CAD systémy v procesu projektování výrob a jejich implementace v procesu vzdělávání

Tags: Digital manufacturing

Časy dávno minulé

Dříve narození si pamatují na časy, kdy se dispozice pracoviště začínala výběrem typizované haly s určitým rozpětím nosníků střešní a obvodové konstrukce. Po schválení rozhodnutí se pro daný objekt, pod jehož střechou se bude technologie nacházet, ze skladu vzal svitek milimetrového papíru a začala se kreslit půdorysná dispozice zakládání a konstrukce stavby. Pak už jednotlivé profese zakreslily rozvody vody, elektriky, stlačeného vzduchu, specifických médií potřebných k výrobě apod. Následně se dostali ke slovu odborníci na výrobní techniku. Většinou se nakreslily půdorysné pohledy strojů a začala se hra, kde co osadit, kde bude třeba zajistit speciální základ pod stroj atd. Nejzajímavějším momentem byla samostatná instalace zařízení a následná kolaudace. Přestože samostatné projekty stvrzoval i bezpečnostní a požární technik, po definitivní instalaci technologie, právě tyto dvě profese měly nejvíce výhrad. Stroje se dodatečně přesouvaly a došlo k návrhům a k schvalování výjimek. Došlo ke gumování podkladových výkresů, škrábání pauzáků, resp. následnému pauzování a rozmnožování dokumentace na Ozalit (rozmnožování na speciální papír fotocestou z pauzovacího papíru). Prostě projektu chyběl třetí rozměr a virtuální procházka po závodu.

Obr. 1 Příklad haly a montáž technologie v systému Pro/Engineer (student Stanislav Sepeši)

Časy nedávno minulé

Velkou úlevu tomu všemu přineslo využití 2D CAD systémů v této fázi návrhu technologií a hal, které je ukrývají. Průkopníkem byl v tomto směru AutoCAD, který se hromadně začal ucházet o naši přízeň v rámci projektu 2000 pracovišť AIP (Automatizace inženýrských prací) na přelomu 80. a 90. let minulého století. V živé paměti máme využívání geniální myšlenky rozdělení vrstev pro jednotlivé profese. A samozřejmě s nimi spojenou možností vizualizace a skrývání výtvorů jednotlivých profesí v jednotlivých vrstvách. To, co zajímalo vodárny, nemuselo zajímat plynaře, resp. technologa, atd. Případné změny se řešily přes příkazy Move, Copy, Array, případně, pokud bylo třeba stroj otočit, použilo se Rotate. Skončilo dlouhé překreslování, škrábání pauzáků atd. Plotry byly pérové, a tak zde ještě zůstala možnost rozhodnutí plotrování samých originálů, nebo plotrování na pauzovací papír a následné rozmnožování na již zmiňovaný Ozalit.

Obr. 2 Hala a provoz vytvořené v systému CATIA (student Milan Strojný)

Současnost

Současné možnosti výpočetní techniky a možnosti velkých CA.. systémů nám umožňují zcela nové přístupy k dané problematice. Začíná se uplatňovat přístup „Real life like Experience". Výkon výpočetní techniky nám umožňuje vytvářet reálné prostředí provozů, simulování manipulace s materiálem, osvětlení pracovišť, ergonomii při obsluze jednotlivých strojů atd., atd. Schválně jsme si dovolili dát až dvě a tak dále. Velké CA.. systémy nabízejí tolik možností, že je snad ani nejsme všechny schopni využít. Proto se tyto systémy dají zakoupit modulárně, abychom si koupili jen to, co využijeme, a tak zbytečně nepřepláceli investice do softwaru. Třešničkou na dortu je tzv. virtuální procházka po závodu a různé prostorové analýzy, které nám software nabízí.

Řešení dispozice pracoviště je komplexní problematika, v níž se spojují poznatky z různých vědních oborů od matematiky, statiky, deskriptivy, ekonomiky, řízení výroby až po ergonomii. Cílem je najít co nejlepší řešení pro obsluhu konkrétního pracoviště, řešení toku výroby, mezioperační dopravu a manipulaci s materiálem a mnohé další specifické požadavky, jako osvětlení, barevné a bezpečnostní řešení pracoviště. Toto vše je problematika, které se třeba naučit a naplno ji využít.

