Projektowanie technologiczne za pomocà systemów CAD/CAM

Transkrypt

1 Projektowanie technologiczne za pomocà systemów CAD/CAM KRZYSZTOF TUBIELEWICZ ANDRZEJ ZABORSKI Coraz powszechniejsze wprowadzanie do praktyki przemys owej systemów CAD/CAM zrewolucjonizowa o pod koniec lat dziewi çdziesiàtych XX wieku dotychczasowy sposób przygotowania produkcji [1 3]. Zmiany zasz y praktycznie na ka dym etapie, poczàwszy od pojawienia si koncepcji przysz ego wyrobu, a koƒczàc na sposobie wygenerowania danych obróbkowych dla obrabiarek sterowanych numerycznie, systemach skomputeryzowanej kontroli jakoêci czy te komputerowo sterowanych systemach transportu wewn trznego. Oferowane obecnie na rynku oprogramowanie mo na podzieliç na dwie g ówne grupy. Pierwszà stanowià zintegrowane systemy CAD/CAM/CAE, drugà programy specjalizujàce si w jednej z dziedzin CAx. Programy te uzupe niajà si wzajemnie. Projektowanie z zastosowaniem systemów CAD/CAM Rozwój technik komputerowych, jaki dokona si w ostatnich trzech dekadach, umo liwi powstanie zaawansowanych programów do tworzenia profesjonalnej dokumentacji technicznej. Rozpoczà si proces zast powania konwencjonalnych, r cznych technik rysowania znacznie bardziej efektywnymi technikami grafiki komputerowej. Ogromny wzrost wydajnoêci i dost pnoêci komputerów, jaki dokona si w ostatnich kilku latach, przyczyni si do powstania nowej kategorii aplikacji programów do modelowania 3D [4]. Przy u yciu tego oprogramowania projektuje si z za o enia trójwymiarowe obiekty, które mogà byç bazà nie tylko dla tworzenia dwuwymiarowej dokumentacji technicznej, ale równie punktem wyjêcia do obliczeƒ wytrzyma- oêciowych (np. przy zastosowaniu metody elementów skoƒczonych), czy te do opracowania technologii obróbki i wygenerowania kodów sterujàcych dla obrabiarek sterowanych numerycznie przy Prof. dr hab. in. Krzysztof Tubielewicz i dr in. Andrzej Zaborski sà pracownikami Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechniki Cz stochowskiej. wykorzystaniu wyspecjalizowanych samodzielnych programów CAD/CAM lub modu ów technologicznych w zintegrowanych systemach przygotowania produkcji (rys. 1) [5, 6]. Modelowanie 3D sta o si mo liwe dzi ki zastosowaniu komputera do zapisu konstrukcji i wprowadzeniu dostatecznie szybkich komputerów dysponujàcych wystarczajàcà pami cià operacyjnà i pojemnoêcià twardych dysków. Sta o si to praktycznie mo liwe dopiero w po owie lat dziewi çdziesiàtych XX wieku. Stosowane od lat tradycyjne dwuwymiarowe rysunki z o eniowe nie zapewniajà szybkiego wychwytywania wad i nieciàg oêci w konstrukcji poszczególnych elementów. Dla skontrolowania poprawnoêci za o eƒ monta owych i kinematycznych konieczne by o cz sto zbudowanie modelu projektowanego obiektu lub nawet dzia ajàcego prototypu. Rysunki dwuwymiarowe wymagajà z regu y bardzo wnikliwego, d ugotrwa ego sprawdzania, które cz sto jest dodatkowo utrudnione faktem, e poszczególne elementy z o enia by y projektowane przez wiele osób. Aktualizacja dokumentacji 2D jest bardzo czasoch onna. Ka dà zmian w projekcie trzeba wprowadziç na kilka rzutów, a cz sto tak e na kilka pomocniczych przekrojów i widoków. Bardzo atwo wówczas o pomy k i przeoczenie zmiany na pewnym fragmencie dokumentacji, a wówczas wykonane rzuty i przekroje nie pasujà ju do