Projekt okładki: Łukasz Kowalik

Redakcja: Matylda Pawłowska

Zastrzeżonych nazw firm i produktów użyto w książce wyłącznie w celu identyfikacji.

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2009

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2009 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20451-8

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: mobisfera.pl

Spis treści

Od autora

Słownik ważniejszych terminów CAx

Wstęp

1. Elementy teorii projektowania

1.1. Projektowanie techniczne

1.2. Obiekt projektowania

1.3. Uwagi o celowości technicznej wytworów

1.4. Uwagi o zapisie konstrukcji

1.4.1. Pryncypia zapisu konstrukcji

1.4.2. Rodzaje zapisu konstrukcji

1.4.3. Zasady odwzorowywania obiektów

1.4.4. Dokumentacja płaska CAD – wybrane wymagania

1.5. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 1.

2. Komputerowo wspomagane projektowanie – CAD

2.1. Wprowadzenie

2.2. Zakres CAD

2.3. Rys historyczny CAD

2.4. Zarządzanie i archiwizacja dokumentacji CAD

2.5. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 2.

3. Podstawy modelowania cyfrowego

3.1. Dane przetwarzane przez systemy CAD

3.2. Układy współrzędnych

3.3. Warstwy

3.4. Krzywe parametryczne

3.5. Rodzaje modeli cyfrowych stosowanych w CAD

3.5.1. Klasyfikacja modeli cyfrowych

3.5.2. Modele krawędziowe

3.5.3. Modele powierzchniowe

3.5.4. Modele z prymitywów objętościowych (CSG)

3.5.5. Modele bryłowe B-rep

3.5.6. Modele oparte na cechach konstrukcyjnych (FBM)

3.6. Wykorzystanie technik KBE w modelowaniu cyfrowym

3.7. Wybrane techniki modelowania cyfrowego

3.8. Przekształcanie rysunków 2D w modele 3D

3.9. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 3.

4. Więzy i parametryzacja

4.1. Więzy

4.2. Parametryzacja

4.3. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 4.

5. Ważniejsze systemy CAD

5.1. Charakterystyka wybranych systemów CAD

5.2. Kernele modelowania geometrycznego

5.3. Wymagania sprzętowe systemów CAD

5.4. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 5.

6. Uwagi o wymianie danych

6.1. O potrzebie wymiany danych

6.2. Wybrane problemy związane z wymianą danych

6.3. Techniki wymiany danych

6.4. Formaty uniwersalne IGES i STEP

6.4.1. IGES

6.4.2. STEP

6.5. Komercyjne formaty wymiany danych

6.6. Integracja CAD z CAM

6.7. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 6.

7. Obliczenia wytrzymałościowe wspomagane komputerem

7.1. O obliczeniach wytrzymałościowych

7.2. Zastosowanie metody elementów skończonych

7.3. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 7.

8. Podstawy renderingu

8.1. Cel renderingu

8.2. Podstawowe algorytmy renderingu

8.3. Tekstury powierzchni i związane z nimi opcje dodatkowe

8.4. Parametry oświetlenia

8.5. Zagadnienia kontrolne do rozdziału 8.

9. Spis ważniejszych formatów plików wykorzystywanych w programach CAD

10. Przydatne linki

11. Dodatek – przykładowe zestawy pytań sprawdzających

12. Spis tabel i ilustracji

13. Literatura

Od autora

Podręcznik zawiera podstawowe zagadnienia z zakresu komputerowo wspomaganego projektowania (CAD). Szczególny nacisk położono na zastosowanie technik komputerowych do projektowania szeroko rozumianych urządzeń mechanicznych. Podręcznik przeznaczony jest dla studentów wyższych uczelni technicznych, zwłaszcza dla kierunków związanych z inżynierią produkcji. Główne cele książki to m.in.:

- wprowadzenie w elementarne zagadnienia teorii projektowania technicznego w aspekcie CAD,

- przedstawienie stosowanych w CAD metod modelowania cyfrowego – poznanie teoretycznych podstaw niezbędnych do efektywnego opanowania techniki sporządzania komputerowego zapisu konstrukcji,

- klasyfikacja i charakterystyka oprogramowania CAD,

- wprowadzenie do zagadnień związanych z obliczeniami wytrzymałościowymi wspomaganymi komputerowo oraz przygotowywaniem multimedialnych prezentacji wyrobów.

