Komputerowe wspomaganie w technice
i nowoczesne techniki informatyczne
TECHNIKI KOMPUTEROWE CAx
W INśYNIERII PRODUKCJI
Krzysztof Dudek
Problematyka stosowania najnowszych metod
komputerowych w in\
ynierii produkcji została
szczegółowo opisana w ksią\
ce prof. E. Chlebusa.
U\
yty w tytule ksią\
ki skrót
CAx oznacza, \
e
zawartość ksią\
ki odnosi
się do ró\
nych metod i
technik komputerowych.
technik komputerowych.
Skrót CA to Computer
Aided (komputerowo
wspomagane), natomiast
symbol x  mo\
na
zastąpić wieloma literami,
w zale\
ności od tego, co
jest wspomagane.
Techniki komputerowe CAx
CAD  Computer Aided Design  Komputerowe
wspomaganie projektowania
CAD  Computer Aided Drafting  Komputerowe
wspomaganie kreślenia
CAM  Computer Aided Manufacturing 
CAM  Computer Aided Manufacturing 
Komputerowe wspomaganie wytwarzania
CAD/CAM - Computer Aided Design/Computer
Aided Manufacturing  Zintegrowane
komputerowe wspomaganie projektowania i
wytwarzania
Techniki komputerowe CAx
CAE  Computer Aided Engineering 
Komputerowe wspomaganie prac in\
ynierskich
CAQ - Computer Aided Quality Control -
Komputerowe wspomaganie sterowania jakością
CIM  Computer Integrated Manufacturing 
Komputerowo zintegrowane wytwarzanie
Komputerowo zintegrowane wytwarzanie
ES  Expert System  System ekspertowy
FEM  Finite Elements Method  Metoda
elementów skończonych
IM  Intelligent Manufacturing  Wytwarzanie
wspomagane procedurami sztucznej inteligencji
Tendencja zmian na rynku
Ewolucja systemów wytwórczych następuje wraz
z rozwojem technologii oraz ich bezpośredniego
otoczenia w postaci maszyn, urządzeń oraz
metod i narzędzi wspomagających prace nad
przygotowaniem dokumentacji technicznej,
przygotowaniem dokumentacji technicznej,
zawierającej opis modelu produktu, procesów i
stosowanych środków produkcji.
Przedsiębiorstwa produkcyjne są zmuszone do
poszukiwania nowych dróg zwiększania
wydajności produkcji i obni\
ania jej kosztów.
Zwiększenie wydajności
produkcji i obni\
anie jej kosztów
skracanie cykli rozwoju produktów i procesów ich
produkcji,
minimalizacja stanów zapasów (sprawna
minimalizacja stanów zapasów (sprawna
logistyka).
stosowanie efektywnych i innowacyjnych
koncepcji realizacyjnych produkcji (metody LP,
JIT, TQM, VF).
Koncepcje realizacyjne w produkcji
LP  Lean Production  produkcja racjonalna,
JIT  Just in Time  zasada sterowania
zapotrzebowaniem  dokładnie na czas ,
zapotrzebowaniem  dokładnie na czas ,
TQM  Total Quality Management 
kompleksowe zarządzanie jakością,
VF  Virtual Factory  przedsiębiorstwo wirtualne.
Cykl \
ycia produktu
Spirala poda\
y i popytu skraca cykl \
ycia
produktu.
Cykl \
ycia dobiega końca na skutek zmian
Cykl \
ycia dobiega końca na skutek zmian
kryteriów oceny przydatności mimo, \
e produkt
jest w pełni sprawny technicznie i funkcjonalnie
oraz ma wszystkie cechy niezmienione od chwili
wyprodukowania.
Cykl \
ycia produktu
Ceny samochodów, przy coraz większej poda\
y,
są coraz ni\
sze. Rosną natomiast koszty
eksploatacji, gdy\
samochody nasycone
elektroniką muszą być obsługiwane w
autoryzowanych, nale\
ących najczęściej do
producenta, stacjach obsługi.
Powstaje w ten sposób wtórna sprzeda\
części i
usług, równie\
kosztowna dla klienta.