siebie. Zaprojektowanie cz Êci i zespo ów w klasycznej metodzie 2D uniemo liwia z regu y wykonanie nawet najprostszych analiz kinematycznych czy wytrzyma- oêciowych. Coraz powszechniejsze u ycie systemów modelowania cz Êci w 3D wyraênie u atwia i przyspiesza proces przygotowania produkcji i generowania niezb dnych danych obróbkowych [7]. Modelowanie trójwymiarowe eliminuje koniecznoêç wykonywania kolejnych rzutów i widoków elementu, poniewa ca a dokumentacja powstaje niemal automatycznie. Projektantowi pozostaje jedynie wskazanie odpowiednich widoków i przekrojów, które sà automatycznie generowane na podstawie bry owego modelu i rozmieszczane na p askim rysunku. Ponadto, w przypadku modeli bry- ROK WYD. LXIV ZESZYT 6/

2 analizowanie wielu wariantów wykonania cz Êci czy rozwiàzania konstrukcyjnego. Powiàzanie tych wielkoêci mi dzy sobà mo e przebiegaç na rozmaite sposoby, np. powiàzanie wymiarów za pomocà relacji czy te powiàzanie wymiarów za pomocà tabeli zmiennych, budowanych wewnàtrz systemu CAD, czy te przy u yciu aplikacji zewn trznych (np. MS Excel) [8]. Przygotowanie produkcji w systemach CAD/CAM Rys. 1. Modelowanie geometryczne (a), analiza MES w konstruowaniu (b) oraz symulacja przebiegu obróbki (c) owych, zmiana geometrii modelu nie pociàga za sobà koniecznoêci modyfikowania kolejnych rzutów rysunku wykonawczego. Program aktualizuje je po ka dej zmianie geometrii bazowej. Wspó czesne metody projektowania to nie tylko przejêcie od p askiego do trójwymiarowego sposobu zapisu konstrukcji. Coraz cz Êciej wykonane projekty cz Êci wymiaruje si w sposób parametryczny. Sparametryzowane modele cz Êci lub zespo ów pozwalajà u ytkownikowi na szybkie wprowadzanie zmian w projekcie, Wspó czesne przygotowanie produkcji to równie zmiana samego sposobu projektowania i opracowania technologii. W trakcie tego procesu coraz cz Êciej obowiàzuje strategia Concurrent Engineering (CE), polegajàca na jednoczesnym lub prawie jednoczesnym wykonywaniu dzia aƒ, które kiedyê wykonywane by y sekwencyjnie [9]. Dzia ania te majà doprowadziç do znacznego skrócenia procesu przygotowania produkcji. W klasycznym projektowaniu zazwyczaj najpierw powstawa zespó, a póêniej (na jego podstawie) cz Êci. Dopiero po ca kowitym wykonaniu projektu opracowaniu rysunków z o- eniowych i wykonaniu na ich podstawie rysunków wykonawczych mo na by o przejêç do opracowania procesów technologicznych poszczególnych cz Êci. W projektowaniu wspó bie nym (Concurrent Design) modelowanie zespo u i jego cz Êci mo e si zaczàç prawie jednoczeênie. Nowoczesne, komputerowo wspomagane wspó bie ne przygotowanie produkcji zak ada, e opracowanie technologii wytwarzania wyrobu rozpocznie si niemal równoczeênie z procesem rozpocz cia modelowania pierwszych opracowanych cz Êci. Oznacza to, e cz Êci zaprojektowane na samym poczàtku procesu przygotowania produkcji zostanà jeszcze wielokrotnie zmodyfikowane, by wspó pracowaç z elementami zaprojektowanymi póêniej. Zmiany te, niemo liwe do przewidzenia w chwili, gdy dana cz Êç by a projektowana, mogà prowadziç do znacznych zmian jej budowy i wymiarów. Je eli rozpocznie si tworzenie procesu technologicznego bezpoêrednio po wst pnym zaprojektowaniu danych cz Êci, to oczywistym jest, e w trakcie opracowania tego procesu technolog musi liczyç si z koniecznoêcià