Vzhledem k tomu, že na naší univerzitě máme podmínky pro výuku plánování výroby s pomocí CA.. systémů, snažíme se studenty motivovat k co největšímu využití těchto přístupů při řešení konkrétních zadání, resp. bakalářských či diplomových prací. Ale tomu všemu musí předcházet postupná příprava a seznámení se s možnostmi toho kterého CA.. systému. Samozřejmě kromě využití softwaru musí být studenti seznámeni také s teorií spojenou s navrhováním výrobních procesů, dostupných výrobních technologií, mezioperační dopravou, ergonomií a základními normami spojenými s takovými provozovnami.

Obr. 3 Příklad haly vytvořené v systému SolidWorks (student Peter Švantner)

Řešení dispozice pracoviště a výuka

Protože prvním krokem, ať už při koncepci digitální továrny, nebo při snaze řešit některý z dílčích úkolů projektování s využitím CAD systémů, je vytvoření 3D, resp. 2D modelu daného provozu, začíná práce studentů právě tady. Vzhledem k pokračujícímu a rostoucímu trendu aplikování 3D modelování i v této oblasti studenti mají za úkol vytvořit 3D model výrobní, resp. montážní haly včetně strojů, dopravníků a ostatního technického vybavení. Při výběru modelovaného provozu je ponechána studentům svobodná vůle, a tak dostává prostor jejich kreativita, zkušenosti a dosud nabyté znalosti. Důraz je kladen na samostatnou práci, kde učitel vystupuje v roli mentora a rádce, pokud narazí student na nějaký problém. Vzhledem k tomu, že studenti mají během studia možnost volby různých volitelných předmětů, přicházejí se znalostmi různých CAD systémů. Protože prioritou je, aby budoucí strojní inženýr ovládal minimálně jeden CAD systém na velmi dobré úrovni, nejsou studentům kladeny žádné překážky, co se týče volby CAD systému, ve kterém budou pracovat. Nejčastěji studenti používají následující CAD systémy: CATIA, Pro/Engineer, SolidWorks a Autodesk Inventor. Samozřejmě studenti preferují používání toho CAD systému, který ovládají nejlépe, ale najdou se i takoví, kteří považují vytvoření CAD modelu provozu za příležitost k naučení se práci s jiným CAD systémem. Vytváření modelů výrobní, dopravní a obslužné techniky je časově náročné, a tak studenti dostávají k dispozici modely vytvořené v rámci bakalářských a diplomových prací, resp. studenty v předchozích letech. Ale i předchozí modely byly tvořeny studenty v různých CAD systémech, a proto se zde studenti setkávají s problémem transferu dat mezi různými CAD systémy a také s transferem mezi staršími a novějšími verzemi téhož CAD systému. V praxi je možno se setkat zcela běžně s tímto problémem a studenti si tak na vlastní kůži vyzkouší přenos dat, přičemž zjistí, že ne vždy je tento přenos bezproblémový a jednoduchý, navzdory existenci univerzálních výměnných datových formátů určených pro přenos 3D modelů, jako jsou STEP a IGES. Studenti sami zjistí, že není vždy úplně jedno, který formát zvolí pro import modelu, a také se naučí, jak je možné postupovat při řešení problémů spojených s importem dat. Praktické zkušenosti ukazují, že tato látka je pro většinu studentů nová, protože i když se učili pracovat v tom kterém CAD systému, nevěnovali se této problematice vůbec nebo jen velmi okrajově. Druhá praktická zkušenost ukazuje, že studenti nejsou dostatečně obeznámeni s existujícími databázemi, kde lze získat 3D modely vybraných druhů zařízení. Příkladem mohou být stránky výrobců robotů, jako jsou např. KUKA, ABB a Staubli, které nabízejí možnost stáhnout si 3D model vybraného robota v různých CAD formátech. Také některé komponenty lze nalézt v různých databázích na internetu, takže studenti se naučí efektivněji využívat dostupné informační zdroje za účelem vytvoření CAD modelu provozu. V případě, že se student rozhodne vytvořit si vlastní model stroje, protože nikde neexistuje, je obeznámen s omezeními a možnými problémy. Nejčastějším problémem je nedostupnost přesných rozměrů, vychází se tedy z běžně dostupných materiálů, kde jsou obvykle různé pohledy na stroj (zepředu, zboku, shora) s obrysy a základními rozměry. Model vytvořený na základě těchto údajů je schematický, ale je postačující a vhodný pro řešení projekčních typů úloh. Studenti si takto odzkouší časovou náročnost tvorby CAD modelu a snahou je naučit je kriticky přemýšlet a zvážit, zda přínosy vytvořeného modelu převáží schematičnost a časovou náročnost tvorby modelu. Např. při tvorbě CAD modelu provozu pouze za účelem vizualizace není nutno detailně se držet všech obrysů stroje, ale obvykle stačí základní tvar (aby byl stroj snadno identifikovatelný a odlišitelný od jiných strojů), nebo například při řešení hrubé dispozice je možné stroj substituovat kvádrem, jehož rozměry odpovídají maximálním rozměrům stroje, případně s vyznačením obslužné zóny stroje apod. Jiná situace je, když je v plánu vytvoření Digitální továrny, včetně simulace obrábění, resp. montáže, obslužných operací apod. Tehdy je kladen důraz jak na přesnost modelu, tak na korektnost kinematických vazeb, a v případě neexistence takového modelu je třeba komunikovat přímo s výrobcem příslušné techniky za účelem získání dostatečně přesného modelu. Pokud je stroj fyzicky dostupný, existuje i možnost vytvořit si model pomocí reverzního inženýrství. Studenti jsou takto obeznámeni se širokým spektrem metodik a technik pro tvorbu modelů a také s problémy s tím spojenými, aby byli schopni posoudit, co je pro daný účel nejvhodnější. Konkrétně vytvořit jednodušší 2D dispozice nebo přikročit k vytvoření 3D modelu provozu.