Najwa\
niejsze techniki CAx
PPC (Production Planning and Control) 
planowanie i sterowanie produkcją. Są to
systemy pełniące nadrzędną rolę w przetwarzaniu
danych w wielu obszarach przedsiębiorstwa w
ró\
nym horyzoncie czasowym. Główne funkcje:
ró\
nym horyzoncie czasowym. Główne funkcje:
planowanie, przygotowanie i sterowanie
procesami wytwórczymi w zakresie realizacji
poszczególnych zleceń produkcyjnych (terminów
ich realizacji, zaopatrzenia materiałowego,
obcią\
enia stanowisk i gniazd wytwórczych oraz
aktywnej kontroli produkcji w toku).
Najwa\
niejsze techniki CAx
CAD (Computer Aided Design)  komputerowo
wspomagane projektowanie. Są to narzędzia i
techniki wspomagające prace w zakresie
projektowania, modelowania geometrycznego,
obliczeniowej analizy FEM oraz tworzenia i
obliczeniowej analizy FEM oraz tworzenia i
opracowywania dokumentacji konstrukcyjnej, w
tym struktury produktu i list kompletacyjnych.
Systemy CAD są te\
wykorzystywane do
opracowywania dokumentacji technologicznej
(karty i formularze operacji technologicznych wraz
ze szkicami), przeznaczonej do obróbki na
konwencjonalnych obrabiarkach.
Najwa\
niejsze techniki CAx
CAE (Computer Aided Engineering) 
komputerowo wspomagane prace
in\
ynierskie. Są to narzędzia i techniki
in\
ynierskie, umo\
liwiające komputerową analizę
sztywności i wytrzymałości konstrukcji oraz
sztywności i wytrzymałości konstrukcji oraz
symulację procesów zachodzących w
zaprojektowanych układach. Do klasy CAE
zalicza się tak\
e wszystkie systemy problemowo
zorientowane i aplikacje z ró\
nych dziedzin
techniki, aplikowane najczęściej na sprzęcie PC.
Najwa\
niejsze techniki CAx
CAP (Computer Aided Planning)  komputerowo
wspomagane planowanie. To metody i
narzędzia wspomagające projektowanie
technologiczne, obejmujące opracowanie
dokumentacji technologicznej z uwzględnieniem
dokumentacji technologicznej z uwzględnieniem
modelu geometrycznego przedmiotu, jego stanów
pośrednich, narzędzi, oprzyrządowania, rodzaju
maszyny i parametrów obróbki, ale bez
konkretnego określenia terminów i stanowisk
wytwórczych.
Najwa\
niejsze techniki CAx
Systemy CAP wspomagają więc prace związane
z programowaniem urządzeń sterowanych
numerycznie: obrabiarek, robotów,
współrzędnościowych maszyn pomiarowych,
systemów transportowych.
Potocznie funkcje i zakres systemów CAP określa
Potocznie funkcje i zakres systemów CAP określa
się jako działania mające na celu: co i jak
wytworzyć, ale bez określania: gdzie i kiedy (te
funkcje nale\
ą do systemów PPC).
Podstawą dla systemów CAP są z jednej strony
rysunki techniczne produktu, półfabrykaty i
surówki, z jakich mają być wykonane przedmioty,
a z drugiej strony środki produkcji.
Najwa\
niejsze techniki CAx
Plany pracy są sekwencjami
przyporządkowującymi określone środki
produkcji, instrukcje obróbki, programy maszyn i
robotów realizujących określone zadania
wytwórcze.
Dla poszczególnych faz projektowania procesów
Dla poszczególnych faz projektowania procesów
wytwarzania niezbędne są informacje
pozyskiwane z systemu CAD.
Są to zazwyczaj geometryczne modele
przedmiotów i listy kompletacyjne.
