CONCEPTIA CONSTRUCTIVA ASISTATA DE CALCULATOR

CONCEPTIA CONSTRUCTIVA     ASISTATA DE CALCULATOR

Consideratii generale

Facilitatea CIM aferenta conceptiei constructive a produsului se numeste CAD (Computer Aided Design, proiectare constructiva asistata de calculator).

De fapt, litera D din prescurtarea CAD semnifica in limba engleza atat draft cat si design. In contextul primei semnificatii CAD inseamna desenare asistata de calculator. In contextul celei de a doua semnificatii CAD inseamna proiectare asistata de calculator. Intelesul din urma este cel corect, intrucat activitatea de proiectare include printre altele si activitati de desenare (Fig. 6.1).

Conceptia unui produs se desfasoara in mai multe faze.

In prima faza se urmareste definirea produsului. Ea se efectueaza dupa cerintele si conditiile pietii careia ii este destinat produsul. Pe baza acestor cerinte si conditii se definesc functiile produsului, solutiile de principiu si se formuleaza tema de proiectare.

In faza urmatoare se trece la reprezentarea viitorului produs prin scheme simplificate, care se elaboreaza sub forma de schite, scheme cinematice, pneumatice, hidraulice, electrice, electronice si pe baza de calcule se fac aprecieri legate de principalele componente de care depind caracteristicile functionale de realizat.

In continuare se fac calculele de sinteza, se elaboreaza desenul de ansamblu si desenele subansamblelor necesare. Tot in aceasta faza se fac calculele de alegere ale componentelor care trebuie sa fie cumparate, se stabilesc materialele necesare, se efectueaza calculele de rezistenta si de durabilitate ale celor mai solicitate piese.

Urmeaza elaborarea desenelor de executie ale tuturor pieselor de executat, efectuand in paralel si calculele necesare inchiderii lanturilor de dimensiuni.

In final se intocmeste caietul de sarcini

pentru executia produsului si documentatia necesara vanzarii (dosarul de omologare, cartea tehnica, prospecte, etc.).

Toate aceste activitati sunt considerabil usurate prin utilizarea calculatoarelor si a programelor de specialitate 'prietenesti' cu utilizatorii, care se intrebuinteaza interactiv, in regim conversational cu proiectantii operatori.

Conceptia constructiva are ca rezultat elaborarea modelului produsului. Acest model sta la baza activitatilor de executie si de vanzare a produsului. Datele elaborate in cadrul facilitatii CAD trebuie sa fie integrate in fluxul informational al hipersistemului CIM.

In consecinta, facilitatea CAD indeplineste trei functii (Fig. 6.2):

prima functie vizeaza elaborarea modelului de produs, ca rezultat al activitatii de conceptie constructiva;

a doua functie reprezinta desenarea asistata de calculator;

cea de a treia functie se refera la integrarea totalitatii datelor despre produs in fluxul informational al hipersistemului CIM.

CAD, ca sistem de desenare

Unele tehnici de desenare pe ecranul calculatorului au fost descrise la 4.5.

Sistemul CAD contine deasemenea programe de desenare parametrica si programe de arhivare a desenelor.

Programele de desenare parametrica sunt programe interactive, care permit executarea rapida a unor desene in mai multe variante si operarea usoara a eventualelor modificari privind forma si dimensiunile acestora. Programele de desenare parametrica se bazeaza pe faptul, ca orice desen 2D este marginit prin contururi poligonale cu laturi rectilinii sau curbilinii exterioare si interioare.

Alte programe de desenare parametrica utilizeaza un caroiaj suport alcatuit din linii initial echidistante, care se intretaie dupa unghiuri de 90⁰. Conturul unui desen se traseaza cu laturile rectilinii suprapuse cu unele segmente ale caroiajului suport. Pentru modificarea desenului, operatorul redefineste dimensiunile prin comenzi exprimate parametric in functie de pasul 'p' al caroiajului (Fig.6.3). Alteori se modifica chiar pasul 'p'.

