2.DOC

2. TECHNIKA KOMPUTEROWA W DZIALE KONSTRUK­CYJNYM

2.1. WPROWADZENIE

Konstrukcyjne opracowanie produktu jest pierwszym i istotnym ogniwem przy­gotowania produkcji.

Techniczne przygotowanie produkcji obejmuje dwie grupy zadań. Pierwsza grupa^ zadań to całokształt czynności związanych z opracowaniem konstrukcji wy­robu, druga to czynności związane z opracowaniem procesu technologicznego.

Zadaniem działów zajmujących się technicznym przygotowaniem produkcji jest rozwój i stałe ulepszanie konstrukcji produkowanych wyrobów, przygotowywanie ich dokumentacji konstrukcyjnej, rozwój ekonomicznych metod wytwarzania, opracowywanie dokumentacji technologicznej oraz wprowadzanie nowoczesnej organizacji procesu produkcyjnego, ściśle związanej z technologią wytwarzania.

Zakres i metody prac objętych technicznym przygotowaniem produkcji zależą od rodzaju produkcji, wielkości zakładu produkcyjnego, jego poziomu techniczno-organizacyjnego, tradycji i innych warunków oraz czynników wpływających na produkcję. Inny będzie zakres przygotowania technicznego w zakładzie wytwa­rzającym krótkie serie ciężkich maszyn różnego typu, a inny w zakładzie wytwa­rzającym długie serie wyrobów gabarytowo małych.

Zadaniem konstrukcyjnego przygotowania produkcji jest dokładne opisanie produkowanych wyrobów: określenie kształtu, wymiarów, materiału, tolerancji wykonawczych, warunków wykonania i montażu, funkcjonowania odbioru i eks­ploatacji w warunkach zapewniających ekonomiczność produkcji.

Wraz z rozwojem techniki komputerowej coraz więcej zadań w ramach kon­strukcyjnego przygotowania produkcji wykonuje się za pomocą systemów CAD. Termin CAD jest skrótem od angielskich słów Computer Aided Design i oznacza kom­puterowe wspomaganie pro­jektowania konstrukcyjnego.

Zakres         wykorzystania

Rys. 2.1. Udział zastosowania systemów CAD w komputera w różnych przedsiębiorstwie czynnościach konstruktora jest bardzo różny. Obecnie system CAD jest najczęściej wykorzystywany do two-

17

rżenia rysunku technicznego i jego edycji (drukowanie, plotowanic itp.), a następ­nie do różnych obliczeń inżynierskich. Bardziej zaawansowane systemy CAD słu­żą również do modelowania konstrukcji oraz do symulacji ich zachowania.

Zapotrzebowanie na kom­puteryzację stanowisk kon­strukcyjnych jest coraz więk­sze. Podczas gdy jeszcze na początku lat dziewięćdziesią­tych, ze względu na koszty komputerowych stacji robo­czych, tylko duże firmy mogły sobie pozwolić na stanowiska komputerowe dla konstrukto­rów, obecnie dzięki szybkiemu rozwojowi komputerów klasy PC również średnie i małe firmy sięgają po rozwiązania oparte na komputerach klasy PC lub nawet stacjach roboczych (rys. 2.1).

Rozpowszechnianie się techniki komputerowej wynika z tego, że wzrasta wydaj­ność komputerów, a zarazem maleją ich koszty. Parametry komputerów PC osiągnęły wydajność i możliwości małych stacji roboczych, a sprzedaż komputerów klasy PC znacznie wzrosła w porównaniu z komputerami typu mainframe (rys. 2.2).

2.2. FUNKCJE DZIAŁU KONSTRUKCYJNEGO

Funkcje działu konstrukcyjnego zależą od rodzaju opracowywanych konstruk­cji, które można podzielić na trzy grupy:

•   nowe,

•   modernizowane,

•   wariantowe.

