Optyczne systemy kontrolno-pomiarowe w praktyce

Transkrypt

1 ARTYKUŁ SPONSOROWANY Optyczne systemy kontrolno-pomiarowe w praktyce czyli od skanera 3D po indywidualnie projektowane systemy wizyjne Doskonalenie jakości oferowanych produktów oraz dążenie do minimalizacji kosztów produkcji powoduje stale rosnące zainteresowanie wdrażaniem optycznych systemów kontrolno pomiarowych. Pozwalają one zarówno na automatyzację procedur kontroli jakości, jak i umożliwiają szybkie i bezkontaktowe inspekcje na liniach produkcyjnych. Jednocześnie skanery 3D umożliwiają nam szybką modyfikację już istniejącego modelu czy stworzenie jego cyfrowej dokumentacji Pojęcie optyczne systemy kontrolno pomiarowe jest niezwykle szerokie. Określa zbiór urządzeń od prostych czujników odbiciowych i barier jednowiązkowych (wystarczających do detekcji określonych detali) aż do złożonych systemów wizyjnych analizujących i rejestrujących zarówno kształt jak i kolor obiektu. Do grupy tej zalicza się również optyczne digitizery 3D, które w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem są niezbędnym narzędziem w inżynierii odwrotnej oraz CAI (komputerowe wspomaganie inspekcji). Firma SMARTTECH z sukcesem działa w branży RYS. 1. Duża dokładność i wysoka rozdzielczość (do 100 punktów/mm 2 ) ScanBright pozwalają na pomiar najmniejszych szczegółów detalu pomiarów optycznych już od 2000 roku oferując profesjonalne systemy dostosowane do zastosowań swoich klientów. Zdając sobie sprawę z trudności, z jakimi spotyka się przyszły nabywca systemu kontrolno-pomiarowego, w niniejszym artykule przybliżamy Państwu główne aspekty zastosowań najbardziej popularnych systemów. Stosowanie systemów optycznych do detekcji braków czy kontroli wymiarów cieszy się coraz większym uznaniem inżynierów. Klucz stanowi tu dobór odpowiedniego systemu. Pierwsza decyzja, jaką należy podjąć dotyczy samej metody kontroli: czy potrzebna jest analiza 3D czy wystarczy 2D? W tym przypadku nie zawsze gotowe rozwiązania, jakimi są digitizery 3D są optymalnym wyborem, czasami wystarczy system pomiarowy oparty na kamerze i odpowiednim oprogramowaniu analizującym obraz. Wybierając dwa lub trzy wymiary analizy nadal do wyboru pozostaje nam szeroki wachlarz narzędzi. Digitizery 3D analiza w trzech wymiarach Na pierwszy rzut oka można odnieść wrażenie, że wszystkie digitizery są takie same mierzona powierzchnia jest optycznie skanowana, a w wyniku dostajemy chmurę punktów lub siatkę trójkątów. Co więcej w wielu przypadkach również suche dane z ulotek wydają się to potwierdzać. Niestety przy wyborze odpowiedniego systemu pomiarowego nie wystarczy nam jedynie przeczytanie ulotki, konieczne jest bliższe poznanie technologii skanowania. Ze względu na nieumiejętny dobór technologii do zastosowania wiele osób zawiodło się na uzyskanych wynikach lub czasochłonności procesu cyfrowego odwzorowania obiektu. O ile przetwarzanie danych pomiarowych we wszystkich przypadkach jest podobne (często realizowane przez jednakowe oprogramowanie np. Geomagic) to już zastosowane metody pomiarowe różnią się znacznie. Są skanery, które używają światła białego (ScanBright), inne skanują wiązką lasera (HandyScan), a jeszcze inne wyliczają odległość na podstawie przeliczania czasu przelotu wiązki światła. Kolejnymi aspektami decydującymi o wyborze skanera są jego parametry metrologiczne tzn.: dokładność, rozdzielczość i przestrzeń pomiarowa. Nie bez znaczenia jest również jego mobilność i chociaż większości systemów obecnych na rynku jest przenośna, jednak nie każdym digitizerem można zeskanować np.: wnętrze samochodu. SMART- TECH w swojej ofercie ma dwa uzupełniające się digitizery 3D, z których każdy reprezentuje inną technologię pomiaru, jak i przeznaczony jest dla różnych zastosowań czy grup użytkowników. ScanBright wysoka dokładność, duża gęstość próbkowania System stosujący metodę pomiaru światłem białym, zalecany do odpowiedzialnych pomiarów obiektów małej i średniej skali, w których priorytetem jest dokładność oraz duża rozdzielczość, pozwalająca na odzyskanie najmniejszych szczegółów detalu (rys. 1). Umożliwia pomiar obiektów bez konieczności umieszczania na nich znaczników, dzięki czemu chętnie stosowany jest w muzealnictwie. Wynikiem pomiaru jest chmura punktów wraz z informacją o barwie obiektu. System został odznaczony wieloma złotymi medalami polskich i zagranicznych targów oraz prestiżowym wyróżnieniem Polski Produkt Przyszłości. Producentem jest firma SMARTTECH. 24 DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

2 ARTYKUŁ SPONSOROWANY RYS. 2. Pomiar wnętrza samochodu ręcznym digitizerem HandyScan oraz wyniki pomiaru w postaci siatki trójkątów HandyScan mobilność, szybkość uzyskania wyników System bezkonkurencyjny w przypadku pomiaru obiektów o dużej, nawet kilkumetrowej skali, z niższą rozdzielczością. Dzięki automatycznemu mechanizmowi składania pomiarów z wykorzystaniem znaczników kołowych oraz wizualizacji w czasie rzeczywistym pomiar jest prosty i szybki. Wynikiem pomiaru jest siatka trójkątów. Niewątpliwą zaletą tego systemu są niewielkie gabaryty pozwalające na prowadzenie wygodnych pomiarów w trudno dostępnych miejscach (rys. 2). System często wykorzystywany jest w przemyśle motoryzacyjnym i szkutnictwie. Producentem jest Kanadyjska firma Creaform, autoryzowanym dystrybutorem na Polskę jest firma SMARTTECH. Skanery dalekiego zasięgu Na rynku dostępne są również urządzenia skanujące o zasięg rzędu dziesiątek metrów, stosowane w pomiarach geodezyjnych i architektonicznych. Są to urządzenia skanujące otoczenie w pełnym kącie na zasadzie pomiaru czasu przelotu wiązki. Ich zakresy pomiarowe sięgają 80 m i stanowią przydatne narzędzie w zastosowaniach takich jak np. planowanie instalacji hal produkcyjnych, przemysł stoczniowy, archiwizacja budynków itd. Na rynku polskim systemy te oferowane są przez kliku producentów współpracujących z firmą SMARTTECH. Kontrola na potrzeby klienta systemy wizyjne Kiedy skaner 3D nie jest wymagany albo wystarczający, lub gdy konieczne jest przeprowadzenie kontroli bezpośrednio na linii produkcyjnej wtedy optymalnym rozwiązaniem jest stworzenie indywidualnego systemu do danego zastosowania. Duża różnorodność systemów wizyjnych i ich zastosowań wymaga od inżyniera nie tylko umiejętności związanych z automatyką, ale również solidnej wiedzy optycznej. Indywidualne podejście projektowe do każdego klienta pozwala na optymalizacje rozwiązań zarówno pod względem funkcjonalności, jak i ceny. SMARTTECH specjalizuje się w kompleksowym rozwiązywaniu trudnych problemów pomiarowo kontrolnych od projektu aż do wdrożenia w docelowym środowisku odbiorcy. Na podstawie uzyskanych informacji i wymagań klienta wykonywane jest studium wykonalności, które pozwala na przedstawienie wstępnej oferty określającej czas i koszt wykonania systemu o zadanych parametrach. Zaprezentowane poniżej systemy stanowią dwa z wielu wdrożeń, dzięki którym SMART- TECH zapewnił odbiorcy końcowemu redukcje braków związanych z realizowaną kontrolą oraz znaczne skrócenie czasu montażu i obniżenie kosztów zatrudnienia. Przykład 1. Kontrola elementów łączących na linii produkcyjnej (rys. 3) Wysokie normy jakości wymusiły na poddostawcy elementów tłoczonych 100% kontrole RYS. 3. System kontroli elementów łaczących, obiekt mierzony i oprogramowanie jakościowe elementów łączących. Aby sprostać tym oczekiwaniom SMARTTECH opracował dwa jednakowe systemy wizyjne sprawdzające obecność nitów i wkrętów w elemencie tłoczonym na dwóch równoległych liniach montażowych. Systemy pracują w świetle przechodzącym (badany element znajduje się pomiędzy oświetlaczem a detektorem) z kamerą, która analizuje brak łącznika. Oświetlacze zostały wykonane tak by mogły zostać zamontowane w blacie istniejących stołów montażowych, a wykonywana kontrola prowadzona była w ramach czasu zakończeniowego operacji na danym elemencie. W ten sposób poprzez zwolnienie montera z konieczności kontroli łączników producent zyskał średnio 3 s czasu na stanowisku na poszczególnym montowanym elemencie. Obydwa systemy automatycznie zliczały elementy wykonane (w tym elementy wadliwe) ewidencjonując dodatkowo rodzaj braku. Przykład 2. Kontrola obecności etykiet na butelce. Kolejny system ma za zadanie sprawdzać obecność etykiety na butelce. Rozwiązanie zaproponowane przez SMARTTECH opiera się na dynamicznym pomiarze szerokości butelki (inna szerokość z etykietą i bez) gdzie bez znaczenia jest kolor i wysokość etykiety. W ten sposób zaprojektowany system pozwala producentowi na wykonywanie dowolnych zmian na etykiecie produktu bez konieczności modyfikacji systemu kontrolnego. Przed wdrożeniem butelki były kontrolowane przez pracownika, co związane było z pewną ilością braków związanych głównie z dużą monotonnością wykonywanej pracy. Proponowane przez konkurencyjne firmy systemy nie sprawdziły się z dwóch powodów: albo były za wolne (butelki są na taśmie transportowej w ruchu) albo sprawdzana przez nie cecha zmieniała się w zależności od etykiety. Wdrożone przez SMARTTECH rozwiązanie znacznie podniosło efektywność kontroli i co istotne obniżyło koszty. Wszystkich zainteresowanych zagadnieniami optycznych systemów kontrolno-pomiarowych zapraszamy do odwiedzenia naszej strony oraz do bezpośredniego kontaktu z naszą firmą. Łąkowa Łomianki tel./ fax biuro@smarttech.pl [ DESIGN NEWS Polska 25

