Pou₧itφ v²poΦetnφ techniky je dnes v tak progresivnφm oboru, jako je automobilismus, naprostou nutnostφ. V modernφm automobilu je u₧ samotnΘ ·strojφ pro °φzenφ chodu motoru a tvorby sm∞si pom∞rn∞ znaΦn∞ slo₧it²m real-time systΘmem s mikropoΦφtaΦem, snφmaΦi a specißlnφmi perifernφmi jednotkami propojen²mi sφtφ.
PoΦφtaΦ samoz°ejm∞ nenajdeme jen zde û zmi≥me se nap°φklad o palubnφ diagnostice, ABS systΘmech, aktivnφch podvozcφch i takovΘ banalit∞, jako je takzvan² palubnφ poΦφtaΦ, kter² °idiΦe informuje o spoust∞ r∙zn²ch parametr∙ a hlavn∞ uspokojuje hrdost majitele vozu nad tφm, jak je technicky pokrokov². Ale p°ipojφme-li k n∞mu navigaΦnφ systΘm (nejlΘpe i s GPS p°φstrojem na urΦovßnφ zem∞pisnΘ polohy), nejde u₧ jen o technickou hraΦku, ale o znaΦn∞ sofistikovan² a u₧iteΦn² systΘm.
Automobilismus neznamenß jen samotn² v∙z. PoΦφtaΦe (a dnes samoz°ejm∞ i internet) slou₧φ v evidenci vozidel i k jejich zabezpeΦenφ proti krßde₧φm, ve vyÜet°ovßnφ i v prevenci nehod, °φdφ chod opraven, provßd∞nφ diagnostiky, zßsobovßnφ nßhradnφmi dφly a usnad≥ujφ prodej voz∙. Slou₧φ k v²uce °idiΦ∙ v dopravnφch p°edpisech i v praktickΘ jφzd∞ û srdcem po°ßdnΘho trena₧Θru je op∞t poΦφtaΦ, a ne jen tak ledajak². S p°φchodem internetu se do v²poΦetnφ techniky dostßvß fenomΘn neomezenΘ komunikace ka₧dΘho s ka₧d²m a nßstup digitßlnφch audio- a videoformßt∙ spojuje sv∞t v²poΦetnφ techniky s tφm, Φemu °φkßme spot°ebnφ elektronika, samoz°ejm∞ takΘ i v automobilismu. NejstarÜφ a takΘ nejpokroΦilejÜφ je vÜak pou₧itφ v²poΦetnφ techniky p°i navrhovßnφ a v²rob∞ automobil∙.
Prav∞k² CAD û 2D CAD
Prvnφ ulehΦenφ prßce konstruktΘr∙m p°inesly poΦφtaΦe tφm, ₧e nahradily logaritmickß pravφtka ve "v²poΦta°in∞" a kreslicφ prkna v konstrukci. Ten prav∞k CAD (Computer Aided Design) systΘm∙ vÜak nenφ tak vzdßlen², jejich prvnφ zßklad polo₧il Ivan Sutherland v roce 1957, kdy₧ na MIT demonstroval interaktivnφ grafick² systΘm Sketchpad. GrafickΘ a CAD systΘmy se pak vyvφjely na sßlov²ch poΦφtaΦφch a minipoΦφtaΦφch, ale jejich skuteΦn∞ masovΘ pou₧itφ nastalo a₧ v roce 1983, kdy se objevil prvnφ CAD pro osobnφ poΦφtaΦ, AutoCAD firmy Autodesk.
Dvojrozm∞rnΘ (2D) systΘmy, pracujφcφ pouze v rovin∞, se efektivn∞ pou₧φvajφ dodnes a moduly pro 2D kreslenφ jsou nezbytnou souΦßstφ i t∞ch nejmodern∞jÜφch CAD systΘm∙. Jejich u₧itφ p°inßÜφ snadnost a p°esnost kreslenφ, mo₧nost jednoduchΘho vytvß°enφ slo₧it²ch objekt∙, nebo dokonce pouhΘho umφst∞nφ u₧ hotovΘho prvku (nap°φklad v²kresu lo₧iska nebo i celΘho motoru) do vytvß°enΘho v²kresu. Hlavnφmi p°φnosy jsou vÜak snadnΘ provßd∞nφ oprav Φi modifikacφ a mo₧nost op∞tovnΘho u₧itφ u₧ jednou zpracovan²ch detail∙ Φi v²kres∙.
