CAx czyli technologie Komputerowego Wspomagania w ramach, których funkcjonują programy i systemy wspomagające inżynierów w projektowaniu, analizach, zarządzaniu i wytwarzaniu. Na ilustracji 1 przedstawiono poglądowy schemat struktury powiązań między zróżnicowanymi rozwiązaniami informatycznymi. Wielość rozwiązań począwszy od CAD (ang. Computer Aided Design), poprzez CAM (ang. Computer Aided Manufacturing), CAP (ang. Computer Aided Production), CAE (ang. Computer Aided Engineering) po CAQ (ang. Computer Aided Quality). Stąd kiedy podejmuje się zagadnienie komputerowego wsparcia stosuje się akronim (skrótowiec) CAx obejmujący wcześniej wymienione technologie. Na tym wortalu przede wszystkim dominować będą zagadnienia powiązane z wytwarzaniem (CAM, CAE, CAP i CAQ). Systemy PLM (ang. Product Lifecycle Management) odgrywa swoją istotną rolę w procesach produkcyjnych m.in. poprzez zarządzanie dokumentacją technologiczną.

W Polsce szerokie działania propagowania wykorzystania rozwiązań CAx zajmuje się Polskie Stowarzyszenie Upowszechniania Komputerowych Systemów Inżynierskich ProCAx.

CAM (ang. Computer Aided Manufacturing – Komputerowe Wspomaganie Wytwarzania) to programy lub systemy informatyczne integrujące etapy projektowania oraz wytwarzania. W rzeczywistości przemysłowej programy i systemy CAM są typu off-line. Przeznaczone są do opracowywania programów obróbkowych dla obrabiarek CNC.

Oprogramowanie CAM wykorzystuje dane z programów CAD (ang. Computer Aided Designing – Komputerowe Wspomaganie Projektowania). Dane między CAD a CAM mogą być transferowane bezpośrednio lub poprzez programy pośredniczące zwane procesorami.

Efektem pracy programów/systemów CAM jest program obróbkowy (szczegółowe instrukcje tzw. G-code) określany potocznie programem NC, który steruje obróbką na obrabiarkach sterowanych numerycznie (ang. CNC – Computer Numerical Control). Żeby jednak program taki program wygenerować w środowisku CAM konieczne jest dokładne określenie obrabiarki (nie tylko rodzaju ale także producenta i modelu) oraz układu sterowania CNC. Po opracowaniu obróbki w środowisku CAM za pomocą postprocesora generuje się program NC na konkretną obrabiarkę.

Postprocesor to aplikacje, które tłumaczą ścieżki narzędzia wygenerowane w systemie CAM na program obróbkowy NC dla danej obrabiarki CNC. Postprocesory najczęściej stanowią aplikację zewnętrzną, która jest niezależna od użytego środowiska CAM. Postprocesor jest opracowywany jako dedykowany dla konkretnego zestawu: danej maszyny CNC z określonym układem sterowania oraz danego programu lub systemu CAM.

Dlaczego właściwe opracowanie postprocesora jest tak ważne? Zwróćmy uwagę, że pracując w środowisku CAM, realizując symulację w środowisku CAM wykorzystywane są wewnętrzne dane programu lub systemu CAM. To nie jest program NC. Zatem symulacja nie wykorzystuje programu obróbkowego NC, który ma być przesłany do obrabiarki CNC. Pamiętajmy też o tym, że sama symulacja jest wyłącznie geometryczna i nie uwzględnia jakichkolwiek oddziaływań dynamicznych między narzędziem a przedmiotem obrabianym (detalem).  Z takich powodów postprocesor powinien być opracowany właściwie i jak najlepiej bo odgrywa kluczową rolę w przygotowaniu programu NC i w samym procesie obróbki.

Jedną z firm świadczących usługi opracowywania postprocesorów na potrzeby NX CAM dla różnych kinematyk obrabiarek CNC, a także robotów przemysłowych jest CAMdivision, partner handlowy SIEMENS.