Pełny proces konstruowania obejmuje tylko konstrukcje nowe i składa się z trzech faz:

•   fazy koncepcyjnej,

•   fazy projektowania,

•   fnzy przygotowania dokumentacji.

Przygotowywanie konstrukcji modernizowanych składa się zasadniczo tylko z fazy projektowania i fazy opracowania dokumentacji. Faza koncepcji realizowana jest jedynie w ograniczonym zakresie. Konstrukcje wariantowe wymagają prze­prowadzenia tylko dwóch faz: fazy geometrycznego kształtowania wyrobu i fazy opracowania dokumentacji. Czynności wykonywane w poszczególnych fazach konstruowania oraz zastosowanie systemów CAD przedstawiono w tabeli 2.1.

18

Zastosowanie techniki komputerowej w fazie koncepcyjnej konstrukcji jest niewielkie. W czynnościach związanych z właściwym projektowaniem i przygo­towaniem dokumentacji konstrukcyjnej są stosowane zarówno systemy CAD 2D, jak i 3D. Niektóre czynności konstruowania są wspierane oprogramowaniem spe­cjalnym, tzw. oprogramowaniem zorientowanym problemowo.

Tabela 2. l. Zastosowanie systemów CAD w różnych fazach konstruowania

2D131) - systemy 2D13D

3D       -jyslcmy3D

X         - oprogiamowanlc zorlcnlownnc problemowo

2.3. TECHNIKA CAD

2.3.1. ARCHITEKTURA SYSTEMU CAD

System CAD składa się ze sprzętu komputerowego (ang. hardware) i oprogramowania (ang. software),

Na rysunku 2.3 pokazano strukturę systemu CAD.

19

Hardware to urządzenia, w których skład wchodzi komputer i urządzenia peryfe­ryjne. Software to oprogramowanie systemowe i użytkowe. Posługiwanie się tech­niką CAD jest efektywne jedynie wtedy, gdy konstruktor dysponuje odpowiednimi bazami danych.

Rys. 2.4. Architektura systemu CAD

W architekturze systemu CAD można wyróżnić trzy warstwy (rys. 2.4):

•   warstwa, w której są zapisane różnego rodzaju dane, np.: dane operacyj­ne, elementy geometryczne, elementy rysunkowe, standardy technolo­giczne oraz różne biblioteki;

•   warstwa, w której są zapisane funkcje systemu CAD, a mianowicie: funkcje służące do definiowania modelu (np. operacje Boola służące do tworzenia modeli bryłowych), funkcje manipulacyjne służące do wyko­nywania działań na modelu (np. przesuwania, kopiowania, modyfikowa­nia itp.), funkcje służące do generowania geometrii, funkcje użytkowe (np. do edycji rysunku na ekranie monitora lub na drukarce), funkcje słu­żące do zarządzania bazami danych oraz funkcje do tworzenia aplikacji;

•   trzecia warstwa to warstwa użytkownika, z poziomu której użytkownik systemu CAD porozumiewa się z dwoma pozostałymi warstwami syste­mu.

2.3.2. KOMPUTEROWE STANOWISKO PRACY KONSTRUKTORA

Konfiguracja komputerowego stanowiska dla konstruktora będzie zależała od jego funkcji i zadań, jakie ma on do wykonania.

Wyposażenie takiego stanowiska pokazuje rys. 2.5. Główną jednostką stanowi­ska jest komputer. Może to być komputer PC (Persona! Computer) odpowiednio wysoTcfej klasy, tzn. o pojemnej pamięci, dużej szybkości oraz dobrej grafice. Kon­kretne sprecyzowanie wymagań odnośnie do wielkości komputera i jego konfigu­racji będzie uzależnione od zainstalowanego oprogramowania oraz zadań, jakie będą wykonywane na stanowisku.