wprowadzenia du ej liczby zmian. Trudno sobie wyobraziç, by wówczas proces technologiczny projektowaç za ka dym razem od poczàtku. Wymusza to integracj stosowanych wspó czeênie systemów przygotowania produkcji. Trzeba równie zwróciç uwag, e coraz mniej konstrukcji na Êwiecie powstaje w klasycznych biurach czy zespo ach konstrukcyjnych, zgromadzonych w jednym budynku i opracowujàcych wspólnie warianty rozwiàzaƒ. Obecnie projektanci tworzàcy dany wyrób znajdujà si w innych budynkach, a cz sto równie w innych miejscach kraju, a nawet Êwiata. Ze wzgl du na obecne techniki komunikacji nie jest to szczególnie istotne. Potrzebne sà jedynie odpowiednie narz dzia i techniki pracy. Pojawiajà si wówczas wirtualne biura projektowe [10 12]. Wspó czesne oprogramowanie umo liwia równoczesnà prac rozrzuconemu po ca ym kraju czy nawet Êwiecie wirtualnemu zes- 32 ROK WYD. LXIV ZESZYT 6/2005

3 po owi projektantów. Wszyscy uczestnicy procesu projektowania majà jednoczesny dost p do danych. Ka dy z uczestników ma okreêlone uprawnienia do dokonywania zmian w tworzonym wspólnie projekcie, tak aby nie zatraci on spójnoêci. Ka da zmiana modelu przenosi si automatycznie na elementy dokumentacji, model procesu technologicznego obróbki czy monta u itp. Integracja systemów przygotowania produkcji Obecnie na Êwiatowym i na krajowym rynku jest bardzo wiele programów z grupy CAD/CAM czy te CAE. Nierzadko w jednym przedsi biorstwie stosuje si kilka ró nych systemów. Zmusza to u ytkowników do komunikowania si mi dzy systemami i wymiany danych. Szczególnie wa ne jest to w przypadku du ych firm o strukturach holdingu, z którym kooperuje nawet kilkuset, a cz sto i wi cej, dostawców komponentów. Cz Êç z systemów to pojedyncze, wyspecjalizowane aplikacje s u àce do wykonywania konkretnych grup czynnoêci zwiàzanych z komputerowo wspomaganym przygotowaniem konstrukcji i opracowaniem procesu produkcji, np. analiza wytrzyma oêciowa metodà elementów skoƒczonych (ANSYS, MSC/NASTRAN, COSMOS, ADINA, FEMAP itp.), czy te np. generowanie kodów na obrabiarki sterowane numerycznie (GTJ, KSP/WIN, AlphaCAM, EdgeCAM, MasterCAM, SolidCAM itp.). Inne to z o one systemy zintegrowane bazujàce na wspólnym kodzie, wyposa one w komplet specjalistycznych modu ów u atwiajàcych projektowanie, planowanie i wytwarzanie (I-deas, Unigraphics, Pro/Engineer, CATIA itp.). Systemy zintegrowane zapewniajà wymian danych na wszystkich etapach pracy, zaczynajàc od koncepcji, przez projekt, analiz, po pe nà dokumentacj i wytwarzanie, poniewa bazujà na wspólnym formacie plików, z regu y umo liwiajà one równie import i eksport potrzebnych danych z innych programów. Niestety przez wiele lat mo liwoêci takich nie dawa y wyspecjalizowane tematycznie programy. Analizujàc systemy wyst pujàce wspó czeênie na Êwiatowych rynkach, mo na zauwa yç, e wykorzystujà one coraz cz Êciej standaryzowane biblioteki procedur. Bardzo istotna dla rozwoju rynku oprogramowania CAD/CAM i CAE jest niewàtpliwie integracja jàder graficznych (kerneli) systemów wyst pujàcych na wspó czesnym rynku oprogramowania. Jàdro modelowania przestrzennego jest podstawowà cz Êcià programu, która musi byç wprowadzona do pami ci operacyjnej. Jest ono w istocie bibliotekà z o onych, zoptymalizowanych algorytmów matematycznych i nie jest bezpoêrednio