczne; brak kadry łączącej w sobie wysokie kwalifikacje z zakresu technik wytwarzannia z wysokimi kwalifikacjami w zakresie komputerowych systemów wytwarzania.
2. Rozwój systemów CAD/CAM
Rozwój systemow CAD/CAM doprowadził do tego, że w każdej branży przemysłu maszynowego pojawiły się odrębne systemy, t.zw. mechaniczne systemy CAD/CAM, które już w latach 80-tych znacznie różniły się od systemów CAD stosowanych w budownictwie, architekturze i elektronice. Już pierwsze próby integrowania projektowania, konstruowania i wytwarzania w ramach jednego systemu udowodniły, że systemy CAD/CAM/CAE nie mogą być niezależne od specyfiki obszaru ich zastosowań, a w szczególności wtedy, gdy konstrukcyjna i technologiczna baza danych tworzona przez te systemy stanowi podstawę do opracowywania podsystemów w ramach CIM. Równoczesna analiza wszystkich etapów projektowania i wytwarzania (concurrent engineering) jest podobna tylko dla tych klas produktów, które mają podobne atrybuty konstrukcyjne i technologiczne. Jeśli system z założenia ma spełniać uniwersalną rolę, a są systemy aspirujące do tego, to wówczas musi on mieć budowę modularną, gdzie konfiguracja modułów dobierana jest do określonych zastosowań.
Natomiast takie ujednolicenie struktury i modułów funkcjonalnych nastąpiło w najbardziej zaawansowanych systemach CAD/CAM stosowanych do projektowania i wytwarzania w przemyśle maszynowym, w szczególności, w przemyśle lotniczym i samochodowym. Zadania projektowe, konstrukcyjne i technologiczne występujące w tym przemyśle praktycznie eliminują okolo 95 % z tej mnogości systemów CAD (ok.300), oferowanych obecnie przez różne firmy i przystosowanych do eksploatacji na stosunkowo tanich komputerach klasy PC (486, Pentium, Pentium II).
Przyśpieszenie w przygotowaniu dokumentacji konstrukcyjnej i względnie niskie koszty systemów CAD i CAM, implementowanych na tańszych i srednich komputerach klasy PC, stanowią wystarczające uzasadnienie na ich powszechne stosowanie w małych i średnich zakładach mechanicznych. Tak zresztą przebiega główny, masowy nurt wprowadzania systemów komputerowych do przemysłu; nieskomplikowane i nie zintegrowane z sobą systemy CAD i niektóre systemy typu CAM (np. programowanie obrabiarek NC/CNC) są używane do poszczególnych fragmentów procesu konstruowania i wytwarzania. Ponadto, niektóre z tych systemów (n.p. AutoCAD firmy Autodesk) mogą spełniać użyteczną rolę w kształceniu podstawowym w tej dziedzinie, gdyż ich koncepcja i struktura są zbliżone do profesjonalnych systemów CAD, co w wyniku ułatwia opanowanie i wdrożenie zaawansowanych, zintegrowanych systemów CAD/CAM/CAE i CIM w następnej fazie automatyzacji projektowania i wytwarzania. Taką samą rolę dla systemów CAM, spełniają systemy typu APT, które dysponując możliwościami podłączenia się do geometrycznej bazy danych innych systemów CAD, zachowują własny, wypróbowany przez lata, specyficzny aparat matematyczny definiowania, zarówno geometrii powierzchni obrabianej jak i geometrii bryły narzędzia, co dodatkowo może być wykorzystywane do graficznej symulacji drogi narzędzia.
Tak gwałtowny rozwój systemów CAD/CAM/CAE w ostatnim dziesięcioleciu był możliwy dzięki nałożeniu się trzech głównych czynników:
- obniżeniu kosztów produkcji niezawodnych komputerów o dużych mocach obliczeniowych i dużych zasobach pamięciowych (rozwój techniki mikroprocesorowej);
b) względnej łatwości w przystosowaniu, istniejącego już, bogatego oprogramowania
żródłowego typu CAD, CAM, CAE do nowego sprzętu komputerowego i nowych
systemów operacyjnych;
- intensywnemu rozwojowi interakcyjnych systemów grafiki komputerowej, co
istotnie wpłynęło na masowe rozpowszechnienie techniki komputerowej, a w
szczególności komputerów klasy PC i stacji roboczych.
Zaangażowanie dziesiątek tysięcy naukowców i inżynierów w badania, rozwój i wdrażanie systemów komputerowych do przemysłu doprowadził do zaskakująco dużych osiągnięć w wielu dziedzinach wiedzy związanych, bezpośrednio i pośrednio, z postępami w zakresie oprogramowania i sprzętu komputerowego. Nie wchodząc bliżej w osiągnięcia z dziedziny fizyki ciała stałego, architektury systemów komputerowych, mikroprocesorów i innych obszarów nie związanych bezpośrednio z oprogramowaniem, trzeba wymienić te obszary wiedzy, których postęp miał decydujący wpływ na rozwój systemów CAD/CAM/CAE. A do nich należą:
- rozwój metod matematycznych z zakresu geometrii parametrycznej, służących
definiowaniu rzeczywistych powierzchni konstrukcjnych (analitycznie definiowalne i parametryczne) przy użyciu koncepcji splajnów kubicznych, krzywych Bezier'a,
B-splajnów, B-splajnów typu NURBS, itp., a także rozwój bibliotek programowych z zakresu geometrii analitycznej, geometrii różniczkowej, równań różniczkowych, rachunku całkowego, statystyki, itp.
- rozwój układów sterowania numerycznego (NC, CNC, DNC), sterowania
adaptacyjnego i programowanych sterowników logicznych (PLC) w zastosowaniu do obrabiarek, robotów przemysłowych, współrzędnościowych maszyn pomiarowych, maszyn montażowych i innych urządzeń technologicznych, a także rozwój systemów programowania do 5 osi sterowanych numerycznie, np. APT, UNIAPT, COMPACT, EXAPT, języki IV generacji (obiektowe) w ramach systemów CAD/CAM, rozszerzenie technik interpolacji liniowej i kołowej o interpolację splajnową, i wiele innych;
3) rozwój metod analizy wytrzymałościowej, kinematycznej, dynamicznej, masowej i
cieplnej w oparciu o modelowanie komórkowe konstrukcji mechanicznych, np. metody
elementów skończonych, metody symulacji, itp.;
- rozwój metod modelowania geometrycznego obiektów technicznych, np. liniowo-
krawędziowe (wire-frame), bryłowe (Constructive Solid Geometry), ścianowo-
powierzchniowe (B-rep, boundary representation), komórkowe (spatial-partitioning
representation) i inne;
- rozwój metod automatycznego generowania nowych wariantów modelu
geometrycznego dla obiektów złożonych z wielu części i podzespołów (parametryzacja modelowania geometrycznego, automatyzacja poprzez oprogramowanie koncepcji projektowania i wytwarzania, parametryzacja programowania obróbki, automatyzacja wykreślania dokumentacji, metody zapisu więzów konstrukcyjnych,itp.);
- rozwój teorii i metod tworzenia obrazu w zastosowaniu do interakcyjnych systemów
grafiki komputerowej, np. oprogramowanie dla obrazów 2D/3D, metody transformacji obrazu i zapisu obrazu do pamięci, metody animacji, metody oswietlania i cieniowania obiektu, algorytmy wyznaczania powierzchni niewidocznych w obrazach 3D, inne oprogramowania t.zw." maszynerii geometrycznej " (geometry engineering), itd.;
- rozwój teorii i metod sterowania procesami (procesy ciągłe i procesy dyskretne w
przemyśle maszynowym) oraz zastosowanie metod badań operacyjnych do produkcji, np. metody identyfikacji i optymalizacji procesów, metody klasyfikacji i kodowania części maszyn, specjalizowane programy planowania procesow technologicznych, systemy planowania materiałowego i zasobów produkcyjnych, itp.;
8) rozwój badań nad problemami sztucznej inteligencji w zastosowaniu do sterowania;
konwencjonalne systemy eksperckie i systemy eksperckie czasu rzeczywistego (ES i r-t
ES); komputerowe sieci neuronowe i układy sterowania w logice rozmytej; metody
symulacyjne w wirtualnym prototypowaniu.