Fig. 6.3 Doua desene diferite (a) si (b) intocmite cu un program de desenare parametric cu caroiaj

In alte programe de desenare parametrica dimensiunile conturului se exprima prin simboale algebrice si relatii intre ele. Desenului astfel executat si cotat i se asociaza o baza de date, care contine atatea inregistrari la cate obiecte se refera desenul si atatea atribute cate dimensiuni se cer indicate.

Fig. 6.4 Doua desene (a) si (b) facute cu program de desenare parametrica pe baza de simboale algebrice

Dimensiunile conturului pe ecranul calculatorului pot fi modificate prin asa numitele in sheet comands (comenzi pe foaie), care se introduc de catre operator prin precizarea parametrilor, de exemplu in forma 'LET a₁ = 13; b₁ = 13' (Fig. 6.4).

Programele amintite mai sus pastreaza numarul si forma geometrica a laturilor conturului (linii drepte sau arce de curba), permitand sa fie modificate numai lungimile lor. Alte programe impun mentinerea numarului de laturi, dar permit ca odata cu dimensiuni sa fie modificata si forma geometrica a acestora. Se poate de exemplu modifica un segment de dreapta in arc de cerc (Fig. 6.5). Asemenea programe se numesc 'figura de cauciuc'.

Exista deasemenea programe de desenare parametrica, care modifica atat dimensiunile cat si numarul, respectiv, geometria laturilor conturului (Fig. 6.6).

Programele de arhivare a desenelor permit o pastrare ordonata si regasirea rapida a acestora de fiecare data cand este nevoie. Statisticile arata ca intr-o intreprindere de marime mijlocie, din totalitatea produselor fabricate, doar 20% din piese sunt nou proiectate, 40% din piese sunt standardizate iar 40% reprezinta piese asemanatoare cu cele proiectate anterior in intreprindere. Programele de arhivare asigura pastrarea tuturor desenelor in memoria calculatoarelor, intr-una sau in mai multe baze de date, regasirea si afisarea pe ecran a oricarui desen existent, spre a fi reutilizata sau modificata, folosind de exemplu tehnici de parametrica.

Programele de arhivare asigura totodata si protectia desenelor, permitand ca modificarea unui desen sa fie facuta numai de catre persoana avizata. Pentru a opera modificarea, proiectantul respectiv trebuie sa se legitimeze cu parola personala (pasword). Prin calculator proiectantul poate instiinta despre introducerea modificarilor in desene, simultan pe toti utilizatorii acestora.

Programele de desenare parametrica si programele de arhivare conduc in cadrul facilitatii CAD la cresterea semnificativa a productivitatii muncii de desenare, asigura gospodarirea transparenta si o difuzare rapida la toti utilizatorii acestor documente.

CAD, ca sistem de elaborare a modelului produsului

Se intelege prin model al produsului totalitatea informatiilor cu privire la produsul respectiv. Aceste informatii se refera la cerintele rezultate din studiul pietii, functii, forme si structuri de materiale, calitati de suprafata, calcule de rezistenta, deformatii, rigiditate, caracteristici cinematice, cinetostatice, dinamice, termice, hidraulice, electrice, electronice, de automatica, informatica, etc., cele privind functionarea produsului, tehnologii de executie si asamblare, performante, calculatii de cost, prospecte, statistici privind vanzarea, servicii dupa vanzare.

Informatiile se regasesc sub forma de imagini, desene, baze de date, tabele, grafice, texte. Ele sunt distribuite in mai multe locuri: in mintea unor participanti in procesul de productie, consemnate pe materiale purtatoare de informatii (spre exemplu hartie) si in memoria calculatoarelor. In conditiile hipersistemului CIM, modelul produsului este localizat in memoria calculatoarelor si in mintea uneori operatori umani.

Modelul produsului este o entitate dinamica, el schimbandu-se in timp in conformitate cu evolutia cerintelor. Aceste schimbari sunt initiate de operatorii umani, care in conditiile facilitatii CAD interactioneaza cu calculatoarele, pentru realizarea modificarilor necesare ale modelului, modificari care devin accesibile in timp real tuturor utilizatorilor.