wykorzystywane przez u ytkownika, znajduje zastosowanie dzi ki aplikacji, która si do niego odwo- uje [13]. Zastosowanie tego samego jàdra umo liwia przenoszenie obiektów z jednego programu do innego (dzi ki wspólnemu formatowi plików). Aktualnie na Êwiatowym rynku obecne sà w istocie dwa jàdra modelowania przestrzennego ACIS i Parasolid: Jàdro ACIS 3D Toolkit jest g ównym produktem firmy Spatial (obecnie przej tym przez Dassault Systems), ma najwi kszà liczb u ytkowników koƒcowych [13]. Jàdro to jest stosowane w bardzo wielu aplikacjach wykorzystujàcych modelowanie 3D. W grupie tych aplikacji znajdowa y si mi dzy innymi programy, takie jak AutoCAD i Mechanical Desktop (Autodesk) czy te MSC/Nastran (MSC Software). Jest ono równie jàdrem aplikacji tworzonych na w asne potrzeby przez wielkie koncerny przemys owe, takie jak Boeing, Daimler-Benz, Ford, Lockheed Martin, Sony itd. Mo na dodaç, e od listopada 2001 roku firma Autodesk rozwija na bazie jàdra ACIS w asne jàdro graficzne. Wynika to z dà- enia firmy do uniezale nienia si od konkurencyjnej firmy Dassault Systems, która jest w posiadaniu praw autorskich do jàdra ACIS [14]. Koncepcja ACIS Geometry Bus wykorzystania tego jàdra graficznego do powiàzania szeregu aplikacji polega na przekazywaniu sobie danych dotyczàcych geometrii przedmiotu pomi dzy ró nymi aplikacjami za po- Êrednictwem formatu zapisu danych SAT, które odczytujà bezpoêrednio aplikacje zawierajàce jàdro ACIS. Pozwala to na unikni cie b dów powstajàcych podczas t umaczenia z jednego formatu na drugi przy przekazywaniu danych pomi dzy kooperantami. Parasolid zosta stworzony przez EDS Unigraphics w Cambridge [13]. Parasolid jest dostarczany w postaci biblioteki ponad 600 obiektowo zorientowanych procedur, które mogà byç stosowane w systemach CAD/CAM/CAE i specjalistycznych aplikacjach. Jest wykorzystywany w programach Unigraphics i Solid Edge oraz licencjonowany przez twórców systemów CAD/CAM/CAE i stosowany w SolidWorks firmy Dassault Systems, MicroStation firmy Bentley, Design Space firmy Ansys. Jàdro to jest równie stosowane do tworzenia aplikacji dla koncernów przemys owych, np. Boeinga, General Motors, Hitachi Research, Mitsubishi Motors, Pratt & Whitney, British Aerospace i General Electric. Wspólny format plików pozwala na jednoznacznà wymian danych mi dzy wewn trznymi systemami tych firm i ich kooperantów. Koncepcja Pipeline Parasolid firmy EDS Unigraphics zak ada a, e model numeryczny b dzie wykorzystywany równolegle przez wiele aplikacji. Wynika z tego koniecznoêç bezb dnej wymiany danych mi dzy takimi programami. Zastosowanie jàdra Parasolid do wymiany danych modeli bry owych gwarantuje 100% bezb dnoêci, podczas gdy konwersja danych za pomocà formatów IGES i STEP napotyka cz sto problemy, takie jak b dy geometrii i inne niedok adnoêci. Warto podkreêliç, e 27 lutego 2001 roku przedstawiciele Spatial Corp. i UGS podpisali umow o wspó pracy w zakresie poprawy wymiany danych 3D mi dzy jàdrami modelowania geometrycznego ACIS i Parasolid [13]. Porozumienie mi dzy firmami, które majà najwi kszy udzia w rynku kerneli, powinno zaowocowaç rozwiàzaniem wi kszoêci problemów zwiàzanych z wymianà danych. Zastosowanie komputera do opracowania technologii Istniejàce dotychczas systemy CAD/CAM zorientowane na programowanie obrabiarek sterowanych numerycznie wyposa one by y we w asne modu y CAD s u àce do modelowania (2D lub 3D) ROK WYD. LXIV ZESZYT 6/

