Společnost, inženýrink a internet

Společnost, inženýrink a internet

4. Cesta k digitálnímu návrhu produktu

4.1 Jednoduchá tvorba instancí
V důsledku rostoucí složitosti produktů, zkracování dob jejich vývoje a souběžných požadavků na nižší náklady a vyšší kvalitu se organizace začaly zaměřovat na modulární stavbu a standardizaci svých produktů.

Návrhové činnosti jsou podporovány parametrickými prostorovými (tzv. 3D) systémy CAD, nabízejícími velmi snadnou tvorbu instancí. Například s objednávkami od jednotlivých zákazníků se lze časově úsporným způsobem vyrovnat změnami parametrů základního prostorového modelu. Tyto systémy musí podporovat vývoj způsobem shora dolů.

Proces v podstatě spočívá v zobrazování a tvorbě následných implementačních stadií produktu – od hrubého modelu základního uspořádání k úrovni montážních uzlů, včetně funkční struktury a spojovacích bodů, a dále až na konečnou úroveň jednotlivých součástek a výrobní dokumentace. Ke splnění protichůdných požadavků na rychlou odezvu a tím krátkou dobu řešení a přitom jasně srozumitelnou strukturu se doporučuje používat přehledné „abstraktní“ prostorové modely CAD, což znamená, že ve 3D se zpracovávají jen detaily nezbytně nutné k posouzení celkového uspořádání produktu. Které to jsou, záleží na úvaze konstruktérů a techniků.

4.2 Spojování digitálních prototypů
V průběhu optimalizovaného a zrychleného procesu výroby – zahrnujícího návrh, vývoj a výrobu, marketing, distribuci a poprodejní podporu – se používají nové technologie zabezpečující digitální vývoj produktu ve všech těchto etapách. Hlavní úlohu zde mají řešení založená na DMU: jejich koncept zobrazení funkcí produktu dovoluje všem zúčastněným velmi efektivně spolupracovat v různých odděleních uvnitř firmy i s vnějšími partnery (dodavateli, vývojáři i obchodníky) na základě virtuálních (spíše než fyzických) prototypů. Korekce jsou prováděny a odpovídající strategická rozhodnutí přijímána již v počátečních stadiích vývoje. DMU umožňuje představit úplný komplexní produkt dostatečně přesvědčivě dříve, než se vyrobí jediná jeho součást.

Celý řetězec kolem DMU, který je integrován v systému správy údajů o produktu (Product Data Management – PDM), kombinuje návrhové a designérské, technické a výpočtové údaje, výrobní údaje, např. odvozené ze simulace chodu robotů a barevnosti produktu, i marketingová a distribuční data s metodami komunikace a prezentace založenými na webu a internetu (obr. 8).

4.3 Simulace
Při vývoji nových produktů je simulace účinným nástrojem umožňujícím jejich výběr, dimenzování a ověřování. Má-li být před stavbou prvního prototypu k dispozici optimálně předběžně dimenzovaný základní návrh, je úhelným požadavkem možnost posoudit složitý produkt jako celek.

Možnost pozorovat animované grafy, od velmi jednoduchých kinematických schémat dílčích sestav po zobrazení komplexních funkčních procesů, zahrnujících všechny součásti produktu, a být schopen tyto procesy z technického hlediska ocenit optimálním způsobem pomáhá konstruktérům při hledání nejlepšího řešení.

Simulace pohybů, kontrola kolizí a výpočet zrychlení anebo rychlostí jednotlivých částí stroje skýtá prvotní ideu jeho konstrukčního uspořádání. Umožňuje zjistit – a pouhou změnou hodnot odpovídajících parametrů počítačového modelu opravit – případné nedostatky, jako např. nedostatečný pracovní prostor.

Téměř úplně automatizovaná tvorba výpočtových modelů dovoluje analyzovat namáhání i deformace dosud nerealizované konstrukce. Automatický generátor sítě konečných prvků, odvozené z objemových modelů CAD, který současně poskytuje možnost najít optimální geometrii součásti, je součástí pracovní počítačové stanice konstruktéra. Schopnost automaticky vytvářet modely na bázi konečných prvků umožňuje konstruktérům efektivněji zkoumat různé varianty řešení.