Tematykę podręcznika dobrano w sposób obejmujący w syntetycznej postaci możliwie szeroki zakres komputerowo wspomaganego projektowania. Jest w pełni zrozumiałe, że tak rozległej i szybko rozwijającej się dziedziny wiedzy inżynierskiej nie można podsumować w pełni w jednym podręczniku, dlatego tę publikację należy traktować jako wprowadzające krótkie kompendium wiedzy, a bardziej szczegółowych informacji należy poszukiwać w Internecie, prasie branżowej, dokumentacji dołączanej do oprogramowania oraz podręcznikach użytkowania poszczególnych programów CAD.

Bardzo cenne będą wszelkie uwagi krytyczne Czytelników, które pozwolą na aktualizację i ulepszenie treści w kolejnych wydaniach podręcznika.

Maciej Sydor
(sydor@up.poznan.pl)

Poznań, styczeń 2009

Słownik ważniejszych terminów CAx

2,5D – dwuwymiarowa grafika wykonana metodą →FBM.

2D (od ang. two-dimensional – dwuwymiarowy) – rodzaj grafiki komputerowej wykorzystywanej do przedstawiania obiektów trójwymiarowych na płaszczyźnie (w rzutach).

3D (od ang. three-dimensional) – trójwymiarowy – przedstawianie obiektów rzeczywistych za pomocą trójwymiarowych →modeli cyfrowych.

ACIS – rodzaj →kernela (opis tutaj).

Algorytm – zbiór jasno zdefiniowanych czynności koniecznych do wykonania pewnego zadania w skończonej liczbie kroków.

APS (Advanced Planning System) – zaawansowany system informatyczny wspomagający logistykę w przedsiębiorstwie wytwórczym.

ASCII (American Standard Code for Information Interchange) – 7-bitowy kod przyporządkowujący literom alfabetu angielskiego, cyfrom, znakom przestankowym i innym symbolom oraz poleceniom sterującym liczby z zakresu 0 – 127; rozróżniane są duże i małe litery (np. litera „A” jest kodowana liczbą 65, natomiast „a” – liczbą 97).

Asocjatywność – sprzężenie informacyjne pomiędzy plikami →CAD (np. plikami rysunku a plikiem części, plikiem złożenia a plikami poszczególnych części). Każda edycja wykonana w jednym z asocjatywnych plików jest automatycznie realizowana w drugim. Asocjatywnie są powiązane ze sobą poszczególne moduły w pakietach →CAx (np. model →3D z dokumentacją rysunkową lub z plikiem →CAM). Asocjatywność może być jednokierunkowa lub dwukierunkowa.

AutoLISP – wewnętrzny język programowania, odmiana języka Lisp, która jest dołączana do AutoCAD. Ma na celu umożliwić użytkownikowi przystosowanie programu do jego specyficznych potrzeb przez rozszerzenie funkcji ponad standardowe (np. o automatyzację wstawiania bloków rysunkowych).

Automatic Feature Recognition (AFR) – algorytmy identyfikujące cechy konstrukcyjne wyższego poziomu, tzw. technologiczne (np. otwory, rowki, podcięcia), na podstawie zbioru cech niższego poziomu, takich jak elementarne powierzchnie, krawędzie itp. Celem AFR jest automatyzacja procesu projektowego.

BOM (Bill Of Materials) – lista materiałów konieczna do wyprodukowania zaprojektowanego obiektu technicznego. Istnieje kilka odmian BOM: Engineering BOM nie zawiera materiałów technologicznych, Manufacturing BOM zawiera dodatkowo listę narzędzi i materiałów, Sales BOM zawiera informację o opakowaniach itp., Service BOM zawiera listę części zamiennych.