4 wyrobów, dla których opracowuje si technologi [15 17]. Do koƒca lat dziewieçdziesiatych XX wieku poszczególni producenci starali si zwi kszyç mo liwoêci projektowe tych modu ów. Przekonywano odbiorców, e praktycznie wszystko mo na zamodelowaç, wykorzystujàc modu y projektowe tych systemów. Mo liwoêç importu geometrii z innego systemu by a traktowana jedynie pomocniczo. Na poczàtku obecnej dekady zauwa ono, e pomimo wysi ków programistów modu y CAD tych systemów nie mogà zapewniç takich mo liwoêci projektowych, jak wyspecjalizowane programy CAD zaprojektowane z myêlà o realizowaniu modelowania nawet najbardziej skomplikowanych cz Êci. W miejsce rozwoju mo liwoêci tworzenia projektu wspó czesne systemy CAD/CAM majà zazwyczaj zaawansowane funkcje przenoszenia plików z profesjonalnych modelerów. Zasadniczym celem tego rozwiàzania jest bezpoêrednie przenoszenie modeli z programu CAD do programu CAM bez utraty danych. Obecnie sama mo liwoêç wczytania pliku wydaje si ju niewystarczajàca. Dlatego producenci programów CAD/CAM, wspó pracujàcych z innymi systemami CAD, starajà si zapewniç asocjatywnoêç poszczególnych etapów powstawania produktu. Znaczy to, e nie wystarczy ju wczytanie kszta tu cz Êci poprzez procedury importu za pomocà uniwersalnych formatów. System musi widzieç dany model, tak by w ka dej chwili mo liwe by o uwzgl dnienie poprawek naniesionych przez konstruktora bez potrzeby wprowadzania zmian w ca ym projekcie technologii. Poprawki powinny byç wykonane automatycznie przez system i dotyczyç jedynie tego fragmentu procesu technologicznego, który w danym momencie uleg zmianie. Jednym z tych programów jest EdgeCAM firmy Pathrace (rys. 2) nia jej cech. Wystarczy odêwie yç po àczenie z plikiem, aby zdefiniowane kieszenie, otwory, zakresy obróbki i kraw dzie uaktualni y swoje parametry geometrii, a powierzchnie dostosowa y si do wprowadzonych zmian [19]. Obecnie wêród producentów oprogramowania technologicznego coraz cz Êciej pojawia si myêl, e systemom CAD/CAM cz Êç projektowa CAD zupe nie przestaje byç potrzebna, gdy i tak oprogramowanie to korzystaç b dzie z projektów cz Êci wykonanych w zewn trznych systemach CAD. Oprogramowanie CAD/CAM staje si powoli oprogramowaniem CAM zintegrowanym w sposób nierozerwalny z istniejàcymi na rynku wyspecjalizowanymi systemami graficznymi. Przyk adem takiej ewolucji oprogramowania mogà byç zmiany w systemie SolidCAM firmy Cadtech [23]. System ten zaliczany do wyspecjalizowanych systemów CAD/CAM s u- àcych do programowania OSN do niedawna (np. wersja z 1999 r. rys. 3) wyposa ony by w bardzo Rys. 3. SolidCAM 99 Modu CAD systemu [18 20]. Wspó praca tego systemu z programami CAD nie ogranicza si do biernego przej cia geometrii, ale zapewnia pe nà asocjatywnoêç wygenerowanych Êcie ek z modelem wczytanym z innego programu [21 23]. To znaczy, e je eli konstruktor, pracujàcy na dowolnym programie CAD opartym na jàdrze Parasolid lub ACIS wprowadzi zmiany w geometrii cz Êci, to technolog nie traci nic z dotychczas podj tych dzia aƒ dzi ki mo liwoêci automatycznego lub pó automatycznego rozpoznawaprzyjazny dla u ytkownika modu CAD zapewniajàcy modelowanie zarówno 2D, jak i 3D. Wspó czesna wersja tego systemu z roku 2003 zosta a pozbawiona modu u CAD. Program zosta w pe ni zintegrowany z modelerem CAD 3D SolidWorks (rys. 4). Nie jest to ju program CAD/CAM, ale nak adka CAM do odr bnego programu CAD. Nie ma ju mo liwoêci niezale nej pracy w systemie SolidCAM Rys. 2. Symulacja przebiegu operacji toczenia przy zastosowaniu EdgeCAM Rys. 4. Obróbka w SolidCAM 2003 w pe ni zintegrowanym z SolidWorks [23] 34 ROK WYD. LXIV ZESZYT 6/2005