Jednakże, rozwój tych dziedzin nauki i techniki, które łączyły się bezpośrednio z rozwojem techniki komputerowej, stworzył nowe, nie praktykowane dotychczas, podejście do problemu publikacji i rozpowszechniania wiedzy o osiągnięciach na tym polu. O ile dotąd, wszelkie istotne koncepcje teoretyczne lub też opisy osiągnięć naukowo-technicznych, publikowane byly niezależnie od realizowanych zastosowań, to obecnie prace teoretyczne i prace nad ich aplikacjami związane zostały z koncepcjami nowych generacji oprogramowania i systemów komputerowych, a co za tym idzie, firmy komputerowe i software'owe zaczęły traktować je jako ściśle strzeżone tajemnice produkcyjne.
Ogólnie dostępne czasopisma naukowe i techniczne, szczególnie amerykańskie, stopniowo przestawały być źródłem informacji o stanie zaawansowania poszczególnych gałęzi zastosowań techniki komputerowej, a stawały się zestawem ogólnikowych opisów produktów różnych firm. Ponadto, na ogólnie dostępnych, specjalizowanych konferencjach międzynarodowych przedstawiciele przynajmniej pierwszej dziesiątki czołowych firm światowych z dziedziny CAD/CAM przestali prezentować kierunki własnych prac badawczych.
Stąd też, wytworzyła się sytuacja, że nawet najbardziej wartościowe prace, będące wynikiem 2-3 letnich prac zespołowych, a prezentowane na takich konferencjach, mogły być wdrożone tylko poprzez włączenie ich w ramy jednego z czołowych systemów CAD lub CAM, gdyż nawet przy takim nakładzie wysiłków prace te musiały mieć charakter fragmentaryczny dla zakresu pokrywanego przez system.
Zresztą, systemy CAD/CAM osiągają swą dojrzałość aplikacyjną po nakładzie setek, a nawet tysięcy roboczolat, co przekładając na język bardziej obrazowy a dotyczący produkcji samochodów, oznacza, że nawet genialny układ wtrysku paliwa nie daje szans na sukces w zastosowaniach, jeśli nie przejmie tej konstrukcji renomowany producent samochodów.
Konferencje międzynarodowe poświęcane tematyce zastosowań techniki komputerowej w przemyśle stały się forum prezentacji prac zespołów badawczych z uniwersytetów, przy szybko zmniejszającej się liczbie prezentacji prac realizowanych w laboratoriach wielkich koncernów. A przecież potencjał badawczy wielkich koncernów jest znacznie większy niż potencjał badawczy uniwersytetów. Dla przykładu międzynarodowy koncern telekomunikacyjny AT&T zatrudnia ok. 25 tys. pracowników badawczych, a w tym 4 tys. ze stopniem doktora i siedmiu laureatów Nagrody Nobla. Czołowe uniwersytety najbardziej rozwiniętych krajów są włączone również w ten mechanizm prac badawczych, natomiast reszta laboratoriów uniwersyteckich związana jest najczęściej z tematyka marginalną, czyli taką, która nie rokuje efektywnych zastosowań w przemyśle. Jak stwierdzają analitycy amerykańscy obecnie tylko ok.12% publikacji z konferencji międzynarodowych nadaje się do dalszego rozpracowywania w aspekcie wdrożeń.
Zrozumienie tych mechanizmów narzuca swoiste warunki wstępne dla wszelkich prac naukowo-badawczych, dotyczących koncepcji teoretycznych i sposobu implementacji nowych rozwiązań do istniejących systemów CAD/CAM. Warto zauważyc, że wartość teoretyczna metod matematycznych zastosowanych do rozwiązania określonych problemów technicznych nie oceniana już jest według wyrafinowanych matematycznie dowodów na ogólność rozwiązań, ale musi być udowodniona poprzez bezbłędne wyniki dla całego zakresu parametrów występujących w praktyce, które to wyniki otrzymywane są z opisanych i udokumentowanych programów komputerowych napisanych najczęściej w języku obiektowym systemu CAD/CAM/CAE, języku FORTRAN lub języku C. Wieloletnie spory na temat co jest ważniejsze dla zastosowań, wyniki eksperymentu czy też wyniki z komputerowego modelu matematycznego procesu, zostały roztrzygnięte tak, że wyniki z modelu weryfikuje się poprzez odpowiednio planowany eksperyment i dopiero po skomplikowanym procesie walidacji modelu komputerowego można uznać ten model za wiarygodny. Tak postępowano przy opracowywaniu modelu symulującego pracę tunelu aerodynamicznego.
W tej dziedzinie, odrębność teorii od aplikacji praktycznie nie istnieje, aczkolwiek jest wiele przykładów, że koncepcje teoretyczne sprzed dziesiątek lat znajdują zastosowanie dopiero we współczesnych systemach komputerowych, np. niektóre metody optymalizacji i identyfikacji, metody statystyki matematycznej (w tym metody regresji), teoria technologii grupowej, teoria sterowania wielkich systemów, kombinatoryka , metody iteracyjne, itp.
Każdy temat naukowo-badawczy lub nowe koncepcje rozwiązań , mające w zamierzeniu być składnikiem oprogramowania systemu komputerowego, powinny być poprzedzone nie tylko przeglądem publikacji na ten temat ale rownież, co jest niezmiernie trudne, przeglądem czołowych systemów pod kątem przeanalizowania zastosowanych tam metod . Zaniedbanie tego kroku może oznaczać, w konsekwencji, zupełną nieprzydatność wyników pracy do zastosowania w przemyśle.
Konkurujące z sobą czołowe firmy światowe rozwiązują te trudności w ten sposób, że zlecają takie zadania wyspecjalizowanym biurom konsultingowym, które, składając się z byłych pracowników tych właśnie wiodących firm, mają dokładne rozeznanie szczegółów rozwiązań, a również kierunku prac rozwojowych nad systemem.
Ponadto, wiele firm konsultingowych publikuje miesięczne sprawozdania z postępów w zakresie systemów CAD/CAM/CAE i CIM oraz umieszcza w tych sprawozdaniach analizy porównawcze wiodących systemów. Do takich firm należą: Daratech, Inc., TechniCom, Inc., Dataquest, Inc., CIMdata, Inc., Random Consulting, D.H.Brown Associates i wiele innych. Niestety, publikacje te nie należą do tanich, a co więcej, często rozprowadzane są tylko na zasadach subskrypcji.