B-rep (Boundary representation, BREP) – metoda modelowania objętościowego polegająca na zdefiniowaniu powierzchni granicznych obejmujących zamknięty obszar (vide podpunkt 3.5.5).

CAA (Computer Aided Asembly) – komputerowo wspomagany montaż.

CACE (Computer Aided Cost Evaluation) – systemy wariantowania kosztów i optymalizacji.

CAD (Computer Aided Design) – projektowanie wspomagane komputerem – metoda projektowania technicznego z wykorzystaniem komputera i specjalistycznego oprogramowania jako głównych narzędzi (patrz. rozdział 2).

CADD (Computer Aided Design and Drafting) – projektowanie i kreślenie wspomagane komputerowo (wykonywanie dokumentacji rysunkowej).

CAE (Computer Aided Engineering) – inżynieria wspomagana komputerowo – wykorzystanie komputera w typowych czynnościach inżyniera, zwłaszcza podczas przeprowadzania obliczeń wytrzymałościowych (→FEM, →CFD).

CAID (Computer Aided Industrial Design) – wizualizacja produktu wspomagana komputerowo. Pewnego rodzaju podsystem →CAD, którego celem jest umożliwienie tworzenia wizualizacji produktów dla osób niebędących inżynierami. Modele CAID w odróżnieniu od modeli CAD: (1) są zawsze fotorealistyczne, (2) mają uproszczoną strukturę ukazującą zasadę działania wyrobu o złożonej strukturze, (3) są zorientowane na przedstawienie całego wyrobu (samochodu, samolotu, okrętu) z pominięciem drobnych części.

CAM (Computer Aided Manufacturing) – komputerowe wspomaganie wytwarzania – sterowanie obrabiarek, robotów, linii montażowych.

CAMD (Computer Aided Materials Design) – projektowanie materiałów wspomagane komputerowo.

CAMS (Computer Aided Materials Selection) – dobór materiałów wspomagany komputerowo.

CAP (Computer Aided Planning) – komputerowo wspomagane planowanie.

CAPP (Computer Aided Process Planning) – komputerowo wspomagane planowanie procesów.

CAQ (Computer Aided Quality Control) – komputerowo wspomagane pomiar i sterowanie jakością.

Case-based reasoning (CBR) – (wnioskowanie na podstawie przypadków) metodologia (stosowana m.in. w konstruowaniu), której cechą charakterystyczną jest wykorzystywanie poprzednich rozwiązań do generowania nowych postaci konstrukcyjnych. Wcześniejsze rozwiązania są przechowywane w bazie danych wiedzy pozyskanej z analizy przypadków (ang. Case Studies).

CAx – zbiorczy termin oznaczający kilkanaście dziedzin zastosowania komputera do wspomagania prac inżynierskich (m.in. →CAA, →CAD, →CADD, →CAE, →CAM, →CAP, →CAPP, →CAQ).

CFD (Computational Fluid Dynamics) – numeryczna mechanika płynów.

CIM (Computer Integrated Manufacturing) – komputerowo zintegrowane wytwarzanie). Podsystem →PLM.

CNC (Computerized Numerical Control) – komputerowe sterowanie numeryczne. Termin zwykle używany w kontekście sterowania cyfrowego obrabiarek (takich jak frezarki czy tokarki) zdolnych czytać standardowy kod sterujący →G-code. CNC może dotyczyć sterowania maszyn pomiarowych oraz robotów przemysłowych.

CSG (Constructive Solid Geometry) – geometria oparta na prymitywach objętościowych (solidach) i podstawowych operacjach na nich wykonywanych (suma, różnica, część wspólna) (vide podpunkt 3.5.4).

Digital MockUp (DMU) – cyfrowa makieta produktu umożliwiająca jego analizę przed fizycznym wytworzeniem prototypu. Cele wykonania DMU to: redukcja czasu projektowania, redukcja kosztów przygotowania produkcji oraz optymalizacja funkcjonalności.

Drzewo strukturalne modelu (drzewo konstrukcji lub drzewo topologiczne) – forma graficznej prezentacji struktury modelu CSG i B-rep oraz wykonanego metodą FBM (vide podpunkt 3.5.6).