[Drukarka specjalna|

l Drukarka! Rys. 2.5, Komputerowe stanowisko pracy konstruktora

Innym rozwiązaniem jest instalacja stacji roboczej (workitation). Stacja robocza z reguły ma większe możliwości niż komputer PC, szczególnie w zakresie grafiki. Wymagania odnośnie do parametrów zarówno komputerów PC, jak i stacji robo­czych ciągle rosną ze względu na wzrastające wymagania oprogramowania.

Następne jednostki komputerowego stanowiska konstruktora to różnego rodzaju tzw. urządzenia peryferyjne, jak: digitizcr, ploter, drukarka, skaner itp. Digilizer jest stosowany w niektórych systemach CAD jako pomoc przy rysowaniu. Ploter i druknrkn służą do edycji rysunków, a skaner do przenoszenia rysunków i doku­mentów do systemu CAD.

W przypadku gdy dział konstrukcyjny jest wyposażony tylko w jedno stanowi­sko komputerowe, powinno ono być w miarę samodzielne, a więc wyposażone w peryferia zapewniające spełnienie wszystkicli funkcji działu konstrukcyjnego.

Gdy dział konstruktora jest wyposażony w większą liczbę stanowisk kompute­rowych, najkorzystniej jest połączyć stanowiska w sieć, wykorzystując do stero­wania większy komputer, pełniący funkcję serwera. Serwer powinien być jednost­ką silną (o dużej wydajności i pojemności), natomiast stanowiska komputerowe mogą być jednostkami słabszymi. Urządzenia peryferyjne, takie jak drukarka, plo­ter i inne mogą być wówczas wspólne dla całego działu.

Przykład połączenia w sieć kilku komputerowych stanowisk konstrukcyjnych svyposażonych w różnego typu oprogramowanie GAD i CAD/OAM oraz ich kon­figurację pokazuje rys. 2.6. Rozwiązanie takie funkcjonuje w Zakładzie Informaty­zacji Systemów Produkcyjnych Politechniki Poznańskiej.

Sieć komputerowa dla działu konstrukcyjnego może wykorzystywać np. serwer typu CPU (Central Processing Unit) pracujący najczęściej w systemie UN1X, któ­ry zapewnia większą niezawodność pracy i lepsze zabezpieczenie danych.

Rys. 2.6. Przykładowa struktura sieci dla stanowisk CAD

Innym rozwiązaniem może być system typu Klient- Serwer. W systemie tym komputerowe stanowisko konstrukcyjne pracuje w sieci i wykorzystuje zasoby

serwera. Do sterowania pracą komputera wykorzystywany jest system Windows. Zasadę pracy stanowiska komputerowego w systemie Klient - Serwer pokazano na rys. 277*Komputer klient może się kontaktować w pracy z wieloma oknami, lecz w rzeczywistości wielu klientów może się kontaktować tylko z jednym oknem. Sys­tem Windows zarządza, które okno jest nadrzędne (rodzic), a które podrzędne (dziecko). Na rysunku pokazano zasadę organizacji okien w systemie Windows. Zarządzaniem oknami zajmuje się program zwany Windows Manager, który sam jest programem typu Klient. Na rysunku 2.8 pokazano hierarchię okienek w syste­mie Windows.

2.4. ZASTOSOWANIE SYSTEMÓW CAD

2.4.1. ZAKRES ZASTOSOWANIA SYSTEMÓW CAD

Obecnie systemy CAD są wykorzystywane do wspomagania licznych czynno­ści konstruktora we wszystkich fazach projektowania konstrukcyjnego. Stopień ich zastosowaniu jest jednak różny (rys. 2.9).

W fazie koncepcji stopień wykorzystywania systemu .CAD jest jeszcze ciągle bardzo niewielki i ogranicza się do tworzenia szkiców ideowych oraz modeli funk­cyjnych wyrobu. Również w projektowaniu wytwarzania (produkcji wyrobu) sys­temy CAD nie znajdują szerszego zastosowania.