Din cele de mai sus rezulta, ca modelul produsului contine rezultatul fazei de proiectare constructiva. In cadrul acestei faze, se utilizeaza atat metode de modelare geometrica 3D a obiectelor din componenta produsului, cu extragerea automata a desenelor 2D, cat si executia desenelor in mai multe variante cu ajutorul unor programe de desenare parametrica.

Calculele de verificare privind functionarea produsului se executa folosind facilitatea CAE. In cadrul ei un rol important il joaca modelarea pe calculator a diferitelor procese, utilizand in special programe de calcul de element finit si element de frontiera. Prin utilizarea eficienta a modelarii geometrice si de proces se poate elimina in mare masura executarea unor prototipuri si testarea acestora.

Modelul produsului contine si informatii cu privire la procesul tehnologic de fabricatie a produsului. In conditiile hipersistemelor CIM, conceptia constructiva se realizeaza simultan cu conceptia tehnologiei de fabricatie (specifice facilitatii CAPP). Aceasta unitate a conceptiei constructive si tehnologice se numeste inginerie simultana (concurenta, sau convergenta)

In cazul in care nu se poate ocoli executia fizica a prototipului produsului, o reducere importanta a duratei acestei executii se obtine prin rapid prototyping (RP, executie rapida a prototipurilor). Centrul RP din componenta facilitatii CAD contine programe de modelare solida 3D si masini de 'crescut piese'. Operatorul uman modeleaza pe ecranul calculatorului in 3D piesa prototip si comanda executarea unor sectiuni plan - paralele sau cilindric - concentrice echidistante in model. Aceste sectiuni sunt materializate de masinile "de crescut piese', suprapuse si solidarizate (de obicei prin lipire). Suprafetele piesei prototip astfel realizate sufera apoi o prelucrare de netezire.

Unele masini "de crescut piese" utilizeaza ca material hartia. Un dispozitiv cu cap laser, miscat pe doua directii perpendiculare (x si y), decupeaza dintr-o foaie de hartie adecvata conturul corespunzator unei sectiuni a modelului 3D; operatiunea se repeta si foile decupate se suprapun in straturi paralele sau se infasoara in straturi concentrice pe un cilindru.

Alte masini "de crescut piese" depun straturi de poliamida dupa un contur care reproduce geometria sectiunilor extrase din modelul 3D. Straturile succesive, se lipesc cu ajutorul unor adezivi.

Calculatiile de cost se efectueaza cu programele specifice facilitatii CAPP.

Prospectele si documentatiile privind vanzarea si serviciile dupa vanzare contin texte, desene, reprezentari in spatiul 3D, tabele, etc., care se elaboreaza cu ajutorul metodelor descrise mai sus.

Programe specifice facilitatii CAD si administrarea lor

Sistemul software al facilitatii CAD contine o multime de programe, precum si legaturile necesare intre aceste programe. In mod obisnuit, sistemul programelor CAD se imparte in trei subsisteme (Fig. 6.7).

In subsistemul de baza A sunt continute datele alfanumerice (litere, cuvinte, cifre), geometrice aferente spatiilor 2D si 3D, grafica, programele care realizeaza legatura intre datele consemnate, limbajele si programele de compilare, programele de desenare parametrica pentru piesele normalizate si standardizate.

In subsistemul B sunt continute programele generale, specifice domeniului de activitate al intreprinderii (de exemplu fabricatia de vagoane). Aici se gasesc desenele pieselor specifice domeniului in cauza, programele de desenare parametrica generale, baze de date si programe de calcul specifice domeniului de activitate.

Subsistemul C este destinat programelor specializate pe activitatile de conceptie concrete ale intreprinderii.

Subsistemele A si B impreuna reprezinta 40% din totalul programelor unui sistem CAD, iar subsistemul C reprezinta 60%.

Subsistemele A si B se cumpara din comert. Programele din categoria C nu pot fi in general achizitionate din comert, ci trebuie sa fie elaborate de catre personalul propriu, sau trebuie sa fie comandate de la firme care se ocupa de intocmirea programelor.