DTP (Desktop Publishing) – komputerowe przygotowywanie tekstów i ilustracji do druku, również przygotowywanie dokumentów do publikacji w postaci elektronicznej.

EDM (Enterprise Document Management lub Engineering Document Management) – zarządzanie dokumentacją w przedsiębiorstwie.

FBD (Feature Based Design) →FBM.

FBM (Feature Based Modeling) modelowanie oparte na cechach konstrukcyjnych – jedna z metod modelowania cyfrowego (vide podpunkt 3.5.6).

FEM (Finite Element Method lub FEA – Finite Element Analysis) – metoda elementów skończonych lub metoda elementu skończonego (MES). Metoda obliczeń inżynierskich (m.in. rozkładu naprężeń, przemieszczeń, przepływu ciepła, przepływu cieczy). Istotą metody jest podział (tzw. dyskretyzacja) powierzchni lub przestrzeni na elementy o skończonych wymiarach i przeprowadzanie obliczeń tylko dla węzłów każdego elementu. Poza węzłami wyznaczana właściwość jest przybliżana (szerszy opis w podpunkcie 7.2).

FMS (Flexible Manufacturing System) – elastyczny system wytwarzania.

Fraktal (łac. fractus – złamany, cząstkowy) – składnik modelu fraktalnego; fraktal w pewnym uproszczeniu oznacza obiekt samopodobny, czyli taki, który składa się z elementów będących miniaturą całości (elementy oglądane w powiększeniu mają takie same proporcje wymiarowe jak całość, którą tworzą).

FT&A (Functional Tolerancing and Annotation) – metoda geometrycznego wymiarowania i tolerancji stosowana m.in. w plikach CATIA.

G-code – język programowania urządzeń →CNC, w USA obowiązuje standard EIA RS274D, w Europie ISO 6983-1:1982.

GD&T (lub GDT) (Geometric Dimensioning and Tolerancing) – rodzaj języka symbolicznego używanego w →CAD służącego do zapisu danych geometrycznych oraz wartości dopuszczalnych odchyłek.

Grafika rastrowa – reprezentacja obrazu za pomocą →rastra. Zapamiętywane są kolor i lokalizacja każdego piksela.

Grafika wektorowa (grafika obiektowa) – reprezentacja złożonego obiektu 2D lub 3D za pomocą formuł matematycznych i parametrów opisujących geometrię, topologię i inne atrybuty poszczególnych obiektów składowych (por. →wektoryzacja).

KBE (Knowledge Based Engineering) dziedzina działalności inżynierskiej będąca połączeniem CAD oraz baz wiedzy (vide podpunkt 3.6).

Kernel (ang. kernel) – tzw. jądro graficzne, podstawowa część programu CAx zawierająca procedury tworzące, modyfikujące i przetwarzające dane geometryczne (o podstawowych kernelach →CAD napisano w podpunkcie 5.2).

Linia odniesienia – linia ciągła cienka poprowadzona od zarysu, krawędzi, linii oznaczającej powierzchnię, powierzchni lub linii wymiarowej, przeznaczona do umieszczania napisów lub oznaczeń.

Linia symetrii (ang. line of symmetry) – linia wyobrażalna dzieląca przedmiot na połowy.

Linia środkowa (ang. centreline) – linia przechodząca przez środki powierzchni obrotowych przedstawianego przedmiotu.

Linia wymiarowa – linia umieszczona równolegle do wymiarowanego odcinka prostoliniowego lub współśrodkowo z łukiem, lub promieniowo, lub jako łuk okręgu zatoczony z wierzchołka kąta.

MCAD (Mechanical Computer Aided Design) – zastosowanie technik →CAD w projektowaniu urządzeń mechanicznych.

MES →FEM.