Najwa\
niejsze techniki CAx
CAPP (Computer Aided Process Planning) 
komputerowo wspomagane planowanie
procesów. Ta klasa systemów jest szersza ni\

wcześniej opisana klasa CAP. W zakresie
zastosowań CAPP mieszczą się tak\
e wszystkie
zastosowań CAPP mieszczą się tak\
e wszystkie
metody i techniki technologicznego
przygotowania produkcji realizowanej w
konwencjonalnych technologiach,
wspomaganych technikami komputerowymi i
systemami ekspertowymi.
Najwa\
niejsze techniki CAx
CAM (Computer Aided Manufacturing) 
komputerowo wspomagane wytwarzanie. Są
to techniki i narzędzia wspomagające tworzenie i
aktywizowanie programów NC na poziomie
wydziału produkcyjnego oraz nadzór, sterowanie
wydziału produkcyjnego oraz nadzór, sterowanie
urządzeniami i procesami wytwarzania i monta\
u
na najni\
szym poziomie systemów wytwórczych.
Ich funkcje odnoszą się zazwyczaj do wszystkich
urządzeń sterowanych numerycznie (obrabiarek,
współrzędnościowych maszyn pomiarowych,
robotów, systemów transportowych).
Najwa\
niejsze techniki CAx
CAQ (Computer Aided Quality Control) 
komputerowo wspomagane sterowanie
jakością. Są to metody i techniki komputerowego
wspomagania projektowania, planowania i
realizacji procesów pomiarowych, a tak\
e
realizacji procesów pomiarowych, a tak\
e
procedur kontroli jakości.
Systemy te, najczęściej sprzę\
one z systemami
CAD przez model geometryczny lub przez
program bądz
procedury pomiarowe, są
zintegrowane z systemami PPC, CAP i CAM,
głównie w części odnoszącej się do pomiarów na
współrzędnościowej maszynie pomiarowej.
Główne funkcje systemów CAx
Najwa\
niejsze techniki CAx
Główne funkcje systemów CAx mogą być
efektywnie wykorzystywane, jeśli zapewni się ich
integrację za pomocą neutralnych bądz

dedykowanych sprzęgów wymiany danych.
Procentowe ilości
danych wymienianych
między systemami
AutoCAD - program tworzony i rozpowszechniany przez firmę
Autodesk, wykorzystywanym do dwuwymiarowego i trójwymiarowego
komputerowego wspomagania projektowania.
Pierwotnie wykorzystywany był tylko przez mechaników, jednak z
czasem został rozszerzony i aktualnie jest u\
ywany przez architektów i
innych projektantów dzięki temu, \
e firma AutoDesk rozszerzyła
program o wiele specjalistycznych "nakładek" np.: AutoCAD Electrical,
AutoCAD Mechanical, Mechanical Desktop, Architectural Desktop,
Civil Design itp. AutoCAD jest w tym wypadku podstawą do której
dołączone są biblioteki, funkcje, interfejsy specyficzne dla danej
bran\
y.
Poniewa\
AutoCAD ma otwartą architekturę wiele zewnętrznych firm
stworzyło własne nakładki. Przykładem mo\
e być AutoPLANT firmy
Rebis (obecnie oddział firmy Bentley) przeznaczony do projektowania
instalacji rurowych.
Istnieje wiele wersji językowych AutoCAD-a, m.in. wersja polska.
CATIA to jeden z najpotę\
niejszych, najdro\
szych i najstarszych
zintegrowanych systemów CAD/CAM/CAE/FEM. CATIA jest produktem
firmy Dassault Systemes. System powstał w latach 70. XX wieku pod
nazwą CATI. W roku 1999 po przejęciu Euclida nastąpił przełom,
powstała nowoczesna wersja (CATIA v5). Od początku swojego
istnienia system był związany z przemysłem lotniczym. CATIA to
zaawansowany system wspomagania prac in\
ynierskich w przemyśle
zaawansowany system wspomagania prac in\
ynierskich w przemyśle
lotniczym, samochodowym, stoczniowym, maszynowym, sprzętu AGD,
energetycznym, produkcji form wtryskowych i wielu innych.
Oprócz funkcji CAx oferuje zaawansowane narzędzia PDM/PLM
(SmarTeam, Enovia) pozwalające na zarządzenie produktem
(tworzeniem, rozwojem, dokumentacją, cyklem \
ycia, itd.).