2D systΘmy jsou vÜak jen pouhou nßhradou kreslicφch prken, kterß tΘm∞° zcela vyst∞hovaly z konstrukΦnφch kancelß°φ nebo je odsoudily do role nßst∞nky Φi pracovnφ plochy pro prohlφ₧enφ v²kres∙. Jen ti nejzkuÜen∞jÜφ konstruktΘ°i toti₧ dokß₧ou bezchybn∞ p°evΘst ze sv²ch p°edstav do 2D Φi naopak z 2D interpretovat do nßzornΘ p°edstavy tak slo₧itou souΦßst, jako je nap°φklad hlava motoru s p°φsluÜn²mi kanßly a odpovφdajφcφmi °ezy. KonstruktΘr pochopiteln∞ myslφ a konstruuje v prostoru a je p°irozenΘ, ₧e tomu by m∞l odpovφdat i jeho hlavnφ tv∙rΦφ nßstroj û prostorov² Φili 3D CAD systΘm.
3D CAD
3D modelß°e dnes u₧ vlßdnou sv∞tu CAD i modelovacφch systΘm∙ v um∞nφ a zßbav∞. Ve stroja°in∞ v∞tÜinou vyhovuje, kdy₧ se modelovanΘ t∞leso sklßdß z element∙, kterΘ se dajφ popsat jako zßkladnφ geometrickß t∞lesa, primitiva (hranol, vßlec, ku₧el, koule, p°φp. toroid). I ty nejmodern∞jÜφ CAD systΘmy tak pracujφ û pomocφ tzv. booleovsk²ch operacφ (logickΘ operace v prostoru û sjednocenφ, odΦφtßnφ, pr∙nik) vytvß°ejφ slo₧it∞jÜφ t∞lesa "slepovßnφm" a "odeΦφtßnφm" primitiv. Dopl≥ujφ je jen n∞kter²mi obecn∞jÜφmi prvky, kterΘ se dajφ snadno sestrojit û v∞tÜinou "ta₧enφm" n∞jakΘho profilu po danΘ drßze (i prostorovΘ k°ivce), prolo₧enφm plochy n∞kolika k°ivkami Φi vytvo°enφm p°echodovΘ plochy mezi objekty. Pouze mßlo systΘm∙ zvlßdß i tvorbu zcela obecn²ch ploch a p°esnou prßci s kontrolou vÜech pot°ebn²ch parametr∙ takov²ch ploch umo₧≥uje opravdu jen pßr program∙, urΦen²ch specißln∞ pro designΘry.
"Sprßvn² konstruktΘr mß mφt gumu jako cihlu," °φkßval nßÜ uΦitel technickΘho kreslenφ a tento bonmot skv∞le vystihuje hlavnφ Φinnost konstruktΘra û zkusmΘ hledßnφ optimßlnφho °eÜenφ. CAD tento postup usnad≥uje, ale existuje °ada technik, kterΘ jeho efektivnost jeÜt∞ zvyÜujφ. Aby se souΦßst snadno opakovan∞ upravovala a₧ k dosa₧enφ uspokojivΘho °eÜenφ, lze jejφ rozm∞r(y) definovat pomocφ parametru(∙). Vztah mezi parametry lze urΦit matematick²m v²razem û potom staΦφ m∞nit t°eba jen jeden parametr, a nap°φklad dΘlka je stßle dvojnßsobnß ne₧ Üφ°ka, otvory jsou ·m∞rnΘ velikosti dφlu apod. Aby se p°i modifikacφch nem∞nily n∞kterΘ d∙le₧itΘ vztahy Φi rozm∞ry, m∙₧eme p°edepsat, ₧e danΘ plochy budou stßle na sebe kolmΘ, p°φmkovß hrana bude teΦnß k navazujφcφ kruhovΘ Φßsti nebo otvor bude mφt urΦitou vzdßlenost od hrany. V tomto smyslu m∙₧e systΘm konstruktΘrovi i pomßhat, nap°φklad kdy₧ nakreslφ p°ibli₧n∞ kolmΘ hrany, systΘm vytvo°φ p°esnou kolmici (teΦnu, rovnob∞₧ku, ...) a tyto vztahy zachovßvß i p°i dalÜφch modifikacφch.