Mechaniczne systemy CAD/CAM/CAE zainstalowano, przede wszystkim, w przemyśle samochodowym i lotniczym (41%) oraz w innych gałęziach przemysłu maszynowego, produkujących dla potrzeb wojska (16%). Procentowy udział tych branż przemysłu w ostatnich latach zmniejsza się, gdyż systemy CAD/CAM/CAE są coraz bardziej powszechne we wszystkich innych gałęziach zaawansowanej technologii i stają się wręcz warunkiem konkurencyjności wyrobu.
Budowa systemow CAD/CAM zmieniała się ewolucyjnie przez ostatnie 35 lat przechodząc trzy główne etapy rozwoju:
- wspomaganie komputerowe obliczeń inżynierskich występujących w analizie
konstrukcji oraz stosowanie komputerowych systemów programowania obrabiarek
sterowanych numerycznie (1960-1975);
- powszechne przenikanie grafiki komputerowej do wszystkich faz procesu
projektowania, konstruowania i wytwarzania oraz stopniowe eliminowanie metod konwencjonalnych przez wyspecjalizowane oprogramowanie (1975-1990);
- pełna komputeryzacja fazy projektowania i konstruowania wyrobu poprzez
zintegrowane systemy CAD/CAM/CAE w połączeniu z przejściem do koncepcji
współbieżnego projektowania i konstruowania (concurrent or simultaneous engineering),
konstruowania odwrotnego (reverse engineering) oraz szybko postępująca automatyzacja
procesów wytwarzania (1990- ).
( a ) ( b )
Rys.1. Główne fazy projektowania, konstruowania i wytwarzania wyrobu z uwzględnieniem rozwoju systemów CAD/CAM/CAE i CIM .
Większość systemów CAD/CAM/CAE eksploatowanych obecnie w przemyśle posiada cechy wymienione w p.2, a tylko czołowe systemy (ok.8-10) mogą wykazać się cechami z p.3. Główne etapy rozwoju systemów CAD/CAM na tle konwencjonalnych faz projektowania i konstruowania przedstawione sa na rys.1, przy czym fazy powstawania wyrobu zostały ograniczone do uogólnionych, głównych modułów funkcjonalnych, w miarę niezależnych od stopnia złożoności wyrobu. Dwa pierwsze etapy w rozwoju systemów CAD, CAM i CAE charakteryzują się tym, że kolejne fazy konwencjonalnego projektowania i konstruowania są ewolucyjnie zamieniane przez coraz to większa liczbę modułów komputerowych, ale sama filozofia sekwencyjnego przechodzenia z jednej fazy do następnej nie jest naruszona. Istnieje pełne współdziałanie i wzajemne uzupełnianie się między konwencjonalnymi i komputerowymi metodami projektowania i konstruowania. Stosowanie technik komputerowych na tych etapach rozwoju prowadzi do systematycznego podwyższania jakości wyrobów i przechodzenia na wyższe stopnie automatyzacji produkcji, a co za tym idzie, do zwiększonej wydajności. A ten czynnik był i jest decydujący w rozwoju każdego przemysłu. Tym nie mniej, zasadnicza różnica jakościowa pojawia się dopiero na etapie rozwoju, w którym fazy projektowania i konstruowania sa już realizowane całkowicie w ramach zintegrowanego systemu CAD/CAM. W wiodących koncernach samochodowych i lotniczych nastąpiło to na początku lat 90-tych; przykładem tego mogą być np. firmy Nissan i Boeing.
Głównym wyróżnikiem jakościowej różnicy w ocenie zaawansowania systemu, oprócz stopnia zintegrowania, staje się możliwość stosowania współbieżnego projektowania i konstruowania. Godnym uwagi jest fakt, że koncepcja współbieżnego projektowania i konstruowania stawia nowe wymagania w stosunku do zintegrowanych systemów CAD/CAM/CAE. Przede wszystkim, powstaje konieczność prawie pełnej automatyzacji projektowania i wariantowania konstrukcji oraz konieczne jest wprowadzenie modułu symulacji całego procesu wytwarzania i eksploatacji aż do osiągnięcia określonego okresu użytkowania, co łączy się z wprowadzeniem nowych metod, znanych obecnie tylko w systemach eksperckich i sztucznej inteligencji.
Rys.2. Główne zadania zintegrowanego systemu CAD/CAM/CAE i CIM realizowane w trybie współbieżnego projektowania i konstruowania.
Całkowicie nowym obszarem dla projektowania jest uwzględnianie różnych ograniczeń służących ochronie środowiska, np. takie zaprojektowanie wyrobu żeby po okresie użytkowania można było ponownie wykorzystać materiał z zużytych części, po ich uprzednim zautomatyzowanym demontażu. Po raz pierwszy w rozwoju przemysłu możliwym jest postawienie zadania, żeby produkcja była bardziej wydajna, a zarazem produkt jakościowo lepszy i mniej kosztowny. Dotychczas podwyższanie jakości wyrobów łączyło się zawsze z podwyższaniem kosztów. Dobór optymalnych zautomatyzowanych systemów wytwarzania i sterowanie produkcją takich systemów staje się najbardziej istotnym zagadnieniem dla modułów CIM. Ogólnie biorąc, przydatność danego systemu CAD/CAM/CAE do współbieżnego projektowania i konstruowania jest jednym z głównych kryteriów oceny jakościowej systemu.
Traktując wartość sprzedaży w danym roku za miarę rozpowszechnienia mechanicznych systemów CAD/CAM, lista wiodących firm na świecie w r.1997 przedstawia się następująco: IBM, EDS, Autodesk, Computervision, SDRC, Hewlett-Packard, Schlumberger, MacNeal Schwendler, Parametric Technology Corp, Intergraph, Matra Datavision, itd. Dla pełnego zrozumienia skali rozpowszechnienia systemów CAD/CAM/CAE instalowanych na stacjach roboczych i komputerach dużej mocy, warto zauważyć, że żaden z wiodących systemów nie przekroczył jeszcze 65 tys. stanowisk .
Tym niemniej można stwierdzić, że w przemyśle zaawansowanej technologii trzy systemy CAD/CAM/CAE uzyskały zdecydowaną przewagę w liczbie zainstalowanych systemów. Są to: CATIA Solutions, Unigraphics Solutions i CADDS 5. Można stwierdzić, że jest to "wielka trójka" systemów CAD/CAM/CAE, chociaż w ostatnim roku CADDS 5 (Computer vision) połączony został z PRO/Engineer (PTC). Założyć trzeba, że dominacja tej "trójki" w obszarze sieciowo zintegrowanych systemów CAD/CAM utrzyma się co najmniej przez 5 lat. Różnice jakościowe między tymi trzema systemami nie są duże, i należy wniknąć w poszczególne moduły systemu aby ustalić czy dla przewidywanych zastosowań jest on lepszy od innych. Moduły CAD, CAM i CAE analizowane oddzielnie w każdym z tych systemów wykazują już mniej lub bardziej istotne różnice. I to właśnie musi być uwzględniane w doborze systemu dla określonego profilu produkcji, nie mówiąc już o tak ważnym czynniku jak cena. Cena może zdecydować, że w przyszłości systemy spoza tej pierwszej "trójki" mogą poważnie zwiększyć stopień rozpowszechnienia w przemyśle. Jest to możliwe pod warunkiem, że w zakładach produkcyjnych będą istnieć wyspecjalizowane zespoły software'owe, które potrafią aktywnie współpracować przy integrowaniu dostarczonego systemu CAD/CAM z opracowanym przez siebie oprogramowaniem typu CAE i CIM.