Autodesk Inventor to program komputerowy typu CAD
tworzony i rozpowszechniany przez firmę Autodesk. Jest to
typ modelera bryłowego słu\
ący do zamodelowania
projektowanego urządzenia jako modelu 3D. Na podstawie
tego modelu mo\
liwe jest wykonanie rysunków
wykonawczych, zło\
eniowych, poglądowych i innych.
Autodesk Inventor został zaprojektowany do pracy z
zespołami, sięgającymi kilkunastu tysięcy elementów.
Inventor powstał w 1999 roku jako konkurent dla takich
Inventor powstał w 1999 roku jako konkurent dla takich
programów CAD jak SolidWorks, Pro/ENGINEER, oraz
Solid Edge. Modelowanie części w programie Inventor
realizowane jest w oparciu o jądro ShapeManager, które
pozwala na wykorzystywania hybrydowej techniki pracy,
pozwalającej na łączenie brył i powierzchni w jednym
modelu w celu uzyskania \
ądanych kształtów i
uproszczenia edycji modelu.
Inventor u\
ywa specyficznych formatów plików dla części
(.IPT), zło\
eń (.IAM), oraz widoków (.IDW). Je\
eli jednak
zachodzi potrzeba, program odczytuje i zapisuje pliki w
formacie DWG,DWF,IGS i inne. Jest kompatybilny z
programem AutoCAD,tzn. ma mo\
liwość exportowania
widoków (.IDW) do Autocada. Nie zawsze wszystko
idelanie uda się przenieść. Ale w większości przypadków po
drobnych zmianach "kosmetycznych" plik jest gotowy do
drobnych zmianach "kosmetycznych" plik jest gotowy do
u\
ytku. Aplikacja działa pod systemem operacyjnym
Windows Podstawowe moduły programu to: 1.Moduł do
tworzenia części (.ipt) 2.Moduł do tworzenia zło\
eń (.iam)
3.Moduł do tworzenia dokumentacji (.idw) Dodatkowo
moduł do tworzenia części ma mo\
liwość sprawdzenia
wytrzymałościowego części, natomiast moduł do tworzenia
zło\
eń ma mo\
liwość tworzenia animacjii i renderingu.
MATLAB - program komputerowy będący interaktywnym
środowiskiem do wykonywania obliczeń naukowych i in\
ynierskich,
oraz do tworzenia symulacji komputerowych.
Nazwa programu pochodzi od angielskich słów MATrix LABoratory,
gdy\
początkowo program ten był przeznaczony do numerycznych
obliczeń macierzowych. Obecnie program ten potrafi znacznie więcej,
cechuje go du\
a liczba funkcji bibliotecznych oraz du\
e mo\
liwości
rozbudowy przez u\
ytkownika za pomocą pisania własnych funkcji.
Posiada on swój język programowania, co umo\
liwia pisanie w pełni
funkcjonalnych programów działających w środowisku Matlaba.
W zakresie grafiki Matlab umo\
liwia rysowanie dwu i trójwymiarowych
wykresów funkcji oraz wizualizację wyników obliczeń w postaci
rysunków statycznych i animacji. Mo\
liwe jest pobieranie danych
pomiarowych z urządzenia zewnętrznego przez porty w celu ich
obróbki. Wszystko to powoduje, \
e program ten znajduje bardzo
szerokie zastosowanie[potrzebne z
ródło].
Istnieją alternatywne odpowiedniki tego\
programu rozprowadzane na
licencjach FLOSS, takie jak Scilab czy Octave, jednak nie są tak
rozbudowane jak Matlab
MegaCAD - program do
komputerowego wspomagania
projektowania produkowany przez
niemiecką firmę Megatech Software
GmbH. MegaCAD jest programem
umo\
liwiającym przede wszystkim
tworzenie projektów technicznych,
rysunków dwuwymiarowych i modeli
bryłowo-powierzchniowych.