3 ROZWIĄZANIA Obróbka form z wykorzystaniem HSC TEKST I ILUSTRACJE: RADOSŁAW MOREK, ANDRZEJ PATRYCY Obróbki z rodziny HSM wpisują się w obraz współczesnej firmy zarówno jako miejsce, w którym powstaje produkt [1] jak również jako innowacja, której celem jest polepszenie jakości, rozszerzenie możliwości technologicznych, skrócenie czasu obróbki FOT. 1. Powierzchnia matrycy po obróbce HC W zarządzaniu procesem technologicznym jednym z najważniejszych kryteriów optymalizacyjnych jest czas dostawy dla Klienta, zatem skrócenie czasu obróbki, bez pogorszenia jakości wpisuje się w realizację tego kryterium. Obróbki z rodziny HSM (patrz artykuły autora Wpływ wysokowydajnych obróbek na przebieg procesu technologicznego oraz Wdrażanie HSM opublikowane we wcześniejszych wydaniach Design News) w przypadku obróbki form, czy to na potrzeby przeróbki tworzywa sztucznego, czy też obróbki plastycznej cechują się skróceniem czasu obróbki i przyczyniają się do zmiany przebiegu procesu technologicznego. Najlepiej daje się to zaobserwować na konkretnym przykładzie. Analizie poddano obróbkę formy przeznaczonej do obróbki plastycznej elementów konstrukcji lotniczej [2] (ze względu na ochronę praw autorskich rysunki przedmiotów zostały zmienione na potrzeby artykułu przyp. autora). Przedstawione w pracy [2] tłocznik (stempel i matryca rys.1) są wytwarzane w procesie technologicznym wykorzystującym obróbkę materiałów twardych HC (Hard Cutting), jako produkcji jednostkowej. Na potrzeby porównania różnych wariantów procesu technologicznego, takich jak: klasyczny układ (półfabrykat miękki), z wykorzystaniem obróbki HSC (półfabrykat miękki), obróbka HSC (półfabrykat twardy), przeprowadzono szczegółowo analizę czasów i kosztów związanych z wytworzeniem matrycy (rys.1) w produkcji jednostkowej, zgodnie z charakterem rzeczywistej produkcji. Przyjęto założenie, że ze względu na podobieństwa konstrukcyjne matrycy i stempla (rys.1) analiza obróbki tylko jednego wybranego przedmiotu (w tym przypadku matrycy) będzie reprezentatywna TABELA 1. Poszczególne warianty procesu technologicznego obróbki matrycy Lp.: Klasyczny proces technologiczny obróbka zgrubna i kształtująca, wykonanie otworu i gwintu jednej strony p.o. obróbka zgrubna i kształtująca drugiej strony p.o. obróbka cieplna (gwint zabezpieczony przed oddziaływaniem termicznym) 20 obróbka elektroerozyjna 25 szlifowanie otworu 30 usuwanie ostrych krawędzi, polerowanie powierzchni 35 kontrola techniczna Proces technologiczny z wykorzystaniem HSC obróbka zgrubna i kształtująca, wykonanie otworu i gwintu jednej strony p.o. obróbka zgrubna i kształtująca drugiej strony p.o. obróbka cieplna (gwint zabezpieczony przed oddziaływaniem termicznym) obróbka HSC powierzchni roboczej matrycy usuwanie ostrych krawędzi, zadziorów kontrola techniczna Proces technologiczny w całości bazujący na obróbce HSC obróbka zgrubna i kształtująca jednej strony p.o. obróbka zgrubna, kształtująca i wykańczająca drugiej strony p.o., w tym powierzchni roboczej matrycy usuwanie ostrych krawędzi, zadziorów kontrola techniczna 32 DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