Zalety programów i systemów CAM

• Zdefiniowany plan produkcyjny.
• Wydajniejsze wykorzystanie dostępnego oprzyrządowania technologicznego (HSM/HSC, 5 osi, EDM, inne).
• Opracowanie programów obróbkowych; weryfikacja i optymalizacja programów G-code – podnoszenie wydajności produkcji, automatyzacja w zakresie dokumentacji technologicznej.
• Współczesna zaawansowane systemy CAM mogą być zintegrowane z innymi programami i systemami z rodziny CAx (np. zarządzanie cyklem życia produktu – PLM – ang. Product Life Management). Taka organizacja udostępnia technologom dodatkową wiedzę o procesie produkcyjnym.
• Możliwość pracy w systemach DNC (ang. Direct Numerical Control). Bezpośrednie sterowanie numeryczne bazuje na rozwiązaniach sieciowych.

Na ilustracji 1 poniżej przedstawiono poglądowo powiązania i relacje między różnymi obszarami (planowania i sterowania) oraz zasobami, cyklem życia produktu oraz pracami inżynierskimi, ukazując na tym tle rozwiązania CAx.

PLM (ang. Product Lifecycle Management) – zarządzanie cyklem życia produktu. Jest to strategia informacyjna polegająca na wypracowaniu i wdrożeniu spójnej struktury danych poprzez konsolidację różnego rodzajów systemów, o różnym przeznaczeniu. Strategia ta obejmuje pełny okres życia produktu, od momentu idei, poprzez projektowanie, produkcję, sprzedaż, serwis, eksploatację, wycofanie z rynku. Podmiotem tej strategii jest produkt. PLM to kompleksowe podejście do innowacyjności opartej na dostępie wszystkich pracowników przedsiębiorstwa do wspólnego repozytorium informacji i procesów dotyczących produktów.

lustracja 1. Struktura informatycznych powiązań różnych systemów i programów w ramach technologii informatycznych wspierających procesy produkcyjne. Scheer A.-W. et al., Prozessorientiertes Product Lifecycle Management, Springer 2006

Dalszy rozwój

Rozwój programów i systemów wspierających prace inżynierskie ma kilka uzasadnień:

1. Potrzeby rynku, w tym oczekiwania konsumentów. Rozwój możliwości projektowych (CAD) wymusza rozwój technik wytwarzania, w tym programów i systemów CAM. Odbiorcy końcowi oczekują nowoczesnych i ciekawych produktów. Zasady rządzące popytem i podażą powodują, iż producenci chcą dostarczyć klientowi produkt, który będzie innowacyjny.
2. Czas odgrywa istotną rolę, zarówno w ujęciu konkurencyjności, jak i w wymiarze technologicznych (skrócenie czasu) obniżania kosztów. Wyeliminowanie budowania prototypów nie wydaje się możliwe, lecz ograniczenie kosztów poprzez skuteczne ograniczenie liczby prototypów już tak i jest celem.
3. Jakość – skracanie okresu projektowego, wykorzystywanie programów i systemów CAx wymaga zapewniania wysokiej jakości nie tylko samego produktu, lecz także samego procesu jego powstawania (PLM).
4. Obsługa serwisowa i eksploatacyjna. Dzięki nowoczesnym rozwiązaniom informatycznym jest możliwe monitorowania jednostek prądotwórczych w elektrowniach wiatrowych oraz łożyskowania wałów w układzie napędowym okrętów oceanicznych. W obu tu wymienionych przypadkach szczególnie monitorowane są układy łożyskowania.
5. Zwiększające się parametry wydajnościowe współczesnego sprzętu komputerowego same są źródłem rozwoju rozwiązań CAx.

Podkreślenia wymaga bardzo istotny fakt związany szczególnie z CAD i CAM. Kluczową rolę odgrywa w tym przypadku matematyka. Modelowanie to nic innego jak rozwiązywanie zagadnień konstrukcyjnych, technologicznych z wykorzystaniem algorytmów matematycznych. Modelowania z sensu własnego znaczenia polega na upraszczaniu, przyjmowaniu założeń by w ogóle uzyskać jakieś rozwiązanie. Zatem żadne modelowanie nie jest w stanie oddać rzeczywistości.