Dodatkowe aplikacje zewnętrzne przystosowują go do zarządzania
Dodatkowe aplikacje zewnętrzne przystosowują go do zarządzania
ró\
nego rodzaju sieciami: terenowymi lub znajdującymi się wewnątrz
budynku. Poło\
enie elementów sieci definiuje się w sposób graficzny (w
programie MegaCAD), a ich parametry techniczne - w bazie danych (np.
Access). MegaCAD mo\
e równie\
słu\
yć jako deska kreślarska,
wykorzystywana przez zewnętrzny program obliczeniowy do prezentacji
wyników w postaci graficznej. Zastosowano dwukierunkową konwersję
plików graficznych w formatach: DXF, DWG, CDL, HPGL, IGES.
Program umo\
liwia równie\
prostą edycję plików rastrowych jak równie\

tworzenie rysunków hybrydowych (wektorowo-pikslowych).
Pro/ENGINEER (znany równie\
pod nazwą ProEngineer, ProE, Pro/E)
to w pełni parametryczny zintegrowany system
CAD\CAM\CAE\PDM\PLM, szeroko rozpowszechniony w bran\
y
motoryzacyjnej. Producentem jest amerykańska firma PTC (Parametric
Technology Corporation, PMTC).
Dostępny na platformy Windows/Windows x64/Unix/Linux/Solaris i
procesory Intel/AMD/MIPS/UltraSPARC. Od 1985 roku ukazało się 20
wersji programu oznaczanych liczbowo (1-20), natomiast od 1999 roku
pojawiły się wersje: 2000i (1999), 2000i� (2000), 2001 (2001), Wildfire
(2003), Wildfire 2 (2005), Wildfire 3 (2006) i Wildfire 4 (2008).
(2003), Wildfire 2 (2005), Wildfire 3 (2006) i Wildfire 4 (2008).
Modułowa budowa systemu umo\
liwia dopasowanie go do konkretnych
zastosowań. Program od pierwszych wersji jest asocjatywny i
parametryczny, zarówno obróbka CAM jak i obliczenia CAE odbywają się
w tym samym środowisku co projektowanie CAD, co likwiduje problemy z
translacją danych między programami i ułatwia orientację dzięki jednemu
interfejsowi u\
ytkownika.
ProEngineer
Na szczególną uwagę zasługuje moduł CAE znany pod nazwą
Pro/MECHANICA, od wersji Wildfire będący częścią samego
Pro/ENGINEERa, który wykorzystując metodę elementów skończonych
typu P, dzięki własnym, opatentowanym rozwiązaniom umo\
liwia
uzyskiwanie precyzyjnych wyników w stosunkowo krótkim czasie i przy
niewielkim zapotrzebowaniu na zasoby sprzętowe.
W rozwiązaniach PLM/PDM niezale\
nie od zakresu zastosowania
wykorzystywana jest jedna baza danych oparta na Oracle, co ułatwia
skalowalność rozwiązania.
W Polsce system osiągnął stosunkowo du\
ą popularność dzięki
ogromnym mo\
liwościom i korzystnemu ich stosunkowi do ceny.
Korzystają z niego najwięksi polscy producenci AGD,ceramiki
sanitarnej,przemysł elektr-maszynowy, wiele narzędziowni i producentów
środków transportu, ale tak\
e stosunkowo niewielkie zakłady
produkcyjne z ró\
nych bran\
.
Scilab - darmowy pakiet naukowy stworzony w 1990 przez francuskie
INRIA (francuski narodowy instytut badań w dziedzinie komputerów) oraz
ENPC (najstarszą szkołę in\
ynierską na świecie). Od roku 1994
rozprowadzany bezpłatnie przez Internet. Od maja 2003 roku rozwijany
przez utworzone specjalnie Scilab Consortium.
Scilab został stworzony do badań matematycznych i posiada w sobie
setki funkcji matematycznych, którymi mo\
emy operować zarówno na
liczbach, jak i na bardziej zaawansowanych strukturach jak wektory czy
macierze. Potrafi tak\
e współdziałać z programami napisanymi w innych
językach. Scilab posiada tak\
e swój interpreter oraz język programowania
językach. Scilab posiada tak\
e swój interpreter oraz język programowania
wysokiego poziomu.