KOMPUTEROWE SYSTEMY PROJEKTOWANIA, KONSTRUOWANIA I WYTWARZANIA ( CAD/CAM/CAE) - ROZWÓJ SYSTEMÓW I KRYTERIA OCENY
3. Kryteria oceny systemów
Można stwierdzić, że obecnie w przemyśle maszynowym, kilka wiodących systemów CAD/ CAM/CAE determinuje poziom zaawansowania tej techniki w przemyśle amerykańskim i europejskim, i może stanowić układ odniesienia dla innych systemów, których wielka liczba jest dowodem zrozumienia ogromnych potencjalnych możliwości jakie niesie z sobą rozwój tych systemów. Pozycja jaką zajmuje dany system mierzy się na ogół stopniem rozpowszechnienia wśród czołowych producentów samolotów i śmigłowców, samochodów, okrętów, czołgów, obrabiarek, maszyn budowlanych, telewizorów i tym podobnych wyrobów zaawansowanej technologii.
Tylko w niewielu systemach występują oryginalne koncepcje teoretyczne, nie znane w systemach wiodących dla danej dziedziny zastosowań. Przeto, ustalenie wiodących 8-10 systemów i analiza ich modułów funkcjonalnych, dają wystarczającą podstawę do oceny stanu zaawansowania całej dziedziny CAD/CAM. Inna sprawa, że takie, z pozoru proste, podejście do zagadnienia nie jest w wielu przypadkach możliwe, gdyż dostęp do informacji o budowie poszczególnych systemów jest skutecznie ograniczany.
Wiedzę o wybranych systemach, najłatwiej można zdobyć z pozycji współpracy w ramach prac badawczo-rozwojowych lub wdrożeniowych związanych z tymi systemami. Inne drogi, związane z zamawianiem określonych analiz w firmach konsultingowych, są w warunkach krajowych raczej nie dostępne, ze względu na wysokie koszty przedsięwzięcia. Dodatkowym utrudnieniem jest to, że gwałtowny rozwój systemów w ostatnich 5 latach, co się łączy ze wzmożonym przechodzeniem wielu, nawet średnich i małych firm, na technologię CAD/CAM, doprowadził do istotnych przetasowań na liście czołowych firm komputerowych, a szczególnie software'owych. Wiele firm się połączyło, a wiele zostało przejętych przez inne firmy. Ostatnio, w r.1998 doszło do połączenia takich czołowych firm softwareowych jak PTC (PRO/Engineer) z Computervision ( CADDS 5) i SDRC( I-DEAS) z Camax-em, a ponadto takich firm komputerowych jak Compaq z Digitalem. Również Unigraphics przejął Solid Edge (Intergraph). W wyniku takich przemian wiele znanych systemów CAD i CAM zmienia nazwy bez znaczących zmian w samym systemie. Aby to zauważyć trzeba mieć, co najmniej, wieloletnią ciągłość pracy w tej dziedzinie.
Wiele czynników wskazuje jednak na to, że intensywne prace badawcze i rozwojowe nad systemami CAD, CAM, CAE, CIM oraz dalszy, przyspieszony rozwój sprzętu komputerowego, sieci komputerowych i systemów operacyjnych mogą już w następnych 3-5 latach doprowadzić do poważnych zmian na liście systemów wiodących. Zresztą, taki obraz rozwoju towarzyszy tej dziedzinie techniki już od końca lat 60-tych. Tak na przykład, system APT (Automatically Programmed Tools, MIT, USA), uważany za protoplastę systemów CAD/CAM, na początku lat 70-tych był systemem zdecydowanie dominującym, a w latach 90-tych jest już tylko częścią składową zaawansowanych systemów CAD /CAM lub stanowi niezależny system programowania obrabiarek i innych urządzeń technologicznych. Wiodące systemy CAD/CAM z lat 70-tych, np. UNIGRAPHICS z firmy lotniczej McDonnell-Douglas lub CADAM z firmy lotniczej Lockheed, są nadal w czołówce światowej, chociaż zostały już przejęte przez inne firmy.
Do ogólnej oceny systemów CAD/CAM liczą się trzy główne czynniki, a mianowicie:
- jakość samego oprogramowania i zakres zadań rozwiązywanych przez moduły
funkcjonalne systemu, a ponadto poziom zintegrowania tych modułów i możliwość włączania w system własnych modułów funkcjonalnych (różne odmiany języków obiektowych i macro, C++, FORTRAN);.(szersze omówienie tych kryteriów - poniżej);
- charakterystyka sprzętu komputerowego i stosowanych systemów operacyjnych, czyli tzw. charakterystyka platformy sprzętowej, a ponadto przydatność do współpracy w sieciach komputerowych (LAN,WAN, MAN,GAN, Internet, Intranet) ;
- stabilność rozwojowa danego systemu i poziom sieci konsultingowej, a ponadto koszty związane z instalacją wybranej konfiguracji modułów.
Tak wymienione czynniki rozdzielają wyraźnie ocenę oprogramowania modułów funkcjonalnych CAD/CAM/CAE od oprogramowania systemu operacyjnego i oprogramowania interfejsowego. Jest to zrozumiałe, chociażby z tego powodu, że moduły funkcjonalne systemu tworzone są przez zupełnie inny zespół niż systemy operacyjne i interfejsowe.
Zespoły tworzące moduły systemu CAD/CAM, oprócz doświadczenia komputerowego, muszą wykazać się wybitnym doświadczeniem konstrukcyjnym i technologicznym w głównych dziedzinach zastosowań systemu. Stworzenie takiego kompetentnego zespołu jest właściwie najtrudniejszym zadaniem, a przy pracach rozwojowych zwiększających zasięg systemu na obszar CIM, staje się to decydującym czynnikiem w powodzeniu przedsięwzięcia. Dlatego też, nawet tak potężne firmy jak IBM, nie są w stanie samodzielnie tworzyć takich zespołów i rozwijają systemy CAD/CAM/CAE przy współpracy z zespołami, które już zdobyły sobie uznanie dla swych prac i koncepcji. Przykładem może być system CATIA, który dopiero od kilku lat jest rozwijany wspólnie przez francuską firmę lotniczą Dassault i IBM, przy czym IBM przejął zadania związane z dostosowaniem systemu operacyjnego i platformy sprzętowej.
Ocena jakościowa modułów systemu w połączeniu z oceną oferowanych platform stanowi podstawowe kryterium oceny zaawansowania systemów CAD/CAM/CAE i ich przydatności do rozwiązywania praktycznych zadań z zakresu projektowania, konstruowania i wytwarzania.