Model cyfrowy (model CAD) – plik (lub pliki) danych →CAD zorganizowane zgodnie z rzeczywistymi cechami odwzorowywanych przedmiotów. Modele cyfrowe najczęściej są trójwymiarowe (dwuwymiarowe w pierwszych programach CAD), zawierają dane geometryczne, topologiczne i inne (por. →rysunek CAD). Model cyfrowy produktu (cyfrowa makieta produktu, tzw. Digital MockUp – DMU) umożliwia projektantowi przeprowadzenie analiz i symulacji, zanim powstanie prototyp fizyczny.

MRP (Material Requirements Planning) – planowanie zapotrzebowania materiałowego w procesie produkcji.

Natywny format pliku – standard zapisu informacji specyficzny dla konkretnego programu CAD.

NURBS (nonuniform rational B-spline) – niejednorodny wymierny B-splajn – rodzaj krzywej sklejanej typu splajn (czasami termin NURBS jest stosowany do nazwania powierzchni powstałych przez przesunięcie (swept) krzywej NURBS). Specyficzną cechą krzywej (i powierzchni) NURBS, decydującą o jej szerokim zastosowaniu w CAx, jest to, że każdy punkt kontrolny krzywej (lub biegun siatki kontrolnej powierzchni) wpływa na kształt obiektu NURBS tylko lokalnie.

ObjectARX (AutoCAD Runtime Extension) – wewnętrzny język programowania umożliwiający definiowanie własnych poleceń i obiektów graficznych ściśle zintegrowanych z „oryginalnym” interfejsem AutoCAD.

OEM (Original Equipment Manufacturer) – oryginalny producent sprzętu – firma sprzedająca produkt innej firmie zobowiązanej m.in. do zapewnienia obsługi technicznej produktu.

Oś symetrii →linia symetrii.

Parametr – w CAD charakterystyczny wymiar modelu cyfrowego obiektu rzeczywistego, do którego przypisany jest ciąg wartości.

Parametryzacja – zastąpienie wymiarów geometrycznych modelu →parametrami (vide podpunkt 4.2).

Parasolid – rodzaj →kernela (opis tutaj).

PDM (Product Data Management) – zarządzanie informacjami o produkcie. Systemy typu PDM integrują przepływ elektronicznej dokumentacji technicznej w przedsiębiorstwie (np. Smarteam lub Windchill PDMLink).

PLC (Programmable Logic Controller) – programowalny sterownik logiczny służący do automatyzacji procesów (ustawienia wyjść sterownika dobierane są przez program na podstawie wartości na wejściach).

PLM (Product Lifecycle Management) – zarządzanie cyklem życia produktu jest systemowym (kompleksowym) podejściem do organizacji wytwarzania bazującym na wykorzystaniu zintegrowanego ze sobą oprogramowania komputerowego wspomagającego wszystkie procesy związane z wytworzeniem i obsługą produktu – od fazy koncepcji, przez projektowanie szczegółowe, prototypy, testy, produkcję, serwis, aż po wycofanie produktu z rynku. Wybrane ważniejsze aplikacje PLM zawiera tabela 12.

Ploter (ang. plotter) – urządzenie peryferyjne służące do nanoszenia wielkoformatowej grafiki wektorowej (w szerszym znaczeniu również urządzenie do wycinania, grawerowania itp.).

Plotowanie – wydruk na →ploterze.

PMI (Product and Manufacturing Information) – dane technologiczne produktu, czyli informacje dołączane do pliku CAD; informacje o wymiarach nominalnych i tolerancjach, adnotacje tekstowe (komentarze), informacje o wykończeniu powierzchni, specyfikacje materiałowe (zapisane w języku GD&T lub FT&A), warianty produktu, specyfikacje zmian konstrukcyjnych, stosowane klasyfikatory geometryczne, technologiczne, dokumentacji konstrukcyjnej i dokumentów zakładowych oraz elementy procesów wytwórczych. PMI jest przedmiotem normy amerykańskiej ASME Y14.41 Product Data Definition oraz międzynarodowej ISO 1101 Representation of specifications in the form of a 3D model.