W fazie właściwego projektowania stopień wykorzystania systemów CAD jest

już znacznie większy. Systemy CAD są najszerzej stosowane do tworzenia różnych schematów kon­strukcyjnych oraz rysunków ele­mentów maszyn, części i rysunków zestawieniowych. Znacznie rzadziej systemy CAD są stosowane w ta­kich czynnościach konstruktora, jak np. obliczanie tolerancji, optymali­zacja konstrukcji itp.

Jak widać na rys. 2.9, systemy CAD są w największym zakresie wykorzystywane w fazie tworzenia dokumentacji konstrukcyjnej. Rys. 2.10. Zakres wykorzystania systemów CAD Zakres wykorzystania systemów w przedsiębiorstwie CAD może być znacznie szerszy niż

tylko wspomaganie prac konstruktora. Sposób wykorzystania systemu CAD w przedsiębiorstwie pokazano na rys. 2.10.

System CAD może być wykorzystywany do:

•   kształtowania (modelowania geometrycznego) wyrobu,

•   informowania z wykorzystaniem katalogów, bibliotek i baz danych sys­temów CAD,

•   wykonywania obliczeń inżynierskich (obliczenia standardowe oraz meto­dą elementów skończonych),

•   przeprowadzania procedur optymalizacyjnych,

•   wykonywania różnego rodzaju ocen,

•   koordynowania prac projektowych.

2.4.2. MODELOWANIE GEOMETRYCZNE W SYSTEMIE CAD

Najprostszą formą modelowania geometrycznego w systemie CAD jest przed­stawienie obiektu jako modelu 20.

Model 2D jest modelem przedmiotu przedstawionego w dwóch osiach, a do­kładniej w dwóch rzutach na dwie płasz­czyzny wzajemnie do siebie prostopadle. Takie przedstawienie obiektu nie zawsze pozwala na pokazanie wszystkich jego elementów. W systemie CAD-2D zostają bowiem zapisane tylko widoczne krawę­dzie przedmiotu. Ten sam obiekt zapisa­ny jako model 3D pozwala na jego pełne geometryczne przedstawienie. Zapis mo­delu 3D wymaga jednak, obok zapisu danych geometrycznych, również zapisu danych organizacyjnych i technologicz­nych związanych z budową modelu. W zależności od wewnętrznego sposobu zapisu danych w systemie CAD zapisane są również algorytmy służące do przed­stawiania modelu (jego widoczności) oraz funkcje do manipulacji modelem (np. obrót obiektu, perspektywiczne przedstawienie obiektu, wykonanie przekroju itp.). Ten sam obiekt przedstawiony w systemach CAD 2D i 3 D pokazano na rys. 2.11. W systemach 3D zapis obiektu może być przedstawiony za pomocą modelu druto­wego, powierzchniowego lub bryłowego (objętościowego). Modele 2D i 3D zosta­ną przedstawione dokładniej w następnych rozdziałach.

W zależności od sposobu przedstawienia modelu ilość danych, które muszą być przetworzone, będzie różna. Wpływa to'na czas przetwarzania danych, co z kolei rzutuje na wydajność komputera. W odróżnieniu od modeli 2D modele 3D wyma­gają zatem znacznie pojemniejszej pamięci komputera. Na rysunku 2.12 pokazano liczbę elementów (punktów, linii, elementów geometrycznych powierzchniowych i objętościowych) niezbędnych do przedstawienia różnych obiektów w systemie CAD2D13D.