Obr. 4 Příklad haly a výrobních strojů vytvořených v systému SolidWorks (student Tomáš Wilk)

Na obrázcích 1 až 4 jsou znázorněny některé z modelů vytvořené studenty v různých CAD systémech. Uvedené modely jsou zjednodušené, zejména co se týče modelů výrobní techniky, ale dostačují k řešení velkého počtu úkolů spojených s projektováním výrob, případně pro analýzu virtuální procházkou po výrobě.

Závěr

V současnosti je ovládání CAD systému na úrovni 3D modelování nezbytnou „výbavou" strojního inženýra. Kromě schopnosti modelovat produkty roste význam 3D modelování produkčních systémů, kde budou tyto produkty vyráběny. Je to spojeno s aktuálními trendy v této oblasti (Digital manufacturing). Cílem je ukázat a naučit studenty, s jakými problémy se mohou setkat již v úvodních fázích návrhu a také předvést možnosti, jak tyto problémy řešit. Věříme, že takto připravení studenti budou větším přínosem pro praxi už bez ohledu na to, zda se budou zabývat samotným projektováním, nebo jinou činností jakkoli spojenou s používáním CAD systémů.

Literatura

[1] Fedorko, G., Molnár, V.: CATIA – základy projektovania. Košice: TU, 2006. 105 s. ISBN 80-8073-648-0

[2] Fabianová, J. – Janeková, J.: Implementácia PLM systémov, jej prínosy a riziká. In: Transfer inovácií: Špecializovaná publikácia / vedecko-technické výstupy grantových úloh. Košice: TU-SjF, 2006, s. 80–82. Internet: ISBN 80-8073-701-0

[3] Stanová, E. (2001): Axonometrické zobrazovanie. In: Základy strojného inžinierstva. Košice: TU, 2001, s. 25–30. ISBN 80-7099-661-7

[4] Svetlík, J. – Daneshjo, N.: Dizajn neštandardných robotických mechanizmov, Strojárstvo, 2009, ISSN 1335-2938. – Roč. 13, č. 6, s. 76/6–77/7