Modernφ systΘmy jdou jeÜt∞ dßle, mohou konstruktΘrovi radit a vΘst jej p°i konstrukΦnφm postupu û nejde jen o normalizovanΘ rozm∞ry Φi tvary, ale i o postupy p°i konstruovßnφ urΦit²ch typ∙ v²robk∙ nebo jen lokßlnφ zvyklosti. Tato pravidla konstruovßnφ mohou b²t p°edem definovßna, ale systΘm je m∙₧e i "odpozorovat" s vyu₧itφm prvk∙ um∞lΘ inteligence (AI) z postup∙, kterΘ u₧ d°φve provßd∞l. Velmi efektivnφ je optimalizace (neboli behavioral modeling, jak tuto techniku naz²vß jejφ pr∙kopnφk). StaΦφ stanovit geometrickΘ podmφnky (nap°. dΘlku h°φdele a zßkladnφ tvar) a optimalizaΦnφ kritΘrium (nap°. dosa₧enφ minimßlnφ hmotnosti p°i danΘm zatφ₧enφ), a systΘm u₧ sßm nalezne optimßlnφ tvar, kter² zadßnφ vyhovuje. DalÜφ "finta" usnad≥uje konstrukci rozsßhl²ch sestav. Cel² v²robek se nejprve definuje jako soustava hrub²ch blok∙ (hranol∙, "koleΦek", ...), do nich₧ se vestavφ vÜechny "vnit°nosti" detail∙ i s p°φsluÜn²mi vazbami (mφsty dotyku, otßΦenφ apod.). Je-li pak t°eba zm∞nit celkov² rozm∞r v²robku, staΦφ zm∞nit velikosti hrub²ch blok∙ a systΘm vÜechny detaily se zachovßnφm vazeb p°epoΦφtß sßm.
Progresivnφm trendem v CAD je t²movß spoluprßce. Ta je nejefektivn∞jÜφ, je-li zalo₧ena na jedinΘm sdφlenΘm modelu celΘho v²robku, digitßlnφ maket∞, k nφ₧ majφ podle urΦit²ch pravidel p°φstup vÜichni pracovnφci, kte°φ se na v²robku n∞Φφm podφlejφ. To zajiÜ¥uje systΘm, kter² se starß i o uklßdßnφ a vyhledßvßnφ datov²ch soubor∙, sledovßnφ pr∙b∞hu zm∞n Φi o pr∙b∞h schvalovßnφ a potvrzovßnφ koneΦn²ch dat. Tyto PDM (Production Data Management) systΘmy zpoΦßtku pracovaly v klasickΘm sφ¥ovΘm prost°edφ, dnes ale pou₧φvajφ technologii internetu. PDM systΘm pak nenφ jen zßle₧itostφ specialist∙ û prost°ednictvφm b∞₧nΘho internetovΘho prohlφ₧eΦe snadno dokß₧ou s daty o v²robku pracovat i p°φsluÜnφci obecn∞jÜφch profesφ ne₧ v²voje a v²roby (nap°φklad nßkupu, marketingu Φi ·Φtßrny), ale i pracovnφci pov²robnφch fßzφ (nap°φklad prodeje nebo i ·dr₧by v²robku).
Internet umo₧nil vznik zvlßÜtnφch internetov²ch server∙ û portßl∙, nabφzen²ch specializovan²mi firmami jako slu₧by pro v²robce. Z nich lze CAD systΘm bu∩ stßhnout a pracovat na n∞m lokßln∞, nebo dokonce jen °φdit zpracovßnφ ·kol∙ na vzdßlenΘm CAD systΘmu umφst∞nΘm na centrßlnφm serveru. V obou p°φpadech vÜak poskytujφ slu₧by sprßvy dat a soubor∙, tedy v podstat∞ PDM systΘm∙, navφc dopln∞nΘ i o internetu vlastnφ snadnou dostupnost relevantnφch dat, nap°φklad knihoven dφl∙ nebo informacφ o dodavatelφch a cenßch. CAD zφskal na internetu ve velmi krßtkΘm Φase silnou pozici. P°edpokladem k tomu byl samoz°ejm∞ takΘ vznik specißlnφch datov²ch formßt∙ vhodn²ch k tomuto pou₧itφ.