Vedle statického návrhu a výpočtu rezonančního chování konstrukcí je důležitým aspektem návrhu také vyšetřování jejich dynamického chování, tj. vliv setrvačných sil ve spojení s pohonnými systémy.

5. Komponenty IT používané při digitálním návrhu

5.1 Nové požadavky na IT
Vedoucí pracovníci firem stojí před novými problémy, jako je např. integrace pracovních procesů a zajištění pružnosti organizace a intenzivní komunikace. Vznikají tudíž nové požadavky týkající se strategií rozvoje IT. Řešení se objevují v podobě např. slučování „technických“ a „obchodních“ útvarů IT do tzv. štíhlých podnikatelských jednotek, trendu směrem ke zmenšování a optimalizaci velikosti útvarů podniku, architektury klient/server a především v podobě otevřených systémů s jejich schopností integrace.

Neustále roste význam tzv. technických informačních systémů. Firmy musí spravovat stále mohutnější toky dat a informací, ať už pořízených ručně nebo v procesech podporovaných počítači. S růstem objemů dat a pružnosti organizačních struktur a procesů bude správa dat stále obtížnější. Navíc existují také standardy a nařízení, podle kterých jsou informace o produktu součástí jeho určení (Product Liability Code, směrnice EU č. 85/374) a systémů řízení jakosti (standardy ISO 9000 a ISO 10007).

5.2 Komunikační a informační systémy
Před deseti lety nikdo netušil, jaké enormní objemy dat budou v současné době přenášeny prostřednictvím nejrůznějších druhů médií. Telefonní vedení zde bylo proto, aby přenášelo telefonické hovory, k přenosu analogového rozhlasového a televizního signálu sloužily koaxiální kabely a všechna tato zařízení musela být napájena z elektrorozvodné sítě.

V budoucnosti si v oblasti přenosu dat v průmyslu budou tato tři média, tj. telefonní vedení, kabelová televize a napájecí vodiče, navzájem konkurovat. Na trhu bude snadno dostupná technika pro bezdrátovou komunikaci a navíc bude brzy k dispozici také obousměrná komunikace přes satelit (tab. 1).

Tab. 1. Přehled metod přenosu dat

Přenos dat přes satelit je již po určitou dobu v mnoha oborech velmi populární – zejména je-li třeba distribuovat větší objemy dat mnoha různým příjemcům. V těchto případech je satelitní spojení výhodné technicky i cenově a lze je použít i v oblastech bez pozemní infrastruktury. Nabízena je přenosová rychlost až 33 Mb/s, podle typu satelitního odpovídače, a poskytovatel nasmlouvá rozdělení dané kapacity s jednotlivými zákazníky.

5.3 Správa informací
Technické informační systémy jsou nabízeny po dobu asi deseti let. Až dosud je pro tržní nabídku charakteristické značně různorodé názvosloví: vedle pojmu technický informační systém (Technical Information System) se často používají označení jako např. PDM (Product Data Management), EDM (Engineering Data Management) nebo EDB (Engineering Data Base). Všechny tyto pojmy přitom označují tutéž činnost: správu dat definujících produkt (tj. správu údajů o produktu a dokumentace) kombinovanou s mapováním technických anebo organizačních podnikatelských procesů (řízením procesů) v rámci odvětví průmyslové výroby.

Pod pojem správa dat a dokumentů o produktu nebo výrobku se zahrnuje především ukládání a práce s dokumenty vytvořenými manuálně nebo prostřednictvím systému pro zpracování dat, např. výkresů, prostorových (3D) modelů, textových dokumentů, výsledků výpočtů a údajů o struktuře produktu. Mezi standardní funkce patří také změnové řízení (vydávání bulletinů a evidence změn) a správa konfigurace produktu.