W naszym przypadku ograniczymy się do analizy tzw. systemów mechanicznych, czyli systemów CAD/CAM/CAE stosowanych w budowie maszyn, mimo że niektóre z tych systemów mogą być z powodzeniem stosowane w budownictwie, architekturze, a nawet w elektronice. O przeznaczeniu systemu decyduje wtedy odpowiednia konfiguracja modułów. Ilościowym odzwierciedleniem oceny jakości systemów są na ogół wartości sprzedaży, mimo iż łatwo można zauważyć, że zależy ona nie tylko od merytorycznych cech systemu. W sumie, można jednak uznać, że klasyfikacja systemów wg cech handlowych odpowiada w przybliżeniu klasyfikacji dokonywanych wg cech merytorycznych, zrozumiałych tylko dla specjalistów tej branży.
Stąd też, stopień rozpowszechnienia systemu jest ważnym czynnikiem oceny jego wartości, pod warunkiem takiego wstępnego sklasyfikowania systemów CAD/CAM, żeby nie tytuły systemów ani ich reklamowe opisy, ale ich moduły funkcjonalne decydowały o zaszeregowaniu. Jest to szczególnie ważne w sytuacji, gdy ok. 300 systemów CAD i CAM walczy bezwzględnie o swój udział w zyskach na tym gigantycznym rynku. Po prostu, rower można porównywać tylko z rowerem, a nie z samochodem, mimo że obydwa te produkty są środkami transportu i że w wielu okolicznościach ruchu miejskiego, rower może okazać się szybszy od samochodu. Porównanie to nie jest aż tak przesadzone, gdyż stosunek cen między wiodącymi systemami CAD lub CAM, implementowanymi na komputerach klasy PC z systemem operacyjnym DOS, Windows 95 lub Windows NT ( np. AutoCAD, PC-APT i inne), a zintegrowanymi systemami CAD/CAM, implementowanymi na stacjach roboczych IBM (np. CATIA na IBM RS/6000, UNIGRAPHICS na HP 9000), wynosi ok.1:40.
I tu właśnie przebiega główna granica podziału między różnymi systemami CAD/CAM. Aktualne możliwości sprzętu komputerowego klasy PC ( 486 i Pentium) z systemem operacyjnym DOS lub Windows 95 nie pozwalają na realizację wielu ważnych modułów funkcjonalnych, a w szczególności, nie pozwalają na integrację systemu w oparciu o wspólną bazę danych. Ta klasa komputerów rozwija się jednak najszybciej i najnowsze komputery PC z Pentium II (400 MHz), pamięciami powyżej 128 MB, dyskami 6-10 GB i nowym systemem operacyjnym Windows NT, zwiększają niepomiernie możliwości tych komputerów jako platform dla systemów CAD/CAM, co nie oznacza jednak, że wystarczą dla systemów obsługujących sieci komputerowe zakładów produkcyjnych. Co raz częściej mamy do czynienia, szczególnie w mniejszych zakładach, z instalowaniem systemów CAD/CAM/CAE w mieszanych sieciach w oparciu o UNIX i Windows NT, gdyż taka sieć umożliwia efektywną współpracę użytkowników w ramach zakładu.
Oznacza to, że systemy CAD, CAE, CAM i CIM związane z najtańszym sprzętem komputerowym będą musiały nadążać za wzrostem możliwości nowoczesnych komputerów PC, a co za tym idzie, będą musiały rozbudowywać swoje systemy o dalsze funkcje, a często będą musiały zmienić podstawową architekturę systemu wraz z bazą danych. Dla wielu, z istniejących obecnie ok. 300 systemów CAD, CAM i CAE, może być to bariera nie do przekroczenia. Jak dowodzi dwudziestoletnia historia rozwoju systemów CAD/CAM, te systemy , które sprostają tym wymaganiom, będą mieć strukturę współczesnych systemów CAD/CAM związanych z komputerami o dużej mocy obliczeniowej (mainframes) i stacjami roboczymi (workstations).
Dlatego też, bliższej analizie poddane zostaną tylko te systemy CAD/CAM, które ze względu na architekturę systemu, jak również ze względu na zakres zadań realizowanych przez moduły funkcjonalne, muszą być eksploatowane w sieci opartej na komputerach o dużej mocy obliczeniowej lub na stacjach roboczych. Te systemy są już porównywalne i przy analizach poszczególnych modułów nie występują skokowe, niemierzalne różnice jakościowe.
Pamiętając jednak, że największe ilościowe rozpowszechnienie systemów CAD i CAM wiąże się z wykorzystywaniem jako platformy komputerów klasy PC, należy przedstawić, przynajmniej pobieżnie, sytuację w tej grupie zastosowań, bo dotyczy ona również edukacyjnego rozpowszechniania tych systemów. Na świecie w r.1997 eksploatowanych było ok. 210 mln komputerów klasy PC, a w tym samym roku sprzedano ponad 60 mln. Dla porównania z komputerami PC należy zauważyć, że w świecie jest zainstalowanych ok. 2,9 mln stacji roboczych i ok. 30 tys. komputerów dużej mocy (mainframes) i superkomputerów.
Szacuje się, że ok. 45% komputerów PC wyposażonych jest już w procesory klasy Pentium, i Pentium II, a przy tych procesorach możliwe sa już takie konfiguracje sprzętu i systemów operacyjnych (Windows NT), że nawet niektóre zaawansowane systemy CAD/CAM/CAE mogą już być eksploatowane.
Dominującą pozycję jako firma software'owa typu CAD dla tej klasy komputerów zajmuje firma Autodesk, dzięki swemu systemowi AutoCAD. Jej udział na światowym rynku software'owym CAD w klasie komputerów PC wynosi 25 %, (ponad 600 tys. instalacji). Wydaje się, że potencjał rozwojowy jakim dysponuje Autodesk, pozwoli tej firmie na utrzymanie tej pozycji przez wiele lat, jeśli będzie rozpowszechniany na komputerach masowych PC (opartych na mikroprocesorach klasy Pentium II) z systemem operacyjnym MS-Windows NT, lub IBM - OS/2 Warp, które są systemami operacyjnymi o organizacji w pełni 32-bitowej.
Warto ponadto dodać, że już obecnie najbardziej masowym zastosowaniem systemów CAD i CAM jest właśnie połączenie AutoCAD + SmartCAM, co jest zadawalającym rozwiązaniem dla nieskomplikowanych konstrukcji i nieskomplikowanego programowania obrabiarek sterowanych numerycznie. Zresztą, systemy CAM klasy PC-APT mogą być łatwo podłączane do prawie wszystkich czołowych systemów CAD. W wielu przypadkach systemy CAM lub CAD, dzięki swojemu wyspecjalizowaniu do określonego zastosowania, współistnieją ze zintegrowanymi systemami CAD/CAM, szczególnie przez pierwszy okres wdrażania systemu.
Do stosunkowo najbardziej rozbudowanych systemów CAD/CAM, które jednak mogą być jeszcze implementowane na komputerach PC należą:
Computervision (Personal Designer, Personal Machinist), Cimatron Technologies, Houtzeel Manufacturing Systems (APT), Camax Manufacturing Technologies (SmartCAM), ICAM Technologies Corporation, JE Engineering, Pathtrace Systems (Edge CAM), CNC Software (Mastercam), Surfware Inc. (Surfcam), Parametric Technology Corp., Applicon Inc., Licom Systems (APS).