V automobilu je nezanedbateln²m prvkem takΘ karoserie a zejmΘna jejφ vzhled û tφm se zab²vajφ designΘ°i. O designΘrsk²ch systΘmech u₧ byla °eΦ, rßd bych vÜak p°ipomn∞l jedno specißlnφ u₧itφ IT v tΘto oblasti. Kvalita koneΦnΘho nßvrhu karoserie se zkouÜφ na hlin∞nΘ maket∞ ve skuteΦnΘ velikosti a s dokonal²m povrchov²m finiÜem, kterß se umφstφ do sv∞telnΘ komory. V nφ se natßΦφ a pozoruje pod intenzivnφmi sv∞tly trubicov²ch zß°ivek. Ty na leskl² povrch "hßzejφ" podlouhlß "prasßtka", kterß nemilosrdn∞ odhalφ vÜechny nedokonalosti v plynulosti ploch. Aby se vylouΦily drahΘ sßdrovΘ makety, bylo logick²m °eÜenφm nasvφtit odpovφdajφcφm zp∙sobem 3D model v poΦφtaΦi. ProblΘm je vÜak v tom, ₧e model musφ b²t dostateΦn∞ p°esn², a tedy i znaΦn∞ rozsßhl², a ₧e pro dokonalΘ modelovßnφ odraz∙ a zrcadlenφ je nutnΘ pou₧φt techniku raytracingu û d∙sledkem je dlouhß doba zpracovßnφ i na grafickΘm superpoΦφtaΦi. S unikßtnφ technikou ClearCoat (jejφ autor technickΘ detaily tajφ, vφ se jen, ₧e jde o specißlnφ postup reflexnφho texturovßnφ) vÜak lze tuto ·lohu provßd∞t tΘm∞° interaktivn∞, co₧ umo₧≥uje jejφ praktickΘ pou₧itφ.
CAD, CAM, CAE
Mßme-li 3D model v²robku, mßme i informaci, podle nφ₧ lze °φdit pohyb nßstroj∙ p°i obrßb∞nφ. Tu vyu₧φvajφ CAM (Computer Aided Manufacturing) systΘmy. Zßle₧itost je kapku slo₧it∞jÜφ, proto₧e 3D reprezentace, kterß staΦφ pro znßzorn∞nφ v²robku, nestaΦφ pro °φzenφ nßstroje û nep°esnosti a zjednoduÜenφ, kterΘ se p°ipouÜt∞jφ v CAD, nejsou p°φpustnΘ v CAM, nehled∞ na nepozorovatelnΘ chyby v konstrukci modelu (objekty nulovΘ nebo mizivΘ velikosti, neznatelnΘ nespojitosti apod.). CAD modely se proto, pokud nemajφ vlastnφ v²stup v CAM formßtu, musejφ oÜet°it a p°evΘst do formßtu pro CAM. 3D zobrazenφ takΘ dokß₧e jeÜt∞ p°ed spuÜt∞nφm zobrazit postup obrßb∞nφ, odebφrßnφ t°φsky a pohybu nßstroje, a tak umo₧nφ vizußlnφ kontrolu postupu. Je samoz°ejmΘ, ₧e mo₧nosti v²poΦetnφ techniky v tΘto oblasti nabφzejφ i jinß uplatn∞nφ, nap°φklad v technologii (optimalizace v²robnφch postup∙ Φi nßst°ihov²ch plßn∙, simulace deformacφ p°i tvß°enφ Φi toku a chladnutφ materißlu) nebo v organizaci prßce.
Zßkladem rozvoje CAE (Computer Aided Engineering) byla krom∞ 3D techniky zejmΘna metoda koneΦn²ch prvk∙ (FEM Φi MKP) p°evßd∞jφcφ °eÜenφ slo₧it²ch fyzikßlnφch problΘm∙ do velkΘho mno₧stvφ vzßjemn∞ vßzan²ch jednoduch²ch p°φpad∙, tedy ideßlnφ ·loha pro poΦφtaΦ. Tak lze zvlßdnout i d°φve prakticky ne°eÜitelnΘ p°φpady mechanickΘho namßhßnφ vΦetn∞ nelineßrnφch p°φpad∙, kontaktnφ ·lohy (otlaΦenφ na styku dφl∙), kmitßnφ, sdφlenφ tepla a teplotnφho namßhßnφ, proud∞nφ tekutin vΦetn∞ nestacionßrnφho a vlivu spalovßnφ, tvo°enφ sm∞si kapalin (paliv) a plyn∙ a °adu dalÜφch, zkrßtka je to p°φmo poklad pro nejen automobilovΘ v²zkumnφky. A jako v CAM, i zde je d∙le₧itß hladkß nßvaznost na CAD.