Przykładem niech tu będzie obróbka wirtualna (ang. Virtual Machining) bazująca na programach i systemach CAM, a której zadaniem jest maksymalne odwzorowanie przebiegu procesu obróbkowego, tak by uniknąć wystąpienia błędów podczas obróbki rzeczywistej. Uniknąć błędów w pełni się nie da, ale zminimalizować ich wystąpienie już tak. Współcześnie stosowane techniki wytwarzania (np. szybkościowa obróbka skrawaniem) wymagają już uwzględniania oddziaływań dynamicznych, przynajmniej między narzędziem a przedmiotem obrabianym. Nie istnieje, żaden uniwersalny model matematyczny, który sprawdza się we wszystkich rodzajach obróbki skrawaniem i każdym przypadku zadania technologicznego. Przemysł lotniczy ze względu na realizowane obróbki jest beneficjentem tak rozumianej obróbki wirtualnej. Powodem, kryterium tu są koszty obróbki.

Cechy współczesnych programów i systemów CAx: CAD/CAM/CAE:

• Parametryczność – modele części oraz zespołów opisane są przez parametry. Każdy parametr ma nazwę i wartość. Modyfikacja modelu następuje przez zmianę wartości parametrów, a wprowadzanie zmian jest możliwe na dowolnym etapie projektowania. Istnieje możliwość takiego określenia wzajemnych powiązań między parametrami, iż zmiana jednego automatycznie powoduje przeliczenie i modyfikację pozostałych parametrów.
• Integracja wewnętrzna (asocjatywność) – każda modyfikacja wprowadzona na dowolnym etapie projektowania powoduje zmiany we wszystkich składowych projektu. Przykładem jest: zmiana wymiaru w modelu części co zostaje automatycznie odzwierciedlone w złożeniu oraz dokumentacji konstrukcyjnej. Możliwa jest również droga odwrotna, że zmiany dokonujemy na rysunku w ramach dokumentacji konstrukcyjnej, co zostaje przeniesione do modelu bryłowego części oraz złożenia.
• Wymiana danych z innymi programami z rodziny CAx. Transfer danych jest podatny na powstawanie błędów. Jest to działanie wymagające starannej kontroli.
• Programy i systemy CAx bazują na budowie modułowej, z których organizowane są pakiety dedykowane dla wymagań użytkownika.

Oprogramowanie inżynierskie umownie można podzielić na trzy kategorie (ilustracja 2).

Ilustracja 2. Kategorie oprogramowania inżynierskiego.

Źródła

• Feld M., Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych części maszyn, WNT 2000
• Kapiński S., Skawiński P., Sobieszczański J., Sobolewski J.Z., Projektowanie technologii maszyn, OWPW2002
• Wypysiński R., Programowanie interaktywne w zintegrowanym systemie CAD/CAM
  http://biznes.benchmark.pl/artykul/interaktywne-programowanie-maszyn-cnc-z-poziomu-systemu-cad-cam
• Zalewski A., Skracanie czasu obróbki na frezarkach CNC na podstawie okresowej analizy warunków skrawania, Inżynieria Maszyn, R. 17, z. 2, 2012
• Materiały handlowe i informacyjne firmy SIEMENS
  http://www.plm.automation.siemens.com/pl_pl/plm/cam.shtml
• Scheer A.-W. et al., Prozessorientiertes Product Lifecycle Management, Springer 2006
• Sydor M., Wprowadzenie do CAD. Podstawy komputerowo wspomaganego projektowania, PWN/MIKOM, 2009.
• Radhakrishnan P., Subramanyan S., Raju V., CAD/CAM/CIM, New Age International, 2008
• Poradnik Konstruktora Maszyn i Urządzeń. Praca zbiorowa. Rozdział-Programy do projektowania maszyn, Wydawnictwo Verlag Dashöfer,2013
• Przybylski W., Deja M., Komputerowo wspomagane wytwarzanie maszyn. Podstawy i zastosowanie.
  WNT, 2007
• Chlebus E. red., Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji, WNT, 2000
• Orłowski C., Lipski J., Loska A.: Informatyka i komputerowe wspomaganie prac inżynierskich, PWE, 2012
• materiały oraz wiedza dr inż. Tadeusz Rudaś, dr inż. Maciej Horczyczak, Politechnika Warszawska, Wydział Inżyenierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem.
• Materiały handlowe firmy SKF.