Pojem řízení procesů (Process Management) se týká „mapování“ technických anebo organizačních podnikatelských procesů. Rozlišuje se mezi dlouhodobými, „stálými“ procesy, jako jsou např. procesy kontroly, uvolňování změny a distribuce, obvykle popsané v podnikové příručce jakosti, a procesy krátkodobými neboli dočasnými. Dlouhodobé procesy mají právní důsledky např. v oblasti záruk za produkt, elektronických podpisů a pravosti dokumentu, zatímco krátkodobé (dočasné) procesy, jako např. delegování úkolů, vydávání upozornění, mechanismy distribuce (rozdělovníky) atd., může nezávisle stanovovat a měnit konečný uživatel nebo projektant.

Systémy PDM/EDM lze používat k jednoduchému sběru dat a informací pro přenos, individuální zpracování, obnovu a další distribuci tzv. generujícími systémy, jako jsou např. prostředí CAD, CAE a CAM, systémy pro počítačovou sazbu, balíky kancelářských programů apod. Za tím účelem je systém přizpůsoben modelu dat a procesů platným pro danou firmu. Vlastní systém řízení procesů se technicky implementuje v podobě komponent řídících tok pracovních činností anebo dokumentů v organizaci (workflow). Mezi těmito komponentami jsou mj. nástroje pro interaktivní grafický popis paralelních anebo sekvenčních procesů i tzv. elektronické šanony, využívající velmi výkonné prostředky a metody pro přidělování a distribuci úkolů a dokumentů a organizaci poštovního styku. Základem systémů PDM/EDM je tzv. správa konfigurace (configuration management), na které se podílejí funkční moduly spravující informace o výrobku, moduly pro správu dokumentace a moduly obstarávající změnovou službu. Pod pojmem konfigurace se rozumí popis produktu (popř. stavu produktu: např. „právě transportován“) v určitém bodě na časové ose. Součástí tohoto popisu mohou být dokumenty související s výrobou, montáží, kontrolou kvality a údržbou, jako např. záznam struktury produktu včetně všech softwarových komponent v podobě kusovníku i všechny další nezbytné dokumenty (slovní popisy, ručně i na počítači vytvořená výkresová dokumentace, modely vytvořené nástroji CAD, výsledky výpočtů, podklady pro tisk atd.). Systémy pro správu konfigurace se skládají ze standardizovaných souborů nástrojů a pravidel zaměřených na identifikaci a zobrazování informací spojených s konfigurací určitého produktu, a to jedinečným způsobem a po celou dobu trvání životního cyklu produktu.

5.4 Rychlá výroba prototypů
Termín rychlá výroba prototypů (rapid prototyping) je souhrnné označení pro všechny technické, metodické a organizační kroky, kterými postupuje vývoj od prvotní myšlenky k výslednému produktu. Během vývoje je třeba opakovaně vykonávat nejrůznější zkoušky na prototypech s cílem co nejdříve ověřit, že vlastnosti vyvíjeného produktu odpovídají představám a požadavkům. Nelze se tudíž obejít bez metod a technologií, při jejichž použití lze v té které fázi vývoje vytvářet prototypy s vlastnostmi umožňujícími v daných podmínkách (čas, náklady a kvalita) posoudit navržené řešení (tolerance, vzhled, stabilita nebo trvanlivost, kinematické vlastnosti aj.). Výběrem ideální posloupnosti prototypů v jednotlivých etapách vývoje je možné rychle uvést na trh skutečně průkopnické produkty s velkým tržním potenciálem.

Mají-li nové postupy v oblasti vývoje převážit nad tradičními, nebo mají-li být alespoň výhodně navzájem kombinovány jejich klady a zápory, musí být použité metody i řetězení dílčích procesů dostatečně ověřeny, popř. naplánovány. Novátorské postupy spočívají zejména v používání metod dovolujících vytvářet informativní zobrazení v podobě prostorových modelů integrovaných počítačem, tj. virtuálních prototypů. Prohlížení prostorových virtuálních prototypů s otáčením kolem dokola o 360° v interakci současně i s několika konstruktéry umožňuje týmovým způsobem ověřovat vizuální, akustické a vjemové vlastnosti budoucích produktů ve velmi časných stadiích jejich vývoje. Simulace vlastností, chování a postupů prováděná na těch nejvýkonnějších počítačích umožňuje vše velmi názorně zobrazit a ověřit také z pohledu budoucích uživatelů.

