PROIECTARE ASISTATA DE CALCULATOR CURS 1 1.1. DEFINIREA CAD/CAM Apariţia şi dezvoltarea controlului numeric în anii 50, marchează începutul procesului de automatizare a maşinilor-unelte. Este un fapt recunoscut că introducerea comenzii numerice a însemnat debutul unui proces de inovare în activităţile de proiectare şi producţie a bunurilor. Astăzi există fabrici aproape complet automatizate care sunt capabile să manufactureze o însemnată varietate de produse. De la început, este necesar să se precizeze ce se înţelege prin întreprindere producătoare sau fabrică, avându-se în vedere volumul producţiei. Specialiştii clasifică procesele de manufacturare în trei categorii principale: producţia în flux continuu, producţia de masă şi producţia de serie. În prima categorie sunt incluse produsele care curg într-un flux continuu ca în industria petrolului, cimentului, oţelului şi a hârtiei. În a doua categorie intră produsele în unităţi discrete, realizate în număr foarte mare cu o productivitate maximă. În acest mod sunt fabricate bunuri ca automobile, televizoare, frigidere, aparate electronice etc. Producţia de masă a realizat beneficii enorme de pe urma mecanizării şi automatizării tehnologiilor de fabricare. În a treia categorie intră producţia unui număr mare de tipuri de bunuri diferite care necesită tehnologii diferite. Datorită numărului mare de tipuri de produse şi de comenzi pentru aceste produse, apar probleme complexe de planificare şi proiectare tehnologică. De aceea, în acest tip de producţie, automatizarea se limitează la nivelul componentelor individuale ale atelierelor de lucru şi este dificilă automatizarea completă a fabricilor. O privire de sinteză asupra lucrărilor publicate în ultimii 15 ani, arată că proiectarea şi fabricarea asistate de calculator sunt două domenii care s-au dezvoltat simultan, fiind tratate într-o viziune comună pe baza legăturilor naturale care există între activităţile de proiectare şi manufacturare. În literatura de specialitate, CAD/CAM este un acronim care înseamnă proiectare şi fabricare cu ajutorul calculatorului. Această tehnologie 1
Calculator Date Proces de fabricaţie a) Calculator Date Semnale de control Proces de fabricaţie b) Fig. 1.1. Monitorizarea şi controlul asistate de calculator a) monitorizarea asistată; b) controlul asistat novatoare care utilizează calculatoarele digitale pentru realizarea unor funcţii diverse de proiectare şi fabricare are tendinţa de integrare totală a acestor activităţi care, în mod tradiţional, au fost considerate ca fiind două funcţii distincte şi separate. În ansamblu, CAD/CAM dezvoltă tehnologia avansată a întreprinderii viitorului, asistată complet de calculator. Proiectarea asistată de calculator (în limba engleză, Computer-aided design CAD), poate fi definită ca o activitate de utilizare a unui sistem de calcul în proiectarea, modificarea, analiza şi optimizarea proiectării. Sistemul de calcul este format din echipamente şi programe care asigură funcţiile necesare în proiectare. Echipamentul destinat activităţilor de CAD este format dintr-un calculator, unul sau mai multe terminale grafice, tastatură şi alte periferice. Programele de CAD sunt aplicaţii destinate implementării graficii în cadrul unui sistem de calcul, la care se adaugă programele dedicate funcţiilor inginereşti care pot realiza analiza stării de tensiuni şi deformaţii ale unor elemente, analiza dinamică a mecanismelor, calculul transferului de căldură şi controlul numeric. Programele aplicative variază de la un utlizator la altul, în funcţie de tipul liniilor de producţie, de procesul de fabricaţie şi de specificul pieţei de desfacere. Fabricarea asistată de calculator (în limba engleză, Computer-aided manufacturing CAM), se defineşte ca utilizare unui sistem de calcul în activitatea de planificare, conducere şi control al operaţiilor unei fabrici, prin orice interfaţă directă sau indirectă dintre calculator şi resursele de producţie. Aşa cum rezultă din definiţie, aplicaţiile CAM se împart în două categorii principale: - monitorizare şi control; acestea sunt aplicaţii în care calculatorul este conectat direct la procesul de fabricare în scopul monitorizării şi controlului acestuia; 2