F - powierzchnia, KE - elementy konturowe, P - punkty, VE - elementy objętołclowe

Rys. 2.12. Liczba elementów geometrycznych koniecznych do przedstawienia obiektu w systemie CAD 2D i 3D

W systemach 3D zapis obiektu może być przedstawiony za pomocą modelu drutowego, powierzchniowego lub bryłowego (objętościowego). Modele 2D i 3D zostaną przedstawione dokładniej w następnych rozdziałach. W zależności od spo­sobu przedstawienia modelu ilość danych, które muszą być przetworzone, będzie różna. Wpływa to na czas przetwarzania danych, co z kolei rzutuje na wydajność komputera. W odróżnieniu od modeli 2D modele 3D wymagają zatem znacznie .pojemniejszej pamięci, komputera. Na rysunku 2.12 pokazano liczbę elementów (punktów, linii, elementów geometrycznych powierzchniowych i objętościowych) niezbędnych do przedstawienia różnych obiektów w systemie CAD 2D i 3D.

KOMPUTEROWA REPREZENTACJA OBIEKTU W SYSTEMIE 2D

Rysunek komputerowy przedmiotu składa się, podobnie jak rysunek wykonany ręcznie, z takich elementów, jak: punkty, linie, łuki, krzywe itp. Są to elementy geometryczne, w technice CAD zwane prymitywami. Podstawą do przedstawienia konturu obiektu w systemie CAD-2D są punkty. Punkty te definiują początek i koniec, a także punkty pośrednie elementów geometrycznych, takich jak linia, okrąg, łuk i tym podobne.

Na   rysunku   2.13    pokazano   hierarchiczną strukturę elementów geometrycznych  dla obiektu złożonego z linii, łuków i okręgu. Dla każdego punktu P„ są znane współrzędne x i y. Linie L„, są definiowane następnie za pomocą punktów (np. linia li jest zdefiniowana za pomocą punktów P| i P2).

Rys.   2.15.   Przedstawienie obiektu za pomocą modelu

• drutowego i jego interpreta- .                      . cje

MODELE POWIERZCHNIOWE

W modelu powierzchniowym obiekt jest utworzony z elementarnych po­wierzchni ograniczonych krawędziami. Do opisu powierzchni mają zastosowanie równania matematyczne. Model nie zawiera jednak informacji, z której strony po­wierzchni znajduje się element bryłowy. Powierzchnie takie nazywane są po­wierzchniami swobodnymi (w języku niemieckim Freiformfldche). Na rysunku 2.16 pokazano przykład modelu powierzchniowego powierzchni swobodnej.

U podstaw rozwoju modeli powierzchniowych 3D legio zapotrzebowanie na budowę modeli do projektowania karoserii samochodowych oraz płatów nośnych samolotów. Powierzchnie takie nie dają się opisać za pomocą podstawowych ele­mentów geometrycznych (powierzchnia, cylinder, kula itp.).W celu zdefiniowania powierzchni swobodnych stosuje się różne matematyczne metody służące do aproksymacji i interpolacji, takie jak powierzchnie Beziera i Coonsa.

28

MODELE BRYŁOWE (OBJĘTOŚCIOWE)

ModoJe objętościowe pozwalają na najbardziej dokładny opis obiektu. Obok bowiem geometrii przedmiotu zapisane są w modelu również informacje o bryłach. Istnieją dwa różne modele objętościowe:

•   model objętościowy ograniczony powierzchniami (D-REP = Boumlary Representation),

•   model objętościowy utworzony z pełnych brył (tzw. soi idów), zwany CSG od skrótu angielskich słów Constriicllve Solid Geometry.

Na rysunku 2.17 przedstawiono obiekt jako model B-Rep. Poszczególne powierzchnie w modelu B-Rep są w określony sposób zoriento­wane, co pozwala na utworzenie każdego obiektu, również obiektu o charakterze po­wierzchni swobodnej. W modelu B-Rep wystę­pują cztery rodzaje elementów geometrycznych. Są to elementy objętościowe, powierzchnie, krawędzie oraz punkty. W celu przedstawienia obiektu, np. sześcianu, muszą być wprowadzone związki pomiędzy poszczególnymi elementami.