Administrarea programelor si a informatiilor CAD inseamna ordonarea si evidenta lor stricta. Programele si informatiile existente in cadrul sistemului CAD sunt ordonate si clasificate pe baza unor grafuri arborescente. Sistemul contine si programele de regasire a diferitelor informatii. In acest context, un rol important il joaca tehnologia de grup, care realizeaza o ordonare a pieselor si a tehnologiilor de fabricatie proiectate. Administrarea informatiilor dupa modelul tehnologiei de grup este deosebit de facila. Acest model sta la baza clasificarii, structurarii, memorarii si regasirii datelor in sistemul informational al facilitatilor CAD si CAPP.

O alta problema importanta a administrarii programelor CAD este stabilirea modului cum se rezolva inlocuirea si modificarea informatiilor. Trebuie sa existe o ierarhie stricta a persoanelor indreptatite sa faca modificari si inlocuiri. Spre deosebire de informatiile stocate pe cale conventionala, datele intr-un sistem CAD sunt accesibile tuturor utilizatorilor. Sistemul CAD elimina pierderea timpului consumat cu cautarea unui desen de executie, asa cum s-a procedat in cazul arhivei clasice. Desenul poate fi accesat de la oricare calculator legat in reteaua CAD si astfel, intr-un timp scurt se poate obtine orice informatie despre piesa solicitata.

Daca au fost operate modificari de date sau introduse date noi in documentatie, atunci informatia respectiva se aduce la cunostinta tuturor utilizatorilor in timp real.

In regimul de lucru clasic persoanele imputernicite sa efectueze modificari in documentatia de executie a pieselor au trebuit sa parcurga tot fluxul de proiectare constructiva, tehnologica si de executie pentru a opera o modificare. In conditiile facilitatii CAD, orice modificare apare in timp real pe ecranele calculatoarelor tuturor utilizatorilor interesati. Acest fapt constituie un mare avantaj, dar si un pericol, daca nu este pus la punct protejarea documentatiei impotriva modificarii datelor de catre persoane neavizate.

Dupa cum la sistemul clasic, operarea unei modificari in documentatia de executie trebuia sa fie contrasemnata, in sistemul CAD protejarea documentatiei se asigura prin parole (pasword), care impiedica introducerea modificarilor neavizate.

Integrarea modelului in sistemul informational al hipersistemului CIM

Arhitectura sistemului de comanda CIM permite realizarea integrarii modelului produsului in sistemul informational al sistemului CIM.

S-a aratat mai sus faptul ca proiectarea in conceptia CIM difera de metoda clasica, la care se proiecteaza mai inainte produsul din punct de vedere constructiv, si abia dupa acea se trece la elaborarea tehnologiei de fabricatie dupa desenele de executie. Aceasta metoda conduce inerent la o productivitate scazuta a muncii de proiectare si eventual la proiecte netehnologice.

In conceptia CIM, elaborarea proiectului constructiv si proiectarea tehnologica se realizeaza simultan. Informatiile prin care se definitiveaza geometria suprafetei unei piese sunt utilizate si la stabilirea profilului sculei cu care trebuie efectuata prelucrarea.

In Fig. 6.8 se prezinta circulatia informatiei in hipersistemul CIM si modul cum intervine ea la realizarea productiei, folosind informatia elaborata in sistemul CAD.

Proiectarea constructiva si tehnologica se realizeaza in conformitate cu programul stabilit de conducerea productiei.

Pe baza desenelor 2D si a documentelor referitoare la procesul tehnologic se elaboreaza programe piesa NC, programe pentru roboti etc., deci programe de comanda pentru functionarea tuturor componentelor sistemului de fabricatie flexibila.

Conducerea productiei, prin intermediul informatiilor comunicate in acest sens, declanseaza programarea fabricatiei, deci esalonarea procesului de executie a produselor in timp si pe sortimente. Procesul de fabricatie se realizeaza pe baza programelor de comanda, in care se includ informatiile privind programarea fabricatiei.

Pe baza informatiilor continute in desenele 2D si in prevederile tehnologice sunt intocmite automat listele de materiale si de componente, care la randul lor sunt trimise tot

pe cale informationala fabricatiei, aprovizionarii, depozitului, sistemului de transport intern.