Inne czołowe firmy w zakresie tylko systemów CAD i CAM (bez hardware ), rozpowszechnionych w klasie PC, to: Vero International Software, Ziegler, Viewlogic Systems, Xilinx, EEsof, ISICAD, Design Automation, Bentley, Altera, itd.
Przedstawione powyżej listy wiodących firm światowych miały by nieco odmienną kolejność, gdyby potraktować rozpowszechnienie regionalnie, tzn. oddzielnie dla Stanów Zjednoczonych i Kanady, Europy, Azji, a jeszcze inaczej gdyby odnieść się do rozpowszechnienia systemów i komputerów w kraju.
W kraju, dzięki centralnym zakupom ministerialnym, dość duże rozpowszechnienie w szkolnictwie średnim uzyskał nieskomplikowany, ale za to dobrze opisany system CAD/CAM- niemiecki MTS. W zakresie systemów CAD na komputery PC największe rozpowszechnienie w kraju uzyskał AutoCAD.
Przechodząc do głównego nurtu naszych rozważań, to jest do systemów CAD/CAM/CAE eksploatowanych w sieciach opartych na komputerach o dużej mocy obliczeniowej z terminalami graficznymi lub na technicznych stacjach roboczych obsługiwanych tzw. serwerem, należy zauważyć, że granica między tymi dwoma rozwiązaniami staje się coraz bardziej płynna, a dla samego konstruktora lub technologa jest wręcz niewidoczna. Koncepcja przyjętego rozwiązania jest uzależniona raczej od planów automatyzacji przedsiębiorstwa, czyli łączy się z uwzględnieniem aspektów zarządzania i sterowania produkcji.
Automatyzacja przedsiębiorstwa i plany integracji wszystkich gniazd automatyzacji w ramach CIM, wymagają zainstalowania sieci komputerowej opartej o komputer dużej mocy, przy czym, stacje robocze mogą być składnikami takiej sieci lub też w najnowszych koncepcjach przejmować funkcje superkomputerów.. Znacząca różnica między tymi koncepcjami to koszty. Koszty jednego z wiodących systemów CAD/CAM/CAE wraz ze 2-4 stacjami roboczymi wynoszą ok. 150-200 tys. dolarów, natomiast ten sam system wraz z siecią z dużym komputerem będzie wynosić powyżej 800 tys. dolarów. Istotne różnice techniczne między sieciami opartymi o duże komputery a sieciami ze stacji roboczych, nie wpływają bezpośrednio na ograniczenia funkcji systemu CAD/CAM/CAE, ale wprowadzają ograniczenia dla zarządzania bazą danych i dla wielkości obsługiwanej sieci. Pamiętać trzeba, że w wielkich zakładach samochodowych i lotniczych, liczba terminali związanych z eksploatacją systemów CAD/CAM/CAE przekracza często 500 (a nawet i 4000), a dokumentacja konstrukcyjna, technologiczna i eksploatacyjna wymaga ok. 10 GB-ej bazy danych. Ponieważ jednak, małe i duże sieci komputerowe eksploatują te same systemy CAD/CAM, różnice między tymi sieciami mają dla inżynierów tylko organizacyjne znaczenie, bo jednak sieci oparte o stacje robocze i serwery są powiązane bezpośrednio z biurami konstrukcyjnymi i technologicznymi a nie z centrum obliczeniowym przedsiębiorstwa.
W celu dokonania klasyfikacji jakościowej systemów CAD/CAM/CAE należy wykorzystać fakt , że ok. 30 największych firm samochodowych i ok. 20 największych firm lotniczych ma połączone w sieci komputerowej wszystkie swe zakłady, łącznie z zakładami kooperującymi i siecią dystrybucyjną. Są to najczęściej sieci rozległe (WAN-Wide Area Network, zasieg ok. 1500 km), chociaż wiele z nich jest już typu globalnego (GAN-Global Area Network, Intranet, Internet- bez ograniczeń zasięgu). Sieci te mogą łaczyć nawet tysiąc sieci lokalnych (LAN-Local Area Network, zasieg ok. 15 km), przy czym sieć lokalna lub zgrupowanie kilku sieci lokalnych są najbardziej typowymi dla zakładu produkcyjnego. W ramach sieci lokalnej Ethernet obejmującej wydział produkcyjny połączone są komputery PC, stacje robocze, urządzenia peryferyjne (drukarki, plotery, digitizery, terminale alfanumeryczne i graficzne, czytniki, itd.), urządzenia nadzorujące proces technologiczny, obrabiarki CNC, urządzenia technologiczne sterowane przez PLC, roboty przemysłowe, współrzędnościowe maszyny pomiarowe, sterowane urządzenia transportowe, itp. Maszyny i urządzenia produkcyjne, ze względu na swe przeznaczenie, są dostarczane przez wyspecjalizowane wytwórnie, a co za tym idzie, mają różnorodne układy sterowania. W takich przypadkach do łączenia w sieć używa się, co raz częściej, protokółów MAP (Manufacturing Automation Protocol). Sieci lokalne stanowią rownież główną bazę dla zintegrowanych systemów CAD/CAM/CAE i CIM, i można założyć, że w wiodących zakładach zainstalowane są najlepsze systemy.
Największe moce komputerowe zainstalowano w sieciach następujących firm samochodowych: Nissan, Ford, Mazda, General Motors, Honda, Volkswagen, BMW, Toyota, Saab, Isuzu, Daihatsu, Mitsubishi, Chrysler, Fiat, Peguot, Daimler - Benz.
Wiodące na tym polu firmy lotnicze to: McDonnell Douglas, Rolls - Royce, Aerospatiale, General Dynamics, General Electric Aircraft Engines, Boeing, Lockheed, Alenia, Pratt & Whitney, Rockwell, Dornier, Martin Marietta, Hughes, Dassault.
Można przyjąć, że tylko systemy zintegrowane umożliwiają przejście do współbieżnego projektowania i konstruowania samochodów (concurrent engineering, simultaneous engineering). Tylko przy takim sposobie przygotowania produkcji można wprowadzić nowy model samochodu w ciągu ok. 30 miesięcy, a następnie produkować z wydajnością ok. 30 roboczogodzin na 1 samochód.
Kryteriami oceny jakościowej współczesnych, zintegrowanych systemów
CAD/CAM/CAE mogą być cechy modułów realizujących najtrudniejsze zadania
systemu:
- Modelowanie geometryczne powinno umożliwiać automatyzację procesu
projektowania, konstruowania i wytwarzania (feature based design - zdefiniowane
układy geometryczne, modelowanie 3D z realistyczną wizualizacją przestrzenną,
definiowanie parametryczne i wariacyjne, powierzchnie Coons’a, Beziera, B-spline,
NURBS, itd.).
- Pełna integracja przynajmniej 4 głównych modułów: - modelowanie geometryczne-,
-wykreślanie dokumentacji i rysunek techniczny-,- procesy wytwarzania-, - analiza
masowa, wytrzymałościowa, kinematyczna, dynamiczna (met.el. skończ.);
- Powiązanie jedno- lub dwu-kierunkowe między głównymi modułami (associativity);
- Analiza geometryczna i fizyczna zdefiniowanych brył i powierzchni, np. środek
ciężkości, obliczanie pola i objętości, momenty bezwładności, osie bezwładności, itp.