Podziałka (ang. scale) – stosunek liczbowy wielkości liniowych przedstawionych na rysunku do odpowiednich rzeczywistych wielkości liniowych. Podziałka powiększająca jest większa od jedności; zmniejszająca – mniejsza, a naturalna równa jedności (por. →skala).

Pomocnicza linia wymiarowa – linia ograniczająca odległość elementów podlegających wymiarowaniu.

PPC (Production Planning and Control) – planowanie i sterowanie produkcją – planowanie, przygotowywanie i sterowanie procesami wytwórczymi w zakresie realizacji poszczególnych zleceń produkcyjnych, a w szczególności terminów ich realizacji, zaopatrzenia materiałowego, obciążenia stanowisk i gniazd wytwórczych oraz aktywnej kontroli produkcji w toku.

Raster – siatka utworzona przez ortogonalne pionowo-poziome linie dzielące obraz na piksele; symulacja obrazu wielotonalnego za pomocą dużej liczby różnokolorowych (jednotonalnych) pikseli. Zdjęcie z aparatu cyfrowego jest zapisywane w formie rastra.

Rasteryzacja – konwersja grafiki wektorowej na rastrową.

Rysunek CAD – model CAD (lub jego część) przedstawiony na papierze lub plik przeznaczony do plotowania bądź wydruku (por. →model CAD).

Skala (ang. graphic scale) – podziałka wyrażona graficznie, której długość odcinka odpowiada rzeczywistej długości wyrażonej liczbowo (por. →podziałka).

Tabliczka rysunkowa – miejsce na arkuszu rysunkowym lub dokumencie tekstowym przeznaczone do umieszczenia informacji identyfikujących wyrób, rysunek, wykonawców itp.

TDM (Technical Data Management lub Technical Document Management) – zarządzanie informacjami technicznymi lub zarządzanie dokumentacją techniczną.

Topologia – sposób powiązania obiektów geometrycznych, czyli ich orientacja oraz warunki brzegowe, na przykład zgodność wierzchołków lub styczność płatów powierzchni wzdłuż krawędzi.

Warstwa – zbiór danych w →modelu CAD (opis w podpunkcie 3.3).

Wektoryzacja – (trasowanie) konwersja grafiki rastrowej na grafikę wektorową. Piksele bitmapy zostają zgrupowane i przekonwertowane na obiekty wektorowe na zasadzie podobieństwa koloru. Proces wektoryzacji niemal każdej bitmapy zniekształca jej pierwotny wygląd. Programami umożliwiającymi wektoryzację są m.in. CorelTrace (składnik pakietu CorelDRAW), Adobe Flash, Adobe Illustrator, Adobe FreeHand oraz darmowy Inkscape.

Więzy – ograniczenia i warunki przypisane obiektom cyfrowym; więzy geometryczne (więzy postaciowe i wymiarowe) determinują wymiary i formę geometryczną obiektów, więzy kinematyczne są ograniczeniami liczby stopni swobody obiektów oraz parametrów ich ruchu (czasów, trajektorii, prędkości i przyspieszeń). Więzy geometryczne opisano w podpunkcie „Więzy geometryczne – postaciowe i wymiarowe” tutaj, natomiast więzy kinematyczne w podpunkcie „Modelowanie zespołów – więzy kinematyczne” tutaj.

Wirtualne prototypowanie – proces tworzenia oraz analiz cyfrowego modelu geometrycznego produktu pod względem wytrzymałościowym (→CAE), funkcjonalnym i ergonomicznym. W zakres analiz może wchodzić np. montaż, funkcjonowanie – ocena wariantów konstrukcyjnych pod względem designu lub kosztu wykonania oraz obliczenia wytrzymałościowe →FEM.

Woksel (ang. voxel – złożenie słów volumetric element) – w grafice trójwymiarowej najmniejszy rozróżnialny element przestrzeni, odpowiednik piksela w grafice dwuwymiarowej (patrz przypis nr 34).

Wymiar – wartość liczbowa wyrażona w określonych jednostkach miary i przedstawiona graficznie na rysunkach technicznych za pomocą linii, symboli i znaków.