5.5 Sdílené inženýrské prostředí
Význam digitálního modelu produktu jako základu pro komunikaci mezi členy projektového týmu a s tím související význam ústřední banky dat, odkud si každý účastník projektu může „vyfiltrovat“ data a informace pro něj důležité, byl již diskutován v kap. 3.2.

Vhodným nástrojem poskytujícím komunikační infrastrukturu potřebnou pro přístup do takové centrální banky dat je internet, ať už v podobě veřejně dostupné sítě, jako vnitropodnikový intranet, extranet, nebo v podobě soukromé virtuální sítě (Virtual Private Network – VPN) sloužící průmyslovému odvětví. Významnou výhodou odvětvových VPN je, že svým uživatelům zaručují větší průchodnost a jsou mnohem stabilnější než běžný internet, neboť, bez ohledu na typ aplikace, používají k zajištění bezpečnosti dat vhodné metody šifrování.

Sítě budované na bázi internetových anebo intranetových technik se již používají k výměně digitálních dat všech typů. Dostupnost širších frekvenčních pásem a dostatečných ochranných mechanismů umožnila použít funkce webu jako základnu pro ještě bezprostřednější přímou komunikaci a interakci. Konstruktéři a návrháři, dodavatelé i zákazníci mohou současně sdílet nejnovější informace o stavu produktu, kterým se zabývají, a při společném pohledu na jeho model diskutovat o možnostech jeho zlepšení.

Moderní softwarové architektury umožnily na webu rozvinout mnoho nových, doslova průkopnických služeb. Současná celosvětová datová síť poskytuje uživateli možnost „najmout si“ výpočetní výkon, paměťový prostor i počítačové programy a tak redukovat náklady na nákup a údržbu své vlastní infrastruktury IT. Stále roste počet tzv. poskytovatelů aplikací (Application Service Provider – ASP), kteří na centrálním webovém serveru nabízejí svým zákazníkům k nájmu systémy CAD a další počítačové programy.

Uživatelé používají pronajímané aplikace prostřednictvím webových prohlížečů tehdy, když je právě potřebují. Komunikace se uskutečňuje přes modem nebo po vyhrazené telefonní lince a poplatky se účtují podle doby využití.

Web se rychle vyvíjí v základnu umožňující snadno uskutečňovat vzájemnou interakci mezi obchodními partnery (Business to Business – B2B). Firmy hledající vnější dodavatele se mohou prostřednictvím internetu poptávat po nabídkách a zadávat vývojové i výrobní činnosti při současném přístupu on-line k inženýrským službám typu konverze dat nebo výpočty metodou konečných prvků. Služby zaměřené na podporu projektů (Project Hosting Services) dovolují vstoupit do spontánního partnerství při vývoji nebo s využitím webu uskutečnit společné projekty bez potřeby vytvářet nákladnou infrastrukturu IT. Po ukončení projektu se služba přestane využívat.

6. Závěr

Podniky budoucnosti se budou muset – podobně jako biologické organismy – pružně přizpůsobovat měnícímu se okolnímu ekonomickému prostředí. S využitím svých vnitřních vývojových schopností budou muset soustředěně přetvářet svou organizaci tak, aby v dlouhodobém pohledu zajistily své přežití a prosperitu – jak to vzletněji napsal německý fyzik a spisovatel Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799):

„Es ist nicht gesagt,
dass es besser wird,
wenn es anders wird,
wenn es aber besser werden soll,
muss es anders werden.“

(„Změna věcí nepovede vždy k lepšímu, ale má-li být něco lepší, je změna nezbytná.“)

Petr Pospisil,
Manager Mechanical Engineering,
PerkinElmer Bodenseewerk GmbH,
Überlingen

Překlad a úprava z anglického originálu Engineering and Internet, výukového textu (tutorial) připraveného pro doprovodný programu veletrhu Pragoregula/El-expo 2002, Praha, březen 2002.

(kp)