5 2003, gdy nie mo na wykonaç w nim projektu cz Êci, dla której chce si zaprojektowaç technologi na OSN. Program mo e dzia aç tylko w powiàzaniu z modelerem SolidWorks, z którym zosta nierozerwalnie zintegrowany [24]. Podsumowanie Omówione pokrótce tendencje zmian, które zasz y w ciàgu ostatnich kilku lat w przygotowaniu produkcji w systemach CAx wprowadzajà innà filozofi kszta towania umiej tnoêci projektowych i technologicznych absolwentów kierunków technicznych uczelni wy szych. Miejsce klasycznego zapisu konstrukcji realizowanego w systemie 2D zajmuje nabywanie umiej tnoêci komputerowego projektowania cz Êci maszyn w systemach modelujàcych bry- owo. Tradycyjnie prowadzone przedmioty technologiczne ust pujà miejsca nauce pos ugiwania si wspó czesnymi systemami komputerowego przygotowania produkcji i automatycznego generowania kodów na obrabiarki sterowane numerycznie. In ynier technolog staje si obecnie in ynierem komputerowo wspomaganego przygotowania produkcji cz Êci maszyn. LITERATURA 1. Chlebus E.: Techniki komputerowe CAx w in ynierii produkcji. WNT, Warszawa Drozd Z., Miecielica M., Grochowski A.: Projektowanie i wytwarzanie wyrobów w systemach CAx. Materia y IV Szko y komputerowego wspomagania projektowania, wytwarzania i eksploatacji, Jurata, maja 2000, s Tubielewicz K., Zaborski A.: Zastosowanie systemów CAD/ CAM do przygotowania produkcji. Materia y VI Szko y komputerowego wspomagania projektowania, wytwarzania i eksploatacji, Jurata maja 2002, ss Winkler T.: Komputerowy zapis konstrukcji. Seria Wspomaganie komputerowe CAD/CAM. WNT, Warszawa 1989, I-deas Unigraphics 7. åwik a K.: Projektowanie 2D i 3D wady i zalety. CAD CAM Forum nr 5/ Kazimierczak G.: Parametryzacja w Solid Edge. CAD Magazyn nr 6/ Jaskulski A.: Projektowanie wspó bie ne DesignWave. CAD CAM Forum nr 3/ Jaskulski A.: Mechanical Desktop w wirtualnym biurze projektów. CAD CAM Forum 3/ Jaskulski A.: Projektowanie wspó bie ne konstrukcji mechanicznych w wirtualnym zespole konstruktorów. Materia- y IV Szko y komputerowego wspomagania projektowania, wytwarzania i eksploatacji, Jurata, maj 2000, ss Jaskulski A.: Autodesk Inventor Series w wirtualnym zespole konstruktorów. CAD CAM Forum nr 6-7/ Knyziak P.: Jàdra modelowania przestrzennego. CAD CAM Forum nr 6/ Knyziak P.: Autodesk tworzy w asny kernel. CAD CAM Forum 1/ Kobylecki M.: CAM Raport. CAD Magazyn nr 2/ AlphaCAM MasterCAM Augustyn K.: EdgeCAM i korpusy. CAD Magazyn 2/2002 i 3/ Augustyn K.: EdgeCAM Komputerowe wspomaganie wytwarzania. Wyd. Helion, Gliwice EdgeCAM Augustyn K.: EdgeCAM for Solid. CAD CAM Forum nr 2/ Augustyn K.: EdgeCAM dla Mechanical Desktop. CAD CAM Forum nr 4/ SolidCAM Augustyn K.: Toczenie bry w EdgeCAM-ie. CAD CAM Forum nr 12/ Kowalski D.: Zintegrowane Êrodowisko CAD/CAM. Mechanik nr 4/2004. ROK WYD. LXIV ZESZYT 6/