(5) Moduł języka obiektowego do programowania w ramach modułów zintegrowanych
jako narzędzie dla pełnej automatyzacji projektowania i wytwarzania, a zarazem rozwoju
systemu;
- Przystosowanie do projektowania zespołów o dużej liczbie elementów składowych
(assemblacja, definiowanie więzów między elementami konstrukcji, analiza wymiarów i tolerancji);
- Zaawansowane metody programowania wszystkich procesów produkcyjnych, np. toczenie zwykłe i toczenie 3- i 4-osiowe, frezowanie 3-, 4-, i 5-osiowe, centra erozyjne (wycinarki - EDM);
- (8) Generowanie postprocesorów obrabiarkowych o dużym stopniu niezawodności;
- Niezawodna metoda interpolacji generującej punkty CL dla toru narzędzia,
z uwzględnieniem nowych możliwości sterowania CNC ( m.in. interpolatory splajnowe);
- Możliwość włączania w system dodatkowego, specjalistycznego oprogramowania napisanego w języku FORTRAN lub C ( C++).
Analiza czołowych systemów CAD/CAM/CAE wg tych kryteriów prowadzi do wniosku, że zadawalająco, chociaż nie w jednakowym stopniu, spełnia te kryteria tylko 3 systemy: CATIA Solutions, (Dassault Systemes), UNIGRAPHICS Solutions (EDS), CADDS (Computervision). Około 7 systemów spełnia większość z podanych kryteriów.
W celu podania w miarę obiektywnej klasyfikacji systemów CAD/CAM/CAE i chcąc uniknąć teoretycznego przypisywania wag na poszczególne kryteria, dodatkowym ważnym, a być może najważniejszym, kryterium jest rozpowszechnienie systemu w w/w koncernach .
We wszystkich wymienionych koncernach samochodowych i lotniczych jako bazowe systemy, czyli takie w których realizuje się większość zadań i tworzy systemowe bazy danych, stosowane są CATIA, UNIGRAPHICS i CADDS w połączeniu PRO/Engineer. Najczęściej systemy te uzupełniane są przez systemy mniej zaawansowane, które wykorzystywane są do wyspecjalizowanych zadań.
Zgodnie z powyższymi kryteriami i po uwzględnieniu stopnia rozpowszechnienia tych systemów w czołowych koncernach samochodowych i lotniczych, można systemy CAD/CAM/CAE sklasyfikować następująco:
1. CATIA Solutions..................................... Dassault Systemes, IBM
2. UNIGRAPHICS Solutions , Solid Edge... EDS, d. McDonnel Douglas, d. Intergraph
3. CADDS 5 , Pro/ENGINEER ......Parametric Technology Corp, d. Computervision
4. I-DEAS, SmartCAM),................SDRC, d. Camax Manufacturing Technologies
5. CADAM ................................... IBM, d. Lockheed
6. Bravo ........................................ Schlumberger
7. Euclid ....................................... Matra Datavision
9. APT (różne wersje)..................... CAM-I i inni
Ponadto istnieje ok. 10 dalszych systemów CAD/CAM/CAE różniących się niewiele od ostatnich systemów z powyższej listy.
Osiągnięty etap rozwoju systemów CAD/CAM pozwala na stwierdzenie, że są już ustalone zasadnicze moduły składowe i wynikające stąd główne bloki funkcjonalne systemu i że dalszy rozwój na tym polu będzie polegać na doskonaleniu i rozbudowie tych bloków oraz na wprowadzaniu algorytmów automatyzujących projektowanie, konstruowanie i przygotowywanie programów obróbki dla wybranych klas produktów, spełniających określone kryteria podobieństwa konstrukcyjnego i technologicznego. Nie oznacza to jednak, że można również ujednolicić moduły składowe systemów CIM (Computer Integrated Manufacturing).
Systemy te ujmowane wspólną nazwą zintegrowanych ( lub zautomatyzowanych) systemów wytwarzania opierają się na konstrukcyjnej i technologicznej bazie danych, utworzonej przez system CAD/CAM/CAE, ale w swych blokach funkcjonalnych są mocno powiązane z procesem technologicznym i cyklem produkcyjnym danego wyrobu. Konfiguracja bloków funkcjonalnych i ich algorytmizacja w ramach systemów CIM stanowi odrębną, i także, gwałtownie rozwijającą się dziedzinę..
Jeśli struktura modularna jest zgodna z wyróżnionymi blokami funkcjonalnymi, odpowiadającymi rzeczywistym zadaniom projektowania, konstruowania i wytwarzania, to wtedy jest możliwe dopasowanie modułów systemu do określonego profilu produkcji zakładu. W przeciwnym przypadku, jak to było w przeszłości, zakład musiał nabywać system w całości, niezależnie od tego, czy wykorzystywał w praktyce 10%, czy 90% możliwości systemu. W pełni modularna budowa systemów jest istotnym krokiem do nadania im charakteru otwartego, czyli nadaniu im tej cechy, która w systemach operacyjnych jest już potwierdzona standardami międzynarodowymi. Uzyskanie modularnej struktury nie jest jednak łatwe i większość systemów dopiero ewoluuje w tym kierunku. Wynika to, przede wszystkim stąd, że współczesne wiodące systemy CAD/CAM/CAE zbudowane zostały na bazie systemów powstałych przed kilkunastoma laty dla przemysłu lotniczego i zbrojeniowego oraz dla zupełnie odmiennego, archaicznego już, sprzętu komputerowego. Mając na uwadze, że systemy te liczą obecnie ok. 8-10 milionów linii programów źródłowych, można łatwo ocenić jak ogromne nakłady są potrzebne na reprogramowanie, rekompilacje i testowanie takich systemów. Pomijam fakt, że w praktyce opisy i dokumentacja oprogramowania bardzo często nie odpowiadają rzeczywistym algorytmom programowym. Dotychczasowy rozwój modularyzacji systemów wskazuje również na to, że od głównego kierunku zastosowań zależy jaka tematyka grupuje się w ramach jednego modułu. Będzie to szczególnie wyraźne w modułach CIM oraz w przyszłych modułach współbieżnego projektowania wyrobu (concurrent engineering), a jest to tematyka w obszarze której rozpoczęto najbardziej intensywne prace naukowo-badawcze i rozwojowe. Stąd też, można uznać, że pełna modularna budowa systemów CAE/CAD/CAM/CIM to sprawa dalszych prac rozwojowych na całe lata.