Scilab jest w stanie pomóc w wielu dziedzinach - od prostych obliczeń,
przez macierze, algebrę liniową, przetwarzanie sygnałów, statystykę
przez wiele innych dziedzin. Przy wykorzystaniu środowiska graficznego
jest w stanie rysować grafy i wykresy 2 i 3 wymiarowe, a nawet tworzyć
animacje.
SolidWorks to program komputerowy typu CAD tworzony i
rozpowszechniany przez firmę SolidWorks Corporation, która jest
częścią firmy Dassault SystŁmes, S. A.. Jest to typ modelera bryłowego
słu\
ący do zamodelowania projektowanego urządzenia jako modelu 3D.
Na podstawie tego modelu mo\
liwe jest wykonanie rysunków
wykonawczych, zło\
eniowych, poglądowych i innych. SolidWorks został
zaprojektowany do pracy z zespołami, sięgającymi kilkunastu tysięcy
elementów.
SolidWorks został zaprezentowany po raz pierwszy w 1995 roku jako
konkurencja dla takich programów CAD jak: Pro/ENGINEER, I-DEAS,
konkurencja dla takich programów CAD jak: Pro/ENGINEER, I-DEAS,
Unigraphics, CATIA oraz Autodesk Mechanical Desktop. W tej chwili jest
jednym z głównych produktów mechanicznych typu CAD na rynku a jego
głównym konkurentem jest Autodesk Inventor.
ADEM (Automated Design, Engineering, Manufacturing) -
zaawansowany system typu CAD/CAM/CAPP produkowany przez
rosyjską firmę o takiej samej nazwie.
ADEM jest ju\
od lat stosowany w wielu gałęziach przemysłu, głównie
przez firmy produkujące militaria, jak równie\
firmy lotnicze oraz
związane z przemysłem kosmicznym. Do niedawna system znany i
rozpowszechniany był tylko na terenie Rosji. Obecnie jest dostępny w
całej Europie oraz w Azji.
Obecna wersja (8.1) jest pierwszą spolszczoną wersją systemu.
Esprit CAD/CAM  system programowania CAD/CAM
amerykańskiej firmy DP Technology.
Przeznaczony jest do obsługi m.in.:
frezarek (3-, 4- i 5-osiowych)
tokarek (jedno- i wielogłowicowych)
obrabiarek elektroerozyjnych drutowych EDM.
Unigraphics (NX) jest zaawansowanym programem typu
CAD/CAM/CAE produkowanym przez firmę UGS.
Unigraphics jest szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym i
lotniczym Obecnie program Unigraphics nale\
y do firmy Parasolid,
do amerykanskiego potentata programów z dziedziny Cad/Cam.
Ponadto jest równie\
właścicielem programu I-Deas. Idea programu
Cad/Cam (computer aided desing/manufacturing) jak sama nazwa
wskazuje ma za zadanie wspomagać procesy projektowania i
wytwarzania.
Unigraphics - zintegrowany, system CAD/CAM/CAE/PDM
umo\
liwiający modelowanie (parametryczne lub nie według decyzji
konstruktora). W oparciu o bryły, powierzchnie i cechy konstrukcyjne
(Features). Na wykonanym modelu mo\
liwe jest przeprowadzenie
analiz wytrzymałościowych ("Scenario for Structures") i analiz
kinetycznych ("Scenario for Motion") Mo\
e być wykorzystywany do
generowania ście\
ek narzędzi (dla jego wykonania na maszynach
CNC) oraz do przygotowania dokumentacji 2D.
Unigraphics od kilku lat rozwija technologię WAVE. Pozwala ona
Unigraphics od kilku lat rozwija technologię WAVE. Pozwala ona
wyodrębnić w produkcie parametry o największej wadze i na ich
podstawie zbudować model kontrolny w pełni zintegrowany ze
strukturą szczegółową wyrobu. Dzięki takiemu podejściu, u\
ytkownik
zyskuje mo\
liwość wykonywania wielu wariantów jednego produktu w
ramach tego samego projektu.