4 ROZWIĄZANIA dla porównania różnych wariantów procesu technologicznego. W tabeli 1 zestawiono obok siebie poszczególne warianty procesu technologicznego matrycy. Marszruty poszczególnych procesów przedstawiono w uproszczony sposób, z pominięciem szkiców technologicznych. Różnica między procesami: klasycznym i wykorzystującym HC dotyczy przede wszystkim wyeliminowania w tym drugim przypadku kosztownej i czasochłonnej obróbki elektroerozyjnej. Do niedawna obróbka materiałów twardych (ogólnie powyżej 45 HRC, tu HRC) była w prawie nie możliwa do przeprowadzenia z zachowaniem uzasadnionego poziomu kosztów. Jedną z technologii jaka pozwalała na obróbkę stali o podwyższonej twardości było właśnie EDM (Electro Discharge Machining). Jest to obróbka kosztowna zarówno ze względu na konieczność wytworzenia elektrody, jak i na czas jej trwania (długi czas trwania odpowiada niskiej wydajności, co z kolei sprzyja uzyskaniu mniejszej chropowatości). Wprowadzenie obróbki HC na etapie obróbki wykańczającej pozwoliło na znaczną oszczędność czasu i skrócenie przebiegu procesu technologicznego, z zachowaniem wysokich wymagań dotyczących dokładności geometrycznej oraz właściwości warstwy wierzchniej (chropowatość) fot. 1. Konstrukcja matrycy i stempla jako brył obrotowych ułatwiła wdrożenie HC w obróbce toczenia. By móc zastosować HC obrabiarka powinna spełniać określone wymagania, co do sztywności, układu sterowania, zabudowy przestrzeni roboczej, systemu chłodzącego. W omawianych procesach technologicznych obróbkę HC przeprowadzono na sucho, bez udziału chłodziwa. Prędkość skrawania wynosiła 100 [m/min], posuw roboczy 0,1 [mm/obr], a prędkość obrotowa wrzeciona około 450 [obr/min]. Zastosowano narzędzia z wkładkami sześciennego azotku boru (CBN tu 10 i 200). W procesie technologicznym w całości bazującym na obróbce HC przygotówka poddawana jest ulepszaniu cieplnemu do uzyskania twardości, wymaganej od gotowego wyrobu, już na początku procesu lub jeszcze w zakresie obróbki u wytwórcy (huta). Ten wariant procesu technologicznego modyfikuje przebieg procesu technologicznego i pozwala na dodatkowe skrócenie czasu trwania obróbki. (tabela 2, wykres 1). Jednak w porównaniu do procesu wykorzystującego w części obróbkę HC nie TABELA 2. Porównanie czasu i kosztu jednostkowego w zależności od procesu technologicznego Proces technologiczny: Czas jednostkowy [min]: Koszt jednostkowy [zł]: konwencjonalny ,00 z wykorzystaniem HC ,00 bazujący w całości na HC ,00 przynosi on znaczącego skrócenia czasu obróbki (szczególnie w ujęciu produkcji jednostkowej). W tabeli 2. i na wykresie 1. przedstawiono także wyniki analizy kosztu jednostkowego dla każdego z wariantów procesu technologicznego. Otrzymane dane wskazują na wariant w części wykorzystujący obróbkę HC jako najbardziej ekonomiczny. Niemal 4-krotnie wyższe koszty w przypadku opcji bazującej w całości na HC nie pozwalają na stwierdzenie, że jest to rozwiązanie korzystne. Podstawowym czynnikiem wpływającym na koszt w tym przypadku był koszt narzędzi, szczególnie dla obróbki otworu i gwintu. Przedstawiona analiza wskazała jako najbardziej korzystny proces technologiczny danego przedmiotu wariant z częściowym wprowadzeniem obróbki HC. Wariant III w porównaniu do wariantu II charakteryzuje się niekorzystną relacją między kosztem a czasem trwania procesu technologicznego. Choć następuje skrócenie czasu o kolejne kilkanaście minut, to jednak wariant II zapewnia korzystne skrócenie czasu... z zachowaniem ekonomicznego uzasadnienia. Jak pokazuje przeprowadzona analiza, nie zawsze obróbki z rodziny HSM, same WYKRES 1. Analiza kosztu jednostkowego: I wariant konwencjonalny proces technologiczny, II wariant proces technologiczny z częściowym wykorzystaniem HC, III wariant proces technologiczny w całości bazujący na obróbce HC w sobie jako innowacja, przyczyniają się do osiągnięcia kryterium kosztów produktu. Innowacja uzupełnia jedynie rozwiązania kaizen wprowadzane w gemba [1]. Proste rozwiązania na stanowisku pracy pozwalają osiągnąć często więcej, niż najbardziej zaawansowane technologicznie w danym czasie rozwiązania innowacyjne. Jak pisano w artykule pt. Wdrażanie HSM, wdrażanie obróbek z rodziny HSM (tu HC) wymaga przeprowadzenia szczegółowego planowania, sprawdzania analiz z uwzględnieniem wielu czynników. Wprowadzenie do firmy obróbki z rodziny HSM to inwestycja w nowe lub modernizacja starego gemba (tu w znaczeniu: stanowiska pracy, na którym wytwarzany jest produkt), wymagające jednocześnie przeszkolenia operatorów. Czasem maksymalne skrócenie czasu to jedynie pozorna oszczędność. Dlatego wdrażanie obróbek z rodziny HSM wymusza na technologach przeprowadzanie dokładnych analiz. Dr inż. Radosław Morek jest adiunktem w Instytucie Technologii Maszyn PW, mgr inż. Andrzej Patrycy absolwentem Wydziału Inżynierii Produkcji PW Piśmiennictwo: [1] Masaaki Imai, Gemba kaizen. Zdroworozsądkowe, niskokosztowe podejście do zarządzania, KAIZEN Institute Polska i Wydawnictwo MT Biznes Sp. z o.o [2] Andrzej Patrycy, Proces technologiczny tłoczników z wykorzystaniem obróbki HSC, Wydział Inżnierii Produkcji Politechniki Warszawskiej, 2007 Linki: (patrz artykuły autora Wpływ wysokowydajnych obróbek na przebieg procesu technologicznego pl/akademia_design_news1105.php4?num=271 oraz Wdrażanie HSM php4?num=375) [ DESIGN NEWS Polska 33

5 PROGRAMY Projektowanie form wtryskowych w Autodesk Inventor TEKST I RYSUNKI: ANNA NOWAK Na przykładzie prostego projektu plastikowego opakowania prześledzimy typowy proces prac niezbędnych do uzyskania kompletnego projektu wykonawczego formy odlewniczej Indywidualne cechy geometryczne każdego projektu narzucają przyjęcie różnych metod i sposobów na osiągnięcie efektu końcowego, można jednak wyróżnić ogólne fazy wspólne dla tego typu projektów. Definicja projektu Nawet najprostszy projekt składać się będzie z grupy co najmniej kilku plików, wzajemnie ze sobą powiązanych. Zdefiniowanie rozsądnej struktury projektu przed przystąpieniem do modelowania zapewni nam szybki dostęp do poszczególnych podfolderów podczas pracy i pozwoli uniknąć kłopotów związanych z poszukiwaniem plików składowych, które nieumyślnie zostały przeniesione do innej lokalizacji. W bardziej rozbudowanych projektach oprócz plików części, złożeń, rysunków pojawią się też pliki elementów bibliotecznych, pliki ifeatures i rozmaite pliki dodatkowe, takie jak opisy, zestawienia, animacje itp. Z powodu zależności między plikami, które zapewniają automatyczną aktualizację zmian, należy zwrócić szczególną uwagę na utrzymanie uporządkowanej struktury plików. RYS. 1. RYS. 2. Projektowanie elementów Zaprojektujemy dwuelementowe opakowanie plastikowe z ozdobnymi detalami na wieczku i przeciągnięciem w podstawie. Pierwszy szkic wytłoczenia dolnej części opakowania musi zostać dokładnie zwymiarowany, ponieważ determinuje on wraz z wysokością wytłoczenia podstawowe gabaryty pudełka; przykrywka będzie projektowana na wymiar części dolnej i dla niej wymiary będą pochodnymi pierwszego szkicu (rys. 1). Kiedy szkic jest już wytłoczony, kolejnymi krokami będzie stworzenie wypustu na krawędzi górnej, wydrążenie materiału wewnątrz, do którego możemy użyć narzędzia Skorupa albo Wytłoczenie z odjęciem materiału (rys. 2), zaokrąglenie dolnej krawędzi i na koniec przeciągnięcie profilu po ścieżce od spodu pudełka (rys. 3). Przy projektowaniu przedmiotów wykonywanych metodą odlewania należy pamiętać o odpowiednim nachyleniu powierzchni bocznych tak, aby wyjmowanie z formy nie nastręczało trudności. Kąt pochylenia zależny jest od technologii produkcji, dla naszego projektu przyjęty został kąt 1º. Został on nadany pierwszemu elementowi kształtującemu jako opcja wytłoczenia oraz RYS. 3. wypustowi na krawędzi górnej poprzez narzędzie Pochylenie ściany. Dodatkowo wymiary modelu powinny być odrobinę większe od docelowych wymiarów produktu o wartość skurczu technologicznego, charakterystycznego dla danego materiału, z jakiego produkt będzie wykonany. Przy tworzeniu pokrywy pudełka najlepiej skorzystać z wstawienia Komponentu pochodnego w postaci dolnej gotowej części, z której można zrzutować zewnętrzny obrys na nowy szkic wieczka, co zapewni idealne dopasowanie elementów i podążanie geometrii wieczka za ewentualnymi zmianami podstawy (rys. 4). Pokrywka na swojej dolnej krawędzi uzyskuje wewnętrzny rowek dopasowany RYS DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

6 Idea: Znajdź lepszy sposób na tworzenie dokumentacji technicznej. Realizacja: Dzięki oprogramowaniu Autodesk Inventor możesz łatwo tworzyć rysunki, które w przypadku wprowadzenia zmian w modelu 3D, zostaną automatycznie uaktualnione. Jedynie Autodesk Inventor zapewnia pełne środowisko projektowe do tworzenia dokumentacji technicznej. Automatyczne tworzenie rysunków to tylko jeden z powodów, dla których Autodesk Inventor stanowi najlepszy wybór przy projektowaniu 3D. Więcej informacji na temat najlepiej sprzedającej się aplikacji do projektowania mechanicznego 3D dostępnych jest pod adresem: Projekt: Fives Cail Obszar zastosowania: przemysł elektromechaniczny Autodesk, AutoCAD i Autodesk Inventor są zastrzeżonymi znakami towarowymi Autodesk, Inc., zarejestrowanymi w Stanach Zjednoczonych i/lub innych krajach. Wszelkie inne nazwy marek, nazwy produktów i znaki towarowe należą do ich odpowiednich właścicieli. Autodesk zastrzega sobie prawo do zmiany oferty produktowej i specyfi kacji w dowolnym momencie bez uprzedzenia, a także nie ponosi odpowiedzialności za błędy typografi czne i grafi czne, które mogą pojawić się w niniejszym dokumencie Autodesk, Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone.