De la fabricatie, fluxurile de materiale si de informatii se transmit la controlul cantitativ (unde se constata cate produse sau fabricat), apoi informatiile se transmit la controlul financiar, la informatii financiare si in final sunt comunicate conducerii productiei si vanzarii.

Rezultatele controlului calitativ si informatiile obtinute de la serviciile dupa vanzare servesc ca si feedback pentru proiectarea constructiva si tehnologica. Daca se constata nereguli la controlul si testarea dupa fabricatie, sau de la serviciile dupa vanzare, informatiile respective se transmit prin reteaua informationala inapoi la conceptia constructiva si tehnologica, unde pe baza lor se hotareste, daca este cazul, corectarea desenelor, respectiv, a tehnologiilor vizate.

Fig. 6.8 Circulatia informatiei in cadrul hipersistemului CIM

Aprovizionarea este condusa la randul ei prin dispozitii, care provin de la conducerea productiei. Informatiile provenite de la aprovizionare sunt utilizate deasemenea la controlul financiar.

Fazele apartinatoare facilitatilor CAD, CAPP, CAE, MES si CAM au fost evidentiate in prin colorarea cu gri deschis a campurilor de activitate respective. Aceasta zona, impreuna cu conducerea productiei reprezinta elementul de pornire al oricarei activitati productive.

Incadrarea in fluxul informational CIM a datelor CAD, reliefeaza in buna masura caracterul unitar al activitatii productive integrate prin calculator pentru intregul hipersistem CIM. Se vede acum ca liniile din schema arhitecturala a hipersistemului CIM, reprezentate si in Fig. 5.1, corespund cu traseele pe care trebuie sa circule informatia.

Fluxul informatiilor CAD reprezinta si un sistem de reglare a productiei. Aceasta este exprimat prin denumirea englezeasca 'design loop' adica "circuitul (sau bucla) de proiectare" denumita si "bucla interna". "Bucla externa" de reglare este constituita din utilizarea informatiilor provenite din vanzari prin prestarea serviciilor de dupa vanzare.

Schema de circulatie a informatiilor in cadrul hipersistemului CIM din acest punct de vedere este reprezentata in Fig. 6.9.

Fig. 6.9 Schema de circulatie a informatiei in hipersistemul CIM prin buclele de reglare ale productiei

Pe baza activitatii de marketing se formuleaza cerintele si conditiile limita in legatura cu produsul. In cadrul activitatilor CAD, CAPP si CAM rezulta solutiile propuse pentru produs si fabricatia acestuia. Luand in considerare rezultatele testelor efectuate se face evaluarea produsului, iar o evaluare necorespunzatoare atrage necesitatea schimbarii unor solutii din proiect.

Circulatia informatiei privitoare la necesitatea schimbarii unor solutii initiale se realizeaza prin bucla de reglare interna (este de remarcat, ca aceasta bucla este similara cu cea prezentata in Fig. 3.5).

Pe baza informatiilor transmise prin bucla de reglare interna se propun solutii noi menite sa inlature inconvenientele, se realizeaza produsul modificat, se repeta testarea si evaluarea lui, iar daca aprecierile sunt multumitoare, produsul imbunatatit va fi trimis la vanzare.

Bucla externa de reglare se inchide prin vanzarea produsului, respectiv prin serviciile efectuate dupa vanzare. Informatiile ce se culeg despre natura si frecventa defectarilor unui produs, sunt "realimentate" la "cerinte si conditii" ca 'feedback', schimband astfel conditiile impuse si limitarile.

Daca in cadrul serviciilor dupa vanzare se ajunge la concluzia ca produsul respectiv nu se poate vinde in conditii avantajoase datorita defectarilor frecvente, aceste informatii ajung la marketing unde se concluzioneaza, ca este nevoie de modificarea produsului. Aceasta informatie reintra in circuit la cerinte si conditii.

Solutiile propuse pot fi modelate si testate fara sa fie fabricat fizic produsul, sau prototipul acestuia, iar informatiile despre testele efectuate pe model pot furniza date, care la randul lor sa conduca la schimbarea proiectului.