Simulace a virtußlnφ realita
Prßce s CAE, ale i s CAD a CAM, je vlastn∞ simulacφ skuteΦnosti. Ta u₧ zaΦφnß p°echßzet do oblasti virtußlnφ reality. P°ednφ automobilky vytvß°ejφ realistickΘ digitßlnφ makety cel²ch voz∙, na nich₧ lze ji₧ v ranΘ fßzi p°φpravy v²roby (a tedy jeÜt∞ s nesrovnateln∞ ni₧Üφmi nßklady ne₧ v pozd∞jÜφch fßzφch) odhalovat °adu chyb konstrukce (nap°. omezenφ pohyblivosti dφl∙ nebo jejich smontovatelnosti), optimalizovat tvar Φi vzhled i mnohΘ jinΘ parametry v²robku. Ti nejprogresivn∞jÜφ u₧ zaΦφnajφ simulovat i cel² v²robnφ proces vΦetn∞ stroj∙, prostor, odpovφdajφcφho toku materißlu i modelovßnφ lidsk²ch postaviΦek (k posouzenφ ergonomie v²roby). Jist∞, vy₧aduje to obrovskΘ v²poΦetnφ a systΘmovΘ kapacity, ale z°ejm∞ se to vyplßcφ. D∙le₧itß je takΘ spoluprßce v²robnφch systΘm∙ s obecn²m systΘmem °φzenφ podniku, ale to u₧ je jinß a takΘ obsßhlß problematika.
Modelovßnφ Φlov∞ka vÜak jde jeÜt∞ dßle. Ve v²zkumn²ch st°ediscφch NASA se z·roΦujφ data, kterß se zφskala virtußlnφm "rozkrßjenφm" dvou mrtv²ch t∞l, mu₧skΘho a ₧enskΘho, na plßtky po 1, resp. 0,33 mm tlouÜ¥ky. Na jejich zßklad∞ (a s modifikacemi zφskan²mi antropologicko-statistick²mi v²zkumy) se vytvß°ejφ co nejv∞rn∞jÜφ prostorovΘ modely, kterΘ nejen vypadajφ, ale i chovajφ se jako lidΘ. V cΘvßch proudφ krev, svaly reagujφ na podn∞ty nerv∙, stahujφ se a dokonce trpφ ·navou Φi se poÜkozujφ p°etφ₧enφm, zkrßtka cφlem je naprost² realismus v modelovßnφ. Navφc je mo₧nΘ pou₧φt vÜechna kouzla poΦφtaΦovΘ grafiky, nap°φklad zobrazit jen samotnΘ cΘvy, a tak lΘpe pozorovat jejich chovßnφ.
A k Φemu je takovß hraΦka dobrß? Byla vyu₧ita u₧ i v automobilismu. P°i bariΘrov²ch testech si loutka, tzv. Oskar, "lßme kosti" mφsto skuteΦnΘ posßdky, a tak se zjiÜ¥uje, jak²m zp∙sobem lze zv²Üit bezpeΦnost konstrukce. Jen₧e Oskar je bezvlßdnß hromada pospojovan²ch dφl∙, kterß se p°i nßrazu chovß zcela pasivn∞. Loutka simulujφcφ skuteΦnΘho Φlov∞ka je vÜak aktivnφ, instinktivn∞ se vzep°e proti nßrazu, chrßnφ se rukama apod. TakΘ dφly jejφho "t∞la" majφ sprßvnou pru₧nost a hmotnost û tyto rozdφly majφ podstatn² vliv na nßsledky nßrazu. ZajφmavΘ je i to, k Φemu ji prvn∞ pou₧ila NASA û k v²voji novΘho typu skafandru, kter² bude nejen chrßnit, ale takΘ pohodln∞ vyhovovat fyziologii Φlov∞ka.
V dokonalΘ simulaci vidφm hlavnφ sm∞r v²voje v²poΦetnφ techniky ve vÜech oborech û modelovat vn∞jÜφ sv∞t tak realisticky, aby prßce Φlov∞ka s poΦφtaΦem byla stejn∞ p°irozenß jako jeho p∙sobenφ na reßln² sv∞t a aby se tak efektivn∞ vyu₧ilo maximum z mo₧nostφ spoluprßce Φlov∞ka a stroje.