7 PROGRAMY RYS. 5. do wpustu podstawy i zostaje zamieniona w element cienkościenny, przy czym tak jak dla dolnej części należy pamiętać o nachyleniu pionowych powierzchni (rys. 5). Po zaokrągleniu zewnętrznej krawędzi wieczka pozostało wymodelowanie na górnej powierzchni wieczka ozdobnego wzoru. Narzędzie Szyku prostokątnego może być użyte nie tylko do kopiowania w wierszach i kolumnach, ale po wskazaniu krzywej potrafi rozmieścić wskazany element kształtujący wzdłuż ścieżki, co w naszym przypadku pozwoliło na precyzyjne ustawienie powtarzalnego wzoru na powierzchni pokrywki (rys. 6). RYS. 7. RYS. 9. RYS. 8. Najpierw upewnimy się, że elementy pozwolą się wyjąć z formy i że nie popełniliśmy błędu w nadanych nachyleniach. Pomocnym narzędziem jest jedno z dostępnych narzędzi analitycznych Analiza szkicu. Po ustaleniu interesującego nas zakresu nachylenia model przyjmuje barwy, pozwalające łatwo wykryć nieprawidłowości. Kolor zielony na wszystkich powierzchniach po stronie wyjmowania z formy oznacza, że projekt jest poprawny (Rys. 8). Po wstawieniu obu części do nowego złożenia i dopasowaniu ich za pomocą wiązań najlepiej sporządzić rysunek z przekrojami poprzecznymi i wprowadzić wymiary kontrolne, aby nie było wątpliwości czy pudełko będzie spełniać swoją funkcję i czy nie popełniliśmy błędu w tej fazie projektu (rys. 9). Przy projektowaniu opakowań, dla których istnieją z góry założone parametry np. pojemność, pomocniczym narzędziem będzie użycie Granice automatyczne. Jeśli zamodelujemy objętość treści opakowania jako dodatkowy element złożenia, zależny od kształtu opakowania, będziemy mogli na bieżąco sprawdzać, czy pudełko zmieści docelową ilość produktu. Wystarczy narzucić elementowi zawartości optymalną objętość i zakres tolerancji dla objętości, w jakim projekt będzie prawidłowy, a program będzie na bieżąco monitorował wskazany parametr i informował nas o przekroczeniu granicy z dołu bądź z góry (rys. 10). Matryca i stempel Podczas tworzenia formy najlepsze efekty daje chwilowe przejście z modelowania RYS. 6. W każdej fazie modelowania projektant może kontrolować parametry fizyczne części, dostępne w oknie iproperties. Po przyporządkowaniu materiału można w oknie iproperties odczytać masę, objętość, powierzchnię boczną, współrzędne środka ciężkości i właściwości bezwładnościowe (rys. 7). Sprawdzenie projektu pudełka Wprawdzie celem projektu jest stworzenie formy, ale zanim przejdziemy do tej fazy musimy mieć pewność, że pudełko jest zaprojektowane prawidłowo. 36 DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

8 PROGRAMY RYS. 14. RYS. 10. RYS. 11. RYS. 12. bryłowego na modelowanie powierzchniowe. Prześledźmy ten proces na przykładzie formy wieczka pudełka. Zacznijmy od matrycy. Do nowego pliku części wstawiamy komponent pochodny w postaci gotowego modelu wieczka. Funkcja Odsunięcie/pogrubienie z wartością 0 pozwala uzyskać powierzchnię wewnętrzną wieczka, od dołu bryłę zamknie nowa powierzchnia robocza. Polecenie Rzeźbienie ukształtuje górną część matrycy, którą położymy na kostce podstawy (rys. 11). W pliku formy stempla także wprowadzimy najpierw komponent pochodny wieczka z opcją Bryła jako powierzchnia konstrukcyjna. W tym wypadku korzystnie będzie pobrać wybrane powierzchnie komponentu pochodnego poprzez usunięcie zbędnych powierzchni wewnętrznych. Następnie należy utworzyć powierzchnie boczne kostki i dwie pomocnicze powierzchnie robocze. Z tych wszystkich składników polecenie Rzeźbienie utworzy potrzebną nam bryłę (rys. 12). Sprawdzenie formy Wykonane modele form należy sprawdzić. Pierwszym krokiem jest stworzenie nowego złożenia testowego z obu form. W złożeniu tym dodamy jeszcze jedną część w kształcie prostopadłościanu obejmującego całość formy (rys. 13). Następnie otwieramy kolejny plik części, w nim wstawiamy komponent pochodny w postaci złożenia testowego formy z odpowiednimi ustawieniami dla poszczególnych części: obie formy ustawiamy jako odejmowane, a prostopadłościan jako dodawany (rys. 14). W efekcie możemy obejrzeć model naszej wypraski, który dla dokładnego sprawdzenia może zostać z kolei umieszczony w nowym złożeniu wraz z projektowanym modelem wieczka. Narzędziem Analiza kolizji możemy porównać, czy modele są identyczne objętość kolizji powinna być identyczna z objętością projektowanej części (rys. 15). Jeżeli istnieją wymogi dotyczące sprawdzenia wytrzymałości zaprojektowanych elementów, to program Autodesk RYS. 13. RYS. 15. RYS. 16. Inventor Professional oferuje moduł do obliczeń naprężeń w przypadku zarówno obciążeń statycznych, jak i dynamicznych. W naszym przypadku możemy sprawdzić wytrzymałość wieczka na punktowe uderzenie o zadanej sile bądź na duże obciążenie np. innymi opakowaniami w stosie (rys. 16). Ale tym zaawansowanym możliwościom i innym specjalistycznym modułom poświęcimy odrębny artykuł w następnych numerach magazynu Design News. PM MSD Anna Nowak VAD Man and Machine Software [ DESIGN NEWS Polska 37

9 PROGRAMY TrueMill optymalne wykorzystanie możliwości CNC TEKST I RYSUNKI: ADAM SEREMAK Programiści z SURFWARE zwrócili uwagę na znaczenie kąta opasania narzędzia w procesie frezowania. Odrzuciwszy niektóre zasady obowiązujące od początku technik CAM, postanowili stworzyć strategię generowania obróbki, która będzie oparta na nowych założeniach. Efektem ich pracy jest TrueMill technologia dająca niespotykaną wcześniej wydajność i optymalne wykorzystanie możliwości centrów CNC Tradycyjna obróbka CAM Tadycyjną metodę obróbki kieszeni ilustruje rys. 1. Ścieżki narzędzia powstają przez odsunięcie zewnętrznego konturu kieszeni o stały odstęp równy szerokości skrawania. Ta metoda jest stosowana od lat w programach CAM jako podstawowa, ponieważ zapewnia najkrótszą drogę skrawania. Natomiast jej wadą jest zmienne obciążenie narzędzia w czasie obróbki. RYS. 1. Tradycyjne ścieżki narzędzia Można to wyjaśnić badając kąt opasania narzędzia (KON). Na rys. 2 pokazane jest narzędzie obrabiające po linii prostej przy założonej szerokości skrawania równej 40% średnicy freza. Kąt opasania narzędzia odnoszacy się do części obwodu narzędzia, która jest faktycznie zaangażowana w usuwanie materiału ma wartość 78,5. Warunki pracy w takim przypadku są stałe. Niezmienne wartości szerokość warstwy skrawanej i kąta opasania narzędzia oraz posuwu sprawiają, że obciążenie narzędzia jest również niezmienne. Natomiast sytuacja zmienia się w momencie dojścia do naroża, gdzie występuje chwilowy wzrost kąta opasania narzędzia do 168,5 (wzrost aż o 114%). Ilość usuwanego w jednostce czasu materiału nagle zwiększa się i dochodzi do gwałtownego przyrostu obciążenia narzędzia. Po wyjściu z naroża i obróbce po linii prostej warunki skrawania ponownie stają się łagodniejsze. Ostre naroża są krytycznymi miejscami obróbki, w których narzędzie jest chwilowo przeciążone i może dojść... do jego zniszczenia. Rozważmy obróbkę kieszeni z rys. 1 pod kątem wydajności. Aby uzyskać dużą wydajność należy zastosować największą dopuszczalną wartość posuwu, czyli taką, która nie spowoduje przeciążenia i zniszczenia narzędzia w narożach. Jeśli taki posuw został użyty to można powiedzieć, że obróbka w narożach jest optymalna, natomiast przy przejściach po linii prostej kiedy frez jest mało obciążony występuje spadek wydajności. Na drodze narzędzia można znaleźć ponad 50 ostrych naroży, zatem narzędzie 50 razy przez krótki czas będzie pracowało optymalnie, natomiast na przejazdach liniowych których jest zdecydowanie więcej dochodzi do spadku wydajności. Taki rodzaj obróbki oczywiście nie jest optymalny. Nowe podejście TrueMill Powstało wiele rozwiązań CAM (optymalizowanie posuwu, modyfikacje tradycyjnej obróbki, strategie HSM), w większym lub mniejszym stopniu minimalizujące skutki opisanych zjawisk bądź próbujące je ominąć. Rozwiązaniem, które wydaje się być najbardziej optymalnym, jest technologia TrueMill opracowana w 2005 roku przez SURFWARE. Jej twórcy uczynili kąt opasania narzędzia głównym czynnikiem wpływającym na kształt ścieżek. Obliczenia są wykonywane według następujących zasad: RYS. 2. KON przy obróbce po linii prostej kąt opasania narzędzia nie przekracza zadanej wartości, utrzymywanie stałej wartości KON (zamiast stałej szerokości skrawania). Efektem jest obróbka całkowicie pozbawiona ostrych naroży, w której wszystkie przejazdy są płynne (rys. 4). Na wykresach (rys. 5) pokazano zmiany kąta opasania narzędzia podczas obróbki. W metodzie tradycyjnej KON zmienia się od wartości odpowiadającej frezowaniu po linii prostej (poziom oznaczony linią czerwoną) do maksymalnej wartości 180 w narożach. W obróbce TrueMill określona maksymalna wartość KON w tym przypadku 120 nie jest przekroczona w żadnym miejscu. Można powiedzieć, że obciążenie narzędzia w metodzie tradycyjnej jest zawsze powyżej określonego poziomu, natomiast w TrueMill jesteśmy w stanie je ograniczyć poniżej zadanej wartości. RYS. 3. KON przy obróbce naroża 38 DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