- susţinerea fabricaţiei; acestea sunt aplicaţii indirecte în care calculatorul este utilizat în sprijinirea operaţiilor de producţie, fără existenţa unei legături directe între calculator şi procesul de fabricare. Monitorizarea implică prezenţa unei interfeţe directe între calculator şi procesul de manufacturare, în scopul urmăririi operaţiilor şi echipamentelor şi a colectării de date. În acest caz, calculatorul nu este utilizat direct în controlul operaţiilor, activitate ce rămâne în sarcina operatorului uman care poate fi ghidat de informaţiile furnizate de calculator. Controlul asistat de calculator merge un pas mai departe decât monitorizarea, realizând nu numai observarea procesului, ci şi controlul acestuia, pe baza informaţiilor obţinute. Diferenţa dintre monitorizare şi control este ilustrată în figura 1.1. În cadrul activităţii de monitorizare, fluxul de date dintre proces şi calculator este unidirecţional. În cazul controlului are loc un schimb bidirecţional. Semnalele sunt transmise de la proces la calculator, la fel ca în cazul monitorizării. În plus, calculatorul emite semnale de comandă către procesul de fabricare, conform algoritmului de control. Suplimentar faţă de aceste funcţii, CAM include aplicaţii indirecte în care calculatorul are rol de suport pentru operaţiile de fabricare. În acest gen de aplicaţii, calculatorul nu este conectat direct la procesul de producţie, ci este utilizat off-line la îndeplinirea activităţilor de planificare, la generarea programelor, instrucţiunilor şi informaţiilor prin care resursele de producţie ale firmei pot fi gestionate mai eficient. Legătura dintre calculator şi proces este reprezentată simbolic în figura 1.2. Liniile întrerupte sugerează că acţiunea de comunicare şi legătura de control sunt conexiuni off-line care solicită, adesea, intervenţia operatorului uman. În continuare sunt date câteva exemple de activităţi cu rol de suport al fabricaţiei: - partea de control numeric programată de calculator; sunt pregătite programe de control pentru maşini-unelte automate; - proiectarea automată a procesului de fabricare; calculatorul elaborează fişa tehnologică a unui produs; Calculator Date Semnale de control Operaţii de producţie Fig. 1.2. Utilizarea calculatorului în activităţi de susţinere a fabricaţiei 3
- calculul automat al timpilor de lucru necesari operaţiilor de prelucrare; - programul de producţie; sistemul de calcul generează un program corespunzător pentru satisfacerea cerinţelor producţiei; - stabilirea consumului de materiale; calculatorul este utilizat în planificarea aprovizionării cu materiale, conform programului de producţie; - controlul atelierelor; în această aplicaţie sunt colectate datele de fabricaţie pentru a determina stadiul comenzilor pe ateliere. În toate aceste exemple, operatorul uman este solicitat de aplicaţie să furnizeze datele de intrare în programe, să interpreteze rezultatele şi să implementeze acţiunile necesare. 1.2. CONŢINUTUL CAD/CAM În practica inginerească tehnologia CAD/CAM este utilizată în diferite moduri de către diverse grupuri de specialişti. O primă categorie se ocupă de realizarea desenelor şi a documentaţiei aferente. A doua categorie utilizează instrumentele vizuale pentru realizarea efectelor de umbrire şi animaţie. A treia categorie execută activităţi de analiză pe modele geometrice, aşa cum este analiza cu elemente finite. A patra categorie elaborează tehnologia de fabricaţie şi programează maşinile cu comandă numerică. Evoluţia tehnologică arată că începuturile CAM sunt mult mai clar delimitate decât cele ale CAD. Dezvoltarea CAD s-a produs odată cu evoluţia graficii pe calculator şi a instrumentelor de desenare şi redactare asistate de calculator, cunoscute sub denumirea de CADD (din limba engleză "computer - aided drawing and drafting"). Sunt necesare câteva precizări cu privire la această terminologie. Grafica pe calculator se referă la utilizarea unui sistem de calcul la generarea reprezentărilor picturale, care acoperă o arie largă, de la simple diagrame şi histograme, la imagini complexe care simulează tablourile marilor maeştri. Desenarea şi redactarea asistată de calculator CADD utilizează sistemul de calcul la realizarea reprezentărilor bidimensionale ale obiectelor cu asocierea datelor dimensionale şi a altor informaţii de fabricare. Proiectarea asistată de calculator depăşeşte limitele CADD, introducând instrumentele de analiză alături de reprezentarea grafică. De exemplu, sistemul de suspensie al unui automobil poate fi proiectat utilizând 4