Wymiar funkcjonalny – wymiar, który ma bezpośredni wpływ na współdziałanie części w zespole lub wyrobie. Tego typu wymiary w →parametrycznych programach →CAD można edytować w celu zmiany wymiarów modelu cyfrowego.

Wymiar pomocniczy (zależny informacyjny, sterowany, orientacyjny) – w parametrycznym programie →CAD są to wymiary, których nie można edytować w celu zmiany geometri modelu cyfrowego. Ich wartość wynika z innych wymiarów modelu, a podawane są jedynie w celach orientacyjnych (np. jako wymiar wypadkowy przyjęty w otwartym łańcuchu wymiarowym, którego liczba wymiarowa, umieszczana zwykle w nawiasach okrągłych, nie jest brana pod uwagę w produkcji i kontroli wyrobów gotowych).

Wymiar uzupełniający – wymiar, który nie ma bezpośredniego wpływu na współdziałanie części w zespole. Podobnie jak wymiary funkcjonalne, tego typu wymiary można edytować w celu zmiany wymiarów modelu części.

Wymiarowanie – podawanie wymiarów rysunkowych na widokach, przekrojach i kładach.

Wstęp

Żyjemy w otoczeniu wytworów szybko zmieniającej się cywilizacji technicznej. Przejawem tych zmian jest coraz lepsza zdolność do produkowania coraz to doskonalszych narzędzi służących zaspokajaniu potrzeb człowieka. Rozwój cywilizacyjny jest warunkowany jakością asocjatywnego połączenia trzech czynników: człowieka, jego wytworów oraz uporządkowanej informacji. W czasach współczesnych jesteśmy świadkami ogromnego rozwoju techniki, czyli wiedzy na temat praktycznego wykorzystania osiągnięć nauki w przemyśle, budownictwie, transporcie, medycynie itp. Doskonalenie sposobów usprawnionych nauką ludzkich działań przejawia się zastępowaniem dotychczas stosowanych wyrobów przez produkty lepsze i tańsze. Europejska rewolucja naukowa zapoczątkowana w czasach oświecenia (przełom XVI i XVII wieku) była wywołana znaczącym usprawnieniem przepływu informacji, jakie nastąpiło po pojawieniu się druku. Trwający kilka wieków intensywny rozwój naukowo-techniczny doprowadził: do rewolucji przemysłowej, a następnie do rewolucji informatycznej w XX wieku. Ta ostatnia wywołana rozwojem mikroelektroniki, podstawowego narzędzia usprawniającego procesy gromadzenia, przetwarzania i przechowywania informacji, zaowocowała obserwowanym współcześnie gwałtownym skokiem cywilizacyjnym.

W ostatnim ćwierćwieczu XX wieku rzeczywisty koszt jednostki mocy elektronicznej techniki obliczeniowej[1] obniżył się ponad 10 000 razy [Gawrysiak 2003]. Według strony internetowej www.top500.org zawierającej ranking najszybszych superkomputerów w listopadzie 2008 roku najszybszym superkomputerem na świecie była maszyna Roadrunner o wydajności 1,105 Pflopów/s (1,105×10^15 flopów na sekundę). Dla porównania typowy komputer osobisty z procesorem Pentium 4 (2 GHz) ma wydajność rzędu 3×10^9 flopów/s, a typowy kalkulator ok. 10 flopów/s. Moc mózgu człowieka w zakresie operacji zmiennoprzecinkowych (np. w zakresie dzielenia dużych liczb) można mierzyć w miliflopach/s, jednak potencjalna całkowita moc obliczeniowa mózgu typowego człowieka (posiadającego przeciętnie 10^18 neuronów ze 100×10^18 połączeniami) to według http://computer.howstuffworks.com 10×10^24 operacji na sekundę (nie są to operacje zmiennoprzecinkowe).