10 REKLAMA RYS. 4. Ścieżki narzędzia technologii TrueMill TrueMill w praktyce Mając KON pod kontrolą (nigdy nie dochodzi do najbardziej niekorzystnej wartości 180 ) próbowano zmieniać poszczególne nastawy obróbki. Okazało się, że w technologii TrueMill możliwe jest stosowanie znacznie większych od dotychczas używanych wartości parametrów technologicznych bez ryzyka zniszczenia narzędzia. Uzyskano kilkukrotne zwiększenie posuwu, większe szerokości i głębokości skrawania. Jak to możliwe? Producenci narzędzi skrawających oczywiście zdają sobie sprawę z tego, że podczas pracy ich frezy będą cyklicznie przeciążane i dlatego rekomendowane przez nich parametry skrawania są takie, aby frez wytrzymał krótkotrwałą pracę przy najbardziej niekorzystnej wartości KON 180. Ponieważ w TrueMill narzędzie nigdy nie pracuje w warunkach krytycznych, to można stosować bardziej agresywne nastawy. Dzięki temu uzyskano niespotykaną wcześniej wydajność. Przykładowo, technologia TrueMill pozwoliła na zmniejszenie czasu obróbki zgrubnej stołu aluminiowego z 17 do 3 min. w porównaniu do wcześniej stosowanych metod CAM (materiał RYS. 5. Porównanie obróbki TrueMill i tradycyjnej cm, posuw zwiększono z 4500 do mm/min, szerokość skrawania zwiększono 2-krotnie, głębokość skrawania zwiększono 3-krotnie; dane pochodzą z www. surfcam.com). Pomimo stosowania agresywnych parametrów skrawania, TrueMill nie spowodował szybszego zużywania narzędzia, a nawet... wydłużył okres trwałości jego ostrza. To zjawisko tłumaczy wykres z rys. 5. W technologii tradycyjnej KON zmienia się w dużym zakresie w sposób dynamiczny. Przebieg TrueMill jest bardziej jednorodny i takie obciążenie jest mniej szkodliwe dla narzędzi. Dodatkowo, frez nigdy nie znajduje się w najbardziej niekorzystnych warunkach. RYS. 6. Przykład TrueMill Technologia TrueMill została udostępniona w progamie SURFCAM Velocity w drugiej połowie 2005 roku. Od tego czasu zdobyła liczne nagrody na targach maszyn i wzbudziła ogromne zainteresowanie w magazynach branżowych. Być może uczynienie kąta opasania narzędzia centralnym czynnikiem obróbki wywoła małą rewolucję w świecie obróbki CNC. Adam Seremak CNS Solutions

11 PROGRAMY Elementarz modelowania powierzchniowego (cz. V) TEKST I RYSUNKI: ANDRZEJ WEŁYCZKO W poprzednich odcinkach cyklu napisałem, że tak dla krzywych Béziera, jak i B-Spline każdy punkt kontrolny ma zdefiniowaną siłę przyciągania tej krzywej. W przypadku krzywej Béziera dla każdej wartości parametru u siła ta jest ustalona dla każdego z punktów kontrolnych Pi i jest ona większa od 0 dla każdego punktu krzywej pomiędzy jej początkiem a końcem. Dlatego modyfikacja jednego punktu kontrolnego wpływa na kształt całej krzywej Funkcje definiujące to przyciąganie (Basis Functions) zależą od stopnia krzywej Béziera (liczby punktów kontrolnych), a ich wartości nie mogą być modyfikowane. Podobnie dla krzywej B-Spline dla każdej wartości parametru u jest określona siła przyciągania punktu krzywej C(u) przez każdy z jej punktów kontrolnych, ale dla zadanej wartości parametru u jest ona większa od 0 tylko dla niektórych punktów kontrolnych Pi. Każdy punkt kontrolny krzywej B-Spline wpływa na jej kształt w obszarze najbliższym punktowi Q(u) i nie wpływa w ogóle lub w stopniu bardzo małym na tą część krzywej, która jest daleko od niego. Dlatego modyfikacje punktów kontrolnych krzywej typu B-Spline mają charakter lokalny. Czy jednak można poprzestać na określeniach typu niektóre, w obszarze najbliższym lub daleko? Myślę, że są one mało precyzyjne i wymagają bardziej szczegółowego wyjaśnienia. Na każdej krzywej B-Spline, jako krzywej sklejonej z kilku krzywych cząstkowych istnieją punkty wspólne tych krzywych, czyli węzły (ang. knot). Zazwyczaj nie są one widoczne, bo większość algorytmów stosowanych w systemach CAD nie pozwala na bezpośrednią modyfikację tych punktów. Jeśli węzły mają rozkład równomierny (ang. uniform), czyli ich położenie na krzywej B-Spline jest opisane liniową stałymi przyrostami parametru u, to takie krzywe noszą nazwę UPBS (Uniform Polynomial B-Spline). Inaczej mówiąc każda cząstkowa krzywa Béziera krzywej typu B-Spline ma taką samą długość mierzoną przyrostem parametru u = ui+1 - ui. Zakres zmian tego parametru oraz jego wartości w węzłach mogą być dowolne, bo istotna jest tu równomierność RYS. 1 RYS. 2 przyrostów pomiędzy kolejnymi węzłami krzywej sklejanej (Rys. 1). Na przykład dla krzywej sklejonej z 4 segmentów każdy z następujących rozkładów jest równomierny: [-2,-1,0,1,2], [0, 0.25, 0.5, 0.75, 1], [1,5,9,13,17]. S ł owo Polynomial (wymierny) w nazwie Uniform Polynomial B-Spline odnosi się do standardowych wartości funkcji wagowych, które dla krzywej B- Spline (podobnie jak dla krzywej Béziera) są opisane funkcjami wymiernymi (wielomianami). Jednak dla krzywej typu B-Spline siła przyciągania krzywej przez każdy punkt kontrolny ma wartości różne od 0 tylko w pewnych zakresach parametru u, a nie jak dla krzywej Béziera na całej długości krzywej. Dla rozkładu równomiernego funkcje wagowe krzywej B-Spline mają dla każdego punktu kontrolnego identyczne wykresy, ale przesunięte o stałą wartość u, czyli o długość cząstkowej krzywej Béziera liczoną w przestrzeni parametru u. Jeśli B-Spline zbudowano z krzywych Béziera stopnia d =3 (Rys. 2), to współrzędne dowolnego punktu tej krzywej Q(u) są zdeterminowane tylko przez 4 (a nie wszystkie!) punkty kontrolne... i to jest wyjaśnienie zastosowanego wcześniej określenia niektóre. Warto też zauważyć, że wpływ dwóch ( środkowych ) punktów kontrolnych (Pk-1 i Pk) na kształt krzywej jest znaczny, a pozostałych dwóch ( skrajnych ) jest znikomy (<1/6).Ponadto z Rys. 2 wynika jasno, że każdy punkt kontrolny ma wpływ na 4 kolejne krzywe cząstkowe i to jest właściwe wyjaśnienie określenia w obszarze najbliższym. Taki równomierny rozkład węzłów nie zawsze jest jednak najlepszy tak dla spełnienia wymagań konstrukcyjnych (kształt, 40 DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