Modularna budowa systemów CAE, CAD, CAM, CIM umożliwia integrację tych systemów. Warunkiem niezbędnym wszelkiej integracji między tymi systemami jest ujednolicenie i utworzenie przynajmniej trzech wspólnych modułów funkcjonalnych, t.j. bazy danych (przede wszystkim geometrycznych), zarządzania bazą danych oraz komunikacji z użytkownikiem i innymi systemami. Przede wszystkim, te właśnie moduły powinny mieć ujednoliconą strukturę, jeśli chce się nadać systemowi CAD/CAM/CAE cechy systemu typu otwartego. W warunkach systemu typu otwartego ułatwione jest dołączanie modułów CAE, CIM i innych modułów, zgodnie ze zwiększającymi się potrzebami w automatyzacji zakładu produkcyjnego. Możliwa będzie również współpraca różnych systemów w ramach tego samego zakładu. Jest to bardzo ważne, gdyż dotychczasowa praktyka wdrażania systemów CAD/CAM do przemysłu udowodniła, że żaden z większych zakładów nie ma przez dłuższy czas jednego i tylko jednego systemu CAD/CAM, ani nie poprzestaje na pierwszej koncepcji hardware'u i sieci komputerowej. Po 3-4 latach gromadzenia doświadczeń rodzi się, na ogół, potrzeba zmian i uzupełnienia pierwotnej koncepcji, co najczęściej oznacza poważną wymianę sprzętu komputerowego, ale także dodanie nowego systemu CAD/CAM. Rzadko rezygnuje się z raz już opanowanego systemu CAD/CAM, nawet wtedy, gdy system ten jest wyraźnie niedopasowany do aktualnych i dobrze określonych potrzeb zakładu. Zresztą, już po roku prac wdrożeniowych uwidacznia się specyfika systemów CAD/CAM, tak różna od innych systemów komputerowych. Po prostu, przeciętny informatyk wdrażając systemy komputerowe do bankowości, zarządzania, gospodarki materiałowej, i innych zadań, potrafi opanować wiedzę specjalistyczną dotyczącą zastosowania w ciągu pół roku. Nie można jednakże powierzyć zadań wdrażania komputerowego systemu projektowania dla zespołu bez doświadczenia i głębokiej wiedzy z zakresu konstruowania i wytwarzania złożonego obiektu technicznego, takiego jak samolot, samochód, okręt, telewizor, obrabiarka. Jeśli zdarzają się niepowodzenia we wdrażaniu systemów CAD/CAM do takich zastosowań, to właśnie z tego powodu.
Całościowa analiza każdego z systemów CAD/CAM/CAE i próby utworzenia list rankingowych dla tych systemów są z góry skazane na błędy, wynikające z subiektywnej oceny wartości poszczególnych modułów. Niezależnie od merytorycznej treści poszczególnych modułów i jakości ich rozwiązań koncepcyjnych, dla zakładu produkcyjnego stosującego ten moduł jego wartość uwarunkowana jest tym, jak dalece ważne w procesie konstruowania i wytwarzania są funkcje, które realizuje ten moduł. Np. dla konstrukcji samolotu moduł analizy naprężeń i odkształceń przy użyciu metody MES jest nieodzowny, natomiast do konstruowania tłoczników karoseryjnych moduł ten ma znaczenie podrzędne. Zresztą, prawie każdy z czołowych systemów CAD/CAM/CAE powstawał na bazie kilku, dobrze opracowanych modułów, i dopiero rozwój tych systemów w ostatnich latach wymuszał dołączanie innych modułów, potrzebnych dla nowych grup użytkowników i dla wyższego stopnia automatyzacji przedsiębiorstwa. Z reguły, nie zdarza się, aby wszystkie moduły danego systemu były na jednakowym poziomie jakościowym.
Rys.3. Przedstawienie struktury modularnej w zintegrowanych systemach CAD/CAM/CAE/CIM, przewidywanych dla zautomatyzowanych zakładów produkcyjnych.
Powyżej przedstawiony został hipotetyczny, zintegrowany system CAD/CAM/ CAE/CIM z tymi modułami, które statystycznie występują najczęściej we współczesnych przedsiębiorstwach (Rys.3). Sposób przedstawienia składowych modułów systemu uwypukla charakter powiązań funkcjonalnych, ale nie oddaje wielkości, zakresu zadań i wagi poszczególnych modułów w cyklu produkcyjnym wyrobu. Gdybyśmy zechcieli uwzględnić te właśnie miary w odpowiedniej skali, to okazałoby się, że zakres zadań wiążących się z modułami CIM i CAM jest w praktyce tak wszechogarniający, że nawet przy tak skomplikowanym wyrobie jakim jest samolot, zadania wiążące się z modułami CAE i CAD stanowią tylko niewielki procent w całości zadań produkcyjnych.
W rzeczywistości, w najbardziej rozbudowanych konfiguracjach czołowych systemów nie ma nawet połowy wymienionych modułów z zakresu CAM i CIM. Większość z nich istnieje jako nie zintegrowane oprogramowanie, tzn. nie korzystające ze wspólnej bazy danych albo występuje w przedsiębiorstwach, które nie posiadają żadnego zintegrowanego systemu CAD/CAM i eksploatowane są na komputerach klasy PC. Moduły takie nie mają zwykle uogólnionych algorytmów rozwiązań problemu, ale za to są dobrze wytestowane na zakres określonych zastosowań. Kolejność przedstawianych modułów pokrywa się, w przybliżeniu, z częstością ich występowania.
4. Zakończenie
W przemyśle krajowym , a w szczególności w przemyśle lotniczym, samochodowym, zbrojeniowym i stoczniowym, modernizacja wymaga pełnego zastosowania zintegrowanych systemów CAD/CAM/CAE. Tylko wiodące systemy dają szansę na efektywną realizację koncepcji konstruowania odwrotnego, którą trzeba będzie przyjąć dla dobrych własnych wyrobów, konstruowanych w przeszłości metodami tradycyjnymi. Opracowanie dodatkowego oprogramowania, umożliwiającego przejście do wirtualnego prototypowania , pozwala na optymalizację konstrukcji na drodze symulacji komputerowej. Takie oprogramowanie oraz inne oprogramowanie uzupełniające potrzebne do zintegrowanych systemów może być opracowane tylko przez wysokokwalifikowanych technologów i konstruktorów, a nie może być nabyte z jakiejkolwiek innej firmy. Już dawno przeminął ten etap, gdy stosowanie systemów CAD oznaczało tylko zastąpienie desek kreślarskich przez monitory komputerowe. Odpowiednie i w miarę szybkie przygotowanie kompetentnego zespołu inżynierskiego może być najtrudniejszym etapem w unowocześnianiu wyrobów zaawansowanej technologii. Jak wiadomo z doświadczeń amerykańskich, japońskich i europejskich koszty zdobycia wymaganych kwalifikacji przez kadrę inżynierską mogą być znacznie wyższe niż koszty zakupu zintegrowanego systemu CAD/CAM/CAE i zbudowania sieci komputerowej w przedsiębiorstwie. W naszym kraju jest to szczególnie trudne, gdyż wysokokwalifikowani konstruktorzy i technolodzy nie mają, na ogół, ani wiedzy ani doświadczenia w zakresie oprogramowywanie koncepcji konstrukcji i technologii, co jest niezbędne we współczesnym przemyśle. Wszystkie wiodące koncerny światowe wkroczyły na tę drogę rozwoju około 8-10 lat temu. Zakłady produkcyjne, które wymagają efektywnego sprzężenia między modelem CAD dla danego wyrobu a przygotowaniem programów obróbki na obrabiarki CNC , powinny dokonać wyboru zintegrowanego systemu kierując się kryteriami przedstawionymi powyżej.
GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