Rysunek 2.18 przedstawia wewnętrzną strukturę modelu B-l<cp. Pokazany na rysunku sześcian składa się z sześciu powierzchni P l do P6, każda powierzchnia składa się z czterech krawędzi, przy czym łącznie występuje 12 krawędzi: K l do K12, każda powierzchnia jest ograniczona czterema punktami, a łączna liczba punktów wynosi 8 (Pl do P8). Model CSG jest utworzony przez połączenie podstawowych objętościowych elementów geometrycznych (rys. 2.19). Jako elementy geometryczne są wykorzystywane:

prostopadłościan, walce, kula, stożek i rura. Łącze­nie elementów geome­trycznych w obiekt jest zapisane w strukturze we­wnętrznej systemu łącznie z historią połączeń. Za pomocą modelu CSG nie można zapisać każdego obiektu, ponieważ geome­tria obiektu może być ograniczona jedynie do objętościowych elementów geometrycznych.

29

Do łączenia elementów geometrycznych stoso­wane są operacje Boola, takie jak dodawanie i odejmowanie. V-

Poszczególne modele 3D znacznie różnią się możliwościami zapisu oraz wydajnością w zakre­sie wykonywania różnych operacji oruz \vi/unli-zacji obiektu. Dotyczy to widoczności krawędzi, Rys. 2.19. Model CSG (Comtrttctl- przekrojów, cieniowania, analizy ruchu oraz ve Solids Geometry) przedstawiania złożonych wyrobów w formie

rozłożonej (Epxlosion). Ocena możliwości przed­stawiania obiektu przez poszczególne modele 3D w systemach CAD jest zawarta w tabel i 2.2.

Systemy CAD 2D i 3D nic są względem siebie konkurencyjne, a raczej uzupeł­niają się wzajemnie, ponieważ odmienny jest ich obszar zastosowań. Systemy 2D mają zastosowanie głównie do tworzenia dokumentacji konstrukcyjnej. Ich nie­wielkie wymagania sprzętowe oraz łatwa obsługa zapewniają dużą wydajność.

Modelowanie przedmiotów w systemie 3D jest bardzo pracochłonne, dlatego systemy te stosuje się najczęściej w tych przypadkach, gdy dane w nich utworzone są następnie wykorzystywane do celów symulacyjnych lub technologicznych (przygotowanie programów na obrabiarki sterowane numerycznie). Z zastosowa­niem dodatkowych modułów można w systemie 3D wykonywać również doku­mentację konstrukcyjną wyrobów.

Tabela 2.2. Możliwości przedstawienia obiektu za pomocą różnych modeli 3D

2.4.3. TWORZENIE INNYCH MODELI W SYSTEMIE CAD

OpFócz geometrycznych modeli obiektu, w systemie CAD mogą być tworzone również inne modele, np.: modele kinematyczne, modele mechaniczne, modele termiczne, modele materiałowe, modele technologiczne, modele funkcyjne itp.

•   modele kinematyczne służą do przedstawiania zachowania konstrukcji, np. robotów, dźwigów i innych urządzeń podczas ruchu,

•   modele mechaniczne umożliwiają przedstawienie np. stanu naprężeń w konstrukcji, a także zmiany tych naprężeń podczas działania obciążeń zewnętrznych. Do tego celu służą metody obliczania naprężeń metodą elementów skończonych (MES) lub metodą elementów brzegowych (MEB),

•   modele termiczne pozwalają m.in. na ocenę zachowania się materiału pod .      wpływem działania źródła ciepła lub nacisku, np. podczas podgrzewania materiału, jego kucia lub w czasie przepływu przez formę,

•   modele materiałowe umożliwiają tworzenie charakterystyk materiało­wych różnych materiałów ułatwiających ich właściwy wybór w czasie konstruowania,

•   modele technologiczne służą do przygotowania danych technologicz­nych, takich jak dane dotyczące pasowań, tolerancji, sposobu obróbki powierzchni w celu zaplanowania procesu technologicznego do produk­cji,

...