12 PROGRAMY RYS. 4 ciągłość), jak dla zapewnienia optymalnego modelu matematycznego. Po pierwsze dlatego, że punkty skrajne krzywej typu UPBS (rozkład równomierny) nie pokrywają się z pierwszym i ostatnim punktem kontrolnym krzywej. A to jest oczywiście sprzeczne z logiką konstrukcyjną, bo definicja krzywej typu B-Spline polega zazwyczaj na wskazaniu jej kolejnych punktów węzłowych (także punktu początkowego i końcowego). Po drugie dlatego, że nie zawsze jednakowe przyrosty Δu pomiędzy kolejnymi węzłami krzywej B-Spline są rozwiązaniem gwarantującym optymalną definicję krzywej tak z punktu widzenia jej modelu matematycznego, jak i kształtu krzywej. I wreszcie, po trzecie bo czasami konstruktor potrzebuje takiej krzywej, która we wskazanym punkcie ma ciągłość niższą niż G 2. We wszystkich tych przypadkach stosujemy różne długości parametryczne krzywych cząstkowych oraz powtórzenia punktów kontrolnych kilka kolejnych punktów kontrolnych ma takie same współrzędne. Powtarzanie punktów kontrolnych krzywej B-Spline wpływa nie tylko na zakres krzywej, na który mają wpływ te punkty, ale także na równanie funkcji wagowej, w tym na jej wartość maksymalną. Z powodów opisanych powyżej algorytmy definiowania krzywych w systemach CAD naruszają równomierność krzywych UPBS i tworzą wielomianowe krzywe nierównomierne (Rys. 3), w skrócie NUPBS (Non-Uniform Polynomial B-Spline). Jeśli dla rozkładu nierównomiernego długości krzywych cząstkowych są różne od u, to punkty kontrolne mogą mieć RYS. 5 RYS. 6 wpływ na części krzywej o różnej długości. Nierównomierność rozkładu węzłów krzywej B-Spline wpływa więc na szerokość odpowiednich zakresów krzywej, na które mają wpływ poszczególne punkty kontrolne. A to oznacza, że nierównomierność rozkładu węzłów wpływa na szerokość tego zakresu, który wcześniej nazwałem obszarem najbliższym danemu punktowi kontrolnemu. Pozostaje jeszcze jedno pytanie, na które nie podałem odpowiedzi: czy można zmieniać wartości funkcji bazowych punktów kontrolnych lub inaczej: czy można zmienić wagi z jakimi punkty kontrolne przyciągają krzywą sklejaną w taki sposób by uzyskać efekt pokazany na Rys. 4? Wyjaśnienie tego problemu rozpocznijmy od omówienia krzywych stożkowych RYS. 3 (d =2), których kształt jest wyznaczony przez 3 punkty kontrolne i parametr p. W zależności od tego, jaką wartość ma ten parametr krzywa może być elipsą, parabolą lub hiperbolą (Rys. 5). Przez analogię można przyjąć, że parametr p jest proporcjonalny do wagi, z jaką punkt kontrolny P1 przyciąga definiowaną krzywą. Jeśli funkcję bazową każdego punktu kontrolnego krzywej B-Spline podzielimy przez kolejną funkcję, która jest proporcjonalna do siły przyciągania krzywej przez ten punkt kontrolny, to uzyskamy krzywą wymierną (ang. Rational). [ DESIGN NEWS Polska 41

13 PROGRAMY RYS. 7 Na przykład (Rys. 6) dla W=0 punkt P 2 nie przyciąga krzywej, dla W=1 wartość wagi jest standardowa, a dla W>1 ten wpływ jest większy niż dla standardowej wartości funkcji bazowej krzywa jest znacznie bliżej punktu kontrolnego. W konsekwencji, jeśli dla krzywej typu B-Spline połączymy cechy nierównomierności i wymierności, to uzyskamy krzywą typu NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline). Krzywa tego typu ma oczywiście wszystkie opisane wcześniej własności krzywych B-Spline oraz dodatkową możliwość lokalnych modyfikacji krzywej uzyskaną dzięki wprowadzeniu dodatkowego współczynnika wagi punktu kontrolnego. Na Rys. 7 pokazano krzywą typu NURBS z różnymi wagami punktu P 1 (W 1 =1 i W 1 =10). Na zakończenie trzeba dodać, że krzywa typu B-Spline lub NURBS, w odróżnieniu od krzywych Béziera, mogą mieć ciągłość G 2, G 1 lub nawet G 0. Przypadek ciągłości typu G 0 nabiera szczególnego znaczenia w przypadku definiowania krzywych stylistycznych, kiedy intencją konstruktora jest uzyskanie ostrego wierzchołka na krzywej, a potem ostrej krawędzi na modelu powierzchniowym rozpiętym na takiej krzywej. Podsumowując cykl rozważań na temat krzywych trzeba powiedzieć, że: krzywą Béziera stosujemy wtedy, gdy można spełnić wymagania konstrukcyjne, a wynikowy stopień krzywej nie jest większy od 15 (w praktyce maksymalnie 7-9); modyfikacja dowolnego punktu kontrolnego krzywej powoduje globalną zmianę jej kształtu; stopień krzywej (d ) zależy tylko od liczby jej punktów kontrolnych; sklejona z kilku krzywych Béziera krzywa typu B-Spline zapewnia ciągłość typu G 2 i w miarę lokalne modyfikacje; stopień krzywej B-Spline nie zależy jedynie od liczby punktów kontrolnych, ale także od liczby jej krzywych cząstkowych i stopnia tych krzywych; stopień krzywych cząstkowych krzywej B-Spline nie może być mniejszy od d =3, bo tylko wtedy można zapewnić ciągłość G2; RYS. 8 jeśli krzywa B-Spline zostanie zredukowana do jednej krzywej Béziera i dodamy współczynniki wag punktów kontrolnych, to otrzymamy krzywą typu Rational Bézier (Rys. 8); krzywe typu NURBS, jako uogólnienie krzywych Béziera i B-Spline zapewniają największą swobodę konstrukcyjną, ale trzeba pamiętać, że algorytmy obliczeniowe są bardziej skomplikowane niż dla krzywych Béziera lub B-Spline... W kolejnych odcinkach cyklu kontynuacja tematu w zakresie modeli powierzchni oraz odpowiedź na pytanie: czy ta teoria jest potrzebna w praktyce konstrukcyjnej? 42 DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

14 ARTYKUŁ SPONSOROWANY Jeszcze bliżej realności PS-Render Dystrybucja i serwis techniczny TORUS Spółka z o.o., ul. Rydygiera 12, Warszawa, tel./fax (22) PS-Render to jeden z dodatkowych modułów dostępnych dla programu PowerSHAPE oferowanego przez firmę Delcam. PS-Render udostępnia proste środowisko do tworzenia foto-realistycznych obrazów modeli. PS-Render jest w pełni zintegrowany z PowerSHAPE i PowerSHAPE-e, co pozwala renderować w sposób szybki i łatwy nawet bardzo skomplikowane modele. PS-Render to między innymi: bogata biblioteka materiałów, zaawansowane studia oświetlenia, oraz wygodne nawijanie etykiet Szeroka biblioteka materiałów zawiera kilkaset gotowych już tekstur, takich jak np. szkła, kamienie, metale, tworzywa sztuczne itp. Wygląd każdego z materiałów możemy edytować samodzielnie według własnych potrzeb zmieniając ich kolor, przezroczystość, teksturę czy zdolność do odbijania światła. Materiały możemy przypisywać całym obiektom lub tylko ich poszczególnym powierzchniom. W studiu oświetlenia mamy zbiór wcześniej już zdefiniowanych sposobów oświetlenia, których wybór przyspieszy proces tworzenia sceny do renderowania modelu. W przypadku, gdy mamy do czynienia z bardziej skomplikowanymi scenami możemy użyć aż do dziesięciu niezależnych źródeł światła. Sposoby RYS 1. Rendering przy użyciu naturalnego oświetlenia (Sky) RYS 2. Zastosowanie PS-Render w jubilerstwie oświetlenia możemy modyfikować i tworzyć własne, posługując się w tym celu narzędziami do zmiany jego koloru, poziomu ostrości, a nawet tym czy ma ono rzucać cień czy nie. W nowej wersji PS-Render pojawił się nowy sposób oświetlenia imitujący naturalne padanie światła dziennego. Po wybraniu polecenia renderowania model zacznie być cieniowany w odpowiednio wybranej scenerii. Przy skomplikowanych modelach proces ten może trwać nawet kilka minut, dlatego też istnieje możliwość wykonywania go w tle. W tym samym czasie możemy już konstruować kolejny model nie tracąc czasu. Nawijanie etykiet daje możliwość pokrywania modeli teksturami 2D uzyskanymi w dowolny sposób. Etykiety możemy zaprojektować w dowolnym programie graficznym, skanować już istniejące czy nawet wykorzystując obrazy wykonane aparatem cyfrowym. Na modelach możemy również nawijać tekstury 3D uzyskane, np. za pomocą programu ArtCAM, nawijać możemy nawet symbole, czyli dowolne obiekty utworzone w Power- SHAPE. Nawinięte obiekty możemy potem również odwijać. Jest to przydatne przy tworzeniu kilku wersji tego samego produktu. Mając odwinięta etykietę wystarczy, że wstawimy w to miejsce nową i ponownie ją nawiniemy. Nie musimy już wtedy dokonywać żadnych dodatkowych ustawień, program zapamiętał je w operacji odwijania. Etykiety możemy rozciągać, obracać, zmieniać aspekt, oraz sposób ich nawijania i rzutowania. Wszystkie te operacje są bardzo proste w użyciu. Dzięki nim w PS-Render jeszcze w fazie projektowania, możemy zobaczyć jak będzie wyglądał nasz produkt w przyszłości. Teraz dostępne jest również narzędzie do jeszcze bardziej realnego przedstawienia wyrobu pokazanie jego animacji. Wystarczy wybrać sposób ruchu zaprojektowanego przedmiotu, wybrać jakość filmu i sposób jego kompresji. Wybieramy katalog, w którym ma być zapisany program, a potem pozostaje nam tylko czekać, bo PS-Render wykona całą resztę bez naszej pomocy. PS-Render pozwala zaoszczędzić koszty przeznaczone na reklamę, przewidzieć wygląd detalu jeszcze przed jego wykonaniem oraz wypromować go. A najważniejsze, że możemy to zrobić dużo, dużo wcześniej niż tradycyjnymi metodami. Zbigniew Stański [ DESIGN NEWS Polska 43