instrumentele CAD care permit testarea în condiţii specifice de drum. Efectul amortizării suspensiei poate fi pus în evidenţă cu ajutorul animaţiei, pentru diferite condiţii de deplasare. Astfel, proiectarea poate fi îmbunătăţită interactiv, pe baza acestor rezultate. Ca o consecinţă a cerinţelor de proiectare, programele CAD încorporează, de obicei, rutine complexe pentru analiza inginerească. Mai mult, instrumentele CAD nu se limitează la fabricarea produselor. De exemplu, un plan de arhitectură al unei clădiri poate fi considerat un rezultat al CADD, dacă nu este inclusă şi capacitatea de analiză. Dacă pachetul de proiectare include şi instrumente de analiză a soluţiilor, conform recomandărilor din standarde sau dacă are în vedere caracteristicile factorului uman şi altele, atunci funcţiile CAD sunt realizate. În mod evident, dezvoltarea calculatoarelor digitale, este cheia implementării CAD/CAM. Calculatoarele au fost utilizate în funcţii de control al fabricării în urmă cu aproape 40 de ani. De exemplu, un raport din 1973, arăta că diverse grupuri de aplicaţii ale calculatorului în control, includ: controlul traficului auto; testarea produselor şi controlul calităţii; controlul proceselor de turnare; echipamente de control numeric; cercetări de inginerie spaţială; cercetări neurologice şi biomedicale; controlul şi monitorizarea centralelor nucleare; monitorizarea transportului de marfă pe calea ferată; controlul fabricilor de beton; controlul cuptoarelor cu oxigen; controlul procesului de fabricare a nylon-ului; operaţiile de cracare în rafinăriile de petrol etc. Este evident că majoritatea acestor aplicaţii intră în categoria proceselor industriale. Orice formă de control necesită strângerea de informaţii de la procesul ce trebuie supravegheat. Aceste date sunt analizate pentru a decide dacă sunt necesare acţiuni de corecţie. Acolo unde există procese automatizate, este relativ uşor de introdus un calculator digital cu rol de a controla procesul şi chiar de a lua decizii. 1.3. SCURT ISTORIC AL DEZVOLTĂRII CAD/CAM Apariţia şi dezvoltarea proiectării şi fabricaţiei asistate de calculator îşi are originea în introducerea sistemelor automate de monitorizare şi control al proceselor de producţie. Din punct de vedere istoric, câteva evenimente remarcabile sunt citate de unii autori cu referire la apariţia primelor tehnologii automate. Astfel, se pretinde că, moara mecanică pentru făină, a cărei licenţă aparţinea lui Oliver Evans din Philadelphia în 1795, a fost prima fabrică automată din lume. Aceasta făcea parte din categoria 5
fabricilor cu producţie în flux continuu. În secolul 20, evoluţia automatizării producţiei, începând cu linia lui Ford, include o serie de etape importante. În 1909 apare linia de producţie a lui Ford, care a dovedit practic posibilitatea automatizării producţiei, pe baza conceptului de diviziune a muncii, şi a deschis calea către producţia de masă. În 1923 a fost introdus, la fabrica Morris Engine din Anglia, primul echipament de transfer, cu rol de indexare a pieselor de-a lungul liniei de fabricaţie care a dus la mecanizarea completă a producţiei blocului motor. În anul 1952 apar primele aplicaţii ale controlului numeric (NC). Operaţiile tehnologice sunt realizate prin control numeric, comenzile necesare fiind introduse cu ajutorul benzilor perforate. Primul robot UNIMATE, bazat pe principiile controlului numeric, a fost lansat în anul 1960. Între anii 1970-1972, în Japonia, se implementează controlul mai multor maşini-unelte cu ajutorul unui singur calculator. Acest pas deschide calea conceptului controlului numeric direct (DNC) şi al controlului numeric asistat de calculator (CNC). Anii '80 aparţin celulelor de fabricaţie. Determinarea familiilor de piese care pot fi prelucrate cu un subset de echipamente disponibile în atelierul de prelucrare se realizează prin aşa-numitele tehnologii de grup. În cadrul acestor tehnologii de grup, o celulă de control asistată de calculator poate dirija manipularea materialelor între maşini, cu ajutorul unui robot. Tot în anii '80, apar sistemele flexibile care se bazează pe ideea utilizării unui set de maşini pentru prelucrarea unei largi varietăţi de produse. Combinarea celulelor de prelucrare şi a sistemelor flexibile conduc spre posibilitatea fabricării integral asistate de calculator (CIM). Evoluţia sistemelor CAD/CAM şi utilizarea practică a acestora a cunoscut patru etape majore corespunzătoare perioadei 1950-1990. Prima etapă, derulată în anii 1950, este caracterizată de conceperea graficii interactive. Primii