Arhitectura retelei de calculatoare a sistemului informational

care realizeaza integrarea in hipersistemul CIM a informatiilor CAD

Arhitectura retelei de calculatoare permite fluxul informational in hipersistemul CIM. La cea mai simpla arhitectura integrarea se realizeaza prin utilizator (Fig. 6.10).

Fig. 6.10 Arhitectura retelelor de calculatoare cu integrare prin utilizator

In acest caz utilizatorul poate accesa diferite facilitati CIM (CAD, CAPP, etc.), el poate introduce si scoate date in mod interactiv in / din toate facilitatile asistate de calculator pana la CA de ordin oarecare x. In acelasi timp, unele date pot fi transmise intre facilitatile respective si fara interventia operatorului uman, dar in pondere mai mica.

Transmiterea si schimbul de date pot fi realizate si cu ajutorul unor interfete si programe de conversie (Fig. 6.11).

Fig. 6.11 Integrarea informationala prin interfete si programe de conversie

Retelele de calculatoare A si B sunt in acest caz alocate unor facilitati CIM, sau faze ale procesului tehnologic de productie. Ele sunt prevazute cu porti (interfete) de iesire (PA₁ respectiv PB₁) si de intrare (PA₂ respectiv PB₂). Informatiile in forma de date intra si ies prin aceste porti in / din cele doua facilitati CIM, sau faze de activitati, care poseda la randul lor si baze de date proprii.

Integrarea informationala a hipersistemului CIM se realizeaza de cale mai multe ori prin intermediul bazelor da date.

Fazele la care se refera in Fig. 6.12, sunt faze din procesul de productie in sensul general (conceptie, marketing, fabricatie, control - testare, etc.).

Fig. 6.12 Arhitecturi cu baze de date distribuita (a), cu baze de date comuna (b) si cu baze de date mixta (c)

Daca fiecarei faze ii corespunde o baza de date, se spune ca baza de date este distribuita (Fig. 6.12-a). In acest caz fiecare faza lucreaza cu baza de date proprie, dar exista schimb de informatii si intre diferite faze.

Este posibil ca un grup de faze, sau in cazul extrem intregul hipersistem CIM, sa aiba o singura baza de date, numita baza de date comuna (Fig. 6.12-b). In acest caz schimbul de informatii intre faze se realizeaza prin baza de date comuna.

Arhitectura mixta este o solutie intermediara. La exemplul prezentat in Fig. 6.12-c, fazele 1 si 2 utilizeaza o baza de date comuna iar faza 3 are o baza de date separata. In acest caz intre fazele 1 si 3, respectiv intre fazele 2 si 3, trebuie sa existe legaturi.

O treapta de arhitectura superioara reprezinta situatia cand fiecarei faze sunt afectate retele de calculatoare locale de arie LAN.

Mai avansate sunt structurile de arhitectura MAP (Manufacturing Automation Protocol, protocol de automatizare a fabricatiei) si TOP (Technical Office Protocol, protocol pentru birouri tehnice).

Prin protocol se intelege totalitatea interfetelor si programelor care permit schimbul de informatii intre calculatoare, respectiv elementele retelelor informationale.

In cadrul sistemelor de fabricatie flexibila si mai ales in cadrul hipersistemului CIM se utilizeaza o mare varietate de automate programabile, calculatoare PC, statii de lucru, sisteme de comanda ale robotilor, sisteme CNC ale masinilor unelte, sisteme de comanda ale dispozitivelor, ale instalatiilor aducatoare si de evacuare, echipamente periferice. In cele mai multe cazuri aceste mijloace sunt cumparate de la furnizori diferiti. Protocolul de interfete si programe in arhitectura MAP realizeaza compatibilizarea componentelor sistemului informational.

TOP reprezinta totalitatea protocoalelor care asigura compatibilizarea calculatoarelor cu instalatiile informationale din compartimentele de proiectare si functionale (CAD, CAPP, CAM, CAE, MES, CAPS).

Avand in vedere cele prezentate in schema din Fig. 5.1 rezulta, ca facilitatea CAD trebuie sa aiba schimb informational cu facilitatile CAPP, CAE, CAPS, CAM, cu compartimentele functionale si in sfarsit - dar nu in ultimul rand - cu conducerea strategica (directiunea).