15 ABC OPROGRAMOWANIA Translacja dokumentacji 2D do modelu 3D na przykładzie systemu TEKST I RYSUNKI: PAWEŁ LONKWIC SolidWorks 2006 W niniejszym opracowaniu przedstawiono przykład translacji modelu 2D (AutoCAD) do 3D (SolidWorks), w celu późniejszego wygenerowania kodu dla obrabiarki CNC Dynamiczny rozwój oprogramowania wspomagającego prace inżynierów (CAD) rozpoczął się w latach 80, równolegle z rozwojem i popularyzacją komputerów PC. Nowe technologie i ulepszenia wprowadzane do oprogramowania CAD są związane głównie z funkcjami wymiany danych, pracy grupowej i integracji z systemami do wspomagania zarządzania przedsiębiorstwami. Jedną z pierwszych aplikacji tej klasy był AutoCAD Program ten można było uruchamiać na standardowych komputerach PC, pracujących pod kontrolą DOS (później również Windows). Choć AutoCAD wymagał do efektywnej pracy silnych konfiguracji, to w przeciwieństwie do konkurencyjnego, istniejącego wówczas oprogramowania CAD, nie potrzebował serwerów, mainframerów oraz bardzo drogich stacji roboczych, pracujących pod kontrolą Unixa. Model tworzenia aplikacji CAD dla tanich komputerów PC podchwycili również inni producenci i w ciągu kilku lat na rynku pojawiło się wiele względnie prostych aplikacji, które miały istotny wpływ na upowszechnienie komputerowych systemów wspomagania projektowania. Obecnie aplikacje CAD są standardowym narzędziem w pracy praktycznie każdego konstruktora i inżyniera. W latach 90 producenci oprogramowania CAD/CAM kładli główny nacisk na ulepszanie mechanizmów generowania grafiki i zwiększanie liczby funkcji, umożliwiających automatyzację procesu projektowania coraz bardziej skomplikowanych i różnorodnych elementów. Również niektórzy dostawcy dużych systemów CAD/CAM zauważyli potencjał rynku masowego i wprowadzali mniej wymagające, uproszczone wersje własnych aplikacji, które mogły pracować na komputerach PC. Wzrost możliwości i liczby funkcji udostępnianych przez programy CAD doprowadził do tego, że stopień ich skomplikowania można obecnie porównać z systemami operacyjnymi. Podczas instalacji programy te tworzą na dyskach setki katalogów i zapisują tysiące plików. Operowanie na tak dużej liczbie danych powoduje istotny wzrost zapotrzebowania na wydajność sprzętu. Jeszcze do niedawna był to poważny problem, ale obecnie zapotrzebowanie na moc rośnie wolniej niż średnia wydajność komputerów [5]. Wielu użytkowników systemów 2D chętnie rozpoczęłoby pracę w systemach 3D, lecz obawiają się, że związane z tym koszty, a także potrzeba przystosowania się do nowego sposobu pracy, skomplikują i utrudnią im poprawne wykonywanie postawionych przed nimi zadań. Choć wiele grup inżynierów przeszło już wiele lat temu na projektowanie trójwymiarowe, sporo zespołów nadal stosuje technologię dwuwymiarową. W przypadku konieczności współdzielenia plików pojawia się problem, gdyż dane zostają często utracone podczas konwersji. Nowe techniki translacji geometrii ułatwiają dokonywanie modyfikacji w starszych plikach dwuwymiarowych. Obecnie można zaimportować dane AutoCAD a do SolidWorksa bez konwersji, dzięki czemu można wyodrębnić kilka krawędzi i zmienić je bez marnowania czasu na konwertowanie całych plików. Kooperacja między przedsiębiorstwami Ostatnimi laty na rynku pojawiło się wiele mniej oraz bardziej zaawansowanych programów CAD. Małe, średnie oraz duże firmy wykorzystują to oprogramowanie do tworzenia dokumentacji technicznej 2D oraz 3D, na podstawie której istnieje możliwość tworzenia również instrukcji np.: montażowych w postaci tzw. rysunków rozstrzelonych. Ciągłe rozszerzanie możliwości systemów do wspomagania projektowania, wytwarzania i obliczeń inżynierskich CAD/CAM/CAE spowodowało pojawianie się dużej liczby nowych określeń związanych z systemami inżynierskimi. Wprowa- 44 DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

16 Umożliwia otwieranie i przeprowadzanie edycji dowolnego pliku DWG przy użyciu dowolnej wersji oprogramowania AutoCAD! (Możliwości oprogramowania SolidWorks w zakresie wykorzystania danych 2D w trójwymiarowych projektach 3D CAD) Już ponad użytkowników programu AutoCAD wybrało oprogramowanie SolidWorks, aby móc łatwo przenieść dane 2D do projektów 3D. Dzięki oprogramowaniu SolidWorks można wykorzystać istniejące dane w formacie 2D CAD do tworzenia modeli przestrzennych 3D. Unikalne możliwości oprogramowania SolidWorks i jego pełna zgodność z innymi rozwiązaniami CAD umożliwiają skrócenie czasu realizacji projektu nawet o procent. Aby się o tym przekonać, odwiedź witrynę internetową Design News 2007 Nazwa SolidWorks jest zastrzeżonym znakiem towarowym firmy SolidWorks Corporation. SolidWorks Corporation jest firmą należącą do Dassault Systèmes SolidWorks Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone. AutoCAD jest znakiem towarowym firmy Autodesk, Inc. zastrzeżonym w Stanach Zjednoczonych i (lub) w innych krajach.