paşi au fost îngreunaţi de calculatoarele existente, care nu erau adecvate pentru utilizarea interactivă. În a doua jumătate a anilor '50 a fost realizat creionul optic (în limba engleză, light pen). Decada anilor 1960 reprezintă perioada cea mai critică în dezvoltarea graficii interactive. Apariţia sistemului SKETCHPAD, elaborat de Ivan Sutherland la Massachusetts Institute of Technology (MIT) în 1962-1963, este evenimentul istoric ce a marcat începuturile CAD. Până atunci calculatoarele erau utilizate pentru calcule analitice, în inginerie. Ceea ce a adus nou SKETCHPAD a fost interactivitatea dintre operator şi calculator, în mod grafic, prin intermediul ecranului şi al creionului optic (display screen şi light pen). Prima versiune de SKETCHPAD a lui Sutherland se 6
Fig. 1.3. Reprezentarea în perspectivă şi în trei proiecţii a unui scaun limita numai la desenarea în două dimensiuni. O versiune ulterioară permitea modelarea obiectelor în trei dimensi-uni, ceea ce făcea posibilă obţinerea celor trei proiecţii (fig. 1.3). În anul 1964, firma General Motors anunţă sistemul DAC 1 (din engleză, design augmented by computers), iar în 1965 Bell Telephone realizează produsul GRAPHIC 1. La mijlocul anilor 1960 au fost iniţiate de către diferite grupuri de ingineri, studii şi cercetări ample dedicate graficii asistate de calculator. Formularea computer aided design (proiectare asistată de calculator - CAD) începe să apară şi să fie frecvent utilizată. La sfârşitul anilor 60, apar pe piaţă tuburile catodice cu stocare, eveniment care a permis dezvoltarea ulterioară a sistemelor de calcul. dintre ele erau capabile să modeleze obiectele printr-o reţea de sârmă (în engleză wireframe) şi într-o măsură mai mică să reprezinte suprafeţe. Din cauza limitărilor şi a restricţiilor modelării, erau disponibile numai aplicaţii de nivel scăzut care, de regulă, erau manuale şi departe de a rezolva problemele reale de proiectare industrială. Cele mai bine dezvoltate aplicaţii disponibile rezolvau calculul proprietăţilor masice, modelarea cu elemente finite, generarea şi verificarea benzilor perforate pentru maşinile cu comandă numerică şi calculul circuitelor integrate. La sfârşitul anilor 1970, managementul din diferite industrii începea să realizeze impactul noii tehnologii CAD/CAM asupra creşterii productivităţii. Inginerii au început să solicite vânzătorilor de software şi hardware diverse aplicaţii şi sisteme în limitele tehnice de atunci. Anii '80 marchează intensificarea cercetărilor şi studiilor în domeniul CAD/CAM şi dezvoltarea noilor tehnologii şi a algoritmilor de modelarea geometrică. Obiectivul esenţial al acestei decade este de a integra şi 7
automatiza operaţiile de proiectare şi manufacturare în cadrul fabricilor complet asistate de calculator. Are loc o extindere a sistemelor CAD/CAM prin introducerea proiectării geometrice tridimensionale şi apariţia multor aplicaţii inginereşti. Apar reprezentările exacte ale suprafeţelor sculpturale bazate pe suprafeţele Coons, Bezier, Gordon şi B-spline. Dezvoltarea pe orizontală a CAD/CAM aduce noi aplicaţii în domeniul analizei şi simulării mecanismelor şi roboţilor, a sistemelor de formare prin injecţie, a automatizării proiectării conceptuale şi multe altele. O realizare importantă este acceptarea şi creşterea credibilităţii teoriei modelării solidelor, al cărei potenţial fundamental este dat de capacitatea de a furniza reprezentări unice şi clare ale solidelor care ajută la automatizarea aplicaţiilor de proiectare şi fabricare. Există acum sisteme majore de modelare solidă ca GM Solid (General Motors), Romulus (ShapeData), PADL-2 (University of Rochester), Syntha Vision-based (Applicon) şi Solidesign (Computervision). Maşinile de calcul ţin pasul cu evoluţia software-ului şi cu dezvoltarea aplicaţiilor. Aceasta este istoria de patru decenii a apariţiei, dezvoltării şi implementării tehnologiilor CAD/CAM. Mergând mai departe în timp, se confirmă că anii '90 reprezintă perioada în care rezultatele eforturilor de cercetare în domeniul CAD/CAM se maturizează. În aceşti ani devin disponibili noi algoritmi şi capacităţi de proiectare şi manufacturare avansate. Aceste aplicaţii sunt susţinute de maşini de calcul mai bune şi mai rapide şi de software-uri de reţea şi comunicare mai eficiente. Astăzi se dezvoltă noi configuraţii hardware şi noi concepte software care cu siguranţă vor aduce într-un viitor apropiat multe schimbări. 8