Zgodnie z prawem Moore’a[2] od połowy lat siedemdziesiątych XX wieku moc obliczeniowa mikroprocesorów (w tym procesorów komputerowych) podwaja się co 18 – 24 miesięcy[3], spada też ich cena. Ogromna liczba mikroprocesorów nie znajduje zastosowania w komputerach, ale w innych urządzeniach, takich jak telefony, obrabiarki, samochody itp. Maszyny i urządzenia przemysłowe dzięki sensorom mogą się dopasowywać do zmieniających się warunków otoczenia, podejmować decyzje i w zakresie ograniczonego zbioru gotowych wzorców zachowań wykonywać działanie. Człowiek uwolniony od czasochłonnych i nużących czynności kontrolera może podjąć się zadań twórczych, wyznaczając cele w dużym stopniu autonomicznemu przemysłowemu systemowi technicznemu, w skład którego wchodzą komputery, oprogramowanie oraz sterowane numerycznie obrabiarki, urządzenia transportowe, pomiarowe itp.

Klasyczny przemysłowy podział na technologów i konstruktorów sprawiał, że projektowane obiekty powstawały w relatywnie długim czasie oraz nie zawsze w zadowalającym stopniu spełniały wszystkie wymagania użytkowe (stopień spełnienia wymagań klientów) oraz technologiczne (obróbki, montażu, pakowania i transportu). Bezpośrednim skutkiem zaimplementowania technik komputerowych jest pojawienie się idei tzw. zintegrowanego wytwarzania CIM (Computer Integrated Manufacturing). Jednym z ważniejszych podsystemów CIM jest komputerowo wspomagane projektowanie CAD (Computer Aided Design) będące tematem podręcznika. Istotą CAD jest modelowanie cyfrowe, czyli tworzenie wyidealizowanej i uproszczonej, ale użytecznej repliki obiektu przeznaczonego do produkcji. Głównym zastosowaniem takiej repliki jest reprezentacja kluczowych informacji konstrukcyjnych, tzw. zapis konstrukcji. CAD pozwala na swobodne i mało kosztowne eksperymentowanie w świecie wirtualnym.

Techniki komputerowe można zastosować na każdym etapie cyklu życia wyrobu. Stosunkowo w najmniejszym stopniu na etapie opracowywania koncepcji, ale już w bardzo dużym stopniu na etapach konstruowania, wytwarzania, serwisowania i zarządzania utylizacją. Zastosowanie technik komputerowych integrujących szeroko pojęte wytwarzanie wyrobów (CIM) zmienia współczesne przedsiębiorstwa produkcyjne, a celem tych zmian jest:

- obniżenie kosztów produkcji zarówno w fazach jej przygotowania, jak i realizacji, które można osiągnąć przez optymalizację i struktury przepływu informacji w przedsiębiorstwie;

- optymalizacja zarządzania realizacją zleceń produkcyjnych dzięki krótkim cyklom produkcyjnym, krótkim terminom realizacji zleceń produkcyjnych, minimalnym zapasom materiałowym oraz ze względu na wysoki stopień wykorzystania potencjału produkcyjnego.

Można zaryzykować stwierdzenie, że w obecnych czasach jesteśmy świadkami powstania nowej kultury technicznej, w której na bezprecedensową skalę możliwości człowieka są kompensowane i wspomagane przez sprzęt i oprogramowanie komputerowe.

Przypisy

[1] Jedną z ważniejszych miar mocy obliczeniowej, zwłaszcza w odniesieniu do superkomputerów przeznaczonych do złożonych obliczeń inżynierskich, jest flop/s (ang. FLoating Operations Per Second), czyli liczba operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę.

[2] Gordon Earl Moore (ur. 1929) – współzałożyciel korporacji Intel, największego na świecie producenta układów scalonych.

[3] Nie oznacza to, że podwaja się moc obliczeniowa całego komputera. Prawu Moore’a nie podlegają np. latencja dysków twardych i pamięci RAM (w przeciwieństwie do rozmiarów ich pamięci). Moc obliczeniowa mikroprocesorów podwaja się co ok. 1,5 – 2 lat od połowy lat 70. XX wieku, według Moore’a proces ten zwolni ok. roku 2009, kiedy rozmiary tranzystorów w procesorach osiągną wartość mniejszą od 45 nm.