17 ABC OPROGRAMOWANIA Projektowa nomenklatura inżynierska CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CAE Computer Aided Engineering PDM Product Data Management TDM Technical Data Management TDM Technical Document Management CIM Computer Integrated Manufacturing ECM Enterprise Component Modelling lub Engineering Component Modeling EEM Enterprise Engineering Modelling EDM Enterprise Document Management lub Engineering Document Management EIM Engineering Information Technology FMS Flexible Manufacture System PLM Product Lifecycle Management RYS. 1. dzane przez producentów nazwy mają czasami podobne znaczenie, które trudno krótko i jednoznacznie wyjaśnić. Często są tworzone przede wszystkim w celach marketingowych (patrz ramka). W przedsiębiorstwach zajmujących się produkcją zaawansowanych technologicznie detali czy podzespołów, wspomaganie procesów projektowania wymaga zastosowania znacznie bardziej zaawansowanych systemów CAD. Należą do nich zintegrowane system CAD/ CAM/CAE umożliwiające wspomaganie nie tylko procesu projektowania lecz również pozostałych grup działań, takich jak wytwarzanie, zarządzanie projektem czy przeprowadzenie niezbędnych analiz wytrzymałościowych, co w takim przypadku realizowane jest w ramach jednego systemu [1]. Inna sytuacja występuje podczas konieczności kooperacji pomiędzy przedsiębiorstwami wykorzystującymi różne oprogramowanie. Częstym przypadkiem jest także konieczność importowania gotowych rysunków 2D do systemów 3D w celu wykonania modelu przestrzennego konstrukcji. Pojawia się zatem pytanie, jak można wykorzystać gotowe rysunki dokumentacji technicznej przy tworzeniu trójwymiarowych modeli w zaawansowanych systemach CAD [2]. Translacja dokumentacji z 3D do 2D Translacja geometrii pomiędzy systemami CAD przeprowadzona została na przykładzie projektu prostego detalu. Obecnie translacja z dokumentacji 3D do dokumentacji 2D jest bardzo prosta. Można zaryzykować stwierdzenie, że wszystkie obecnie stosowane systemy 3D posiadają moduł draft lub rysunek. Większość systemów 3D posiada formę zapisu rysunków w postaci plików *.dxf, co z kolei umożliwia odczytanie dokumentacji w większości systemów 2D, jak np. AutoCAD. Zasada tworzenia dokumentacji tzw. płaskiej jest prosta i tylko jedna. Po wykonaniu modelu 3D, otwieramy z menu polecenie rysunek i do otwartej formatki wstawiamy odpowiednią ilość rzutów opracowanego modelu. Następnie dokładamy wymiary oraz niezbędne informacje, jakie powinny się znaleźć na rysunku wykonawczym... i gotowe. Translacja dokumentacji z 2D do 3D w programie SolidWorks O ile generowanie dokumentacji płaskiej jest proste, tak generowanie dokumentacji 3D z dokumentacji 2D jest bardziej kłopotliwe. Pierwszym etapem jest zapisanie rysunku w formacie *.dxf (data exchange format), chociaż istnieje możliwość otwarcia rysunku z formatu RYS. 2. RYS DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

18 ABC OPROGRAMOWANIA RYS. 4. RYS. 5. np.: *.dwg. Format *.dxf jest formatem bardziej uniwersalnym. Specyfikacja tego formatu została opracowana przez firmę Autodesk [3]. W początkowej fazie w oknie programu SolidWorks otwieramy rysunek 2D (rys. 1). W oknie głównym pojawia się okienko wyboru metody z jakiej chcemy skorzystać przy otwieraniu naszej dokumentacji. Kolejnym etapem translacji jest zaznaczenie opcji, która mówi, że nasz detal będzie otwierany jako nowa część 3D (rys. 2). Po wyborze formatu, w oknie translatora plików pojawi nam się nasz rysunek detalu wykonany jako dokumentacja płaska (rys. 3). Tutaj mamy możliwość odznaczenia odpowiednich warstw np.: wymiarów, osi, które nie będą nam potrzebne w czasie tworzenia modelu brylowego. Dalej przechodzimy do otwarcia naszego rysunky na płaszczyźnie normalnej jako szkic (rys. 4). Po zakończeniu poprzednich czynności okno programu SolidWorks wygląda jak na rysunku 5. Na płaszczyźnie normalnej został umieszony rysunek z niewidocznymi wymiarami i osiami symetrii. Zostaje nam jeszcze usunięcie zbędnych elementów rysunku takich jak ramka, tabelka oraz wszystkie inne elementy nie należące do właściwego szkicu (rys. 6). Kolejnym krokiem będzie określenie płaszczyzny przedniej naszego modelu. Klikamy na ikonę symbolizującą płaszczyznę przednią, wówczas zaznaczony szkic podświetli się na inny kolor niż pozostałe (rys.7). Dalej musimy precyzyjnie określić przynależność pozostałych szkiców do kolejnych płaszczyzn: tylnej i bocznej. Złe określenie tych płaszczyzn uniemożliwi nam złożenie szkicu w model drutowy 3D. Po określeniu poszczególnych szkiców oraz przypisaniu ich do płaszczyzn, rozpoczynamy składanie ich we wspomniany model drutowy. W tym celu zaznaczamy poszczególne linie na szkicach i przysuwamy je do siebie tak, aby po przesunięciu poszczególnych linii, otrzymany model był jak najbardziej zbliżony do naszego detalu. RYS. 6. RYS. 7. [ DESIGN NEWS Polska 47

19 ABC OPROGRAMOWANIA RYS. 8. RYS. 9. Wykonujemy tyle przesunięć, aby nasze szkice były styczne w jednym z narożników, przypominając złożony model z trzech rzutni z poszczególnymi szkicami. Kolejnym etapem jest zaznaczenie płaszczyzny, którą będziemy wyciągać (za pomocą komendy wyciągnij/extrude). Po zaznaczeniu szkicu, klikamy na ikonę wyciągnij do określonego punktu lub na żądaną odległość. Nasz zaznaczony szkic wyciągnie się w żądanym kierunku, tworząc model bryłowy naszego detalu (rysunek 11). Po zakończeniu operacji wyciągania otrzymujemy model bryłowy, do którego ścian przylegają pozostałe szkice (rysunek 12). W kolejnych etapach wycinamy otwór. W tym celu zaznaczmy szkic już na modelu, a nie w drzewie operacji, a następnie klikamy ikonę wytnij (rysunek 13 i 14) określając przy tym parametry geometryczne otworu. Po zakończeniu wszystkich prac, związanych z tworzeniem geometrii naszego detalu, pozostaje nam tylko usunięcie dwóch szkiców: z płaszczyzn tylnej i bocznej. Jest to końcowy etap tworzenia modelu bryłowego z rysunku płaskiego 2D, wykonanego w ogólnie dostępnym programie AutoCAD. Najważniejszą sprawą w tworzeniu dokumentacji płaskiej jest to, aby wszystkie rzuty były wykonane we właściwy sposób (zgodny z normą). W przeciwnym wypadku konstruktor, tworząc modele bryłowe z rysunków płaskich, będzie musiał poświęcić dużo czasu na analizę poszczególnych rzutów. Podsumowanie W artykule opisano problem translacji geometrii detalu pomiędzy systemami CAD na przykładzie programu AutoCAD oraz zintegrowanego systemu CAD/CAM/ CAE SolidWorks. Na podstawie przedstawionego przykładu można stwierdzić, że translacja geometrii z dokumentacji 2D do dokumentacji 3D jest możliwa bez większych kłopotów. Oczywiście, im bardziej złożony model ma powstać, tym RYS. 10. RYS DESIGN NEWS Polska [ marzec 2007

20 ABC OPROGRAMOWANIA RYS. 12. RYS. 13. więcej czasu musi poświęcić konstruktor na przetworzenie tej dokumentacji. Istnieją również przypadki, kiedy szybciej wykona się nowy model, niż stworzy go z dokumentacji 2D. Jest to oczywiście sprawa potrzeb oraz możliwości. Dokumentacja techniczna konstrukcji tworzona w ogólnie dostępnych programach 2D może stanowić podstawę do budowy przestrzennych modeli, bez konieczność żmudnego ich tworzenia. W takich przypadkach wykorzystanie do budowy modelu 3D istniejącej dokumentacji technicznej w znaczny sposób przyspiesza proces projektowania i eliminuje konieczność wykonywania dwa razy tej samej pracy, związanej z danym projektem. Ponadto projekt konstrukcji wykonany w formie przestrzennego modelu bryłowego może być wykorzystany dodatkowo do następujących czynności: analizy wytrzymałościowej, analizy optymalizacyjnej, drukowania 3D, generowania kodów dla obrabiarek CNC. Wspominanie wyżej punkty przekładają się na aspekty ekonomiczne, mające wpływ na całokształt prac wykonanych w czasie okresu projektowania. Wykorzystanie modeli 3D daje możliwość prototypowania wirtualnego, co przekłada się na eliminaję błędów wykonawczych konstrukcji, co z kolei wpływa na jeden z najważniejszych aspektów, czyli... na koszty zwiane z realizacją zleceń. Mgr inż. Paweł Lonkwic Politechnika Lubelska Wydział Mechaniczny Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji Piśmiennictwo: [1] Bobkowski G., Biały.: AutoCAD 2004 i Auto- CAD Mechanical 2004 w zagadnieniach technicznych, WNT, Warszawa 2004 [2] Józwik J., Dębski H., Jachowicz T., Bartnicki J.: Postęp w technikach wytwarzania i konstrukcji maszyn, LTN, Lublin 2005 [3] [4] [5] [6] RYS. 14. RYS. 15. [ DESIGN NEWS Polska 49